Pin mặt trời trên mái nhà: Hiện tại và tương lai với góc nhìn từ Nhật Bản

Bài viết nhằm cung cấp những kết quả đạt được và định hướng trong tương lai của hệ thống pin mặt trời trên mái nhà (rooftop solar) của Nhật Bản. Bài viết này trình bày tổng hợp những kết quả của việc phát triển hệ thống năng lượng mặt trời đồng thời nêu ra dự báo phát triển lưới phân phối trong thời gian tới dựa trên quá trình phát triển của thị trường Nhật Bản.

202 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 PIN MẶT TRỜI TRÊN MÁI NHÀ: HIỆN TẠI VÀ TƯƠNG LAI VỚI GĨC NHÌN TỪ NHẬT BẢN Nguyễn Phúc Khải (1),(2), Võ Ngọc Điều (1) (1) Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TPHCM (2) Viện Kỹ thuật Shibaura, Tokyo, Nhật Bản Tóm tắt: Bài viết nhằm cung cấp kết đạt định hướng tương lai hệ thống pin mặt trời mái nhà (rooftop solar) Nhật Bản Kể từ thảm họa kép động đất - sóng thần cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima vào năm 2011, Chính phủ Nhật Bản có nhiều thành cơng việc chuyển đổi hệ thống lượng hướng đến nguồn lượng lượng gió lượng mặt trời Trong đó, lượng mặt trời tăng cơng suất từ 5,000 MW năm 2011 lên 25,000 MW năm 2014 hứa hẹn tiến triển thời gian tới Phần lượng đóng góp từ mái nhà dự báo đóng góp phần lớn sản lượng lượng mặt trời Song song với đó, việc phát triển hệ thống Internet vạn vật (Internet of things - IoT) mang đến liên kết hệ thống phát điện nhỏ IoT để tạo hệ thống Internet of Energy – IoE Bài báo trình bày tổng hợp kết việc phát triển hệ thống lượng mặt trời đồng thời nêu dự báo phát triển lưới phân phối thời gian tới dựa trình phát triển thị trường Nhật Bản I GIỚI THIỆU Năng lượng mặt trời nguồn lượng tái tạo phát triển mạnh mẽ năm gần Tại Việt Nam, Bộ Công thương nhóm nghiên cứu CIEMAT tiến hành đánh giá tiềm năng lượng mặt trời Việt Nam [1] Kết cho thấy, tiềm năng lượng mặt trời thu từ hệ thống pin mặt trời vào khoảng 0.8 – 1.2 GWh/năm Trong đó, tỉnh ven biển miền Trung, Tây Nguyên, Tây Bắc, Đông Nam Bộ Đồng sơng Cửu Long có khả phát triển hệ thống pin mặt trời Bên cạnh đó, Nhật Bản quốc gia phát triển có diện tích dân số tương đương với Việt Nam, có nhiều thay đổi sách lượng kể từ sau thảm họa hạt nhân Fukushima 2011 [2] Nhật Bản trọng phát triển hệ thống pin mặt trời với nhiều dạng dự án khác Trong trình phát triển đó, nhiều học việc phát triển lượng mặt trời đúc kết Bài viết nhằm tổng hợp thông tin việc phát triển lượng mặt trời Nhật Bản thời gian định hướng tương lai Bên cạnh đó, với phát triển khoa học máy tính hệ thống IoT, viết giới thiệu mơ hình lưới phân phối tương ứng với phát triển hệ thống pin mặt trời mái nhà (rooftop) Bài viết chia làm phần Phần hai viết giới thiệu sách lượng PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 203 điện Nhật Bản trước sau cố điện hạt nhân Fukushima Phần đề xuất mơ hình lưới điện phân phối Cuối tổng kết II CHÍNH SÁCH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CỦA NHẬT TRƯỚC VÀ SAU SỰ CỐ FUKUSHIMA Trước cố Fukushima Trước cố Fukushima, Nhật Bản chưa đặt trọng tâm việc phát triển lượng vào lĩnh vực lượng tái tạo Tỷ lệ lượng tái tạo (bao gồm thủy điện) tăng từ 3.5% vào năm 1990 lên 4.6% vào năm 2012 Đến năm 1999, Nhật Bản ghi nhận lượng mặt trời để phát điện với công suất 209 MW Theo hình 1, vào giai đoạn năm 2000, Nhật Bản trọng phát triển lượng hạt nhân, khí thiên nhiên than, giảm thiểu việc sử dụng dầu chi phí đắt đỏ Hình 1: Sản lượng sản xuất điện phân chia theo nguồn lượng Nhật Bản [3] Bên đó, việc tham gia Nghị định thư Kyoto 1997, Nhật Bản hoạch định chiến lược giảm lượng khí thải CO2 cách tăng cường sử dụng lượng hạt nhân Theo “Luật Cơ sở sách lượng” phiên năm 2010, Nhật Bản dự kiến xây dựng thêm 14 nhà máy điện hạt nhân đến năm 2030, nhà máy hoàn thành vào năm 2020 nâng tổng số nhà máy điện hạt nhân lên 54 nhà máy Khi đó, với chiến lược phát triển dựa vào lượng hạt nhân, Nhật Bản kỳ vọng giảm 30% lượng CO2 so với năm 1999, đồng thời lượng hạt nhân chiếm 50% tổng sản lượng điện sản xuất [2] Sau cố Fukushima Nhật Bản buộc phải dừng tất nhà máy điện hạt nhân toàn quốc đỉnh điểm năm 2014 hình thay sách lượng tái tạo “Renewable Energy Act” Để kích thích sức đầu tư vào lĩnh vực lượng tái tạo, đặc biệt lượng mặt trời, Nhật Bản cam kết giá mua điện 10 năm lượng mặt trời 44 204 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 yên/kWh (tương đương 44 cent/kWh) mức giá cao giới thời điểm Kết quả, cơng suất lắp đặt lượng mặt trời tăng trưởng vượt bậc hẳn so với lượng gió biomass hình Electricity generation by Nuclear 350 Production (TWh) 300 288.2 250 200 150 100 61.8 50 15.9 9.3 2012 2013 2014 10.6 2011 2015 2016 Hình 2: Sản lượng điện từ lượng hạt nhân giai đoạn 2011 – 2016 [4] Installed Capacity of Renewables in Japan 35000 Installed Capacity (MW) 30000 25000 20000 15000 10000 5000 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 PV Wind Biomass Hình 3: Cơng suất lắp đặt nguồn lượng tái tạo Nhật Bản [4] Tuy nhiên, thật Nhật Bản khơng hồn tồn thành cơng việc thúc đẩy việc sử dụng lượng mặt trời Kết khảo sát từ năm 2012 đến năm 2014, bảng 1, PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 205 cho thấy tỷ lệ thực dự án lượng mặt trời thương mại đạt tỷ lệ thấp mức 13.8%, lượng mặt trời công suất nhỏ (dưới 10 kW) lại đạt tỷ lệ lắp đặt cao (82.7%) Mặc dù kỳ vọng cao, nhiên dự án lượng mặt trời công suất lớn thực nhiều lý khác Trước hết thay đổi sách Chính phủ việc hỗ trợ nguồn lượng tái tạo Giá mua điện cam kết Chính phủ ấn định hàng năm giảm dần qua năm, hình Bên cạnh đó, nguồn lượng hóa thạch giảm giá năm gần nên Nhật Bản tăng cường sử dụng nguồn lượng hóa thạch tái khởi động nhà máy điện hạt nhân để đảm bảo nhu cầu sử dụng điện Khó khăn thứ hai dự án lượng mặt trời công suất lớn việc bồi hoàn đất để thực dự án Qua khảo sát cho thấy, 672 dự án với tổng công suất lắp đặt dự kiến GW khơng thể mua th đất để thực Ngồi ra, dự án lượng mặt trời lớn khó ký kết hợp đồng với công ty điện lực nhỏ Nhật Kyushu, Hokkaido, Tohoku Shikoku Nguyên nhân chủ yếu lượng mặt trời có tính bất ổn định cao hịa lưới làm giảm tính ổn định hệ thống [2] Tuy nhiên, sách lượng tái tạo thật kích thích đầu tư người dân vào hệ thống lượng mặt trời mái nhà Rõ ràng, hệ thống rooftop khắc phục hạn chế dự án lượng mặt trời lớn nhờ giảm chi phí th đất đồng thời khơng cần thiết phải ký kết với công ty điện lực địa phương Bảng So sánh dự án lượng tái tạo Nhật Bản giai đoạn 2012 – 2014 [5] Công nghệ Công suất lắp đặt trước năm 2012 (MW) Dự án chấp thuận (MW) Dự án triển khai (MW) Tỷ lệ triển khai (%) Năng lượng mặt trời công suất nhỏ (dưới 10 kW) 700 000 480 82.7 Năng lượng mặt trời công suất lớn 900 66 340 150 13.8 Năng lượng gió 600 230 110 8.9 Thủy điện nhỏ (dưới 30 MW) 600 320 30 9.4 Biomass 300 1310 90 6.9 Địa nhiệt 500 10 0 20 600 72 210 11 860 Tổng cộng Từ 2012 - 2014 206 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Feed-in tariff for non-household solar PV 45 42 40 (yen/kWh) 35 32 30 24 25 19 20 15 10 2012 2014 2016 2019 (planned) Hình 4: Giá điện cam kết mua điện cho dự án lượng mặt trời [2], [6] Định hướng tương lai Năm 2014, hệ thống rooftop Chính phủ Nhật cơng nhận nhân tố trọng điểm tương lai Trong đó, phần lượng tiết kiệm từ rooftop dự báo chiếm 17% tổng lượng điện tiêu thụ vào năm 2030, nguồn lượng mặt trời từ dự án lớn chiếm 7% [4] Trong “Tầm nhìn dài hạn nguồn nhu cầu lượng” Quốc hội Nhật Bản phê duyệt vào tháng năm 2014, với giả định kinh tế tăng trưởng bình quân 1.7%/năm, nhu cầu sử dụng điện Nhật Bản vào năm 2030 vào khoảng 1278 tỷ KWh Trong đó, 196.1 tỷ kWh (chiếm 17%) nguồn lượng tiết kiệm lượng tái tạo nói chung chiếm 19 đến 20% hình PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 207 Hình 5: Tầm nhìn dài hạn cung cấp điện Nhật Bản đến năm 2030 [4] III MƠ HÌNH INTERNET OF ENERGY CHO LƯỚI PHÂN PHỐI Việc đẩy mạnh phát triển hệ thống rooftop tạo điều kiện phát điện cho hộ tiêu thụ Mơ hình dự báo thay đổi cấu trúc lưới điện phân phối Thông thường lưới điện phân phối có cấu trúc gồm máy biến áp phân phối điện trực tiếp cho phát tuyến hình Với phát triển thiết bị điện tử công suất, máy biến áp truyền thống thay đổi máy biến áp kiểu Solid-State Transformer (SST) hình Từ tần số lưới 50/60 Hz, qua biến đổi cơng suất, dịng điện nâng lên tần số cao khoảng vài kHz, nhờ máy biến áp SST linh động điện áp đầu ra, vừa cấp điện cho tải AC vừa cấp điện cho tải DC (VD: loại xe điện,…), đồng thời đáp ứng u cầu trả cơng suất thừa lưới hình Trong mơ hình lưới phân phối mới, hệ thống điện cần đảm bảo kết nối nhiều nguồn lượng nhỏ lẻ, hộ vừa đơn vị tiêu thụ vừa đơn vị phát điện Bên cạnh lưới điện phân phối, thiết bị điện tử cơng suất liên kết với qua đường dây truyền tín hiệu hệ thống Internet vạn vật (IoT) Hình 6: Sơ đồ sợi cho lưới phân phối giả định 208 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Hình 7: Cấu trúc Solid-State Transformer Hình 8: Sơ đồ lưới điện phân phối sử dụng Solid-State Transformer [7] IV KẾT LUẬN Kể từ sau cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima, Nhật Bản tích cực triển khai biện pháp đẩy mạnh việc sử dụng lượng mặt trời Thông qua sách hỗ trợ kinh tế, dự án lượng mặt trời có nhiều bước tiến triển vượt bậc Tuy nhiên, nhiều lý khác nhau, dự án lượng mặt trời công suất lớn khơng triển khai đầy đủ Thay vào đó, dự án rooftop cho thấy tính linh hoạt với chi phí đầu tư thấp nhờ tiết kiệm chi phí thuê đất Định hướng tương lai, rooftop chiếm khoảng 17% tổng sản lượng điện tiêu thụ Bên cạnh đó, phát triển hệ thống rooftop dự báo làm thay đổi cấu trúc lưới phân phối kết hợp với hệ thống IoT để tăng tính hiệu PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 209 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Polo, J., Bernardos, A., Martínez, S., & Peruchena, C F (2015) Maps of solar resource and potential in Vietnam [2] Kuramochi, T (2015) Review of energy and climate policy developments in Japan before and after Fukushima Renewable and Sustainable Energy Reviews, 43, 13201332 [3] IEA (2013), Oil & Gas Security Emergency Response of IEA countries: Japan [4] EDMC (2016), Handbook of Japan’s and World Energy & Economic Statistics [5] METI FIT facility approval statistics (as of March 2014) Agency of Natural Resource and Energy (ANRE), Ministry of Economy, Trade and Industry (METI); 2014 [6] http://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/ saiene/kaitori/dl/setsubi/201312setsubi.pdf〉 [accessed May 25, 2017 [7] Ministry of Economy, Trade and Industry, “Opinion concerning the procurement price and procurement period from 2012 to 2016” [8] http://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saiene/kaitori/kakaku.html [9] She, X., Huang, A Q., & Burgos, R (2013) Review of solid-state transformer technologies and their application in power distribution systems IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 1(3), 186-198  ... đầu tư vào lĩnh vực lượng tái tạo, đặc biệt lượng mặt trời, Nhật Bản cam kết giá mua điện 10 năm lượng mặt trời 44 204 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 yên/kWh (tương đương... lượng điện tiêu thụ vào năm 2030, nguồn lượng mặt trời từ dự án lớn chiếm 7% [4] Trong “Tầm nhìn dài hạn nguồn nhu cầu lượng” Quốc hội Nhật Bản phê duyệt vào tháng năm 2014, với giả định kinh tế... đặt nguồn lượng tái tạo Nhật Bản [4] Tuy nhiên, thật Nhật Bản khơng hồn tồn thành cơng việc thúc đẩy việc sử dụng lượng mặt trời Kết khảo sát từ năm 2012 đến năm 2014, bảng 1, PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN