Luận văn thạc sĩ nghiên cứu và mô phỏng ảnh hưởng của thiết bị bù công suất phản kháng với nhà máy điện gió nối lưới

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng thiết bị bù công suất phản kháng trong nhà máy điện gió nối lưới, phân tích hiệu quả và mô phỏng chi tiết.

• Tác giả: Phạm Thị Trà
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Minh
• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Mô Phỏng Ảnh Hưởng Của Thiết Bị Bù Công Suất Phản Kháng Trong Nhà Máy Điện Gió Nối Lưới
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐIỆN GIÓ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
• 1.1. Nhu cầu điện năng trên thế giới và xu hƣớng gia tăng tỉ trọng của năng lƣợng tái tạo
• 1.2. Bối cảnh điện gió trên thế giới và tại Việt Nam
• 1.2.1. Bối cảnh điện gió trên thế giới
• 1.2.2. Bối cảnh điện gió tại Việt Nam
• 1.3. Kết luận chƣơng 1
• 2. CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC TUABIN ĐIỆN GIÓ VÀ CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ NỐI LƯỚI
• 2.1. Cấu trúc tuabin điện gió
• 2.1.1. Rotor và cánh quạt
• 2.1.2. Hub trung tâm (Đùm)
• 2.1.3. Bộ phận kiểm soát năng lượng
• 2.1.4. Các thiết bị điện tử khác
• 2.2. Các thiết bị bù trong việc tích hợp nhà máy điện gió nối lƣới
• 2.2.1. Thiết bị bù tĩnh SVC
• 2.2.2. Thiết bị bù tĩnh đồng bộ STATCOM
• 2.2.3. So sánh hiệu suất giữa STATCOM và SVC
• 2.3. Kết luận chƣơng 2
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ NỐI LƯỚI VỚI THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
• 3.1. Các trƣờng hợp mô phỏng và kết quả
• 3.1.1. Điện áp lưới dao động
• 3.1.2. Sự cố ngắn mạch thoáng qua
• 3.1.3. Công suất tải địa phương thay đổi
• 3.2. Kết luận chƣơng 3

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu và mô phỏng thiết bị bù công suất phản kháng

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích và mô phỏng ảnh hưởng của thiết bị bù công suất phản kháng trong nhà máy điện gió nối lưới. Với sự gia tăng nhu cầu điện năng và xu hướng chuyển đổi sang năng lượng tái tạo, điện gió đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu này. Tuy nhiên, việc tích hợp nhà máy điện gió vào hệ thống lưới điện đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật để ổn định hệ thống, đặc biệt là việc sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng như SVC và STATCOM. Nghiên cứu này nhằm mục đích tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện gió thông qua việc mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các thiết bị bù.

1.1. Bối cảnh và mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trong bối cảnh nhu cầu điện năng toàn cầu tăng cao và sự chuyển dịch sang năng lượng tái tạo. Điện gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, nhưng việc tích hợp vào lưới điện gặp nhiều thách thức, đặc biệt là vấn đề công suất phản kháng. Mục tiêu của nghiên cứu là phân tích và mô phỏng hiệu ứng bù công suất của các thiết bị như SVC và STATCOM trong nhà máy điện gió nối lưới, từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng điện gió để đánh giá hiệu quả của các thiết bị bù công suất phản kháng. Các mô hình hệ thống điện gió được xây dựng và mô phỏng trong các tình huống khác nhau, bao gồm dao động điện áp, sự cố ngắn mạch và thay đổi công suất tải. Kết quả mô phỏng được phân tích để đánh giá hiệu quả của SVC và STATCOM trong việc ổn định hệ thống điện.

II. Cấu trúc và thiết bị bù công suất phản kháng trong nhà máy điện gió

Chương này tập trung vào việc phân tích cấu trúc tuabin điện gió và các thiết bị bù công suất phản kháng được sử dụng trong nhà máy điện gió nối lưới. Tuabin điện gió bao gồm các thành phần chính như rotor, cánh quạt, hub trung tâm và bộ phận kiểm soát năng lượng. Các thiết bị bù công suất phản kháng như SVC và STATCOM được sử dụng để điều chỉnh công suất phản kháng, giúp ổn định điện áp và cải thiện hiệu suất của hệ thống.

2.1. Cấu trúc tuabin điện gió

Tuabin điện gió là thành phần chính của nhà máy điện gió, bao gồm các bộ phận như rotor, cánh quạt, hub trung tâm và bộ phận kiểm soát năng lượng. Rotor và cánh quạt chịu trách nhiệm chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng cơ học, trong khi hub trung tâm và bộ phận kiểm soát năng lượng đảm bảo hiệu suất tối ưu của tuabin. Các thiết bị điện tử khác như máy phát điện và bộ biến đổi cũng đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng.

2.2. Thiết bị bù công suất phản kháng

Các thiết bị bù công suất phản kháng như SVC và STATCOM được sử dụng để điều chỉnh công suất phản kháng trong hệ thống điện gió. SVC là thiết bị bù tĩnh sử dụng thyristor để điều chỉnh công suất phản kháng, trong khi STATCOM là thiết bị bù đồng bộ sử dụng bộ biến đổi nguồn áp. Cả hai thiết bị đều có khả năng cải thiện ổn định điện áp và tăng hiệu suất của hệ thống điện gió.

III. Mô phỏng hệ thống điện gió với thiết bị bù công suất phản kháng

Chương này trình bày kết quả mô phỏng điện gió với sự tích hợp của các thiết bị bù công suất phản kháng. Các tình huống mô phỏng bao gồm dao động điện áp, sự cố ngắn mạch và thay đổi công suất tải. Kết quả cho thấy STATCOM có hiệu quả cao hơn SVC trong việc ổn định điện áp và cải thiện hiệu suất của hệ thống. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp tối ưu hóa công suất để nâng cao hiệu quả của nhà máy điện gió nối lưới.

3.1. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng điện gió cho thấy STATCOM có khả năng ổn định điện áp tốt hơn so với SVC trong các tình huống dao động điện áp và sự cố ngắn mạch. STATCOM cũng thể hiện hiệu quả cao hơn trong việc điều chỉnh công suất phản kháng, giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống điện gió. Các kết quả này khẳng định vai trò quan trọng của thiết bị bù công suất phản kháng trong việc tích hợp nhà máy điện gió vào lưới điện.

3.2. Đề xuất tối ưu hóa

Dựa trên kết quả mô phỏng, nghiên cứu đề xuất các giải pháp tối ưu hóa công suất để nâng cao hiệu quả của nhà máy điện gió nối lưới. Các giải pháp bao gồm việc sử dụng kết hợp STATCOM và SVC để tận dụng ưu điểm của cả hai thiết bị, cũng như điều chỉnh các thông số kỹ thuật để đảm bảo ổn định điện áp và tối đa hóa hiệu suất của hệ thống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu điện năng toàn cầu đang tăng trưởng mạnh mẽ, với mức tăng 5,4% trong năm 2021, đánh dấu tốc độ tăng nhanh nhất kể từ năm 2010. Trong nửa đầu năm 2022, tổng nhu cầu điện năng đạt khoảng 13.393 TWh, tăng so với 13.004 TWh cùng kỳ năm trước. Điện gió, một trong những nguồn năng lượng tái tạo chủ lực, đã đóng góp 8% tổng sản lượng điện toàn cầu, tương đương 1.102 TWh, vượt qua năng lượng mặt trời với 5% (619 TWh). Tại Việt Nam, tiềm năng điện gió được đánh giá rất lớn với tổng công suất tiềm năng lên đến hơn 500 GW, trong khi công suất điện gió hiện tại chỉ đạt dưới 4 GW. Việt Nam đã trở thành thị trường năng lượng gió lớn nhất Đông Nam Á với hơn 3.360 MW công suất điện gió mới được xây dựng vào cuối năm 2021.

Tuy nhiên, việc tích hợp các nhà máy điện gió vào lưới điện quốc gia gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc điều chỉnh công suất phản kháng và ổn định điện áp. Các tuabin gió thường không đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về điều khiển điện áp và công suất phản kháng, do đó cần thiết phải sử dụng các thiết bị bù công suất phản kháng như SVC (Static Var Compensator) và STATCOM (Static Synchronous Compensator).

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu và mô phỏng ảnh hưởng của thiết bị bù công suất phản kháng đối với nhà máy điện gió nối lưới, nhằm đánh giá hiệu quả của các thiết bị này trong việc ổn định điện áp và cải thiện chất lượng điện năng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình một hệ thống điện gió nối lưới có sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng, với thời gian thực hiện từ tháng 10/2021 đến tháng 5/2023. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ tích hợp điện gió, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn, ổn định cho hệ thống điện quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

1. Lý thuyết về tuabin điện gió và cấu trúc hệ thống điện gió: Bao gồm các khái niệm về cấu tạo tuabin gió (tháp, rotor, cánh quạt, hub, máy phát điện), nguyên lý hoạt động và các phương pháp điều khiển năng lượng như stall control và pitch control. Các khái niệm về công suất tác dụng, công suất phản kháng và vai trò của các thiết bị điện tử trong tuabin gió cũng được phân tích.

2. Lý thuyết về thiết bị bù công suất phản kháng FACTS: Tập trung vào hai thiết bị chính là SVC và STATCOM. Khái niệm công suất phản kháng, nguyên lý hoạt động, cấu tạo và hệ thống điều khiển của hai thiết bị này được trình bày chi tiết. So sánh hiệu suất, đặc tính V-I, thời gian đáp ứng, khả năng điều khiển công suất tác dụng và chi phí giữa SVC và STATCOM cũng được phân tích.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: công suất phản kháng, điểm kết nối hệ thống (PCC), vòng lặp khóa pha (PLL), điều chế độ rộng xung (PWM), hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS), khả năng vượt qua điện áp cao/thấp (HVRT/LVRT).

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Thu thập và thống kê số liệu: Tổng hợp dữ liệu về nhu cầu điện năng toàn cầu, sản lượng điện gió, tiềm năng điện gió tại Việt Nam, cũng như các thông số kỹ thuật của tuabin gió và thiết bị bù công suất phản kháng.

• Xây dựng mô hình mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink để xây dựng mô hình hệ thống điện gió nối lưới tích hợp thiết bị bù công suất phản kháng. Mô hình bao gồm nguồn điện 3 pha 2500 MVA, máy biến áp, đường dây 18 km, nhà máy điện gió công suất 6 MW (2 tuabin 3 MW), phụ tải địa phương và thiết bị bù công suất phản kháng (STATCOM hoặc SVC) công suất định mức 3 MVAr.

• Phân tích và mô phỏng các trường hợp: Thực hiện mô phỏng các tình huống điện áp lưới dao động, sự cố ngắn mạch thoáng qua và thay đổi công suất tải địa phương để đánh giá hiệu quả của thiết bị bù trong việc ổn định điện áp và cân bằng công suất phản kháng.

• Phân tích kết quả: So sánh các thông số điện áp, công suất tác dụng và công suất phản kháng tại điểm đấu nối (PCC) trong các trường hợp có và không có thiết bị bù, cũng như giữa hai loại thiết bị SVC và STATCOM.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình hệ thống điện gió với 2 tuabin, được lựa chọn để phản ánh đặc điểm vận hành thực tế của nhà máy điện gió quy mô vừa và nhỏ. Phương pháp phân tích mô phỏng cho phép đánh giá chi tiết ảnh hưởng của thiết bị bù trong các điều kiện vận hành khác nhau, phù hợp với mục tiêu nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của thiết bị bù công suất phản kháng đến điện áp tại điểm đấu nối (PCC)

   • Khi không có thiết bị bù, điện áp tại PCC giảm từ 0,96 pu xuống 0,82 pu trong sự cố, sau đó tăng lên 0,98 pu do nhà máy điện gió bị ngắt.
   • Sử dụng STATCOM, điện áp giảm nhẹ hơn, từ 0,98 pu xuống 0,86 pu và nhanh chóng phục hồi về 0,98 pu sau sự cố.
   • Sử dụng SVC, điện áp giảm từ 0,98 pu xuống 0,84 pu và cũng phục hồi về 0,98 pu.
     Như vậy, thiết bị bù giúp hạn chế sự sụt giảm điện áp và duy trì kết nối nhà máy điện gió với lưới điện trong suốt quá trình sự cố.

2. Ảnh hưởng đến công suất tác dụng tại PCC

   • Trước sự cố, công suất tác dụng duy trì ở mức +2 MW trong cả ba trường hợp.
   • Sau sự cố, khi không có thiết bị bù, công suất tác dụng giảm xuống -4 MW, thể hiện sự mất ổn định.
   • Khi sử dụng STATCOM hoặc SVC, công suất tác dụng vẫn duy trì ổn định ở +2 MW sau sự cố.
     Điều này cho thấy thiết bị bù giúp duy trì công suất tác dụng ổn định, góp phần nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

3. Hiệu quả điều chỉnh công suất phản kháng

   • STATCOM có khả năng cung cấp công suất phản kháng lớn và ổn định ngay cả khi điện áp lưới thấp, nhờ công nghệ biến đổi nguồn áp VSC.
   • SVC có hiệu suất hạn chế hơn trong điều kiện điện áp thấp do đặc tính tuyến tính của cuộn kháng và tụ điện điều khiển bằng thyristor.
   • Thời gian đáp ứng của STATCOM nhanh hơn SVC, giúp cải thiện khả năng vượt qua sự cố và ổn định điện áp nhanh chóng.

4. So sánh kích thước và chi phí

   • STATCOM có kích thước nhỏ gọn hơn nhưng chi phí đầu tư và tổn thất vận hành cao hơn so với SVC.
   • SVC có chi phí thấp hơn và tổn thất thấp nhưng kém linh hoạt và hiệu quả trong điều kiện điện áp biến động mạnh.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng là cần thiết để đảm bảo ổn định điện áp và công suất trong hệ thống điện gió nối lưới. STATCOM thể hiện ưu thế vượt trội về khả năng điều chỉnh công suất phản kháng và thời gian đáp ứng nhanh, phù hợp với các hệ thống điện gió có yêu cầu kỹ thuật cao và biến động điện áp lớn. SVC vẫn là lựa chọn kinh tế cho các hệ thống có điều kiện vận hành ổn định hơn.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với báo cáo của ngành điện về hiệu quả của thiết bị FACTS trong việc nâng cao chất lượng điện năng và ổn định hệ thống. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp cần cân nhắc giữa chi phí đầu tư, hiệu quả vận hành và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dao động điện áp, công suất tác dụng và công suất phản kháng tại điểm đấu nối trong các trường hợp khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của thiết bị bù.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai lắp đặt thiết bị STATCOM tại các nhà máy điện gió quy mô lớn

   • Mục tiêu: Tăng cường khả năng điều chỉnh công suất phản kháng và ổn định điện áp.
   • Thời gian: Ưu tiên trong 2-3 năm tới.
   • Chủ thể thực hiện: Các nhà đầu tư và đơn vị vận hành hệ thống điện.

2. Sử dụng SVC cho các nhà máy điện gió quy mô nhỏ và vừa

   • Mục tiêu: Giảm chi phí đầu tư trong khi vẫn đảm bảo ổn định hệ thống.
   • Thời gian: Áp dụng ngay trong các dự án mới.
   • Chủ thể thực hiện: Các nhà phát triển dự án và cơ quan quản lý.

3. Nâng cao năng lực nghiên cứu và phát triển công nghệ thiết bị bù công suất phản kháng

   • Mục tiêu: Tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí thiết bị.
   • Thời gian: Liên tục trong 5 năm tới.
   • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ.

4. Hoàn thiện quy định kỹ thuật và tiêu chuẩn kết nối lưới điện cho nhà máy điện gió

   • Mục tiêu: Đảm bảo các nhà máy điện gió đáp ứng yêu cầu về công suất phản kháng và ổn định điện áp.
   • Thời gian: Trong vòng 1-2 năm tới.
   • Chủ thể thực hiện: Bộ Công Thương, Trung tâm Điều độ hệ thống điện Quốc gia.

5. Đầu tư nâng cấp hệ thống truyền tải và lưu trữ năng lượng

   • Mục tiêu: Giải quyết các hạn chế về lưới điện, tăng khả năng tiếp nhận năng lượng tái tạo.
   • Thời gian: Kế hoạch dài hạn 5-10 năm.
   • Chủ thể thực hiện: Các công ty truyền tải điện và nhà nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện

   • Lợi ích: Hiểu sâu về cấu trúc tuabin gió, thiết bị bù công suất phản kháng và mô phỏng hệ thống điện gió.
   • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, luận văn thạc sĩ, tiến sĩ.

2. Các kỹ sư vận hành và quản lý hệ thống điện

   • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ mới trong điều khiển công suất phản kháng và ổn định điện áp cho hệ thống điện gió.
   • Use case: Ứng dụng trong vận hành, bảo trì và nâng cấp hệ thống điện.

3. Các nhà đầu tư và phát triển dự án năng lượng tái tạo

   • Lợi ích: Đánh giá hiệu quả đầu tư thiết bị bù công suất phản kháng, lựa chọn công nghệ phù hợp.
   • Use case: Lập kế hoạch đầu tư, thiết kế dự án điện gió.

4. Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách năng lượng

   • Lợi ích: Cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, chính sách hỗ trợ phát triển điện gió.
   • Use case: Xây dựng quy định, chính sách phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị bù công suất phản kháng là gì và tại sao cần thiết cho nhà máy điện gió?
   Thiết bị bù công suất phản kháng như SVC và STATCOM giúp điều chỉnh công suất phản kháng, ổn định điện áp và cải thiện chất lượng điện năng. Nhà máy điện gió thường không tự điều chỉnh được công suất phản kháng nên cần thiết bị này để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điện.

2. Sự khác biệt chính giữa SVC và STATCOM là gì?
   STATCOM sử dụng công nghệ biến đổi nguồn áp VSC, cho phép điều chỉnh công suất phản kháng nhanh và hiệu quả hơn, đặc biệt trong điều kiện điện áp thấp. SVC sử dụng thyristor điều khiển cuộn kháng và tụ điện, có chi phí thấp hơn nhưng hiệu suất và khả năng điều khiển kém hơn.

3. Làm thế nào để mô phỏng ảnh hưởng của thiết bị bù công suất phản kháng trong hệ thống điện gió?
   Mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm Matlab-Simulink, xây dựng mô hình hệ thống điện gió nối lưới với các thành phần như nguồn điện, máy biến áp, đường dây, phụ tải và thiết bị bù. Các trường hợp sự cố và biến động điện áp được mô phỏng để đánh giá hiệu quả thiết bị.

4. Thiết bị bù công suất phản kháng có ảnh hưởng như thế nào đến công suất tác dụng của nhà máy điện gió?
   Thiết bị bù giúp duy trì công suất tác dụng ổn định trong các điều kiện sự cố và biến động điện áp, tránh hiện tượng mất ổn định và ngắt kết nối nhà máy điện gió khỏi lưới điện.

5. Việt Nam có tiềm năng phát triển điện gió như thế nào?
   Việt Nam có tiềm năng điện gió lớn nhất khu vực Đông Nam Á với tổng công suất tiềm năng ước đạt hơn 500 GW. Tuy nhiên, công suất điện gió hiện tại mới đạt dưới 4 GW, còn nhiều thách thức về hạ tầng lưới điện và chính sách cần được giải quyết để phát triển bền vững.

Kết luận

• Điện gió là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, đóng góp ngày càng lớn vào nhu cầu điện năng toàn cầu và Việt Nam.
• Các thiết bị bù công suất phản kháng như STATCOM và SVC là giải pháp kỹ thuật thiết yếu để đảm bảo ổn định điện áp và công suất phản kháng trong hệ thống điện gió nối lưới.
• Mô phỏng cho thấy STATCOM vượt trội hơn SVC về khả năng điều chỉnh công suất phản kháng và thời gian đáp ứng, phù hợp với các hệ thống điện gió có yêu cầu cao.
• Việc lựa chọn thiết bị bù cần cân nhắc giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí đầu tư, đồng thời hoàn thiện các quy định kỹ thuật và chính sách hỗ trợ.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế thiết bị bù tại các nhà máy điện gió, nâng cao nghiên cứu công nghệ và hoàn thiện hạ tầng lưới điện để phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

Kêu gọi hành động: Các nhà nghiên cứu, kỹ sư và nhà đầu tư cần phối hợp chặt chẽ để ứng dụng hiệu quả các thiết bị bù công suất phản kháng, góp phần thúc đẩy phát triển ngành điện gió tại Việt Nam và toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐIỆN GIÓ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1. Nhu cầu điện năng trên thế giới và xu hƣớng gia tăng tỉ trọng của năng lƣợng tái tạo Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh của công nghệ và nhu cầu năng lượng, cũng như ưu tiên các hoạt động ứng phó với biến đổi khí hậu, năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng gió nói riêng được xem là một trong những giải pháp quan trọng nhất nhằm giảm biến đổi khí hậu toàn cầu. Do tình hình khan hiếm tài nguyên năng lượng hóa thạch, chiến tranh (khu vực Trung Đông, Nga - Ukraina,.) khiến giá cả của năng lượng hóa thạch biến động mạnh,. các nước bắt đầu quan tâm hơn đến phát triển năng lượng sạch, đặc biệt là năng lượng gió.

Chuyển đổi sang năng lượng sạch và năng lượng tái tạo là một giải pháp cần thiết để đạt được các Mục tiêu Phát triển Bền vững (về năng lượng sạch và giá cả phải chăng) đến năm 2030 do Liên hợp quốc đề ra. Nhu cầu điện năng trên thế giới tăng trở lại, với mức tăng 5,4%, năm 2021 chứng kiến tốc độ tăng trưởng nhu cầu nhanh nhất kể từ năm 2010 do nhiều nền kinh tế tiên tiến đã phục hồi trở lại mức trước đại dịch Covid-19 sau khi bị ảnh hưởng vào năm 2020. Nửa đầu năm 2022, tổng nhu cầu điện năng trên toàn cầu đạt 13.393 TWh, tăng từ mức 13.004 TWh trong cùng kỳ năm ngoái [1]. So với nhu cầu điện trên thế giới vào năm 2021 được đáp ứng chủ yếu khoảng 59% phát điện bằng than, năm 2022 điện sản xuất từ hóa thạch trên toàn cầu chỉ tăng 4 TWh, từ 7.998 TWh trong nửa đầu năm 2021 lên 8.002 TWh trong cùng kỳ năm 2022 trong đó điện than giảm 36 TWh (-1%), khí đốt giảm 1 TWh (-0,05%), các loại nhiên liệu hóa thạch khác (chủ yếu là dầu mỏ) tăng 34 TWh (+14%).

Hình 1-1: Biểu đồ sản lượng điện năng từ các nguồn năng lượng đáp ứng nhu cầu điện năng nửa đầu năm 2022 [1] 4 Tổng sản lượng điện được sản xuất từ năng lượng tái tạo trên toàn cầu tăng thêm 416 TWh lớn hơn nhu cầu điện năng gia tăng toàn cầu 389 TWh. Tổng cộng, năng lượng tái tạo đã tạo ra 28% điện năng toàn cầu trong nửa đầu năm 2022 (3.802 TWh), tăng từ mức 26% (3.387 TWh) trong cùng kỳ năm 2021, nhu cầu điện năng gia tăng trên toàn cầu được đáp ứng toàn bộ từ năng lượng tái tạo nên không cần phát điện bổ sung từ nhiên liệu hóa thạch [1]. Nếu như trong nửa đầu năm 2022, giảm được việc sản xuất điện từ các nhiên liệu hóa thạch, thì sang nửa cuối năm 2022, lượng tiêu thụ than và khí đốt lại tăng vào tháng 7 và tháng 8 được thể hiện như biểu đồ hình 1-2 [1]. Điều này xảy ra do tình trạng hạn hán kéo dài ở Trung Quốc, dẫn đến các thủy điện bị ảnh hưởng, không đáp ứng được nhu cầu điện năng tăng cao ở Trung Quốc.

Bên cạnh đó, ở thị trường Châu Âu, việc sản xuất điện hạt nhân vẫn đang giảm đáng kể, do tình trạng mất điện kéo dài ở Pháp, còn ở Đức định đóng cửa các nhà máy điện hạt nhân để ứng phó với khủng hoảng năng lượng. Hình 1-2: Biểu đồ sản lượng điện năng từ các nguồn năng lượng trong từng tháng năm 2022 [1] Từ tháng 1 đến tháng 8 cho thấy điện than tăng 1% (+63 TWh) và điện khí đốt tăng 1,6% (+63 TWh) cũng như sản lượng dầu tăng 14% ( +57 TWh) so với cùng kỳ năm ngoái, dẫn đến lượng khí thải CO2 của ngành điện toàn cầu tăng 1,7% (133 Mt) trong thời gian từ tháng 1 đến tháng 8, so với cùng kỳ năm ngoái [1]. Chúng ta đang kỳ vọng sản lượng do năng lượng sạch cung cấp sẽ đáp ứng tất cả sự gia tăng nhu cầu điện năng, từ đó ngăn chặn sự gia tăng nhiên liệu hóa thạch 5 trong ngành điện, tuy nhiên nhìn vào số liệu gia tăng trong tháng 7 và tháng 8, khiến cho mục tiêu này trong năm 2022 là không khả thi. Tăng trưởng phát thải trái ngược hẳn với những gì cần thiết cho việc hướng tới mục tiêu giữ cho mức tăng nhiệt độ toàn cầu ở ngưỡng 1,5 độ C.

Hình 1-3: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi hàng năm trong sản xuất điện trên toàn cầu [1] Hình 1-4: Biểu đồ phát thải của ngành điện qua các năm [1] 6 Sản lượng gió toàn cầu tăng 14% vào năm 2021, tăng 227 TWh lên 1. Sản lượng gió tăng 175 TWh (19%) trên toàn cầu trong nửa đầu năm 2022. Đây là mức tăng trưởng % cao nhất so với cùng kỳ các năm trước. Năng lượng gió tạo ra 8% điện năng toàn cầu tương ứng với 1.102 TWh, cao hơn cả năng lượng mặt trời tạo ra được 5% điện năng toàn cầu tương đương 619 TWh trong nửa đầu năm 2022.

Sự gia tăng đột phá của sản lượng điện gió là nhờ sự phát triển mạnh của điện gió ngoài khơi, nếu như trước đây chỉ phụ thuộc vào sản lượng từ các trang trại điện gió trên bờ, hiện nay các trang trại điện gió ngoài khơi với quy mô công suất lắp đặt lớn, hệ số công suất tuabin trung bình của các dự án điện gió ngoài khơi đạt gần 50%, lớn hơn hệ số công suất tuabin của các dự án lắp đặt trên bờ chỉ khoảng 35%. Tuabin hiện đại trên bờ sản xuất trung bình 3TWh điện một năm cho mỗi GW được lắp đặt; tuabin gió ngoài khơi hiện đại trung bình 4,4TWh mỗi năm. Ưu điểm chính của năng lượng gió ngoài khơi là khả năng tạo ra điện cao hơn vì tốc độ gió trên đại dương thường ổn định hơn và mạnh hơn so với trên đất liền, không giới hạn các địa điểm ngoài khơi để triển khai trang trại điện gió vì không ảnh hưởng đến khu dân cư. Bên cạnh đó nhờ có những tiến bộ gần đây trong công nghệ gió ngoài khơi giúp giảm chi phí vốn, lắp đặt và vận hành.

Sản lượng điện từ gió cần tăng gấp 4 lần vào năm 2030, từ 7% sản lượng điện toàn cầu vào năm 2021 lên 21% vào năm 2030. Điều đó có nghĩa là duy trì mức tăng trưởng hàng năm là 18%; tăng trưởng năm ngoái là 14% và trung bình là 15% trong mười năm qua [1]. Hiện nay đã có 130 nước trên thế giới phát triển điện gió. Tổng công suất điện gió của thế giới tăng nhanh trong khoảng 1 thập kỷ gần đây, đến năm 2020 tổng công suất lên tới 733 GW cao gần gấp hai lần so với năm 2011[2].

Kể từ năm 2010, hơn một nửa tổng lượng điện gió mới đã được bổ sung bên ngoài các thị trường truyền thống là Châu Âu và Bắc Mỹ, chủ yếu là do sự bùng nổ liên tục ở Trung Quốc và Ấn Độ. Trung Quốc dẫn đầu về sản lượng điện gió của năm 2021. 65% tăng trưởng sản xuất điện gió toàn cầu vào năm 2021 là ở Trung Quốc (tỷ trọng cao nhất trước đây của Trung Quốc là 37% tăng trưởng toàn cầu vào năm 2020). Trung Quốc đã thêm 148 TWh, bằng với toàn bộ nhu cầu điện của Argentina.

Các nước ở châu Âu cũng đạt kỷ lục mới về tỷ lệ lắp đặt trang trại điện gió mới trong năm 2021, mặc dù chứng kiến mức sản xuất điện gió giảm vào năm 2020 do tốc độ gió kém [3]. Bất chấp mức tăng ấn tượng đối với năng lượng tái tạo nhưng vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch trong việc sản xuất điện để đáp ứng nhu cầu điện năng trên toàn cầu. Có những dấu hiệu cho thấy sự thay đổi, với những cam kết 7 ngày càng tăng đối với các nền kinh tế về vấn đề khử carbon và giải quyết ô nhiễm, nhưng cần phải có những hành động tăng tốc để đáp ứng các mục tiêu năng lượng bền vững. Với những con số thể hiện nhu cầu điện năng trên toàn cầu cần được đáp ứng, cũng như lượng phát thải của ngành điện, điện gió đang ngày càng được kỳ vọng trở thành nguồn cung cấp điện chính để giải quyết nhu cầu điện năng và có vai trò quan trọng để đạt được mức độ phát thải bằng không.

Bối cảnh điện gió trên thế giới và tại Việt Nam 1. Bối cảnh điện gió trên thế giới Ngành công nghiệp điện gió trên thế giới đang đạt được những kết quả khởi sắc liên tiếp từ năm 2019 đến năm 2021. Tổng công suất điện gió mới được bổ sung trên toàn thế giới vào năm 2021 là 93,6 GW, chỉ thấp hơn 1,8% so với kỷ lục năm 2020, nâng tổng công suất điện gió lắp đặt lên 837 GW, tăng 12,4% so với năm 2020. Mặc dù công suất lắp đặt mới trong thị trường điện gió trên bờ đã giảm xuống còn 72,5 GW vào năm 2021, nhưng đây vẫn là năm cao thứ hai trong lịch sử.

Thị trường điện gió ngoài khơi đã có một năm kỷ lục với hơn 21 GW nối lưới, gấp ba lần so với năm trước, khiến năm 2021 trở thành năm cao nhất từ trước đến nay [4]. Hình 1-5: Biểu đồ tổng công suất điện gió lắp đặt mới hàng năm [4] 8 Nhờ sự tăng trưởng đáng kinh ngạc của việc lắp đặt ở các trang trại điện gió ngoài khơi ở Trung Quốc và điện gió trên bờ ở Việt Nam, Châu Á Thái Bình Dương tiếp tục dẫn đầu về phát triển điện gió toàn cầu với thị phần vào năm 2021 gần bằng với năm 2020. Được thúc đẩy bởi một năm kỷ lục về lắp đặt điện gió trên bờ, Châu Âu đã giành lại danh hiệu thị trường khu vực lớn thứ hai với tổng công suất là 19% cho các lắp đặt mới, riêng công suất lắp đặt tại khu vực Bắc Mỹ là 14%. Khu vực Châu Mỹ Latinh; Châu Phi và Trung Đông cũng có một năm kỷ lục về số lượt lắp đặt mới vào năm 2021 với thị phần toàn cầu lần lượt đạt 6% và 2%, nhưng hai khu vực này vẫn giữ nguyên vị trí như năm trước.

Hình 1-6: Công suất lắp đặt điện gió mới theo vùng và thị phần của năm khu vực hàng đầu [4] Năm thị trường hàng đầu thế giới về sản lượng lắp đặt mới vào năm 2021 là Trung Quốc, Mỹ, Brazil, Việt Nam và Vương quốc Anh. Năm thị trường này cộng lại chiếm 75,1% tổng lượng lắp đặt trên toàn cầu vào năm 2021, thấp hơn 5,5% so với năm 2020, chủ yếu là do Trung Quốc và Hoa Kỳ mất tổng cộng 10% thị phần so với 2020, được thể hiện như hình 1-6.