Vì sao điện gió chưa thể thay thế nhiệt điện than?

I - Tính khả thi về kỹ thuật củ​a phong điện

1/ Về kỹ thuật/công nghệ, phong điện là nguồn điện không ổn định (khó lường) nhất. Phong điện dựa trên cơ sở chuyển động của luồng không khí trong khí quyển ở gần bề mặt trái đất dưới tác động của mặt trời. Chuyển động của không khí trong khí quyển đến độ cao 2000m thuộc dạng hỗn loạn (turbulent flow). Hiện tượng hỗn loạn này càng gần bề mặt đất càng tăng. Để biến động năng của gió thành điện năng, con người hiện mới chỉ chinh phục được ở độ cao dưới 200m cách bề mặt đất.

Vì vậy, phong điện có “đầu vào” là gió thuộc hiện tượng rất “hỗn loạn”.

2/ Gần đây, nhờ các tiến bộ kỹ thuật, các tua bin gió có thể phát được điện ở tốc độ gió từ 3m/s trở lên và tự động ngừng phát điện khi tốc độ gió hơn 25m/s. Về lý thuyết, công suất phát của phong điện tỷ lệ bậc 3 với tốc độ của gió (tốc độ gió tăng/giảm 2 lần, công suất phát tăng/giảm 8 lần). Tốc độ gió thay đổi liên tục và “hỗn loạn” theo không gian và thời gian. Vì vậy, sản lượng phong điện sẽ thay đổi theo giờ, theo ngày, theo tháng, theo năm. Trong khi đó, như ta đã biết, độ chính xác trong dự báo về gió/bão hiện nay rất thấp. Vì vậy, sản lượng phong điện rất khó dự báo (trong khi sản lượng các nguồn nhiệt điện than, dầu, khí có thể xác định chủ động 100%).

Điều này rất quan trọng đối với công tác điều độ của hệ thống điện vì trong thực tế, nhu cầu sử dụng điện cũng thay đổi theo từng giờ trong ngày, theo ngày trong tuần, và theo tháng trong năm.

II - Tính khả thi về kinh tế của phong điện

1/ Nếu hoạt động độc lập (không nối lưới), phong điện (vốn đã bất định) sẽ không thể đáp ứng cho việc thay đổi của phụ tải, đòi hỏi phải đầu tư thêm các thiết bị chuyển đổi (convertor) và lưu trữ điện năng (ác quy). Chi phí đầu tư cho các thiết bị này có thể chiếm tới 50% tổng mức đầu tư. Vì vậy, suất đầu tư bình quân của phong điện khoảng 1000 U$/kW, cao hơn 25÷30% so với nhiệt điện than (suất đầu tư của nhiệt điện chạy than 750÷800 U$/kW).

2/ Nếu nối lưới (thường công suất lớn), phong điện sẽ đòi hỏi hệ thống điện quốc gia phải đầu tư thêm nguồn dự phòng (điện chạy than, khí, nguyên tử). Tỷ lệ nguồn điện dự phòng tăng thêm này trong hệ thống càng lớn, giá thành điện bình quân của cả hệ thống càng tăng.

3/ Thực tế cho thấy, do điều kiện xây dựng và thiết kế công nghệ bị hạn chế, công suất tổ máy của phong điện nhỏ so với nhiệt điện. Vì vậy, tính kinh tế của quy mô khi phát triển các nguồn phong điện không thể hiện rõ như các nguồn điện khác. Trên đất liền có thể xây dựng các trạm phong điện công suất lớn, việc đấu nối với hệ thống điện thuận tiện, nhưng tốc độ gió thường thấp. Ngoài khơi (biển) và trên vùng đồi núi cao có tốc độ gió lớn nhưng việc xây dựng các trạm phong điện công suất lớn rất khó khăn và chi phí đấu nối lớn.

4/ Đối với các trạm phong điện nhỏ, vấn đề đấu nối sẽ chiếm tỷ trọng lớn trong chi phí. Đối với các trạm phong điện lớn, sửa chữa lại là vấn đề nan giải vì việc thay thế các chi tiết/phụ tùng có trọng lượng lớn (hàng trăm tấn) như cánh quạt, rotor, vv... ở độ cao vài chục mét đòi hỏi chi phí rất cao.

Ở Mỹ, theo số liệu của Earth Policy Institute chỉ ở 2 bang (Texas và Colorado) các dự án phong điện của Austin Energy và Xcel Energy có chi phí thấp hơn các nguồn điện truyền thống.

Trên thế giới, mặc dù chi phí xây dựng các trạm phong điện ngoài khơi đã giảm, nhưng chi phí phát điện vẫn ở mức cao, khoảng 125÷200 U$/MWh. Các hãng MHI-Vestas, Siemens, DONG Energy đã ký một thỏa thuận nhằm giảm chi phí phát điện xuống còn 120 U$/MWh vào năm 2020.

5/ Đối với một số lĩnh vực sử dụng điện, khi vấn đề ổn định và liên tục trong cung cấp điện được đặt lên hàng đầu thì phong điện (và cả quang điện) sẽ hoàn toàn không đáp ứng được (không có khả năng cạnh tranh).

Tóm lại, về mặt kinh tế và kỹ thuật, bản thân hệ thống điện của tất cả các nước đều không sẵn sàng để tiếp nhận sự hòa lưới của bất kỳ trạm phong điện nào và bất kỳ một trạm phong điện nào nếu không hòa lưới thì cũng không thể cung cấp điện độc lập một cách ổn định và hiệu quả được. Vì vậy, tất cả các nước cần phải có các quy chế (đạo luật) riêng để điều chỉnh (áp đặt) việc đấu nối các nguồn phong điện vào lưới quốc gia.

III - Trên thế giới, phong điện phát triển nhanh nhưng tỷ trọng thấp, quy mô nhỏ

1/ Tốc độ phát triển của phong điện nhanh nhưng sản lượng chưa bằng điện hạt nhân. Trong vòng 16 năm, công suất phong điện đã tăng hơn 42 lần (xem đồ thị dưới đây). Năm 1997 tổng công suất phong điện trên toàn thế giới chỉ có 7,5 GW, đến năm 2013 là 318,5 GW. Tính đến đầu năm 2015, tổng công suất lắp đặt phong điện của 85 nước trên thế giới khoảng 369 GW và năm 2016 là 432 GW, lớn hơn tổng công suất lắp đặt của điện nguyên tử. Tuy nhiên, về sản lượng, điện nguyên tử lớn hơn 5 lần so với phong điện.

Mặc dù tăng trưởng rất nhanh về công suất, nhưng sản lượng của phong điện chỉ chiếm 3% (khoảng 706 TWh/2014) trong tổng sản lượng điện của thế giới (điện nguyên tử chiếm khoảng 15%).

2/ Loại tua bin phổ biến nhất có công suất 1,5÷2,5MW (năm 2009 chiếm 82%). Công suất tổ máy lớn nhất có tăng lên trong thời gian qua, nhưng chậm và nhỏ: Tua bin E-112 của hãng Enercon xuất hiện tháng 8/2002 có công suất 4,5MW; tháng 12/2004 hãng REpower Systems, Đức đưa vào vận hành tua bin công suất 5,0MW; Cuối 2005, Enecon tăng công suất lên 6MW, đường kính rotor-114m, chiều cao tháp 124m. Từ 2014, Vestas Đan Mạch đã thử nghiệm thành công và chế tạo tua bin V-164 công suất 8MW. Hiện tua bin được chế tạo có công suất lớn nhất là 10MW.

Trong khi đó, công suất tổ máy lớn nhất của nhiệt điện (than, nguyên tử) hiện nay đã đạt 1200÷1300MW. Như vậy, cần phải xây dựng ít nhất 120÷130 tua bin gió để thay thế cho 1 tổ máy phát nhiệt điện chạy than, hoặc nguyên tử.

3/ Thiết bị phong điện công suất đơn chiếc nhỏ nhưng thuộc loại siêu trường, siêu trọng. Ví dụ, tua bin 3MW (V-90) của Vestas Đan Mạch sản xuất có tổng chiều cao 115m, chiều cao tháp 70m và đường kính quay của cánh quạt 90m. Tua bin 5MW có chiều cao của tháp 120m, đường kính quay của rotor 126m và tổng trọng lượng tổ máy lên tới 200 tấn.

4/ Điều kiện thi công thường không thuận lợi: Vùng ven bờ (cách đất liền 10÷12km) được coi là có triển vọng nhất để xây dựng các trạm phát điện gần bờ vì chi phí đầu tư cao hơn 1,5÷2 lần so với trong đất liền, nhưng tốc độ gió cao. Các tháp gió được xây dựng trên các cọc được đóng sâu vào đáy biển khoảng 30m. Việc đầu nối với hệ thống trên bờ được thực hiện bằng cáp ngầm đặt dưới đáy biển. Vùng xa bờ có tốc độ gió cao, nhưng nước sâu, phải xây dựng các trạm phong điện nổi, có công suất nhỏ (nhẹ) nhưng chi phí rất cao. Các vùng núi cao cũng có tốc độ gió lớn, nhưng điều kiện thi công cũng rất khó khăn.

IV - Ở Việt Nam, phong điện chưa thể thay được nhiệt điện than

1/ Về giảm nhập khẩu than: Theo lý thuyết, cứ 1 MW công suất phong điện hoạt động liên tục trong 20 năm có thể thay thế được khoảng 29.000 tấn than, hoặc 92.000 thùng dầu mỏ (hàng năm 1 MW công suất phong điện có thể thay thế được 1.450 tấn than, hoặc 4.600 thùng dầu mỏ). Như vậy, để giảm được 70 triệu tấn than phải nhập khẩu hàng năm thì Việt Nam phải xây dựng khoảng 48,3 GW công suất phong điện (bằng gần 1/3 của Trung Quốc - nước đang dẫn đầu thế giới về phong điện)!

2/ Về nhu cầu vốn và giá điện: Thời gian vận hành bình quân hàng năm của nhiệt điện chạy than khoảng 6500h/năm, của phong điện khoảng 2000h/năm (mức bình quân toàn thế giới năm 2014 là 1913h). Như vậy, nếu để đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, Việt Nam sử dụng năng lượng của gió để thay thế năng lượng của than trong phát điện, thì công suất phong điện phải lớn hơn công suất của nhiệt điện than 3,25 lần.

Tương tự, vốn đầu tư sẽ phải cao hơn (3,25 x 1,25 =) 4,06 lần. Nếu “xã hội hóa”, giá điện sẽ phải tăng lên tương ứng (vì phong điện chỉ có thành phần “giá công suất”).

3/ Về tiến độ triển khai: Theo Quy hoạch điện, để đáp ứng nhu cầu điện của nền kinh tế đang ngày càng tăng, đến năm 2030, Việt Nam phải xây dựng và đưa vào phát điện bình quân khoảng 3,5GW/năm công suất nhiệt điện chạy than. Nếu thay thế than bằng sức gió, Việt Nam phải xây dựng các trạm phong điện với tổng công suất 11,4 GW/năm. Trong khi, cả thế giới trong vòng 19 năm (1997-2016) mới chỉ xây dựng được tổng số 432 GW (bình quân 22,7 GW/năm).

Như vậy, quy mô phát triển phong điện của Việt Nam hàng năm phải bằng ½ của thế giới. Điều này là không thể có.

4/ Về địa điểm xây dựng: Nếu sử dụng loại máy phát phong điện công suất lớn nhất hiện nay, mỗi năm Việt Nam phải xây dựng ít nhất khoảng 2300÷2500 “cối xay gió” ở Bình Thuận (trên đất liền) hay Cà Mau (ngoài khơi). Điều này là không thể xẩy ra vì không có chỗ để xây.

5/ Về tính an toàn của hệ thống: Đối với hệ thống điện của Việt Nam, nếu tỷ trọng về công suất đặt của phong điện trong hệ thống điện quốc gia đạt 20÷25% (cao hơn so với dự tính trong quy hoạch) sẽ dẫn đến nhiều bất ổn. Để tránh trường hợp rã lưới, cần khảo sát đánh giá khoa học có tính đến xác suất sự cố của các nguồn khác.

V - Các “cường quốc” về phong điện

1. Trung Quốc

Đứng đầu thế giới về phong điện. Theo số liệu công bố 8/2017, đến cuối 2016 tổng công suất phong điện của Trung Quốc (TQ) là 169 GW, chiếm 34% của toàn thế giới.

Năm 2014, sản lượng phong điện của TQ là 138 tỷ kWh/2014, chiếm tỷ trọng 2,6%. Chỉ trong năm 2015, TQ đã xây dựng 33 GW công suất phong điện mới - kỷ lục của thế giới. Sản lượng phong điện năm 2015 ở TQ là 186,3 tỷ kWh/2015, chiếm tỷ trọng 3,3%. Trong giai đoạn 2016÷2020, TQ dự kiến sẽ xây dựng thêm 100 GW phong điện.

Theo đánh giá của Viện Nghiên cứu Khí hậu TQ (China Climate Science Research Institute), tiềm năng phong điện của TQ đạt 3.220 GW. Trong đó, tiềm năng kỹ thuật khoảng 1.000 GW, gồm 253 GW trong đất liền và 750 GW ngoài khơi.

Nội Mông là tỉnh có tiềm năng phong điện lớn nhất, chiếm 40% công suất phong điện của TQ. Đứng thứ hai là khu tự trị Tây Tạng.

Năm 2009, trạm phong điện ngoài khơi “Juwuba” được xây dựng ở Thượng Hải với công suất 100 MW, sản lượng 260 triệu kWh/năm, sử dụng 34 tua bin gió của hãng Sinovel công suất 3 MW mỗi chiếc. Đến 2013, tổng công suất phong điện ngoài khơi của TQ đạt 428,6 MW.

Tính đến 2005, TQ có 320 nghìn cột gió (phong điện nhỏ) với tổng công suất 65 MW (công suất bình quân hơn 203 W).

2. Mỹ

Trước đây, Pacific Northwest Laboratory đã đánh giá tiềm năng phong điện của 20 bang ở Mỹ tương đương với 10.777 tỷ kWh/năm (gấp 3 lần nhu cầu của cả nước Mỹ khi đó - năm 2001). Bang North Dakota được coi là “Ả Rập Xê Út về năng lượng gió” của Mỹ.

Theo nghiên cứu của National Renewable Energy Laboratory (NREL) vào năm 2010, tiềm năng phong điện ngoài khơi của Mỹ được đánh giá là 4.150 GW (năm 2008 tổng tiềm năng phong điện của Mỹ được đánh giá chỉ có 1.010 GW).

Phong điện của Mỹ là lĩnh vực phát triển tương đối nhanh. Năm 2008, Bộ Năng lượng Mỹ (DoE) đã đưa ra kế hoạch “20% Wind Energy” (đến 2030, tỷ trọng phong điện ở Mỹ phải đạt 20%). Năm 2014, đã có 34 bang sử dụng phong điện. Trong đó, 10 bang dẫn đầu (với tổng công suất lắp đặt 65,879 GW) gồm: Texas (14,098); Califonia (5,917); Iova (5,688); Окlahoma (3,782); Illinois (3,568); Оregon (3,153); Washington (3,075); Minnesota (3,035); Kаnsas (2,967); Colorado (2,593). Năm 2015 công suất lắp đặt tăng thêm 8,6 GW. Đến cuối 2015, tổng công suất lắp đặt đạt 74,5 GW (đứng thứ hai trên thế giới, sau Trung Quốc). Tỷ trọng phong điện chiếm 5% trong tổng sản lượng điện của Mỹ.

Giá thành phong điện công suất nhỏ ở Mỹ là 0,1÷0,11$/kWh (2006). Theo dự báo của Hiệp hội Năng lượng gió của Mỹ (AWEA), sau 5 năm giá thành phong điện nhỏ còn 7cents/kWh, và đến 2020, tổng công suất lắp đặt của phong điện nhỏ tăng lên 50 GW (cấp điện cho 15 triệu gia đình và 1 triệu doanh nghiệp nhỏ), chiếm 3% tổng công suất lắp đặt của cả nước. Những vùng có triển vọng phát triển phong điện nhỏ là những vùng có giá điện cao hơn 0,1$/kWh.

Các hãng cung cấp thiết bị phong điện chính ở Mỹ (2007) như sau:

3. Đức

Đức là quốc gia đứng thứ ba trên thế giới về công suất lắp đặt và có tốc độ phát triển rất nhanh về phong điện. Năm 2006, sản lượng phong điện đạt 20,6 tỷ kWh (tương đương thủy điện - 21,6 tỷ kWh/2006), chiếm tỷ trọng 3,5%. Tổng nguồn thu liên quan đến phong điện là 7,2 tỷ Euro. Trong đó giá trị thiết bị phong điện là 5,6 tỷ Euro.

Theo đánh giá của Viện nghiên cứu Phong điện của Đức (DEWI), tỷ trọng thiết bị của Đức chiếm 50% trên thị trường phong điện thế giới năm 2007. Năm 2011, tỷ trọng phong điện tăng lên 8%. Năm 2014, ở Đức có 24.867 tua bin gió với tổng công suất 38,116 GW và sản lượng phong điện chiếm tỷ trọng 8,6%. Năm 2015, tổng công suất lắp đặt phong điện của Đức là 44,9 GW, chiếm 8% tổng công suất phát điện của cả nước.

Từ 2007, các công ty lưới điện đã phải trả tiền mua điện cho các chủ cối xay gió với giá €0,0836/kWh trong vòng 5 năm đầu, sau đó mỗi năm giá mua giảm 2%.

Tua bin gió ngoài khơi đầu tiên (hãng Nordex AG) có công suất 2,5 MW, đường kính cánh 90m, đường kính móng 18m, tổng chiều cao 125m được xây dựng từ 2006 ở khu vực có độ sâu 2m, cách bờ biển Vostok 500m. Móng tua bin được xây bằng 500 tấn bê tông, 550 tấn cát và 100 tấn thép.

Dự kiến đến 2030, Đức sẽ xây dựng 25 GW công suất phong điện ngoài khơi biển Ban tích và Biển Bắc.

VI - Tóm lại

Phong điện là nguồn năng lượng tái tạo, sạch, nhưng rất bất định vì phụ thuộc vào thiên nhiên. Trong hệ thống điện quốc gia, tỷ trọng của phong điện cao sẽ gây bất ổn trong vận hành và đòi hỏi phải xây thêm công suất phát điện dự phòng từ các nguồn khác. Điều này làm tăng đáng kể giá điện.

Trên thế giới, phong điện đang có tốc độ tăng trưởng cao, nhưng chưa thể thay thế được nhiệt điện (than, dầu, khí) về quy mô (về sản lượng) và về giá. Ở Việt Nam, mức độ phát triển phong điện phụ thuộc vào sức mua điện của các ngành kinh tế và cơ chế hỗ trợ về giá của Chính phủ.

Trong dự báo về phát triển năng lượng của thế giới đến 2035, Viện nghiên cứu Năng lượng của Viện Hàn lâm Khoa học Nga đã kết luận: (i) Nguồn năng lượng tái tạo có xu hướng tăng trưởng; nhưng, (ii) chưa thể cạnh tranh được với than và khí; và, (iii) phụ thuộc vào sự bảo trợ của nhà nước.

TS. NGUYỄN THÀNH SƠN - HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Tài liệu điện tử tham khảo:

1) Năng lượng gió của Đức

2) Năng lượng gió của Mỹ

3) Năng lượng gió của Đan Mạch

4) Năng lượng gió của Ấn Độ

5) Năng lượng gió của Canada

6) Năng lượng gió của Trung Quốc

7) Năng lượng gió của Nga

8) Tuabin gió trục đứng kiểu Darrieus

9) Tháp năng lượng

10) Feed-in Tariff

11) http://www.gwec.net/wp-content/uploads/vip/GWEC-PRstats-2015_LR.pdf

12) Bernard Chabot Analysis of the Global Electricity Production up to 2014

13) REN21: Renewables Global Status Report 2015

14) http://www.gwec.net/gwec-lauds-1-1-million-workers-in-wind/

15) Владимир Сидорович. Мировая энергетическая революция: Как возобновляемые источники энергии изменят наш мир. — М.: Альпина Паблишер, 2015. — 208 с. — ISBN 978-5-9614-5249-5.

16) Impact of Wind Power Generation in Ireland on the Operation of Conventional Plant and the Economic Implications. eirgrid.com (February 2004). Проверено 22 ноября 2010.Архивировано 25 августа 2011 года.

17) "Design and Operation of Power Systems with Large Amounts of Wind Power", IEA Wind Summary Paper (PDF). Архивировано 25 августа 2011 года.

18) Энергетический портал. Вопросы производства, сохранения и переработки энергии

19) http://www.riarealty.ru/ru/article/34636.html «РусГидро» определяет перспективные площадки в РФ для строительства ветроэлектростанций

20) http://www.tuuliatlas.fi/tuulisuus/tuulisuus_4.html Пограничный слой в атмосфере

21) http://www.tuuliatlas.fi/tuulivoima/index.html Размеры генераторов по годам

22) http://www.hyotytuuli.fi/index.php?page=617d54bf53ca71f7983067d430c49b7Параметры действующих ветрогенераторов. Пори, Финляндия

23) Edward Milford BTM Wind Market Report 20 Июль 2010 г.

24) Германия участвует в создании острова, Germania.one.

25) Jorn Madslien. Floating wind turbine launched, BBC NEWS, London: BBC, стр. 5 June 2009. Проверено 4 января 2018.

26) Annual installed global capacity 1996—2011

27) US and China in race to the top of global wind industry

28) https://web.archive.org/web/20100215003032/http://www.gwec.net/fileadmin/
documents/PressReleases/PR_2010/Annex%20stats%20PR%202009.pdf

29) 2014 a «massive year» for wind and solar power in Scotland — new data published — WWF UK

30) Postcard From the Grid’s Future: Record-Breaking Wind Integration in Denmark : Greentech Media

31) Wind power — clean and reliable

32) Испания получила рекордную долю электричества от ветра

33) Denmark aims to get 50 % of all electricity from wind power

34) John Blau France Could Be Next Offshore Wind Powerhouse 26 Январь 2011 г.

35) EWEA: 180 GW of Wind Power Possible in Europe by 2020 | Renewable Energy World

36) Lema, Adrian and Kristian Ruby, «Between fragmented authoritarianism and policy coordination: Creating a Chinese market for wind energy», Energy Policy, Vol. 35, Isue 7, July 2007

37) China’s Galloping Wind Market (англ.). Проверено 21 января 2011.

38) India to add 6,000 MW wind power by 2012 (англ.). Проверено 21 января 2011.Архивировано 25 августа 2011 года.

39) Venezuela, Dominican Republic Step into Wind 9 Сентябрь 2010 г.

40) American Wind Energy Association. The Economics of Wind Energy

41) Wind Energy and Wildlife: The Three C’s

42) Wind Energy Could Reduce CO2 Emissions 10B Tons by 2020

43) D.W.Keith,J.F.DeCarolis,D.C.Denkenberger,D.H.Lenschow,S.L.Malyshev,S.Pacala,P.J.Rasch The influence of large-scale wind power on global climate (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2004. — Iss. 46.

44) Dr.Yang(Missouri Western State University) A Conceptual Study of Negative Impact of Wind Farms to the Environment (англ.) // The Technology Interface Journal. — 2009. — Iss. 1.

45) Offshore wind farms could tame hurricanes, Stanford-led study says

46) https://web.archive.org/web/20071012073209/http://www.canwea.ca/images/uploads/File/
CanWEA_Wind_Turbine_Sound_Study_-_Final.pdf

47) Wind Energy in Cold Climates

48) Wind energy Frequently Asked Questions Архивировано 19 апреля 2006 года.

49) Энергия ветра: мифы против фактов

50) MEMBRANA | Мировые новости | Ветровые турбины убивают летучих мышей без единого прикосновения

51) Устаревшие РЛС тормозят развитие ветровой энергетики 06 сентября 2010 года

52) https://alter220.ru/veter/vetrovye-elektrostantsii.html