Đưa năng lượng mặt trời vào lưới điện

Nguồn năng lượng tái tạo nào có độ tin cậy cao và có thể dự đoán trước được, có năng suất rất cao vào những giờ tiêu thụ điện nhiều nhất, có thể thiết kế với qui mô đủ nhỏ để cấp điện cho một tòa nhà hoặc đủ lớn để cấp điện cho cả một thị trấn và có công nghệ đã được khẳng định với chi phí ngày một hạ, tạo ra nhiều công ăn việc làm hơn so với công nghệ khí hoặc than? Và nguồn năng lượng tái tạo nào khi triển khai rộng khắp, có thể thay thế cho 2 – 3 tỷ tấn than mỗi năm trong phạm vi toàn thế giới?

 

Câu trả lời là năng lượng mặt trời, bằng cách sử dụng gương và năng lượng mặt trời để làm quay tua bin hơi. Khác với một số cải tiến khác trong ngành năng lượng đang được đưa ra hiện nay – ví dụ như “than sạch”. Chỉ có các tấm gương. Rất nhiều và rất nhiều tấm gương.

Công nghệ năng lượng tái tạo hấp dẫn này đã hoạt động tin cậy ở California kể từ những năm 1980, khi dầu mỏ đang còn rẻ và vấn đề biến đổi khí hậu chỉ có các nhà khoa học chuyên sâu mới quan tâm. Giờ đây, các điều kiện chính trị và kinh tế đã từng ngăn cản việc triển khai rộng khắp công nghệ này hầu như chỉ còn là hình ảnh phản chiếu của tình trạng những năm 1980. Ngày nay, mọi chỉ số đều cho thấy việc tập trung năng lượng mặt trời (concentrating solar power – CSP) đang trong bước ngoặt của quá trình phục hưng, nhờ tăng cường đầu tư cho nghiên cứu và phát triển (R&D), sự hỗ trợ về biểu giá điện sản xuất từ các nhà máy điện CSP ở Tây Ban Nha, và các chính phủ, các cơ quan tài chính ngày càng nhận thức rõ rằng thế giới cần phải xây dựng ngay các nguồn năng lượng tái tạo.

Thực vậy, ở Tây Ban Nha và ở miền Tây nước Mỹ, nguồn năng lượng tái tạo này đang có sự phát triển đột biến. Hai nhà máy điện công suất 65 MW mới được xây dựng ở nước Mỹ (bổ sung cho 355 MW CSP đã có ở California), trong khi đó Tây Ban Nha đã hoàn thành dự án 10 MW, ngoài ra còn có hơn 50 dự án nữa đang chuẩn bị triển khai và dự kiến sẽ phát triển 500 MW vào năm 2010. Mục tiêu của Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia Mỹ (National Renewable Energy Lab – NREL) là giúp phát triển tới 4.000 MW CSP ở miền Tây Nam nước Mỹ vào năm 2015. Ông George Douglas, phát ngôn viên của NREL nói: “Mức phát triển này là cao, nhưng có thể đạt được nếu tín dụng thuế đầu tư 30% được mở rộng mỗi khi có kiến nghị ban đầu của đơn vị chuyên trách.”

Các nhà máy cũng đã được lên kế hoạch hoặc đang được xây dựng ở khắp nơi: Ai Cập, Nam Phi, Australia, Libi, Angiêri, Ấn Độ, Israel và Marốc. Và nếu như một vị hoàng tử Jordani muốn, thì sẽ có hàng ngàn mêgaoát được phát ra ở sa mạc Sahara để bán điện cho châu Âu. Theo dự báo của tạp chí Renewable Energy World thì sẽ có 6.400 MW được lắp đặt trên toàn thế giới vào năm 2015, và tăng vọt lên tới 36.850 MW vào năm 2025. Sau đó, cũng theo tạp chí này dự báo, nhịp độ lắp đặt hằng năm các dự án sẽ là 4.600 MW/năm.

Ông Sven Teske thuộc Phong trào Cách mạng Năng lượng của tổ chức Hoà bình Xanh (Greenpeace) nói: “Sau hơn một thập kỷ trì trệ, cuối cùng CSP cũng cất cánh. Đến năm 2040, CSP sẽ có cơ hội đóng góp trong phạm vi hai chữ số cho nguồn cung cấp điện toàn cầu. Chủ yếu đó là nhờ áp dụng chính sách thuận lợi. Ở Mỹ, đó là việc ban hành Tiêu chuẩn Đầu tư cho Năng lượng tái tạo, còn ở Tây Ban Nha đó là biểu giá đảm bảo.”

Tình hình triển khai

Công nghệ CSP sử dụng các tấm gương dõi theo mặt trời để tập trung nhiệt năng mặt trời vào các ống chứa đầy chất lỏng hoặc các tháp trung tâm. Chất lỏng bốc hơi, hơi này được sử dụng để làm quay tuabin phát điện. Nhà máy CSP hoạt động giống với nhà máy điện truyền thống hơn so với các trạm pin mặt trời hoặc các trại phát điện gió, do vậy hấp dẫn hơn đối với các công ty điện lực. Có nhiều loại nhà máy khác nhau đang được thử nghiệm và xây dựng, mỗi loại có những ưu điểm riêng. Vì chúng tương đối đơn giản trong thiết kế và xây dựng, nên các nhà máy này phát triển nhanh chóng. Thời gian để xây dựng mới nhà máy CSP gần Las Vegas (bang Nevada) chỉ mất khoảng một năm (tuy nhiên phải cộng thêm thời gian cho việc xin cấp phép và quyền sử dụng đất).

CSP còn có nhiều trở ngại phải vượt qua. Trở ngại lớn nhất đối với các công ty điện lực là giá thành vẫn còn cao. Mặc dầu hiện nay điện năng từ năng lượng mặt trời tập trung rẻ hơn so với từ các tấm pin mặt trời, nhưng nói chung vẫn ở vào khoảng 15 – 20 cent/kWh, cao hơn nhiều so với điện năng từ nhiên liệu hóa thạch và gió (mặc dầu năng lượng gió “thất thường” hơn so với nhà máy CSP có vị trí tốt, và nói chung thời điểm phát công suất đỉnh của phong điện không trùng với đỉnh phụ tải).

Tuy vậy, giá của CSP đang giảm, và mức gia tăng dự kiến về xây dựng mới các nhà máy sẽ giúp việc đẩy giá tiếp tục hạ xuống. Phần lớn các công ty đều đang nhắm tới mức giá hợp đồng mục tiêu 15 cent/kWh ở Mỹ, trong khi đó, theo ông Tom Hunt thuộc Hội đồng Môi trường Cộng đồng thì “giá điện từ các nhà máy chạy bằng khí tự nhiên xây mới là vào khoảng 9 cent/kWh ở phụ tải nền, và tăng tới mức từ 12 đến 48 cent/kWh đối với phụ tải đỉnh, tùy thuộc vào bạn đọc báo cáo nào”. Khác với các nhà máy chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, mà theo dự báo giá sẽ tăng theo thời gian, các nhà máy CSP không phải trả chi phí nhiên liệu, và do vậy không có các bất ngờ về giá trong tương lai một khi hợp đồng đã được ký kết.

Ít nhất là có một công ty nói rằng họ đã giải quyết được vấn đề về chi phí. Công ty Mỹ-Australia Ausra có bản quyền thiết kế mới mà theo họ nói là có thể sản xuất điện năng với giá 10 cent/kWh. Không chỉ vì thiết kế của Ausra rẻ hơn mà công ty này còn tiết kiệm tiền bằng cách chế tạo các tổ máy càng gần nơi lắp đặt càng tốt, để giảm chi phí vận chuyển. Ausra hiện đang xây dựng một nhà máy chế tạo thiết bị CSP “lớn nhất thế giới” ở Nevada mà có khả năng sản xuất thiết bị lắp đặt 700 MW công suất mỗi năm cho các hệ thống mới để cung cấp điện cho thị trường “nóng” miền Tây Nam nước Mỹ. Các công ty khác cũng cắt giảm giá thành tổ máy bằng cách sử dụng vật liệu nhẹ hơn, ít chi tiết chuyển động hơn cùng nhiều cải tiến khác.

Một nhân tố sẽ cho phép CSP cạnh tranh sớm hơn với nhiên liệu hóa thạch trên một sân chơi bình đẳng là giá than. Theo một bài viết mới đây trên tạp chí EnergyBiz, ông David Crane, giám đốc điều hành của NRG Energy Inc. đã nói: “Mọi người đều nghĩ rằng sắp tới giá than sẽ tăng. Điều đó có thể sẽ khiến giá thành điện sản xuất từ than tăng lên đáng kể.

Một thách thức lớn nữa đối với CSP là khả năng sản xuất năng lượng “24/7”, giống như các nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu hóa thạch. Các nhà máy CSP có thể phải tích trữ trong 16 giờ để có thể phát điện cả ngày. Ausra nói rằng các nhà máy nguyên mẫu của họ có thể tích trữ năng lượng trong 20 giờ – một bước đột phá mà nếu thực hiện được, không chỉ ở giai đoạn chạy thử, sẽ đưa Ausra lên vị trí dẫn đầu. Bộ thu gom năng lượng mặt trời của Ausra sử dụng một hệ thống tích trữ bản quyền, nhưng ý tưởng cơ bản là tập trung ánh sáng vào các ống chứa đầy nước, như vậy sẽ trực tiếp sinh ra hơi. Tích trữ nhiệt hiệu quả hơn tích trữ điện: chỉ có từ 2 đến 7% năng lượng bị tổn thất trong hệ thống trữ nhiệt, so với tổn thất ít nhất là 15% khi năng lượng được trữ trong ắcqui, theo đánh giá của MIT Technology Review. Ausra sẽ khởi công xây dựng một nhà máy thương mại công suất 175 MW ở California vào cuối năm 2008.

Vượt qua mọi khó khăn

Vấn đề truyền tải có thể sẽ phức tạp hơn so với các nhà máy sử dụng nhiên liệu hóa thạch bởi vì không phải lúc nào cũng có thể xây dựng các nhà máy CSP lớn gần các trung tâm phụ tải. Một bài viết trên tạp chí Scientific American mới đây đã trình bày một “kế hoạch vĩ đại” để đẩy mạnh phát triển năng lượng mặt trời (CSP cũng như pin mặt trời) ở nước Mỹ. Bài viết này kêu gọi thay thế hệ thống đường dây điện xoay chiều hiện có gây tổn thất quá nhiều điện năng khi vận chuyển đi xa, bằng hệ thống truyền tải điện cao thế một chiều (HVDC), có mức tổn thất nhỏ hơn nhiều so với các đường dây điện xoay chiều trên cùng khoảng cách. Tạp chí lưu ý rằng: “Đơn giản là hệ thống dòng điện xoay chiều không khả thi, dẫn tới các vụ mất điện nghiêm trọng ở California và nhiều vùng khác; đường dây điện một chiều xây dựng rẻ hơn và yêu cầu ít mặt bằng hơn so với đường dây điện xoay chiều tương đương.”

Nước sử dụng là một trở ngại tiềm năng khác. Một số thiết kế CSP yêu cầu nước để làm mát nhà máy, một điều phi thực tế ở sa mạc. Các chuyên gia nói rằng cần phải nghiên cứu và phát triển để cải tiến, làm mát bằng không khí. Một vài loại hình, như là các tổ máy hình đĩa, không cần nước làm mát. Các nhà máy cũng có thể xây dựng gần biển, điện năng sản xuất ra có thể cấp cho nhà máy khử muối để có được nguồn nước làm mát.

Một vấn đề liên quan đến môi trường là việc bố trí những khu công nghiệp năng lượng mặt trời lớn trên các vùng sa mạc nơi mà sự sống hết sức mong manh. Rõ ràng là cần phải rất thận trọng để giảm thiểu tác động, tránh không để CSP bị coi như vị khách không mời mà đến, giống như nhiều trại phong điện lớn tại một số địa phương.

Một vấn đề khác nữa về vấn đề địa điểm bố trí, đó là các dự án này cần những khoảnh đất tương đối rộng lớn so với các nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch. Không phải tất cả các nhà máy CSP đều “ngốn” nhiều diện tích đất như nhau. Ông Rob Morgan, giám đốc phát triển của Ausra nói: “Về vấn đề đất, chúng tôi sử dụng hiệu quả gấp hơn hai lần”. Ông Morgan khẳng định rằng nếu sử dụng công nghệ của Ausra, có thể dùng diện tích đất hình vuông mỗi cạnh dài 92 dặm (148 km) là có thể “cung cấp toàn bộ điện năng của nước Mỹ – toàn bộ lưới điện nước Mỹ – cả ngày lẫn đêm” (mức tiêu thụ điện hiện nay của Mỹ bằng 25% mức sử dụng điện toàn thế giới). Theo trang web của Ausra thì “diện tích đất này chưa bằng 1% diện tích vùng sa mạc ở Mỹ, nhỏ hơn cả diện tích hiện đang sử dụng ở Mỹ để khai thác than, và chỉ là một phần nhỏ bé so với diện tích đất hiện đang sử dụng cho nông nghiệp”. Ausa cũng lưu ý rằng CSP cũng chiếm dụng ít đất hơn nhiều so với các nhà máy thủy điện lớn.

Không có vấn đề nào không thể vượt qua được, nhưng để thành công phải giải quyết bằng cách triển khai trên qui mô lớn. Các chuyên gia trong ngành cho rằng trước mắt vẫn cần có những biện pháp khuyến khích để giúp ngành đối phó với các thách thức này. Trong thập kỷ vừa qua, Cộng đồng châu Âu đã chi khoảng 25 triệu euro để trợ giúp phát triển công nghệ này. Ở Mỹ, tín dụng thuế đầu tư (investment tax credit – ITC) giúp khuyến khích nghiên cứu và phát triển (R&D), nhưng sau hai năm phải xin cấp lại, khiến cho các đơn vị muốn triển khai dự án cảm thấy không chắc chắn.

Một loại hình khuyến khích khác nữa là biểu giá ưu tiên (feed-in tariff), hiện đang áp dụng thử ở Tây Ban Nha. Theo một số chuyên gia, hình thức trợ cấp này mang tính trực tiếp hơn, do vậy kém tác dụng trong việc khuyến khích cải tiến giảm giá. Ông Arnold Leitner, chủ tịch của Skyfuel, nói: “Với các mức giá như vậy, mọi việc đều xoay quanh các dự án, người ta chỉ cần mỗi một việc là xây dựng xong công trình.”

Những vướng mắc ở  châu Phi

Làm sao để công nghệ này (ngoài ánh nắng mặt trời) đến được với các nước nghèo và có mức thu nhập trung bình? Tiềm năng chắc chắn là có đối với các quốc gia có khí hậu nóng và khô. Hai trong số những quốc gia sử dụng năng lượng có mức tăng trưởng cao nhất là Trung Quốc và Ấn Độ, được thiên nhiên ưu đãi về nguồn năng lượng mặt trời ở sa mạc để cấp điện cần thiết cho phát triển kinh tế. Mexico cũng có trữ lượng khổng lồ năng lượng mặt trời gần các thành phố lớn của cả Mexico lẫn Mỹ. Và đương nhiên, ở sa mạc Sahara, chúa tể của các sa mạc, có nhiều chuyên gia về CSP háo hức tìm đến tài nguyên tiềm năng.

Năm ngoái, các kỹ sư châu Âu đã tiết lộ kế hoạch xây dựng các nhà máy CSP công suất hàng ngàn mêgaoat để đấu nối qua đường cáp cao thế đặt ngầm dưới biển tới Bắc Âu – đủ để đáp ứng tới 1/6 nhu cầu điện của châu Âu. Theo đài BBC thì các kỹ sư tại Trung tâm Hàng không vũ trụ Đức (German Aerospace Center) là cơ quan tiến hành nghiên cứu khả thi, coi dự án này “như một kịch bản có lợi cho tất cả các bên để sản xuất ra điện, nước, đem lại thu nhập cho vùng Trung Đông và Bắc Phi.”

Một bài viết trên tạp chí Guardian của Anh Quốc khẳng định: “Dự án Sa mạc vạch ra một vành đai gồm hàng ngàn các nhà máy như vậy sẽ được xây dựng dọc theo bờ biển Bắc Phi và bao quanh bờ Địa Trung Hải vùng Trung Đông. Bằng cách như vậy, có thể phát ra tới 100 GW điện năng: hai phần ba số này sẽ dành cho các nhu cầu địa phương, phần còn lại – khoảng 30 GW – sẽ được xuất khẩu sang châu Âu”. Hơi quá nhiệt của các nhà máy này sẽ được sử dụng để khử muối trong nước (nói chung, đây là công đoạn tiêu tốn nhiều năng lượng).

Các sa mạc của châu Phi lẽ ra cũng phải thích hợp với CSP phục vụ trong nước, tuy  nhiên cho đến nay vẫn chưa có mấy tiến bộ. Công ty điện lực Eskom của Nam Phi đã nhiều năm nay nghiên cứu kế hoạch cho một nhà máy CSP công suất 100 MW, nhưng việc quyết định xây dựng vẫn bị trì hoãn. Địa điểm chọn là một trong những vị trí tốt nhất thế giới để xây dựng nhà máy năng lượng mặt trời. Công ty này hy vọng sử dụng càng nhiều càng tốt các nhà sản xuất linh kiện tại địa phương.

Tuy vậy, nạn thiếu hụt điện trầm trọng mới đây đã đẩy Eskom vào một tình thế khủng hoảng, và không rõ là nhà máy CSP mới này sẽ tận dụng được hay sẽ bị chìm nghỉm trong vòng xoáy đó. Nhưng rõ ràng là Eskom sẽ phải tìm ra những phương cách sáng sủa để sản xuất năng lượng. Hiện nay, các nhà máy nhiệt điện than sản xuất khoảng 90% điện năng của Nam Phi. Theo giám đốc điều hành của Eskom thì nếu Eskom là một quốc gia, công ty này sẽ xếp hạng thứ 25 trong số những quốc gia gây ô nhiễm CO2 nhất trên toàn thế giới. Công ty khổng lồ này còn cung cấp điện cho các nước láng giềng, và đang xem xét xây dựng một chuỗi các nhà máy điện hạt nhân, và con đập lớn nhất thế giới trên sông Congo.

Các quốc gia khác ở Nam Phi còn tụt mãi đằng sau hơn. Morteza Abekenari, giám đốc điều hành của Solar Power, một công ty có cơ sở ở Botswana chuyên chế tạo các tấm pin mặt trời, nói rằng ông đã có nhiều năm cố gắng thuyết phục các cơ quan chức năng phụ trách vấn đề năng lượng tại địa phương về ý tưởng tập trung năng lượng mặt trời, mà không có kết quả. Ông nói với Francistown Voice: “Mở đầu, chúng tôi nói rằng mặt trời chính là viên kim cương tồn tại mãi mãi của Botswana, nhưng ý tưởng về năng lượng mặt trời ở đây thì lại giống như chuyện khoa học viễn tưởng.”

Tiến tới cỡ công suất nhỏ

Không có gì đáng ngạc nhiên nếu như một quốc gia nhỏ bé với một nhu cầu về năng lượng thấp như Botswana cảm thấy do dự trước các khoản chi lớn phải bỏ ra để xây dựng các nhà máy CSP quy mô lớn và mở rộng lưới điện. Nhưng có một phương án khác có thể thích hợp cho những vùng mà việc mở rộng lưới điện là không khả thi. Trạm CSP nhỏ là phiên bản thu nhỏ của nhà máy đàn anh, có thể dễ dàng lắp đặt và vận chuyển đến từ xa một cách hiệu quả về chi phí.

Ít nhất là có một công ty mang tên Sopogy có cơ sở ở Hawaii, đã triển khai một tổ máy đặt trên mái nhà có thể phát điện cung cấp cho một tòa nhà đơn lẻ hoặc một tổ hợp công nghiệp. Khác với các linh kiện CSP chuẩn, tổ máy của Sopogy được triển khai cho các vùng khí hậu ẩm hơn, và hiện nay công ty này đang bắt đầu tiếp thị khắp nơi trên thị trường thế giới cho các hộ sử dụng công nghiệp lớn và những tổ hợp dân cư/khách sạn. Công suất các hệ thống này nằm trong phạm vi từ 500 kW đến 10 MW.

Ông Al Yuen của công ty Sopogy nói: “Tôi tin rằng các trạm CSP nhỏ có tiềm năng lớn tạo ra sự khác biệt ở những nước đang phát triển. Điều này là đặc biệt đúng khi áp dụng cho công nghệ xử lý nhiệt, hiệu suất đạt tới 60 – 70%, và có thể sẽ là giải pháp năng lượng mặt trời với chi phí thấp nhất.”

Rõ ràng là CSP là phương án rất hiện thực với tiềm năng khổng lồ – nhưng giống như các dạng năng lượng tái tạo khác, nó chỉ là một phần của giải pháp. Ông George Douglas thuộc NREL nói: “Không thể có một đáp án duy nhất cho việc đưa năng lượng tái tạo lên lưới. CSP sẽ ngày càng đóng góp nhiều hơn nữa. Vai trò của gió sẽ gia tăng. Và năng lượng của đại dương cũng có một tiềm năng bao la. Xa hơn chút nữa có thể là pin mặt trời hữu cơ và pin mặt trời sử dụng vật liệu nanô. Chúng ta sẽ thấy một sự phối hợp dựa trên yếu tố địa lý và chi phí”.

Leave a Reply

Thư điện tử của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *