Tích hợp bảng IO và mô hình LEAP đánh giá các kịch bản phát triển năng lượng

Tích hợp bảng IO và mô hình LEAP đánh giá các kịch bản phát triển năng lượng Nguyễn Thị Ánh Tuyết và Đỗ Diệu Linh Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt

Tích hợp bảng IO và mô hình LEAP đánh giá các kịch bản phát triển năng lượng

Nguyễn Thị Ánh Tuyết và Đỗ Diệu Linh Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tóm tắt

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu tích hợp bảng IO (Input-Output) và mô hình LEAP (Long-range Energy Alternatives Planning) trong việcdự báo nhu cầu năng lượng của các ngành kinh tế Việt Nam Mức tăng tổng nhu cầu năng lượng của các ngành tiêu thụ năng lượng được thể hiện qua sự tăng sản lượng của các ngành cung cấp và sản xuất năng lượng

Do vậy, nghiên cứu đã lựa chọn một ngành sản xuất năng lượng là ngành điện đểphân tích sâu hơn,thông qua các thuật toán trong LEAP để thiết lập dự báo cân bằng năng lượng và đánh giá mức phát thải khí nhà kính theo các kịch bản phát triển ngành khác nhau Kết quả phân tích cho thấy kịch bản phát triển theo hướng của Quy hoạch Điện VII có mức phát thải

C cao hơn khoảng 18% so với kịch bản tham khảo được đề xuất theo hướng quy hoạch phát triển năng lượng tái tạo Điều này khẳng định hướng phát triển của các chính sách năng lượngtrong mối quan tâm về bảo vệ môi trường

I Giới thiệu

Bảng IO (còn gọi là bảng cân đối liên ngành) mô phỏng mối quan hệ cung – cầugiữa các ngành kinh tế trong quá trình sản xuất và sử dụng sản phẩm Trong lĩnh vực năng lượng và môi trường, các bảng IOcủa Việt Namđã từng được sử dụng để đánh giá hiệu suất sử dụng năng lượng [1,2] Trongđó, các bảng IOE (input-output energy) đã được thiết lập từ các bảng

IO gốc để chỉ ra mối quan hệ về sử dụng năng lượng giữa các ngànhvào các năm 1989, 1996

và 2000.Các nghiên cứu này cũng khai thác vai trò của bảng IO thông qua ma trận nghịch đảo Leontief để mô tả dòng năng lượng ẩn trong toàn bộ vòng đời của từng hoạt động kinh tế ở Việt Nam Trong một nghiên cứu khác [3],bảng IO-2007cũngđược sử dụng như một công cụ ước tính tải lượng chất thải, làm cơ sở để xây dựng các kịch bản phát triển kinh tế trong bối cảnh hội nhập kinh tế của đất nước Bảng IO được công bố gần đây nhất là bảng IO-2010

Để có được bức tranh toàn cảnh về hiện trạng sản xuất và sử dụng năng lượng của các hoạt động kinh tế ở Việt Nam cũng như những thách thức trong tương lai, cần có sự kết hợp với 1

mô hình phân tích nhu cầu năng lượng Hiện nay, một số mô hình tối ưu về cung cầu năng lượng như MARKAL, EFOM-ENV, ENPEP, LEAP… đang được sử dụng khá phổ biến trong việc hỗ trợ tính toán phát thải khí nhà kính (KNK) ở Việt Nam, trong đó mô hình LEAP thể hiện được ưu điểm về tính linh hoạt cho việc lập kế hoạch năng lượng tổng thể dài hạn [4, 5] Một đặc điểm nữa khiến LEAP phù hợp cho sự lựa chọn kết hợp với bảng IO là khả năng tính toán đa ngành (tùy thuộc vào việc ta xây dựng cấu trúc cơ sở dữ liệu), giúp phát huy tính liên ngành của bảng IO khi đưa ra kết quả dự báo

Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu tích hợp bảng IO với mô hình LEAP để dự báo nhu cầu năng lượng cho các hoạt động kinh tế ở Việt Nam trong tương lai gần Trên cơ sở đó, các kịch bản phát triển năng lượng sạch hơn được đề xuất trong sự phân tích tổng thể của mối quan hệ hữu cơ giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường

II Phương pháp nghiên cứu

Quy trình thực hiện nghiên cứu được thể hiện trên hình 1 Trước hết, tiêu thụ năng lượng của các ngành kinh tế năm 2007 và 2010 được xác định dựa vào bảng IO-2007 và bảng IO-2010 – đây sẽ là dữ liệu đầu vào cơ sở cho mô hình LEAP Sau đó, trong mô hình LEAP, các kịch bản dự báo nhu cầu năng lượng cho những năm tới được thiết lập thông qua tốc độ gia tăng

sử dụng năng lượng trung bình hàng năm (hàm Growth) nội suy được từ các giá trị cơ sở (năm 2007 và 2010)

Hình 1 Quy trình thực hiện nghiên cứu II.1 Xác định tiêu thụ năng lượng của các ngành sử dụng bảng IO

Bảng IO mô tả cấu trúc chi phí và luồng chu chuyển sản phẩm giữacác ngành kinh tế (bảng 1), được chia thành 3 phần chính:

 Khối Z (còn được gọi là khối tiêu thụ trung gian): thể hiện chi phí trung gian (theo cột) và tiêu dùng trung gian (theo dòng) của các ngành

 Khối F: thể hiện phần sử dụng cuối cùng, gồm có tiêu dùng cuối cùng của hộ gia đình

và nhà nước, tích lũy tài sản cố định và lưu động, xuất khẩu và nhập khẩu

 Khối V: thể hiện phần giá trị gia tăng, gồm có thu nhập của người lao động, khấu hao TSCĐ, thuế sản xuất và giá trị thặng dư

Bảng 1 Mô tả cấu trúc bảng IO [6]

Trong nghiên cứu này, các ngành kinh tế trongbảng IO gốc được gộpthành 34 nhóm ngành dựa trên phân loại ngành kinh tế của SAM[7], tađược bảng IO rút gọn (34 x 34 ngành), trong

đó có 3 ngành sản xuất và cung cấp năng lượng là than (ngành I), xăng dầu (ngành P), sản xuất điện và khí đốt (ngành V) Mức tiêu thụ năng lượng của các hoạt động kinh tế được thể hiện qua số tiền mà các ngành này phải trả cho các ngành sản xuất và cung cấp năng lượng Tên và mã các ngành trong bảng IO rút gọn được tóm tắt trong bảng 2

Bảng 2 Danh sách tên và mã của 34 ngành trong các bảng IO rút gọn

sửa chữa ôtô và xe có động cơ khác

Các ngành

kinh tế

trị SP (Output)

đình

Nhà nước

TS cố định

TS lưu động

Xuất khẩu

Nhập khẩu

Chi

phí

trung

gian

Giá

trị gia

tăng

Thu

nhập

Thặng

dư SX

Khấu

hao

Thuế

SX

Tổng giá trị

SX (Input)

M Sợi, vải dệt, hàng dệt may và các sản

phẩm làm bằng da thuộc

hiểm và kinh doanh bất động sản

môn, khoa học và công nghệ

quản lý nhà nước, an ninh quốc phòng

Bảng IOvốn sử dụng đơn vị tiền tệ, vì vậycần quy đổi ra đơn vị vật lý để thuận lợi cho việc phân tích định lượng nhu cầu năng lượng Bảng 3 trình bày các hệ số chuyển đổi đơn vị đã được tính toán cho các nhóm ngành khác nhau Đối với ngành than, giá than được tính trung bình theo giá các loại than, trong đó các ngành xi măng, phân bón và giấy được hưởng giá ưu tiên, các ngành còn lại tính theo giá bán lẻ.Giá xăng dầu lấy theo giá bán trung bình các loại của tập đoàn xăng dầu Việt Nam (Petrolimex).Giá điện sử dụng theo quyết định số 276/2006/QĐ-TTg được phân chia cụ thể cho từng nhóm ngành riêng biệt.Hệ số chuyển đổi

từ các đơn vị năng lượng khác sang toe (tons of oil equivalent) với điện là 0,0001543 toe/kwh; với than là 0,675 toe/tấn; và với dầu là 0,88/1000 lít [8]

Bảng 3 Hệ số chuyển đổi đơn vị từ triệu VNĐ sang TOE

II.2 Xây dựng cấu trúc dữ liệu của mô hình LEAP

LEAP bao gồm 5 mô đun như mô tả trong hình 2, trong đó có 2 mô đun bắt buộc là Key Assumptions (Các biến độc lập) và Demand (Nhu cầu) Các mô đun còn lại có thể tự chọn tùy vào mục tiêu và tính chất của bài toán Đối với nghiên cứu này, mô đun Transformation (Chuyển hóa năng lượng) và Resources (Tài nguyên năng lượng)được xây dựng thêm cho ngành sản xuất điện

Dữ liệu đầu vào các mô đun là chính sách, thông tin quy hoạch và các tài liệu tin cậy khác của năm cơ sở Các kịch bản phát triển có thể được thiết lập theo 3 cách: 1) sử dụng hàm Growth (dựa vào tốc độ tăng trưởng bình năm); 2) sử dụng hàm End (quy giá trị năm cuối theo quy hoạch hoặc nghiên cứu của chuyên gia, từ đó LEAP sẽ nội suy những năm còn lại);

và 3) sử dụng trình co giãn các biến độc lập trong mô đun Key Assumptions Kết quả dự báo nhu cầu năng lượng và phát thải KNK theo từng kịch bản sẽ là cơ sở để phân tích đánh giá và

đề xuất các chính sách phát triển năng lượng trong mối quan tâm tới bảo vệ môi trường Sơ

đồ cấu trúc cây dữ liệu được thể hiện trong Hình 2

Hình 2 Sơ đồ cấu trúc dữ liệu của mô hình LEAP

Các biến độc lập

dùng để điều chỉnh

những tính toán

trong quy hoạch, ví

dụ: dân số, GDP,…

CURRENT ACCOUNT (KỊCH BẢN NĂM

CƠ SỞ ) Các giá trị đầu vào tương ứng của ngành năm cơ sở cho quá trình tính toán và phân tích

KEY ASSUMPTIONS (giả thiết chính)

REFERENCE (KỊCH BẢN THAM KHẢO) Các giá trị của năm cuối cùng trong quá trình thực hiện quy hoạch bao gồm các kịch bản giả định

có liên quan đến các chính sách, công nghệ, định hướng phát triển kinh tế

xã hội trong tương lai, và các vấn đề về giảm thiểu tác động môi trường

Mô tả sự thay đổi của các biến theo các kịch bản sẵn

có

Các giá trị chi phí

ngoại ứng cho các

chất ô nhiễm khác

nhau

EFFECT (Tác dụng)

Phục vụ tính toán tối ưu hóa với chi phí thấp nhất cho việc giảm thải

DEMAND (Phân tích nhu cầu)

Số liệu về kinh tế, dữ

liệu về nhu cầu sử

dụng năng lượng của

các ngành tiêu thụ

Quá trình tiêu thụ nhiên liệu theo thời gian, chi phí và tác động môi trường theo kịch bản phát thải từ quá trình tiêu thụ năng lượng

Dữ liệu về quá trình

chuyển đổi các dạng

năng lượng từ khai

thác, nhập khẩu đến

sản xuất NL thông

qua các dạng công

nghệ: công suất, hiệu

suất, vốn, chi phí vận

hành, phát thải,

TRANSFORMATION

(Chuyển hóa năng lượng)

Tạo ra các kịch bản thay thế cho các dạng năng lượng khác nhau trong tương lai, dự báo tính toán phát thải từ các hoạt động sản xuất NL

Dữ liệu về khai thác

nội địa, nhập khẩu,

xuất khẩu và chi phí

của các nguồn

nguyên liệu sơ cấp

và thứ cấp

RESOURCE (Nguyên liệu)

Phục vụ cho phân tích nhu cầu, chuyển hóa năng lượng và cân bằng năng

Nhu cầu năng lượng đối với mỗi loại nhiên liệu (EC) của từng ngành kinh tế được xác định theo công thức (1):

= ∑ ∑ , , × , , (1) Trong đó:

 EI là cường độ năng lượng của ngành hay nói cách khác là năng lượng tiêu thụ ứng với một mức độ hoạt động của ngành

 AL là mức độ hoạt động của ngành Đối với lĩnh vực công nghiệp thì mức độ hoạt động là sản lượng công nghiệp của ngành

 n chỉ loại nhiên liệu; i chỉ hoạt động và jchỉ thiết bị

Phát thải CO2 từ các hoạt động sử dụng năng lượng (CEC) được xác định theo công thức (2):

= ∑ ∑ ∑ , , × , , × , , (2) Trong đó:

 EFn,j,i là hệ số phát thải cacbon từ các loại nhiên liệu n, thiết bị j từ ngành i

Phần chuyển hóa năng lượng sử dụng các nhánh đặc biệt gọi là các mô-đun cho các lĩnh vực cung cấp và chuyển hóa năng lượng Mỗi mô-đun sẽ bao gồm một hay nhiều quá trình, mỗi quá trình thể hiện một công nghệ riêng biệt

Năng lượng tiêu thụ cho việc chuyển hóa năng lượng (ET) được xác định theo công thức (3):

, , − 1 (3) Trong đó:

 ETP là sản phẩm của quá trình chuyển hóa năng lượng;

 f là hiệu suất chuyển đổi năng lượng; s là loại năng lượng sơ cấp; m là các thiết bị và t

là loại năng lượng thứ cấp

Phát thải C từ quá trình chuyển hóa năng lượng (CET) được xác định theo công thức (4):

, , × , , (4) Trong đó:

 EFt,m,slà hệ số phát thải từ một đơn vị năng lượng sơ cấp loại s tiêu thụ để sản xuất

năng lượng thứ cấpt thông qua thiết bị m

III Kết quả và thảo luận

III.1 Dự báo nhu cầu năng lượng của các ngành kinh tế Việt Nam

Kịch bản cung – cầu năng lượng giai đoạn 2010 – 2020 được xây dựng dựa trên các thông tin

cơ sởlà mức tiêu thụ năng lượng của 34 ngành kinh tế năm 2007 và 2010 được xác định từ

các bảng IO tương ứng Thuật toán nội suy được sử dụng để xác định diễn biến tăng trưởng trong toàn giai đoạn từ các giá trị của năm 2007 và năm 2010 với giả thiết rằng tốc độ tăng trưởng này là không thay đổi trong tương lai gần Cấu trúc cây dữ liệu LEAP được xây dựng theo 4 mô đun Key Assumptions, Demand, Transformation và Resources như hình 3 Kết quả

dự báo diễn biến nhu cầu tiêu thụ năng lượng của các ngành đến năm cuối cùng của quy hoạch (năm 2020) được trình bày trong hình 4

Hình 3 Xây dựng cây cấu trúc cơ sở dữ liệu LEAP cho 34 ngành kinh tế

Chú thích:

1 Các biến độc lập (Key Assumptions)sử dụng để dự báo, bao gồm: dân số, GDP ngành và

cơ cấu kinh tế của năm cơ sở (năm 2010)

2 Mô đun Demand bao gồm 34 ngành kinh tế (A, B, C…) và các loại nhiên liệu được tiêu thụ của từng ngành

Hình 4: Dự báo nhu cầu năng lượng của các ngành kinh tế Việt Nam

Kết quả cho thấy, với tốc độ sử dụng năng lượng như hiện nay thì tới năm 2020 tổng nhu cầu năng lượng cho toàn ngành kinh tế Việt Nam là 34,125 Mtoe, không tính các ngành sản xuất

và cung cấp năng lượng Các nhóm ngành xây dựng và vật liệu xây dựng, giao thông vận tải, dệt may và luyện kim có nhu cầu sử dụng năng lượng rất cao, trong đó đứng đầu là ngành xây dựng và vật liệu xây dựng (luôn ở mức trên 20 Mtoe và có thể vượt mốc 25 Mtoe vào năm 2020) Điều này thể hiện nhu cầu năng lượng trong công cuộc phát triển cơ sở hạ tầng đất nước Ngành giao thông vận tải có nhu cầu lớn đối với nhiên liệu xăng dầu cho các loại phương tiện vận tải – nhu cầu năng lượng năm 2020 của ngành này được dự báo  8 Mtoe Các ngành khác cũng đều có mức gia tăng nhu cầu năng lượng hàng năm

Từ bức tranh tổng thể (hình 4), có thể thấy mức gia tăng tổngnhu cầu năng lượng của các ngành tiêu thụ năng lượng được thể hiệnqua sự tăng sản lượng năng lượng của các ngành cung cấp và sản xuất năng lượng Trong đó, đáng lưu ý nhất là ngành sản xuất điện – dạng năng lượng thứ cấp cao cấp nhất Khi các ngành kinh tế khác sử dụng điện sẽ không trực tiếp phát thải KNK bởi lượng KNK này đã được ngành Sản xuất điện “gánh rồi” Nội dung tiếp theo sẽ phân tích về ngành điện với các kịch bản phát triển điện năng thông qua các số liệu dự báo về hoạt động sản xuất và phát thải KNK tới 2030

III.2 Kết quả phân tích ngành sản xuất điện

Nghiên cứu tập trung vào các loại nhà máy sản xuất điện tại Việt Nam là nhiệt điện than, nhiệt điện khí, nhiệt điện dầu, thủy điện, điện nguyên tử, điện tái tạo.Mỗi nhà máy điện sản xuất và vận hành theo phương thức khác nhau, nhiên liệu hóa thạch được sử dụng chủ yếu trong quá trình sản xuất của các nhà máy có khả năng gây phát thải KNK cao.Cấu trúc cây dữ liệu xây dựng cho bài toán phân tích ngành điện được thể hiện trên hình 3

Hình 3: Cấu trúc dữ liệu trong phân tích ngành điện

Theo số liệu năm cơ sở (năm 2010), tổng lượng điện sản xuất là 94903 GWh, trong đó nhập khẩu điện là 5599 GWh và xuất khẩu là 964GWh Cụ thể lượng điện sản xuất được từ các nhà máy sản xuất điển hình tương ứng là: nhiệt điện than: 19690 GWh; nhiệt điện khí: 44139 GWh; nhiệt điện dầu: 3419 GWh; thủy điện: 27550 GWh; điện nguyên tử: 0 GWh; năng lượng tái tạo: 3000 GWh; và điện nhập khẩu: 5599 GWh Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của nhiệt điện than là 35%, nhiệt điện dầu là 25%, nhiệt điện khí là 48% (theo số liệu của cơ quan năng lượng quốc tế (IEA))

III.2.1 Dự báo tăng trưởng công suất ngành điện

1 Kịch bản theo Quy hoạch Điện VII

Kịch bản được xây dựng trên bộ số liệu về định hướng tổng công suất lắp đặt các nhà máy điện Việt Nam đến 2030 theo Quy hoạch Điện VII của Chính phủ [9].Dự báo diễn biến tăng trưởng công suất điện bình quân hàng năm của các nhà máy giai đoạn 2010 - 2030 được nội suy bằng hàm Growth (bảng 4).Theo đó, định hướng đến năm 2030 tổng công suất các nhà máy điện khoảng 146.800 MW, trong đó Thủy điện chiếm: 15,7%; Nhiệt điện than: 51,6%;

Nhiệt điện khí: 11,8%; Điện tái tạo: 9,4%; Điện hạt nhân: 6,6%; Điện nhập khẩu: 4,9%.Riêng đối với điện nguyên tử theo quy hoạch đến năm 2020 mới được đưa vào vận hành với công suất là 1000 MW Kết quả dự báo tăng trưởng công suất ngành điện đến 2030 được trình bày trong bảng 5

Bảng 4 Dữ liệu nhập vào mô hình theo định hướng Quy hoạch Điện VII

Bảng 5.Dự báo công suất ngành điện theo kịch bản Quy hoạch Điện VII

Đơn vị: Nghìn MW

Kết quả dự báo phù hợp với mục tiêu phát triển nguồn điện đã phân tích ở trên, theo đó các nhà máy nhiệt điện than với dự định khai thác tối đa nguồn than trong nước có tổng công suất nhiệt điện đốt than khoảng 75.000 MW, sản lượng đạt 394 tỷ kWh, tiêu thụ 171 triệu tấn than Thực tế, do nguồn than trong nước đang ngày càng hạn chế nên để có thể đảm bảo phát triển đúng theo quy hoạch thì cần xem xét xây dựng và đưa các nhà máy nhiệt điện sử dụng than nhập vào vận hành từ năm 2015 Nhằm bảo đảm ổn định cung cấp điện trong tương lai khi các nguồn năng lượng sơ cấp trong nước bị cạn kiệt thì nguồn điện hạt nhân sau khi dự kiến đưa vào vận hành năm 2020 sẽ có thể đạt công suất khoảng 9.700 MW

2 Kịch bản tham khảo

Hướng tới phát triển năng lượng bền vững hơn, kịch bản tham khảo được nhóm tác giả xây dựng theo hướng giữ nguyên tốc độ tăng trưởng của các nhà máy điện hiện nay (nghĩa là vẫn

sử dụng bộ số liệu cơ sở về công suất lắp đặt các nhà máy điện giai đoạn 2000 – 2010) và tăng cường đẩy mạnh vệc phát triển năng lượng tái tạo để đảm bảo đáp ứng đủ lượng điện phục vụ cho nhu cầu phát triển của đất nước và giảm lượng phát thải KNK (bảng 6) Kết quả

dự báo tăng trưởng công suất ngành điện đến 2030 được trình bày trong bảng 7