Vấn đề kỹ thuật năng lượng gió ngoài khơi

I. Vai trò của năng lượng gió trên thế giới

Năng lượng không thể thiếu được đối với cuộc sống con người và mọi hoạt động sản xuất kinh doanh. Việc thỏa mãn nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng là một thách thức lớn đối với hầu hết các quốc gia trên thế giới. Với tốc độ tăng trưởng kinh tế của Việt Nam như hiện nay thì nhu cầu về năng lượng còn lớn hơn và nguy cơ thiếu điện luôn là nỗi lo của ngành điện lực cũng như các doanh nghiệp và người dân.

Ngày nay năng lượng gió (NLG) nói chung và NLG trên biển (ngoài khơi) nói riêng, một trong những năng lượng tái tạo được sử dụng ngày càng rộng rãi và trở thành xu thế chung của thế giới khi công nghệ sản suất và lắp đặt được hoàn thiện, chi phí lắp đặt ngày càng giảm so với những năm đầu phát triển. Các nước công nghiệp phát triển đã đề ra chiến lược khai thác NLG ngoài khơi tích cực hơn trong tương lai và thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, thuỷ điện, hạt nhân,…

Kể từ năm 2016, chi phí sản xuất từ NLG ngoài khơi ở châu Âu (nơi đầu tiên phát triển NLG ngoài khơi) đã nhanh chóng giảm xuống đến mức các dự án hiện đang đấu thầu miễn phí và cạnh tranh công khai. Lĩnh vực này được coi là một yếu tố chính của quốc gia có kế hoạch giảm cường độ phát thải carbon của lưới điện với chi phí cạnh tranh. Giống như những loại năng lượng tái tạo phát triển trước đó (NLG trên bờ và năng lượng mặt trời PV), NLG ngoài khơi thực sự phát triển toàn cầu chỉ là vấn đề thời gian.

Tài nguyên NLG biển kỹ thuật có thể sản xuất hàng năm 420.000 TWh hàng năm gấp 18 lần nhu cầu hiện tại của toàn thế giới. Hiện nay theo Tổ chức năng lượng quốc tế (IEA) điện từ NLG biển khơi (offshore wind energy) chiếm 0,3% điện toàn cầu và đã có xu thế phát triển mạnh 10 năm gần đây cùng với công nghệ công suất tuabin lớn hơn, giá thành rẻ hơn, điện xanh không gây ô nhiễm không khí và không phát thải cacbon. Thị trường điện gió biển gia tăng liên tục hàng năm 30% từ năm 2010 đến năm 2018.

Hiện nay có 150 trang trại gió biển lớn đã hoạt động, và đặc biệt tăng mạnh năm 2018 tại Anh, Đức, Đan Mạch, Mỹ, Trung Quốc. Hiện nay châu Âu đã lắp đặt được 20 GW điện gió biển và đã có chính sách hỗ trợ gia tăng gấp 4 lần đến năm 2030 lên 80 GW. IEA dự báo đến năm 2040 thì điện gió biển toàn cầu sẽ có số vốn đầu tư phát triển khoảng 1 ngàn tỷ USD với tốc độ tăng trưởng công suất lắp đặt hàng năm là 13%. Các quốc gia sẽ phát triển mạnh đầu tư điện gió biển đến năm 2040 là EU (Đan Mạch, Đức, Hà Lan, Ai len), UK, Mỹ, Trung Quốc, Nhật, Ấn Độ, Hàn Quốc, Đài Loan. Hiệu suất công suất lắp đặt của các trang trại điện gió biển đạt 50% cao hơn rất nhiều của điện mặt trời gần 20% và điện gió trên đất liền là 35%.

Hiện nay theo đánh giá của các nhà khoa học Mỹ (2015) thì tính đến khoảng cách từ 0m ra đến độ sậu 1000 m theo công suất tuabin Vestas 6 MW dành cho vùng có tốc độ trên 7m/s/năm thì top 10 quốc gia xếp hạng như sau: Nga, Úc, Ca na đa, Na Uy, Niu Di Lân, Ac hen tina, Bra xin, Anh, Nhật, Trung Quốc

Bảng 1. Top 10 quốc gia về tiềm năng lượng gió ngoài khơi (0-1000 m)

II. Đánh giá sự phát triển năng lượng gió biển ngoài khơi trên thế giới

2.1.  Công suất lặp đặt NLG

Châu Âu là khu vực đi đầu trong ngành công nghiệp NLG ngoài khơi, trang trại gió (wind farm – nhà máy điện gió) ngoài khơi đầu tiên được lắp đặt vào năm 1991 tại Vindeby ở miền Đông Đan Mạch, tổng công suất gần 5 MW. Nhà máy điện gió Vindeby gồm 11 tuabin trên bờ, mỗi tuabin tạo ra 450 kW. Được tháo dỡ vào năm 2017, Vindeby đã mở đường cho các trang trại gió ngoài khơi trên khắp châu Âu.

Những khu vực có tốc độ gió trung bình trên 7 m/s và độ sâu nước tương đối nông, dưới 50 m là điều kiện lý tưởng cho phát triển NLG gió ngoài khơi. Năm 2016, Vương quốc Anh là nơi có ngành công nghiệp NLG gió ngoài khơi lớn nhất thế giới, với công suất tích lũy 8,5 GW và chi phí thấp nhất thế giới.

Hình 1 trình bày các quốc gia có tỷ lệ tham gia của NLG ngoài khơi cao nhất thế giới. Ngoài vương quốc Anh, các nước Bỉ, Đan Mạch, Đức và Hà Lan cũng là những nước Châu Âu có sự tăng trưởng đáng kể của ngành NLG ngoài khơi, nơi có thị phần công suất lắp đặt lớn nhất toàn cầu hiện nay. Ngoài ra, Trung Quốc đã liên tục phát triển ngành công nghiệp điện gió ngoài khơi, thêm 1.6 GW vào năm 2018. Tính đến tháng 9 năm 2019, công suất gió ngoài khơi toàn cầu đạt khoảng 25 GW, tương đương với khoảng 26 tỷ đô la đầu tư hàng năm. Tuy nhiên, Cơ quan Năng lượng tái tạo Quốc tế (IRENA) lưu ý rằng gió ngoài khơi sẽ cần tăng gấp 10 lần vào năm 2030 (lên 228 GW) để hỗ trợ chuyển đổi ngành điện cần thiết để đạt được các mục tiêu của Thỏa thuận Biến Đổi khí hậu toàn cầu năm 2015 được ký kết tại Pari, Pháp.

Hình 1. Các quốc gia có tỷ lệ tham gia của NLG ngoài khơi cao nhất

2.2. Chi phí đầu tư

Cho đến gần đây, chi phí vẫn là rào cản chính đối với sự tăng trưởng của NLG gió ngoài khơi. Năm 2015, chi phí sản xuất điện qui dẫn (LCOE) cho các dự án điện gió ngoài khơi dao động từ 150 - 200 USD/MWh, gấp khoảng ba đến bốn lần so với điện gió trên bờ. Tình hình đã thay đổi đáng kể giữa năm 2016 và 2017 khi một loạt các cuộc đấu thầu cạnh tranh ở châu Âu đưa ra mức giá dưới 100 USD/MWh, đỉnh điểm là các dự án đấu thầu vào thị trường thương mại mà không có bất kỳ hình thức trợ cấp nào, bắt đầu từ Hà Lan. Trong năm 2017, giá thầu tại Hoa Kỳ cho trang trại gió ngoài khơi 30 MW giảm xuống mức thấp nhất là 65 USD/MWh. Vào cuối tháng 9 năm 2019, ở Vương quốc Anh đã đưa ra mức giá thấp nhất trong lịch sử 39,65 bảng/MWh (49,6 USD/MWh) giảm 30% so với phiên đấu giá trước đó được tổ chức vào năm 2017. Hình 2 minh họa xu hướng giảm chi phí cho các dự án NLG ngoài khơi mới có thời gian vận hành đến năm 2025. Với những sự sụt giảm này của LCOE, NLG gió ngoài khơi nằm trong phạm vi cạnh tranh của than mới (60-143 USD/MWh), hạt nhân (112-183 USD/MWh) và các dự án điện khí chu trình hỗn hợp (42-78 USD/MWh).

Hình 2. Xu hướng của LCOE ở các quốc gia có tỷ lệ tham gia của NLG ngoài khơi cao nhất

Tốc độ và mức độ giảm chi phí NLG gió ngoài khơi đã khiến một số nhà quan sát kết luận rằng ở một số thị trường châu Âu, gió ngoài khơi sẽ trở thành hình thức rẻ nhất của thế hệ năng lượng mới vào đầu năm 2022. Giá giảm được điều khiển bởi một loạt các yếu tố, bao gồm Tua bin lớn hơn và hiệu suất lớn hơn, trang trại gió lớn hơn, tiếp cận nguồn tài nguyên gió ngoài khơi tốt hơn, tài chính chi phí thấp hơn, chuỗi cung ứng phát triển hơn, áp lực giá từ đấu thầu cạnh tranh và sự xuất hiện của các nhà phát triển dự án lớn hơn.

 2.3. Công nghệ tuabin điện gió biển

Đầu những năm 2000, Vương quốc Anh đã áp dụng các tua bin gần bờ lớn nhất lúc bấy giờ (2 MW) và chuyển đổi chúng cho môi trường ngoài khơi. Các tàu lắp đặt, cụ thể là xà lan tự nâng, được đưa vào từ ngành công nghiệp dầu khí ngoài khơi nhưng hạn chế cả về khả năng nâng và tầm với. Các dự án ban đầu rất tốn kém và mất nhiều thời gian để xây dựng hơn dự kiến, vì các nhà phát triển không quen với các yêu cầu hậu cần tương đối phức tạp của việc lập kế hoạch và thực hiện các dự án trên đại dương.

Theo thời gian, NLG ngoài khơi phát triển thành một ngành công nghệ riêng biệt, chuyên biệt. Tua bin ngoài khơi hiện được thiết kế đặc biệt để giảm yêu cầu bảo trì do chi phí tiếp cận hàng hải tương đối cao. Đồng thời, các trang trại gió ngoài khơi phải chịu ít hạn chế hơn so với gió trên bờ, bao gồm áp lực sử dụng đất, lo ngại về cảnh quan và hạn chế về giao thông hay cơ sở hạ tầng. Do đó, tua bin gió ngài khơi đã được phát triển thành những bộ máy quay lớn nhất trên hành tinh (Xem hình 3), có khả năng tạo ra các yếu tố công suất cao hơn nhiều so với anh em họ trên bờ.

Tính đến tháng 9 năm 2019, các tuabin MHI Vestas 9,5 MW là tuabin được lắp đặt lớn nhất trên thế giới, với sải cánh quạt dài hơn một chiếc máy bay Airbus A380. Tháng 10 năm 2019, General Electric đã hoàn thành việc lắp đặt thử nghiệm mẫu tua bin Haliade-X 12 MW tại Cảng Rotterdam (Hình 4), trị giá 400 triệu đô la cho 3-5 năm thử nghiệm. Các thiết kế tua bin trong dải 13 đến 15 MW dự kiến sẽ được thương mại vào giữa những năm 2020.

Hình 3. Gia tăng kịch thước tua bin gió theo thời gian

Hình 4. Thông số kỹ thuật của tua bin Haliade-X 12 MW

Việc mở rộng phát triển NLG ngoài khơi ra biển sâu đang gia tăng. Hình 5, Hình 6 và Hình 7 phía dưới cho thấy sự gia tăng độ sâu cũng như khoảng cách xa bờ của các tua bin gió ngoài khơi được lắp đặt. Các tua bin ngoài khơi được lắp đặt xa nhất cách bờ gần 40 km, ở độ sâu nhất lên đến 40-50 m.

Hình 5. Tỉ lệ tua bin gió được lắp đặt theo khoảng cách từ bờ         

Hình 6. Tỉ lệ tua bin gió được lắp đặt theo độ sâu

Hình 7. Phân bố số lượng tua bin lắp đặt theo độ sâu và khoảng cách từ bờ

Sự phân bố các tuabin gió ngoài khơi khu vực Châu Âu theo độ sâu của nước và khoảng cách từ bờ biển được thể hiện trong Hình 7. Các điểm có mật độ cao nhất hơn 400 tuabin gió được lắp đặt, khu vực có mầu đỏ được xác định ở độ sâu khoảng 15 m đến 20 m và khoảng cách từ bờ biển vào khoảng từ 15 km đến 20 km.

2.4. Tuabin gió nổi ngoài khơi – cách mạng điện gió biển

Nhưng sự đổi mới mạnh mẽ về công nghệ trong xây dựng các trụ tua bin gió nổi ngoài khơi (xem Hình 8) được coi là bước nhảy vọt tiếp theo trong ngành năng lượng gió. Mặc dù còn ở giai đoạn sơ khai, tua bin gió nổi có tiềm năng rất lớn, vì nó có thể được lắp đặt ở vùng nước sâu từ 50 m đến 1.000 m, giải quyết được bài toán nước sâu không phù hợp với công nghệ móng cột cố định của các tua bin gió hiện nay.

Hình 8. Thiết kế tua bin gió nổi ngoài khơi

Hình 9. Dự bao giá thành công nghệ tuabin gió nổi ngoài khơi đến năm 2030

Trang trại gió nổi (floating windfarm) nhiều tua-bin đầu tiên trên thế giới là dự án Hywind Scotland 30 MW được lắp đặt năm 2017, cách bờ biển phía tây bắc Scotland gần 30 km và ghi nhận hệ số CF công suất ấn tượng 57%. Các dự án khác tại châu Âu trong bảng 2. Năm 2018 Hàn Quốc bắt đầu thiết kế dự án ngoài khơi Ulsan, đông nam Hàn Quốc với công suất 12 GW và dự kiến hoàn thành 2025. Các dự án tuabin nỏi được thiết kế xây dựng tại Nhật Bản, Trung Quốc, Đài Loan, Ấn Độ, Mỹ. Hình 1.9 cho thấy đến năm 2030 giá LCOE sẽ là thấp hơn 60 USD/MW rất cạnh tranh vì thấp so với các dạng nguồn than, khí.

Bàng 2. Danh sách các Trại điện gió tuabin nổi ngoài khơi tại châu Âu

2.5. Công suất lắp đặt

Năm 2018 chứng kiến sự bổ sung 4,8 GW công suất lắp đặt ngoài khơi mới trên toàn thế giới. Trong khi phần lớn (60%) là ở châu Âu, Trung Quốc là quốc gia bổ sung công suất NLG ngoài khơi lớn nhất Châu Á. Dự báo cho thấy NLG ngoài khơi sẽ tăng thêm từ 7 đến 11 GW mỗi năm từ 2019 đến 2024, thêm từ 15 GW đến 21 GW mỗi năm trong khoảng từ 2025 đến 2030. Tăng trưởng hàng năm từ 2019 đến 2027 sẽ trung bình 11 GW mỗi năm.

Đến năm 2030, NLG ngoài khơi lắp đặt tích lũy sẽ đạt 190 GW và ước tính đầu tư 700 tỷ đô la. Ước tính chỉ ra rằng thị trường châu Âu sẽ tiếp tục tăng trưởng ổn định, nhưng châu Á sẽ tăng tốc và chứng kiến phần lớn các lắp đặt trong thập kỷ tới, trong khi Hoa Kỳ sẽ chiếm khoảng 10% thị trường toàn cầu.

Thị trường điện gió biển gia tăng liên tục hàng năm 30% từ năm 2010 đến năm 2018. Hiện nay có 150 trang trại gió biển lớn đã hoạt động, và đặc biệt tăng mạnh năm 2018 tại Anh, Đức, Đan Mạch, Mỹ, Trung Quốc. Hiện nay châu Âu đã lắp đặt được 20 GW điện gió biển và đã có chính sách hỗ trợ gia tăng gấp 4 lần đến năm 2030 lên 80 GW. IEA dự báo đến năm 2040 thì điện gió biển toàn cầu sẽ có số vốn đầu tư phát triển khoảng 1 ngàn tỷ USD với tốc độ tăng trưởng công suất lắp đặt hàng năm là 13%. Các quốc gia sẽ phát triển mạnh đầu tư điện gió biển đến năm 2040 là EU (Đan Mạch, Đức, Hà Lan, Ai len), UK, Mỹ, Trung Quốc, Nhật, Ấn Độ, Hàn Quốc, Đài Loan. Hiệu suất công suất lắp đặt của các trang trại điện gió biển đạt 50% cao hơn rất nhiều của điện mặt trời gần 20% và điện gió trên đất liền là 35%.

Đối với các nước đang phát triển, tuabin gió nổi sẽ trở nên quan trọng, đặc biệt là các quốc gia có vùng nước sâu hơn, hoạt động địa chấn và/hoặc rủi ro thời tiết cực kỳ nghiêm trọng. Đến năm 2030, Bloomberg ước tính công suất lắp đặt tích lũy của tuabin gió nổi trên bảy quốc gia và 19 quốc gia khác nhau là 1,2 GW. Kinh nghiệm phát triển NLG ngoài khơi của Châu Âu có thể giúp các nước đang phát triển để đẩy nhanh quá trình chuyển đổi năng lượng sang NLG ngoài khơi.

III. Đánh giá tiềm năng gió ngoài khơi trên vùng biển Việt Nam

3.1. Định nghĩa tiếm năng năng lượng gió ngoài khơi Việt Nam

Tiềm năng lý thuyết: là tiềm năng thuần túy về mặt năng lượng, có được thông qua việc xử lý các số liệu quan trắc khí tượng. Khu vực được coi là có tiềm năng gió lý thuyết khi vận tốc gió trung bình năm tại độ cao đặt tuabin gió xếp loại từ khá trở lên (6,0 m/s trở lên theo Thông tư số 06/2013/TT-BCT; 4,5 m/s theo thông lệ và đánh giá tiềm năng lý thuyết quốc tế). Tiềm năng được gọi là lý thuyết vì thực chất để khai thác được tiềm năng này, còn cần rất nhiều các yếu tố khác. Trên biển theo quy chuẩn của EU, Mỹ xét phân bố tốc độ gió trên 7m/s.

Tiềm năng kỹ thuật: khu vực có tiềm năng kỹ thuật là khu vực có tiềm năng lý thuyết nhưng được đánh giá là có thể triển khai xây dựng và vận hành với điều kiện kỹ thuật và công nghệ hiện nay. Một khu vực có tiềm năng lý thuyết nhưng điều kiện không thuận lợi, không có khả năng vận chuyển vật tư thiết bị đến, không thể tiếp cận để thi công, hoặc không thể đấu nối với hệ thống điện thì được xem là không khả thi hoặc không có tiềm năng kỹ thuật.

Tiềm năng quy hoạch (hay tiềm năng kinh tế): một khu vực có thể phù hợp với nhiều chức năng khác nhau, khi quy hoạch cho chức năng này sẽ không thực hiện được chức năng khác. Ví dụ: khu vực quy hoạch cho công nghiệp sẽ không phù hợp với phong điện vốn cần mặt bằng rộng, thoáng và giá đất rẻ. Tua bin gió không thể bố trí trong khu vực tôn giáo do những lo ngại về phá hỏng cảnh quan...Tuy nhiên, một số chức năng có thể “sống chung” với phong điện mà không gặp bất kỳ trở ngại nào. Cần lưu ý là, khi phát triển một nhà máy phong điện trong khu vực tiềm năng, các tua bin gió sẽ được phân bố rải rác, và khi nhà máy đi vào hoạt động, diện tích chiếm vĩnh viễn sẽ vào khoảng 5% diện tích khu vực nghiên cứu. Phần diện tích đất còn lại (khoảng 95%) vẫn hoàn toàn thích hợp để quy hoạch cho cho các mục đích khác nhằm phát huy hiệu quả khai thác, sử dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên.

Tiềm năng tài chính (hay tiềm năng khả thi theo biểu giá điện gió hiện hành): là khu vực mà khi triển khai dự án có thể khai thác hiệu quả, đem lại lợi nhuận cho chủ đầu tư trong điều kiện hiện tại. Tiềm năng này phụ thuộc rất nhiều yếu tố: suất đầu tư, sản lượng điện sản xuất, giá bán điện, khả năng bán tín dụng giảm khí phát thải, chính sách trợ giá của Chính phủ, khả năng huy động vốn, khả năng triển khai dự án... Do vậy, tiềm năng về tài chính có thể thay đổi rất lớn theo thời gian, một khu vực được đánh giá là hiện tại không có tiềm năng về tài chính, nhưng có thể sẽ có tiềm năng này trong năm sau. 

Vùng loại trừ được định nghĩa là vùng có chức năng sử dụng được quy hoạch không phù hợp với điện gió. Như vậy, vùng loại trừ điện gió là vùng không phù hợp cho quy hoạch phát triển điện gió.

Vùng đệm là vùng có bề rộng tối thiểu để vùng điện gió không gây ảnh hưởng đến vùng có chức năng sử dụng khác. Một số ảnh hưởng có thể kể như ảnh hưởng tiếng ồn, ảnh hưởng về an toàn.

3.2. Phương pháp đánh giá tiềm năng lý thuyết và kỹ thuật

Số liệu và phương pháp

Số liệu: Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng số liệu gió ở độ cao 100 m để đánh giá tiềm năng toàn biển Đông, Việt Nam.

Số liệu gió trung bình 10 năm 2006-2015, lưới 10 kmx10km

Mô hình WAsP là một chương trình cho phép ngoại suy theo phưng ngang và thẳng đứng các thống kê gió. Nó chứa một số mô hình để mô tả luồng gió trên các địa hình khác nhau và các vật che chắn (địa hình đồi núi, đồng bằng, rừng, ...). WAsP bao gồm năm khối tính toán chính:

Phân tích dữ liệu gió thô: Phân tích bất kỳ chuỗi thời gian đo gió nào để cung cấp một bản tóm tắt thống kê về khí hậu gió cụ thể theo địa điểm. Phần này được triển khai trong các công cụ phần mềm riêng biệt.

Tạo dữ liệu bản đồ gió: Dữ liệu gió được phân tích có thể được chuyển đổi thành khí hậu gió tổng quát hoặc tập dữ liệu bản đồ gió. Trong tập dữ liệu bản đồ gió, các quan sát gió đã được 'làm sạch' đối với các điều kiện cụ thể của địa điểm.

Dự đoán khí hậu gió: Sử dụng bộ dữ liệu bản đồ gió được tính toán bởi WAsP hoặc dữ liệu thu được từ một nguồn khác - ví dụ: Atlas Gió châu Âu - chương trình có thể ước tính khí hậu gió tại bất kỳ điểm và độ cao cụ thể nào bằng cách thực hiện phép tính nghịch đảo như được sử dụng để tạo ra một bản đồ gió. Bằng cách xem xét các mô tả về địa hình xung quanh địa điểm dự đoán, các mô hình có thể dự đoán khí hậu gió thực tế, dự kiến ​​tại địa điểm này.

Ước tính tiềm năng điện gió: Tổng hàm lượng năng lượng của gió trung bình được tính bằng WAsP. Hơn nữa, một ước tính về sản lượng năng lượng trung bình thực tế hàng năm của một tuabin gió có thể thu được bằng cách cung cấp cho WAsP đường cong công suất của tuabin gió được đề cập.

Tính toán sản xuất trang trại gió: Với các đường cong hệ số công suất và lực tác động của tuabin gió và bố trí trang trại gió, WAsP có thể ước tính tổn thất sau cho mỗi tuabin trong một trang trại và sản xuất năng lượng ròng hàng năm của mỗi tuabin gió và của toàn bộ trang trại, tức là tổng sản xuất trừ đi các tổn thất.

Bản đồ phân ranh giới độ sâu biển Việt Nam 30 m và 60 m (hình 10)

Phương pháp tính toán

Như đã biết, áp lực của luồng gió có vận tốc V trên một đơn vị diện tích S đặt thẳng góc với luồng gió sinh ra một động năng là:

E =1/2 mV²                                                      (1)

Trong đó, m là khối lượng các phân tử không khí. Nếu S là đơn vị diện tích thì khối lượng các phân tử không khí đập trên S trong một giây sẽ là:

m= rV                                                                    (2)

Do đó,

E = 1/2rV³                                                     (3)

E cũng chính là mật độ năng lượng gió tức thời tương ứng với vận tốc gió V và mật độ không khí r.

Nếu giả thiết V và  không có liên quan với nhau thì mật độ năng lượng gió trung bình trong thời gian T sẽ là:

E=1/2p.M[V³]                                                        (4)          

Giá trị M[V³] trong biểu thức (4) có thể xác định được khi biết tần suất xuất hiện các cấp tốc độ gió trong thời gian T tức là biết phân bố mật độ xác suất của nó trong thời gian T đó. Nếu hàm phân bố mật độ tốc độ gió là f(V) thì giá trị M[V³] chính là mô men gốc bậc ba của phân bố đó và được xác định bởi biểu thức:

M[V³]=JV3j(V)dV                                                (5)

Mật độ không khí r là đại lượng biến thiên không nhiều trong khi tốc độ gió biến thiên liên tục với mức độ dao động rất lớn nên năng lượng do nó sinh ra cũng luôn biến động. Bởi vậy, việc xác định đại lượng M[V³] hoặc hàm f(V) và khảo sát các đặc điểm diễn biến của tốc độ gió V có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió.

Trước đây, song song với nghiên cứu sự phân bố của tốc độ gió cho các mục đích khác nhau, các nhà khoa học đã đi sâu nghiên cứu và hoàn thiện việc chọn hàm phân bố tốc độ gió tối ưu cho mục đích khai thác và sử dụng năng lượng gió. Đã có nhiều loại hàm phân bố khác nhau như hàm phân bố chuẩn (Pô môr sep -1894), hàm Pearson loại V, hàm Pearson loại III (Putnam - 1948 và Sherlock - 1951), phân bố lô ga chuẩn (Luna và Church - 1974), hàm Weibull,... được nghiên cứu sử dụng. Cho đến nay, các công trình nghiên cứu về năng lượng gió của các nước đều khẳng định rằng hàm Weibull hai thông số không những cho xấp xỉ tốt với dãy số liệu thực nghiệm mà còn do tính chất đặc biệt của nó hàm này đã được sử dụng như một công cụ rất thuận tiện để phân tích và tính toán năng lượng gió.

Như trong công thức (3), mật độ năng lượng gió tức thời chỉ tỷ lệ thuận với tốc độ gió mũ ba, nhưng mật độ năng lượng gió trung bình trong thời gian nào đó không chỉ tỷ lệ với tốc độ gió trung bình trong thời gian đó vì:

                                                  (6)

Nghĩa là mũ ba của tốc độ gió trung bình luôn luôn nhỏ hơn trung bình của tốc độ gió mũ ba. Hai vế của (6) chỉ bằng nhau khi V_i = const. Điều đó có nghĩa là năng lượng gió trung bình thực bao giờ cũng lớn hơn năng lượng gió tính với giá trị tốc độ gió trung bình.

Vì thế, khi tính năng lượng gió trung bình theo giá trị tốc độ gió trung bình, người ta đưa vào một tham số gọi là hệ số mẫu năng lượng K, có dạng:

K= M[V³]íM[V]ý^-3                                                (7)

Ở đây M[V] chính là tốc độ gió trung bình V và cũng là mô men gốc bậc 1 của phân bố, M[V³] là mô men gốc bậc 3 của phân bố tốc độ gió. Hệ số mẫu năng lượng luôn luôn >1.

Khi đó, tiềm năng năng lượng gió tại một địa điểm được đánh giá bởi mật độ năng lượng gió trung bình:

                                                                     (8)

Trong đó:  – mật độ không khí. Công thức (8) cho thấy rằng, mật độ năng lượng gió thực bằng K lần mật độ năng lượng tính với tốc độ gió trung bình.

Trong thực tế, r là đại lượng ít thay đổi và thường được coi là hằng số. Giá trị của nó là khoảng 1,23 kg/m³.  Do đó, năng lượng gió tại một điểm được đánh giá bằng đại lượng mật độ năng lượng gió trung bình theo biểu thức sau:

                                                            (9)

Trong đó V tính bằng m/s,  bằng Watt/m² (W/m²).

Tổng năng lượng gió cả năm được tính theo công thức:

                                       (10)

Tổng năng lượng gió từng mùa được tính theo công thức:

                                                 (11)

Rõ ràng, cũng như mật độ năng lượng gió, tổng năng lượng gió phụ thuộc bậc 1 vào hệ số mẫu năng lượng K và phụ thuộc bậc 3 vào tốc độ gió trung bình năm.

Tính toán phân bố tốc độ gió

Thực chất là tốc độ gió trung bình được tính cho một thời đoạn T nào đó quanh thời điểm đo. Tức là, tốc độ gió trung bình được xác định bởi biểu thức:

                                                        (12)

Ở đây, có thể tính được tốc độ gió trung bình trực tiếp theo tập số liệu quan trắc, tức là tính dưới dạng trung bình số học:

                                                    (13)

Tuy nhiên, do dãy số liệu quan trắc không đủ dày nên giá trị trung bình tính theo (13) không thể đáp ứng tốt cho yêu cầu đánh giá tiềm năng năng lượng. Vì thế, trong phân tích đánh giá tiềm năng năng lượng gió, người ta thường tính toán thông qua hàm phân bố Weibull.

Khi tốc độ gió V có phân bố Weibull, trung bình của nó được xác định bởi biểu thức:

                                                (14)

Trong công thức (10), f(V) là hàm phân bố tần suất của tốc độ gió Weibull, có dạng:

                                          (15)

trong đó: b là tham số kích cỡ của phân bố và gần với giá trị tốc độ trung bình; g là tham số dạng. Các tham số của phân bố Weibull được xác định theo phương pháp xác suất cực đại.

Giá trị của hàm Gamma đã cho sẵn trong các bảng tính. Bởi vậy việc sử dụng hàm phân bố Weibull để tính toán năng lượng gió trở nên đơn giản và dễ dàng.

Đặc điểm phân bố của hệ số mẫu năng lượng K

Về mặt toán học, hệ số mẫu năng lượng K được đưa vào công thức tính toán mật độ năng lượng gió làm cho mật độ năng lượng gió tăng lên khi tính vơi tốc độ gió trung bình phù hợp với thực tế hơn. Về mặt thực tế, K làm giảm ảnh hưởng của điều kiện khu vực đối với việc đánh giá tiềm năng năng lượng gió.

Hệ số mẫu năng lượng K là đại lượng không thứ nguyên, nó phụ thuộc vào mức độ chia cắt của địa hình khu vực và mức độ thông thoáng của chính địa điểm. Vị trí càng bị che chắn hệ số K càng lớn, ở nơi thông thoáng K nhỏ. Ngoài ra, K có xu hướng tăng theo chiều từ vĩ độ cao xuống vĩ độ thấp. Hệ số K có giá trị phổ biến từ 2 đến 20 và một số nơi còn cao hơn nữa. Trên các hải đảo gần bờ K  3 ¸ 4, đảo xa bờ K  2 ¸ 3.

Hình 11. Bản đồ phân vùng tiềm năng năng lượng gió trên Biển Đông và biển ven bờ Việt Nam (các đường đẳng sâu 30m (đường chấm) và 60 m (đường liền))

3.3. Kết quả tính toán tiềm năng năng lượng gió ngoài khơi biển Việt Nam

Phân bố gió trung bình 10 năm vùng biển Việt Nam, cho thấy có nhiều vùng gió lớn hơn 7 m/s/năm. Và từ 7 đến 11 m/s sẽ dùng để đánh giá tiềm năng lý thuyết và kỹ thuật NLG biển Việt Nam. NLG kỹ thuật dùng tuabin tương ứng với cái mức độ gió từ 6 MW đến 12 MW, tính đến thời điểm công nghệ tuabin thương mại hết 2019 của các hãng chuyên tuabin gió thương mại VESTAS (Đan Mạch), GE (Mỹ).

Bản đồ hình 10, 11 xác định cho ta diện tích tiềm năng ứng với các mức tốc độ gió m/s (7-7,5, 7,5-8; 8-8,5; 8,5-9; 9-9,5; 9,5-10; >10). (bảng 1)

HÌnh 11. Bản đồ phân bố tốc độ gió trung bình 2006-2015

Qua kết quả tính toán cho thấy hiệu suất NLG kỹ thuật ven bờ đạt 14,5 % NLG lý thuyết, NLG xa bờ đạt 11,5%. Tỷ lệ này cho thấy gió ở Việt Nam đạt trên mức trung bình so với toàn cầu. Tổng NLG kỹ thuật biển Việt Nam có thể đạt 13,4% NLG lý thuyết và cho thấy khả năng chung khai thác hiệu quả, so với mức chung là hơn 10%. (bảng 5)

Khu vực Trường Sa và Hoàng Sa có tiềm năng khá tốt với tốc độ gió trung bình đạt 8 m/s và 7 m/s, tương ứng với NLG kỹ thuật là 1.867 GW và 187 GW, tức NLG Trường Sa gấp 10 lần NLG Hoàng Sa (bảng 4).

NLG kỹ thuật biển ven bờ Việt Nam đạt 4321 GW Dải 7,5 m-8 m/s là có nhiều diện tích tiềm năng nhất với 1.833 GW chiếm đến 42% NLG ven bờ.  Gió trên 8 m/s tới 11m/s có 154.000km² diện tích tiềm năng, thuộc phân loại cực tốt (có thể là kho ngân hàng gió quý giá) với 1573 GW. Dải tốc đô 7-7,5 m/s có 923 GW.

Nếu so sánh với bảng 1 top 10 quốc gia gió toàn cầu, thì Việt Nam có vùng biển ven bờ với NLG kỹ thuật là 4.321 GW chỉ đứng sau Nga, Úc, Ca na đa với NLG Kỹ thuật tương ứng là 7.268 GW, 5.448 GW, 4.884 GW, và biển nước ta thì hơn Na Uy đứng thứ4 với công suất là 3.634 GW.

Bảng 3: Kết quả tính tiềm năng gió lý thuyết và kỹ thuật biển ven bờ Việt Nam

Bảng 4:  Kết quả tính tiềm năng gió lý thuyết và kỹ thuật biển xa bờ Việt Nam

Bảng 5:  Kết quả tính tiềm năng gió lý thuyết và kỹ thuật vùng biển Việt Nam

4. Kết luận và kiến nghị

Vùng biển Việt Nam có tiềm năng NLG kỹ thuật rất lớn có thể đạt 6188 GW và chiếm 13,4 % NLG lý thuyết, đạt trên mức trung bình NLG toàn cầu.

Vùng biển ven bờ Việt Nam có thể đứng trong top 5 về NLG kỹ thuật so với các quốc gia trên thế giới

Nhiều vùng biển Việt Nam có tốc độ gió trên 7 m/s có tiềm năng gió tốt và cần được quy hoạch phát triển, đặc biệt khi thực hiện Quy hoạch không gian biển quốc gia, Và có thể tham khảo khí xây dựng hồ sơ tiền khả thi của dự án NLG ngoài khơi. Khi tính tiềm năng kinh tế và tài chính thì cần chi tiết hóa tới từng khu vực.

Cần xây dựng Cơ sở dữ liệu gió biển quốc gia, đặc biệt với các vùng trên 7m/s để thu hút các nhà đầu tư tiềm năng vào đầu tư, thu gọn quá trình phải phát triển dự án điện gió ngoài khơi.

Cần xem xét xây dựng chiến lược NLG (điện gió) ngoài khơi để phát triển điện xanh, giảm khí thải nhà kính, giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu.

Cần có Đề án phát triển ngành điện gió ngoài khơi, quy hoạch phân lô NLG và xác định định mức điện tích tối thiểu 1 trại gió để phát triển hợp lý và bền vững.

Cần đẩy mạnh hợp tác quốc tế về khoa học công nghệ NLG ngoài khơi, xây dựng các tỏ chức nghiên cứu, triển khai, dịch vụ, cơ sở hạ tầng về NLG.

Xây dựng chính sách đặc thù thu hút đầu tư, nhân lực chất lượng cao phục vụ phát triển ngành NLG ngoài khơi kèm các chính sách điện lực khác như (FIT, PPA..)

Tài liệu tham khảo

1. Van Q. Doan, Hiroyuki Kusaka,  Du Van Toan, Duc D. Nguyen, Thanh Cong, 2018. Numerical Approach for Studying Offshore Wind Power Potential Along the Southern Coast of Vietnam. Proceedings of the 1st Vietnam Symposium on Advances in Offshore Engineering; Energy and Geotechnics. Springer, Pages 245-249

2. Du Van Toan, Quang Van Doan, Pham Le Duy Anh, Van Nguyen Dinh, 2018.  The Zoning of Offshore Wind Energy Resources in the Vietnam Sea. Proceedings of the 1st Vietnam Symposium on Advances in Offshore Engineering: Energy and Geotechnics, Springer, Pages 250-256

3. Q.Doan, Van and Van-Nguyen, Dinh and Hiroyuki, Kusaka and Cong, Thanh and Du Van, Toan and Nguyen, Dinh Duc (2019) Usability and challenges of offshore wind energy in Vietnam revealed by the regional climate model simulation. Scientific online letters on the atmosphere, 15 . pp. 113-118. ISSN 1349-6476

4. ESMAP, 2019. Going Global Expanding Offshore Wind to Emerging Markets.

5. https://globalwindatlas.info/

6. https://www.ecmwf.int/

7. Viện Năng Lượng, 2018. Quy hoạch phát triển năng lượng tái tạo quốc gia đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035.

8. https://en.wind-turbine-models.com/

9. GWEC, 2019. Global wind report 2018

10. https://www.worldbank.org/

Dư Văn Toán⁽¹⁾, Nguyễn Hoàng Anh⁽¹⁾, Pham Văn Tiến⁽²⁾

1.Viện nghiên cứu biển và hải đảo; 2. Viện Năng lượng