CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Khi mà chúng ta đã quá quen thuộc về nguồn năng lượng lấy từ tài nguyên thiên nhiên thì có lẽ việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo còn khá là mới mẻ. Năng lượng tái tạo đang bùng nổ và dần thay thế hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch, mang lại lợi ích cực cao trong việc giảm thải lượng khí carbon và các loại ô nhiễm khác. Năng lượng tái tạo là năng lượng được tạo ra từ các quá trình tự nhiên và liên tục được bổ sung. Nguồn tự nhiên này bao gồm ánh sáng mặt trời, địa nhiệt, gió, thủy triều, nước và các dạng sinh khối khác nhau.
Nguồn năng lượng này không bị cạn kiệt và không ngừng được tái sinh… 2017 5.60% Nhiệt điện than 3.30% Nhiệt điện dầu Nhiệt điện khí gas Diesel, thuỷ điện nhỏ và 34.30% năng lượng tái tạo Nhập khẩu 2020 Thuỷ điện 0.83% Nhiệt điện than 11.23% Nhiệt điện dầu+Nhiệt 29.98% điện khí gas 12.75% Điện mặt trời nối lưới 12.78% Điện mặt trời áp mái 31.10% Điện sinh khối Nhập khẩu Hình 1: Tỉ trọng công suất lắp đặt nguồn điện năm 2017 và 2020 (nguồn EVN Report) 8 1. 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]. • Quang điện mặt trời 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 án Tích 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 9 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. 10 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 và Israel. 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 Ban Nha) 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 11 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 là Tây 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 12 Hình 5: Công nghệ làm mát bằng năng lượng mặt trời 1.
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. 13 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) 14 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).