Xu hướng điện gió ngoài khơi trên thế giới

Tại sao cần phát triển điện gió ngoài khơi?

Điện gió đất liền phát triển dẫn đến vấn đề về khả năng sử dụng đất. Những vấn đề như tiếng ồn của tuabin và ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên là những lý do chính dẫn đến con người từ chối việc xây dựng tuabin cạnh khu dân cư. Trái lại, mặc dù vận hành giống như điện gió trên bờ, việc lắp đặt trên biển có những lợi ích như nhiều khoảng trống hơn và ít phàn nàn về vấn đề tiếng ồn và tầm nhìn. Bên cạnh đó, gió trên biển mạnh hơn, ổn định hơn so với trên đất liền. Vùng ven biển với nhu cầu phụ tải cao, việc lắp đặt điện gió ngoài khơi không những giúp giảm áp lực lên lưới mà còn giúp giảm hiệu ứng nhà kính. Vậy nên điện gió ngoài khơi trở thành một trong những công nghệ phát triển nhanh nhất và là sự tập trung trong tương lai của nhiều quốc gia trên thế giới. [7]

Tình hình phát triển điện gió trên thế giới [8]

Hình 1‑5 Các yếu tố cần tìm hiểu của điện gió ngoài khơi [9]

Điện gió ngoài khơi cũng như điện năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo, sự phát triển chính của nó thông qua điện gió đất liền.Tuabin gió ngoài khơi đầu tiên được lắp đặt năm 1990 tại Thụy Điển. Công trình này được lắp đặt một tuabin công suất 220 kW đặt cách bờ 350 m ở độ 6m. Giữa những năm  1991 và 1998, những thí nghiệm được thực hiện với những loại tuabin khác nhau và loại nền khác nhau. Loại tuabin 450-460 kW được sử dụng cho những dự án này, khoảng cách từ bờ lên tới 4 km và độ sâu đạt 6m.

Sau lần thí nghiệm năm 2000 tại Thụy Điển, dự án Ulgrunden, đây là dự án đầu tiên với những đặc điểm của nó đã được đặt mua rất nhiều Megawat.

Hình 1‑6 Sự phát triển của điện gió ngoài khơi từ năm 1990-2007

• Châu Âu

Ở châu Âu,  điện gió ngoài khơi tiếp tục phát triển và gia tăng những đóng góp vào lưới điện. Xu hướng này phát triển bởi năng lượng tái tạo nhận được những chính sách hỗ trợ và quỹ cộng đồng nên gia tăng sức cạnh tranh.

Tính năm 2019, Liên hiệp Anh và Đức là hai quốc gia lắp đặt thêm lớn nhất. Bảng sau thể hiện công suất lắp đặt ở châu Âu qua các năm và dự đoán công suất lắp đặt năm 2020, 2025 và 2030 . Tuy nhiên, năm 2019 các quốc gia châu Âu phát triên Kế hoạch năng lượng và khí hậu quốc gia (NECPs) và họ đặt tầm nhìn đến năm 2030 lắp đặt lên tới 100 GW . Theo hiệp định định chiến lược giảm thiểu cacbon dài hạn thì châu Âu sẽ cần thêm 230 đến 450 GW điện gió ngoài khơi trước năm 2050 [8]

Bảng 1‑1 Sự phát triện của điện gió ngoài khơi ở châu Âu [8]

• Trung Quốc

Ngoài châu Âu thì Trung Quốc cũng đang là quốc gia có điện gió ngoài khơi phát triển. Hết năm 2019, công suất lắp đặt điện gió ngoài khơi của Trung Quốc là 4,3 GW và họ đặt mục tiêu 5GW trước năm 2020 . Có thể thấy từ năm 2016 công suất lắp đặt ở Trung Quốc bắt đầu tăng nhanh, riêng năm 2018 thì công suất thêm là 2,3 GW. Đến năm 2031 thì công suất lắp đặt ở Trung Quốc có thể lên đến 31 GW trong khi châu Âu là 49 GW.[8]

Hình 1‑7 Sự phát triển điện gió ngoài khơi ở Trung Quốc [8]

Hình 1‑8 Ước tính tổng công suất điện gió ngoài khơi các quốc gia năm 2031 [8]

• Việt Nam:

Tính đến hết năm 2019 chỉ có 99,2 MW điện gió ngoài khơi được lắp đặt . Theo bản quy hoạch điện VIII thì công suất điện gió là 19 GW chiếm 13,8 % trước năm 2030 và đạt 60 GW chiếm 21,8% nguồn điện trước năm 2045.[10]

Hình 1‑9 Dự báo công suất lắp đặt tại Việt Nam[10]

 Độ sâu và khoảng cách

Ở châu Âu, phần lớn khu vực có thể lắp đặt điện gió ngoài khơi có thể lắp đặt ở khoảng cách 50 km.

Hình 1‑10 Khoảng cách lắp đặt tới bờ của tuabin gió ngoài khơi

Trên hình vòng tròn đen thể hiện công suất trước năm 2013 còn vòng tròn đỏ thể hiện công suất sau năm 2013. Có thể thấy rằng tuabin gió ở vùng lớn hơn 20 km và nhỏ hơn 50 km chiếm tỷ lệ lớn nhất là 42,66% trong khi tuabin ở vị trí nhỏ hơn 20 km chiếm tỷ lện nhỏ nhất. Điều này thể hiện xu hướng các tuabin gió ngày càng lắp đặt ở vị trí xa bờ hơn trong tương lai.

Khoảng cách lắp đặt càng xa dẫn đến tăng về độ sâu. Trước năm 2013 tuabin gió lắp ở độ sâu 15 đến 30 m chiếm 9,34 % tuy nhiên sau năm 2013 tỷ lệ này là 38,27 % và vị trí lắp đặt ở độ sâu trên 30 m chiếm tỷ lệ cao lên đến 38,18 % [8]

Hình 1‑11 Khoảng cách và độ sâu ứng với công suất tuabin gió[8]

Từ năm 2008 đến năm 2019 khoảng cách trung bình tăng gấp 4,5 lần. Độ sâu tăng 60%. Độ sâu lắp đặt lớn nhất là 56m và khoảng cách xa nhất là 120 km.

Hình 1‑12 Xu hướng độ sâu trung bình [8]

Độ sâu trung bình của điện gió ngoài khơi có xu hướng gia tăng trong những năm tới. Dự đoán đến năm 2025 và 2030 độ sâu trung bình có thể lên đến 45 và 55m.

Hình 1‑13 Xu hướng khoảng cách trung bình [8]

Khoảng cách trung bình năm 2025 và 2030 có thể lên đến 80km và 100km.

Tại Việt Nam các dự án điện gió chủ yếu nằm ở khu vực bãi triều [10]

• Công nghệ tuabin

Tuabin của điện gió ngoài khơi khác so với điện gió đất liền, nó được thiết kế để chịu được điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Tuabin điện gió ngoài khơi có rotor và cánh quạt lớn nên cần máy phát công suất lớn. Một điểm quan trọng nữa là giá thành lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng và xây dựng ngày càng rẻ khi kính cỡ tuabin tăng dẫn đến điện gió ngoài khơi trở thành xu hướng phát triển trong tương lai.

Điểm khác biệt giữa công nghệ điện gió ngoài khơi và điện gió đất liền là DFIG, SCIG với bộ inverter full-scale và PMSG được ứng dụng bởi hiệu quả năng lượng cao. Hình thể hiện phần trăm máy phát trong các loại máy phát được sử dung. Vòng màu đen thể hiện trước năm 2013 và vòng màu đỏ thể hiện số liệu từ năm 2013 đến năm 2019. Có thể thấy từ năm 2013 máy phát PMSG mới được lắp đặt nhưng lại chiếm tỷ lệ 49,29% trong tổng số máy phát. Trong khi đó máy phát SCIG tăng từ 10,92 lên 27,3%. Máy phát loại DFIG tăng nhẹ từ 4,89 lên 6,9%.

Bảng sau thể hiện loại máy phát lắp đặt ở châu Âu từ năm 2002 đến năm 2019. Loại SCIG chiểm tỷ lệ lớn nhất 50,7% trong khi loại PMSG dù mới được lắp đặt năm 2013 nhưng chiếm tỷ lệ 36,3% còn lại là DFIG chiếm 13%. Tuy nhiên xu hướng lắp đặt lại khác nhau. Từ năm 2016 đến năm 2019 có 1265 loại PMSG được lắp đặt trong khi loại DIFG là 54 và 388 loại SCIG. Ngoài ra không có loại DIFG nào được lắp đặt năm 2018 và 2019.

Hình 1‑14 Các loại máy phát được lắp đặt ở châu Âu [8]

Bảng 1‑2 Mẫu máy phát được lắp đặt ở châu Âu năm 2002 đến 2019[8]

Trong thời gian từ 2002 đến năm 2019 máy phát SCIG được sử dụng nhiều nhất 50,7 %. Máy phát DFIG sử dụng thấp nhất là 13%. Được sử dụng từ năm 2016 tuy nhiên máy phát PMSG ngày càng được sử dụng rộng rãi.

• So sánh điện gió ngoài khơi với điện gió đất liền
• Lợi ích

Điện gió ngoài khơi và điện gió đất liền có chung những lợi ích khi so sánh với nguồn năng lượng truyền thống như phát thải ít cacbon trong quá trình sử dụng cũng như nitro oxides và sulfur oxides. Sau đây là những lợi ích khi dùng điện gió ngoài khơi so với điện gió đất liền.[11]

Điện gió trên bờ trong một số trường hợp được lắp đặt bởi vìsử dụng chung quỹ đất. Tiềm năng điện gió ngoài khơi là giảm vấn đề này. Điện gió ngoài khơi đặt xa bờ  nên không gây tiếng ồn và giảm tầm nhìn cho khu dân cư.

b. Năng lượng

Điện gió ngoài khơi mạnh hơn và ổn định hơn điện gió đất liền. Vậy nên tuabin gió có thể vận hành công suất lớn nhất trong phần lớn thời gian và ổn định hơn về tốc độ đồng thời cung cấp công suất ổn định vào lưới điện. Việc tăng tốc độ gió dẫn đến tăng sản lượng điện lên đến 150% và hệ số công suất tăng lên từ 25 đến 40%.

Hình 1‑15 So sánh tiềm năng của onshore và offshore với độ sâu khác nhau [7]

c. Vận tải và xây dựng

Việc phát triển trong khai thác dầu và khí đốt ngoài khơi có thể cung cấp thiết bị lớn hơn điện gió trên bờ vậy nên những tuabin lớn có thể lắp đặt hiệu quả trên biển. Kích cỡ của những tuabin gió trên bờ bị giới hạn bởi khả năng vận chuyển cánh quạt, tháp và nacells. Tuy nhiên khi lắp đặt ở ngoài khơi thì việc này không là vấn đề lớn, tuabin có thể lắp đặt lên tới 5 đến 10MW. Những tuabin lớn mang lại lợi ích kinh tế hơn.

d. Xem xét khả năng thiết kế

Khi lắp đặt điện gió trên bờ, vấn đề gặp phải là tiếng ồn. Tuy nhiên khi lắp đặt ngoài khơi thì vấn đề này không cần quan tâm. Chính vì vậy ta có thể lắp đặt những tuabin lớn hơn mà không sợ ảnh hưởng đến khu dân cư như điện gió trên bờ.

Điện gió ngoài khơi có thể sử dụng tháp lattice thay vì turbular. Những tháp này cần ít nguyên liệu hơn nên rẻ hơn.

• Hạn chế của điện gió ngoài khơi [7]

Ở điện gió đất liền, chi phí cảu tuabin chiếm 75 % tổng dự án trong khi ở điện gió ngoài khơi chi phí tuabin chiếm xấp xỉ 33%. Điều đó chứng minh còn có những thành phần và chi phí khác đắt hơn so với điện gió đất liền. Chi phí cho một megawat điện gió ngoài khơi là 2 triệu euro/MW, nhiều hơn so với điện gió đất liền. Ngoài ra chi phí này có thể tăng lên 4 triệu euro/MW. Hình sau thể hiện chi phí cho mỗi MW công suất lắp đặt. Điều này thể hiện xu hướng chi phí lắp đặt ngày càng gia tăng.

Hình 1‑16 Công suất tuabin mỗi MW tuabin gió lắp đặt ở United Kingdom [7]

Theo báo cáo [6]giá điện cho trang trại điện gió ngoài khơi dao động giữa 6 đến 12 euro/kWh so với 3-8 euro/kWh của điện gió đất liền. Hình sau thể hiện phần trăm những thành phần của điện gió ngoài khơi.

Hình 1‑17 Thành phần trong tổng chi phí hệ thống của điện gió ngoài khơi vùng nước cạn [12]

Sự khác nhau giữa điện gió ngoài khơi và đất liền ở phần nền móng, kết nối lưới, vận hành và bảo dưỡng. Những chi phí này dự kiến sẽ tăng trong tương lai khi mà điện gió ngày càng lắp xa bờ và sâu hơn.

Chí phí này phụ thuộc vào độ sâu và khoảng cách lắp đặt. Bảng sau thể hiện điều đó:

Bảng 1‑3 Chi phí đầu tư điện gió ngoài khơi ở những khoảng cách khác nhau với công suất khoảng 1 đến 1,5MW [12]

Có thể thấy rằng càng lắp đặt xa bờ chi phí càng tăng. Cụ thể, chi phí lắp đạt ở khoảng cách 10 km là 465,000 trong khi chi phí lắp đặt ở khoảng cách 50-100km là 816,000 tức tăng 75%.

Khi lắp đặt xa bờ đồng nghĩa nó ở độ sâu hơn. Hình sau thể hiện chi phí khi lắp đặt ở độ sâu khác nhau:

Bảng 1‑4 Chi phí ở độ sâu khác nhau (€/kW) [12]

Ta thấy rằng chi phí lắp đặt ở độ sâu 10-20km bằng chi phí lắp đặt ở độ sâu 20-30 km.

Càng sâu thì chi phí cho nền càng tăng. Cụ thể khi lắp ở 10-20km chi phí là 352 còn khi lắp ở 20-30km chi phí là 466 tức tăng 32 %.

Trong tương lai chi phí đầu tư điện gió ngoài khơi và điện gió đất liền được dự đoán như sau:

Bảng 1‑5 Dự đoán chi phí cho mỗi kW điện gió đất liền và ngoài khơi [12]

Có thể thấy, chi phí điện gió ngoài khơi vẫn sẽ cao hơn so với điện gió đất liền. Năm 2020 cao hơn 54% nhưng đến năm 2050 dự đoán sẽ cao hơn 52% khi mà chi  phí khác ngoài tuabin sẽ giảm. Hình sau thể hiện xu hướng chi phí các thành phần của điện gió ngoài khơi trong tương lai.

Hình 1‑18 Xu hướng giá điện gió ngoài khơi trong tương lai  [12]

Tài liệu tham khảo

[7]      M. D. Esteban, J. J. Diez, J. S. López, and V. Negro, “Why offshore wind energy?,” Renewable Energy, vol. 36, no. 2. 2011, doi: 10.1016/j.renene.2010.07.009.

[8]      E. P. P. Soares-Ramos, L. de Oliveira-Assis, R. Sarrias-Mena, and L. M. Fernández-Ramírez, “Current status and future trends of offshore wind power in Europe,” Energy, vol. 202, Jul. 2020, doi: 10.1016/j.energy.2020.117787.

[9]      C. Walsh, “Offshore wind in Europe - key trend and statistics 2019,” 2019.

[10]   “Analysis of Asia-Pacific offshore wind market: Vietnam_Topic Analysis_Wind | InfoLink.” https://www.infolink-group.com/en/wind/wind-analysis/Asia-Pacific-offshore-wind-market-analysis-Vietnam (accessed Jul. 22, 2021).

[11]   B. Snyder and M. J. Kaiser, “Ecological and economic cost-benefit analysis of offshore wind energy,” Renew. Energy, vol. 34, no. 6, pp. 1567–1578, Jun. 2009, doi: 10.1016/j.renene.2008.11.015.

[12]   X. Sun, D. Huang, and G. Wu, “The current state of offshore wind energy technology development,” Energy, vol. 41, no. 1. Elsevier Ltd, pp. 298–312, 2012, doi: 10.1016/j.energy.2012.02.054.