Việc chuyển các nguồn năng lượng sản xuất điện sang 100% năng lượng tái tạo đồng nghĩa với việc chấm dứt sản xuất điện từ các nhà máy điện dựa trên nhiên liệu hóa thạch như than, khí đốt tự nhiên và dầu.
Hạt nhân, mặc dù không chứa carbon cũng được cho là năng lượng giảm tài nguyên do khâu xử lý chất thải, lượng khí thải carbon của quá trình xử lý nhiên liệu và các nguy cơ an toàn.
Tất cả những thách thức này khiến việc thế giới chuyển sang sử dụng 100% điện tái tạo là chưa khả thi, ít nhất cho tới năm 2050. Tại sao?
1. NLTT như mặt trời và gió không thể kiểm soát được
Năng lượng tái tạo về cơ bản là nguồn năng lượng “không thể kiểm soát được”. Khi mặt trời không chiếu sáng, các tấm pin mặt trời không tạo ra điện. Khi gió không thổi, tuabine gió cũng không tạo ra điện. Ngoài ra các điều kiện bất lợi như bóng râm, mây và bụi cũng khiến hiệu suất sản xuất điện bị giảm.
Ở phương diện khác, việc vận chuyển nguyên liệu cho các nhà máy điện dựa trên nhiên liệu hóa thạch có thể dễ dàng được kiểm soát, lên xuống khi cần thiết và do đó các nhà máy hóa thạch mang lại độ tin cậy cao, tức là có thể sản xuất điện khi cần. Điều này đơn giản hiện nay là không thể kiểm soát được năng lượng mặt trời và năng lượng gió.
2. Công suất lắp đặt năng lượng mặt trời và gió (MW)
Khi thiết kế nguồn điện, người ta phân biệt giữa năng lượng phát và công suất. Năng lượng sản xuất đề cập đến sản lượng điện thực tế, thường được đo bằng megawatt-giờ (MWh) hoặc kilowatt-giờ (kWh), trong khi công suất đề cập đến sản lượng điện tối đa có thể sản xuất trong các điều kiện nhất định, thường được đo bằng megawatt (MW) hoặc kilowatt (kW).
Công suất lắp đặt 100 MW của các nhà máy nhiệt điện khí tạo ra nhiều lần năng lượng điện (MWh) của 100 MW nguồn năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió tương tự. Các nhà máy điện hóa thạch có thể và đang hoạt động với hệ số công suất từ 80% -90%.
Hệ số công suất trung bình của các nhà máy điện mặt trời và điện gió chỉ khoảng 20% -25%, chủ yếu là do năng lượng gió và mặt trời không phải lúc nào cũng có sẵn. Điều này có nghĩa là, để sản xuất ra cùng một lượng điện, chúng ta cần gấp 4-5 lần công suất lắp đặt của năng lượng gió hoặc năng lượng mặt trời.
3. Công nghệ lưu trữ năng lượng chưa phát triển
Người ta có thể tranh luận rằng năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió có thể và nên được lưu trữ bằng pin để sử dụng khi mặt trời không chiếu sáng hoặc gió không thổi. Tuy nhiên, ngày nay, các công nghệ lưu trữ rất đắt tiền và chỉ có thể lưu trữ điện năng trong thời gian ngắn.
Hầu hết các loại pin lớn có thể lưu trữ năng lượng từ 2 đến 6 tiếng. Hơn nữa, các khía cạnh an toàn, rủi ro môi trường và độ bền của pin vẫn đang được thử nghiệm và phát triển. Quy mô hệ thống cũng cần được mở rộng để một phần của tổng dung lượng có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng theo thời gian thực và một phần có thể sạc pin.
4. Chi phí vốn ban đầu ($ / kWh) của năng lượng tái tạo cao
Trong thập kỷ qua, chi phí vốn ban đầu của năng lượng mặt trời, gió và lưu trữ đã giảm đáng kể. Tuy nhiên, chúng vẫn đắt so với việc xây dựng các nhà máy điện mới dựa trên nhiên liệu hóa thạch như khí đốt tự nhiên.
Xây dựng một nhà máy điện khí đốt chu trình hỗn hợp có chi phí khoảng $ 1000 / kW trong khi năng lượng mặt trời và bộ lưu trữ có thể có giá trong khoảng $ 1500 / kW đến $ 2000 / kW và một nhà máy điện gió có thể lên đến $ 4000 / kW.
Tuy nhiên, chi phí vận hành của các nhà máy năng lượng mặt trời và gió thấp hơn nhiều so với khí đốt và điều này làm cho tổng chi phí năng lượng quy đổi (LCOE) cho năng lượng tái tạo có thể so sánh hoặc thậm chí thấp hơn so với khí đốt.
5. Chuyển đổi mạng lưới tốn kém
Mạng lưới điện là một hệ thống tập trung, nơi sản xuất một lượng lớn điện năng tại các nhà máy điện lớn và được truyền tải qua các đường dây tải điện đến hệ thống phân phối sau đó đến người tiêu dùng cuối cùng.
Sản xuất điện tái tạo có tiềm năng được phân phối nhiều hơn và yêu cầu một mạng lưới điện rất khác để duy trì độ tin cậy và khả năng phục hồi của hệ thống.
Với sự kết hợp của năng lượng tái tạo, lưới điện phải thông minh hơn, linh hoạt và an toàn hơn nhiều so với mạng lưới hiện tại để đáp ứng những thách thức của công nghệ mới hơn, cùng với việc phát điện biến đổi và phân tán. Định hướng này đồng nghĩa thế giới cần mỗi năm 11.000 tỷ USD để nâng cấp mạng lưới điện, cho tới 2030.
Năng lượng tái tạo ở quy mô tiện ích như gió ngoài khơi, nếu nằm xa khu vực xa nhu cầu, có thể làm tăng thêm chi phí truyền tải.
Chi phí minh họa
Giả sử một nhà máy điện cung cấp điện cho 72.000 ngôi nhà, nơi trung bình một hộ gia đình tiêu thụ 1.000 kWh điện mỗi tháng. Vậy tổng mức tiêu thụ mỗi tháng là 72.000 MWh.
Nhà máy khí này có hệ số công suất bình quân là 85%. Như vậy, quy mô hệ thống sẽ là 72.000 MWh / 24 giờ trong ngày / 30 ngày trong tháng / 0,85 hệ số công suất ~ 118 MW. Giả sử chi phí xây dựng nhà máy là 900USD/ kW, tổng chi phí cho nhà máy sẽ là 106 triệu đô la.
Bây giờ hãy so sánh chi phí của một nhà máy năng lượng mặt trời. Ánh sáng mặt trời không có suốt đêm và nhiều ngày. Do đó, nhà máy năng lượng mặt trời phải được kết hợp với bộ lưu trữ pin để sử dụng năng lượng vào ban đêm. Để sạc pin, hệ thống phải mở rộng công suất của nhà máy năng lượng mặt trời vào ban ngày để năng lượng bổ sung được tích trữ cho ban đêm.
Để đơn giản, giả sử giờ ban ngày và giờ ban đêm được chia đều. Đối với ánh sáng ban ngày, giả sử hệ số công suất trung bình là 20%, hệ thống cần 100/2 / 0,2 = 250 MW năng lượng mặt trời. Đối với ban đêm, lưu trữ 72.000 / 2×1000 / 30 kWh điện, tương đương khoảng 1.200.000 kWh. Với $ 400 / kWh, chi phí vốn ban đầu cho việc lưu trữ là $ 480M.
Hệ thống kết hợp cần thêm 250 MW năng lượng mặt trời để sạc các pin này (bỏ qua tổn thất sạc / xả). Vì vậy, với tổng công suất 500 MW năng lượng mặt trời với đầu tư 1500 đô la / kW, bạn cần chi 750 triệu USD cho nhà máy năng lượng mặt trời.
Cộng với tổng số pin mặt trời, bạn sẽ cần chi 1,2 tỷ USD để cung cấp điện cho 72.000 hộ gia đình. Đây là khoảng 12 lần chi phí vốn của một nhà máy điện khí.
Nếu chúng ta đặt mục tiêu 100% năng lượng tái tạo, nó sẽ tốn hàng nghìn tỷ USD để thay thế nguồn cung cấp năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch hiện có bằng các nhà máy điện tái tạo và các nguồn tài nguyên bền vững sẽ cần được triển khai khi gió không thổi và mặt trời không không sáng. Hơn nữa, nó sẽ có tác động rất lớn đến việc làm, cơ sở hạ tầng hiện có và nền kinh tế. Nhiều bên liên quan khác nhau trên toàn quốc cần quyết định xem liệu những rủi ro này có đáng chấp nhận hay không.
Sự kết hợp phù hợp
Trong tương lai sẽ có một điểm tới hạn, trên đó nếu chúng ta bổ sung thêm nguồn điện dựa trên năng lượng tái tạo, lưới điện tổng thể có thể trở nên không đáng tin cậy. Điểm giới hạn này có thể thay đổi theo từng khu vực và vượt qua điểm giới hạn này có thể dẫn đến mất điện.
Vì vậy, ngày nay năng lượng tái tạo 100% là không khả thi, nhưng các quốc gia muốn năng lượng tái tạo sử dụng năng lượng mặt trời và gió để giảm thiểu ô nhiễm mà nếu không thì các nhà máy điện dựa trên nhiên liệu hóa thạch sẽ tạo ra. Đồng thời, các nhà máy hóa thạch rất cần thiết cho an ninh năng lượng của quốc gia khi lưới điện ngày càng cần nhiều công tác kiểm soát hơn để giúp duy trì độ tin cậy của hệ thống và khả năng phục hồi của lưới điện.
