Những điểm đáng chú ý trong ‘triển vọng chuyển đổi năng lượng’

Thấy gì qua lộ trình toàn cầu về chuyển đổi năng lượng sạch vào năm 2030? Tại Hội nghị biến đổi khí hậu 2021 (COP26) vừa được tổ chức tại Anh, Liên Hợp quốc đã công bố lộ trình toàn cầu về chuyển đổi năng lượng sạch (NLS) vào năm 2030. Mục tiêu nhằm hướng tới phát thải ròng về 0 (Net Zero) vào năm 2050.

Những công nghệ nào có thể hỗ trợ thúc đẩy quá trình chuyển đổi năng lượng? Quá trình chuyển đổi năng lượng là con đường hướng tới sự chuyển đổi ngành năng lượng từ nguồn gốc hóa thạch sang hệ thống năng lượng sạch, không carbon để hạn chế sự biến đổi khí hậu. Việc tăng cường sản xuất điện từ nguồn năng lượng tái tạo, cũng như sử dụng các công nghệ thông minh, hiệu quả trong sử dụng, truyền tải và phân phối điện đều là các giải pháp hữu hiệu phục vụ cho mục tiêu này. Hãy cùng chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam xem xét một số công nghệ giúp thúc đẩy quá trình chuyển đổi năng lượng dưới đây.

Công ty DNV của Hoa Kỳ với mô hình năng lượng toàn cầu độc lập của mình, hằng năm nghiên cứu đề xuất Triển vọng chuyển đổi Năng lượng (ETO). Dưới đây là một số điểm đáng chú ý từ ETO 2021 của DNV.

1/ Chúng ta không thể đạt được tham vọng Paris vì chỉ có một khe hẹp để rút ngắn khoảng cách:

Lượng khí thải toàn cầu dường như đã đạt đỉnh vào năm 2019, tiếp theo là mức giảm 6% chưa từng có vào năm 2020 do Covid-19.

Lượng phát thải hiện đang tăng mạnh trở lại và sẽ tăng trong ba năm tới trước khi bắt đầu giảm.

Trong khi lượng phát thải đang được bổ sung với tốc độ lớn, năng lượng tái tạo (NLTT) hiện chỉ được bổ sung chứ chưa thay thế hoàn toàn nhiệt điện. Đến năm 2030, lượng phát thải CO₂ do nguồn năng lượng toàn cầu có khả năng chỉ thấp hơn 9% so với mức phát thải năm 2019 và đến năm 2050 chỉ thấp hơn 45%. Điều này hoàn toàn trái ngược với tham vọng giảm một nửa lượng phát thải CO₂ vào năm 2030 và đạt được mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 để hạn chế sự nóng lên toàn cầu ở mức 1,5°C. Dự báo của DNV là chúng ta có nhiều khả năng hướng tới sự nóng lên toàn cầu là 2,3°C vào năm 2100.

Khi lượng khí thải CO₂ tiếp tục tích tụ, cơ hội hành động bị thu hẹp hàng năm. Đối với sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu, giảm được một phần nhỏ của 1°C đều quan trọng cho nên để đạt được sự nóng lên toàn cầu là 2°C vào năm 2100 như đề xuất của Paris COP20, tất cả các phương án để giảm lượng khí thải cần được thực hiện khẩn cấp. Theo tính toán, các hệ thống năng lượng của một số khu vực đang phát triển sẽ không thể được khử hết cacbon vào giữa thế kỷ này, chẳng hạn như ở châu Phi cận Sahara lượng khí thải sẽ chỉ giảm được 23% và Tiểu lục địa Ấn Độ là 64%. Vì vậy để thế giới có thể đạt được phát thải ròng bằng 0, các khu vực của OECD cần phải di chuyển nhanh hơn và có số ngày phát thải bằng 0 sớm hơn trong quá trình hoàn thiện các công nghệ khử cacbon quan trọng để thúc đẩy quá trình khử cacbon ở các khu vực kém phát triển hơn

Bắc Mỹ và châu Âu cần đạt phát thải 0 vào năm 2042, trong khi Trung Quốc Đại lục cần giảm 98% lượng khí thải vào năm 2050

2/ Điện khí hóa đang tăng mạnh và NLTT sẽ cạnh tranh với tất cả các nguồn năng lượng khác:

Cho đến nay, điện khí hóa là yếu tố năng động nhất của quá trình chuyển đổi năng lượng. Tỷ trọng điện trong nhu cầu năng lượng cuối cùng toàn cầu sẽ tăng gấp đôi từ 19% lên 38% trong vòng 30 năm tới.

Điện mặt trời và gió là các nguồn điện mới có ở hầu hết mọi nơi, và trong vòng một thập kỷ nữa, nó cũng sẽ rẻ hơn so với nhiệt điện hiện có tại hầu hết các quốc gia. Đến năm 2050, năng lượng mặt trời và gió sẽ chiếm 69% sản lượng điện nối lưới và điện từ nhiên liệu hóa thạch chỉ chiếm 13%. Khả năng kết nối, lưu trữ và đáp ứng nhu cầu sẽ là những tài sản quan trọng trong hệ thống điện khử cacbon.

Về phía cầu, việc sử dụng xe điện chở khách, hàng hoá đang tăng nhanh ở châu Âu, Trung Quốc và ở một mức độ nào đó là Mỹ. Việc Chính phủ các nước này khuyến khích, giảm chi phí và cải tiến công nghệ đối với cả các bộ pin cũng như cơ sở hạ tầng sạc pin, sẽ thúc đẩy dạng phương tiện này phát triển nhanh chóng. Đến năm 2032, một nửa trong tổng số phương tiện chở khách mới được bán trên toàn cầu sẽ là xe điện. Trong các tòa nhà, việc sử dụng máy bơm nhiệt sẽ tăng gấp ba lần, cung cấp 42% nhiệt lượng cho không gian vào năm 2050 trong khi chỉ tiêu thụ 15% năng lượng để sưởi ấm không gian.

3/ Hiệu quả sử dụng năng lượng tăng dẫn đến nhu cầu năng lượng giảm dần từ những năm 2030:

Hiệu quả năng lượng có vai trò rất lớn trong quá trình chuyển đổi năng lượng và nên là ưu tiên số một của các công ty và chính phủ.

Nhiều biện pháp hiệu quả có chi phí cận biên, hoặc thậm chí chi phí âm, nhưng do các ưu đãi bị chia nhỏ và/hoặc thiếu tư duy dài hạn, nên cần có các tiêu chuẩn, cũng như quy định của ngành để đảm bảo thực hiện.

Việc cải thiện cường độ năng lượng (đơn vị năng lượng trên một đô la GDP) sẽ đạt được do tăng hiệu suất thiết bị, công nghệ, sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Mức tăng hiệu quả lớn nhất xảy ra trong lĩnh vực giao thông vận tải, mức độ tăng đáng kể trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp và xây dựng.

Hiệu suất tổng thể đạt được sẽ dẫn đến nhu cầu năng lượng toàn cầu chững lại mặc dù dân số tăng 22% và nền kinh tế toàn cầu tăng trưởng 111% trong 30 năm tới. Nhu cầu năng lượng toàn cầu sẽ chỉ tăng 8% từ năm 2019 đến năm 2035, sau đó về cơ bản vẫn không thay đổi trong 15 năm tiếp theo.

4/ Nhiên liệu hóa thạch đang mất dần vị thế, nhưng vẫn giữ được 50% thị phần vào năm 2050:

Nhiên liệu hóa thạch đã chiếm 80% thị phần năng lượng toàn cầu trong nhiều thập kỷ qua.

Theo dự báo, vào giữa thế kỷ này, nhiên liệu hóa thạch sẽ giảm, nhưng vẫn chiếm 50% thị phần năng lượng, minh chứng cho sức ì của năng lượng hóa thạch trong kỷ nguyên khử cacbon.

Việc sử dụng than sẽ giảm nhanh nhất, giảm 62% vào năm 2050. Việc sử dụng dầu vẫn tương đối ổn định cho đến năm 2025 khi nó bắt đầu giảm ổn định, chỉ còn hơn một nửa mức hiện tại vào giữa thế kỷ. Việc sử dụng khí đốt sẽ tăng trong thập kỷ tới, sau đó chững lại trong khoảng thời gian 15 năm trước khi bắt đầu giảm vào những năm 2040. Khí đốt sẽ vượt qua dầu mỏ trở thành nguồn năng lượng lớn nhất và sẽ chiếm 24% nguồn cung năng lượng toàn cầu vào năm 2050.

Năng lượng hóa thạch khử cacbon là một khía cạnh quan trọng của việc đạt được Thỏa thuận Paris, nhưng việc thu nhận và lưu trữ cacbon (CCS) được dự báo sẽ chậm một cách đáng kinh ngạc, chủ yếu là vì lý do chi phí, với chỉ 3,6% lượng khí thải CO ₂ hóa thạch giảm vào năm 2050.

5/ Khả năng thay đổi và giá điện năng thấp không phải là rào cản đối với hệ thống điện dựa trên năng lượng tái tạo (NLTT):

Hệ thống điện hiện tại không được thiết lập để sử dụng năng lượng tái tạo biến đổi làm nguồn sản xuất chính.

Tuy nhiên, chi phí giảm, sự hỗ trợ của chính phủ đối với việc xây dựng các dự án năng lượng tái tạo và định giá carbon sẽ đảm bảo rằng năng lượng tái tạo cuối cùng sẽ chiếm ưu thế trong sản xuất điện. Trong 30 năm tới, 12 nghìn tỷ USD sẽ được đầu tư vào cả việc xây dựng lưới điện lớn hơn và điều chỉnh nó theo sự thay đổi của năng lượng gió, mặt trời thông qua các giải pháp kỹ thuật như kết nối, lưu trữ và đáp ứng nhu cầu.

Chi phí điện từ năng lượng mặt trời và gió sẽ tiếp tục giảm, nhưng sự ăn mòn giá cả đe dọa trường hợp đầu tư vào công suất tái tạo nếu nguồn điện giá rẻ không được sử dụng vào những thời điểm nguồn cung dồi dào. Tuy nhiên, điện khí hóa gián tiếp thông qua power-to-X (power-to-ammonia (điện thành ammoniac), power - to - chemicals, power - to - fuel, power - to - gas, power - to - hydrogen, power - to - liquid, power-to-methane, power- to - food, power - to - power, and power - to -syngas) sẽ đòi hỏi quy mô lớn nguồn điện từ NLTT. Quy mô này cùng với các giải pháp lưu trữ khác nhau, sẽ đảm bảo rằng nguồn điện dư thừa sẽ được sử dụng và duy trì giá cả ở mức thỏa đáng.

Năng lượng mặt trời cùng với lưu trữ sẽ làm cho nó cạnh tranh trực tiếp hơn với nhiệt điện, hạt nhân và thủy điện. Đến năm 2050 nguồn điện mặt trời cùng với hệ thống lưu trữ trực tiếp được dự báo sẽ sản xuất 12% tổng lượng điện nối lưới.

6/ Khử carbon trong các lĩnh vực khó giảm thiểu đòi hỏi quy mô lớn hơn nhiều đối với sản xuất hydrogen, nhiên liệu tổng hợp và nhiên liệu sinh học:

Các lĩnh vực khó giảm thiểu là những lĩnh vực không thể dễ dàng khử cacbon thông qua điện khí hóa, bao gồm hàng không, hàng hải, vận tải đường dài và các bộ phận lớn của ngành công nghiệp nặng.

Các lĩnh vực này hiện đang chiếm khoảng 35% lượng khí thải CO₂ toàn cầu và tiến độ giảm lượng khí thải này thực sự rất chậm.

Hydrogen được coi là giải pháp thay thế khử cacbon chính cho các lĩnh vực này, với nhiên liệu sinh học đóng vai trò hỗ trợ, chủ yếu trong ngành hàng không. Sử dụng hydrogen trực tiếp thường không phù hợp, tàu thủy, máy bay yêu cầu hydrogen dẫn xuất từ nhiên liệu tổng hợp như amoniac và nhiên liệu phản lực tổng hợp.

Sản xuất hydrogen toàn cầu cho các mục đích năng lượng hiện là không đáng kể và sẽ chỉ bắt đầu mở rộng quy mô từ cuối những năm 2030, đáp ứng 5% nhu cầu năng lượng toàn cầu vào năm 2050. Các khuyến khích của chính phủ, tương tự như những khuyến khích dành cho năng lượng tái tạo, là cần thiết để kích thích phát triển công nghệ, đẩy nhanh việc sử dụng hydrogen và nhiên liệu tổng hợp.

Do đó, hàng không, hàng hải và công nghiệp nặng vẫn giữ được thị phần nhiên liệu hóa thạch cao không suy giảm cho đến năm 2050. Điều này làm chậm quá trình chuyển đổi và cản trở đáng kể việc đạt được Thỏa thuận Paris.

7/ Hầu hết nguồn hydrogen sẽ được sản xuất từ các máy điện phân chuyên dụng sử dụng NLTT vào năm 2050:

Việc sản xuất hydrogen hiện tại như một chất mang năng lượng là không đáng kể so với 75 triệu tấn hydrogen màu xám/nâu được sản xuất hàng năm cho sản xuất phân bón và hóa chất.

Hydrogen màu xanh lam, được sản xuất bằng phương pháp chuyển hóa metan hơi (Steam Methane Reforming - SMR) từ khí đốt với CCS, sẽ thay thế một phần hydrogen màu xám và nâu trong những thập kỷ tới. Tổng cộng, hydrogen xanh cũng sẽ chiếm 18% nguồn cung cấp hydrogen cho các mục đích năng lượng vào năm 2050.

Hydrogen xanh lá từ quá trình điện phân sẽ là giải pháp lâu dài chính để khử cacbon trong các lĩnh vực khó khử carbon, bao gồm hydrogen làm cơ sở để chiết xuất các loại nhiên liệu tổng hợp khác.

Điện phân bằng điện lưới gặp bất lợi bởi số giờ hạn chế của điện giá rẻ. Tuy nhiên, lượng khí thải CO₂ của nó sẽ cải thiện khi có nhiều năng lượng tái tạo tham gia vào hỗn hợp năng lượng. Việc sản xuất hydrogen trong tương lai cho các mục đích năng lượng sẽ được thống trị bởi quá trình điện phân sử dụng năng lượng tái tạo chuyên dụng ngoài lưới điện, chẳng hạn như các trang trại năng lượng mặt trời và gió. Đến năm 2050, 18% hydrogen sẽ được cung cấp từ các nguồn đưa vào lưới điện và 43% sẽ đến từ các nguồn NLTT chuyên dụng bao gồm điện mặt trời (16%), điện gió trên bờ (16%) và điện gió cố định ngoài khơi (9%)./.

TS. NGUYỄN MẠNH HIẾN - TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Tài liệu tham khảo:

1/ Highlights from Energy Transition Outlook 2021.

2/ Pathway to Net-Zero.