Xu thế phát triển năng lượng mặt trời

PGS.TS. ĐẶNG ĐÌNH THỐNG, Hội đồng Khoa học - Hiệp hội Năng lượng Việt Nam

Trong một vài năm trở lại đây, các công nghệ năng lượng mặt trời nói chung và đặc biệt là công nghệ điện pin mặt trời nói riêng đã có sự phát triển rộng khắp với tốc độ ấn tượng. Trong giai đoạn 2008-2013, tốc độ tăng trưởng trung bình của các công nghệ điện pin mặt trời đạt 55%/năm; nhiệt điện mặt trời (CSP) - 48% và nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp - 14%/năm.

Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời (NLMT) được phát ra từ mặt trời là nguồn năng lượng sạch, có đặc tính “tái tạo” và có trữ lượng khổng lồ. Nó còn là nguồn gốc của các nguồn năng lượng sạch và tái tạo khác như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối, thuỷ năng và năng lượng đại dương.

Mặt trời là một “nhà máy” nhiệt hạt nhân khổng lồ công suất 3,865.10¹⁷ GW. Tuy nhiên, Trái đất chỉ nhận được một phần rất nhỏ năng lượng đó. Cụ thể là mỗi giây Trái đất nhận được 17,57.10¹⁰MJ, bằng năng lượng khi đốt cháy hết 6 triệu tấn than đá.

Ngoài ra, NLMT còn phân bố rộng khắp trên mặt đất. Mọi quốc gia trên thế giới đều có thể khai thác, ứng dụng nguồn tài nguyên NLTT này.

Bên cạnh các ưu việt nói trên, NLMT cũng có một số nhược điểm, gây khó khăn cho việc khai thác ứng dụng. Đó là: (1) Không ổn định mà thay đổi liên tục theo thời gian và phụ thuộc nhiều vào thời tiết; (2) Mật độ NL thấp. Mật độ NLMT trên mặt đất có giá trị cực đại chỉ khoảng 1000W/m². Vì vậy để có thể thu NL với công suất lớn cần rất nhiều diện tích thu. Ngoài ra, hệ số công suất của các hệ thống NLMT khá thấp do thời gian có nắng hàng ngày không cao.

Các công nghệ NLMT

Công nghệ NLMT là các công nghệ khai thác NLMT, chuyển đổi thành các dạng NL khác (điện, nhiệt) phục vụ cho các mục đích khác nhau của quá trình phát triển kinh tế, xã hội.

Hiện nay, công nghệ NLMT được phân chia thành 3 loại: (1) Công nghệ quang điện (Solar Photovoltaic, PV); (2) Công nghệ NLMT hội tụ (Concentrating Solar Thermal Power, CSP) hay công nghệ nhiệt điện mặt trời; (3) Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp hay còn gọi là công nghệ nhiệt mặt trời (Solar thermal heating and cooling). Hình 1 cho sơ đồ khối các công nghệ NLMT nói trên, trong đó các thành phần thu và chuyển đổi NLMT được đánh dấu và gọi là mô đun thu và chuyển đổi NLMT.

Trong công nghệ quang điện, thiết bị thu và chuyển đổi NLMT là các mô đun pin mặt trời (PMT), nó biến đổi trực tiếp NLMT thành điện năng (dòng một chiều, DC). Nhờ các bộ biến đổi điện (Inverter) dòng điện DC được chuyển thành dòng xoay chiều, AC. Dàn PMT gồm nhiều mô đun PMT ghép nối lại, có thể có công suất từ vài chục oát (W) đến vài chục me-ga-oat (MW). Hiệu suất chuyển đổi của hệ nguồn PMT khá thấp, trong khoảng từ 12% đến 15% đối với các hệ thương mại. Tuy nhiên, bù lại, hệ nguồn này có cấu trúc đơn giản, hoạt động tin cậy và lâu dài, công việc vận hành và bảo trì bảo dưỡng cũng đơn giản và chi phí rất thấp.

Hình 1- Sơ đồ khối các công nghệ NLMT

Đối với công nghệ nhiệt điện mặt trời, CSP thì các bộ thu NLMT là các bộ hội tụ (như máng gương parabon, bộ hội tụ Fresnel, tháp hội tụ sử dụng các gương phẳng…). Quá trình chuyển đổi NL thực hiện qua 2 bước. Đầu tiên, NLMT được hội tụ để tạo ra nguồn NL có mật độ và nhiệt độ rất cao. Sau đó nguồn NL này làm hóa hơi nước ở áp suất và nhiệt độ cao để cấp cho tuốc bin của máy phát điện để sản xuất điện. Ở một số nhà máy CSP ở các nước Trung Đông và Tây Ban Nha người ta còn kết hợp để sản xuất điện và nước sạch từ nước biển nhờ ngưng tụ hơi nước. Thực tế cho thấy công nghệ này có hiệu suất chuyển đổi khá cao, khoảng 25%, nhưng nó chỉ có hiệu quả ở các khu vực có mật độ NLMT cao hơn 5,5 kWh/m2.ngày và công suất nhà máy không nhỏ hơn 5 MW. Ngoài ra, cần có thêm thiết bị điều khiển các bộ thu luôn dõi theo chuyển động của mặt trời.

Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp là công nghệ thu NLMT và chuyển đổi thành nguồn NL nhiệt có nhiệt độ thấp (dưới 200⁰C) dựa trên hiệu ứng nhà kính. Công nghệ này hiện nay chủ yếu được ứng dụng dể sản xuất nước nóng (cho sinh hoạt, cho các dây chuyền sản xuất công nghiệp…). Các bộ thu và chuyển đổi NLMT trong công nghệ này là các thiết bị nước nóng NLMT (TBNNMT) hay còn gọi là Collector nhiệt mặt trời.

Tình hình phát triển và ứng dụng các công nghệ NLMT trên thế giới

Trong các năm gần đây, các công nghệ NLTT, trong đó có các công nghệ NLMT có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục. Lý do của xu hướng trên là: (1) Công nghệ ngày càng hoàn thiện, dẫn đến giá NLTT càng ngày càng giảm sâu; (2) Vấn đề an ninh năng lượng. NLTT là nguồn năng lượng (NL) địa phương nên không phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, và do đó không phụ thuộc vào các biến đổi chính trị và các tác động khác; (3) Các nguồn NL hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu NL không ngừng tăng; (4) Ô nhiễm môi trường do khai thác sử dụng NL hóa thạch đã đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu trên toàn cầu. Việc cắt giảm phát thải, sử dụng các nguồn NL sạch - các nguồn NLTT, vì vậy trở nên cấp bách và càng ngày càng có tính nghĩa vụ đối với các quốc gia.

Đến 2013, NLTT đã chiếm tỷ lệ 22,1% trong tổng sản xuất điện năng trên toàn cầu. Nếu kể thêm cả sản xuất nhiệt thì tỷ lệ NLTT trong tổng sản xuất NL trên toàn cầu còn có tỷ lệ cao hơn nhiều. Đặc biệt, trong các năm gần đây, giai đoạn 2008-2013, tốc độ tăng trưởng NLTT nói chung và NLMT nói riêng đạt giá trị khá cao (bảng 1). Trừ 2 nguồn thủy điện và địa nhiệt có tốc độ dưới 4%/năm thì các nguồn NLTT khác có tốc độ tăng trưởng trên 10%/năm. Ấn tượng nhất là tốc độ tăng trưởng của các công nghệ NLMT: điện PMT tăng 55%; nhiệt điện mặt trời (CSP) - 48% và nhiệt mặt trời (chủ yếu để đun nước nóng) - 14%/năm.

Xu thế chung ngày càng rõ nét của tất cả các nước trên thế giới hiện nay là tăng tỷ phần NLTT và giảm NL hóa thạch. Ví dụ, năm 2013, ở Đan Mạch và Tây Ban Nha, điện NL gió đáp ứng lần lượt là 33,2% và 21% tổng nhu cầu điện; nhiều cộng đồng và vùng lãnh thổ đặt mục tiêu sử dụng 100% điện NLTT vào năm 2020 như Dijibouti, Scotland và các quốc gia đảo vùng Tuvalu; nước Đức đặt ra mục tiêu đến năm 2020, khoảng 20 triệu dân (trên tổng số 65 triệu) sống ở các vùng sử dụng 100% NLTT (REN21-2014).

Bảng 1- Tốc độ tăng trưởng trung bình (%) công suất phát điện NLTT giai đoạn 2008-2013 và năm 2013 (nguồn REN21-2014)

Dưới đây xin trình bày chi tiết hơn về tình hình phát triển của các công nghệ NLMT.

Công nghệ điện mặt trời - công nghệ PMT

Tổng công suất PMT đã lắp đặt giai đoạn 2004-2013 trên thế giới (hình 2). Đến năm 2013, tổng công suất PMT toàn cầu đạt đến 139 GW. Nói riêng, công suất PMT lắp đặt của một sô nước và vùng lãnh thổ dẫn đầu như sau: Năm 2013, Đức lắp thêm 3,3 GW, đưa tổng công suất đến 2013 lên 36 GW; Trung Quốc lắp thêm 12,9 GW, chiếm khoảng 72% tổng công suất PMT lắp thêm năm 2013 trên toàn thế giới, trở thành nước có vị trí thứ 2, với tổng công suất khoảng 19 GW; Vị trí thứ 3 là Ý, với tổng công suất đến 2013 khoảng 17,5 GW; Mỹ đứng vị trí thứ 5 sau Nhật Bản, có tổng công suất 12,5 GW, năm 2013 lắp thêm 4,8 MW; Nhật Bản lắp thêm 6,9 GW, tăng 50% so với công suất đã xây dựng trước đó, đưa tổng công suất lên khoảng 14 GW.

Hình 2- Công suất phát điện mặt trời (PMT) hàng năm trong giai đoạn 2004-2013 trên toàn cầu

Một trong các nguyên nhân về sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ PMT là do giá PMT liên tục giảm sâu. Trên hình 3, đầu tư vào các hệ nguồn điện PMT trên toàn cầu tăng liên tục từ 2004 đến 2011, trong đó giai đoạn 2009-2011 tăng rất nhanh. Năm 2009, tổng đầu tư chỉ hơn 40 tỷ USD, đến năm 2011 đã tăng lên 120 tỷ USD, tăng 3 lần chỉ trong 2 năm. Cùng với sự tăng đầu tư, thì công suất phát điện PMT cũng tăng gần như cùng tốc độ. Đặc biệt, trong năm 2013, đầu tư giảm 22% nhưng công suất PMT được xây dựng mới lại tăng lên 32% với công suất khoảng 39GW. Sự tăng mạnh đầu tư vào phát triển nguồn điện PMT trong những năm gần đây là chủ yếu do giá mô đun và giá hệ thống PMT giảm liên tục và khá nhanh.

Năm 2010, giá mô đun năm 2010 giảm đến khoảng 2000 USD/kWp, dẫn đến giá hệ thống (nối lưới) giảm còn khoảng hơn 6000 USD/kWp. Nhưng cuối 2013, có sự giảm giá rất kịch tính: giá mô đun chỉ còn 1000 USD/kWp; giá cả hệ thống còn khoảng 3000-3500 USD/kWp. Do đó, giá điện PMT hiện nay giảm chỉ còn từ 14 USCents/kWh đến 17USCents/kWh phụ thuộc vào qui mô hệ thống và cường độ bức xạ mặt trời khu vực lắp đặt. Hiện nay giá mô đun chỉ còn khoảng 1000 USD/kWp. Đã đến lúc điện PMT đã có thể cạnh tranh được với NL hóa thạch truyền thống.

Hình 3- Đầu tư (tỷ USD) và công suất điện PMT xây dựng thêm hàng năm (GW) trên toàn cầu giai đoạn 2004-2013

Công nghệ nhiệt điện mặt trời (CSP)

Hình 4 cho tổng công suất CSP trên toàn cầu đến 2013 là 3,425 GW (3.425 MW), bằng gần 2,5% so với tổng công suất phát điện PMT (139 GW). Hai nước có công suất phát điện CSP hàng đầu thế giới là Mỹ và Tây Ban Nha, trong đó Tây Ban Nha chỉ mới phát triển công nghệ này từ 2007, nhưng tốc độ phát triển rất nhanh. Năm 2013, Tây Ban Nha xây dựng thêm khoảng 2700 MW (Mỹ chỉ lắp thêm khoảng 300 MW).

Hình 4- Công suất nhiệt điện mặt trời (CSP) phân theo quốc gia và vùng lãnh thổ (REN21-2014)

Tuy nhiên, kinh nghiệm thực tế cho thấy, công nghệ CSP chỉ có hiệu quả ở các khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao, trên 6 kWh/m².ngày, số ngày nắng trên 2000 giờ/năm và với các nhà máy công suất trên 5MW.

Sản xuất nước nóng từ NLMT

Hình 5 cho công suất TBNNMT lắp đặt hàng năm giai đoạn 2000 - 2013. Chỉ riêng năm 2013, tổng công suất TBNNMT lắp đặt trên thế giới đạt 326GW_th (gi-ga-oát nhiệt). Như ta thấy, công suất lắp đặt hàng năm tăng liên tục với tốc độ cao, trung bình khoảng 18,8%/năm. Hình 6 cho thị phần công suất TBNNMT lắp mới trong năm 2013 của tốp 10 nước dẫn đầu trên thế giới.

Hình 5- Tổng công suất các loại thiết bị nước nóng NLMT hàng năm trên toàn cầu giai đoạn 2000-2013 (REN21-2014)

Nếu tính theo công suất đã lắp đặt TBNNMT trên đầu người (theo đơn vị kW_th/1000 dân) thì đến năm 2013, có 5 nước dẫn đầu thế giới là: (1) Đảo Sip, 548; (2) Áo, 420; (3) Israel, 385; (4) Barbados, 320; (5) Hy Lạp, 268. Chú ý rằng, các nước trên không phải đều là các nước phát triển và giàu. Điều đó cho thấy, công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp có thể phát triển có hiệu quả ở nhiều nước, trong đó có Việt Nam.

Chính sách NLTT

Để NLTT và NLMT có thể phát triển tốt cần phải có các chính sách NLTT thích hợp, phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, xã hội và kinh tế mỗi nước, cũng như vào từng giai đoạn lịch sử cụ thể. Theo nghiên cứu của REN21-2014 thì đến năm 2013 đã có 144 nước trên thế giới (khoảng 70% số nước) trong đó có có nhiều nước thuộc nhóm thu nhập thấp) đã ban hành, thực hiện chính sách hoặc các mục tiêu về NLTT. Nói riêng, Việt Nam chỉ mới có mục tiêu NLTT (ví dụ các chỉ tiêu về điện NLTT trong Qui hoạch Điện VI và VII) mà chưa có chính sách NLTT.

Hình 6- Thị phần công suất lắp đặt thiết bị nước nóng NLMT của 10 nước dẫn đầu thế giới.

Vị trí theo thứ tự từ trên xuống dưới. Con số ở các dẻ quạt là tỷ lệ phần trăm so với tổng công suất TBNNMT lắp đặt trên toàn thế giới đến 2013.

Kết luận về hiện trạng và xu thế phát triển NLMT trên thế giới

NLTT nói chung và NLMT nói riêng trên phạm vi toàn cầu phát triển liên tục với tốc độ ngày càng cao. Đặc biệt, trong những năm gần đây, các công nghệ NLMT chiếm ưu thế, trong đó, công nghệ điện PMT đạt tốc độ tăng trưởng cao nhất, 55%/năm, công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp có tốc độ tăng trưởng trung bình 18,8%/năm. Các công nghệ NLMT đã phát triển vượt qua các công nghệ NLTT khác như điện gió, sinh khối và thủy điện.

Các nguyên nhân chính đối với sự phát triển mạnh của các công nghệ NLMT gồm: (1) NLMT là nguồn NL sạch, vô tận và phân bố khá đều khắp trên toàn cầu; (2) Giá các thiết bị công nghệ NLMT (như mô đun PMT, TBNNMT…) giảm rất nhanh; (3) Các yêu cầu về an ninh năng lượng; (4) Các yêu cầu cấp bách về bảo vệ môi trường.

Sự phát triển công nghệ NLMT đã tạo ra một ngành công nghiệp mới gọi là công nghiệp NLMT, tạo ra hàng triệu công ăn việc làm (năm 2013 tạo ra gần 6,5 triệu), góp phần phát triển kinh tế, xã hội, bảo vệ môi trường và tăng cường an ninh năng lượng ở nhiều quốc gia trên thế giới.

Một nguyên nhân quan trọng khác của sự phát triển mạnh mẽ của NLMT nói riêng và NLTT nói chung là sự quan tâm của các chính phủ trong việc xây dựng, ban hành và thực hiện các chính sách phù hợp. Đến 2013, đã có 70% các nước trên thế giới có chính sách NLTT và NLMT.

Đến nay điện PMT, nhiệt MT và nhiệt điện CSP đã có thể cạnh tranh với các nguồn NL truyền thống khác. Nhiều khu vực, vùng lãnh thổ trên thế giới đặt mục tiêu đến năm 2020 sử dụng 100% NLTT.

Xu thế của phát triển NLTT trên toàn cầu đang chuyển dần sang phát triển các công nghệ NLMT, trong đó công nghệ điện PMT có vai trò quan trọng nhất. Do có tính cạnh tranh cao nên đến nay mặc dù một số nước đã giảm hay thậm chí bỏ hẳn các chính sách hỗ trợ NLMT nhưng công nghệ này vẫn không ngừng phát triển.

Việt Nam được đánh giá là có nguồn tài nguyên NLMT vào loại tốt trên thế giới. Nguồn NL sạch và tiềm năng lớn này hoàn toàn có thể tham gia đóng góp vào cân bằng NL quốc gia. Cho đến nay, các hoạt động nghiên cứu khai thác, ứng dụng NLMT còn rất hạn chế, trình độ thấp, qui mô nhỏ lẻ, manh mún và tự phát. Lý do cơ bản cho sự trì trễ đó là do chúng ta chưa có chính sách về NLTT nói chung và NLMT nói riêng.

Tài liệu tham khảo

1. REN21, Renewables 2011, Global Status Report, August 2011.

2. REN21, Renewables 2014, Global Status Report, December 2014.

3. Qui hoạch phát triển Điện giai đọan 2011-2020 với tầm nhìn 2030, phê duyệt theo Quyết định số 1208/QD-TTg, ngày 21-07-2011 (Qui hoạch Điện VII).

4. Quyết định Số 37/2011/QĐ-TTg ngày 29-06-2011 về Cơ chế hỗ trợ phát triển điện gió ở Việt Nam.