Điện hạt nhân trụ cột của tương lai không CO2 [Kỳ 1]: Thử thách trong biến đổi khí hậu

Chính phủ đề nghị Bộ Công Thương xử lý kiến nghị ‘đưa điện hạt nhân vào Quy hoạch’

Việt Nam có đủ điều kiện phát triển điện hạt nhân


KỲ 1: VAI TRÒ CỦA ĐIỆN HẠT NHÂN TRONG THỬ THÁCH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TOÀN CẦU

Thế giới đang phải đối mặt với thách thức nghiêm trọng về thay đổi khí hậu, nhất là việc gia tăng CO2 trong khí quyển và tác động của nó làm cho nhiệt độ trung bình toàn cầu tiếp tục tăng. Mặc dù khí nhà kính khác như CH₄, N₂O, O₃, và CFCs cũng góp phần làm tăng nhiệt độ toàn cầu, nhưng CO₂ là nguyên nhân chủ yếu, bắt nguồn từ giao thông và sản xuất nhiệt điện. Để đạt được năng lượng không phát thải carbon trong tương lai đòi hỏi tất cả các nguồn năng lượng sẵn có phải sạch hơn, bao gồm cả năng lượng hạt nhân, phải có sự hỗ trợ và hành động khẩn cấp từ các chính phủ, các công ty, tổ chức phi chính phủ và các bên liên quan khác.

Điều quan trọng là phải xem xét toàn bộ hệ thống năng lượng. Khi các chính phủ lên kế hoạch để đạt được các mục tiêu giảm carbon và xác định cơ cấu năng lượng trong tương lai, họ sẽ cần phải xem xét các rủi ro và sự phụ thuộc lẫn nhau của các hệ thống năng lượng của chính quốc gia họ. Tương lai của hệ thống năng lượng toàn cầu nên được kết nối và tích hợp với nhau hơn để chia sẻ lợi ích và hiệu quả giữa các nền kinh tế.

Các nhà hoạch định chính sách và các nhà lãnh đạo ngành phải xem xét toàn bộ hệ thống năng lượng, cung cấp dịch vụ, cơ sở hạ tầng và lĩnh vực tiêu thụ khi đưa ra quyết định.

Một hệ thống năng lượng không phát thải nhà kính cũng yêu cầu sản xuất điện bằng những công nghệ sạch hơn, bao gồm hạt nhân, năng lượng tái tạo, lưu trữ năng lượng, tua bin khí chu trình hỗn hợp, thu giữ carbon và sản xuất hydro. Sản xuất điện carbon thấp, kết hợp với cân bằng hệ thống như các bộ kết nối, đáp ứng từ phía nhu cầu, lưu trữ, pin và hydro, sẽ tạo ra cơ hội để khử carbon trong ngành điện. Toàn bộ hệ thống năng lượng phải được giải quyết để giảm đáng kể lượng khí thải carbon, đặc biệt là các ngành sử dụng nhiều năng lượng như sưởi ấm, giao thông vận tải và sản xuất công nghiệp.

Năng lượng hạt nhân là một trụ cột quan trọng của một tương lai không carbon:

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA-International Energy Agency), ngày nay, điện hạt nhân tạo ra khoảng 10% điện năng trên thế giới với công suất lắp đặt toàn cầu trên 400 GW. Mỹ, Pháp, Trung Quốc, Nga và Hàn Quốc tạo ra nhiều điện nhất từ các nguồn phát điện hạt nhân. Điện hạt nhân đóng một vai trò quan trọng trong an ninh năng lượng của một quốc gia, cung cấp chi phí điện ổn định và hợp lý, phần lớn không phụ thuộc vào biến động giá thị trường nhiên liệu với tính khả dụng lâu dài. Một số quốc gia có kế hoạch loại bỏ dần các nhà máy điện hạt nhân, trong khi những quốc gia khác đang xây dựng hoặc mở rộng sản xuất điện hạt nhân. GE dự báo sẽ có khoảng 10 GW mỗi năm nhu cầu đối với các nhà máy điện hạt nhân mới trong thập kỷ tới và việc gia tăng các cam kết toàn cầu về khử carbon sẽ đẩy nhanh xu hướng này. Thật vậy, Cơ quan Không Phát thải nhà kính (NZE) của IEA dự báo công suất điện hạt nhân được lắp đặt sẽ tăng gần gấp đôi so với hiện nay, đạt 812 GW vào năm 2050.

Dựa trên những lợi ích của điện hạt nhân, IEA đã kêu gọi sự đóng góp lớn hơn của năng lượng hạt nhân trong cơ cấu năng lượng toàn cầu để đạt được một kịch bản trong đó mức tăng nhiệt độ toàn cầu dài hạn được giới hạn ở 2°C (Kịch bản Phát triển Bền vững). Theo IEA, bằng cách sử dụng năng lượng hạt nhân làm nguồn phát điện, thế giới đã tránh được hơn 60 giga tấn CO2 phát thải trong vòng 50 năm qua. IEA chỉ ra rằng năng lượng hạt nhân là nguồn điện carbon thấp hàng đầu và khó mà đạt được một tương lai năng lượng bền vững mà không có điện hạt nhân.

Năng lượng hạt nhân cung cấp năng lượng liên tục không bị gián đoạn, với hệ số công suất cao nhất trong cơ cấu năng lượng.Với tối đa hai năm nhiên liệu được tích nạp tại chỗ, các nhà máy điện hạt nhân đáng tin cậy hơn so với các nguồn nhiên liệu khác cần phải được cung cấp nhiên liệu thường xuyên đến tận nơi. Điện hạt nhân là nguồn điện có thể chuyển đổi không chứa carbon, cung cấp khả năng công suất chạy nền 24 giờ trong 7 ngày mỗi tuần, giúp ổn định lưới điện và ngăn ngừa mất điện bởi các nguồn phụ thuộc vào thời tiết, chẳng hạn như gió và mặt trời. Các lò phản ứng mô-đun nhỏ (Small modular reactor - SMR) thậm chí còn linh hoạt hơn và được lắp đặt theo vị trí. Ngoài ra, các nhà máy hạt nhân cũng có thể sản xuất một lượng lớn điện năng trên diện tích đất ít hơn so với các nguồn năng lượng sạch hơn khác.

Trong khi điện hạt nhân không thải ra carbon trong quá trình vận hành so với tất cả các công nghệ sản xuất điện, trong suốt vòng đời của nó.

Theo UN IPCC, lượng phát thải trong vòng đời hạt nhân là khoảng 12 gCO2eq/ kWh, so với khoảng 41 - 48 gCO2eq/kWh đối với điện mặt trời và khoảng 11 - 12 gCO2eq/kWh đối với điện gió.

Năng lượng hạt nhân là một khoản đầu tư cho tương lai - giá cả phải chăng, tăng trưởng kinh tế và việc làm “xanh”. Đầu tư vào năng lượng hạt nhân là đầu tư dài hạn, sẽ mang lại lợi ích cho các thế hệ sau và cần có sự hỗ trợ lớn của chính phủ.

Mặc dù đầu tư ban đầu để xây dựng một nhà máy điện hạt nhân là đáng kể, nhưng vòng đời của nó có thể lên đến 80 năm. Trong toàn bộ vòng đời của mình, nó có thể tạo ra một lượng điện năng khổng lồ không bị gián đoạn trong thời gian dài với chi phí điện ổn định và phải chăng, phần lớn không phụ thuộc vào biến động giá cả thị trường nhiên liệu với tính khả dụng lâu dài.

Khi các quốc gia coi "phục hồi xanh" từ tác động kinh tế của đại dịch Covid-19, có cơ hội để xây dựng lại nền kinh tế bằng cách áp dụng các công nghệ làm giảm tác động carbon. Ngành công nghiệp hạt nhân nên được coi là một phần của kế hoạch phục hồi này nhằm tạo ra việc làm và đóng góp vào tổng sản phẩm quốc nội (GDP). Ngành công nghiệp hạt nhân mang lại nhiều công việc và mang lại cơ hội cho một quốc gia đầu tư vào lực lượng lao động trong tương lai, cho các hoạt động nhà máy xây dựng sau này với các công việc kỹ thuật có tay nghề cao.

Theo Cơ quan Năng lượng Hạt nhân Mỹ, các nhà máy điện hạt nhân hỗ trợ gần 500.000 công việc kỹ thuật của Mỹ và đóng góp khoảng 60 tỷ USD vào GDP của Mỹ mỗi năm. Một nhà máy hạt nhân của Mỹ có thể sử dụng tới 700 công nhân với mức lương cao hơn 30% so với mức trung bình của địa phương.

Theo Foratom, tại Liên minh châu Âu (EU), lĩnh vực hạt nhân cung cấp nhiều việc làm hơn trên mỗi GW được lắp đặt và có tác động đến GDP lớn hơn so với điện gió và thủy điện. Nó đóng góp 507,4 tỷ Euro vào GDP và tạo ra doanh thu công gần 124 tỷ Euro mỗi năm. Mỗi Euro đóng góp trực tiếp của ngành công nghiệp hạt nhân vào GDP của EU tạo ra đóng góp gián tiếp là 4 Euro, tổng cộng là 5 Euro. Lĩnh vực hạt nhân cũng hỗ trợ hơn 1,1 triệu việc làm ở hơn 27 quốc gia thành viên, gần một nửa trong số này là các công việc có kỹ năng cao. Mỗi công việc được tạo ra trong lĩnh vực hạt nhân duy trì thêm 2,2 việc làm, tổng cộng là 3,2 việc làm trên thị trường lao động.

Khoảng 70% việc làm trực tiếp được duy trì trong ngành công nghiệp điện hạt nhân để vận hành các nhà máy trong thời gian dài.

Đồng thời, cần phải làm nhiều hơn nữa để tăng cường sự ủng hộ của cộng đồng đối với năng lượng hạt nhân. An toàn và quản lý thích hợp nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng là những vấn đề quan trọng mà ngành công nghiệp này tiếp tục cần tập trung và cải thiện. IEA công nhận năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng an toàn nhất trên thế giới, nhưng cần phải làm nhiều hơn nữa để giáo huấn công chúng về các giao thức và quy định để đảm bảo an toàn hạt nhân và quản lý thích hợp nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng. Khi nói đến độ an toàn, các lò phản ứng được thiết kế theo tiêu chuẩn cao nhất của ngành với các quy trình nghiêm ngặt nhất trong số các loại nhiên liệu sản xuất điện. Tương tự, nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng phải được quản lý cẩn thận và chịu sự điều chỉnh rộng rãi của các cơ quan chính phủ.

Tối đa hóa công suất trọn đời của các lò phản ứng đã lắp đặt hiện tại:

Phải duy trì sản xuất điện hạt nhân hiện có như một phần của cơ cấu năng lượng sạch hơn. Với khoảng 450 lò phản ứng hạt nhân trên thế giới tạo ra hơn 400 GW điện hiện nay, việc tối đa hóa tuổi thọ của các cơ sở đã lắp đặt hiện tại là rất quan trọng.

Theo Hiệp hội Hạt nhân Thế giới (WNA), Mỹ là nhà sản xuất điện hạt nhân lớn nhất thế giới, chiếm hơn 30% sản lượng điện hạt nhân toàn cầu. Do sử dụng năng lượng hạt nhân làm nguồn phát điện, Mỹ đã tránh được hơn 23 giga tấn CO2 phát thải trong hơn 50 năm qua.

Pháp là nhà sản xuất điện hạt nhân lớn thứ hai, EDF đang vận hành và bảo trì 56 lò phản ứng, và Canada đang đầu tư đáng kể vào dàn lò phản ứng hiện tại. Theo WNA, một trong những dự án năng lượng sạch hơn lớn nhất ở Bắc Mỹ đang được tiến hành ở Ontario, Canada với việc tân trang và kéo dài tuổi thọ tại nhà máy ở Bruce và các nhà máy phát điện hạt nhân Darlington.

Đồng thời, các công ty điện hạt nhân đang phải đối mặt với áp lực ngày càng tăng trong việc giảm chi phí vận hành và bảo trì (O&M) để cạnh tranh tốt hơn với chi phí khí đốt tự nhiên thấp và trợ cấp năng lượng tái tạo. Giảm chi phí O&M với các giải pháp kỹ thuật số, gia hạn giấy phép vận hành nhà máy trọn đời, tăng đầu tư công nghệ và đổi mới nhiên liệu hiệu quả và đáng tin cậy hơn sẽ được yêu cầu để duy trì các lò phản ứng hạt nhân hiện có, giúp các quốc gia đạt được mục tiêu khử carbon.

Giảm chi phí O&M với các giải pháp kỹ thuật số: Các công ty điện hạt nhân đang phải tìm biện pháp giảm chi phí O&M của dàn lò phản ứng hiện có của họ để duy trì tính cạnh tranh. Kích hoạt hiệu suất ngắt điện tốt nhất trong phân khúc bằng các giải pháp kỹ thuật số là một cách để các nhà máy điện giảm chi phí. Ngoài ra, các nhà lãnh đạo đang phát triển công nghệ thực tế ảo để đào tạo các đội xử lý nhiên liệu trước khi xuất xưởng nhằm cải thiện hiệu suất tại chỗ và hiệu suất ngắt điện tổng thể.

Các giải pháp phần mềm để dự đoán tình trạng hoạt động và bảo trì của nhà máy, chẳng hạn như giải pháp Quản lý Hiệu suất Tài sản (APM) của GE, có thể giúp các nhà vận hành nhà máy điện hạt nhân phát hiện các vấn đề tiềm ẩn và nhu cầu bảo trì sớm hơn, cho phép lập kế hoạch ngừng hoạt động tốt hơn. Phần mềm này có thể giúp giảm thời gian chết và tăng hiệu suất sử dụng tài sản, dẫn đến giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng tới 3%. Một số nhà điều hành nhà máy hạt nhân lớn đang triển khai phân tích dự đoán và tự động hóa quy trình O&M như một chiến lược duy nhất trong các đơn vị của họ.

Phần mềm phân tích và lập kế hoạch ngừng hoạt động (OPA), do GEH và GE Digital phát triển, tối đa hóa kết quả của toàn bộ quá trình ngừng tiếp nhiên liệu hạt nhân, bao gồm lập kế hoạch, lập lịch trình và thực hiện. Sử dụng công cụ và phân tích dữ liệu toàn diện, nó cho phép các nhóm chức năng chéo xây dựng và thực hiện các chương trình giảm thiểu chi phí ngừng hoạt động, thời gian và tổn thất doanh thu. Phần mềm OPA được phát triển để giải quyết mong muốn của khách hàng trong việc tích hợp tất cả dữ liệu liên quan đến sự cố để cung cấp một biểu mẫu duy nhất theo dõi tiến trình ngừng hoạt động, cảnh báo rủi ro, tránh các sai lệch so với kế hoạch và giúp giảm tổng thời gian chu kỳ ngừng hoạt động.

Ngoài việc giảm chi phí vận hành của các nhà máy hiện có, GE đã được trao hợp đồng với DOE của Mỹ trong khuôn khổ chương trình Sản xuất điện (ARPA-E) của Cơ quan Năng lượng (ARPA-E) do Cơ quan Quản lý Tài sản Hạt nhân Thông minh (GEMINA) để phát triển các bản sao kỹ thuật số lò phản ứng, chẳng hạn như Humble AI, cho BWRX-300 SMR của GEH, làm tài liệu tham khảo thiết kế, để giảm đáng kể chi phí O&M của thế hệ lò phản ứng tiếp theo. Dự án này là sự hợp tác giữa GE, Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, Đại học Tennessee ở Knoxville và Exelon. Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) cũng đã được trao hợp đồng với US DOE để lắp ráp, xác nhận và thực hiện các bản sao kỹ thuật số lò phản ứng có độ trung thực cao của các hệ thống BWRX-300.

Để tối ưu hóa Gia hạn giấy phép nhà máy trọn đời: Hơn 90% nhà máy điện hạt nhân hiện có ở Mỹ được xây dựng vào những năm 1970 và 1980 với thời hạn giấy phép hoạt động 40 năm.

Hầu như tất cả các lò phản ứng hạt nhân ở Mỹ đã nhận được sự chấp thuận của cơ quan pháp quy để gia hạn giấy phép hoạt động từ 40 năm lên 60 năm. Ngành công nghiệp này đang bắt đầu làn sóng gia hạn giấy phép thứ hai cho thời hạn hoạt động là 80 năm. Việc ủng hộ cho các chính sách mở rộng này ở Mỹ cũng như trên toàn cầu cần phải là một ưu tiên, như là hỗ trợ thông qua các khoản tín dụng không phát thải carbon.

Tăng cường đầu tư công nghệ: Tăng cường đầu tư vào các giải pháp công nghệ mới cho dàn lò hiện có sẽ hỗ trợ đạt được các mục tiêu năng lượng không carbon. Tăng công suất mở rộng (EPU) liên quan đến việc nâng cấp lò phản ứng thường xuyên với việc trang bị thêm tua bin hơi nước, dẫn đến tăng lưu lượng hơi và do đó tăng sản lượng điện. GE ước tính việc tăng lượng nhiệt và trang bị thêm tua bin hơi nước điển hình và máy phát điện có thể đạt được tổng sản lượng điện bổ sung lên đến 20% hoặc hơn.

Kể từ đầu những năm 1990 đến nay, chiến dịch tăng cường công suất nhiệt cho các lò phản ứng nước sôi của GE đã dẫn đến việc phát điện thêm tương đương với 3 nhà máy điện hạt nhân 1500 MWe mới.

Việc gia hạn giấy phép hoạt động lên 60 năm và 80 năm sẽ làm tăng đáng kể khả năng hoàn vốn đầu tư vào các nhà máy điện hạt nhân cho các dự án tăng công suất nhiệt này.

GE ước tính thậm chí chỉ cần trang bị thêm một dây chuyền trục tua bin hơi nước điển hình mà không cần thay đổi lưu lượng lò phản ứng có thể đạt được thêm 2,5 đến 4% tổng sản lượng điện và kéo dài thời gian giữa các lần ngắt điện thường từ 6 - 8 năm lên 12 năm. Nếu nâng cấp công nghệ như vậy được áp dụng cho những nhà máy đã hoạt động lâu với tuổi thọ còn lại dài, điều này có thể tăng khả năng sản xuất điện không carbon lên hơn 4.000 MW với chi phí đầu tư 1,5 - 2,5 triệu Euro mỗi MW, thấp hơn đáng kể so với công suất phát điện mới.

Cải tiến nhiên liệu hiệu quả và đáng tin cậy hơn: Cải thiện tính kinh tế của chu trình nhiên liệu và tăng cường an toàn là yếu tố sống còn để tối đa hóa dàn lò hạt nhân hiện có. Global Nuclear Fuel (GNF), một liên doanh do GE đứng đầu với Hitachi, tiếp tục đổi mới các sản phẩm nhiên liệu của mình để có hiệu suất, độ an toàn và tính kinh tế tốt hơn. GNF đóng một vai trò quan trọng trong chương trình Nhiên liệu có khả năng khắc phục hư hỏng (ATF) của DOE Mỹ, một sáng kiến nhằm tạo ra các giải pháp nhiên liệu tiên tiến nhằm cải thiện hiệu suất hoạt động của nhà máy đồng thời nâng cao hơn nữa biên độ an toàn. GNF là công ty đầu tiên thử nghiệm công nghệ mới IronClad và ARMOR tại một nhà máy hạt nhân đang hoạt động. GNF cũng đang theo đuổi việc làm giàu uranium cao hơn để giảm yêu cầu tải nhiên liệu, giảm khối lượng nhiên liệu đã sử dụng và kéo dài khoảng thời gian tiếp nhiên liệu lên 30 - 36 tháng.

Kỳ 2: Đổi mới thế hệ tiếp theo của công nghệ điện hạt nhân và kiến nghị chính sách

BIÊN DỊCH VÀ TỔNG HỢP: NGUYỄN THỊ THU HÀ (VINATOM)