Năng lượng gió và năng lượng tái tạo: Nội hàm công nghệ và các gợi ý phát triển

Tổng quan

Trong những năm gần đây, năng lượng gió đã trở thành một trong những công nghệ năng lượng tái tạo kinh tế nhất. Ngày nay, tua-bin gió phát điện sử dụng công nghệ đã được chứng minh và thử nghiệm, đồng thời cung cấp nguồn năng lượng an toàn và bền vững. Tại những địa điểm tốt, nhiều gió, năng lượng gió đã có thể cạnh tranh thành công với sản xuất năng lượng truyền thống. Nhiều quốc gia có nguồn tài nguyên gió đáng kể nhưng vẫn chưa được khai thác.

Một công nghệ mang lại những lợi thế vượt trội không được sử dụng hết tiềm năng của nó: Năng lượng gió không tạo ra khí nhà kính.RTENOTITLE”>[n]Các nhà máy điện gió có thể đóng góp đáng kể vào việc cung cấp điện cho khu vực và đa dạng hóa nguồn cung cấp điện.Cần có thời gian chuẩn bị rất ngắn để lập kế hoạch và xây dựng so với các dự án điện truyền thống.Các dự án năng lượng gió rất linh hoạt đối với nhu cầu năng lượng ngày càng tăng – các tua-bin đơn lẻ có thể dễ dàng được thêm vào một công viên hiện có.Cuối cùng, các dự án năng lượng gió có thể tận dụng các nguồn lực địa phương về lao động, vốn và vật liệu. Sự phát triển công nghệ trong những năm gần đây, mang lại các tuabin gió hiệu quả hơn và đáng tin cậy hơn, đang làm cho năng lượng gió trở nên tiết kiệm chi phí hơn. Nói chung, chi phí năng lượng cụ thể trên mỗi kWh hàng năm giảm theo kích thước của tuabin bất chấp những khó khăn về nguồn cung hiện tại.Nhiều quốc gia châu Phi kỳ vọng nhu cầu điện sẽ tăng nhanh trong những thập kỷ tới. Đồng thời, các nguồn tài nguyên thiên nhiên hữu hạn đang trở nên cạn kiệt và tác động môi trường của việc sử dụng năng lượng và chuyển đổi năng lượng thường được coi là mối đe dọa đối với môi trường sống tự nhiên của chúng ta. Thật vậy, những điều này đã trở thành những vấn đề chính đối với chính sách quốc tế.

Nhiều nước đang phát triển và các nền kinh tế mới nổi có tiềm năng năng lượng gió đáng kể chưa được khai thác. Ở nhiều địa điểm, việc tạo ra điện từ năng lượng gió mang lại một giải pháp thay thế hiệu quả về chi phí cho các nhà máy nhiệt điện. Nó có tác động thấp hơn đến môi trường và khí hậu, giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu nhiên liệu hóa thạch và tăng cường an ninh cung cấp năng lượngTrong nhiều năm nay, các nước đang phát triển và các nền kinh tế mới nổi đã phải đối mặt với thách thức đáp ứng nhu cầu năng lượng bổ sung cho sự phát triển kinh tế và xã hội của họ với các cơ cấu cung cấp năng lượng lỗi thời. Khắc phục tình trạng tắc nghẽn nguồn cung thông qua việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch dưới dạng than, dầu và khí đốt làm tăng sự phụ thuộc vào các thị trường đầy biến động và ăn vào nguồn dự trữ ngoại tệ có giá trị. Đồng thời, áp lực ngày càng tăng đối với các nước công nghiệp mới nổi nói riêng phải đóng góp vào việc chống biến đổi khí hậu và hạn chế lượng khí thải gây ô nhiễm của họ.Trong kịch bản của các giải pháp thay thế, ngày càng có nhiều quốc gia đang phát triển và các nền kinh tế mới nổi đặt niềm tin vào việc sử dụng năng lượng tái tạo nhiều hơn và đang xây dựng các mục tiêu mở rộng cụ thể cho ‘cơ cấu năng lượng xanh’. Điện gió, sau khi đã được thử nghiệm trong nhiều năm ở các nước công nghiệp hóa và đạt được sự trưởng thành của thị trường, có một vai trò nổi bật ở đây. Ở nhiều địa điểm, điều kiện gió tuyệt vời hứa hẹn tạo ra năng lượng rẻ tiền khi so sánh với các nguồn năng lượng nhập khẩu đắt tiền như dầu diesel. Tuy nhiên, bất chấp ý chí chính trị và tiềm năng đáng kể, sự phát triển thị trường ở các quốc gia này tương đối chậm. Thiếu nhân lực có trình độ để thiết lập nền tảng cho việc khai thác năng lượng gió và phát triển các dự án theo sáng kiến của riêng họ. Việc thiếu dữ liệu đáng tin cậy về tiềm năng gió kết hợp với các điều kiện khung chính sách năng lượng kém hấp dẫn đã ngăn cản các nhà đầu tư quốc tế có kinh nghiệm, những người thay vào đó tập trung sự chú ý của họ vào các thị trường đang mở rộng ở các nước phương Tây.Chỉ trong những năm gần đây, tiềm năng thị trường ở các nước đang phát triển và các nền kinh tế mới nổi đã được phát triển đáng kể. Tỷ lệ công suất phát điện gió toàn cầu của Châu Phi, Châu Á và Châu Mỹ Latinh đạt khoảng 20%vào cuối năm 2008, với công suất lắp đặt là 26 GW. Điều này trước hết là do sự tăng trưởng ngoạn mục ở Ấn Độ và Trung Quốc: chỉ riêng hai quốc gia này đã cung cấp 22 GW. Điều này chứng tỏ rằng việc sử dụng năng lượng gió một cách kinh tế ở các nước đang phát triển và các nền kinh tế mới nổi là có thể, đồng thời cũng chỉ ra rằng có tiềm năng to lớn vẫn chưa được khai thác.

Công nghệ

Năng lượng gió là sự chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng hoặc năng lượng cơ học bằng cách sử dụng tua-bin gió. Năng lượng trong gió được chiết xuất bằng cách cho phép nó thổi qua các cánh quạt đang chuyển động tạo ra mô-men xoắn trên rôto. Lượng điện năng được truyền phụ thuộc vào kích thước cánh quạt và tốc độ gió.Tua-bin gió bao gồm từ máy phát điện bốn trăm watt nhỏ dùng trong dân dụng đến máy vài megawatt dùng cho các trang trại gió và ngoài khơi. Những cái nhỏ có máy phát truyền động trực tiếp, đầu ra dòng điện một chiều, cánh đàn hồi khí, vòng bi trọn đời và sử dụng một cánh quạt để hướng vào gió; trong khi những cái lớn hơn thường có hệ thống truyền lực giảm tốc, đầu ra dòng điện xoay chiều, cánh tà và chủ động hướng vào gió. Máy phát truyền động trực tiếp và cánh quạt khí động học cho tuabin gió lớn đang được nghiên cứu và đôi khi máy phát điện một chiều cũng được sử dụng.Do tốc độ gió không cố định nên sản lượng điện hàng năm của bộ chuyển đổi gió phụ thuộc vào hệ số công suất. Một máy phát điện gió được bố trí tốt sẽ có hệ số công suất khoảng 35%. Điều này so với các hệ số công suất điển hình là 90% đối với nhà máy hạt nhân, 70% đối với nhà máy than và 30% đối với nhà máy nhiệt điện.Theo nguyên tắc chung, máy phát điện gió là thực tế khi tốc độ gió trung bình là 4,5 m/s hoặc cao hơn. Thông thường các địa điểm được chọn trước trên cơ sở bản đồ gió và được xác nhận bằng các phép đo gió tại chỗ.Năng lượng gió dồi dào, tái tạo, phân phối rộng rãi, sạch và giảm phát thải khí nhà kính nếu được sử dụng để thay thế điện có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch. Tính gián đoạn của gió không gây ra vấn đề khi sử dụng năng lượng gió ở mức thâm nhập thấp đến trung bình

Ứng dụng và hiệu quả

Hầu hết năng lượng gió hiện đại được tạo ra dưới dạng điện năng bằng cách chuyển đổi chuyển động quay của các cánh tuabin thành dòng điện nhờ một máy phát điện. Trong cối xay gió (một công nghệ cũ hơn nhiều), năng lượng gió được sử dụng để quay máy móc cơ khí để thực hiện các công việc thể chất, chẳng hạn như nghiền ngũ cốc hoặc bơm nước [5]. Gần đây, năng lượng gió cũng đã được sử dụng để khử muối trong nước. Để biết thêm thông tin về việc sử dụng năng lượng gió để khử mặn nước, xem Năng lượng gió – Khử mặn nước.

Điện gió

Trong các hệ thống điện gió, rôto được ghép nối thông qua hệ thống điều khiển bánh răng hoặc tốc độ với máy phát điện để tạo ra điện. Năng lượng gió được sử dụng trong các trang trại gió quy mô lớn cho lưới điện quốc gia cũng như trong các tua-bin nhỏ riêng lẻ để cung cấp điện cho các khu dân cư nông thôn hoặc các địa điểm bị cô lập bởi lưới điện.Đối với các tuabin nhỏ, điện năng tạo ra có thể được dùng để sạc pin hoặc sử dụng trực tiếp. Các bộ chuyển đổi năng lượng gió lớn hơn, phức tạp hơn được sử dụng để cung cấp năng lượng cho lưới điện. Tua-bin nhỏ dùng để sạc pin có đường kính tua-bin từ 0,5 –5 m và công suất đầu ra từ 0,5 – 2 kW. Chi phí lắp đặt dao động trong khoảng 4 – 10 đô la Mỹ mỗi watt. Tua bin cỡ trung bình được sử dụng trong các lưới điện độc lập nhỏ kết hợp với máy phát điện diesel hoặc PV. Những tuabin này có đường kính từ 5-30 m và công suất đầu ra từ 10-250 kW. Tua bin gió lớn thường được nối lưới. Loại này bao gồm đường kính 30-90 m và công suất đầu ra 0,5 – 3 MW. Tổng công suất lắp đặt toàn cầu là 58.982 MW trong đó châu Âu chiếm 69% (2005).Ở khu vực Đông Phi, kinh nghiệm với máy phát điện gió đã bị cô lập và chủ yếu do các nhà tài trợ và nhà truyền giáo thúc đẩy. Ở châu Âu, chi phí năng lượng gió được ước tính là 55,80 USD/MWh, than là 53,10 USD/MWh và khí đốt tự nhiên là 52,50 USD/MWh. Để biết thêm thông tin về chi phí, hãy xem phần Các khía cạnh tài chính.

Máy bơm gió

Gió đã được khai thác để nâng nước trong hơn 2000 năm, đầu tiên ở Trung Quốc và Trung Đông, sau đó lan sang Châu Âu. Ở Châu Phi, những người định cư trong lịch sử đã sử dụng máy bơm gió ở Namibia và Nam Phi và ở một mức độ thấp hơn là Zimbabwe và Kenya. Với máy bơm gió, không khí chuyển động sẽ quay một “cánh quạt” và chuyển động quay của cánh quạt được chuyển thành chuyển động điều hòa của cánh quạt. trục, được sử dụng để bơm nước hoặc truyền động các thiết bị cơ khí khác như máy nghiền ngũ cốc. Nước từ các giếng sâu tới 200m có thể được bơm lên bề mặt bằng máy bơm gió. Ở những khu vực không có lưới điện, nơi có đủ gió (3-5 m/s) và nguồn cung cấp nước ngầm, máy bơm gió thường là phương pháp tiết kiệm chi phí để cung cấp nước sinh hoạt và cộng đồng, tưới tiêu quy mô nhỏ và tưới tiêu cho gia súc. bơm gió phù hợp, cần có các thông tin sau: tốc độ gió trung bình, tổng cột áp bơm, yêu cầu nước hàng ngày, lượng nước rút ra từ giếng, chất lượng nước và yêu cầu lưu trữ. Tại khu vực Đông Phi có ít nhất 3 nhà sản xuất với sản lượng dưới 100 chiếc/năm. Các nhà tài trợ và nhà truyền giáo đã là những người mua chính của cả máy bơm gió nhập khẩu và sản xuất trong nước

Năng lượng gió – Tổng quan

Các bộ biến đổi năng lượng gió thương mại đầu tiên được đưa vào sử dụng từ những năm 1980, mặc dù sự bùng nổ năng lượng gió như vậy không bắt đầu cho đến giữa những năm 1990, khi tổng công suất phát điện gió được lắp đặt trên thế giới chỉ là 5.000 MW. Kể từ đó, công suất lắp đặt đã tăng với tốc độ tăng trưởng hai con số hàng năm. Đến cuối năm 2006, công suất lắp đặt toàn cầu đã đạt 74.233 MW. Hiện tại, ngành này đang bùng nổ với 239.000 MW được lắp đặt trên toàn cầu vào năm 2011. Hầu như không có ngoại lệ, các hệ thống được lắp đặt đều được sử dụng để tạo ra điện. Thị trường lớn nhất hiện nay vẫn là châu Âu, nơi có khoảng 48.545 MW (65%) được lắp đặt; trong số này, 22.000 MW được đặt ở Đức (số liệu từ cuối năm 2006). Đức cũng là nước đi đầu trong số các nhà sản xuất hệ thống. Bốn công ty của Đức nằm trong số các nhà sản xuất lớn trên thế giới và ngành công nghiệp linh kiện của Đức cung cấp hộp số, ly hợp và các bộ phận lắp ráp khác cho nhiều nhà sản xuất ở các quốc gia khác. Ngay cả khi vẫn còn tranh cãi liệu năng lượng gió có còn cạnh tranh được nếu không có hỗ trợ quảng cáo hay không, thì không còn nghi ngờ gì nữa, ngành công nghiệp gió đã đạt được những tiến bộ đáng kể. Trong khi vào đầu những năm 1990, chi phí của các hệ thống vẫn ở mức trung bình gần 1.300 EUR/kW, trong khi đó, chi phí đầu tư cụ thể đã giảm xuống còn khoảng 900 EUR/kW. Những lợi thế của sản xuất hàng loạt đã được thúc đẩy hơn nữa nhờ sự gia tăng đáng kể về hiệu suất của tua-bin (chiều cao trục lớn hơn, đường kính cánh quạt lớn hơn, v.v.), điều này đã cải thiện tính kinh tế của năng lượng gió. Ví dụ, hiện có các tuabin trên thị trường với công suất định mức lên tới 6 MW. Xu hướng này minh họa thêm rằng thị trường tăng trưởng trong ngành công nghiệp gió chủ yếu được thấy trong sản xuất điện và cung cấp điện lưới

Đoàn công tác tỉnh Quảng Bình và cán bộ VISTIP thăm và làm việc với Tập đoàn Siemens về hệ thống lưới điện gió và phát triển nguồn năng lượng tái tạo (ảnh VISTIP)

Năng lượng gió cho sự phát triển

Tiềm năng”Tiềm năng năng lượng gió ở nhiều quốc gia đang phát triển và mới nổi là rất lớn. Ở nhiều địa điểm, việc tạo ra điện từ năng lượng gió là một giải pháp thay thế khả thi về mặt kinh tế cho việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống như than đá hoặc dầu diesel. Ở các quốc gia đang phát triển và mới nổi, tua-bin gió là một giải pháp thay thế cho các nhà máy điện thông thường. So với các nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, năng lượng gió giờ đây có thể tiết kiệm chi phí ở nhiều nơi, cũng như không gây ô nhiễm và giảm sự phụ thuộc vào việc nhập khẩu nhiên liệu hóa thạch.” Ưu điểm của gió có thể là: Sử dụng tài nguyên bản địa mà không tạo ra khí nhà kính hoặc ô nhiễm khác;Năng lượng gió góp phần đa dạng hóa nguồn cung cấp điện,Các dự án năng lượng gió có thể phát triển các nguồn lực địa phương về lao động, vốn và vật liệu,Các dự án điện gió củng cố sự hợp tác với các nhà tài trợ khác nhau bao gồm cả Đức, nâng cao năng lực địa phương và bí quyết công nghệ,Các dự án điện gió thu hút vốn mới và có thể được đưa vào cách tiếp cận mới của Sản xuất điện độc lập (IPP)

Đoàn công tác của tỉnh Quảng Bình và cán bộ VISTIP thảo luận về năng lượng tái tạo  và phát triển nguồn cung Hygrogen từ các công trình điện gió ngoài khơi (ảnh VISTIP)

Thử thách

Mặc dù có những lợi thế về kinh tế và sinh thái, nhưng cho đến nay, ngay cả những nguồn tài nguyên gió tốt ở các nước đang phát triển và mới nổi cũng chưa được sử dụng ở mức độ mong muốn. Những lý do cơ bản cho điều này dựa trên sự thiếu kiến thức ở các nước đang phát triển và mới nổi. Theo quan điểm của các công ty năng lượng gió quốc tế, bên cạnh những khó khăn về huy động vốn và khả năng bù đắp rủi ro, các rào cản đối với đầu tư tư nhân đặc biệt là:

Thiếu thông tin về thị trường nước ngoài

Thiếu hiểu biết về các điều kiện khung của ngành năng lượng và các cơ chế hỗ trợ

Thiếu khung pháp lý về năng lượng gió (điều kiện kinh tế kỹ thuật đưa điện gió vào lưới điện, thủ tục cấp phép,…)

Thiếu nhân viên có trình độ, đặc biệt trong lĩnh vực dịch vụ/bảo trì. Các kỹ thuật viên và người mua thường không quen với công nghệ gió và ở những địa điểm xa xôi, việc lắp đặt thường bị hỏng do thiếu dịch vụ, phụ tùng thay thế hoặc nhân lực được đào tạo để quản lý chúng. Trên thực tế, máy bơm gió ít cần bảo trì hơn máy bơm diesel. Tuy nhiên, công nghệ bơm gió còn “lạ lẫm” với nhiều người và cần phải đào tạo nhân viên bảo trì nơi lắp đặt máy bơm. Cơ sở hạ tầng hỗ trợ lắp đặt, vận hành và bảo trì máy phát điện gió chưa được phát triển.  Người dùng và kỹ thuật viên thường không quen với công nghệ này.

Chi phí đầu tư.

Mặc dù chi phí trọn đời của gió thường ít hơn máy bơm chạy bằng dầu diesel hoặc xăng, nhưng chi phí đầu tư mua máy bơm gió thường cao hơn so với máy bơm chạy bằng dầu diesel. Các nhóm mua nguồn cung cấp nước thường có quỹ hạn chế và không thể có tầm nhìn dài hạn đối với công nghệ.Năng lượng gió không có đầu ra ổn định như các nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu. Máy phát điện gió quy mô nhỏ yêu cầu bộ lưu trữ pin để cho phép sử dụng trong thời gian ít gió hoặc không có gió. Đối với các hệ thống kết nối lưới, cần có một lưới điện ổn định để đóng vai trò là kho lưu trữ. Máy bơm gió yêu cầu lưu trữ nước.Máy phát điện gió được thiết kế để hoạt động trong một dải tốc độ gió nhất định, thường là 4–12m/s. Điều này có nghĩa là công nghệ này chỉ có thể được sử dụng ở những khu vực có đủ gió

Nguồn: Trung tâm NC&PT hội nhập KH&CN quốc tế liên kết nguồn tin và dịch từ tài liệu của WAAE