Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ điện năng tại Việt Nam ghi nhận tốc độ tăng trưởng bình quân khoảng 10% mỗi năm, đặt ra áp lực lớn đối với hệ thống an ninh năng lượng quốc gia. Trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống như than đá và dầu mỏ đang dần cạn kiệt, đồng thời là nguyên nhân chính phát thải hơn 30 Gigaton khí nhà kính trên quy mô toàn cầu, việc đẩy mạnh khai thác năng lượng tái tạo trở thành nhiệm vụ chiến lược cấp thiết. Nghị quyết 55-NQ/TW của Bộ Chính trị đã định hướng nâng tỷ trọng năng lượng tái tạo trong tổng cung năng lượng sơ cấp đạt 15% đến 20% vào năm 2030 và đạt 25% đến 30% vào năm 2045. Nhằm hiện thực hóa các cam kết quốc tế về giảm phát thải theo Thỏa thuận Paris, Quy hoạch điện VII điều chỉnh cũng xác định tỷ lệ điện năng sản xuất từ năng lượng tái tạo phải đạt 6,4% vào năm 2020 và tăng lên 10,7% vào năm 2030.

Nằm ở cực Bắc vùng Duyên hải Bắc Trung Bộ, tỉnh Thanh Hóa sở hữu nguồn tài nguyên bức xạ dồi dào với số giờ nắng trung bình đạt từ 1.900 đến 2.000 giờ mỗi năm. Mặc dù tiềm năng tổng thể rất lớn, mức độ phân bố cường độ bức xạ lại có sự chênh lệch rõ rệt theo từng khu vực địa hình và biến động mạnh theo các mùa trong năm. Mục tiêu nghiên cứu cốt lõi của luận văn là tiến hành đánh giá toàn diện tiềm năng lý thuyết và tiềm năng kỹ thuật của nguồn năng lượng mặt trời trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa, từ đó xây dựng hệ thống giải pháp sử dụng hợp lý, bền vững.

Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ 27 đơn vị hành chính cấp huyện thuộc tỉnh Thanh Hóa, dựa trên chuỗi dữ liệu khí tượng thủy văn chuẩn suốt 20 năm từ năm 1998 đến năm 2017 cùng hiện trạng phát triển nguồn điện đến năm 2020. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp luận cứ vững chắc để tối ưu hóa quy hoạch danh mục 4 dự án năng lượng mặt trời trọng điểm với tổng công suất 280 MW và tổng mức đầu tư 8.491 tỷ đồng, góp phần thúc đẩy chuyển dịch cơ cấu kinh tế xanh cho địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết bức xạ mặt trời và cân bằng nhiệt năng khí quyển. Bức xạ mặt trời chiếu tới giới hạn ngoài của khí quyển Trái Đất có giá trị trung bình xấp xỉ 1.368 W/m2. Khi xuyên qua các tầng khí quyển, khoảng 30% lượng bức xạ này bị phản xạ trở lại không gian bởi mây và sol khí, trong khi 70% còn lại được hấp thụ bởi bề mặt lục địa và đại dương. Luận văn vận dụng lý thuyết chuyển hóa quang năng thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện của vật liệu bán dẫn silic, kết hợp với lý thuyết phát triển năng lượng bền vững trong bối cảnh ứng phó biến đổi khí hậu toàn cầu.

Hệ thống khái niệm chuyên ngành then chốt được chuẩn hóa bao gồm: Cường độ bức xạ ngang toàn cầu (Global Horizontal Irradiance - GHI, tính bằng kWh/m2/năm); Tiềm năng lý thuyết phản ánh tổng năng lượng bức xạ tự nhiên chiếu xuống toàn bộ diện tích bề mặt địa hình; Tiềm năng kỹ thuật xác định phần năng lượng có thể khai thác khả thi sau khi đã loại trừ các rào cản về địa hình, môi trường sinh thái, hạ tầng dân cư và an ninh quốc phòng; và Tiêu chí vùng loại trừ không gian phục vụ việc sàng lọc vị trí lắp đặt hệ thống pin quang điện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của luận văn được thu thập từ chuỗi quan trắc liên tục 20 năm (giai đoạn 1998–2017) về số giờ nắng và cường độ bức xạ tại 5 trạm khí tượng thủy văn đại diện trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa. Dữ liệu không gian bao gồm mô hình số độ cao (DEM) độ phân giải chuẩn, bản đồ địa chính, hiện trạng sử dụng đất và quy hoạch mạng lưới truyền tải điện từ cấp điện áp 110 kV đến 500 kV. Phương pháp chọn mẫu quan trắc được thực hiện theo nguyên tắc toàn diện và đại diện địa lý, bao phủ đầy đủ các tiểu vùng sinh thái đặc trưng: vùng đồng bằng ven biển, vùng trung du và vùng núi cao phía Tây.

Phương pháp phân tích trọng tâm là sự kết hợp giữa công nghệ Hệ thông tin địa lý (GIS) và phân tích không gian đa tiêu chí (Spatial Multi-Criteria Evaluation). Lý do lựa chọn tổ hợp phương pháp này là vì GIS cho phép tích hợp, chồng xếp đa lớp dữ liệu không gian phức tạp và nội suy giá trị GHI một cách chính xác theo tọa độ thực địa. Đồng thời, công cụ này giúp thiết lập các vùng đệm tự động để bóc tách triệt để các khu vực cấm xây dựng như đất rừng đặc dụng, đất trồng lúa 2 vụ, di tích lịch sử văn hóa, vùng đệm an toàn sân bay, lưới điện cao thế và những sườn dốc địa hình có độ dốc vượt quá 15 độ. Từ đó, mô hình tính toán lượng hóa chính xác diện tích đất khả dụng thực tế để xác định tiềm năng kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả mô hình hóa không gian cho thấy tiềm năng lý thuyết năng lượng mặt trời tại tỉnh Thanh Hóa đạt mức khá cao, với giá trị cường độ bức xạ ngang toàn cầu (GHI) dao động trong khoảng từ 1.097 đến 1.499 kWh/m2/năm. Đáng chú ý, dải bức xạ từ 1.300 đến 1.400 kWh/m2/năm chiếm tỷ trọng áp đảo lên tới 81,55% tổng diện tích tự nhiên toàn tỉnh. Tiềm năng bức xạ cao nhất tập trung chủ yếu tại dải đồng bằng duyên hải ven biển phía Đông và các triền núi cao thuộc sườn phía Tây. Xét theo chu kỳ thời gian trong năm, năng lượng bức xạ tập trung dồi dào nhất vào giai đoạn từ tháng 4 đến tháng 11, trong đó các tháng đạt đỉnh là từ tháng 5 đến tháng 8; ngược lại, giai đoạn từ tháng 12 đến tháng 3 năm sau ghi nhận mức bức xạ thấp hơn khoảng 35% do ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc và sương mù.

Về tiềm năng kỹ thuật sau khi áp dụng ma trận 10 tiêu chí loại trừ không gian, diện tích đất thực sự khả dụng để phát triển các trang trại điện mặt trời mặt đất tập trung tại các huyện trung du và miền núi như Ngọc Lặc, Thường Xuân, Như Xuân và Như Thanh. Về thực trạng khai thác tính đến năm 2020, toàn tỉnh mới chỉ đưa vào vận hành thương mại thành công 1 nhà máy điện mặt trời tại huyện Yên Định với công suất thiết kế 30 MW, tổng mức đầu tư 810 tỷ đồng, hòa lưới điện quốc gia vào ngày 19/4/2019. Trong khi đó, dự án điện mặt trời Kiên Thọ tại huyện Ngọc Lặc quy mô 90 MW với tổng vốn 2.681 tỷ đồng vẫn đang bị đình trệ do vướng mắc giải phóng mặt bằng đối với 72 hộ dân và những thay đổi về khung chính sách giá điện. Đối với phân khúc phân tán, toàn tỉnh đã phát triển được hơn 300 hệ thống điện mặt trời mái nhà với tổng công suất lắp đặt đạt gần 1.000 kWp.

Thảo luận kết quả

Sự phân hóa rõ rệt của chỉ số GHI trên địa bàn tỉnh xuất phát từ tương quan giữa cấu trúc địa hình và hoàn lưu khí quyển khu vực. Vùng ven biển và sườn Tây đón nhận bức xạ trực xạ dồi dào nhờ độ mở không gian lớn và hiệu ứng phơn khô nóng trong mùa hè, trong khi khu vực đồng bằng trũng chịu tác động của độ che phủ mây cao hơn vào mùa xuân. So sánh với bức xạ bình quân toàn quốc (dao động từ 1.168 đến 2.045 kWh/m2/năm), tiềm năng của Thanh Hóa cao hơn từ 10% đến 15% so với phần lớn các tỉnh trung du miền núi phía Bắc, tương đồng với các tỉnh Bắc Trung Bộ, nhưng thấp hơn khoảng 20% đến 25% so với tâm điểm bức xạ tại vùng Nam Trung Bộ như Ninh Thuận và Bình Thuận.

Dữ liệu nghiên cứu của luận văn được tổng hợp và trực quan hóa sinh động thông qua hệ thống bản đồ chuyên đề GIS đa lớp, kết hợp cùng các biểu đồ diễn biến bức xạ 12 tháng tại 5 trạm quan trắc và bảng phân bổ ma trận diện tích khả dụng. Kết quả thảo luận khẳng định Thanh Hóa có đủ điều kiện tự nhiên để phát triển các tổ hợp điện mặt trời kết hợp nông nghiệp công nghệ cao và mô hình điện mặt trời nổi trên mặt hồ chứa thủy lợi lớn như hồ Cửa Đạt, Yên Mỹ và Sông Mực, với tiềm năng kỹ thuật ước tính đạt từ 40 MW đến 60 MW mà không làm tổn hại đến quỹ đất nông nghiệp quý giá.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả tính toán khoa học và rà soát rào cản thực tiễn, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm tối ưu hóa việc khai thác tài nguyên năng lượng mặt trời trên địa bàn tỉnh:

Thứ nhất, hoàn thiện quy hoạch không gian tích hợp và phê duyệt danh mục dự án ưu tiên. Ủy ban nhân dân tỉnh Thanh Hóa chủ trì, giao Sở Công Thương phối hợp với Sở Tài nguyên và Môi trường rà soát, tích hợp bản đồ tiềm năng kỹ thuật năng lượng mặt trời vào Quy hoạch tỉnh Thanh Hóa giai đoạn 2021–2030, tầm nhìn đến năm 2045. Mục tiêu là định hình rõ ranh giới quỹ đất sạch và mặt nước hồ thủy lợi cho danh mục dự án công suất 280 MW, hoàn thành việc công khai quy hoạch trong giai đoạn 2021–2023.

Thứ hai, nâng cấp hạ tầng lưới điện truyền tải và trạm biến áp. Tổng công ty Điện lực miền Bắc phối hợp cùng Công ty Điện lực Thanh Hóa đẩy nhanh tiến độ đầu tư xây dựng các xuất tuyến đường dây 110 kV và 220 kV tại các khu vực trọng điểm như Ngọc Lặc, Yên Định, Nghi Sơn. Mục tiêu đặt ra là giải tỏa 100% công suất phát điện của các nhà máy năng lượng tái tạo, triệt tiêu nguy cơ quá tải lưới cục bộ trong khung thời gian từ năm 2022 đến năm 2025.

Thứ ba, cải cách thủ tục hành chính và tháo gỡ điểm nghẽn giải phóng mặt bằng. Ủy ban nhân dân các huyện Ngọc Lặc, Như Thanh, Nông Cống thành lập tổ công tác liên ngành để giải quyết dứt điểm các vướng mắc đền bù đất đai cho 72 hộ dân tại dự án Kiên Thọ và các dự án liên quan. Cắt giảm tối thiểu 30% thời gian thẩm định hồ sơ chấp thuận chủ trương đầu tư, hoàn thành tái cấu trúc quy trình cấp phép trong giai đoạn 2021–2023.

Thứ tư, thúc đẩy phát triển điện mặt trời mái nhà và thu hút nguồn vốn đầu tư xã hội hóa. Ban Quản lý Khu kinh tế Nghi Sơn và các Khu công nghiệp ban hành cơ chế khuyến khích doanh nghiệp sản xuất lắp đặt hệ thống pin quang điện áp mái, phấn đấu đạt mục tiêu bổ sung tối thiểu 50 MWp điện mái nhà công nghiệp vào năm 2025. Đồng thời, chủ động xúc tiến các chương trình hợp tác quốc tế với các tổ chức phát triển để tiếp cận nguồn tín dụng xanh và công nghệ lưu trữ năng lượng hiện đại.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn đa chiều cho nhiều nhóm đối tượng:

Nhóm cơ quan hoạch định chính sách và quản lý nhà nước: Lãnh đạo và chuyên viên tại Sở Công Thương, Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Kế hoạch và Đầu tư, cùng Ủy ban nhân dân các cấp trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa có thể ứng dụng trực tiếp cơ sở dữ liệu GIS và bản đồ phân vùng tiềm năng để thẩm định dự án, xây dựng quy hoạch năng lượng sạch và quản lý hiệu quả tài nguyên đất đai.

Nhóm doanh nghiệp và chủ đầu tư phát triển dự án năng lượng: Các tập đoàn đầu tư trong và ngoài nước (nguồn vốn DDI và FDI), các đơn vị tổng thầu EPC tìm thấy trong luận văn bức tranh chi tiết về suất bức xạ thực địa, phân tích chi phí - lợi ích, ma trận vùng loại trừ địa hình và cơ chế pháp lý, giúp rút ngắn thời gian khảo sát tiền khả thi và giảm thiểu tối đa rủi ro pháp lý khi rót vốn đầu tư.

Nhóm nhà khoa học, giảng viên và sinh viên chuyên ngành: Các nghiên cứu sinh, học viên cao học thuộc các ngành Khoa học Môi trường, Quản lý Năng lượng, Địa lý tài nguyên và Kỹ thuật điện có thể sử dụng công trình này như một tài liệu tham khảo học thuật chuẩn mực về quy trình kết hợp mô hình DEM với thuật toán phân tích đa tiêu chí không gian để đánh giá tài nguyên thiên nhiên.

Nhóm doanh nghiệp sản xuất công nghiệp và cộng đồng dân cư: Các nhà máy trong khu công nghiệp và các hộ tiêu thụ điện lớn có thể tham khảo phương pháp tính toán hiệu suất quang điện để thiết kế lắp đặt hệ thống điện mặt trời tự dùng, giúp cắt giảm từ 20% đến 30% chi phí tiền điện hàng tháng và xây dựng hình ảnh doanh nghiệp xanh đạt chuẩn môi trường quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

Giá trị bức xạ mặt trời tại tỉnh Thanh Hóa có thực sự hiệu quả để đầu tư các dự án điện mặt trời thương mại quy mô lớn không? Có, giá trị bức xạ ngang toàn cầu GHI tại Thanh Hóa dao động từ 1.097 đến 1.499 kWh/m2/năm, với hơn 81,55% diện tích đạt trên 1.300 kWh/m2/năm và số giờ nắng từ 1.900 đến 2.000 giờ/năm. Thông số này hoàn toàn đáp ứng tốt các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế để vận hành hiệu quả các nhà máy điện mặt trời nối lưới.

Phương pháp GIS kết hợp mô hình số độ cao DEM mang lại lợi thế gì vượt trội so với các phương pháp đánh giá truyền thống? Sự kết hợp này cho phép tự động hóa quy trình phân tích không gian đa chiều, mô phỏng chính xác mức độ che khuất của địa hình và bóc tách hoàn toàn 10 nhóm vùng hạn chế như sườn dốc trên 15 độ, đất rừng phòng hộ, đất di tích văn hóa và hành lang bảo vệ lưới điện 500 kV, đảm bảo sai số tính toán tiềm năng kỹ thuật dưới 5%.

Những rào cản lớn nhất khiến các dự án điện mặt trời tại Thanh Hóa triển khai chậm hơn so với quy hoạch là gì? Hai rào cản chính được chỉ ra gồm: sự phức tạp trong công tác bồi thường giải phóng mặt bằng (điển hình như vướng mắc tại dự án 90 MW Kiên Thọ) và sự thay đổi trong cơ chế giá mua điện sau khi Quyết định 11/2017/QĐ-TTg hết hiệu lực chuyển sang Quyết định 13/2020/QĐ-TTg, khiến các nhà đầu tư phải tính toán lại bài toán tài chính.

Tiềm năng lắp đặt điện mặt trời nổi trên mặt nước tại các hồ thủy lợi ở Thanh Hóa được đánh giá ra sao? Các hồ thủy lợi lớn như hồ Cửa Đạt, Yên Mỹ và Sông Mực sở hữu diện tích mặt nước rộng lớn và ổn định, cho phép phát triển các cụm nhà máy điện mặt trời nổi với công suất ước tính từ 40 MW đến 60 MW. Mô hình này giúp tiết kiệm 100% diện tích đất nông nghiệp và tăng hiệu suất làm mát tấm pin thêm khoảng 10% đến 15%.

Việc phát triển năng lượng mặt trời đóng góp những lợi ích môi trường cụ thể nào cho địa phương? Khai thác nguồn quang năng giúp thay thế trực tiếp các nhà máy nhiệt điện than truyền thống, giảm hàng trăm nghìn tấn phát thải khí carbon dioxide mỗi năm, hạn chế phát tán tro xỉ bụi mịn và bảo vệ nguồn nước ngầm, đóng góp trực tiếp vào mục tiêu tăng trưởng xanh của tỉnh Thanh Hóa giai đoạn 2021–2030.

Kết luận

  • Luận văn đã xác lập bộ cơ sở dữ liệu khoa học chuẩn xác về chỉ số GHI từ 1.097 đến 1.499 kWh/m2/năm, khẳng định 81,55% diện tích tỉnh Thanh Hóa có tiềm năng bức xạ tốt để phát triển năng lượng mặt trời.
  • Ứng dụng thành công hệ phương pháp tích hợp GIS và DEM đa tiêu chí, bóc tách chính xác các vùng loại trừ để xác định bản đồ tiềm năng kỹ thuật và quỹ đất khả dụng phục vụ đầu tư.
  • Đánh giá toàn diện bức tranh thực tiễn giữa thành công của nhà máy Yên Định công suất 30 MW và các điểm nghẽn về mặt bằng, giá FIT của dự án 90 MW tại Ngọc Lặc.
  • Xây dựng hệ thống 4 nhóm giải pháp đồng bộ bao gồm quy hoạch không gian tích hợp, giải tỏa công suất lưới điện, đơn giản hóa thủ tục pháp lý và phát triển mô hình điện mặt trời mái nhà gắn liền mặt nước.
  • Đóng góp luận cứ quan trọng giúp địa phương thực hiện thắng lợi các mục tiêu tăng trưởng xanh và lộ trình nâng tỷ trọng năng lượng tái tạo lên 10,7% theo Quy hoạch điện quốc gia.

Về lộ trình các bước tiếp theo, giai đoạn 2021–2023 cần ưu tiên số hóa toàn bộ bản đồ quy hoạch năng lượng mặt trời lên hệ thống quản lý dữ liệu số của tỉnh và tháo gỡ dứt điểm vướng mắc mặt bằng các dự án tồn đọng; giai đoạn 2023–2025 tập trung hoàn thành nâng cấp lưới truyền tải điện và đẩy mạnh phát triển 50 MWp điện mặt trời áp mái công nghiệp. Các cơ quan quản lý, hiệp hội doanh nghiệp và nhà đầu tư cần chủ động khai thác các kết quả nghiên cứu của luận văn nhằm hiện thực hóa các dự án năng lượng sạch, kiến tạo động lực phát triển kinh tế bền vững cho tỉnh Thanh Hóa trong kỷ nguyên chuyển dịch năng lượng mới.