Năng lượng gió biển thế giới và đề xuất nghiên cứu, phát triển điện gió biển Việt Nam hướng tới mục tiêu giảm thiểu tác động biến đổi khí hậu
NĂNG LƯỢNG GIÓ BIỂN THẾ GIỚI VÀ ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU,
PHÁT TRIỂN ĐIỆN GIÓ BIỂN VIỆT NAM HƯỚNG TỚI MỤC TIÊU
GIẢM THIỂU TÁC ĐỘNG BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Dư Văn Toán, Nguyễn Khắc Đoàn, Nghiêm Thanh Hải, Nguyễn Thế Thịnh
Viện Nghiên cứu Biển và Hải đảo
Ngày nhận bài 16/5/2017; ngày chuyển phản biện 19/5/2017; ngày chấp nhận đăng 9/6/2017
Tóm tắt: Bài báo giới thiệu sơ bộ hiện trạng khai thác tài nguyên năng lượng gió trên thế giới nói chung
và gió trên biển (offshore wind) nói riêng. Trong bài cũng giới thiệu cách ꢀnh toán mật độ năng lượng gió
trên các tầng cao khí quyển, phương thức phân vùng tài nguyên năng lượng gió biển Việt Nam và đề xuất
giải pháp nghiên cứu và phát triển năng lượng gió trên biển, ứng phó với biến đổi khí hậu. Vùng biển Việt
Nam có ꢁềm năng tài nguyên năng lượng gió biển rất lớn, với vùng biển 0-30 m nước có 111.000 km2 với
công suất là 64.000 GW, 30-60 m nước có diện ꢀch là 142.000 km2 với công suất ꢁềm năng đạt 106.000 GW.
Vùng có ꢁềm năng nhất là vùng ven bờ Bình Thuận - Cà Mau với mật độ đạt gần 1.000 w/m2 đạt cao nhất
Việt Nam và ngang tầm thế giới, và hiện đã được triển khai trang trại gió tại Bạc Liêu, Cà Mau công suất
tổng là 1 GW, và cả khu vực đến năm 2030 sẽ là 8 GW. Bài báo đề xuất nghiên cứu và phát triển điện gió biển
sẽ góp phần giảm nhẹ khí nhà kính, hướng tới giảm tác động của biến đổi khí hậu.
Từ khóa: Năng lượng gió, Biển Đông, biến đổi khí hậu, giảm thiểu các-bon, trang trại gió.
1. Mở đầu
Hiện trạng biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi
Gần đây, Mỹ và các quốc gia, tổ chức thế giới
phát triển năng lượng gió đã có định nghĩa tài
nguyên năng lượng gió trung bình 10 năm liên tục.
Bản đồ mật độ gió và mật độ năng lượng gió trung
bình nhiều năm đã được nhiều quốc gia xây dựng
để làm ꢀền đề cho việc quy hoạch khai thác, sử
dụng tài nguyên mới này. Hiện nay danh sách các
trang trại gió biển đang được khai thác, quy hoạch
là những nơi có tốc độ gió đạt hơn 6 m/s.
Hiện nay tổng số các dự án điện gió đã và
đang thực hiện trên biển vào khoảng 1.500 dự
án [8] từ độ sâu 0 m đến 100 m nước các vùng
biển trên thế giới, có diện ꢁch từ vài km2 cho
đến hàng trăm km2 với tổng công suất lên đến
3.000 GW, và khu vực biển Việt Nam cũng nằm
trong vùng nhiều ꢀềm năng phát triển điện gió
biển nếu chúng ta có chính sách khai thác sử
dụng tài nguyên năng lượng gió biển phù hợp.
2. Hiện trạng phát triển năng lượng điện gió
biển trên thế giới
Theo báo cáo thống kê [9] của Hiệp hội Năng
lượng tái tạo toàn cầu (IREN) năm 2016, thì tỷ
trọng công suất điện gió mới nhất toàn cầu hiện
đang chiếm 9% của tổng các nguồn điện hiện có:
Đứng đầu là Trung Quốc chiếm 34%, Mỹ là 17%,
trường, suy thoái đa dạng sinh học và hệ sinh thái
diễn ra mạnh mẽ và đang đe dọa cuộc sống toàn
cầu và đặc biệt là than đá, dầu mỏ, khí đốt còn vài
thập niên nữa sẽ cạn kiệt, loài người sẽ lâm vào
nguy cơ khủng hoảng năng lượng nghiêm trọng,
nên nhiều nước đua nhau phát triển năng lượng
gió. Hiện nay giá của điện khai thác từ năng lượng
gió đã xấp xỉ với giá điện từ các nguồn nhiên liệu
hóa thạch truyền thống. Tài nguyên năng lượng
gió là nguồn năng lượng mới và phát triển mạnh
nhất trên thế giới trong thời đại ngày nay. Năng
lượng gió trên biển được chuyển đổi thành điện
năng nhờ các tuốc-bin. Các loại tuốc-bin này cũng
giống như các tuốc-bin năng lượng gió trên đất
liền nhưng đã được “biển hóa” và được chế
tạo với tuổi thọ cao hơn để phù hợp với điều
kiện khắc nghiệt trên biển. Các tuốc-bin này nói
chung có kích thước to hơn cùng loại trên đất
liền và có công suất lớn hơn. Công suất của các
tuốc-bin gió tăng rất nhanh trong những năm
gần đây. Các nước có sự gia tăng rất mạnh công
suất các tuốc-bin gió là Đan Mạch, Đức, Hà Lan,
Na Uy, Thụy Điển và Anh.
TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Số 2 - Tháng 6/2017
85
Đức là 10%, sau đó đến Ấn Độ 6%, Tây Ban Nha
5%, Anh, Canada đều 3%, còn Pháp, Italia, Brazil
đều 2%, Thụy Điển, Đan Mạch, Thổ Nhĩ Kỳ, Ba
Lan đều 1% (Hình 1).
Hình 1. Tỷ trọng công suất điện gió toàn cầu ꢀnh đến hết năm 2015 [11]
Các dự án điện gió biển ngoài khơi đầu ꢀên
được lắp đặt ngoài khơi bờ biển của Đan Mạch vào
năm 1991. Kể từ đó, quy mô thương mại các trang
trại gió ngoài khơi đã được hoạt động trong vùng
nước nông trên toàn thế giới, chủ yếu là ở châu Âu.
Gần đây, sự ꢀến bộ về công nghệ và giá thành đầu
tư giảm đã tạo ra sự phát triển mạnh mẽ thị trường
điện gió biển toàn cầu, làm cho tài nguyên năng
lượng gió biển trở nên quý giá hơn rất nhiều, đặc
biệt từ năm 2013 trở lại đây khi nguồn lực toàn cầu
dành ưu ꢀên cho khai thác tài nguyên năng lượng
gió biển nhiều quốc gia, với độ sâu đã lan ra từ 0 m
nước đến hàng trăm mét nước biển sâu [13].
Hiệp hội Năng lượng gió thế giới [11] đã
thống kê năng lượng gió biển toàn cầu (Hình 2)
trong 6 tháng đầu năm 2016 đạt hơn 12,7 GW,
năm 2015 gần 12,1 GW, năm 2014 là 8,7 GW,
năm 2013 là 7,45 GW.
Hình 3 cho thấy các trang trại gió tập trung
chủ yếu tại các nước Tây Âu, kế đến là khu vực
biển Đông và châu Mỹ. Tại biển Đông có khu
vực phía Bắc xung quanh eo Đài Loan có dự án
đã triển khai và nhiều dự án đang được triển
khai. Phía Nam biển Đông có dự án điện gió
biển của Việt Nam. Với ꢀềm năng tài nguyên
năng lượng gió biển tốt, Việt Nam có thể sớm
trở thành quốc gia điện gió biển. Theo số liệu
thiết kế trang trại gió lớn [11] của gần 1.500
trang trại gió đã và đang xây dựng thì tốc độ gió
trung bình năm trong 10 năm liên tục tầng 100
m cho thấy khoảng từ 7-12,5 m/s có ꢁnh hữu
ích và thương mại cao. Sự phát triển tài nguyên
năng lượng gió cũng phụ thuộc vào chính sách
giá mua điện, đấu nối lưới điện quốc gia, và đặc
biệt chính sách thuê mặt biển, chính sách thuế
các-bon của quốc gia.
Hình 3. Hiện trạng phân bố các trang trại
gió biển toàn cầu [11]
Hình 2. Công suất điện gió biển lắp đặt hàng
năm 2013-2016 [11]
Hiện nay theo Hình 4 Vương quốc Anh đứng
đầu về phát triển điện gió biển và chiếm 40%
toàn cầu, sau đó là Đức với 27%, Đan Mạch với
10,5%, Trung Quốc 8,4%, Bỉ 6%. Theo dự ꢁnh
(Hình 5) của các chuyên gia điện gió thì tới năm
2030 điện gió biển sẽ liên tục gia tăng mạnh
cùng với gió trên đất liền, có thể đạt tới hơn 100
GW và có xu hướng tăng mạnh.
Theo Hiệp hội Năng lượng gió châu Âu
(EWEA), thêm 3 GW công suất điện gió ngoài
khơi đã được đưa trực ꢀếp biến đổi thành điện
năng trong năm 2015, nâng tổng công suất gió
TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Số 2 - Tháng 6/2017
86
Hình 5. Dự báo tăng trưởng điện gió
trên biển và đất liền 2030 [9]
Hình 4. Hiện trạng tỷ trọng công suất điện
gió biển toàn cầu [9]
Hình 6. Phân bố các trang trại gió một khu vực biển Yorkshire (Anh)
với công suất 1,8 GW và xa bờ đến 89 km [9]
ngoài khơi của châu Âu được sử dụng trực ꢀếp
với 5.877 GWh sản xuất, Nysted 1 (Đan Mạch) là
trang trại gió lớn thứ hai trên thế giới về tổng số
năng lượng được sản xuất 5.097 GWh, thứ ba là
Horns Rev 2 với 2.959 GWh. Anh còn lập kỷ lục
xây dựng trang trại gió lên đến 1,8 GW và xa bờ
89 km (Hình 6).
Bảng 2 cho thấy các dự án điện gió biển Việt
Nam cũng thuộc các trang trại gió lớn được xếp
hạng, với tổng 2 đại dự án (nhiều pha) là 1.000
MW với thời gian hoàn thành dự kiến, năm 2020
trang trại gió Bạc Liêu và năm 2020 trang trại gió
Khai Long, Cà Mau năm 2025.
Hiện nay các dự án trang trại gió công suất hơn
1,2-3,5 GW đang được thiết kế tương đối nhiều
(Bảng 3) tại Hà Lan, Thụy Điển, Hàn Quốc, Anh.
Theo số liệu của các nhà khoa học Đức [13]
(Hình 7) cho thấy bức tranh giá thành từng kWh
từ các nguồn tài nguyên hiện tại thì điện gió
biển còn khá cao từ 0,12-18 cent. Theo nghiên
cứu đánh giá của các nhà khoa học Mỹ [13] Bảng
5 cho thấy ꢀềm năng năm 2030 giá điện gió biển
xuống còn 7 cent/kWh với tốc độ gió trung bình
năm lớn hơn 7 m/s, cho thấy cơ hội sản xuất
làm điện năng là hơn 11 GW. Châu Âu sẽ lắp
đặt xong 20 GW công suất điện gió ngoài khơi
ở châu Âu vào năm 2020. Tại châu Mỹ và châu Á
cũng đang phát triển mạnh điện gió biển, tạo nên
sự phát triển mạnh mẽ điện gió biển trên toàn cầu
(Hình 6) cho thấy thời kỳ phát triển bùng nổ điện
gió trên biển bắt đầu từ 2015/2016 và đạt đỉnh cao
vào năm 2030 với tổng công suất lên tới 60 GW.
Danh sách 25 trang trại gió ngoài khơi (Bảng 1)
đầu ꢀên đang hoạt động theo mức độ công suất
thiết kế. Tính đến nay London Array ở Anh (UK)
là trang trại gió ngoài khơi lớn nhất thế giới đang
hoạt động với công suất thiết kế 630 MW, thứ 2 là
Gwynt y Mor (576 MW), thứ 3 là Greater Gabbard
(504 W), thứ 4 gồm Anholt (400 W) (Đan Mạch)
và Global Tech I (400 MW), Bard (400 W) tại Đức.
Các nhà sản xuất lớn nhất hàng năm (2012) của
năng lượng gió là trang trại gió Greater Gabbard
(Anh) sản xuất 1.195 TWh (GWh), lớn thứ hai là
Horns Rev 2 (Đan Mạch) với 956 GWh. Xét về
tổng sản lượng kể từ khi bắt đầu hoạt động thì
trang trại Horns Rev 1 (Đan Mạch) vẫn là lớn nhất
TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Số 2 - Tháng 6/2017
87
hàng loạt trang trại điện gió biển rất khả quan.
Mới đây nhất 1 dự án điện gió biển của Hà
Lan ngày 16/9/2016 đưa ꢀn Chính phủ Hà Lan tổ
chức đấu thầu dự án điện gió biển công suất 400
MW và Công ty Dầu khí Đan Mạch DONG [12] đã
thắng thầu với giá thành là 8 cent/kWh.
Bảng 1. Danh sách 25 trang trại gió toàn cầu đang vận hành [11]
Trang trại gió
Công suất Quốc
Tọa độ
Loại tuốc-bin,
Hãng sản xuất
Năm hoạt động
(MW)
gia
London Array
Gwynt y Mor
Greater Gabbard
Anholt
630
Anh
51°38′38″N;
01°33′13″E
175 × Siemens SWT-3.6-
120
2012
2015
2012
2013
2013
2015
2014
576
504
400
400
400
389
367,2
325
Anh
Anh
53°27′00″N;
03°35′00″W
160 × Siemens SWT-3.6-
107
51°52′48″N;
1°56′24″E
140 × Siemens SWT-3.6-
107
Đan
Mạch
56°36′00″N;
11°12′36″E
111 × Siemens SWT-3.6-
120
BARD Offshore 1
Global Tech I
Đức
Đức
Anh
Anh
Bỉ
54°22′0″N;
5°59′0″E
80 × BARD 5.0MW
54°30′00″N;
6°21′30″E
80 × Areva Mulꢀbrid
M5000 5.0MW
West of Duddon
Sands
53°59′02″N;
3°27′50″W
108 × Siemens SWT-3.6-
120
Walney
1&2)
(phases
54°02′38″N;
3°31′19″W
102 × Siemens SWT-
3.6-107
2011 (pha 1)
2012 (pha 2)
Thorntonbank
(phases 1-3)
51°33′00″N;
2°56′00″E
6 × Senvion 5MW,
48 × Senvion
6.15MW
2009 (pha 1)
2012 (pha 2)
2013 (pha 3)
Sheringham Shoal
Borkum Riffgrund 1
Thanet
315
312
300
295
288
288
288
288
288
270
Anh
Đức
Anh
Đức
Đức
Đức
Đức
Đức
Đức
Anh
53°7′0″N;
1°8′0″E
88 × Siemens SWT-3.6-107
2012
2015
2010
2015
2015
2015
2015
2015
2015
2013
53°58′0″N; 78 × Siemens SWT-4.0-120
06°33′00″E
51°26′0″N;
01°38′0″E
100 × Vestas V90-3.0MW
Nordsee Ost
Amrumbank West
Butendiek
54°26′00″N;
7°41′00″E
48 × Senvion
6.15MW
54°30′0″N; 80 × Siemens SWT-3.6-120
07°48′00″E
54°54′0″N; 80 × Siemens SWT-3.6-120
07°45′00″E
DanTysk
55°9′00″N; 80 × Siemens SWT-3.6-120
7°10′30″E
EnBW Balꢀc 2
Meerwind Süd /Ost
Lincs
54°58′24″N; 80 × Siemens SWT-3.6-120
13°10′40″E
54°23′00″N; 80 × Siemens SWT-3.6-120
7°42′00″E
53°11′00″N; 75 × Siemens SWT-3.6-120
00°29′00″E
TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Số 2 - Tháng 6/2017
88
Trang trại gió
Humber Gateway
Northwind
Công suất Quốc
Tọa độ
Loại tuốc-bin,
Hãng sản xuất
Năm hoạt động
2015
(MW)
gia
219
Anh
53°38′38″N;
0°17′35″E
73 × Vestas V112-3.0MW
216
210
Bỉ
51°37′08″N;
02°54′03″E
72 × Vestas V112-3.0MW
2014
Westermost Rough
Horns Rev 2
Anh
53°48′0″N; 35 × Siemens SWT-6.0-154
00°9′0″E
2015
209,3
207
Đan
55°36′00″N; 91 × Siemens SWT-2.3-93
7°35′24″E
2009
Mạch
Rodsand II
Đan
Mạch
54°33′0″N;
11°42′36″E
90 × Siemens SWT-2.3-93
2010
Chenjiagang (Jiang-
su) Xiangshui
201
Trung 34°29′00″N;
Quốc 119°52′00″E
134 × 1.5MW
2010
Bảng 2. Danh sách các trang trại gió biển lớn đang xây dựng sắp hoàn thành [11]
Trang trại Công suất Quốc
Tọa độ
Loại tuốc-bin,
Hãng sản xuất
Năm
hoàn
thành
Ghi chú
gió
(MW)
gia
Gemini
600
582
Hà Lan
Đức
54°11′N;
5°53′E
150 x Siemens SWT- 4.0-
130
2017
Gode Wind
(pha 1+2)
54°04′N;
7°02′E
97 x Siemens SWT-6.0-154 2016
Race Bank
Dudgeon
580
402
402
400
350
332
288
700
Anh
Anh
Đức
Anh
Đức
Đức
Đức
53°16′N;
0°50′E
91 x Siemens SWT-6.0-154 2018
67 x Siemens SWT-6.0-154 2017
53°16′N;
1°23′W
Veja Mate
Rampion
54°19′1″N; 67 × Siemens SWT-6.0-154 2017
5°52′15″E
50°40′N;
0°06′W
116 x MHI Vestas V112-
3.45MW
2018
2017
2017
Wikinger
54°50′2″N;
14°4′5″E
70 × Adwen AD 5M-135
Nordsee One
53°58′0″N;
06°48′00″E
54 × Senvion 6.2M126
S a n d b a n k
(Pha 1)
55°11′0″N; 72 × Siemens SWT-4.0-130 2017
06°51′00″E
Bạc Liêu
(pha 1, 2, 3,
4)
Việt
Nam
9,236oN;
10 GE 1,6 M-82,5,
50 GE 1,6 M-82,5,
100GWE 2M-107;
200GWE 2M-107
2020 1122/1461
8,19 m/s
105,823oE
(100 m)
Cà Mau
(pha 1, 2)
300
Việt
Nam
8,768oN;
50GE-2M-107
100GE-2M-107
2025 1170/1461
7,82 m/s
105,288oE
TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Số 2 - Tháng 6/2017
89
Bảng 3. Danh sách các trang trại gió biển đang thiết kế với công suất lớn hơn GW [11]
Trang trại gió
Borselle Offshore
Công suất (MW)
3.500
Quốc gia
Hà Lan
Thụy Điển
Hàn Quốc
Anh
Tọa độ
Blekinge Offshore
Korea Offshore
Moray Firth
2.500
55°56′15″N, 14°59′37.3″E
2.500
1.300
Creyke Beck A
Creyke Beck B
East Anglia (Norfolk Bank)
Irish Sea
1.200
Anh
54°43′28.63″N, 2°46′06.80″E
1.200
Anh
1.200
Anh
1.200
Anh
Teesside A
1.200
Anh
Teesside B
1.200
Anh
Triton Knoll
1.200
Anh
Xu hướng giá điện gió biển
Bảng 4. Sơ đồ xu thế giá thành điện gió biển của Mỹ (USD giá 2009) [13]
Thành phần
Chi phí lắp đặt ($/kW)
Chiết khấu lãi suất (DRF)6
Công suất Tuabin (MW)
Đường kính cánh quạt (m)
Điện năng sản xuất /Tuabin (MWh)
Công suất thực tế
2010
4.259
20%
3,6
2020
2.900
14%
8,0
2030
2.600
8%
2010 - Đất
2.120
12%
10,0
175
1,5
107
156
77
12.276
39%
10%
95%
0,45
0,9
31.040
44%
7%
39.381
45%
7%
4.684
36%
Thất thoát
15%
Sẵn có
97%
0,49
0,95
12,03
9,09
97%
0,49
0,95
12,03
9,17
98%
Công xuất cánh quạt
Hệ thống truyền lực
Tốc độ gió (m/s)
0,47
0,9
12,03
8,8
10,97
7,75
Tốc độ gió trung bình ở độ cao trung
tâm (m/s)
Lực cắt của gió
0,1
80
0,1
110
0,10
0,08
0,1
120
0,07
0,07
0,143
80
Chiều cao cột gió (m)
Giá điện ($/kWh)
0,27
0,12
0,09
0,08
Giá điện ($/kWh) cố định 7% DR
TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Số 2 - Tháng 6/2017
90
Hình 7. Giá thành (Euro) đầu tư điện trên 1 kWh các dạng tài nguyên khác nhau [13]
3. Phương pháp ꢀnh toán và phân vùng ꢁꢂm
năng năng lượng gió lý thuyết
của mặt đệm càng lớn thì tốc độ gió ở độ cao
cần ꢁnh (Vz) càng tăng nhanh.
Để ꢁnh toán tốc độ gió ở các độ cao khác
nhau chúng ta cần xác định độ gồ ghề của khu
vực đặt trạm đo gió. Độ gồ ghề của khu vực đặt
trạm phụ thuộc vào dạng địa hình của khu vực
xung quanh và ꢂnh trạng của mặt đệm. Độ gồ
ghề càng lớn khi địa hình có nhiều vật cản, do đó
càng lên cao tốc độ gió càng tăng.
3.1. Công thức ꢀnh mật độ năng lượng gió
tầng cao
Theo tài liệu cho thấy [1, 6], sử dụng hàm
phân bố loga vừa ꢀện lợi vừa phù hợp khá tốt
đối với tốc độ gió trong lớp khí quyển từ mặt đất
đến độ cao khoảng 100 m.
Quy luật loga nhằm mô phỏng sự biến đổi
theo chiều thẳng đứng của tốc độ gió ngang
trong lớp biên, chủ yếu là lớp bề mặt (từ mặt
đất đến độ cao khoảng 100 m). Ở những lớp cao
thuộc khí quyển tự do thì phân bố gió lại tuân
theo luật gió địa chuyển. Nếu biết tốc độ gió V1
ở độ cao z1 có thể ꢁnh được tốc độ gió Vz ở độ
cao zz theo công thức sau [4, 10 ]:
Năng lượng tức thời của luồng gió có vận tốc
V trên diện ꢁch S được đặt thẳng góc với luồng
gió chính là động năng của khối không khí và
được ꢁnh bằng công thức sau:
1
2
E = m V2
(3.3)
Trong đó:
- E: Năng lượng tức thời của khối không khí
Vz ln(zz / z0 )
V1 ln(z1 / z0 )
(3.1)
=
trên diện ꢁch S, (đơn vị: J/m2/s)
- V: Vận tốc của luồng gió (đơn vị: m/s)
- m: Khối lượng các phân tử không khí qua diện
ꢁch S trong 1 đơn vị thời gian (đơn vị: kg/m2/s).
Nếu S là đơn vị diện ꢁch thì khối lượng các
phân tử không khí đập trên S trong một giây sẽ
Suy ra:
ln(zz / z0 )
Vz = V1.
(3.2)
ln(z1 / z0 )
Trong đó, Vz là tốc độ gió ở độ cao cần ꢁnh
zz, V1 là tốc độ gió quan trắc mặt đất, z0 là độ gồ
ghề của mặt đệm, mức z1 là độ cao của máy đo
gió mặt đất (z1 = 10 m).
Do độ cao cần ꢁnh thường lớn hơn độ cao
đo gió mặt đất (zz> z1) nên Vz> V1 hay tốc độ gió
tăng theo độ cao của địa hình. Ngoài ra, mức độ
tăng lên của tốc độ gió theo độ cao phụ thuộc
vào độ gồ ghề của mặt đệm (z0). Khi độ gồ ghề
m = ρV
(3.4)
là:
ρ
Với:
(kg/m3) là khối lượng riêng (mật độ)
của khối khí
Như vậy:
1
E = ρ V3
(3.5)
2
Đại lượng E được gọi là mật độ năng lượng
gió tức thời tương ứng với vận tốc gió V và mật
ρ
độ không khí
.
TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Số 2 - Tháng 6/2017
91
Gió là một yếu tố biến thiên liên tục. Trong
khoảng thời gian nào đó gió có phân bố theo hàm
f(V) thì giá trị trung bình của V3 trong khoảng thời
3.2. Tiềm năng năng lượng gió vùng biển
Việt Nam
Theo phân bố tốc độ gió trung bình nhiều
năm trên toàn Biển Đông, 2 khu vực có tốc độ
gió rất mạnh là khu vực Đông Bắc rộng lớn gồm
cả eo Đài Loan và Luzon và khu vực phía Tây
giáp ranh với Nam Bộ của Việt Nam có tốc độ
gió đạt tới 10-11 m/s, đây cũng chính là những
vùng có ꢀềm năng công suất điện gió biển lớn.
Tại vùng biển Việt Nam, khu vực từ Bình Thuận
đến Cà Mau, khoảng cách từ bờ ra đến 300 km
là nơi có tốc độ gió đạt từ 7-11 m/s, cũng là nơi
ꢀềm năng công suất năng lượng gió lớn nhất
trên thế giới (Hình 8). Khu vực ven bờ vịnh Bắc
Bộ phía Bắc từ Quảng Ninh đến Quảng Trị có
tốc độ gió chủ yếu thấp hơn 6 m/s.
Trên bản đồ phân bố tiềm năng gió trung
bình ở độ cao 100 m (Hình 9) [1] cho thấy
trên Biển Đông, vùng kéo dài dọc theo hướng
Đông Bắc - Tây Nam từ eo biển Đài Loan tới
vùng biển khu vực Đông Nam Bộ nước ta có
tiềm năng năng lượng khá cao, đạt 600-800
W/m2/năm (MW/km2/năm). Trong đó, khu
vực ven biển cực Nam Trung Bộ là một trung
tâm có mật độ năng lượng 400-700 W/m2.
Ngoài ra, trên khu vực Vịnh Bắc Bộ cũng hình
thành một trung tâm có mật độ năng lượng
đạt 400-500 W/m2.
gian đó là V3 được xác định bởi biểu thức:
∞
V3 = V3 f(V) d V
(3.6)
∫
0
E
Do đó, mật độ năng lượng trung bình trong
khoảng thời gian đó là:
1 ∞
E =
ρ.V3 f(V) d V
(3.7)
∫
2 0
E
Như vậy để ꢁnh phải xác định 2 đại lượng
ρ và f(V).
Mật độ không khí ρ tăng hoặc giảm làm cho
mật độ năng lượng gió E thay đổi theo với tỷ lệ
tương ứng. Tuy nhiên, tại cùng một điểm mức
biến thiên của ρ nhỏ hơn nhiều mức biến thiên
của V3. Để đơn giản trong việc ꢁnh toán, với độ
chính xác cho phép có thể coi ρ là một hằng số
và lấy giá trị bằng 1,2 kg/m3. Do đó biểu thức
(3.7) có thể viết thành:
∞
E = 0,6. V3 f(V) d V
(3.8)
∫
0
Công thức ꢁnh mật độ năng lượng gió trung
bình như sau [4]:
E = 0,6V3.K
(3.9)
K là hằng số Von Karman thường bằng
khoảng
≈
0,4.
QĐ. Hoàng Sa
QĐ. Trường Sa
Hình 8. Bản đồ phân bố gió trung bình 10 năm
tầng 100 m ở Biển Đông từ 2000-2009 [13]
Hình 9. Bản đồ ꢁềm năng năng lượng gió trên
Biển Đông và biển ven bờ Việt Nam, độ cao 100 m [1]
TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Số 2 - Tháng 6/2017
92
3.3. Phân vùng tài nguyên năng lượng gió biển
ven bờ Việt Nam
của Mỹ chia làm 3 đới khu vực theo độ sâu (Hình
10): (1) 0-30 m; (2) 30-60 m; (3)>60 m.
Phân vùng gió biển Việt Nam
Phương pháp phân vùng điện gió biển
Theo độ sâu, địa hình và tốc độ gió trung
bình năm (3 mức cao, vừa, thấp) dựa theo
chuỗi 10 năm (đo đạc gió vệ ꢀnh NOAA ), được
thực ꢀễn áp dụng và xây dựng trang trại gió
Bạc Liêu và có độ chính xác, hiệu quả tốt, đồng
thời khá tương xứng với hàng trăm dự án khác
được dự kiến triển khai khu vực ven bờ đồng
bằng sông Cửu Long (Hình 11). Số liệu đo đạc
để kiểm chứng thực tế của Việt Nam thì đến
nay hầu như chưa có, nhưng với khả năng ứng
dụng của các dự án với tổng công suất dự kiến
là gần 8 GW thì có thể ꢀn cậy được nguồn số
liệu của NOAA.
Trong các quốc gia đã phát triển tài nguyên
năng lượng gió biển thì phương pháp phân vùng
của Mỹ là rõ nhất. Nhằm quản lý, quy hoạch năng
lượng biển, Mỹ có Cục quản lý năng lượng biển
(BOEM - Bureau of Ocean Energy Management),
trong đó có năng lượng gió biển. Mỹ, năm 2011
đã phê duyệt Chiến lược quốc gia về gió biển [8].
Bộ Nội vụ (DOI) Mỹ đã sáng kiến thiết lập dự án
điện gió được xây dựng ngoài khơi biển nước Mỹ.
Tuốc-bin và trụ, móng cột gió biển mới đang được
phát triển để các dự án điện gió có thể được xây
dựng ở các vùng nước biển sâu và xa bờ.
Phương pháp phân loại khu vực điện gió biển
Hình 11. Các dự án điện gió biển dự kiến tại
ven biển đồng bằng sông Cửu Long giai đoạn
2015-2030 với tổng công suất dự kiến 7.667 MW
Hình 10. Tiêu chí phân chia khu vực điện gió theo
trụ cột trên các khu vực biển [13]
Dựa theo số liệu gió trên cao NOAA, khu vực
biển ven bờ Việt Nam được chia thành 5 khu
vực như sau (theo đường bờ):
1. Vịnh Bắc Bộ (biển thoải, nông, mật độ
năng lượng gió vừa);
2. Quảng Bình - Quảng Ngãi (biển thoải, hẹp,
mật độ năng lượng gió thấp);
3. Bình Định - Ninh Thuận (biển nông hẹp,
mật độ năng lượng gió thấp);
điện gió biển rất tốt. Đặc biệt khu vực biển có
độ sâu 0-30 m từ Bình Thuận đến Cà Mau rộng
khoảng 44.000 km2, vì theo số liệu gió Phú Quý,
Côn Đảo thì vùng này đạt tốc độ gió trung bình
ở độ cao 100 m đạt hơn 5-8 m/s. Hiện nay trang
trại gió biển đầu ꢀên với công suất gần 100 MW
(Hình 15) đã hoạt động và đang nghiên cứu triển
khai các giai đoạn tới năm 2025 lên tới 1.000
MW, tức gấp 10 lần.
4. Bình Thuận - Mũi Cà Mau (biển thoải,
nông, mật độ năng lượng gió cao);
5. Mũi Cà Mau - Kiên Giang (biển nông, mật
độ năng lượng gió vừa).
Vùng ven biển nước ta, đặc biệt vùng phía
Nam có diện ꢁch rộng khoảng 112.000 km2,
khu vực có độ sâu từ 30-60 m có diện ꢁch rộng
khoảng 142.000 km2 có ꢀềm năng phát triển
Kết quả ꢀnh toán
Mật độ năng lượng gió biển (NLGTB) tầng
100 m được ꢁnh theo từng ô lưới, và điểm trung
tâm sẽ là giá trị mật độ trung bình. Công suất
ꢀềm năng (CSTN) gió biển tầng 100 m sẽ được
ꢁnh bằng mặt độ trung bình nhân với diện ꢁch
của từng khu vực biển (DTKVB).
CSTN=NLGTBxDTKVB (3.10)
TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Số 2 - Tháng 6/2017
93
Bảng 5. Công suất ꢁềm năng tài nguyên năng lượng gió biển khu vực độ sâu 0-30 m
Khu vực
Vịnh Bắc Bộ
DTKVB (km2)
NLGTB MW/km2
CSTN (GW )
12.308
2.330
30.770
400
500
500
850
400
Quảng Bình - Quảng Ngãi
Bình Định - Ninh Thuận
Bình Thuận - Mũi Cà Mau
Mũi Cà Mau - Kiên Giang
Tổng
4.660
2.483
1.242
43.770
37.205
11.756
64.841
29.390
111.073
Bảng 6. Công suất ꢁềm năng tài nguyên năng lượng gió biển khu vực độ sâu 30-60 m
Khu vực
Vịnh Bắc Bộ
Diện ꢀch (km2)
Mật độ NLG MW/km2
Công suất ꢁꢂm năng (GW)
29.240
550
500
16.082
3.550
Quảng Bình - Quảng Ngãi
Bình Định - Ninh Thuận
Bình Thuận - Mũi Cà Mau
Mũi Cà Mau - Kiên Giang
Tổng
7.100
2.111
500
1.056
67.980
1.000
500
67.980
17.990
106.658
35.980
142.411
Tổng công suất ꢀềm năng tầng 100 m toàn
thể 5 khu vực biển Việt Nam với độ sâu 0-30 m
đạt 64.841 GW, khu vực 30-60 m là 106.658
GW. Tổng diện ꢁch biển Việt Nam từ 0-60 m là
111.072+142.411=253.483 km2 và công suất là
151.509 GW. Đặc biệt khu vực Bình Thuận - Cà
Mau (0-30 m, 30-60 m) tầng 100 m có công suất
lần lượt là 26.262 GW và 67.980 GW (tổng bằng
94.242 GW) là vùng có ꢀềm năng gió cao nhất và
thực tế các tuốc-bin gió tại đảo Phú Quý và Bạc
Liêu đã hoạt động tốt, mang lại hiệu quả kinh
tế cao .
đánh bắt thủy sản, hàng hải, quân sự diễn ra
thường xuyên, nay xuất hiện các ngành chiếm
cố định diện tích, không gian biển như điện
gió, điện sóng, dầu khí thì cơ quan quản lý
không gian biển phải có giải pháp ứng dụng
hệ thống kiểm soát và định vị không gian cố
định, di động để các ngành có thể hoạt động
chung 1 không gian hoặc phân tách cố định
ranh giới để áp dụng giải pháp cho thuê giao
mặt biển - không gian biển thu tiền cho ngân
sách nhà nước.
4. Kết quả và thảo luận
Hình 12 cho thấy các dự án điện gió biển ven
bờ đồng bằng sông Cửu Long [13] đang chiếm
hầu hết không gian ven bờ từ 0 m ra đến 6 m
nước với diện tỉnh khoảng 3.000 km2, với kế
hoạch xây dựng đến năm 2030 và đạt 7.667
GW gần gấp đôi công suất thủy điện Hòa Bình
[13]. Điều này cho thấy phân vùng khai thác tài
nguyên gió biển theo 5 vùng và vùng Bình Thuận
Cà Mau có ꢀềm năng lớn nhất là khá đúng với
thực ꢀễn.
Các ngành kinh tế như điện gió sẽ chiếm
không gian 3 chiều gồm khí quyển, mặt nước
và đáy biển (Hình 13) với diện tích khá lớn.
Đồng thời như Hình 14 cùng trên khu vực
biển các ngành nghề truyền thống như nuôi,
Lần đầu ꢀên áp dụng phương pháp ꢁnh toán
và phân loại gió biển tầng cao dựa theo số liệu
gió trung bình 10 năm của Cục Khí quyển và Đại
dương Mỹ. Kết quả cho thấy vùng biển Việt Nam
có ꢀềm năng năng lượng gió trên biển tầng cao
100 m và hơn 100 m đạt rất cao, ngang tầm với
các khu vực có trang trại gió thế giới (tốc độ gió
đạt trên 7 m/s) và có sự phân bố khác nhau theo
các khu vực địa lý.
Các kết quả nghiên cứu, ứng dụng công nghệ
và triển khai phát triển điện gió biển (điện gió
ngoài khơi) hiện nay trên thế giới là rất khả quan,
tạo cho các nước nghèo, trong đó có Việt Nam,
những điều kiện thuận lợi đi tắt đón đầu để phát
triển nhanh việc khai thác sử dụng các nguồn
TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Số 2 - Tháng 6/2017
94
BIỂN ĐÔNG
(VIỆT NAM)
Hình 12. Bản đồ phân vùng ꢁềm năng năng lượng gió trên Biển Đông và biển ven bờ Việt Nam
(các đường đẳng sâu 30 m (đường chấm) và 60 m (đường liền))
Hình 13. Sơ đồ nhà máy điện gió Bạc Liêu
Hình 14. Phân bố không gian các ngành
khai thác biển
năng lượng gió trên biển, góp phần đa dạng hóa
và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.
Năng lượng gió biển được phân vùng địa lý
theo tốc độ gió thành 5 khu vực biển Việt Nam.
Vịnh Bắc Bộ, Quảng Bình - Quảng Ngãi, Bình
Định - Ninh Thuận, Bình Thuận - Mũi Cà Mau,
Mũi Cà Mau - Kiên Giang. Về chiều ngang ꢁnh
từ bờ ra theo các đới sâu đáy biển (do ꢁnh chất
công nghệ trụ gió) với các khoảng độ sâu (0-30
m, 30-60 m và hơn 60 m).
là 151.509 GW (với độ sâu 0-30 m đạt 64.841
GW, khu vực 30-60 m là 106.658 GW)
Đặc biệt khu vực Bình Thuận - Cà Mau (0-30
m, 30-60 m) tầng 100 m có công suất lần lượt
là 26.262 GW và 67.980 GW (tổng bằng 94.242
GW) là vùng có ꢀềm năng gió lý thuyết cao nhất
và khoảng 10.000 GW ꢀềm năng kỹ thuật và hầu
như không có bão biển với tốc độ gió lớn.
Tổng công suất ꢀềm năng kỹ thuật điện gió
biển đạt khoảng 10-15% cho thấy toàn Việt Nam
(độ sâu 0-60 m) có thể đạt hơn 15.000 GW, riêng
Tổng công suất ꢀềm năng lý thuyết công suất
TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Số 2 - Tháng 6/2017
95
khu vực 4 từ biển Bình Thuận - Cà Mau đạt gần
10.000 GW, chiếm đến 2/3 ꢀềm năng kỹ thuật
điện gió biển Việt Nam.
các nguồn khác như mặt trời, sóng biển, OTEC,
năng lượng sinh khối, nuôi trồng thủy sản, bảo
tồn thủy sinh sẽ mang lại hiệu quả kinh tế hơn.
Đồng thời, các trang trại gió biển cũng giúp ngăn
ngừa xói sạt lở bờ biển và là những điểm thăm
quan, du lịch học tập tuyệt vời.
Các trang trại gió góp phần tạo nên các mắt
thần quan sát biển giúp tăng cường bảo vệ an
ninh chủ quyền trên biển.
Việc phát triển điện gió sẽ có thể có xung đột
lợi ích với không gian biển của các ngành nghề
khác, bởi vậy cần nghiên cứu về chính sách hợp lý
trong quy hoạch và phát triển điện gió trên biển.
Cần sớm xây dựng Chiến lược chính sách
phát triển điện gió biển Việt Nam, nhằm thích
ứng với BĐKH như kết hợp điện gió biển với lấn
đất ra biển, nhằm chống lại xói sạt lở và xâm
nhập mặn. Đồng thời có thể chung hạ tầng cơ
sở để sản xuất điện từ sóng, dòng chảy và nuôi
trồng thủy sản, kết hợp với các dịch vụ du lịch,
nghiên cứu, bảo tồn thiên nhiên. Đặc biệt cần
xem xét đánh giá ꢀềm năng kinh tế - kỹ thuật đối
với khu vực 0-60 m nước, đặc biệt khu vực đồng
bằng sông Cửu Long. Đồng thời cũng nên xem
xét đánh giá đối với độ sâu hơn 60 m nước, với
triển vọng công nghệ cột gió nổi trên phao đang
được nghiên cứu và phát triển.
Các trang trại tuốc-bin gió tại đảo Phú Quý
và Bạc Liêu đã hoạt động tốt với hiệu suất đạt
33-35% công suất thiết kế và mang lại hiệu quả
kinh tế cao, cơ hội thu hồi vốn khoảng hơn 13
năm, so với tuổi thọ tuốc-bin 25 năm. Trang trại
gió biển Khai Long, Cà Mau đang bắt đầu xây
dựng từ tháng 1/2016 với công suất giai đoạn 1
là 100 MW.
Hiệu quả kinh tế và môi trường do trang trại
gió biển đóng góp ngân sách cho các địa phương
nguồn thu mới ổn định, như nguồn thu từ điện
gió của tỉnh Bạc Liêu hiện đạt tới 76 tỷ đồng
năm, khi hoàn thành trang trại gió 400 MW thì
số ꢀền sẽ lên tới gần 300 tỷ/năm; tỉnh Cà Mau
với 300 MW cũng sẽ thu được cho ngân sách
hơn 200 tỷ/năm.
Đề xuất các giải pháp:
Cần có một chiến lược dài hạn nghiên cứu, xây
dựng cơ sở dữ liệu năng lượng gió biển và phát
triển, ứng dụng gió biển vào thực ꢀễn sản xuất
kinh doanh, kêu gọi đầu tư và hợp tác quốc tế.
Đa dạng hình thức phát triển nguồn năng
lượng gió trên biển Việt Nam nếu được sử dụng
đồng thời các phương án giải pháp kết hợp với
Tài liệu tham khảo
1. Nguyễn Mạnh Hùng và nnk (2010), Đề tài KC.09/2006-2010, Năng lượng biển.
2. Kiều Nga (2011), Điện gió Bạc Liêu: Những bước đi ꢀch cực, hꢃp://conglycm.vn/tech/vn/
3. Bùi Huy Phùng (2013), “Phát triển năng lượng và chiến lược tăng trưởng xanh ở Việt Nam”, Tạp chí
Khoa học năng lượng, số 01/2013, 67tr.
4. Bùi Huy Phùng (2009), “Tiềm năng, khả năng khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam”, Báo cáo Hội
thảo khoa học - Bộ Kế hoạch và Đầu tư, 245tr.
5. Phạm Sỹ Thành (2017), Chiến lược của Trung Quốc và hàm ý chính sách đối với Việt Nam, NXB thế
giới, 564tr.
6. Phan Mỹ Tiên (1994), Phân bố ꢁềm năng năng lượng gió trên lãnh thổ Việt Nam, Viện Khí tượng
Thủy văn, 160tr.
7. Dư Văn Toán (2011), “Kịch bản phát triển năng lượng tái tạo trên thế giới và Việt Nam”, Tuyển tập
Hội nghị khoa học quốc tế “Phát triển Năng lượng bền vững”, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam.
8. DOE (2011), A Naꢁonal Offshore Wind Strategy: Creaꢁng an Offshore Wind Energy Industry in the
United States. 52 pp.
9. IRENA (2016), Renewable Capacity Staꢀsꢀcs 2016.
11. Offshore Wind Energy 2016 Market Report. Planeta OS, 44 pp.
12. Susan Kraemer, 14/9/2016, How DONG Energy Bid Offshore Wind at Just 8 Cents.http://
TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Số 2 - Tháng 6/2017
96
at-just-8-cents.html.
com/offshorewind/
OFFSHORE WIND ENERGY IN THE WORLD AND PROPOSALS
FOR RESEARCH AND DEVELOPMENT IN THE VIETNAMESE SEA TOWARDS
THE GOAL OF MITIGATING THE IMPACTS OF CLIMATE CHANGE
Du Van Toan, Nguyen Khac Doan, Nghiem Thanh Hai, Nguyen The Thinh
Viet Nam Insꢁtute of Seas and Islands
Abstract: This paper presents the status of wind resources exploitaꢁon in the world in general and offshore
wind in parꢁcular. This paper introduces the calculaꢁon of wind energy density in the high 100 m of air,
the method for zoning of ofshore wind resources in Viet Nam and proposing solutions to research
and development of offshore wind energy, responding to climate change. The sea area of Viet nam has the
potenꢁal of huge sea wind energy resources, with 0-30 m of sea area of 111,000 km2 with a capacity of
64,000 GW, 30-60 m water with an area of 142,000 km2. Summary potenꢁal yield is 106 thousand GW. The
most promising area is the coastal area of Binh Thuan - Ca Mau with a density of nearly 1000 w/m2 reached
the highest in Viet Nam and world-class, and has been deployed wind farms in Bac Lieu, Ca Mau The total
capacity is 1 GW, and the area up to 2030 will be 8 GW. The paper proposes to research and develop wind
energy to contribute to reducing greenhouse gas emissions, aiming to reduce the impacts of climate change.
Keyword: Wind energy, Viet Nam sea, climate change, cacbon miꢁgaꢁon, windfarm.
TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Số 2 - Tháng 6/2017
97
13 trang
13/01/2024
12740
Free
Bạn đang xem tài liệu "Năng lượng gió biển thế giới và đề xuất nghiên cứu, phát triển điện gió biển Việt Nam hướng tới mục tiêu giảm thiểu tác động biến đổi khí hậu", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nang_luong_gio_bien_the_gioi_va_de_xuat_nghien_cuu_phat_trie.pdf
