Dự báo nguồn cung năng lượng, tính linh hoạt và lưu trữ điện toàn cầu vào năm 2050

Nhiên liệu hóa thạch giảm mạnh:

Nhiên liệu hóa thạch trong cung cấp năng lượng sơ cấp của thế giới sẽ giảm đáng kể từ 80% hiện nay xuống chỉ dưới 50% vào năm 2050.

Than tiêu thụ đạt đỉnh 8 Gt (tỷ tấn) mỗi năm vào năm 2014. Kể từ đó, tổng nhu cầu về than đã và sẽ giảm. Trong đại dịch Covid-19 nhu cầu than giảm 7% vào năm 2020. Nhu cầu sự phục hồi sẽ không đạt đến đỉnh trước đó, thay vào đó là việc sử dụng than sẽ giảm gần 2/3 so với mức hiện tại vào năm 2050.

Nhu cầu dầu mỏ năm 2020 là 75 triệu thùng mỗi ngày (Mb/d [1]) không bao gồm khí tự nhiên hóa lỏng và nhiên liệu sinh học. Dự đoán mức tiêu thụ dầu mỏ cao nhất vào năm 2025 với 86 Mb/ngày, cao hơn 15% so với hiện nay, trước khi đi vào mức suy giảm ổn định trong dài hạn.

Nhu cầu dầu mỏ sẽ giảm chậm từ năm 2025 đến năm 2035, sau đó sự suy giảm trở nên tương đối mạnh, trung bình giảm 2,4% mỗi năm trong giai đoạn 2035 - 2050.

Năm 2050, nhu cầu dầu toàn cầu dự kiến là 56 Mb/d (115 EJ). Như vậy, sẽ là giảm 32% so với hiện nay. Sự sụt giảm này phần lớn liên quan đến giảm nhu cầu trong lĩnh vực vận tải, giảm 45% trong 28 năm tới. Sản xuất sẽ tập trung mạnh hơn bao giờ hết ở Trung Đông và Bắc Phi.

Cung cấp khí tự nhiên sẽ đạt đỉnh vào năm 2036 và giảm dần đến thấp hơn 10% so với mức hiện nay. Tiêu thụ khí đốt sẽ vượt qua dầu và trở thành nguồn năng lượng sơ cấp lớn nhất vào cuối những năm 2040.

Khí đốt có sức mạnh duy trì nhờ sự đa dạng của việc sử dụng nó: Một nửa trong số nhu cầu về khí đốt là năng lượng cuối cùng trong sản xuất, vận tải, các tòa nhà và nửa còn lại thông qua chuyển đổi cho các mục đích sử dụng cuối cùng khác (như điện, hóa dầu, sản xuất hydro).

Nhu cầu khí đốt sẽ thay đổi đáng kể giữa các khu vực: Giảm trong các quốc gia OECD; đang phát triển ở Trung Quốc đại lục với đỉnh ở đó vào đầu những năm 2030 và tăng gấp ba lần ở Tiểu lục địa Ấn Độ vào năm 2050.

Vào giữa thế kỷ này, chỉ 12% khí đốt sẽ không có carbon, trong số đó hydro sẽ chiếm khoảng một phần tư, với sự cân bằng được tạo nên thông qua công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) trong điện lực và công nghiệp, và bằng khí metan sinh học (biomethane).

Trong mô hình hóa nhu cầu khí đốt vẫn giả định rằng, giá khí đốt cao ngày nay vẫn tồn tại đến năm 2024 trước khi dần trở lại mức năm 2021. Chương trình kiểm tra chạy với giá khí đốt cao kéo dài trong 6 và 12 năm cho thấy điều đó sẽ làm suy triển vọng khí đốt như thế nào trên toàn cầu và đặc biệt ở châu Âu - nơi mà việc sử dụng nó sẽ giảm một nửa trong vòng một thập kỷ.

Tăng năng lượng tái tạo:

Than và khí đốt lần lượt giảm tương ứng 4% và 8% trong sản xuất điện vào năm 2050, khi chúng hầu như chỉ giới hạn ở cung cấp tính linh hoạt, dự phòng trong hệ thống điện với 70% phụ thuộc vào các nguồn năng lượng tái tạo biến đổi (Variable Renewable Energy Sources - VRES [2]).

Từ nay đến năm 2050, công suất năng lượng mặt trời tăng gấp 22 lần, công suất gió tăng gấp 9 lần, trong đó gió trên bờ gấp 7 lần và gió ngoài khơi gấp 56 lần.

Điều này được thúc đẩy là do cả chi phí giảm và sự gia tăng của VRES với sự cung cấp một lộ trình rẻ nhất và nhanh nhất cho cả quá trình khử cacbon và an ninh năng lượng. Chi phí năng lượng quy đổi bình quân toàn cầu (LCOE) cho điện mặt trời hiện nay ở mức khoảng 5 UScent/MWh và 12 UScent/MWh cho năng lượng mặt trời + bộ lưu trữ. Điều này sẽ làm giảm khoảng 3 UScent/MWh đối với pin mặt trời vào giữa thế kỷ này.

Chi phí năng lượng mặt trời + lưu trữ hiện nay cao gấp đôi pin năng lượng mặt trời không có lưu trữ. Giá pin mặt trời giảm sẽ thu hẹp khoảng cách này xuống còn khoảng 50% vào giữa thế kỷ này. Trong vòng một thập kỷ, khoảng 1/5 tổng số pin mặt trời sẽ được lắp đặt bộ lưu trữ chuyên dụng và đến giữa thế kỷ này, số pin mặt trời được lắp đặt bộ lưu trữ sẽ tăng lên một nửa. Việc lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời trên toàn cầu mỗi năm sẽ đạt 550 GW cho đến năm 2040.

LCOE cho gió cố định và nổi ngoài khơi giảm 39% và 84% tương ứng trong giai đoạn đến 2050. Thậm chí các dự án gió trên bờ do đã được phát triển thuần thục, có thể làm giảm chi phí đến 52%. Những phát triển này thúc đẩy sự gia tăng của điện gió phát vào lưới điện từ 1.600 TWh/năm vào năm 2020 lên 19.000 TWh/năm vào năm 2050. Bởi năm 2050, gió sẽ cung cấp gần 50% lượng điện lưới ở châu Âu và 40% ở Bắc Mỹ và châu Mỹ Latinh.

Trong một thế giới chứng kiến sản lượng điện tăng gấp đôi vào năm 2050, với sản lượng thủy điện vẫn sẽ đảm bảo 13% tổng cung cấp điện, mặc dù đã giảm từ 16% vào năm 2020, trong khi về giá trị tuyệt đối vẫn tăng trưởng và tỷ lệ mất đi này sẽ được chuyển sang năng lượng gió, mặt trời.

Quản lý chất thải, chi phí và thời gian xây dựng cao lâu nay vẫn là thực tế còn tồn tại đối với điện hạt nhân. Tuy nhiên, những lo ngại về an ninh năng lượng hiện nay đã dẫn đến sự quan tâm mới đến nguồn điện này và nó được dự báo với mức tăng khiêm tốn là 13% đến năm 2050 so với mức ngày nay.

1/ Điện gió:

Điện lưới từ gió tăng từ 1,6 PWh/năm [3] vào năm 2020 đến 19 PWh/năm vào năm 2050 với Trung Quốc đại lục, châu Âu và Bắc Mỹ dẫn đầu về sản lượng, các nước OECD và Mỹ La Tinh tăng trưởng mạnh từ năm 2030. Châu Âu và OECD Thái Bình Dương sẽ có tỷ trọng gió ngoài khơi cao nhất.

Các loại tua bin mới và tua bin công suất lớn hơn, các cánh quạt và tháp gió sẽ nâng cao hệ số công suất cho điện gió trên bờ (từ 26% hiện nay lên 34%), và điện gió ngoài khơi từ 38% hiện nay lên 43% vào năm 2050. Điều này, cùng với các tua bin rẻ hơn, là động lực chính của việc giảm 52% chi phí cho gió trên bờ trong giai đoạn 2020 - 2050, với các dự án gió ngoài khơi lắp móng cố định và móng nổi, chi phí lần lượt giảm 39% và 84%. Trong số 6 TW [3] công suất gió lắp đặt vào năm 2050, thì 1,8 TW sẽ là gió móng cố định và 289 GW gió móng nổi ngoài khơi.

2/ Điện năng lượng mặt trời:

Sự tăng trưởng của điện mặt trời rất đáng chú ý: 1 GW mỗi năm được lắp đặt lần đầu tiên vào năm 2004, 10 GW được thêm vào năm 2010 và 100 GW vào năm 2019.

Vào năm 2021, 150 GW đã được thêm vào bất chấp sự gián đoạn chuỗi cung ứng do COVID-19. Từ năm 2030 trở đi, dự kiến hàng năm sẽ được bổ sung từ 300 đến 500 GW.

Vào giữa thế kỷ, tổng công suất lắp đặt sẽ là 9,5 TW cho điện mặt trời và 5 TW cho năng lượng mặt trời + lưu trữ. Kết quả là vào năm 2050 thế giới sẽ có 14,5 TW công suất năng lượng mặt trời, gấp 24 lần năm 2020.

LCOE [4] trung bình của điện mặt trời được kỳ vọng sẽ giảm ở mức ít nhất 40% vào năm 2050, với các dự án riêng lẻ giảm bằng 60% so với chi phí trung bình ngày nay. Điện mặt trời sẽ là nguồn điện mới rẻ nhất trên toàn cầu bởi một mức lợi nhuận đáng kể, mặc dù công suất thấp hơn so với các nguồn VRES khác. Đến năm 2050, 23 PWh/năm của điện mặt trời sẽ được tạo ra trên toàn thế giới.

3/ Lưới điện:

Tổng đầu tư vào lưới trung bình là USD 450 tỷ/năm trong thập kỷ qua. Sự mở rộng của năng lượng tái tạo dẫn đến sự gia tăng đều đặn các khoản đầu tư vào lưới điện, đạt mức 500 tỷ USD/năm vào những năm 2030 và tăng lên 1,1 nghìn tỷ USD/năm vào năm 2050. Tổng số được đo bằng số km - mạch của đường dây truyền tải và phân phối sẽ tăng gần gấp ba lần trong khoảng thời gian từ nay đến 2050.

Tính linh hoạt và lưu trữ điện:

1/ Tính linh hoạt:

Với sự gia tăng công suất VRES toàn cầu gấp 16 lần vào năm 2050, nhu cầu về tính linh hoạt của nguồn điện sẽ tăng lên từ hai đến bốn lần giữa các khu vực.

Không phải tất cả các nguồn nhiệt điện đều cung cấp tính linh hoạt như nhau cho hệ thống điện, nếu tính từ điện hạt nhân, nơi sự linh hoạt là thách thức nhưng không phải là không thể, tiếp theo là các nhà máy nhiệt điện than, dầu, khí đốt ngày càng nhiều thì tính linh hoạt càng tăng, nhưng rất tốn kém. Điều quan trọng không kém là khả năng hoạt động kinh tế của các nhà máy nhiệt điện khi chúng chủ yếu tại các hệ số phụ tải thấp.

Sự thích ứng cho tính linh hoạt đòi hỏi sự thay đổi cả về thể chất lẫn đầu tư vào tự động hóa và các phân tích để dự đoán tốt hơn các mức sản xuất điện tái tạo. Các thiết kế thị trường mới sẽ là cần thiết để khuyến khích sự hoạt động linh hoạt của các nhà máy nhiệt điện.

Tính linh hoạt từ phía nhu cầu - tức là chuyển việc sử dụng điện từ thời gian cao điểm sang thời gian có nhu cầu thấp hơn và phản ứng với sự dư thừa của năng lượng tái tạo cũng sẽ đóng vai trò then chốt. Việc triển khai các tính năng lưới điện thông minh sẽ cho phép quản lý tốt hơn các dòng năng lượng.

Các loại công nghệ và các cơ chế thị trường mới cũng sẽ cho phép những người tiêu dùng tích cực hơn bao giờ hết cung cấp sự linh hoạt dưới các hình thức phản hồi nhu cầu, phương tiện nối lưới và lưu trữ sau công-tơ. Việc chuyển đổi VRES và ở một mức độ nào đó, các nguồn nhiệt điện như hạt nhân, đến các chất mang năng lượng khác (chẳng hạn như hydro) là một tùy chọn khác sẽ cung cấp tính linh hoạt.

2/ Lưu trữ điện:

Ngày nay, thủy điện tích năng cung cấp hầu hết các bộ lưu trữ cho hệ thống điện, nhưng chúng sẽ chỉ đóng góp một chút trong tương lai. Các bộ pin sẽ cung cấp hầu hết nhu cầu lưu trữ khổng lồ trong tương lai, độc lập, hoặc trong các cấu hình năng lượng mặt trời + lưu trữ, hoặc phương tiện nối lưới.

Từ năm 2020 đến năm 2050, quy mô lớn độc lập bộ lưu trữ sẽ tăng từ 2,7 TWh lên 8,8 TWh. Trong số này, dung lượng lưu trữ pin Li-ion sẽ chứng kiến mức tăng trưởng lớn nhất, từ gần như không có gì lên 4,4 TWh vào giữa thế kỷ.

Vào cuối thập kỷ này, pin trạng thái rắn dường như sẽ cung cấp tiềm năng tốt nhất cho một làn sóng tiếp theo về cải tiến hiệu suất và chi phí. Các hóa chất thay thế cũng sẽ phát triển để đáp ứng ngày càng tăng nhu cầu lưu trữ với thời lượng dài hơn (5 giờ trở lên). Về lâu dài, chi phí cho pin sẽ tiếp tục được đẩy lên phù hợp với xu thế chi phí là 19% và giảm hơn 80% chi phí từ nay đến năm 2050./.

TS. NGUYỄN MẠNH HIẾN - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM