Một ngày nào đó, trong tương lai không xa, có thể nhanh hơn cả chúng ta kỳ vọng, thế giới sẽ có những lưới điện được cung cấp hoàn toàn bởi năng lượng tái tạo. Bài viết này sẽ phân tích khả năng này dựa trên những báo cáo và nghiên cứu gần đây về chủ đề này.
Có thể một trong những nỗ lực tham vọng nhất để định lượng thách thức đó cho đến nay là nghiên cứu của Mark Jacobson và Mark Delucchi ở đại học Stanford. Hàng loạt công trình của họ đã được công bố trong mấy năm trở lại đây đã đưa ra giải pháp làm thế nào để cung cấp 100% năng lượng cho thế giới từ các nguồn tái tạo. Năm 2010, hai công trình được công bố (phần I và phần II) đã ước lược nhu cầu năng lượng thế giới cho tất cả các mục đích – bao gồm phát điện, giao thông, sưởi, và làm mát. Lượng năng lượng này có thể được đáp ứng hoàn bằng năng lượng tái tạo vào năm 2030, và thay thế hoàn toàn hệ thống sản xuất năng lượng hiện tại vào năm 2050 theo phương án sau:
- 3.800.000 tua bin gió loại 5MW
- 49.000 nhà máy nhiệt mặt trời tập trung, công suất 300W
- 40.000 nhà máy pin quang điện mặt trời công suất 300W
- 1,7 tỷ hệ thống điện mặt trời trên mái công suất 3kW
- 5.350 nhà máy điện địa nhiệt công suất 100MW
- 270 nhà máy thủy điện công suất 1300MW
- 720.000 thiết bị điện từ sóng biển công suất 0,75MW
- 490.000 tuabin thủy triều loại 1MW
- Hệ thống tích trữ điện năng từ lưới và các xe điện
- Tăng cường khả năng truyền tải của lưới
- (Ghi chú: 1kW = 1000W. 1MW = 1000kW. 1GW = 1000MW)
Đáng ngạc nhiên là Jacobson và Delucchi đã chỉ ra cơ sở hạ tầng ngành điện thực ra có thể giảm tới 30% nhu cầu tiêu thụ điện, chỉ sử dụng nhiều hơn 0.41% diện tích đất, và 0.59% khoảng không gian, bằng một chi phí tương đương với chúng ta đang chi trả hiện thời. Những rào cản chinh cho việc chuyển đổi này, theo họ kết luận chính là xã hội và chính trị, chứ không phải công nghệ, thậm chí cũng không phải vấn đề kinh tế.
Như vậy, chúng ta biết rằng, ít nhất, về mặt lý thuyết, năng lượng toàn cầu có thể chuyển hoàn toàn sang sử dụng năng lượng tái tạo.
Tuy nhiên, vẫn còn những dấu hỏi quan trọng. Liệu sự không ổn định các nguồn cấp năng lượng tái tạo, bao gồm cả các dạng năng lượng có tính chất gián đoạn như gió hay mặt trời, có thể đáp ứng được nhu cầu thay đổi theo giờ của một khu vực truyền tải hay không? Và đâu là sự kết hợp các loại công nghệ khác nhau mà có chi phí thấp nhất?
Mô hình có thật trên thế giới
Một công trình của các nhà nghiên cứu đại học Delaware gần đây đã nỗ lực trả lời những câu hỏi này. Họ xây dựng một mô hình Quản lý hệ thống (điều phối các dịch chuyển của điện bán buôn ở tất cả các vùng Delaware, Illinois, Indiana, Kentucky, Maryland, Michigan, New Jersey, North Carolina, Ohio, Pennsylvania, Tennessee, Virginia, West Virginia and the District of Columbia), đóng góp 1/5 nhu cầu điện ở Mỹ, có thể được đáp ứng bằng cách chỉ sử dụng tới năng lượng gió, mặt trời, và hệ thống tích trữ.
Các nhà nghiên cứu đã chạy một chương trình mô phỏng, đánh giá 28 tỷ hệ thống gió, mặt trời và các công nghệ tích trữ khác nhau trong 4 năm (từ 1999 – 2002) dựa trên số liệu tải lịch sử và dữ liệu thời tiết để xác định giải pháp rẻ nhất để đáp ứng nhu cầu năng lượng từng giờ của lưới. Tổng công suất điện của mô hình trong vòng 4 năm mô phỏng là 72GW.
Các nhà nghiên cứu thống kê tổng công suất phát cần cho mỗi loại nguồn, và không đưa ra số lượng và độ lớn của mỗi nhà máy. Nhưng dựa trên thông tin tổng hợp trên trang ScienceDaily, một trong những giải pháp của mô hình là sử dụng:
- 4,25 triệu hệ thống pin mặt trời công suất 4kW (cho hộ gia đình, lắp trên mái)
- 13.600 tuabin gió ngoài khơi loại 5MW
- 38.000 tuabin gió trong đất liền loại 3MW
- Và một hệ thống tích trữ năng lượng bằng hydro, thời lượng không quá 72 giờ
Một vài con số ở trên có vẻ quá lớn so với thực tế, nhưng chúng rất hữu dụng để hình dung hệ thống sẽ như the nào, và hệ thống là khả thi. Một mô hình có thực có thể sẽ gồm ít nhà máy hơn, và công suất lớn hơn, bao gồm cả tuabin gió ngoài khơi công suất gấp đôi, công suất tuabin gió trong đất liền lớn hơn, và hệ thống pin mặt trời trên mái nhà có thể tới 500kW, giống như những hệ thống lắp trên các siêu thị IKEA và Walmart trong vòng 2 năm trở lại đây.
Việc sử dụng kết hợp các hệ thống pin mặt trời và nhiệt mặt trời nối lưới có thể giảm một cách rõ rệt số lượng các hệ thống pin mặt trời trên các mái nhà. Nếu thêm địa nhiệt và năng lượng thủy triều vào hệ thống với một tỷ lệ hợp lý năm 2030, thì có thể giảm đáng kể số lượng các tuabin gió cần lắp đặt. Cuối cùng, giảm 30% lượng phụ tải trở lên nhờ cải thiện hiệu suất, một khả năng rất có thể, có thể giảm công suất hệ thống đi hơn nữa.
Nếu hàng chục ngàn tuabin gió vẫn còn có vẻ không thực tiễn, hãy so sánh: mọi người đều cho rằng Mỹ sẽ khoan thêm 12.000 mỏ dầu nữa trong vòng một thập kỷ tới, mỗi mỏ dầu chi phí 10 triệu USD đến 13 triệu USD, để có các mỏ dầu có lãi trong vòng 10 năm trở lại. Rất khó để tin được rằng chúng ta có thể dựng thêm 50.000 tuabin gió (với chi phí 1,3 – 2,2 triệu USD/MW công suất), hoặc 5 triệu – 10 triệu USD cho 1 tuabin loại 5MW trong vòng 20 năm tới, mà có thể cung cấp năng lượng cho cả 20 năm sau hoặc lâu hơn.
Những kết quả đáng ngạc nhiên
Một vài kết luận quan trọng từ nghiên cứu của trường Delaware. Chúng ta hãy xem xét đồ thị sau:
Trong vòng 4 năm, lượng nhiên liệu hóa thạch có thể đã chỉ cần 5 lần lượng tiêu thụ trong những tháng mùa hè, và chỉ bằng 1/3 tổng công suất lắp đặt. Lượng nhiên liệu hóa thạch có thể được cung cấp hoàn toàn từ khí thiên nhiên.
Trong khi lưới điện từ năng lượng tái tạo có thể đáp ứng 99,9% nhu cầu năng lượng vào năm 2030, với chi phí tương đương với chi phí của lưới điện hiện thời, mà không cần trợ giá.
Do chi phí tích trữ điện của các công nghệ hiện thời còn cao, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng nếu chúng ta đầu tư lắp đặt công suất hệ thống bằng 3 lần công suất cần thiết, thì sẽ rẻ hơn lắp đặt đúng công suất yêu cầu và thêm hệ thống dự phòng. Tuy nhiên, với hàng loạt những nghiên cứu và phát triển về công nghệ lưu trữ năng lượng hiện nay trên toàn thế giới, những phương án lưu trữ năng lượng rẻ hơn và tốt hơn nhiều lần sẽ sẵn sàng vào năm 2030. Lưu trữ năng lượng tốt hơn có thể giảm đáng kể số lượng các trạm phát điện trong mô hình của các nhà nghiên cứu Delaware, đồng thời giảm đáng kể chi phí cho phương án của họ.
Tương lai của việc cấp điện
Chúng ta biết rằng các nguồn năng lượng tái tạo có trữ lượng lớn hơn gấp nhiều lần so với lượng chúng ta cần hiện nay.
Chúng ta biết rằng lưới điện có thể được cung ứng hoàn toàn từ các nguồn năng lượng tái tạo, với một lượng rất nhỏ khí thiên nhiên dự phòng, và sử dụng một lượng hợp lý các bộ thu.
Chúng ta cũng biết rằng năng lượng tái tạo hiện nay cung ứng tới 30% lượng điện cho lưới điện Châu Âu, và có thể cung cấp tương tự như thế ở Mỹ. Trên thực tế, kinh nghiệm của nước Đức cho thấy năng lượng tái tạo có xu hướng xóa dần điện hạt nhân và nhiên liệu hóa thạch ra khỏi hệ thống điện.
Chúng ta biêt rằng các lưới điện từ các nguồn tái tạo trên thực tế lại ổn định hơn các lưới điện từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch, và có thể điều tiết một lượng lớn tỷ lệ điện năng lượng tái tạo. Chỉ cần chúng ta có một kế hoạch và thiết kế hệ thống lưới điện thật tốt. Người nào cho rằng lưới điện cần 100% công suất điện dự phòng từ nhiên liệu hóa thạch vì năng lượng tái tạo hay bị gián đoạn là hoàn toàn sai lầm. Điều đó giống như việc so sánh: nếu chúng ta bỏ 1 chân của chiếc ghế đẩu 3 chân thì chiếc ghế sẽ đổ, do ghế nào thì cũng cần 3 chân mới đứng được. Xây dựng lưới điện cho các nguồn năng lượng tái tạo phân tán giống như làm một chiếc ghế có 50.000 chiếc chân. Do đó, nó thậm chí còn ổn định hơn các hệ thống phát điện tập trung từ nhiên liệu hóa thạch như hiện nay.
Chúng ta biết rằng dự trữ năng lượng đang tiến bộ nhanh chóng, và sẽ cho phép tỷ lệ đóng góp năng lượng tái tạo ngày càng cao trong những thập kỷ tới.
Chúng ta cũng biết, tới năm 2030, lưới điện năng lượng tái tạo sẽ không đắt hơn lưới điện truyền thống, dựa trên một giả thuyết khiêm tốn nhất về chi phí tương lai của nhiên liệu hóa thạch. Dựa trên rất nhiều những nghiên cứu về so sánh chi phí, năm 2030 chi phí của nhiên liệu hóa thạch sẽ cao hơn rất nhiều so với những xu hướng tăng trong quá khứ, và làm cho điện từ năng lượng tái tạo trở nên cạnh tranh hơn điện truyền thống sớm hơn rất nhiều so với chúng ta dự đoán.
Trên thực tế, những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng các hệ thống năng lượng mặt trời không có trợ giá có thể rẻ hơn điện từ lưới truyền thống trong vòng 1 thập kỷ tới. Theo xu hướng giảm giá như hiện tại, điện mặt trời ở các vùng nhiều nắng đã kinh tế hơn điện lưới, giống như ở Tây Nam nước Mỹ, với mức giá 12 cent USD/kWh, là mức giá sản xuất điện thấp nhất ở Mỹ La tinh, Châu Phi, Trung Đông, Úc, Ấn Độ và nhiều nước ở Châu Á vào năm 2018.
Một báo cáo mới của Viện Local Self-Reliance chỉ ra rằng 300GW điện mặt trời không trợ giá sẽ trở nên cạnh tranh với điện lưới ở Mỹ vào năm 2022, đáp ứng 9% tổng nhu cầu điện của nước này. Như tác giả John Farrell nhận định, thách thức với chúng ta không phải là làm thế nào sản xuất điện từ năng lượng tái tạo đủ rẻ, mà là làm thế nào để chúng ta chuẩn bị cho điều đó.
Thậm chí ở nước Mỹ chậm chạp, mặc dù nhiều công ty sản xuất gặp khó khăn, điện mặt trời vẫn đi tiên phong. Một báo cáo gần đây của Hiệp hội Công nghiệp điện mặt trời và GTM Research chỉ ra rằng công suất lắp đặt năng lượng mặt trời trong quý 3 năm 2012 đã tăng 44% so với năm trước. Trong năm 2012, nước Mỹ sẽ lắp đặt thêm một con số kỷ lục là 3,2GW điện mặt trời, nâng tổng công suất của điện mặt trời ở Mỹ lên 6GW. Tỷ lệ tăng trưởng được kỳ vọng sẽ tiếp tục, với 7,8GW công suất lắp đặt mới năm 2016.
Trong khi đó, danh sách các nước đặt mục tiêu cung cấp năng lượng hoàn toàn từ các nguồn tái tạo ngày càng tăng. Gần đây nhất là nước Úc, đã công bố một báo cáo trắng chỉ ra chiến lược đáp ứng 40% nhu cầu điện bằng năng lượng tái tạo vào năm 2035, và đáp ứng 85% vào năm 2050.
Lặp lại kết luận của Jacobson và Delucchi: Những rào cản chinh cho việc chuyển đổi hoàn toàn sang năng lượng tái tạo chính là các rào cản về xã hội và chính trị, chứ không phải công nghệ, thậm chí cũng không phải vấn đề kinh tế. Và những rào cản này đang giảm xuống nhanh chóng.
Các nhà vận hành lưới điện, hãy sẵn sàng ! Sự chuyển đổi năng lượng vũ bão đang tới. Câu hỏi duy nhất bây giờ là, liệu chúng ta có thể sẵn sàng đón nhận điều này không.
Mô hình lưới PJM sử dụng hệ dữ liệu từ 1999-2002, với thông số giá năm 2030. Hệ thống rẻ nhất mà các nhà nghiên cứu tìm ra là hệ thống lưới sử dụng các phương tiện xe điện làm phương án dự trữ năng lượng, chứ không phải sử dụng nhiên liệu hydro. Phương án cụ thể như sau:
- Sử dụng 4 triệu hệ thống điện mặt trời trên mái, công suất 4kW/hệ thống
- Sử dụng 17.940 tuabin gió ngoài khơi loại 5MW
- 41.333 tuabin gió trong đất liền, loại 3MW
- Dưới 72 giờ dự trữ bằng hệ thống xe điện.
Tác giả cũng chỉ ra rằng năng lượng tái tạo có thể đáp ứng 90% nhu cầu thế giới mà chưa cần tới điện mặt trời. Chỉ khi năng lượng tái tạo chiếm tới 99,9% thì mới cần khoảng 30GW điện mặt trời, với hệ thống điện gió trong đất liền không thay đổi.
Tác giả: Chris Nelder / www.smartplanet.com
