Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời đang khẳng định vị thế là nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất toàn cầu, với tổng công suất quang điện tích lũy vượt 505 GW vào năm 2018 và Trái Đất liên tục tiếp nhận nguồn năng lượng bức xạ sơ cấp khổng lồ lên tới 174 petawatts (PW). Tại Việt Nam, trước áp lực cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch, tiềm năng thủy điện lớn đã khai thác hết và cam kết cắt giảm phát thải khí nhà kính tại Hội nghị COP21, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 2068/QĐ-TTg và Quyết định số 428/QĐ-TTg đặt mục tiêu đưa công suất điện mặt trời cả nước lên khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và 12.000 MW vào năm 2030, chiếm 3,3% tổng sản lượng điện. Tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu là địa phương sở hữu nguồn bức xạ dồi dào với cường độ trung bình đạt 1.350 - 1.450 kWh/m2/năm và tổng số giờ nắng bình quân dao động từ 2.561 đến 2.586 giờ/năm.

Tuy nhiên, địa phương này cũng đồng thời là trung tâm công nghiệp quy mô lớn với tổng sản phẩm trên địa bàn (GRDP) trừ dầu khí đạt 54.442 tỷ đồng và sở hữu Trung tâm Điện lực Phú Mỹ có công suất 2.540 MW, cung cấp 6,6% sản lượng điện quốc gia. Sự tăng trưởng nhanh chóng của các khu công nghiệp, cảng biển và ngành du lịch đặt ra bài toán cấp bách về cân đối cung cầu và giảm tải cho hệ thống lưới điện truyền tải. Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá tiềm năng bức xạ, dự báo nhu cầu phụ tải tiêu thụ điện, xây dựng phương án quy hoạch không gian - công suất và thiết lập sơ đồ đấu nối kỹ thuật cho các dự án điện mặt trời trên địa bàn tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu đến năm 2025, định hướng đến năm 2030. Nghiên cứu mang ý nghĩa chiến lược sâu sắc, giúp tối ưu hóa nguồn vốn đầu tư, giảm hàng chục ngàn tấn khí thải CO2 mỗi năm và thúc đẩy quá trình chuyển dịch năng lượng xanh bền vững cho toàn bộ vùng kinh tế trọng điểm phía Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết truyền xạ quang học khí quyển và chuyển đổi quang điện (PV Conversion) để xác định sự suy giảm bức xạ qua các tầng khí quyển. Mô hình tính toán phân tách năng lượng bức xạ mặt trời đến bề mặt nghiêng thành ba thành phần cơ bản: trực xạ, tán xạ và bức xạ phản xạ từ mặt đất. Cường độ bức xạ ngoài khí quyển được định mức qua hằng số mặt trời tiêu chuẩn đạt 1.353 W/m2 và cường độ bức xạ cực đại trên bề mặt đất vào những ngày quang mây đạt 1.000 W/m2. Các tham số hình học nhật tâm bao gồm góc vĩ độ, góc nghiêng bề mặt pin, góc phương vị, góc giờ và góc thiên đỉnh được tích hợp chặt chẽ nhằm tối ưu hóa lượng quang năng hấp thụ trên từng mét vuông diện tích tấm pin.

Bên cạnh lý thuyết vật lý bức xạ, tác giả vận dụng lý thuyết đàn hồi kinh tế - năng lượng để lượng hóa mối tương quan giữa tốc độ tăng trưởng kinh tế địa phương và tốc độ tăng trưởng tiêu thụ điện năng thương phẩm. Khung phân tích kinh tế - kỹ thuật được chuẩn hóa thông qua hàm tổng chi phí hệ thống, trong đó phân định rõ suất vốn đầu tư collector trên mỗi mét vuông, chi phí thiết bị chuyển đổi nghịch lưu (Inverter), chi phí xây lắp, đền bù giải phóng mặt bằng và dự phòng tài chính. Khái niệm độ bền vững khí quyển theo tiêu chuẩn Passquill cũng được đưa vào nhằm đánh giá các điều kiện vi khí hậu tác động đến hiệu suất giải nhiệt của các tấm pin quang điện.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thứ cấp chuẩn xác thu thập trong giai đoạn 5 năm liên tục từ 2014 đến 2018 từ Trung tâm Khí tượng Thủy văn tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu (bao gồm trạm Vũng Tàu và trạm Côn Đảo) kết hợp với số liệu phụ tải thực tế từ Công ty Điện lực Bà Rịa - Vũng Tàu và Tổng công ty Điện lực miền Nam (EVNSPC). Cỡ mẫu dữ liệu bao gồm chuỗi thống kê 12 tháng liên tục qua các năm đối với bức xạ nhiệt, nhiệt độ bình quân (dao động 25,5 - 28,9°C), lượng mưa và độ ẩm trên toàn bộ 8 đơn vị hành chính cấp huyện, thị xã, thành phố của tỉnh.

Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu toàn bộ theo phân vùng địa lý kết hợp phân tầng theo 5 nhóm phụ tải chuyên biệt: công nghiệp - xây dựng, nông - lâm - thủy sản, thương mại - dịch vụ du lịch, sinh hoạt dân cư và hành chính sự nghiệp. Phương pháp phân tích dữ liệu chủ đạo là phương pháp dự báo trực tiếp (Direct Component Forecasting) kết hợp mô hình hệ số đàn hồi để xây dựng 3 kịch bản tiêu thụ điện (Thấp, Cơ sở, Cao). Lý do lựa chọn phương pháp trực tiếp là vì tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu có quy hoạch các khu công nghiệp, cảng biển và cơ sở lưu trú du lịch rất rõ ràng, cho phép tính toán nhu cầu điện năng dựa trên suất tiêu hao định mức của từng đơn vị sản phẩm và diện tích vận hành cụ thể. Toàn bộ quy trình tính toán quy hoạch kỹ thuật và mô phỏng đấu nối hòa lưới được thực hiện hoàn chỉnh trong timeline nghiên cứu từ tháng 2/2020 đến tháng 6/2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, phân tích dữ liệu khí tượng chỉ ra rằng Bà Rịa - Vũng Tàu có tiềm năng năng lượng mặt trời đặc biệt lớn với cường độ bức xạ dao động từ 4,0 đến 6,3 kWh/m2/ngày, số giờ nắng trung bình đạt 2.561 giờ/năm, trong đó tháng 4 đạt đỉnh với 308 giờ nắng và tháng 12 thấp nhất đạt 112 giờ nắng. Cán cân bức xạ duy trì ở mức cao 70 - 75 kcal/cm2/năm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc khai thác tối đa công suất lắp đặt.

Thứ hai, kết quả dự báo nhu cầu phụ tải điện theo kịch bản cơ sở cho thấy tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm của tỉnh giai đoạn 2020-2025 đạt 9,7%/năm và giai đoạn 2025-2030 duy trì ở mức 10,9%/năm. Trong đó, cơ cấu phụ tải công nghiệp - xây dựng đóng vai trò chủ đạo, chiếm trên 65% tổng sản lượng điện tiêu thụ toàn tỉnh, tiếp theo là nhóm dịch vụ du lịch với mức tăng trưởng nhanh đạt 10,7%/năm trong giai đoạn 2020-2025.

Thứ ba, nghiên cứu xác lập quỹ đất và mặt nước tiềm năng cho phép phát triển đồng bộ 9 dự án nhà máy điện mặt trời quy mô lớn đã được phê duyệt bổ sung quy hoạch với tổng công suất 312,5 MW, tổng mức đầu tư 7.755 tỷ đồng trên tổng diện tích 306,87 ha. Nổi bật là các dự án điện mặt trời nổi trên mặt hồ thủy lợi như Nhà máy điện mặt trời hồ Tầm Bó (công suất 35 MWp, vốn đầu tư hơn 796 tỷ đồng trên 41,38 ha) và Nhà máy điện mặt trời hồ Gia Hoét 1 (công suất 35 MWp, vốn đầu tư 766 tỷ đồng trên 40 ha) tại huyện Châu Đức.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tạo nên sự tăng trưởng vượt bậc của các chỉ số điện mặt trời tại Bà Rịa - Vũng Tàu xuất phát từ vị trí địa lý cận xích đạo kết hợp với sự dịch chuyển mạnh mẽ trong cơ cấu kinh tế theo hướng công nghiệp hóa và dịch vụ logistics cảng biển. Việc tận dụng diện tích mặt nước tại các hồ chứa thủy lợi đã giúp giải quyết triệt để rào cản lớn nhất trong đầu tư năng lượng tái tạo là chi phí đền bù giải phóng mặt bằng (vốn thường chiếm 5 - 10% tổng dự toán công trình).

Các kết quả nghiên cứu khi được tổng hợp trên biểu đồ phân bổ bức xạ 12 tháng và bảng cân bằng công suất phụ tải phản ánh mối tương quan thuận rõ rệt: các tháng có bức xạ mặt trời cao nhất (tháng 3 đến tháng 5 với cường độ 5,2 - 5,9 kWh/m2/ngày) trùng khớp hoàn toàn với mùa khô - giai đoạn hệ thống lưới điện địa phương chịu áp lực tiêu thụ cao nhất cho nhu cầu điều hòa không khí và sản xuất công nghiệp. Khi so sánh với các quy hoạch năng lượng tại khu vực Duyên hải Nam Trung Bộ hoặc Tây Nguyên, hệ thống điện mặt trời tại Bà Rịa - Vũng Tàu sở hữu lợi thế hạ tầng vượt trội nhờ nằm sát Trung tâm Điện lực Phú Mỹ và mạng lưới trạm biến áp 110kV - 220kV đồng bộ, giúp giảm thiểu đáng kể nguy cơ quá tải lưới điện truyền tải cục bộ.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, Ủy ban nhân dân tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu cùng Sở Công Thương cần hoàn thiện quy hoạch phân vùng chi tiết và ban hành danh mục các dự án ưu tiên phát triển điện mặt trời mặt nước và trên đất cằn cỗi, hướng tới mục tiêu hoàn thành đấu nối 312,5 MW công suất trước năm 2025 và mở rộng quy mô đạt 500 MW vào năm 2030 (thực hiện liên tục trong giai đoạn 2021 - 2025).

Thứ hai, Công ty Điện lực Bà Rịa - Vũng Tàu phối hợp cùng Tổng công ty Điện lực miền Nam (EVNSPC) đẩy mạnh chương trình điện mặt trời áp mái tại các khu công nghiệp Phú Mỹ, Đông Xuyên và Đất Đỏ, đặt mục tiêu nâng tổng công suất áp mái tự dùng từ mức 1,5 MWp hiện hữu lên tối thiểu 95 MWp cho khối doanh nghiệp và 15 MWp cho khối dân cư trong giai đoạn 2021 - 2026.

Thứ ba, Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) cần ưu tiên bố trí nguồn vốn đầu tư nâng cấp, cải tạo các trạm biến áp 110kV và đường dây truyền tải liên kết tại huyện Châu Đức, thị xã Phú Mỹ và tuyến đảo Côn Đảo, đảm bảo năng lực giải tỏa 100% công suất phát từ các nhà máy năng lượng tái tạo, tích hợp hệ thống điều khiển giám sát tự động SCADA hiện đại trong giai đoạn 2022 - 2027.

Thứ tư, các cơ quan quản lý nhà nước tại địa phương cần xây dựng cơ chế một cửa liên thông nhằm rút ngắn 30% thời gian xử lý thủ tục cấp phép đầu tư, thỏa thuận đấu nối lưới điện và ký kết hợp đồng mua bán điện (PPA), đồng thời ban hành quy chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt về quản lý, thu hồi và tái chế tấm pin quang điện sau vòng đời sử dụng 20 - 25 năm trong giai đoạn 2021 - 2024.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các nhà hoạch định chính sách, cán bộ quản lý năng lượng tại Sở Công Thương, Sở Kế hoạch và Đầu tư, cùng các đơn vị điều độ trực thuộc EVN. Họ có thể khai thác mô hình dự báo nhu cầu phụ tải 3 kịch bản và cơ sở dữ liệu bức xạ để áp dụng trực tiếp vào việc lập quy hoạch phát triển điện lực địa phương giai đoạn 2021 - 2030.

Nhóm thứ hai là các nhà đầu tư, doanh nghiệp phát triển dự án năng lượng tái tạo trong và ngoài nước. Luận văn cung cấp bức tranh chi tiết về cơ cấu vốn, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật (trong đó chi phí thiết bị chiếm 70 - 90% tổng mức đầu tư), hồ sơ pháp lý và quy trình triển khai dự án điện mặt trời mặt đất, áp mái và nổi trên mặt nước.

Nhóm thứ ba là đội ngũ kỹ sư điện, chuyên gia tư vấn thiết kế hệ thống điện. Các công thức toán học xác định góc nghiêng tối ưu của tấm pin, sơ đồ đấu nối trạm biến áp 22kV/110kV và giải pháp hòa lưới là tài liệu kỹ thuật giá trị để tối ưu hóa thiết kế nhà máy điện mặt trời thực tế.

Nhóm thứ tư là các giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện, Năng lượng tái tạo và Quản lý năng lượng. Đề tài đóng vai trò là một tài liệu tham khảo học thuật hoàn chỉnh về phương pháp luận kết hợp giữa khí tượng học, toán mô hình và kỹ thuật hệ thống điện.

Câu hỏi thường gặp

Bà Rịa - Vũng Tàu có tiềm năng bức xạ mặt trời thực tế như thế nào so với các địa phương khác? Địa phương có cường độ bức xạ rất cao, đạt 4,0 - 6,3 kWh/m2/ngày và tổng số giờ nắng bình quân 2.561 giờ/năm. Nguồn bức xạ này phân bố ổn định quanh năm, cao hơn đáng kể so với mức trung bình 3,4 - 3,6 kWh/m2/ngày của miền Bắc, tạo hiệu suất quang năng tối ưu cho các dự án thương mại.

Phương pháp dự báo phụ tải trực tiếp mang lại ưu thế gì cho công tác quy hoạch nguồn điện? Phương pháp trực tiếp tính toán điện năng dựa trên diện tích, công suất định mức và kế hoạch phát triển cụ thể của 5 nhóm phụ tải thành phần. Cách tiếp cận này loại bỏ sai số tổng hợp của phương pháp ngoại suy thuần túy, mang lại độ chính xác cao cho 3 kịch bản tăng trưởng (9,7% - 10,9%/năm).

Tại sao mô hình điện mặt trời trên hồ thủy lợi lại được ưu tiên phát triển tại huyện Châu Đức? Mô hình nổi trên hồ Gia Hoét 1 và hồ Tầm Bó tận dụng diện tích mặt nước sẵn có, tiết kiệm hàng trăm tỷ đồng chi phí đền bù đất. Đồng thời, hiệu ứng bốc hơi nước giúp làm mát bề mặt tấm pin, nâng cao hiệu suất phát điện thêm 5 - 10% so với trên cạn.

Cơ cấu tổng mức đầu tư một dự án nhà máy điện mặt trời nối lưới được phân bổ ra sao? Chi phí thiết bị (tấm pin quang điện, inverter, máy biến áp) chiếm tỷ trọng lớn nhất từ 70% đến 90% tổng vốn đầu tư. Phần còn lại bao gồm chi phí xây lắp, đền bù giải phóng mặt bằng, quản lý dự án và 10% chi phí dự phòng rủi ro kỹ thuật.

Quy hoạch điện mặt trời Bà Rịa - Vũng Tàu đóng góp ra sao vào an ninh năng lượng quốc gia? Quy hoạch 312,5 MW công suất điện sạch giúp giảm tải cho cụm nhiệt điện khí Phú Mỹ (2.540 MW), bổ sung nguồn cung tại chỗ cho vùng kinh tế Đông Nam Bộ và hiện thực hóa mục tiêu 12.000 MW điện mặt trời theo Quy hoạch điện VII điều chỉnh.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện tiềm năng năng lượng mặt trời tại Bà Rịa - Vũng Tàu với cường độ bức xạ 4,0 - 6,3 kWh/m2/ngày và 2.561 giờ nắng/năm.
  • Xây dựng thành công mô hình dự báo phụ tải điện thương phẩm đến năm 2030 theo 3 kịch bản, xác định tốc độ tăng trưởng bình quân 9,7% - 10,9%/năm làm cơ sở quy hoạch nguồn.
  • Đề xuất danh mục quy hoạch 9 dự án trọng điểm công suất 312,5 MW với tổng mức đầu tư 7.755 tỷ đồng trên diện tích 306,87 ha mặt đất và mặt hồ thủy lợi.
  • Thiết lập giải pháp kỹ thuật đấu nối lưới điện 22kV - 110kV đồng bộ, tối ưu hóa góc nghiêng thu quang năng và hoàn thiện quy trình thủ tục đầu tư PPA.
  • Đóng góp trực tiếp vào việc thực hiện Quyết định số 428/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ, đưa tỷ trọng điện mặt trời đạt 3,3% tổng sản lượng điện toàn quốc vào năm 2030.

Về lộ trình tiếp theo, các đơn vị quản lý cần tiếp tục mở rộng nghiên cứu tích hợp hệ thống pin lưu trữ năng lượng (BESS) và lưới điện thông minh (Smart Grid) giai đoạn 2025 - 2030. Các cơ quan quản lý, nhà đầu tư và chuyên gia kỹ thuật quan tâm có thể khai thác chi tiết các mô hình toán học và thông số kỹ thuật trong toàn văn luận văn để áp dụng triển khai dự án thực tế.