TỔNG QUAN VỀ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là quá trình chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành các dạng năng lượng có thể sử dụng Quang điện mặt trời, điện nhiệt mặt trời, sưởi ấm và làm mát bằng năng lượng mặt trời cũng được tạo ra nhờ các công nghệ năng lượng mặt trời [1].
Hệ thống quang điện mặt trời là hệ thống biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng Khối xây dựng cơ bản của hệ thống quang điện mặt trời gồm pin quang điện mặt trời, là một thiết bị bán dẫn được sử dụng để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành dòng điện một chiều Pin quang điện mặt trời được kết nối với nhau để tạo thành mô-đun PV, thường lên đến 50-200W Các môđun quang điện mặt trời được kết hợp với các thành phần ứng dụng khác như biến tần, pin, các linh kiện điện, và hệ thống lắp đặt), tạo thành một hệ thống quang điện mặt trời Các mô-đun có thể được liên kết với nhau để cung cấp năng lượng từ một vài W đến hàng trăm MW Hầu hết các công nghệ quang điện mặt trời là hệ thống dùng silicon dạng tinh thể Các môđun màng mỏng cũng có thể gồm các vật liệu bán dẫn không chứa silicon, chiếm khoảng 10% thị trường toàn cầu Hệ thống quang điện mặt trời tập trung (CPV - Concentrating PV), trong đó ánh sáng mặt trời được tập trung vào một khu vực nhỏ, mới bắt đầu được triển khai trên thị trường Các tế bào quang điện mặt trời tập trung mang lại hiệu quả rất cao lên đến 40% - nhưng chỉ đối với các bức xạ trực tiếp bình thường Các công nghệ khác như tế bào quang điện mặt trời hữu cơ vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu. Bởi vì quang điện mặt trời tạo ra điện năng từ ánh sáng mặt trời, do đó sản lượng điện bị hạn chế bởi thời gian khi mặt trời chiếu sáng Tuy nhiên, IEA đã nhấn mạnh, dự ánTích hợp các nguồn năng lượng tái tạo không ổn định trong lưới điện (GIVAR) mang lại một số lựa chọn (đáp ứng nhu cầu, sản xuất linh hoạt, cơ sở hạ tầng lưới điện, tích trữ) mang lại hiệu quả chi phí, đồng thời giải quyết những thách thức về năng lượng
Hình 2: Công nghệ quang điện mặt trời
• Công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời (CSP)
Các thiết bị hội tụ năng lượng mặt trời (CSP) được sử dụng để tập trung năng lượng từ các tia sáng mặt trời nhằm làm nóng thiết bị nhận ở nhiệt độ cao Sau đó nhiệt này được chuyển đổi thành điện năng còn gọi là điện nhiệt mặt trời (STE) Một thiết bị hội tụ năng lượng mặt trời gồm một loạt các tấm thu năng lượng mặt trời và các thiết bị thu, ở đó nhiệt thu được sẽ chuyển thành năng lượng cơ học, sau đó biến đổi sang điện năng Ở giữa hệ thống có một hoặc một số bộ truyền nhiệt hoặc chất lỏng hoạt động, có thể lưu giữ nhiệt và hệ thống làm mát, ẩm hoặc khô (IEA, 2010d) Các thiết bị CSP gồm bốn phiên bản khác nhau: máng parabol, tuyến tính Fresnel, tháp và hệ thống đĩa parabol.
Hình 3: Công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời (CSP) tại Mỹ
• Công nghệ sưởi ấm và làm mát bằng năng lượng mặt trời
- Sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời
Một loạt các công nghệ hiện nay được sử dụng để thu bức xạ mặt trời và chuyển đổi chúng thành nhiệt để sử dụng cho một số ứng dụng Một số công nghệ làm nóng bằng năng lượng mặt trời đã hoàn thiện và có thể cạnh tranh trong một số lĩnh vực nhất định trên thế giới như làm nóng nước sinh hoạt và nước ở các bể bơi Các công nghệ lâu đời nhất đó là hệ thống nước nóng sinh hoạt bằng năng lượng mặt trời, lần đầu tiên được phát triển trên quy mô lớn vào những năm 1960 ở một số nước như Australia, Nhật Bản vàIsrael Kể từ đó, một số thị trường giới thiệt các kế hoạch và cam kết trợ cấp dài hạn cho các công nghệ năng lượng mặt trời (ví dụ như trợ cấp ở Áo và Đức, Israel và Tây BanNha) hoặc những lợi thế cạnh tranh của các hệ thống nước nóng mặt trời so với các công nghệ thay thế khác (như Trung Quốc, Síp) Trong 15 năm qua, Trung Quốc đã thúc đẩy thị trường công nghệ đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời (cả về công nghệ sản xuất thiết bị và nhu cầu sử dụng cuối cùng) Công nghệ sưởi ấm bằng nhiệt năng lượng mặt trời cũng đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới trong thập kỷ qua Công suất nhiệt mặt trời được lắp đặt đặt trên toàn cầu là 268 GWth trong năm 2012, bao gồm những lắp đặt hệ thống sưởi ấm công và lắp đặt trong công nghiệp Việc sử dụng năng lượng mặt trời để lấy nhiệt tại các tòa nhà đã tăng trung bình 12% mỗi năm, và đạt 0,7 EJ vào năm 2011 Cho đến nay, thị trường năng lượng nhiệt mặt trời phát triển nhanh nhất thế giới là Trung Quốc, nơi mà công suất lắp đặt tăng hơn bảy lần từ năm 2000 đến 2011
(152 GWth trong năm 2011) Sử dụng nhiệt mặt trời cho các tòa nhà ở Trung Quốc đang tăng từ 0,04 EJ trong năm 2000 lên 0,46 EJ trong năm 2011 Hầu hết nhiệt thu được dùng để làm nóng nước.
Hình 4: Công nghệ sưởi ấm nước năng lượng mặt trời
- Công nghệ làm mát bằng năng lượng mặt trời
Theo ước tính khoảng 1.000 hệ thống làm mát bằng năng lượng mặt trời được lắp đặt trên toàn thế giới vào cuối năm 2012, với 80% lắp đặt này là ở châu Âu (chủ yếu làTây Ban Nha, Đức và Italia) Tuy nhiên làm mát bằng năng lượng mặt trời vẫn là một thị trường nhỏ đang phát triển trong những năm gần đây
Hình 5: Công nghệ làm mát bằng năng lượng mặt trời
Năng lượng từ gió
Năng lượng gió hoặc năng lượng gió chủ yếu là việc sử dụng tuabin gió để tạo ra điện Năng lượng gió là một nguồn năng lượng tái tạo phổ biến, bền vững, có tác động đến môi trường nhỏ hơn nhiều so với đốt nhiên liệu hóa thạch Trong lịch sử, năng lượng gió đã được sử dụng trong cánh buồm, cối xay gió và windpumps nhưng ngày nay nó chủ yếu được sử dụng để tạo ra điện Cũng giống như các công nghệ năng lượng tái tạo khác dựa trên những nguồn tài nguyên tái tạo, năng lượng gió xuất hiện trên khắp thế giới và có thể góp phần làm giảm phụ thuộc vào nhập khẩu năng lượng do không bị ảnh hưởng bởi những rủi ro về giá nhiên liệu, đồng thời cải thiện an ninh năng lượng và làm đa dạng nguồn năng lượng cũng như làm giảm sự biến động về giá nhiên liệu hóa thạch, vì thế có thể ổn định chi phí sản xuất điện trong thời gian dài. Năng lượng gió không trực tiếp phát thải khí nhà kính (GHG) và không thải ra các chất ô nhiễm khác (như oxit lưu huỳnh và oxit nitơ); ngoài ra, nó không tiêu thụ nước Đối với những địa phương vùng nóng hoặc khô đang quan tâm đến các vấn đề ô nhiễm không khí và thiếu nguồn nước ngọt để làm mát cho các nhà máy, những lợi ích của năng lượng gió ngày càng trở nên quan trọng.
Hình 6: Nhà máy điện gió Trung Nam Ninh Thuận
• Năng lượng gió trên đất liền
Năng lượng gió trên đất liền là một trong những công nghệ năng lượng tái tạo đang được phát triển ở quy mô toàn cầu Các tua bin gió lấy động năng từ quá trình di chuyển dòng không khí (gió) và chuyển đổi thành điện năng thông qua rôto khí động học, được nối qua hệ thống truyền dẫn với máy phát điện [2] Tuabin tiêu chuẩn hiện nay có ba cánh quay trên một trục ngang, với một máy phát điện đồng bộ hoặc không đồng bộ được kết nối với lưới điện Ngoài ra còn có các tuabin hai cánh và dẫn động trực tiếp (không có hộp số). Công suất điện của tuabin tỷ lệ thuận với diện tích của rotor; vì vậy những rôto lớn và ít hơn (trên những tháp cao hơn) sử dụng nguồn gió hiệu quả hơn so với nhiều máy nhỏ. Công suất tua bin gió lớn nhất hiện nay từ 5-6 MW, với đường kính rôto lên đến 126 mét. Những tua bin gió thương mại điển hình có công suất từ 1,5 MW đến 3 MW Từ năm
2000, công suất lắp đặt tăng trung bình 24% mỗi năm Trong năm 2012, khoảng 45 GW công suất điện gió mới được lắp đặt tại hơn 50 quốc gia, đưa công suất điện gió ngoài khơi và trên đất liền toàn cầu lên tổng số là 282 GW Đầu tư mới cho năng lượng gió trong năm 2012 là 76,6 tỷ USD Trong số các dự án năng lượng sạch lớn nhất được tài trợ trong năm 2012 là bốn địa điểm gió ngoài khơi (216 MW đến 400MW) tại các vùng biển thuộc Đức, Anh và Bỉ nằm ở Biển Bắc, với khoản đầu tư 0,8 tỷ EUR đến 1.6 tỷ EUR (tương đương 1.1 tỷ đến 2,1 tỷ USD).
Hình 7: Công suất lắp đặt tuabin gió đất liền tại các nước châu âu từ 2010-2020
• Năng lượng gió ngoài khơi
Năng lượng gió ngoài khơi được tạo ra bởi các tua bin gió được lắp đặt trên biển Việc lắp đặt các tua bin trên biển tận dụng được nguồn gió tốt hơn các địa điểm ở đất liền Các tua bin ngoài khơi đạt được nhiều giờ đủ tải hơn (đủ công suất phát điện) Các trại gió ngoài khơi có thể được đặt gần các trung tâm tiêu thụ điện lớn ở ven biển, thường tránh sử dụng đường dây tải điện dài để đáp ứng nhu cầu về điện – điều này có thể làm cho điện gió ngoài khơi đặc biệt hấp dẫn đối với nhiều nước có nhu cầu phát triển vùng ven biển hoặc nằm xa các vùng phát triển điện trên đất liền Theo các tổ chức quốc tế như Ngân hàng Thế giới - World Bank và cơ quan năng lượng Đan Mạch DEA, với bờ biển dài và tiềm năng gió khổng lồ, điện gió Việt Nam có tiềm năng ước đạt 475 GW, riêng về tiềm năng kỹ thuật và khả năng phát triển tốt là 160 GW Trung bình hiện nay giá đầu tư điện gió ngoài khơi khoảng 3 tỉ đôla Mỹ cho một GW, Việt Nam cần thu hút trên dưới 500 tỉ đôla
Mỹ cho lĩnh vực này DEA kiến nghị Việt Nam phải đặt mục tiêu điện gió đạt 10GW vào năm 2030 Hiện Việt Nam có tổng công suất lắp đặt khoảng 70 GW cho tất cả các loại điện, đến năm 2030 dự kiến 140 GW Với con số này, chỉ riêng điện gió ngoài khơi nếu được phát triển mạnh đã thừa sức đáp ứng nhu cầu điện cho toàn Việt Nam, giúp quốc gia không phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu nhập như than và khí.
Hình 8: Các quốc gia có tỷ lệ tham gia của năng lượng gió ngoài khơi cao nhất
Năng lượng gió là năng lượng tái tạo thay đổi, vì vậy các kỹ thuật quản lý năng lượng được sử dụng để phù hợp với cung và cầu, chẳng hạn như: hệ thống điện lai gió, thủy điện hoặc các nguồn điện điều phối khác, công suất dư thừa, tuabin phân bố theo địa lý, xuất khẩu và nhập khẩu điện đến các khu vực lân cận hoặc lưu trữ lưới điện Khi tỷ lệ năng lượng gió trong một khu vực tăng lên, lưới điện có thể cần phải được nâng cấp.
Dự báo thời tiết cho phép mạng lưới năng lượng điện sẵn sàng cho các biến thể có thể dự đoán được trong sản xuất xảy ra.
Thủy điện nhỏ
Thủy điện nhỏ là sự phát triển của thủy điện ở quy mô phù hợp với địa phương, hoặc để góp phần phát điện phân tán trong lưới điện khu vực Hiện tại, có khá nhiều định nghĩa về công suất của thuỷ điện nhỏ như tại Liên minh Châu Âu (EU), thủy điện nhỏ được định nghĩa là các nhà máy thủy điện với công suất dưới 20 megawatt (MW) Nhưng ở một số quốc gia, con số còn có thể xuống thấp hơn nữa.
Ví dụ, Thụy Điển định nghĩa thủy điện nhỏ là các nhà máy thủy điện với công suất dưới 1,5MW Tại Ấn Độ, con số là 25MW trở xuống, nhưng Brazil lại là 30MW trở xuống Với Canada và Trung Quốc, con số là dưới 50MW Tại Mỹ, con số thay đổi tùy theo chính sách của từng bang, dao động từ 2 - 50MW.
Châu lục Tiềm năng (MW) Công suất đặt hiện có (MW)
Bảng 1: Phát triển thuỷ điện nhỏ theo châu lục năm 2016
Năng lượng sinh khối
Năng lượng sinh khối (biomass energy) [3] là năng lượng được tạo ra từ các vật liệu dư thừa như trấu, rơm rạ, bã mía hoặc chất thải từ các hoạt động sinh hoạt của con người (rác, bùn/nước cống) Sinh khối là sử dụng các vật liệu này chuyển hóa thành điện năng (sinh hóa, hóa học) hoặc nhiệt năng (đốt) Các loại nguyên liệu sinh khối về cơ bản có thể chia ra như sau:
• Chất bã của sinh khối đã qua xử lý
Các quá trình xử lý sinh khối đều sinh ra các sản phẩm phụ và các dòng chất thải gọi là chất bã Cac chất bã này có một lượng thế năng nhất định Không phải tất cả các chất bã đều có thể được sử dụng cho sản xuất điện năng, một số cần phải được bổ sung với các chất dinh dưỡng hay các nguyên tố hóa học Tuy nhiên, việc sử dụng các chất bã là rất đơn giản vì chúng đã được thu thập/phân loại qua quá trình xử lý.
• Bột giấy và các chất bã trong quá trình sản xuất giấy
Cây cối có các thành phần như lignin, hemicellulose, và sợi cellulose Do các tính chất hóa học và vật lý, lignin dễ dàng chia nhỏ hơn cellulose Quá trình nghiền nhão làm tách rời và chia nhỏ các sợi lignin trong cây nhằm suspend các sợi cellulose để tạo ra giấy Các bột giấy dư thừa tạo nên chất bã Các chất bã này là các sản phẩm phụ của các quá trình đốn và xử lý gỗ Các quá trình xử lý gỗ để tạo ra sản phẩm, đồng thời thải ra mùn cưa, vỏ cây, nhánh cây, lá cây và bột giấy Thông thường, các nhà máy giấy hay dùng các chất thải này để tạo ra điện cho vận hành nhà máy.
• Bã cây rừng (Forestry residues)
Các chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ các quá trình làm thưa rừng nhằm giảm nguy cơ cháy rừng, sinh khối không được thu hoạch hoặc di dời ở nơi đốn gỗ cứng và mềm thương mại và các vật liệu dư thừa trong quá trình quản lý rừng như phát rừng và di dời các cây đã chết Một trong những thuận lợi của việc tận dụng bã cây rừng là một phần lớn các bã dạng này được tạo ra từ các nhà máy giấy hoặc các nhà máy xử lý gỗ, do đó phần lớn nguồn nguyên liệu có thể sử dụng ngay được Cũng vì lý do này, việc tái sử dụng mùn cưa, bã gỗ để tạo năng lượng tập trung ở các nhà máy công nghiệp giấy và gỗ, nhưng tiềm năng nguyên liệu thật sự là lớn hơn nhiều Theo WEC, tổng công suất dự đoán trên toàn cầu của bã thải từ rừng là 10.000 MWe
• Bã nông nghiệp (Agricultural residues)
Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừa sau các vụ thu hoạch Chúng có thể được thu gom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặt hái Các chất thải nông nghiệp bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu Hằng năm, có khoảng 80 triệu cây bắp được trồng, cho nên vỏ bắp đươc dự đoán sẽ là dạng sinh khối chính cho các ứng dụng năng lượng sinh học Ở một số nơi, đặc biệt những vùng khô, các chất bã cần phải được giữ lại nhằm bổ sung các chất dinh dưỡng cho đất cho vụ mùa kế tiếp. Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất cả các chất dinh dưỡng từ cặn bã, các chất bã này không được tận dụng tối đa và bị mục rữa làm thất thoát năng lượng.
• Chất thải từ gia súc (Livestock residues)
Chất thải từ gia súc như phân trâu, bò, lợn, gà, dưới kỹ thuật tách methane và phân hủy yếm khí có thể được chuyển thành gas (hay còn gọi là biogas), dùng để đốt trực tiếp hoặc biến đổi thành điện để phục vụ cho cuộc sống Cách xử lý này cũng giúp hạn chế tối đa các chất methane có trong phân gia súc, là chất độc gây nguy hiểm với môi trường và sức khỏe cộng đồng.
• Chất thải củi gỗ đô thị
Chất thải củi gỗ là nguồn chất thải lớn nhất ở các công trường Chất thải củi gỗ đô thị bao gồm các thân cây, phần thừa cây đã qua cắt tỉa Những vật liệu này có thể được thu gom dễ dàng sau các dự án công trường và cắt tỉa cây, sau đó có thể được chuyển thành phân trộn hay được dùng để cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy năng lượng sinh học.
• Chất thải rắn đô thị
Các trung tâm thương mại, khu đô thị, cơ quan, trường học thường có một lượng chất thải nhất định, nó có thể sinh ra từ các công trường xây dựng hoặc trong cuộc sống, đó có thể là các chất thải dạng củi gỗ, giấy, bìa các tông, có thể sử dụng trực tiếp, cũng có thể là các chất thải hữu cơ khác Các chất thải hữu cơ có một lượng lớn khí methane, có thể được thu thập, chuyển dạng và dùng để tạo ra năng lượng.
Cây trồng năng lượng (Energy forestry/crops)
Các giống cây năng lượng là các giống cây, cây cỏ được xử lý bằng công nghệ sinh học để trở thành các giống cây tăng trưởng nhanh, được thu hoạch cho mục đích sản xuất năng lượng Các giống cây này có thể được trồng, thu hoạch và thay thế nhanh chóng.
Cây trồng năng lượng có thể được sản xuất bằng 2 cách: i) Các giống cây năng lượng chuyên biệt trồng ở những vùng đất dành đặc biệt cho mục đích này và ii) trồng xen kẽ và các cây trồng bình thường khác Cả 2 phương pháp này đều đòi hỏi có sự quản lý tốt và phải được chứng minh là đem lại lợi ích rõ ràng cho người nông dân về mặt hiệu quả sử dụng đất.
- Các giống cây cỏ (thảo mộc) năng lượng Đây là các giống cây lâu năm được thu hoạch hằng năm sau 2-3 năm gieo trồng để đạt tới hiệu suất tối đa Các giống cây này bao gồm các loại cỏ như cỏ mềm (switchgrass) xuất xứ từ Bắc Mỹ, cỏ voi miscanthus, cây tre, cây lúa miến ngọt, cỏ đuôi trâu cao, lúa mì, kochia Các giống cây này thường được trồng cho việc sản xuất năng lượng.
- Các giống cây gỗ năng lượng
Các giống cây gỗ có vòng đời ngắn là các giống cây phát triển nhanh và có thể thu hoạch sau 5-8 năm gieo trồng Các giống cây này bao gồm cây dương ghép lai, cây liễu ghép lai, cây thích bạc, cây bông gòn đông phương, cây tần bì xanh, cây óc chó đen, sweetgum và cây sung.
- Các giống cây công nghiệp
Các giống cây này đang được phát triển và gieo trồng nhằm sản xuất các hóa chất và vật liệu đặc trưng nhất định Ví dụ như cây dâm bụt và rơm dùng trong sản xuất sợi, castor cho acid ricinoleic Các giống cây chuyển gen đang được phát triển nhằm sản xuất các hóa chất mong muốn giống như một thành phần của cây, chỉ đòi hỏi sự chiết xuất và tinh lọc sản phẩm.
- Các giống cây nông nghiệp (Agricultural Crops)
Các giống cây nông nghiệp bao gồm các sản phẩm sẵn có hiện tại như bột bắp và dầu bắp, dầu đậu nành, bột xay thô, bột mì, các loại dầu thực vật khác và các thành phần đang được phát triển cho các giống cây tương lai Mặc dù các giống này thường được dùng để sản xuất nhựa, các chất hóa học và các loại sản phẩm, chúng thường cung cấp đường, dầu và các chất chiết xuất khác.
- Các giống cây dưới nước (Aquatic crops, thủy sinh)
Nguồn sinh khối đa dạng dưới nước bao gồm tảo, tảo bẹ, rong biển, và các loại vi thực vật biển Các giống dùng trong thương mại bao gồm chiết xuất của tảo bẹ dùng cho các chất làm đặc và các chất phụ gia thực phẩm, chất nhuộm từ tảo, chất xúc tác sinh học được dùng trong các quá trình xử lý sinh học ở các môi trường khắc nghiệt.
Năng lượng địa nhiệt
Là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong tâm của Trái Đất Ở một số khu vực nhất định, độ dốc địa nhiệt sẽ đủ cao để có thể khai thác và tạo ra điện Cụ thể hơn, nguồn năng lượng nhiệt này tập trung ở khoảng vài km dưới bề mặt Trái Đất, phần trên cùng của vỏ Trái Đất Cùng với sự tăng nhiệt độ khi đi sâu vào vỏ Trái Đất, nguồn nhiệt lượng liên tục từ lòng đất này được ước đoán tương đương với với một khoảng năng lượng cỡ 42 triệu
MW Lòng đất thì vẫn tiếp tục nóng hằng tỷ năm nữa, đảm bảo một nguồn nhiệt năng gần như vô tận Chính vì vậy Địa Nhiệt được liệt vào dạng năng lượng tái tạo [4].
Nguồn nhiệt lượng này được chuyển lên mặt đất qua dạng hơi hoặc nước nóng khi nước chảy qua đất đá nóng Nhiệt lượng thường được sử dụng trực tiếp, ví dụ như hệ thống điều hòa nhiệt độ (bơm địa nhiệt), hoặc chuyển thành điện năng (nhà máy nhiệt điện) So với các dạng năng lượng tái tạo khác như gió, thủy điện hay điện mặt trời, địa nhiệt không phụ thuộc vào các yếu tố thời tiết và khí hậu Do đó địa nhiệt cũng có hệ số công suất rất cao, nguồn địa nhiệt luôn sẵn sàng đáp ứng nhu cầu.
Hình 9: Quy trình khai thác năng lượng địa nhiệt
Có 5 dạng nguồn địa nhiệt khác nhau, trong đó chỉ có bồn trũng thủy địa nhiệt(hydrothermal reservoirs) và năng lượng trái đất (earth energy) là đã được đưa vào khai thác thương mại 3 dạng còn lại, nước muối địa áp (geopressureed brine), đá khô nóng (dry hot rock) và magma, vẫn còn yêu cầu phát triển các kỹ thuật cao/tân tiến.
• Bể thủy nhiệt là các bể chứa hơi hoặc nước nóng bị bẫy trong đá porous (Hình
9.3) Để sản xuất điện, hơi hoặc nước nóng được bơm từ các bể lên mặt đất để vận hành các turbin phát điện Do nguồn hơi nước tương đối hiếm, nên hầu hết các nhà máy địa nhiệt sử dụng nguồn nước nóng Chi tiết về kỹ thuật sẽ được giới thiệu ở phần sau.
• Đá khô nóng : địa nhiệt có thể được khai thác từ một số các nguồn đá khô, không thấm ở độ sâu khoảng 5-10 m dưới mặt đất, hoặc thậm chí nông hơn ở một số khu vực Ý tưởng chủ đạo là bơm nước lạnh xuống nguồn đá khô này tại một giếng khoan, cho khối nước này chảy qua nguồn đá khô và được nung nóng, sau đó dẫn khối nước được nung nóng ra một giếng khoan khác và trữ trong bể địa nhiệt Tuy nhiên hiện nay vẫn chưa có ứng dụng thương mại nào cho kỹ thuật này (xem Hình 9.4).
• Magma: tất cả các kỹ thuật địa nhiệt hiện nay đều chỉ khai thác “gián tiếp” nhiệt năng từ lòng đất do magma chuyển lên Hiện tại vẫn chưa có kỹ thuật này cho phép khai thác trực tiếp nhiệt lượng từ magma, mặc dù magma là nguồn nhiệt lượng cực kỳ dồi dào trong vỏ Trái Đất.
• Nước muối địa áp là dạng nước nóng, áp suất cao và chứa methane hòa tan Cả nhiệt và methane đều có thể được sử dụng để sản xuất điện thông qua turbine.
Năng lượng đại dương
Hiện có năm loại công nghệ đại dương đang được phát triển nhằm khai thác nguồn năng lượng từ các đại dương, bao gồm:
• Năng lượng thủy triều : năng lượng tiềm năng liên quan tới các triều cường có thể được khai thác bằng cách xây dựng đập hoặc các công trình xây dựng khác ngang qua cửa sông.
• Các dòng thủy triều (biển): động năng kết hợp với các dòng thủy triều (biển) có thể được khai thác bằng việc sử dụng các hệ thống mô-đun.
• Năng lượng sóng : động năng và thế năng kết hợp với sóng đại dương có thể được khai thác bởi một loạt các công nghệ đang được phát triển.
• Gradient nhiệt độ : gradient nhiệt độ giữa bề mặt nước biển và nước sâu có thể được khai thác bằng việc sử dụng các quá trình chuyển đổi năng lượng nhiệt đại dương khác nhau (OTEC).
• Gradient muối: Tại cửa sông, nơi giao thoa giữa nước ngọt và nước mặn, năng lượng liên kết với gradient muối có thể được khai thác bằng việc sử dụng quá trình “áp suất thẩm thấu chậm” và các công nghệ chuyển đổi có liên quan.
Tuy nhiên, chưa có công nghệ nào về năng lượng đại dương được triển khai rộng rãi. Các đập thủy triều phụ thuộc vào công nghệ truyền thống, nhưng chỉ một vài hệ thống quy mô lớn đang hoạt động trên thế giới, đặc biệt là đập Sihwa (Hàn Quốc) 254 MW đi vào hoạt động từ năm 2011 và đập La Rance 240 MW ở Pháp, bắt đầu sản xuất điện năng từ năm 1966 Các dự án nhỏ hơn khác được đưa vào khai thác sau đó tại Trung Quốc, Canada và Nga Năng lượng thủy triều và năng lượng sóng được phát triển từ những năm 1970 Nhiều thiết kế vẫn đang được nghiên cứu và phát triển ở một số nước như Anh và đặc biệt là ở Scotland Ngoài ra, những nỗ lực này cũng đang được thực hiện ở New England, Hoa Kỳ và Nova Scotia, Canada Các dự án thủy triều có nhiều thay đổi do quá trình sản xuất điện từ năng lượng sóng phụ thuộc vào trạng thái của biển Những thách thức về kỹ thuật liên quan nhiều đến việc thu năng lượng hiệu quả từ sóng hoặc thủy triều, đặc biệt yêu cầu tồn tại và hoạt động trong những điều kiện khó khăn Những vấn đề khác cần được xem xét bao gồm các tác động đối với sinh vật biển, môi trường biển và những lĩnh vực hưởng lợi từ biển khác như vận tải biển, ngành công nghiệp đánh bắt thủy sản Đến nay, các dự án liên quan đến OTEC bị hạn chế đối với những ứng dụng quy mô nhỏ, mặc dù các kế hoạch và những nỗ lực thiết kế nhằm vào những dự án lớn hơn Công nghệ Gradient muối vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm.
Hình 10: Tiềm năng năng lượng sóng các khu vực trên thế giới
Ưu nhược điểm của các nguồn năng lượng tái tạo
- Có thể tái tạo được, trữ lượng vô cùng lớn, có thể vô tận Các dạng năng lượng như mặt trời, gió, địa nhiệt, sóng biển, mưa… có sẵn và tự do sử dụng, không mất chi phí nhiên liệu Năng lượng sinh khối cũng có trữ lượng lớn và chi phí nhiên liệu thấp So với các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt tự nhiên… đang ngày càng cạn kiệt, chỉ đáp ứng nhu cầu năng lượng của con người thêm khoảng 50-
70 năm, ưu điểm này là một thế mạnh vượt trội Nhiều số liệu cho thấy sử dụng nguồn năng lượng tái tạo để sản xuất điện mang lại hiệu quả cao hơn nhiều so với sử dụng năng lượng thông thường Các dạng năng lượng thông thường để được chuyển hóa thành điện sẽ được đốt cháy quá quá trình phức tạp tại nhà máy nhiệt điện nhưng không bao giờ có thể chuyển hóa 100% Thực tế một lượng lớn nhiệt sau khi được sinh ra sẽ bị phân tán và lãng phí Ví dụ ở Anh, sản xuất điện từ khí gas, có đến 54% lượng nhiệt bị lãng phí trong quá trình sản xuất điện, lượng điện bị lãng phí trong sản xuất từ than đá là 66%, ở năng lượng hạt nhân là 65%… Còn ở năng lượng tái tạo,không hề lãng phí chút năng lượng nào trong quá trình sinh điện vì dù có hiệu suất thấp hơn nhưng chúng vô tận.
- Các dạng năng lượng tái tạo đều là những năng lượng sạch, thân thiện với môi trường, phát thải ít carbon trong quá trình sản xuất, chuyển đổi Chính vì vậy, năng lượng tái tạo được biết đến là giải pháp chống lại sự biến đổi khí hậu đang ngày càng tác động nghiêm trọng đến cuộc sống của con người, giúp bảo vệ hệ sinh thái chung Ít tác động đến môi trường tự nhiên, không gây ô nhiễm không khí, không làm gia tăng sự nóng lên của khí hậu toàn cầu, hiệu ứng nhà kính
- Có thể khai thác rộng rãi ở mọi khu vực khác nhau trên trái đất Ví dụ với năng lượng mặt trời, người ta có thể khai thác nó ở bất cứ nơi nào, miễn là nơi đó có ánh sáng mặt trời, có thể dùng để tạo ra nhiệt làm nước nóng, sưởi ấm, tạo điện nhờ hệ thống điện mặt trời với những tấm pin năng lượng mặt trời… Hay với năng lượng gió, nguồn năng lượng này đã được sử dụng hàng trăm năm nay để di chuyển thuyền buồm, khinh khí cầu, làm các cối xay gió cho hệ thống tưới tiêu… hay xu hướng hiện nay là sản xuất điện năng từ gió ở rất nhiều quốc gia trên thế giới.
- Do chịu tác động từ tự nhiên nên năng lượng tái tạo có tính ổn định thấp hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống Chỉ có thể khai thác năng lượng mặt trời vào ban ngày vào những ngày có mặt trời, còn ban đêm hay những ngày trời âm u, mưa thì hệ thống sẽ không hoạt động Hay với năng lượng gió, các tua-bin gió chỉ có thể sinh điện vào những thời điểm có tốc độ gió thổi trong khoảng 4-25 m/s Tốc độ gió phải tối thiểu 4 m/s thì các tua-bin gió mới bắt đầu chạy đều và phát điện, nhưng nếu vượt qua 25 m/s thì các tua-bin sẽ ngừng hoạt động để tránh hỏng hóc trong điều kiện gió mạnh
- Cần có công nghệ tiên tiến và chi phí đầu tư khá cao Hiện nay, chi phí sản xuất điện từ năng lượng tái tạo nhìn chung đang cao hơn so với chi phí từ năng lượng hóa thạch Tuy nhiên, sự phát triển của năng lượng tái tạo trong xu hướng toàn cầu đã giúp chi phí ngày càng giảm và hiệu suất ngày càng tăng, dần cải thiện nhược điểm này.
CÁC ỨNG DỤNG VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Hệ thống điện mặt trời độc lập (off -grid solar system)
- Là hệ thống điện mặt trời được sử dụng cho các đối tượng riêng lẻ Bên cạnh đó, để đảm bảo yêu cầu cung cấp điện liên tục, các hệ thống điện mặt trời độc lập phải có thiết bị tích trữ năng lượng và kết hợp với các nguồn điện khác (gió, điezen ).
- Là hệ thống điện mặt trời có cấu hình tương đối đa dạng khi có thể có ắc quy hoặc không, có thể có inverter hoặc không (nếu không có tải xoay chiều), có thể có nguồn dự phòng khác hoặc không (hybrid system).
- Cấu trúc điển hình của hệ thống điện mặt trời độc lập đó là Các tấm pin năng lượng mặt trời có nhiệm vụ hấp thụ bức xạ mặt trời và chuyển thành dòng điện một chiều (DC) Dòng điện DC này được nạp vào hệ thống lưu trữ ( ắc quy ) thông qua bộ điều khiển sạc Cuối cùng thông qua bộ chuyển đổi điện áp DC –
Hình 11: Hệ thống điện mặt trời độc lập
• Tấm năng lượng mặt trời (Solar panels)
Tấm quang điện mặt trời bao gồm các tinh thể silicon được sử dụng để chuyển đổi các tia nắng mặt trời thành điện năng Chúng tạo ra nguồn DC được sử dụng để sạc pin hoặc cấp nguồn cho tải hoặc trực tiếp hoặc thông qua một biến tần Các tấm có sẵn với các kích thước, điện áp khác nhau và chúng có thể được đấu nối tiếp, song song hoặc cả hai tùy thuộc vào cách hệ thống được thiết kế.
• Bộ điều khiển sạc (Charge Controllers)
Bộ điều khiển sạc ngăn quá tải pin bằng cách hạn chế năng lượng cung cấp cho pin bằng mảng PV khi pin được sạc đầy Chúng cũng ngăn chặn pin xả quá mức bằng cách ngắt kết nối pin khỏi các tải điện khi pin đạt trạng thái tích điện thấp Bộ điều khiển sạc cũng có thể cung cấp các chức năng kiểm soát tải bằng cách kết nối tự động và ngắt tải điện tại một thời điểm xác định Các công nghệ khác nhau là có sẵn để lựa chọn bao gồm điều chế độ rộng xung (PWM) và chức năng theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT)
Biến tần là một thiết bị chuyển đổi nguồn DC từ pin dự phòng thành nguồn AC cho tải trọng khác nhau Có hai loại biến tần là đồng bộ và tĩnh (synchronous and static) hoặc độc lập (stand-alone) Biến tần đồng bộ có khả năng được gắn vào lưới điện Biến tần tĩnh được thiết kế cho nguồn điện độc lập và thường được sử dụng cho các hệ thống PV độc lập Trong việc lựa chọn biến tần, đầu vào điện áp một chiều phải phù hợp với điện áp pin của hệ thống Nguồn AC đầu ra cũng phải đủ để đáp ứng tất cả các thiết bị được cấp nguồn AC có thể bật cùng một lúc.
Bộ lưu trữ pin trong hệ thống PV lưu trữ năng lượng điện khi nó được sản xuất bởi
PV mảng và cung cấp năng lượng cho các phụ tải điện khi cần thiết hoặc theo yêu cầu Nó cũng cung cấp điện cho tải điện ở điện áp và dòng điện ổn định, bằng cách triệt tiêu hoặc làm mịn quá độ có thể xảy ra trong hệ thống PV Bộ lưu trữ pin cũng cung cấp tăng hoặc cao dòng hoạt động cao nhất đối với tải hoặc thiết bị điện.
Pin axít chì được sử dụng phổ biến nhất do có nhiều kích cỡ, chi phí thấp và các đặc tính hiệu suất được hiểu rõ Trong một số quan trọng, thấp ứng dụng nhiệt độ Các tế bào niken-cadimi được sử dụng, nhưng giới hạn chi phí ban đầu cao của chúng việc sử dụng chúng trong hầu hết các hệ thống PV.
Hệ thống điện mặt trời nối lưới (on -grid solar system)
- Là hệ thống điện mặt trời khi điện năng phát ra không được sử dụng hết thì sẽ được phát lên lưới Đây còn là hệ thống được ứng dụng phổ biến cho các hệ thống điện mặt trời nối lưới lắp mái Bên cạnh đó, các trang trại điện mặt trời lắp trên mặt đất có công suất trung bình và lớn kinh doanh bán điện cho lưới điện.
- Về mặt qui mô hệ thống PV phân ra làm 2 loại: Hệ thống PV phân tán và hệ thống PV tập trung Trong đó, các đặc điểm của từng loại được thể hiện như ở bảng
Bảng 2: So sánh 2 hệ thống PV
Hệ thống PV phân tán Hệ thống PV tập trung (solar field, solar park)
- Công suất nhỏ (vài kWp đến 1 MWp) - Công suất lớn (Vài MWp đến 100s
- Phân bố phân tán (lắp đặt trên mái nhà - Phân bố tập trung ở những địa điểm hộ gia đình, văn phòng, xưởng sản xuất, riêng biệt, diện tích quỹ đất lớn khu thương mại)
- Nối vào lưới điện áp thấp (1 pha hoặc 3 - Nối vào lưới cao áp (3 pha) pha)
- Điện năng có thể tự tiêu thụ hoặc bán - Điện năng bán trực tiếp vào lưới vào lưới
- Cấu trúc chung của hệ thống PV nối lưới như hình:
Hình 12: Hệ thống điện mặt trời nối lưới
PV: đóng vai trò máy phát điện, tạo ra dòng điện 1 chiểu
Inverter: Biến đổi dòng 1 chiểu thành dòng xoay chiều Đồng hồ đo: ghi lại lượng điện năng được đưa vào lưới
- Bên cạnh việc phân loại thành 2 hệ thống chính là hệ thống PV phân tán và
PV tập trung, hiện nay trên thị trường còn có thể chia thành 2 loại hệ thống đó là hệ thống hoà lưới không lưu trữ và hệ thống hoà lưới lưu trữ Mỗi loại đều có ưu nhược điểm riêng và được thể hiện trong bảng:
Bảng 3: Phân tích ưu nhược điểm của hệ thống hoà lưới Ưu điểm Nhược điểm
- Giảm chi phí tiền điện - Lưới bị cắt thì điện hàng tháng năng từ các tấm panel
Hệ thống hoà lưới - Thời gian hoàn vốn đầu mặt trời cũng bị cắt không lưu trữ tư từ 5 đến 7 năm
(Khắc phục sử dụng bộ
- Phí bảo trì thấp lưu trữ)
- Có thể lắp đặt ở bất cứ - Hệ thống này ghép từ đâu và giúp giảm tải hệ thống độc lập và hệ
Hệ thống hoà lưới cho lưới điện quốc gia thống nối với lưới điện lưu trữ - Có thể sử dụng điện mà nên có cấu tạo phức tạp không cần đến lưới điện - Chi phí tốn kém, bảo trì quốc gia khó khăn
Hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp
Hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp bao gồm hai hoặc nhiều nguồn năng lượng tái tạo hoặc không tái tạo, chẳng hạn như gió, năng lượng mặt trời PV và máy phát điện diesel, để tăng hiệu quả hệ thống cũng như cân bằng hơn khi cung cấp năng lượng. Các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời hoặc gió phổ biến rộng rãi và ít ảnh hưởng đến môi trường nhưng chúng không liên tục theo chu kỳ hàng ngày và thậm chí theo mùa về tiềm năng tài nguyên Vì lý do này, cần phải có những cách sáng tạo để tối ưu hóa việc sử dụng chúng.
Tiềm năng từ hệ thống điện mặt trời là không đủ để đảm bảo tính ổn định và an ninh năng lượng vì đây là nguồn năng lượng không liên tục Điều này cũng xảy ra tương tự với các hệ thống gió độc lập, chúng cũng có thể không đảm bảo tải liên tục vì những lý do tương tự Do đó, việc sử dụng độc lập các nguồn năng lượng này không phải là giải pháp tối ưu và dẫn đến chi phí quá lớn cho độ tin cậy của hệ thống Tuy nhiên, việc tích hợp các nguồn ngắt quãng khác nhau cho phép khắc phục phần nào những hạn chế cố hữu.
MÔ HÌNH PHÂN TÍCH KINH TẾ-KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO PHỤ TẢI
Mô hình kỹ thuật
a) Hệ thống làm việc độc lập [5]: gồm có hệ thống pin mặt trời PV, hệ thống pin lưu trữ BATT, converter và máy phát diesel.
Phương thức vận hành là uu tiên vận hành PV cung cấp điện cho phụ tải, khi thừa công suất sẽ nạp cho BATT, nếu BATT đã đầy thì cắt giảm nguồn PV Khi thiếu công suất cung cấp cho phụ tải sẽ ưu tiên xả từ BATT ra thông qua bộ chuyển đổi để cung cấp điện cho phụ tải, nếu vẫn thiếu công suất huy động máy phát điện diesel. b) Đối với tấm pin quang điện
Khả năng phát công suất của tấm pin quang điện phụ thuộc vào chính lượng bức xạ mặt trời chiếu tới Bên cạnh đó nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ trên tấm pin [6] Đặc tính phát công suất của tấm pin quang điện được biểu diễn bằng công thức (1).
PPV : Công suất của pin mặt trời (W)
P rs : Công suất định mức của tấm pin mặt trời (W)
P p : Phí đầu tư một tấm pin mặt trời ($)
Cmain-PV : Chi phí bảo trì hàng năm ($/năm)
R ref : Bức xạ mặt trời sinh ra công suất max (W/m 2 )
N T : Hệ số công suất nhiệt
T C : Nhiệt độ tế bào quang điện ( o C)
Tref : Nhiệt độ tiêu chuẩn ( o C)
T air : Nhiệt độ không khí ( o C)
NOCT : Nhiệt độ hoạt động bình thường của tế bào quang điện ( o C)
Mô hình kinh tế
3.2.1 Chi phí hiện tại ròng (NPC)
Tổng chi phí hiện tại ròng (NPC) [7] của một hệ thống là giá trị hiện tại của tất cả các chi phí xảy ra trong suốt thời gian tồn tại của nó, trừ đi giá trị hiện tại của tất cả doanh thu mà hệ thống kiếm được trong suốt thời gian tồn tại [8] Các chi phí liên quan là chi phí vốn, chi phí thay thế, chi phí vận hành và bảo dưỡng và chi phí nhiên liệu.
, : Tổng chi phí hàng năm của hệ thống
CRF : Hệ số thu hồi vốn i: Lãi suất chiết khấu thực
: Thời gian tồn tại của dự án
Hệ số thu hồi vốn (CRF) được sử dụng để tính giá trị hiện tại của một niên kim và được tính theo phương trình sau:
Trong đó, N đại diện cho số năm và i là lãi suất thực [%], còn được gọi là lãi suất chiết khấu thực Thời gian tồn tại của dự án được chọn là 25 năm, do đó N bằng 25 năm Lãi suất được sử dụng để chuyển đổi giữa chi phí một lần và chi phí hàng năm
3.2.2 Chi phí điện năng trung bình (Levelized Cost Of Energy - LCOE)
Chi phí điện năng trung bình (LCOE) là chi phí sản xuất điện hàng năm chia cho tổng điện năng LOCE được tính như sau
, : Tổng chi phí hàng năm của hệ thống
Mô hình tối ưu hệ thống
Hàm mục tiêu của bài toán là chi phí hiện tại ròng (NPC) thấp nhất sao cho thỏa mãn được các ràng buộc Chi phí hiện tại ròng là giá trị hiện tại của tổng chi phí trừ đi các khoản thu.
AC Gas = B Diesel (t) x giá diesel (10)
• Chi phí đầu tư hàng năm:
Chi phí đầu tư hàng năm là chi phí được quy ra hàng năm của tổng chi phí đầu tư trong suốt toàn bộ thời gian dự án, có xét đến sự thay đổi của dòng tiền Chi phí đầu tư hàng năm được tính bằng cách tính toán chi phí hiện tại ròng (C NPC ), sau đó nhân với hệ số thu hồi vốn (CRF) bằng công thức sau:
CACC = CRF.CNPC (11) Ởđây, chi phí hiện tại ròng CNPC bao gồm chi phí của tấm pin quang điện CPV, chi phí đầu tư pin lưu trữ C Batt , chi phí đầu tư bộ chuyển đổi C Conv và chi phí đầu tư và nhiên liệu cho máy phát diesel.
Chi phí hiện tại ròng: C NPC = C PV + C Batt + C Conv + C Diesel
Chi phí đầu tư tấm pin quang điện: C PV = P p x N PV
Chi phí đầu tư pin lưu trữ: C Batt = P Batt x N Batt x k =0,10
(1 + j) k Chi phí đầu tư bộ chuyển đổi: C Conv = P Conv x N Conv x k =0,10
Chi phí đầu tư và nhiên liệu cho máy phát diesel.
Trong đó các hệ số P được hiểu là chi phí đầu tư cho một bộ thiết bị, N là số lượng mỗi bộ thiết bị, k là năm phải đầu tư mới thiết bị với những thiết bị có tuổi thọ nhỏ hơn vòng đời của dự án.
• Chi phí bảo trì và mua điện hàng năm:
Chi phí bảo trì hàng năm C AMC là chi phí bỏ ra từng năm cho nhiệm vụ bảo trì từng thiết bị Trong mô hình hệ thống ta xét đến chi phí bảo trì của tấm pin quang điện Bên cạnh đó, năng lượng thiếu cung cấp cho phụ tải ΔE được mua từ lưới với giá c=0.100$/kWh Điện thừa bán cho lưới với giá c‘=0.05$/kWh.
Giá nhiên liệu dầu diesel được tính 1$/L
Những ràng buộc là hạn chế về cân bằng điện, hạn chế về sạc và xả của pin, hạn chế năng lượng phát và nhận từ lưới điện, hạn chế kỹ thuật của máy phát điện, lượng khí được thải ra môi trường
- Ràng buộc về cân bằng công suất:
- Ràng buộc về lượng khí thải được thải ra môi trường:
Giới thiệu phần mềm HOMER
Hybrid Optimization Model for Electric Renewable (HOMER) là phần mềm tối ưu hóa lai của nhiều thiết bị tái tạo điện là phần mềm do Phòng năng lượng tái tạo quốc gia Hoa Kỳ (NREL) thiết kế và phát triển để hỗ trợ tính toán, thiết kế, tối ưu hóa kinh tế, kỹ thuật của các mô hình năng lượng tái tạo (kể cả năng lượng không tái tạo).
Phần mềm vi xử lý HOMER Pro® của HOMER Energy là tiêu chuẩn toàn cầu để tối ưu hóa thiết kế microgrid trong tất cả các lĩnh vực, từ các tiện ích làng và đảo đến các cơ sở quân sự và cơ sở dân sự Homer Pro, hoặc HOMER (Tối ưu hóa lai của nhiều thiết bị tái tạo điện), đơn giản hóa nhiệm vụ đánh giá thiết kế cho cả hệ thống điện ngoài lưới và lưới điện Khi bạn thiết kế một hệ thống điện, bạn phải đưa ra nhiều quyết định về cấu hình của hệ thống, chẳng hạn như:
• Thành phần nào là tốt nhất cho hệ thống này?
• Có bao nhiêu và kích thước của mỗi thành phần là hiệu quả nhất?
Số lượng lớn các lựa chọn công nghệ, sự thay đổi về chi phí và sự sẵn có của các nguồn năng lượng làm cho những quyết định này trở nên khó khăn Các thuật toán phân tích độ nhạy và tối ưu hóa của HOMER giúp việc đánh giá nhiều cấu hình hệ thống có thể dễ dàng hơn.
Hình 13: Hình ảnh minh hoạ phần mềm Homer Pro 3.4.1 Sử dụng HOMER Để sử dụng HOMER, ta chọn và nhập thông tin bên dưới nút Thiết kế để cung cấp mô hình với các yếu tố đầu vào, bao gồm các thành phần (ví dụ, máy phát điện, gió và năng lượng mặt trời), chi phí thành phần và tính khả dụng của tài nguyên Ta cũng có thể thêm các thành phần, tài nguyên và tải mới dưới nút Thư viện.
Khi nhấp vào nút Calculate, HOMER sử dụng các đầu vào này để mô phỏng các cấu hình hệ thống khác nhau hoặc kết hợp các thành phần và tạo kết quả mà bạn có thể xem dưới dạng danh sách các cấu hình khả thi được sắp xếp theo chi phí hiện tại ròng (NPC) trong nút Kết quả HOMER cũng hiển thị kết quả mô phỏng trong nhiều bảng và biểu đồ khác nhau giúp bạn so sánh cấu hình và đánh giá chúng về giá trị kinh tế và kỹ thuật của chúng Ta có thể xuất các bảng và biểu đồ để sử dụng trong các báo cáo và bản trình bày.
Bên cạnh đó, có thể tiếp tục sử dụng mô hình để thực hiện phân tích độ nhạy để khám phá những tác động thay đổi trong các yếu tố, chẳng hạn như nguồn lực sẵn có và điều kiện kinh tế, có thể có hiệu quả về chi phí của các cấu hình hệ thống khác nhau Để thực hiện phân tích độ nhạy, bạn cung cấp cho HOMER các giá trị độ nhạy mô tả một loạt các tính khả dụng của nguồn lực và chi phí thành phần. HOMER mô phỏng từng cấu hình hệ thống bằng cách sử dụng phạm vi giá trị Ta có thể sử dụng kết quả phân tích độ nhạy để xác định các yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến thiết kế và vận hành hệ thống điện Ta cũng có thể sử dụng kết quả phân tích độ nhạy của HOMER để trả lời các câu hỏi chung về các tùy chọn công nghệ để thông báo cho các quyết định về lập kế hoạch và chính sách.
3.4.2 Cách hoạt động của HOMER
HOMER mô phỏng các hệ thống năng lượng, cho thấy các cấu hình hệ thống được tối ưu hóa theo chi phí và cung cấp các phân tích độ nhạy.
HOMER mô phỏng hoạt động của một hệ thống bằng cách tính toán cân bằng năng lượng trong mỗi bước thời gian (khoảng thời gian) của năm Đối với mỗi bước thời gian, HOMER so sánh nhu cầu điện và nhiệt trong bước thời gian đó với năng lượng mà hệ thống có thể cung cấp trong bước thời gian đó và tính toán dòng năng lượng đến và đi từ từng thành phần của hệ thống Đối với các hệ thống bao gồm pin hoặc máy phát điện chạy bằng nhiên liệu, HOMER cũng quyết định từng bước làm thế nào để vận hành máy phát điện và có tính phí hoặc xả pin hay không.
HOMER thực hiện các tính toán cân bằng năng lượng này cho mỗi cấu hình hệ thống mà bạn muốn xem xét Sau đó, nó xác định xem cấu hình có khả thi hay không, (ví dụ,liệu nó có thể đáp ứng nhu cầu điện theo các điều kiện mà bạn chỉ định) hay không và ước tính chi phí lắp đặt và vận hành hệ thống trong suốt thời gian tồn tại của dự án Các tính toán chi phí hệ thống tính toán các chi phí như vốn, thay thế, vận hành và bảo trì, nhiên liệu và lãi suất.
HOMER Pro có hai thuật toán tối ưu hóa Thuật toán tìm kiếm lưới ban đầu mô phỏng tất cả các cấu hình hệ thống khả thi do Không gian tìm kiếm xác định. HOMER Optimizer® mới sử dụng thuật toán độc quyền phát sinh để tìm kiếm hệ thống ít tốn kém nhất HOMER sau đó sẽ hiển thị một danh sách các cấu hình, được sắp xếp theo chi phí hiện tại ròng (đôi khi được gọi là chi phí vòng đời), mà bạn có thể sử dụng để so sánh các tùy chọn thiết kế hệ thống.
Khi bạn xác định các biến nhạy cảm làm đầu vào, HOMER lặp lại quy trình tối ưu hóa cho từng biến độ nhạy mà bạn chỉ định Ví dụ, nếu bạn xác định tốc độ gió dưới dạng biến nhạy, HOMER mô phỏng cấu hình hệ thống cho phạm vi tốc độ gió mà bạn chỉ định.
HOMER đơn giản hóa nhiệm vụ thiết kế các hệ thống phát tán phân tán (DG) - cả trên và ngoài lưới Các thuật toán phân tích độ nhạy và tối ưu hóa của HOMER cho phép bạn đánh giá tính khả thi về mặt kinh tế và kỹ thuật của một số lượng lớn các tùy chọn công nghệ và tính đến các biến đổi về chi phí công nghệ và tính sẵn có của nguồn năng lượng Làm việc hiệu quả với HOMER đòi hỏi phải hiểu ba khả năng cốt lõi của nó; phân tích mô phỏng, tối ưu hóa và độ nhạy và cách chúng tương tác.
3.4.6 Cách nhập số liệu Đầu tiên, chúng ta phải nhập thông tin cho hệ thống (hệ thống bao gồm những thành phần nào, khai báo từng thành phần và các yếu tố đầu vào của thành phần đó) Sau đó sử dụng nút Calculate tại phần mềm, khi đó HOMER sẽ sử dụng các đầu vào này để mô phỏng các cấu hình hệ thống khác nhau hoặc kết hợp các thành phần và tạo kết quả mà người dùng có thể xem dưới dạng danh sách các cấu hình khả thi được sắp xếp theo các chi phí hiện tại ròng trong nút Kết quả.
PHÂN TÍCH KINH TẾ KỸ THUẬT TÍNH TOÁN DUNG LƯỢNG TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CUNG CẤP
Tổng quan về hiện trạng lưới điện Hà Nội và khu công nghiệp Quang Minh 38 1 Hiện trạng hệ thống điện thành phố Hà Nội
4.1.1 Hiện trạng hệ thống điện thành phố Hà Nội
Hà Nội nằm ở trung tâm vùng Đồng bằng sông Hồng, tiếp giáp với 8 tỉnh: Thái Nguyên ở phía Bắc; Bắc Giang-phía Đông Bắc; Bắc Ninh, Hưng Yên-phía Đông; Hà Nam ở phía Nam; Hòa Bình-Tây Nam; Phú Thọ-phía Tây; Vĩnh Phúc-phía Bắc Hà Nội là Thủ đô của nước CHXHCN Việt Nam, là trung tâm Chính trị Quốc gia, trung tâm lớn về văn hóa, khoa học, giáo dục, kinh tế và giao dịch quốc tế Với lợi thế về vị trí địa lý- chính trị, có lịch sử phát triển lâu đời, Hà Nội luôn giữ vai trò quan trọng nhất của đất nước, có sức hút và tác động rộng lớn đối với Quốc gia và khu vực Bắc
Bộ Hà Nội đồng thời còn là hạt nhân phát triển của Vùng Kinh tế trọng điểm phía Bắc và Vùng Hà Nội Thủ đô Hà Nội ngày nay có đặc thù cơ bản là thành phố được mở rộng địa giới hành chính bao gồm tỉnh Hà Tây, huyện Mê Linh tỉnh Vĩnh Phúc và 4 xã thuộc huyện Lương Sơn tỉnh Hòa Bình Năm 2020, Hà Nội có dân số 8,25 triệu người (niên giám thống kê 2020), diện tích tự nhiên 3.358,6km 2 , mật độ dân số 2.456 người/km 2 Về Hành chính, TP Hà Nội có 30 quận, huyện, thị xã bao gồm:
- 12 quận: Hoàn Kiếm, Hai Bà Trưng, Ba Đình, Đống Đa, Tây Hồ, Thanh Xuân, Cầu Giấy, Nam Từ Liêm, Bắc từ Liêm, Long Biên, Hoàng Mai, Hà Đông;
- 17 huyện: Gia Lâm, Thanh Trì, Đông Anh, Sóc Sơn, Ba Vì, Phúc Thọ, Thạch Thất, Đan Phượng, Hoài Đức, Quốc Oai, Chương Mỹ, Mỹ Đức, Ứng Hòa, Phú Xuyên, Thường Tín, Thanh Oai, Mê Linh;
Hà Nội cũng là trung tâm phụ tải lớn nhất khu vực phía Bắc năm 2021, tổng sản lượng điện tiêu thụ điện trên địa bàn Thành phố Hà Nội là: 20.674.886.901 kWh (tăng trưởng3,2% so với năm 2020) Công suất đỉnh năm 2021 là 4.725 (MW) vào lúc 14h00 ngày21/06/2021, sản lượng ngày lớn nhất đạt 97.941 (MWh) cùng ngày, đều rơi vào trong tháng 06 cao điểm nắng nóng mùa hè 2021 Cụ thể:
Bảng 4: Công suất và điện năng tại mùa hè năm 2021
Thông số Năm 2020 Năm 2021 So sánh
Giá trị Thời điểm Giá trị Thời điểm (%)
Lưới điện truyền tải TP Hà Nội có liên kết chặt chẽ với các trung tâm nguồn điện lớn khu vực phía Bắc: Tây Bắc từ NMTĐ Lai Châu, Sơn La và Hoà Bình, Đông Bắc từ NMNĐ Phả Lại, Uông Bí, Quảng Ninh, Hải Phòng và hướng Nam từ lưới điện 500kV liên kết với hệ thống điện miền Nam, tạo thành hệ thống truyền tải khép vòng kín với tâm là Hà Nội.
Các nhà máy cấp điện chính cho miền Bắc trong đó có thành phố Hà Nội thông qua hệ thống lưới điện truyền tải gồm:
- Phả Lại 1 công suất 4x110MW, trong đó 2 tổ máy phát công suất lên thanh cái 220kV, 2 tổ máy phát lên cả hai thanh cái 110kV và 220kV thông qua 2 máy biến áp tự ngẫu 2x250MVA.
- Phả Lại 2 công suất 2x300MW, cả hai tổ máy đều phát lên thanh cái 220kV.
- Thủy điện Hoà Bình, thuộc EVN, công suất đặt 1.920MW (8x240) MW, phát công suất lên thanh cái 220kV, nhà máy có nhiệm vụ phát điện và chống lũ cho vùng hạ du.
- Ngoài ra còn có các nhà máy điện ở các tỉnh lân cận hỗ trợ cấp điện cho TP Hà Nội như các nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh, Mông Dương, Thăng Long (tỉnh Quảng Ninh), thủy điện Sơn La, Lai Châu.v.v
• Các trạm nguồn 500 - 220kV cấp điện cho TP.Hà Nội
- Hiện tại thành phố Hà Nội được cấp điện từ 03 trạm 500/220kV với tổng công suất 5.400MVA là Thường Tín (2x900) MVA, Đông Anh (2x900MVA) và trạm Hiệp Hòa (2x900MVA)
- Ngoài ra còn được hỗ trợ cấp điện từ 4 đường dây 220kV thủy điện Hòa Bình đến Trên địa bàn Thành phố hiện có 13 trạm 220kV với tổng công suất lắp đặt là 6.875MVA.
• Lưới điện 110kV cấp điện cho TP.Hà Nội
Trên địa bàn Hà Nội có 54 TBA 110 kV với tổng công suất đặt là 7.312 MVA; trong đó: EVNHANOI quản lý 46 trạm/6.178MVA, EVNNPT quản lý 6 trạm/945 MVA và khách hàng quản lý 02 trạm/189 MVA Năm 2018, phần lớn các trạm tại khu vực nội thành (thuộc vùng phụ tải 1) đang phát triển vận hành đầy và quá tải Khu vực ngoại thành có một số trạm đã đầy tải và quá tải như: Trôi, Phúc Thọ, Sơn Tây, Phùng Xá, Thanh Oai, Thường Tín, Vân Đình Đặc biệt là các trạm biến áp 110kV thuộc vùng phụ tải 4 (vùng phụ tải phía Nam của thành phố), nhiều trạm biến áp đều đã đầy tải năm 2018 hoặc nguy cơ đầy tải trong tương lai gần
Bảng 5: Tình hình phụ tải khu vực
Phụ tải trên địa bàn TP Hà Nội có thể chia làm 4 vùng với mật độ và tốc độ tăng tưởng phụ tải khác nhau:
Vùng 1: Vùng trung tâm của Thành phố bao gồm các quận: Hai Bà Trưng, Hoàn Kiếm,Đống Đa, Hoàng Mai, Cầu Giấy, Ba Đình, Tây Hồ, Thanh Xuân, Bắc Từ Liêm, Nam TừLiêm, Hà Đông và huyện Thanh Trì (Hữu ngạn sông Hồng) Các quận nội thành thuộc vùng phụ tải 1 có quy hoạch ổn định, tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm thấp (bằng70% tốc độ tăng trưởng trung bình toàn thành phố) ngoại trừ quận Cầu Giấy, Hà Đông,Nam và Bắc Từ Liêm với quỹ đất lớn có tốc độ tăng trưởng gần bằng 11-13%/năm, các quận còn lại có tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm 6-6,5%/năm.
Vùng 2: Vùng phía bắc Thành phố, bao gồm 5 huyện Sóc Sơn, Đông Anh, Gia Lâm, Long Biên, Mê Linh (Tả ngạn sông Hồng) Vùng phụ tải 2 có tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm là 8,9%/năm Trong đó huyện Sóc Sơn, Mê Linh, Gia Lâm có tốc độ tăng trưởng trên 10%/năm Đây là những huyện công nghiệp đang phát triển của thành phố và có tốc độ đô thị hóa cao.
Vùng 3: phía tây Hà Nội, bao gồm thị xã Sơn Tây và 6 huyện phía Bắc Quốc lộ 6: Ba
Vì, Phúc Thọ, Đan Phượng, Hoài Đức, Thạch Thất, Quốc Oai (tỉnh Hà Tây cũ) Vùng phụ tải 3 có tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm là 14,1%/năm, trong đó huyện Thạch Thất có tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm > 20%/năm, ngoài thị xã Sơn tây có tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm 8,3%/năm, các huyện còn lại đều có tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm 11-13%/năm Do xuất phát điểm điện thương phẩm thấp hơn các huyện khác, giai đoạn trước có các khu cụm công nghiệp hình thành do đó tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm cao.
Vùng 4: phía nam và tây Nam Hà Nội, bao gồm 6 huyện phía Nam quốc lộ 6: Chương
Mỹ, Thanh Oai, Thường Tín, Phú Xuyên, Ứng Hoà, Mỹ Đức Vùng phụ tải 4 có tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm là 10,9%/năm Ngoài trừ hai huyện Thường Tín và Thanh Oai có tốc độ tăng trưởng dưới 9%/năm, các huyện còn lại đều có tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm cao từ 11-13%/năm.
Dự báo phụ tải theo từng vùng trong giai đoạn tới được thể hiện trong bảng 5:
Bảng 6: Dự báo phụ tải TP Hà Nội theo từng khu vực
STT Phân vùng phụ tải Phụ tải cực đại (MW)
4.1.2 Giới thiệu tổng quan về khu công nghiệp Quang Minh
Khu công nghiệp Quang Minh có tổng diện tích 344,4 ha có địa điểm tại huyện MêLinh, TP Hà Nội Chủ đầu tư Công ty TNHH Đầu tư và Phát triển Hạ tầng Nam Đức.
Phân tích độ nhạy và xét tính bất định
Nhu cầu sử dụng năng lượng nói chung cũng như điện năng nói riêng đang ngày càng tăng cao trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch thì ngày một cạn kiệt, vì vậy việc sử dụng năng lượng tái tạo được xem là xu hướng phát triển mạnh mẽ trên thế giới đặc biệt là ở Việt Nam, đất nước có tiềm năng về năng lượng tái tạo rất lớn.
Hệ thống năng lượng tái tạo có ưu điểm là có khả năng tái tạo, bền vững, thân thiện với môi trường nhưng có nhược điểm là dao động bất định, phụ thuộc nhiều vào thời tiết và giá thành cao Việc nghiên cứu tính toán tối ưu cho hệ thống năng lượng tái tạo đóng vai trò quan trọng trong việc ứng dụng năng lượng tái tạo vào Hệ thống điện. Trong luận văn này, tác giả đã mô phỏng và tính toán các mô hình đối với phụ tải công nghiệp Thông số phụ tải theo từng giờ trên được lấy dữ liệu của khu công nghiệp Quang Minh. Ởkhu vực nghiên cứu của tác giả, việc thu thập dữ liệu thời tiết là rất khó khăn, do đó tác giả buộc phải sử dụng năng lượng mặt trời tổng hợp hàng giờ dữ liệu được tạo bởi HOMER từ dữ liệu trung bình hàng tháng và có nguồn gốc từ cơ sở dữ liệu khí hậu của bộ dữ liệu khí tượng bề mặt của NASA Dữ liệu khí tượng trong một năm (phơi nắng và nhiệt độ) được xem xét tại khu công nghiệp Quang Minh, thành phố Hà Nội có khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, thời tiết chia làm bốn mùa rõ rệt, bức xạ đều ở mức thấp.
Mô hình mô phỏng bao gồm các thành phần: PV, bộ chuyển đổi, pin lưu trữ và máy phát diesel Sự kết hợp của các thành phần này rất phù hợp vì năng lượng mặt trời không khả dụng vào ban đêm, hệ thống pin lưu trữ cũng bị ràng buộc về dung lượng nạp và xả, để cung cấp điện liên tục cho phụ tải cần kết hợp máy phát điện diesel. Khi tăng chi phí nhiên liệu cho máy phát điện, dung lượng pin năng lượng mặt trời và dung lượng bộ lưu trữ cũng tăng theo khiến cho chi phí hiện tại ròng cho mô hình cũng tăng lên theo Khi giảm chi phí đầu tư của PV, dung lượng của PV tăng lên.
Do đặc tính khả dụng vào ban ngày của hệ thống pin mặt trời PV nên nguồn năng lượng tái tạo này thích hợp cho các phụ tải có đỉnh của đồ thị phụ tải rơi vào ban ngày. Nếu đỉnh của đồ thị phụ tải rơi vào ban đêm như trường hợp phụ tải sinh hoạt như ví dụ đã xét, cấu hình đòi hỏi cao hơn đối với phụ tải công nghiệp và chi phí hiện tại ròng cũng tăng lên.