Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Năng lượng giữ vai trò là cơ sở hạ tầng thiết yếu và động lực phát triển kinh tế - xã hội của mỗi quốc gia. Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng điện năng tăng trưởng nhanh chóng phục vụ quá trình công nghiệp hóa. Tuy nhiên, hệ thống điện quốc gia phụ thuộc chủ yếu vào nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống (than đá, dầu mỏ và khí đốt). Cơ cấu này dẫn đến nguy cơ thiếu hụt nguồn cung do trữ lượng tài nguyên hóa thạch nội địa suy giảm, đồng thời gia tăng phát thải khí nhà kính và ô nhiễm môi trường. Cụ thể, khả năng cung cấp than trong nước cho sản xuất điện đến năm 2030 chỉ đáp ứng được khoảng 32,4% nhu cầu ở phương án cao và 28,35% ở phương án cơ sở (năm 2030 nhu cầu than cho nhiệt điện lên tới 171 triệu tấn trong khi khả năng cấp chỉ đạt 63 triệu tấn).

Mặc dù Việt Nam sở hữu tiềm năng năng lượng tái tạo (NLTT) phong phú và đa dạng, tỷ lệ khai thác trên thực tế còn rất thấp (năm 2014, NLTT chỉ chiếm 5,89% tổng công suất lắp đặt nguồn điện). Trong các Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia, đặc biệt là Quy hoạch điện VII (Quyết định số 1208/QĐ-TTg), cơ cấu nguồn điện từ NLTT mới chỉ đề cập chung hoặc tính toán cho hai nguồn chính là điện gió và điện sinh khối, các nguồn khác bị gộp chung vào một biến tổng hợp. Tỷ trọng này chưa tương xứng với tiềm năng thực tế, chưa đáp ứng các mục tiêu tại Chiến lược phát triển NLTT đến năm 2030, tầm nhìn 2050 (Quyết định số 2068/QĐ-TTg), Chiến lược quốc gia về tăng trưởng xanh (Quyết định số 1393/QĐ-TTg) và Cam kết cắt giảm phát thải khí nhà kính của Việt Nam tại Thỏa thuận Paris (COP21).

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án xác định là: thiếu vắng một mô hình tính toán quy hoạch nguồn điện thích hợp trong điều kiện số liệu năng lượng Việt Nam còn hạn chế, cho phép tách bạch và xác định chi tiết cơ cấu tối ưu cho từng loại hình NLTT cụ thể, đồng thời lượng hóa chi phí hệ thống và chi phí giảm phát thải khí nhà kính trong dài hạn.

Mục tiêu nghiên cứu và câu hỏi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm hai nội dung chính:

  1. Xây dựng mô hình xác định cơ cấu cụ thể nguồn điện từ NLTT trong Hệ thống điện Việt Nam thỏa mãn các ràng buộc đặt ra.
  2. Xác định chi phí nền kinh tế phải bỏ ra khi gia tăng cơ cấu nguồn điện từ NLTT trong Hệ thống điện.

Hệ thống câu hỏi nghiên cứu được luận án giải quyết bao gồm:

  1. Mô hình phù hợp có thể sử dụng để xác định cơ cấu tối ưu nguồn điện từ NLTT trong quy hoạch phát triển nguồn điện Việt Nam?
  2. Cơ cấu tối ưu nguồn điện từ NLTT của Việt Nam đến năm 2030 thỏa mãn các điều kiện ràng buộc theo từng kịch bản?
  3. Tổng chi phí cần thiết để đạt được cơ cấu tối ưu nguồn điện từ NLTT theo từng kịch bản được xây dựng?

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện và các nguồn năng lượng phục vụ phát điện tại Việt Nam; các mô hình toán học và công cụ phần mềm sử dụng trong quy hoạch nguồn điện; các chiến lược, chính sách và công nghệ sản xuất điện từ NLTT.
  • Phạm vi không gian: Toàn bộ Hệ thống điện quốc gia Việt Nam.
  • Phạm vi thời gian: Sử dụng chuỗi số liệu hiện trạng đến năm 2014 và thực hiện tính toán dự báo, quy hoạch giai đoạn 2015–2030.
  • Phạm vi công nghệ NLTT: Khảo sát và tính toán chi tiết cho 5 dạng nguồn NLTT gồm thủy điện nhỏ (công suất $\le 30\text{ MW}$), điện gió, điện mặt trời, điện sinh khối và điện địa nhiệt.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong nước

Luận án đã điểm luận các công trình nghiên cứu quy hoạch năng lượng và nguồn điện tại Việt Nam:

  • Ứng dụng mô hình STRATEGIST và PDPAT II: Được Viện Năng lượng sử dụng trong Quy hoạch điện VI và Quy hoạch điện VII (2011). STRATEGIST xác định công suất tối ưu hàng năm theo loại nhiên liệu, PDPAT II mô phỏng huy động tổ máy theo biểu đồ phụ tải. Các công trình này chỉ phân bổ riêng cho điện gió và điện sinh khối, các nguồn NLTT còn lại chưa được chi tiết hóa.
  • Ứng dụng mô hình WASP: Công trình nghiên cứu năm 1995 của Viện Năng lượng, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ quốc gia cùng Bộ môn Kinh tế Năng lượng (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) trong Quy hoạch điện IV, V, VI. Mô hình WASP tối thiểu hóa chi phí quy dẫn nhưng chưa tích hợp thành phần chi phí môi trường trong hàm mục tiêu và tính gộp các nguồn NLTT.
  • Ứng dụng mô hình EFOM-ENV: Nghiên cứu của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (2007) và Đề tài thuộc Chương trình trọng điểm Bộ Công nghiệp giai đoạn 2001–2005. Mô hình chia hệ thống năng lượng thành 5 ngành cung cấp và 5 ngành tiêu thụ. Hạn chế khi áp dụng tại Việt Nam là mô hình đòi hỏi dữ liệu dòng năng lượng hữu ích (Việt Nam chỉ có số liệu năng lượng cuối cùng), khí thải chỉ tính tổng quát và nguồn NLTT chưa được khảo sát chi tiết theo từng loại.
  • Ứng dụng mô hình MARKAL: Luận án tiến sĩ của Nguyễn Quốc Khánh (2005) nghiên cứu tối ưu hóa dài hạn hệ thống năng lượng Việt Nam giai đoạn 1995–2030. Nghiên cứu ấn định tỷ lệ NLTT cố định là 10% tổng nhu cầu năng lượng chứ chưa tối ưu hóa phân rã chuyên sâu cho khâu phát điện.

Các hướng nghiên cứu quốc tế

  • Wenjia Cai, Can Wang, Ke Wang, Ying Zhang, Jining Chen (2007): Sử dụng phần mềm LEAP đánh giá tiềm năng giảm phát thải $\text{CO}_2$ của ngành điện Trung Quốc giai đoạn 2000–2030 qua 3 kịch bản (cơ sở, chính sách hiện hành, chính sách mới). Nghiên cứu dừng lại ở mức độ mô phỏng theo dữ liệu định sẵn, chưa giải bài toán tối ưu hóa chi phí toàn hệ thống.
  • Nyun-Bae Park, Sun-Jin Yun, Eui-Chan Jeon (2013): Phân tích hệ thống điện Hàn Quốc đến năm 2050 bằng mô hình LEAP phiên bản 2008 với 6 dạng NLTT. Công trình thuần túy mô phỏng kịch bản, chưa kích hoạt mô-đun tối ưu hóa chi phí.
  • David Mora Fernando Alvarez (2012): Luận án tiến sĩ nghiên cứu hệ thống điện Colombia đến năm 2050, kết hợp LEAP (phiên bản 2009) để mô phỏng và chuyển kịch bản sang mô hình MESSAGE để tính tối ưu hóa. Luận án ghi nhận việc kết hợp hai phần mềm làm gia tăng độ phức tạp trong xử lý dữ liệu.
  • Ioannis Chatzipoulidis (2012): Luận văn thạc sĩ sử dụng LEAP tối ưu hóa cơ cấu nguồn điện cho khu vực Tây đảo Java (Indonesia) đến năm 2030 có áp trần phát thải 20 triệu tấn $\text{CO}_2$/năm. Nghiên cứu chỉ áp dụng cho một vùng lãnh thổ nhỏ, chưa mang tính chất quy hoạch cấp hệ thống điện quốc gia.

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án tận dụng tính năng tối ưu hóa mới (tích hợp thuật toán quy hoạch nguyên bộ phận/tuyến tính) trong mô hình LEAP để mô hình hóa độc lập 5 dạng nguồn NLTT tại Việt Nam. Luận án thiết lập mối liên kết giữa dự báo phụ tải theo phương pháp từ dưới lên (Bottom-up), cân bằng năng lượng sơ cấp và tối ưu hóa mở rộng nguồn điện có xét đến ràng buộc trần phát thải $\text{CO}_2$ và chi phí giảm phát thải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và cấu trúc quy hoạch nguồn điện

Quy hoạch hệ thống điện là bộ phận cốt lõi trong quy hoạch năng lượng quốc gia. Nhiệm vụ trọng tâm bao gồm: dự báo nhu cầu điện năng, xác định tỷ lệ tối ưu giữa các nguồn năng lượng sơ cấp (than, dầu, khí, thủy năng, hạt nhân, NLTT) và xác định tiến độ xây dựng các nhà máy điện nhằm cực tiểu hóa tổng chi phí hệ thống.

                    QUY HOẠCH NĂNG LƯỢNG
   QUY HOẠCH HỆ THỐNG ĐIỆN           QUY HOẠCH CÁC PHÂN NGÀNH
   - Dự báo phụ tải điện              (Than, Dầu khí, Năng lượng
   - Quy hoạch nguồn điện              mới & Tái tạo)
                    CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Các phương pháp toán học sử dụng trong quy hoạch nguồn điện

Luận án hệ thống hóa ba phương pháp toán học kinh điển:

  1. Phương pháp quy hoạch tuyến tính (Linear Programming - LP): Hàm mục tiêu và các ràng buộc có dạng tuyến tính: $$\min f(X) = \sum_{j=1}^{n} c_j x_j$$ Thỏa mãn: $\sum_{j=1}^{n} a_{ij} x_j \le b_i$ ($i = 1, \dots, m$) và $x_j \ge 0$. Ưu điểm là thuật toán giải tường minh, nghiệm chắc chắn và thời gian xử lý nhanh.
  2. Phương pháp quy hoạch phi tuyến (Non-linear Programming - NLP): Mô tả chính xác các đặc tính kỹ thuật không tuyến tính (chi phí đầu tư theo quy mô công suất, hàm tổn thất điện năng). Phương pháp giải sử dụng khai triển Taylor quanh điểm lặp $X^{(k)}$ để tuyến tính hóa từng bước: $$f(X) \approx f(X^{(k)}) + \sum \nabla f(X^{(k)}) (x_i - x_i^{(k)}) \to \min$$
  3. Phương pháp quy hoạch động (Dynamic Programming - DP): Dựa trên nguyên lý tối ưu Bellman cho quá trình ra quyết định nhiều giai đoạn. Phân bổ công suất tối ưu giữa $n$ tổ máy nhằm đạt cực tiểu chi phí sản xuất: $$\min B = \sum_{i=1}^{n} B_i(P_i)$$ Ràng buộc cân bằng công suất: $\sum P_i - P_{pt} - \Delta P = 0$ và giới hạn công suất $P_{i\min} \le P_i \le P_{i\max}$.

Đánh giá và lựa chọn mô hình phần mềm

Luận án tiến hành so sánh 6 mô hình phổ biến trên thế giới: EFOM-ENV, WASP, STRATEGIST, MARKAL, MESSAGE và LEAP.

Mô hình Thuật toán tối ưu Đặc điểm xử lý NLTT Yêu cầu số liệu Khả năng tích hợp môi trường
EFOM-ENV Quy hoạch tuyến tính (LP/GAMS) Tính gộp, chưa phân tách sâu Rất cao (dòng năng lượng hữu ích) Tính tổng lượng phát thải
WASP Quy hoạch động (DP) Rất hạn chế đối với NLTT biến đổi Trung bình (tập trung khâu phát điện) Không có chi phí môi trường trong hàm mục tiêu
STRATEGIST Quy hoạch động & tuyến tính Khảo sát riêng điện gió, sinh khối Cao (chi tiết tổ máy, phụ tải) Giới hạn phát thải theo kịch bản
MARKAL Quy hoạch tuyến tính Đầy đủ các nguồn NLTT Rất cao (toàn bộ hệ sinh thái năng lượng) Tính toán chi phí và phát thải
MESSAGE Quy hoạch tuyến tính / MILP Chi tiết, đa dạng công nghệ Rất cao Phân tích chuỗi phát thải chi tiết
LEAP Tối ưu hóa LP / MILP Linh hoạt, mô hình hóa chi tiết 5 nguồn NLTT Phù hợp với dữ liệu năng lượng Việt Nam Tính toán phát thải chi tiết theo hệ số IPCC

Luận án lựa chọn mô hình LEAP (Long-range Energy Alternatives Planning system do Viện Môi trường Stockholm - SEI phát triển) làm công cụ mô phỏng và tối ưu hóa chính.

Cơ sở dữ liệu đầu vào

  • Kinh tế - xã hội: Tăng trưởng GDP, cơ cấu dân số, tốc độ đô thị hóa theo kịch bản quy hoạch phát triển kinh tế của Chính phủ.
  • Phân ngành tiêu thụ (Bottom-up): Dân dụng sinh hoạt (đun nấu, chiếu sáng, làm mát), Công nghiệp (xi măng, sắt thép, gạch ngói, dệt da, giấy, hóa chất, chế biến thực phẩm), Nông - Lâm - Thủy sản, Giao thông vận tải, Thương mại - Dịch vụ.
  • Tiềm năng các nguồn năng lượng sơ cấp tại Việt Nam:
    • Than đá: Trữ lượng xác minh khoảng 3,8 tỷ tấn, khả năng khai thác than thương phẩm phục vụ điện bị giới hạn.
    • Khí thiên nhiên: Khai thác từ các bể trầm tích Cửu Long, Nam Côn Sơn, Malay - Thổ Chu và mỏ Cá Voi Xanh.
    • Thủy điện lớn: Tiềm năng kinh tế - kỹ thuật gần như đã khai thác hết.
    • Năng lượng tái tạo:
Loại nguồn NLTT Tiềm năng kỹ thuật / Khả năng khai thác Ghi chú theo tài liệu trích dẫn
Thủy điện nhỏ $> 4.015,1\text{ MW}$ Công suất mỗi trạm $\le 30\text{ MW}$
Điện gió $1.785\text{ MW}$ (ven bờ, theo EVN) đến $10.637\text{ MW}$ (theo PECC3); $513.360\text{ MW}$ (lý thuyết, theo WB) Tốc độ gió trung bình $\ge 6\text{ m/s}$ tại độ cao $80\text{ m}$
Điện mặt trời Cường độ bức xạ $4 - 5\text{ kWh/m}^2/\text{ngày}$ Số giờ nắng dao động từ $1.600 - 2.600\text{ giờ/năm}$
Điện sinh khối Khoảng $2.000\text{ MW}$ Phụ phẩm nông nghiệp: bã mía, trấu, mùn cưa, rơm rạ
Điện địa nhiệt $200 - 400\text{ MW}$ Nguồn nhiệt xuất lộ tự nhiên miền Trung và Tây Bắc
  • Thông số kinh tế - kỹ thuật các nhà máy điện: Suất đầu tư ban đầu (Overnight Capital Cost), chi phí O&M cố định, chi phí O&M biến đổi, hiệu suất nhiệt, hệ số khả dụng (Availability factor), tuổi thọ vận hành.
  • Dữ liệu môi trường: Suất phát thải khí nhà kính ($\text{CO}_2$, $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$) cho từng loại nhiên liệu theo chuẩn IPCC.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 làm rõ các khái niệm, vai trò, đặc điểm kỹ thuật và xu thế phát triển năng lượng tái tạo trên thế giới và tại Việt Nam:

  • Đặc điểm kinh tế - kỹ thuật của NLTT: Thân thiện với môi trường, không phát thải $\text{CO}_2$ trong quá trình phát điện; phân tán về mặt địa lý, mật độ năng lượng thấp; tính bất định và phụ thuộc vào thời tiết; chi phí đầu tư ban đầu cao nhưng chi phí vận hành biến đổi thấp (không tốn chi phí nhiên liệu sơ cấp).
Loại công nghệ phát điện Hệ số công suất (%) Chi phí đầu tư (USD/MWh) O&M cố định (USD/MWh) O&M biến đổi (USD/MWh) Tổng chi phí quy dẫn (USD/MWh)
Nhiệt điện than thông thường 85 65,8 4,0 28,6 99,6
Nhiệt điện than tiên tiến có CCS 85 93,3 9,3 36,8 140,7
Khí chu trình hỗn hợp (CCGT) 87 17,5 1,9 48,0 68,6
Thủy điện lớn 53 77,9 4,0 6,0 89,9
Điện hạt nhân tiên tiến 90 88,8 11,3 11,6 112,7
Địa nhiệt 92 76,6 11,9 9,6 99,6
Điện sinh khối 83 56,8 13,8 48,3 120,2
Điện gió ngoài khơi 27 300,6 22,4 0,0 330,6
Pin mặt trời (Solar PV) 25 144,9 7,7 0,0 156,9
  • Bức tranh NLTT toàn cầu: Giai đoạn 2004–2013, công suất pin mặt trời tăng từ 2,6 MW lên 139 MW; điện gió tăng từ 48 MW lên 318 MW. Năm 2011, các quốc gia dẫn đầu về sản lượng điện NLTT gồm: Trung Quốc (797,4 TWh/năm), Mỹ (520,1 TWh/năm), Brazil (459,2 TWh/năm), Canada (399,1 TWh/năm). Đến năm 2015, tổng vốn đầu tư toàn cầu vào NLTT đạt mức kỷ lục 286 tỷ USD.
  • Tổng quan hiện trạng tại Việt Nam: Cơ cấu nguồn điện năm 2014 gồm: Nhiệt điện than (28,88%), Nhiệt điện khí (21,85%), Nhiệt điện dầu (3,41%), Thủy điện lớn (39,96%), NLTT (5,89%). Các nghiên cứu trong nước trước đây chưa tính toán tối ưu phân rã cho từng dạng NLTT.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH NGUỒN ĐIỆN VÀ CÁC MÔ HÌNH SỬ DỤNG TRONG QUY HOẠCH NGUỒN ĐIỆN

Chương 2 tập trung xây dựng cơ sở toán học và cơ sở phương pháp luận quy hoạch nguồn điện:

  • Trình bày bài toán kinh tế - kỹ thuật tổng quát trong việc lựa chọn danh mục công nghệ nguồn điện mới, xác định quy mô công suất lắp đặt và thời điểm đưa vào vận hành.
  • Phân tích chi tiết cấu trúc mô hình EFOM-ENV (gồm 3 mô-đun DAMOCLE, SIMUL, ORESTE/LP/ORACLE), WASP (WASP-I đến WASP-IV dựa trên thuật toán quy hoạch động), STRATEGIST, MARKAL, MESSAGE.
  • Luận chứng việc lựa chọn phần mềm LEAP: LEAP cho phép kết nối giữa mô hình nhu cầu phân ngành (Demand module) với mô hình chuyển hóa năng lượng (Transformation module), hỗ trợ giải bài toán tối ưu hóa quy hoạch mở rộng nguồn bằng thuật toán tối ưu hóa tuyến tính/nguyên bộ phận với dữ liệu đầu vào linh hoạt, đáp ứng yêu cầu chi tiết hóa các công nghệ NLTT.

CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH CƠ CẤU NGUỒN ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO TRONG QUY HOẠCH NGUỒN ĐIỆN VIỆT NAM ĐẾN NĂM 2030

Chương 3 thiết lập mô hình toán học và cấu trúc dữ liệu mô phỏng cho hệ thống điện Việt Nam trên LEAP:

  • Hàm mục tiêu tối ưu hóa: Cực tiểu hóa tổng chi phí hiện tại ròng (NPV) của toàn hệ thống điện quy đổi về năm gốc: $$\min \text{NPV} = \sum_{t=1}^{T} \frac{C_{\text{inv}, t} + C_{\text{FOM}, t} + C_{\text{VOM}, t} + C_{\text{fuel}, t} + C_{\text{env}, t} - S_t}{(1 + r)^t}$$ Trong đó: $C_{\text{inv}}$ là chi phí đầu tư xây dựng mới; $C_{\text{FOM}}$ là chi phí vận hành và bảo dưỡng cố định; $C_{\text{VOM}}$ là chi phí vận hành và bảo dưỡng biến đổi; $C_{\text{fuel}}$ là chi phí nhiên liệu sơ cấp; $C_{\text{env}}$ là chi phí xử lý khí thải/thuế các-bon; $S_t$ là giá trị thu hồi tài sản còn lại; $r$ là tỷ suất chiết khấu; $t$ là năm tính toán ($2015 - 2030$).
  • Hệ thống các ràng buộc:
    • Ràng buộc cân bằng công suất và điện năng: $\sum E_{\text{phát}, i, t} \ge E_{\text{nhu cầu}, t} + E_{\text{tổn thất}, t}$.
    • Ràng buộc trần công suất khả thi của từng loại nguồn NLTT: $P_{i, t} \le P_{i, \max}$.
    • Ràng buộc trữ lượng và giới hạn khai thác nhiên liệu sơ cấp nội địa (than, khí đốt).
    • Ràng buộc dự trữ công suất hệ thống (Reserve margin).
    • Ràng buộc giới hạn phát thải khí nhà kính ($\text{CO}_2$).
  • Thiết lập cây dữ liệu (Data Tree): Thiết lập cấu trúc nhánh phụ tải (Giao thông, Công nghiệp, Nông nghiệp, Thương mại, Sinh hoạt) và nhánh chuyển hóa (Truyền tải & Phân phối $\to$ Các nhóm công nghệ phát điện: Nhiệt điện than, Nhiệt điện khí CCGT/GT, Nhiệt điện dầu, Thủy điện lớn, Nhập khẩu, Thủy điện nhỏ, Điện gió, Điện mặt trời, Điện sinh khối, Địa nhiệt).

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG KỊCH BẢN VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CƠ CẤU NGUỒN ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO TRONG QUY HOẠCH NGUỒN ĐIỆN VIỆT NAM ĐẾN NĂM 2030

Chương 4 xây dựng hệ thống kịch bản, chạy mô hình tối ưu hóa và thảo luận kết quả:

  • Hệ thống 4 nhóm kịch bản nghiên cứu:
    1. Kịch bản BAU (Business-As-Usual - Tự do cạnh tranh): Phát triển tự nhiên theo chi phí thấp nhất, không áp đặt ràng buộc phát thải hay tỷ lệ NLTT bắt buộc.
    2. Kịch bản PDP (Power Development Planning): Tuân thủ tỷ lệ cơ cấu NLTT theo định hướng Quy hoạch điện VII điều chỉnh.
    3. Kịch bản LOWC (Low Carbon - Giảm phát thải): Áp đặt mức trần phát thải $\text{CO}_2$ theo cam kết Thỏa thuận Paris (cắt giảm 8% đến 25% lượng phát thải $\text{CO}_2$ so với BAU vào năm 2030).
    4. Kịch bản TREND (TREND1, TREND2 - Xu thế phát triển NLTT): Giả định chi phí đầu tư công nghệ NLTT giảm nhanh theo xu hướng thị trường thế giới kết hợp các chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng sạch.
  • Phát hiện và kết quả tính toán:
    • Trong kịch bản BAU, nhiệt điện than chiếm ưu thế tuyệt đối do chi phí đầu tư và giá than rẻ, dẫn đến phát thải $\text{CO}_2$ tăng mạnh nhất và chi phí hệ thống thấp nhất.
    • Trong các kịch bản LOWC và TREND, cơ cấu công suất của 5 dạng nguồn NLTT tăng mạnh, đặc biệt là thủy điện nhỏ được khai thác tối đa tiềm năng kỹ thuật (đạt trên $4.000\text{ MW}$), tiếp đến là sự gia nhập sâu của điện gió, điện mặt trời và điện sinh khối.
    • Lượng phát thải $\text{CO}_2$ giảm rõ rệt qua các kịch bản giảm phát thải, đi kèm với sự gia tăng tổng chi phí hệ thống.
    • Tính toán chi phí quy dẫn (LCOE) cho từng kWh điện sản xuất từ NLTT và xác định mức trợ giá tối thiểu (Feed-in Tariff - FiT) cần thiết cho từng công nghệ để nhà đầu tư đạt điểm hòa vốn và khuyến khích tư nhân tham gia phát triển.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Hệ thống hóa và làm rõ cơ sở lý thuyết về quy hoạch nguồn điện, phân tích toàn diện ưu nhược điểm của các mô hình toán kinh tế (EFOM-ENV, WASP, STRATEGIST, MARKAL, MESSAGE, LEAP) trong điều kiện hệ thống thông tin năng lượng tại Việt Nam.
  2. Thiết lập khung mô hình toán học tích hợp tính năng tối ưu hóa chi phí mở rộng nguồn trên nền tảng LEAP, cho phép phân tách và mô hình hóa độc lập 5 dạng nguồn NLTT (thủy điện nhỏ, gió, mặt trời, sinh khối, địa nhiệt) thay vì gộp chung thành một biến duy nhất.
  3. Bổ sung phương pháp luận luận chứng kịch bản phát triển nguồn điện gắn liền với các ràng buộc trần phát thải khí nhà kính ($\text{CO}_2$), phản ánh đúng bản chất cam kết quốc tế về biến đổi khí hậu.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp bộ dữ liệu cập nhật về hiện trạng, tiềm năng khai thác, chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của 5 dạng nguồn NLTT và các nguồn điện truyền thống tại Việt Nam giai đoạn 2015–2030.
  2. Xác định chi tiết cơ cấu công suất lắp đặt và sản lượng điện sản xuất tối ưu của từng loại nguồn NLTT cho các năm mốc đến 2030 tương ứng với từng kịch bản phát triển.
  3. Lượng hóa chính xác tổng chi phí hệ thống và chi phí gia tăng của nền kinh tế khi chuyển dịch cơ cấu nguồn sang NLTT.
  4. Đề xuất biểu mức trợ giá tối thiểu cho từng loại hình công nghệ phát điện từ NLTT (thủy điện nhỏ, điện gió, điện mặt trời, sinh khối, địa nhiệt) làm cơ sở thực tiễn cho cơ quan quản lý ban hành cơ chế giá khuyến khích.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của luận án:
    • Nghiên cứu sử dụng nguồn số liệu thứ cấp đến năm 2014; các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật và dự báo chi phí công nghệ NLTT trong tương lai phụ thuộc vào độ chính xác của các báo cáo quy hoạch và tổ chức quốc tế tại thời điểm nghiên cứu.
    • Mô hình LEAP tập trung tối ưu hóa cân bằng công suất và điện năng vĩ mô toàn hệ thống theo chu kỳ năm/bước thời gian, chưa tích hợp phân tích ổn định động học, ổn định tần số và trào lưu công suất chi tiết trên lưới điện truyền tải thời gian thực.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Cập nhật số liệu chi phí công nghệ NLTT (đặc biệt là đà giảm giá của tấm pin quang điện mặt trời và tuabin gió) theo biến động thực tế của thị trường.
    • Nghiên cứu kết nối đồng thời mô hình LEAP với các phần mềm chuyên dụng tính toán lưới điện (như PSS/E hoặc PowerFactory) để kiểm tra tính ổn định kỹ thuật của hệ thống điện khi tỷ trọng nguồn NLTT không liên tục thâm nhập sâu vào lưới điện quốc gia.

Giá trị tham khảo

  • Đối với cơ quan hoạch định chính sách (Bộ Công Thương, Viện Năng lượng, Tập đoàn Điện lực Việt Nam - EVN): Cung cấp luận cứ khoa học và công cụ định lượng hỗ trợ rà soát, điều chỉnh các Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia; hỗ trợ xây dựng cơ chế giá mua điện (FiT) và chính sách hạn ngạch năng lượng tái tạo.
  • Đối với giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp luận mô hình hóa hệ thống năng lượng, ứng dụng phần mềm LEAP trong giải bài toán tối ưu hóa quy hoạch nguồn điện và quản lý năng lượng bền vững.
  • Phần đáng tham khảo nhất:
    • Phương pháp thiết lập cây dữ liệu và mô hình tối ưu hóa toán học trong Chương 3.
    • Bảng so sánh đặc tính các mô hình quy hoạch năng lượng tại Chương 2.
    • Phương pháp luận xây dựng kịch bản giảm phát thải và tính toán chi phí quy dẫn (LCOE) kèm mức trợ giá tại Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn mô hình LEAP thay vì mô hình WASP hay STRATEGIST đã từng dùng trong Quy hoạch điện VII?

Luận án chỉ ra rằng mô hình WASP không tích hợp thành phần chi phí môi trường trong hàm mục tiêu tối ưu hóa và gặp khó khăn khi mô tả chi tiết các dạng NLTT có tính biến đổi. Mô hình STRATEGIST đòi hỏi cấu trúc dữ liệu rất chi tiết về vận hành tổ máy và trong Quy hoạch điện VII chỉ mới tính toán riêng cho điện gió và sinh khối, các nguồn khác bị gộp chung. Trong khi đó, phần mềm LEAP có tính mở, cấu trúc dữ liệu phù hợp với điều kiện thống kê của Việt Nam và từ phiên bản 2012 đã tích hợp mô-đun tối ưu hóa tuyến tính/nguyên bộ phận (MILP), cho phép mô hình hóa độc lập và tối ưu hóa đồng thời 5 dạng nguồn NLTT có xét đến trần phát thải $\text{CO}_2$.

2. Năm dạng nguồn năng lượng tái tạo nào được luận án mô hình hóa chi tiết?

Luận án phân tách và tính toán độc lập cho 5 dạng nguồn NLTT gồm:

  1. Thủy điện nhỏ (công suất $\le 30\text{ MW}$).
  2. Năng lượng gió.
  3. Năng lượng mặt trời.
  4. Năng lượng sinh khối.
  5. Năng lượng địa nhiệt.

3. Khả năng cung cấp than nội địa cho nhiệt điện than đến năm 2030 được luận án ghi nhận như thế nào?

Theo số liệu luận án trích dẫn, khả năng cung cấp than trong nước cho sản xuất điện đến năm 2030 chỉ đạt 63 triệu tấn. Trong khi đó, nhu cầu than cho phát điện năm 2030 dự báo là 171 triệu tấn. Do đó, than nội địa chỉ đáp ứng được 32,4% nhu cầu ở phương án cao và 28,35% nhu cầu ở phương án cơ sở, buộc hệ thống phải nhập khẩu khối lượng lớn nhiên liệu hóa thạch nếu tiếp tục phát triển nhiệt điện than truyền thống.

4. Hàm mục tiêu tối ưu hóa trong mô hình LEAP của luận án bao gồm các thành phần chi phí nào?

Hàm mục tiêu của mô hình là cực tiểu hóa tổng chi phí hiện tại ròng (NPV) của toàn hệ thống điện trong cả giai đoạn quy hoạch (2015–2030), bao gồm: chi phí vốn đầu tư xây dựng mới ($C_{\text{inv}}$), chi phí vận hành và bảo dưỡng cố định ($C_{\text{FOM}}$), chi phí vận hành và bảo dưỡng biến đổi ($C_{\text{VOM}}$), chi phí nhiên liệu sơ cấp ($C_{\text{fuel}}$), chi phí phát thải/môi trường ($C_{\text{env}}$) và trừ đi giá trị thu hồi tài sản còn lại ở cuối kỳ quy hoạch ($S_t$).

5. Kết quả kịch bản tự do cạnh tranh (BAU) khác biệt như thế nào so với kịch bản giảm phát thải (LOWC)?

Trong kịch bản BAU, mô hình lựa chọn các công nghệ có chi phí đầu tư và chi phí sản xuất rẻ nhất dẫn đến sự phát triển áp đảo của nhiệt điện than, tổng chi phí hệ thống ở mức thấp nhất nhưng lượng phát thải $\text{CO}_2$ và mức độ phụ thuộc than nhập khẩu đạt mức cao nhất. Ngược lại, trong kịch bản LOWC với ràng buộc trần phát thải $\text{CO}_2$, mô hình tự động cắt giảm nhiệt điện than và huy động tối đa tiềm năng thủy điện nhỏ, gia tăng tỷ trọng điện gió, mặt trời và sinh khối, giúp giảm thiểu tác động môi trường nhưng làm gia tăng tổng chi phí hệ thống.

Kết luận

Luận án "Nghiên cứu phát triển nguồn điện từ năng lượng tái tạo trong Quy hoạch nguồn điện Việt Nam đến năm 2030" của tác giả Phạm Thị Thanh Mai đã giải quyết thành công bài toán xác định cơ cấu tối ưu cho 5 dạng nguồn năng lượng tái tạo trong hệ thống điện quốc gia. Công trình đã ứng dụng mô-đun tối ưu hóa của phần mềm LEAP để xây dựng mô hình toán kinh tế phù hợp với điều kiện cơ sở dữ liệu năng lượng Việt Nam, lượng hóa tường minh mối quan hệ đánh đổi giữa chi phí hệ thống và mục tiêu giảm phát thải $\text{CO}_2$ theo cam kết Thỏa thuận Paris. Kết quả tính toán cơ cấu công suất, điện năng sản xuất và đề xuất mức giá trợ giá tối thiểu cho từng dạng công nghệ NLTT cung cấp luận cứ khoa học quan trọng cho công tác điều chỉnh quy hoạch và xây dựng chính sách năng lượng bền vững tại Việt Nam.