Nội dung

202 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 PIN MẶT TRỜI TRÊN MÁI NHÀ: HIỆN TẠI VÀ TƯƠNG LAI VỚI GÓC NHÌN TỪ NHẬT BẢN Nguyễn Phúc Khải (1),(2), Võ Ngọc Điều (1) (1) Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TPHCM (2) Viện Kỹ thuật Shibaura, Tokyo, Nhật Bản Tóm tắt: Bài viết nhằm cung cấp những kết quả đạt được và định hướng trong tương lai của hệ thống pin mặt trời trên mái nhà (rooftop solar) của Nhật Bản. Kể từ thảm họa kép động đất - sóng thần và sự cố nhà máy điện hạt nhân ở Fukushima vào năm 2011, Chính phủ Nhật Bản đã có nhiều thành công trong việc chuyển đổi hệ thống năng lượng hướng đến các nguồn năng lượng sạch như năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Trong đó, năng lượng mặt trời đã tăng công suất từ 5,000 MW năm 2011 lên 25,000 MW năm 2014 và hứa hẹn còn tiến triển trong thời gian tới. Phần năng lượng đóng góp từ mái nhà được dự báo đóng góp phần lớn sản lượng của năng lượng mặt trời. Song song với đó, việc phát triển của hệ thống Internet vạn vật (Internet of things - IoT) mang đến sự liên kết mới giữa hệ thống phát điện nhỏ và IoT để tạo ra hệ thống Internet of Energy – IoE. Bài báo này trình bày tổng hợp những kết quả của việc phát triển hệ thống năng lượng mặt trời đồng thời nêu ra dự báo phát triển lưới phân phối trong thời gian tới dựa trên quá trình phát triển của thị trường Nhật Bản. I. GIỚI THIỆU Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Tại Việt Nam, Bộ Công thương cùng nhóm nghiên cứu CIEMAT đã tiến hành đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam [1]. Kết quả cho thấy, tiềm năng năng lượng mặt trời thu được từ hệ thống pin mặt trời vào khoảng 0.8 – 1.2 GWh/năm. Trong đó, các tỉnh ven biển miền Trung, Tây Nguyên, Tây Bắc, Đông Nam Bộ và Đồng bằng sông Cửu Long có khả năng phát triển hệ thống pin mặt trời. Bên cạnh đó, Nhật Bản là một quốc gia phát triển có diện tích và dân số tương đương với Việt Nam, đã có nhiều thay đổi trong chính sách năng lượng kể từ sau thảm họa hạt nhân Fukushima 2011 [2]. Nhật Bản đã chú trọng phát triển hệ thống pin mặt trời với nhiều dạng dự án khác nhau. Trong quá trình phát triển đó, nhiều bài học về việc phát triển năng lượng mặt trời đã được đúc kết. Bài viết này nhằm tổng hợp các thông tin về việc phát triển năng lượng mặt trời của Nhật Bản trong thời gian và định hướng trong tương lai. Bên cạnh đó, với sự phát triển của khoa học máy tính và hệ thống IoT, bài viết giới thiệu mô hình lưới phân phối mới tương ứng với sự phát triển của hệ thống pin mặt trời trên mái nhà (rooftop). Bài viết được chia ra làm 4 phần. Phần hai của bài viết giới thiệu về chính sách năng lượng PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 203 điện của Nhật Bản trước và sau sự cố điện hạt nhân Fukushima. Phần tiếp theo là đề xuất mô hình lưới điện phân phối mới. Cuối cùng là tổng kết. II. CHÍNH SÁCH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CỦA NHẬT TRƯỚC VÀ SAU SỰ CỐ FUKUSHIMA 1. Trước sự cố Fukushima Trước sự cố Fukushima, Nhật Bản chưa đặt trọng tâm việc phát triển năng lượng vào các lĩnh vực năng lượng tái tạo. Tỷ lệ của năng lượng tái tạo (bao gồm cả thủy điện) chỉ tăng từ 3.5% vào năm 1990 lên 4.6% vào năm 2012. Đến năm 1999, Nhật Bản mới ghi nhận năng lượng mặt trời để phát điện với công suất 209 MW. Theo hình 1, vào giai đoạn những năm 2000, Nhật Bản chú trọng phát triển năng lượng hạt nhân, khí thiên nhiên và than, giảm thiểu việc sử dụng dầu do chi phí đắt đỏ. Hình 1: Sản lượng sản xuất điện phân chia theo các nguồn năng lượng của Nhật Bản [3] Bên đó, việc tham gia Nghị định thư Kyoto 1997, Nhật Bản hoạch định chiến lược giảm lượng khí thải CO2 bằng cách tăng cường sử dụng năng lượng hạt nhân. Theo “Luật Cơ sở về chính sách năng lượng” phiên bản năm 2010, Nhật Bản dự kiến xây dựng thêm 14 nhà máy điện hạt nhân đến năm 2030, trong đó 9 nhà máy sẽ hoàn thành vào năm 2020 và nâng tổng số nhà máy điện hạt nhân lên 54 nhà máy. Khi đó, với chiến lược phát triển dựa vào năng lượng hạt nhân, Nhật Bản kỳ vọng sẽ giảm 30% lượng CO2 so với năm 1999, đồng thời năng lượng hạt nhân sẽ chiếm 50% tổng sản lượng điện sản xuất [2]. 2. Sau sự cố Fukushima Nhật Bản buộc phải dừng tất cả các nhà máy điện hạt nhân trên toàn quốc và đỉnh điểm là năm 2014 như hình 2 và thay bằng chính sách năng lượng tái tạo “Renewable Energy Act”. Để kích thích sức đầu tư vào lĩnh vực năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, Nhật Bản cam kết giá mua điện trong 10 năm đối với năng lượng mặt trời là 44 204 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 yên/kWh (tương đương 44 cent/kWh) và là mức giá cao nhất thế giới tại thời điểm đó. Kết quả, công suất lắp đặt của năng lượng mặt trời tăng trưởng vượt bậc hơn hẳn so với năng lượng gió và biomass như hình 3. Electricity generation by Nuclear 350 Production (TWh) 300 288.2 250 200 150 100 61.8 50 15.9 9.3 0 2012 2013 2014 10.6 0 2011 2015 2016 Hình 2: Sản lượng điện từ năng lượng hạt nhân trong giai đoạn 2011 – 2016 [4] Installed Capacity of Renewables in Japan 35000 Installed Capacity (MW) 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 PV Wind Biomass Hình 3: Công suất lắp đặt của các nguồn năng lượng tái tạo ở Nhật Bản [4] Tuy nhiên, thật sự Nhật Bản đã không hoàn toàn thành công trong việc thúc đẩy việc sử dụng năng lượng mặt trời. Kết quả khảo sát từ năm 2012 đến năm 2014, bảng 1, PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 205 cho thấy tỷ lệ thực hiện các dự án năng lượng mặt trời thương mại đạt tỷ lệ thấp chỉ ở mức 13.8%, trong khi năng lượng mặt trời công suất nhỏ (dưới 10 kW) lại đạt tỷ lệ lắp đặt cao (82.7%). Mặc dù được kỳ vọng cao, tuy nhiên các dự án năng lượng mặt trời công suất lớn đều không thể thực hiện vì nhiều lý do khác nhau. Trước hết là thay đổi chính sách của Chính phủ trong việc hỗ trợ các nguồn năng lượng tái tạo. Giá mua điện cam kết được Chính phủ ấn định hàng năm và giảm dần đều qua các năm, như hình 4. Bên cạnh đó, do các nguồn năng lượng hóa thạch giảm giá trong những năm gần đây nên Nhật Bản tăng cường sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch và tái khởi động các nhà máy điện hạt nhân để đảm bảo nhu cầu sử dụng điện. Khó khăn thứ hai của các dự án năng lượng mặt trời công suất lớn là việc bồi hoàn đất để thực hiện dự án. Qua khảo sát cho thấy, 672 dự án với tổng công suất lắp đặt dự kiến 3 GW không thể mua hoặc thuê đất để thực hiện. Ngoài ra, các dự án năng lượng mặt trời lớn khó ký kết hợp đồng với 4 công ty điện lực nhỏ của Nhật là Kyushu, Hokkaido, Tohoku và Shikoku. Nguyên nhân chủ yếu là do năng lượng mặt trời có tính bất ổn định cao vì vậy khi hòa lưới sẽ làm giảm tính ổn định của hệ thống [2]. Tuy nhiên, chính sách về năng lượng tái tạo thật sự kích thích sự đầu tư của người dân vào hệ thống năng lượng mặt trời trên mái nhà. Rõ ràng, hệ thống rooftop khắc phục được những hạn chế của các dự án năng lượng mặt trời lớn nhờ giảm được chi phí thuê đất đồng thời không cần thiết phải ký kết với các công ty điện lực địa phương. Bảng 1. So sánh các dự án năng lượng tái tạo ở Nhật Bản giai đoạn 2012 – 2014 [5] Công nghệ Công suất lắp đặt trước năm 2012 (MW) Dự án được chấp thuận (MW) Dự án được triển khai (MW) Tỷ lệ được triển khai (%) Năng lượng mặt trời công suất nhỏ (dưới 10 kW) 4 700 3 000 2 480 82.7 Năng lượng mặt trời công suất lớn 900 66 340 9 150 13.8 Năng lượng gió 2 600 1 230 110 8.9 Thủy điện nhỏ (dưới 30 MW) 9 600 320 30 9.4 Biomass 2 300 1310 90 6.9 Địa nhiệt 500 10 0 0 20 600 72 210 11 860 Tổng cộng Từ 2012 - 2014 206 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 Feed-in tariff for non-household solar PV 45 42 40 (yen/kWh) 35 32 30 24 25 19 20 15 10 5 0 2012 2014 2016 2019 (planned) Hình 4: Giá điện cam kết mua điện cho dự án năng lượng mặt trời [2], [6] 3. Định hướng tương lai Năm 2014, các hệ thống rooftop được Chính phủ Nhật công nhận như một trong những nhân tố trọng điểm trong tương lai. Trong đó, phần năng lượng tiết kiệm được từ rooftop được dự báo sẽ chiếm 17% tổng lượng điện tiêu thụ vào năm 2030, trong khi nguồn năng lượng mặt trời từ các dự án lớn chỉ chiếm 7% [4]. Trong “Tầm nhìn dài hạn về nguồn và nhu cầu năng lượng” đã được Quốc hội Nhật Bản phê duyệt vào tháng 4 năm 2014, với giả định nền kinh tế tăng trưởng bình quân 1.7%/năm, nhu cầu sử dụng điện của Nhật Bản vào năm 2030 vào khoảng 1278 tỷ KWh. Trong đó, 196.1 tỷ kWh (chiếm 17%) là nguồn năng lượng tiết kiệm được và năng lượng tái tạo nói chung chiếm 19 đến 20% như hình 5. PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 207 Hình 5: Tầm nhìn dài hạn về cung cấp điện của Nhật Bản đến năm 2030 [4] III. MÔ HÌNH INTERNET OF ENERGY CHO LƯỚI PHÂN PHỐI Việc đẩy mạnh phát triển các hệ thống rooftop tạo điều kiện phát điện cho từng hộ tiêu thụ. Mô hình này dự báo sẽ thay đổi căn bản cấu trúc của lưới điện phân phối. Thông thường lưới điện phân phối có cấu trúc gồm một máy biến áp phân phối điện trực tiếp cho các phát tuyến như hình 6. Với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất, máy biến áp truyền thống sẽ được thay đổi bằng máy biến áp kiểu mới Solid-State Transformer (SST) như hình 7. Từ tần số lưới 50/60 Hz, qua bộ biến đổi công suất, dòng điện sẽ được nâng lên ở tần số cao khoảng vài kHz, nhờ đó máy biến áp SST linh động được điện áp đầu ra, vừa có thể cấp điện cho tải AC vừa có thể cấp điện cho tải DC (VD: các loại xe điện,…), đồng thời đáp ứng yêu cầu trả công suất thừa về lưới như hình 8. Trong mô hình lưới phân phối mới, hệ thống điện cần đảm bảo kết nối nhiều nguồn năng lượng nhỏ lẻ, mỗi hộ vừa là đơn vị tiêu thụ vừa là đơn vị phát điện. Bên cạnh lưới điện phân phối, các thiết bị điện tử công suất có thể liên kết với nhau qua các đường dây truyền tín hiệu của hệ thống Internet vạn vật (IoT). Hình 6: Sơ đồ một sợi cho lưới phân phối giả định 208 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 Hình 7: Cấu trúc của một Solid-State Transformer Hình 8: Sơ đồ lưới điện phân phối sử dụng Solid-State Transformer [7] IV. KẾT LUẬN Kể từ sau sự cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima, Nhật Bản đã tích cực triển khai các biện pháp đẩy mạnh việc sử dụng năng lượng mặt trời. Thông qua các chính sách hỗ trợ về kinh tế, các dự án năng lượng mặt trời có nhiều bước tiến triển vượt bậc. Tuy nhiên, vì nhiều lý do khác nhau, các dự án năng lượng mặt trời công suất lớn không được triển khai đầy đủ. Thay vào đó, các dự án rooftop cho thấy tính linh hoạt với chi phí đầu tư thấp hơn nhờ tiết kiệm chi phí thuê đất. Định hướng trong tương lai, rooftop sẽ chiếm khoảng 17% tổng sản lượng điện tiêu thụ. Bên cạnh đó, sự phát triển của hệ thống rooftop dự báo sẽ làm thay đổi cấu trúc lưới phân phối và kết hợp với hệ thống IoT để tăng tính hiệu quả. PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 209 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Polo, J., Bernardos, A., Martínez, S., & Peruchena, C. F. (2015). Maps of solar resource and potential in Vietnam. [2] Kuramochi, T. (2015). Review of energy and climate policy developments in Japan before and after Fukushima. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 43, 13201332. [3] IEA (2013), Oil & Gas Security Emergency Response of IEA countries: Japan. [4] EDMC (2016), Handbook of Japan’s and World Energy & Economic Statistics. [5] METI. FIT facility approval statistics (as of March 2014). Agency of Natural Resource and Energy (ANRE), Ministry of Economy, Trade and Industry (METI); 2014. [6] http://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/ saiene/kaitori/dl/setsubi/201312setsubi.pdf〉 [accessed May 25, 2017 [7] Ministry of Economy, Trade and Industry, “Opinion concerning the procurement price and procurement period from 2012 to 2016”. [8] http://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saiene/kaitori/kakaku.html [9] She, X., Huang, A. Q., & Burgos, R. (2013). Review of solid-state transformer technologies and their application in power distribution systems. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 1(3), 186-198.