1. Hệ nguồn điện Tổ hợp thủy điện – điện mặt trời nổi
1.1. Điện mặt trời nổi là gì?
Nguồn điện mặt trời (ĐMT – dưới đây chỉ đề cập đến nguồn ĐMT nối lưới) là nguồn điện năng lượng tái tạo (NLTT), trong đó máy phát điện là các module pin mặt trời (PMT), sử dụng “nhiên liệu sạch” là năng lượng mặt trời (NLMT) để sản xuất điện năng (hình 1).
Thành phần chính của một nguồn ĐMT là dàn PMT gồm một vài, hay rất nhiều module PMT nối ghép điện lại với nhau. Dàn PMT phải lắp đặt ở ngoài trời để thu NLMT và phát điện. Tùy vị trí lắp đặt dàn PMT mà nguồn ĐMT có tên gọi khác nhau như: (1) Nguồn ĐMT áp mái có dàn PMT lắp trên các mái nhà; (2) Nguồn ĐMT mặt đất khi dàn PMT được lắp trên mặt đất; (3) Còn nếu dàn PMT được lắp trên mặt nước (các hồ, sông, các đầm, mặt biển…), thì gọi là hệ nguồn ĐMT nổi (floating solar photovoltaic systems).
Với hệ nguồn ĐMT nổi, các modules của dàn PMT được lắp trên các hệ thống phao nổi và được định vị nhờ các dây chằng và neo (hình 2). Nếu vùng nước sử dụng không quá sâu thì người ta cũng có thể lắp các module PMT vào hệ khung dàn kim loại có các cột đỡ được cắm sâu vào đất ở đáy hồ, đáy sông... Hệ dây cáp chằng, neo hay các cột đỡ, nói chung, được thiết kế riêng cho mỗi dự án, phụ thuộc vào độ sâu, độ thay đổi mức nước, chế độ gió và sóng… Đặc biệt, cũng có thể sử dụng các mặt nước khu vực ven biển, như các vụng, các vịnh… để xây dựng các hệ nguồn ĐMT nổi.
Hình 2. Hình ảnh dàn PMT của nguồn ĐMT nổi: Các modules được lắp trên các phao nổi và được định vị bằng các dây cáp và cọc bê tông
1.2. Nguồn điện Tổ hợp thủy điện – điện mặt trời nổi
Các nhà máy thủy điện luôn cần hồ tích chứa nước. Tùy theo công suất mà hồ chứa có dung tích khác nhau. Diện tích các hồ chứa có thể từ một vài chục héc ta (ha) hay hàng trăm, hàng nghìn ha. Nguồn thủy điện là nguồn điện rẻ, hiệu quả kinh tế cao, nên nó đã phát triển rất mạnh ở nhiều nước trên thế giới. Năm 2018, theo Báo cáo của “Mạng lưới NLTT thế giới thế kỷ 21” [1], tổng công suất nguồn điện NLTT trên toàn thế giới là 2.379 GW, trong đó công suất thủy điện là 1.132 GW, chiếm 48%.
Tuy nhiên, do nguồn năng lượng này đến nay đã bị khai thác gần hết, do hiện tượng biến đổi khí hậu và do các vấn đề về môi trường… nên công suất và tốc độ xây dựng mới hàng năm của nguồn thủy điện ngày càng giảm nhanh. Ví dụ, năm 2014, tổng công suất thủy điện xây dựng mới trên thế giới là 38 GW, thì con số này đã giảm xuống 28,5 GW vào năm 2016 và 19,5 GW vào năm 2018 [1]. Ở Việt Nam, tiềm năng thủy điện gần như đã bị khai thác hết.
Ngược lại, công nghệ nguồn ĐMT nói chung và ĐMT nổi nói riêng, ngày càng phát triển mạnh mẽ với tốc độ ngày càng cao nhờ các ưu việt của nó như suất đầu tư giảm rất nhanh, nguồn “nhiên liệu” NLMT dồi dào và ổn định lâu dài. Đặc biệt, do ĐMT là nguồn điện sạch, không phát thải khí nhà kính, nên phát triển ĐMT, hạn chế và đi đến chấm dứt phát triển các nguồn hóa thạch là giải pháp hiệu quả nhất để chống lại hiện tượng biến đổi khí hậu trên toàn cầu. Do vậy, công suất lắp mới hàng năm của ĐMT trên thế giới tăng rất nhanh: năm 2014 là 40 GW; 2016 - 75 GW; 2017 - 98 GW và 2018 là 100 GW.
Bối cảnh đó đã và đang thúc đẩy sự thay đổi trong ngành thủy điện, trong đó xu hướng áp dụng một công nghệ mới là kết hợp với ĐMT để tạo thành một Nguồn điện tổ hợp thủy điện – điện mặt trời (gọi tắt là Hệ nguồn điện Tổ hợp) là lựa chọn thích hợp nhất.
Trong một Hệ nguồn điện Tổ hợp thì các nguồn thủy điện và ĐMT không còn là các nguồn điện độc lập nữa, mà chúng được kết hợp hài hòa với nhau, bổ sung, hỗ trợ cho nhau, được vận hành theo một quy trình thống nhất và thông minh.
Một cách tự nhiên, nguồn ĐMT trong Tổ hợp phát điện thủy điện-ĐMT là nguồn ĐMT nổi, trong đó, dàn PMT được lắp ngay trên một phần nhỏ diện tích mặt hồ chứa của nhà máy thủy điện.
1.3. Các ưu việt và thách thức
Các ưu việt
a. Tăng công suất phát điện
Việc lắp đặt nguồn ĐMT nổi trên mặt hồ chứa đã làm tăng công suất phát của Tổ hợp một cách dễ dàng. Điều này rất quan trọng vì nhu cầu tiêu dùng điện ngày càng tăng, trong khi không thể mở rộng công suất của các nhà máy thủy điện đã có. Các nghiên cứu thực tế các Hệ nguồn điện Tổ hợp trên thế giới cho thấy, để có thêm công suất ĐMT bằng công suất nhà máy thủy điện hiện có thì chỉ cần sử dụng một diện tích nhỏ hơn 4% diện tích mặt hồ chứa [2]. Việc tăng công suất phát của Hệ nguồn điện Tổ hợp cũng có nghĩa là tăng hệ số công suất và sản lượng điện của nó.
b. Tiết kiệm nước
Bên cạnh nhiệm vụ phát điện, phần lớn các hồ chứa thủy điện còn có chức năng hỗ trợ tưới tiêu đối với ngành nông nghiệp. Với cả hai chức năng nói trên thì việc tiết kiệm nước là rất quan trọng, đặc biệt trong điều kiện hạn hán ngày càng nặng nề do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Nhờ xây dựng các Hệ nguồn điện Tổ hợp nên người ta có thể tiết kiệm được rất nhiều nước. Ban ngày, khi nguồn ĐMT phát điện thì có thể cho các tuốc bin thủy điện “nghỉ ngơi”, để dành nước cho phát điện vào các giờ cao điểm cũng như cung cấp nước cho sản xuất nông nghiệp. Ngoài ra, các dàn PMT lắp trên mặt nước hồ còn làm mát mặt nước, giảm gió thổi, nên giảm được lượng nước bốc hơi.
c. Tăng hiệu suất phát điện của nguồn ĐMT
Hiệu suất biến đổi quang điện của hệ nguồn ĐMT giảm khi nhiệt độ các modules PMT tăng. Với nguồn ĐMT nổi, do các module được lắp trên mặt nước nên được hơi nước làm mát. Kết quả là sản lượng điện dàn PMT phát ra tăng lên. Theo nghiên cứu của Công ty Korea Water Resources (Hàn Quốc) thì hiệu suất của các hệ ĐMT nổi tăng lên khoảng 11-13% so với hiệu suất các hệ ĐMT mặt đất [3].
d. Giảm diện tích đất lắp đặt dàn pin
Để lắp dàn PMT công suất 1 MWp cần một diện tích mặt bằng khá lớn, khoảng 1,0-1,2 ha. Điều này có thể dẫn đến những khó khăn về diện tích đất, tiền thuê/mua đất, đặc biệt đối với các nước “đất chật, người đông” như Việt Nam, Nhật Bản, Singapore, các quốc đảo nhỏ… Nhờ tận dụng các mặt nước hồ và kể cả mặt nước ven biển mà công nghệ ĐMT nổi đã khắc phục được các vấn đề trên. Nói riêng, đối với Hệ nguồn điện Tổ hợp thì dàn PMT được lắp ngay trên mặt hồ, làm tăng hiệu quả về kinh tế, xã hội và môi trường cho nhà máy thủy điện, giảm hẳn được chi phí thuê/mua đất để lắp nguồn ĐMT.
e. Sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có của nhà máy thủy điện
Một ưu việt khác của việc xây dựng Hệ nguồn điện Tổ hợp là nguồn ĐMT có thể sử dụng cơ sở hạ tầng điện hiện có, bao gồm các hệ truyền tải điện như các thiết bị điều khiển, đường dây tải điện, các máy biến thế và điểm đấu nối… Cùng với việc không phải thuê/mua đất, thì suất đầu tư nguồn ĐMT nổi trong Hệ nguồn điện Tổ hợp sẽ giảm rất đáng kể, dẫn đến hiệu quả kinh tế cao hơn.
f. Giải quyết vấn đề không ổn định của nguồn ĐMT, đảm bảo chất lượng điện
Nhược điểm cố hữu của nguồn ĐMT là thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào NLMT. Nhờ kết hợp với thủy điện nên các “nhấp nhô” của ĐMT có thể được “san bằng” ổn định nhờ khả năng đáp ứng linh hoạt và nhanh nhạy của thủy điện.
g. Cải thiện môi trường thủy sinh
Việc lắp dàn PMT trên mặt nước cho thấy đã hạn chế được sự phát triển của các loại tảo, trong đó có các loại có hại. Điều này tạo ra môi trường thủy sinh tốt hơn cho nuôi trồng thủy sản.
Một số thách thức và rào cản
Nếu xét riêng về ĐMT nổi thì hiện nay, suất đầu tư trung bình vẫn còn cao hơn nguồn ĐMT mặt đất. Các kết quả nghiên cứu trong tài liệu cho thấy rằng, suất đầu tư Hệ nguồn điện Tổ hợp trung bình hiện nay trên thế giới nằm trong khoảng 800-1.200 USD/kWp. Trong khi đó, giá trị này đối với ĐMT mặt đất chỉ khoảng 600-900 USD/kWp [2].
Tuy nhiên, nhờ tăng được sản lượng phát điện, nên giá điện sản xuất (LCOE) của ĐMT nổi chỉ cao hơn khoảng 10% so với LCOE của nguồn ĐMT mặt đất. Đáng chú ý, con số này chỉ mới tính từ suất đầu tư. Nếu kể đến đầy đủ các lợi ích khác của nguồn ĐMT nổi như đã nói trên mục 1.3 thì hiệu quả kinh tế tổng hợp đối với nguồn ĐMT nổi trong Hệ nguồn điện Tổ hợp sẽ hoàn toàn có thể cạnh tranh được đối với ĐMT mặt đất.
Nguồn ĐMT nổi nói riêng và Hệ nguồn điện Tổ hợp nói chung, là các công nghệ rất mới, còn ở giai đoạn đầu của sự phát triển. Vì vậy, chúng ta chưa có nhiều hiểu biết sâu sắc và kinh nghiệm trong phát triển, ứng dụng các công nghệ này.
Và một vấn đề rất quan trọng khác là, do ĐMT nổi và Tổ hợp phát điện Thủy điện - ĐMT nổi là công nghệ nguồn điện mới, nên hầu hết các quốc gia trên thế giới còn lúng túng chưa đưa ra được các chính sách, cơ chế… phù hợp để thúc đẩy, hỗ trợ phát triển công nghệ ưu việt này.
2. Tiềm năng Hệ nguồn điện Tổ hợp ở Việt Nam
Theo Quy hoạch phát triển điện Việt Nam đến năm 2030 [4], thì đến năm 2020, tổng công suất thủy điện vào khoảng 21.600 MW.
Khi thống kê quan hệ giữa công suất của 10 nhà máy thủy điện [5] có công suất và vị trí khác nhau ở Việt Nam, chúng tôi đã ước tính suất diện tích mặt nước hồ thủy điện trung bình là 1,84 km2/MW. Như vậy, với tổng công suất 21.600 MW vào năm 2020 thì diện tích mặt nước các hồ thủy điện vào khoảng 39.744 km2. Nếu sử dụng 10% diện tích mặt nước hồ này cho ĐMT nổi thì tổng công suất ĐMT nổi sẽ vào khoảng 331.200 MW (giả thiết sử dụng 1,2 ha cho 1 MWp ĐMT).
Với cường độ bức xạ mặt trời trung bình trên cả nước là 4,2 kWh/m2.ngày thì hàng năm các nguồn ĐMT nổi có thể sản xuất thêm được khoảng 511 tỷ kWh. Như vậy, có thể thấy, tiềm năng phát triển ĐMT nổi trên các hồ thủy điện để tạo ra các Tổ hợp phát điện thủy điện- điện mặt trời ở nước ta là rất lớn. Ngoài ra, còn có hàng trăm hồ thủy lợi lớn nhỏ, có tổng diện tích mặt nước cũng rất đáng kể, sẽ là điều kiện rất tốt để phát triển thêm công suất ĐMT nổi ở nước ta.
Việt Nam được thiên nhiên ban tặng cho nguồn tài nguyên NLMT khá dồi dào. Cường độ NLMT trung bình trên cả nước vào khoảng 4,2 kWh/m2.ngày. Các tỉnh ở miền Nam nước ta NLMT còn tốt hơn, trung bình vào khoảng 4,8 kWh/m2.ngày. Đây là một điều kiện tự nhiên rất thuận lợi để phát triển ĐMT ở Việt Nam.
Suất đầu tư về ĐMT trên thế giới ngày càng giảm sâu. Hiện nay, suất đầu tư trung bình trên thế giới chỉ vào khoảng 1.000 USD/kWp [6] và xu hướng sẽ còn tiếp tục giảm.
Tất cả các yếu tố nói trên cho thấy tiềm năng ĐMT nói chung và Tổ hợp nguồn điện thủy điện - ĐMT nổi ở nước ta là rất lớn.
3. Kết luận
Với các ưu việt nổi trội và với tiềm năng rất lớn của công nghệ nguồn điện tổ hợp thủy điện - ĐMT, Việt Nam cần sớm nắm bắt và phát triển công nghệ mới này để có thể góp phần giải quyết các vấn đề cấp bách về cung cấp điện và an ninh năng lượng trong những thập niên tới.
Một trong các yếu tố quan trọng để thúc đẩy phát triển công nghệ nguồn điện tổ hợp mới này là cần sớm nghiên cứu, đề xuất và ban hành các cơ chế, chính sách phù hợp để khuyến khích các nhà đầu tư, các doanh nghiệp… về ĐMT và thủy điện tham gia mạnh mẽ vào quá trình phát triển nguồn điện sạch và tái tạo quí báu này.
PGS.TS. Đặng Đình Thống
Hội KHCN Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả (VECEA)
Tài liệu tham khảo
1. REN 21, Renewables 2019 – Global Status Reort.
2. Where the Sun meets Water, Floating Solar Market Report; WB Group and SERIS, 2018.
3. Floating Solar (PV) Systems: why they are taking off, http://sinovoltaics.com/technology/floating-solar-pv-systems-why-they-are-taking-off/
4. Quyết định số 428/QĐ-TTg, ngày 18/3/2016 về Quy hoạch phát triển điện Việt Nam đến năm 2030.
5. Gồm các nhà máy thủy điện: Sơn La, Hòa Bình, Yaly, Tuyên Quang, Huội Quảng, Bản Vẽ, Thác Bà, Trị An, Thác Mơ và Hương Điền.
6. Báo cáo tổng kết Đề tài KHCN “Nghiên cứu đề xuất các công nghệ, qui mô và lộ trình phát triển năng lượng tái tạo ở Việt Nam nhằm đáp ứng cam kết của chính phủ tại Hội nghị toàn cầu về biến đổi khí hậu (COP21)”. Bộ Công Thương, 2019.
