Lựa chọn tối ưu nguồn năng lượng tái tạo cho phát triển hệ thống điện của chdcnd lào trong tương lai

Phạm vi nghiên cứu bao gồm đánh giá thực trạng hệ thống điện, nghiên cứu cơ sở lý luận về công cụ hoặc mô hình tối ưu để phát triển hệ thống điện của Lào trong tương lai tổng hợp các vấn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hoàng Lan

HÀ NỘI, 07/2021

Chữ ký của GVHD

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : ……… ………

Đề tài luận văn: ……… ……… ….

Chuyên ngành:……… ……… …

Mã số SV:……… ……… …

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày… ………… với các nội dung sau: ………

……… …

……… ……

……… ………

……… …………

……… ………

………

Ngày tháng năm

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Mẫu 1c LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và viết luận văn tại Viện Kinh tế và Quản lý – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, với tất cả sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin chân thành cảm TS Nguyễn Hoàng Lan, người đã luôn bên cạnh tôi, tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu hỗ trợ tôi trong quá trình viết luận văn, động lúc gặp những khó khăn để tôi phấn đấu hoàn thành bản luận văn này

Các phân tích định lượng với các mô hình năng lượng sẽ không thể thực hiện được

mà không có sự hướng dẫn sử dụng mô hình Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (International Atomic Energy Agency - IAEA) và phát triển viên Bà Loreta Stankeviciute cùng các cộng sự đã cho phép tôi cơ hội được học tập, nghiên cứu về MESSAGE và trải nghiệm một quãng thời gian tại Vienna, AUSTRIA, luôn sẵn sàng trả lời những câu hỏi của tôi khi gặp những khó khăn lúc chạy mô phỏng

về MESSAGE để hiểu hơn và làm chủ được mô hình

Xin chân thành cảm ơn tập thể các giảng viên Viện Kinh tế và Quản lý, Bộ môn Kinh tế công nghiệp, Viện Đào tạo sau đại học của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, những người thầy, người cô đã tận tình tham dự các buổi báo cáo từ bước xây dựng đề cương nghiên cứu đến các chuyên đề của luận văn để có những ý kiến đóng góp quý báu

và động viên, giúp tác giả hoàn thiện dần bản luận văn của mình cho đến ngày hôm nay Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình cùng tôi chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình nghiên cứu Cảm ơn các đồng nghiệp và bạn bè của tôi, những người luôn bên cạnh và đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu Trân trọng cảm ơn!

TỐM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào (CHDCND Lào) là một quốc gia không giáp biển nằm ở trung tâm Bán đảo Đông Dương, miền Bắc giáp với Trung Quốc, miền Nam giáp Campuchia, miền Đông giáp Việt Nam, miền Tây giáp Thái Lan và miền Tây Bắc giáp Myanmar Nhưng Lào giàu có với tài nguyên thiên nhiên, có nhiều sông suối và địa hình nhiều vùng núi tạo điều kiện cho việc phát triển dự án nhà máy thủy điện Với chính sách đúng đắn và vị trí thuận lợi của Lào làm cho các nhà đầu tư quan tâm và đầu

tư ngày càng nhiều trong lĩnh vực năng lượng Đến nay, Lào có 63 nhà máy phát điện với tổng công suất 7.240 MW đang hoạt động 43 dự án đang xây với tổng công suất 5.200

MW và hơn 300 dự án đã ký MOU với chính phủ để nghiên cứu khảo sát dự án Như vậy,

để đánh giá và lựa chọn các dự án nói trên với các chỉ tiêu đặt ra, Lào cần phải có sự phân tích, đánh giá, lựa chọn đúng đắn và thích hợp cho quy hoạch phát triển hệ thống điện Nghiên cứu này được thực hiện hướng đến đối tượng là hệ thống điện Lào và các

dự án nhà máy điện như: thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, biomass, nhiệt điện Phạm vi nghiên cứu bao gồm đánh giá thực trạng hệ thống điện, nghiên cứu cơ sở

lý luận về công cụ hoặc mô hình tối ưu để phát triển hệ thống điện của Lào trong tương lai tổng hợp các vấn để trong quy hoạch hệ thống điện của Lào, xây dựng mô hình hệ thống điện cho Lào trong đó chú trọng sử dụng năng lượng sạch (năng lượng tái tạo) Phương pháp nghiên cứu là kết hợp các phương pháp mô tả, phân tích, so sánh, tổng hợp và sử dụng mô hình mô phỏng Sau khi thu thập số liệu và xử lý số liệu từ các ngành có liên quan, nghiên cứu xây dựng mô hình tối ưu hệ thống điện Lào Với những thông tin đã có tác giả đã chọn mô hình MESSAGE trong việc quy hoạch tối ưu hệ thống điện của Lào

Kết quả nghiên cứu phù hợp với định hướng đã đề ra Nghiên cứu cũng có những hạn chế về thông tin số liệu, do đó, trong các nghiên cứu tiếp theo, tác giả mong muốn

mở rộng phạm vi và được nghiên cưu chi tiết hơn sâu hơn để việc quy hoạch hệ thống điện của Lào có độ tin cậy cao hơn Nghiên cứu này có thể sử dụng cho các đơn vị liên quan tham khảo cho việc quy hoạch hệ thống điện của Lào trong tương lai

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết cấu của Luận văn 3

Chương 1 Cơ sở lý luận và thực tiễn về năng lượng tái tạo và quy hoạch hệ thống điện 4 1.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo (khái niệm, hiện trạng, xu thế phát triển) 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Các nguồn năng lượng tái tạo sử dụng cho phát điện 5

1.1.3 Hiện trạng phát triển năng lượng tái tạo trên thế giới 6

1.1.4 Xu thế phát triển 9

1.2 Tổng quan về quy hoạch hệ thống điện 11

1.2.1 Khái niệm quy hoạch hệ thống điện 11

1.2.2 Mục đích quy hoạch phát triển hệ thống điện 12

1.2.3 Nhiệm vụ của quy hoạch phát triển hệ thống điện 13

1.2.4 Tình hình nghiên cứu quy hoạch hệ thống điện ở Lào trong thời gian qua 14 1.2.5 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 15

1.3 Mô hình toán học để giải bái toán quy hoạch và mô hình áp dụng cho quy hoạch phát triển hệ thống điện 16

1.3.1 Khái niệm về bài toán quy hoạch 16

1.3.2 Các mô hình áp dụng cho quy hoạch phát triển hệ thống điện 18

1.4 So sánh, đánh giá và lựa chọn Mô hình 26

Chương 2 Giới thiệu thực trạng về hệ thống điện Lào và xây dựng mô hình lựa chọn các nguồn năng lượng tái tạo cho phát triển hệ thống điện của CHDCND Lào ……… 29

2.1.1 Nhiệm vụ của mô hình MESSAGE 29

2.1.2 Nguyên tắc cơ bản của của mô hình MESSAGE 29

2.2 Giới thiệu về hệ thống điện Lào 33

2.2.1 Giới thiệu tổng quát về Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào 33

2.2.2 Hệ thống năng lượng của Lào 35

2.2.3 Thực trạng hệ thống điện của Lào 35

2.3 Thiết lập cơ sở dữ liệu cho mô hình 46

2.3.1 Cơ sở dữ liệu cho mô hình (số liệu đầu vào của mô hình: phụ tải, công

nghệ phát điện, nhiên liệu…) 46

2.3.2 Các giả thiết và kịch bản của mô hình 59

Chương 3 Phân tích kết quả và đề xuất cơ cấu nguồn điện có tính đến năng lượng tái tạo cho phát triển HTĐ của CHDCND Lào đến năm 2030 66

3.1 Phân tích kết quả mô phỏng cơ cấu nguồn điện 66

3.1.1 Phân tích kịch bản cơ sở (BASE) 66

3.1.2 Phân tích cơ cấu nguồn điện trong các kịch bản đa dạng hóa nguồn năng lượng tái tạo (RE10 và RE30) 75

3.1.3 Phân tích cơ cấu nguồn điện trong các kịch bản tăng nhu cầu trong lĩnh vực giao thông vận tải và công nghiệp (kịch bản thay đổi nhu cầu sử dụng điện năng) 78 1.1.4 Phân tích chi phí vận hành hệ thống và chi phí đầu tư mới cho hệ thống điện 80 3.1.5 Phân tích tình hình phát thải khí nhà kính của hệ thống điện của Lào 81

3.2 Đề xuất cơ cấu nguồn điện từ năng lượng tái tạo 82

3.3 Giải pháp phát triển hệ thống điện của CHDCND Lào đến năm 2030 89

KẾT LUẬN 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

PHẦN PHỤ LỤC 97

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Tỷ lệ NLTT trong tổng mức tiêu thụ năng lượng cuối cùng, 2018 6

Hình 1.2 Tỷ trọng sản lượng điện từ NLTT ước tính trong toàn cầu (2019) 8

Hình 1.3 Sự tăng trưởng của ngành NLTT trong 10 năm qua (trừ thủy điện lớn) 8

Hình 1.4 Mức đầu tư của ngành NLTT trong 10 năm qua (trừ thủy điện lớn) 9

Hình 1.5 Lộ trình cơ cấu hệ thống điện của EU 2050 11

Hình 1.6 Dự báo cơ cấu công suất lắp đặt theo nguồn 2020-2040 11

Hình 1.7 Nhiệm vụ quy hoạch hệ thống điẹn 13

Hình 1.8 Giao diện mô hình LEAP 19

Hình 1.9 Sơ đồ khối của MARKAL 21

Hình 1.10 Sơ đồ khối của WASP 23

Hình 1.11 Sơ đồ phân tích tổng quan khi tính toán tối ưu trong MESSAGE 25

Hình 1.12 Giao diện của MESSAGE 25

Hình 2.1 Sơ đồ một dòng năng lượng trong mô hình MESSAGE Error! Bookmark not defined. Hình 2.2 Bản đồ nước CHDCND Lào 34

Hình 2.3 Tỷ trọng công suất lắp đặt theo chủ sở hữu 37

Hình 2.4 Tỷ trọng công suất lắp đặt theo loại công nghệ 38

Hình 2.5 Thống kê sản xuất điện năng tại Lào giai đoạn 2009-2018 39

Hình 2.6 Cung cấp điện cho nhu cầu trong nước trong giai đoạn 2008-2018 40

Hình 2.7 Cung cấp và tiêu thụ điện hàng tháng (2018) 41

Hình 2.8 Hệ thống truyền tải xuất khẩu và 2 Hệ thống truyền tải nội địa 44

Hình 2.9 Cửa sổ nhập dữ liệu tổng quát của mô hình MESSAGE 47

Hình 2.10 Đường cong phụ tải hàng tháng tại năm 2018 48

Hình 2.11 Đường đặc tính phụ tải của một ngày điển hình năm 2018 ở miền Bắc 48

Hình 2.12 Đường đặc tính phụ tải của một ngày điển hình năm 2018 ở miền Trung I 49

Hình 2.13 Đường đặc tính phụ tải của một ngày điển hình năm 2018 ở miền Trung II 49 Hình 2.14 Đường đặc tính phụ tải của một ngày điển hình năm 2018 ở miền Nam 50

Hình 2.15 Cửa sổ nhập dữ liệu phụ tải vùng của mô hình MESSAGE 50

Hình 2.16 Hệ thống điện của Lào 51

Hình 2.17 Cửa sổ nhập dữ dự báo liệu nhu cầu sử dụng điện 53

Hình 2.18 Tiềm năng kỹ thuật NMT tại Lào 54

Hình 2.19 Tiềm năng kỹ thuật năng lượng gió tại Lào 56

Hình 2.20 Chi phí năng lượng mặt trời trong tương lai 60

Hình 2.21 Tỷ lệ tăng trường xe điện giai đoạn 2020-2030 63

Hình 3.1Cơ cấu công suất (MW) kịch bản cơ sở (BASE) 67

Hình 3.2 Công suất lắp đặt mới trong từng giai đoạn (2019-2030) 68

Hình 3.3 Sản lượng điện năng SX tại năm 2030 kịch bản BASE 70

Hình 3.4 Biểu đồ sản lượng điện năng SX tại tháng 3 năm 2030 70

Hình 3.5 Hệ thống truyền tải mở rộng 2019-2030 71

Hình 3.6 Lượng điện năng sản xuất trong giai đoạn 2018-2030 72

Hình 3.7 Sản lượng điện năng xuất khẩu cho các Quốc gia 73

Hình 3.8 Lượng phát thải CO2 kịch bản cơ sở 73

Hình 3.9 Tổng chi phí đầu tư mới bình quân và chi phí vận hành bình quân kịch bản BASE 74

Hình 3.10 Cơ cấu công suất kịch bản đa dạng hóa nguồn NLTT 76

Hình 3.11 Cơ cấu công suất và cơ cấu nguồn điện từ NLTT các kịch bản đa dạng nguồn nguồn NLTT 77Hình 3.12 Biểu đồ sản lượng điện năng SX tại tháng 3 năm 2030 kịch bản RE30 78Hình 3.13 Cơ cấu công suất các kịch bản 79Hình 3.14 Cơ cấu công suất và điện năng nguồn điện từ NLTT các kịch bản tăng nhu cầu trong lĩnh vực giao thông vận tải và công nghiệp 79Hình 3.15 Tổng chi phí VH hệ thống và chi phi ĐT mở rộng mới các kịch bản 80

DANH MỤC HÌNH BẢNG

Bảng 1.1 Công suất lắp đạt và tốc độ tăng trưởng nguồn điện từ NLTT trên thế giới 7

Bảng 1.2 Danh sách 5 nước dẫn đầu trong phát triển NLTT năm 2019 7

Bảng 1.3 Bảng tổng hợp đặc điểm và tính năng của các mô hình 26

Bảng 2.1 Sự phát triển các dự án nhà máy điện ở Lào 36

Bảng 2.2 Tỷ trọng công suất lắp đặt theo chủ sở hữu 37

Bảng 2.3 Tỷ trọng công suất lắp đặt chia theo loại công nghệ 38

Bảng 2.4 Tiêu thụ điện năng tại Lào giai đoạn 2009-2018 41

Bảng 2.5 Xuất - nhập khẩu điện của Lào giai đoạn 2009-2018 42

Bảng 2.6 Hệ thống truyền tải và lưới điện phân phối ở Lào (2018) 45

Bảng 2.7 Bảng công suất điện hàng tháng tại năm 2018 47

Bảng 2.8 Dự báo nhu cầu sản lượng điện theo tỉnh 52

Bảng 2.9 Dự báo nhu cầu công suất điện theo tỉnh 52

Bảng 2.10 Tiềm năng kỹ thuật NMT tại các tỉnh ở Lào 55

Bảng 2.11 Tiềm năng kỹ thuật năng lượng sinh khối và khí sinh học 57

Bảng 2.12 Tiềm năng nguồn năng lượng thủy điện lớn 57

Bảng 2.13 Tiềm năng nguồn năng lượng thủy điện nhỏ 58

Bảng 2.14 Cơ cấu hệ thống điện 61

Bảng 2.15 Cơ cấu hệ thống điện RE10 62

Bảng 3.1 Kết quả tính toán cơ cấu công suất và điện sản xuất kịch bản cơ sở (BASE) 66 Bảng 3.2 Cơ cấu sản lượng điện năng sản xuất kịch bản cơ sở BASE 69

Bảng 3.3 Tỷ trọng điện năng xuất khẩu cho các Quốc gia 73

Bảng 3.4 Mức phát thải CO2 cho 1MWh điện năng 74

Bảng 3.5 Tỷ trọng NLTT của các kịch bản 75

Bảng 3.6 Tỷ trọng NLTT của các kịch bản 78

Bảng 3.7 Tổng chi phí hệ thống, chi phí ĐT và chi phí VH các kịch bản 80

Bảng 3.8 Phân tích phát thải CO2 trong các kịch bản 81

Bảng 3.9 Tổng hợp ưu nhược điểm của các kịch bản 86

Bảng 3.10 Tổng hợp kết quả về cơ cấu nguồn điện từ NLTT các kịch bản 88

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

ASEAN : Association of Southeast Asian Nations - Hiệp Hội các quốc gia

Đông Nam Á DEPP : Department of Energy Policy and Planning – Cục Chính sách và

Quy hoạch năng lượng EDL : Electric Du Laos – Tổng công ty điện lực Lào

GWh : Gigawatt hours

IAEA : International Atomic Energy Agency – Cơ quan Năng lượng

Nguyên tử Quốc tế IEA : International Energy Agency – Cơ quan Năng lượng Quốc tế IIASA : Viện Phân tích các hệ thống ứng dụng quốc tế

IRENA : International Renewable Energy Agency – Cơ quan Năng lượng

Tái tạo Quốc tế IPP : Independent Power Plan – Nhà đầu tư độc lập

KNK : Khí nhà kính

LEAP : Long-range Energy Alternatives Planning model –

MARKAL : MARket ALlocation

MESSAGE : Model for Energy supply strategy Alternatives and their General

Environmental Impacts MEM : Ministry of Energy and Mines – Bộ Năng lượng và Mỏ

MOU : Memorandum of Understanding – Bản ghi nhớ

MWyr : Megawatt year

NLTT : Năng lượng tái tạo

NMT : Năng lượng mặt trời

PDPAT : Power Development Plan Assist Tools - Công cụ hỗ trợ Quy

hoạch phát triển năng lượng UNFCCC : United Nations Framework Convention on Climate Change

- Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu USAID : United States Agency For International Development – Cơ quan

Phát triển Quốc tế Mỹ WASP : Wiena Automatic System Planning

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước CHDCND Lào là một quốc gia không giáp biển nằm ở trung tâm Bán đảo Đông Dương, miền Bắc giáp với Trung Quốc, miền Nam giáp Campuchia, miền Đông giáp Việt Nam, miền Tây giáp Thái Lan và miền Tây Bắc giáp Myanmar Nhưng Lào giầu có với tài nguyên thiên nhiên, có nhiều sông suối và địa hình nhiều vùng núi tạo điều kiện cho việc phát triển dự án nhà máy thủy điện

Nước CHDCND Lào nằm ở giữa các nước đang phát triển, dân số đông và có tốc

độ tăng trưởng nền kinh tế cao Để phát triển nền kinh tế ở Lào, với tiềm năng dồi dào về nguồn năng lượng Chính phủ đã thành lập chiến lược biến nước Lào thành ắc quy của khu vực Với chính sách đúng đắn và vị trí thuận lợi của Lào làm cho các nhà đầu tư quan tâm và đầu tư ngày càng nhiều trong lĩnh vực năng lượng Đến nay, Lào có 63 nhà máy phát điện với tổng công suất 7.240 MW đang hoạt động 43 dự án đang xây với tổng công suất 5.200 MW và hơn 300 dự án đã ký MOU với chính phủ để nghiên cứu khảo sát dự

Như vậy, vấn đề đảm bảo nhu cầu năng lượng an ninh và phát triển bền vững là những thách thức có tính thời đại Để giảm bớt khó khăn về tính phụ thuộc của nguồn năng lượng và giảm thiểu ảnh hưởng xấu tới môi trường, việc phát triển và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) đã trở thành chiến lược của hầu hết các quốc gia trên thế giới Với tiềm năng to lớn nguồn NLTT của Lào, để đạt được những mục tiêu và nhiệm vụ chiến lược đã đặt ra thì vai trò của NLTT cần phải được nhìn nhận, đánh giá một cách đúng đắn và quan tâm thích đáng hơn để NLTT phát triển cả về số lượng và chất lượng Với những yêu cầu mới trong quá trình phát triển năng lượng bền vững, đặc biệt để đáp ứng yêu cầu của các Quy hoạch, Chiến lược và Chính sách đã đặt ra, quan tâm đúng mức tới phát triển NLTT thì việc lựa mô hình tính toán thị phần đóng góp của NLTT sao cho hợp lý để phục vụ cho phát triển hệ thống điện, kinh tế, xã hội là hết sức cần thiết Với thực trạng đó, một sự mở rộng cụ thể và hợp lý vai trò của NLTT trong hệ

thống năng lượng nói chung và hệ thống điện nói riêng là điều thiết yếu trong mục tiêu phát triển bền vững và an ninh năng lượng quốc gia đồng thời góp phần thực hiện những chiến lược và thỏa thuận quôc tế đã đặt ra

Chính vì vậy Luận văn đã lựa chọn đề tài: ” Lựa chọn tối ưu nguồn năng lượng

tái tạo cho phát triển hệ thống điện của CHDCND Lào trong tương lai ” nhằm xây dựng một mô hình quy hoạch nguồn điện phù hợp đảm bảo cho phép tính toán cơ cấu nguồn điện từ NLTT trong hệ thống điện thỏa mãn các điều kiện ràng buộc đặt ra và xác định chi phí hệ thống để đạt được cơ cấu đó

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu là “Xây dựng mô hình xác định cơ cấu nguồn điện từ NLTT trong Hệ thống điện của nước CHDCND Lào thỏa mãn các ràng buộc đặt ra”

Các mục tiêu cụ thể bao gồm:

- Hệ thống hóa cơ sở lý luận về quy hoạch hệ thống điện, các công cụ hoặc mô hình tối ưu để phát triển hệ thống điện

- Tổng hợp các nghiên cứu trước đây về quy hoạch hệ thống điện của Lào

- Phân tích thực trạng hệ thống điện Lào

- Xây dựng mô hình hệ thống điện cho Lào

- Sử dụng mô hình để phân tích về cơ cấu nguồn điện, chi phí hệ thống, phát thải trong các kịch bản khác nhau về sử dung năng lượng sạch (năng lượng tái tạo)

và tăng nhu cầu sử dụng điện đến năm 2030 của Lào

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

❖ Đối tượng nghiên cứu

- Hệ thống điện Lào và các dự án nhà máy điện như: thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, biomass, nhiệt điện và hệ thống truyền tải

❖ Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu chú trọng vào cơ cấu nguồn điện của Lào đến năm 2030

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập số liệu: Luận văn sử dụng số liệu thứ cấp

- Phương pháp phân tích, xử lý số liệu: Luận văn sử dụng phương pháp tiếp cận

hệ thống trong quy hoạch nguồn điện và phân tích đặc tính nguồn NLTT để xác định cơ cấu nguồn điện từ NLTT

- Phương pháp mô hình: Luận văn sử dụng phương pháp mô hình tối ưu cho quy hoạch nguồn điện để tính toán tối ưu xác định sự tham gia của các nguồn năng lượng cho sản xuất điện vào hệ thống

- Phương pháp thống kê, phân tích tổng hợp hệ thống phục vụ cho xây dựng tư liệu, số liệu và phân tích, đánh giá kết quả tính toán

5 Kết cấu của Luận văn

Nội dung kết cấu của Luận văn được trình bày cụ thể trong 3 chương như sau:

Chương 1: Cơ sở lý luận và thực tiễn về năng lượng tái tạo và quy hoạch hệ thống điện Chương 2: Xây dựng mô hình lựa chọn các nguồn năng lượng tái tạo cho phát triển hệ thống điện của CHDCND Lào

Chương 3: Đề xuất cơ cấu nguồn điện có tính đến năng lượng tái tạo cho phát triển

HTĐ của CHDCND Lào đến năm 2030

Chương 1 Cơ sở lý luận và thực tiễn về năng lượng tái tạo và

quy hoạch hệ thống điện 1.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo (khái niệm, hiện trạng, xu thế phát triển)

1.1.1 Khái niệm

Năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con người thì là vô hạn “Vô hạn” ở đây có nghĩa là nguồn cung cấp không hạn chế do năng lượng tồn tại nhiều đến mức không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (như năng lượng Gió, năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng có khả năng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục trong quá trình diễn tiến trên Trái Đất (như năng lượng sinh khối) “Tái tạo” có nghĩa

là khôi phục lại, làm đầy lại, dùng để chỉ đến các chu kỳ tái tạo mà đối với con người là ngắn đi rất nhiều (như khí sinh học so với năng lượng hóa thạch) Chu kỳ tái tạo của chúng có thời gian tương đương thời gian chúng được sử dụng

Năng lượng tái tạo là năng lượng được sinh ra, luôn được tái tạo theo thời gian bởi những hoạt động của tự nhiên và nếu không được khai thác thì nó sẽ tự tiêu hủy và có thể gọi đó là sự lãng phí Năng lượng tái tạo còn được biết đến dưới những tên gọi khác theo nhũng tính chất ưu việt của nó đối với môi trường và xã hội như: năng lượng xanh, năng lượng sạch Tiềm năng về nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới có thể coi là vô tận nhưng phân bố không đồng đều, tùy thuộc vào các điều kiện địa lý, điều kiện tự nhiên của từng khu vực trên trái đất

Có nhiều dạng năng lượng tái tạo, tuy nhiên hiện nay mới có một số dạng đang được nghiên cứu sâu hơn, ứng dụng nhiều hơn và phát triển rộng hơn như: thủy năng, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh khối, khí sinh học, địa nhiệt, năng lượng thủy triều… Hầu hết các dạng năng lượng này đều được khai thác dưới dạng điện năng, nhiệt năng

Mặc dù năng lượng tái tạo vẫn thường được coi là một công nghệ mới nhưng trên thực tế con người chúng ta đã sử dụng nguồn năng lượng tự nhiên này từ lâu, chẳng hạn như phơi khô quần áo (nắng và gió), thuyền buồm (lợi dụng sức gió), thiết kế giếng trời cho ngôi nhà (ánh sáng mặt trời)… Nhưng trong hơn 500 năm qua, con người đã chuyển sang sử dụng các nguồn năng lượng rẻ hơn, hiệu quả nhanh hơn nhưng lại gây ô nhiễm

và không thể tái tạo như than đá và khí đốt Hiện nay chúng ta đã có những cách thức để cải tiến và đổi mới các công cụ tận dụng nguồn năng lượng tái tạo với chi phí thấp hơn trong việc sản xuất và vận hành

Các nguồn năng lượng tái tạo hiện càng ngày càng được các quốc gia, các tổ chức trên thế giới quan tâm nhiều hơn trong nghiên cứu, phát triển khai thác và ứng dụng Việc khai thác nguồn năng lượng này, ngoài vấn đề phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên của từng vùng, từng khu vực còn tùy theo điều kiện kinh tế - xã hội và chính sách của từng quốc gia, vùng lãnh thổ

1.1.2 Các nguồn năng lượng tái tạo sử dụng cho phát điện

❖ Thủy điện nhỏ: nguồn điện từ thủy điện nhỏ được sản xuất từ nguồn năng lượng

nước với công suất nhỏ và có thể phục hồi được Từ các con sông, suối chảy từ nguồn xuống biển đều mang theo một tiềm năng về năng lượng (thuỷ năng) Thông thường nguồn thuỷ năng phụ thuộc vào độ dốc sông suối và lưu lượng nước chảy qua Nguồn thuỷ năng có thể phân bố đều hoặc không đều trên một đoạn sông suối

Để tập trung năng lượng của dòng chảy bằng cách tạo độ chênh lệch mực nước giữa thượng lưu và hạ lưu người ta sử dụng một số phương pháp như: sử dụng đập ngăn, đường dẫn hoặc tổng hợp Thủy điện nhỏ thường được khai thác ở những khu vực miền núi nơi tập trung rất nhiều sông suối nhỏ

❖ Năng lượng gió: là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển của

trái đất Năng lượng gió là một dạng chuyển tiếp của năng lượng mặt trời, bởi chính ánh nắng ban ngày đã đun nóng bầu khí quyển, tạo nên tình trạng chênh lệch nhiệt

độ và áp suất giữa nhiều vùng khác nhau, tạo ra hiện tượng gió thổi đều khắp trên

bề mặt địa cầu Năng lượng gió được đánh giá là thân thiện với môi trường và xã hội

❖ Năng lượng mặt trời: là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời

cộng với một phần nhỏ năng lượng từ các hạt nguyên từ khác phóng ra từ Mặt trời Đây là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại và phát triển của sự sống trên trái đất, đồng thời cũng là nguồn gốc của các dạng NLTT khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, và được coi là vô tận

❖ Năng lượng địa nhiệt: Địa nhiệt là nguồn năng lượng tự nhiên dưới một lớp vỏ

của Trái đất, nhiệt độ lên đến 1000°C - > 40000C, một số khu vực áp suất vượt quá 130MPa Đây là nguồn năng lượng vô hạn sinh ra từ các chuỗi phản ứng hạt nhân,

sự phân hủy các chất phóng xạ thường xuyên trong lòng Trái đất như Thori (Th), Protactini (Pa), Urani (U) vv làm nóng chảy lõi quả đất dưới áp suất cao Thường

để khai thác nguồn năng lượng địa nhiệt cần khoan các giếng sâu 4-5km tới vùng

có nhiệt độ khoảng 2000C Nước được làm sôi lên sẽ theo ống dẫn lên và có thể làm chạy các máy phát điện vv Theo đánh giá của các chuyên gia, có khoảng 10%

diện tích vỏ Trái Đất chứa các nguồn địa nhiệt có thể đánh giá được tiềm năng và các nguồn này có thể cung cấp một nguồn năng lượng rất lớn

❖ Năng lượng thủy triều: là năng lượng được sản sinh bởi sự lên xuống của thủy

triều Người ta tận dụng sự chuyển động của sóng biển hay hoạt động thủy triều để tạo ra điện năng Các phương pháp đó đều sử dụng một loại máy phát điện đặc biệt

để chuyển đổi năng lượng thủy triều thành điện năng Tuy nhiên, dạng năng lượng này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển

❖ Năng lượng sinh khối: sinh khối bao gồm các loài thực vật sinh trưởng và phát

triển trên cạn cũng như ở dưới nước, các phế thải hữu cơ như: rơm rạ, vỏ trấu, bã mía, vỏ cà phê , các loại phế thải động vật như: phân người, phân gia súc, gia cầm Sinh khối là một nguồn năng lượng có khả năng tái sinh tồn tại và phát triển được nhờ ánh sáng mặt trời Các loài thực vật hấp thụ ánh sáng mặt trời để thực hiện các phản ứng quang hợp, biến đổi các khoáng chất, nước và các nguyên tố vô

cơ khác thành các chất hữu cơ Phản ứng quang hợp còn là phản ứng cơ bản tạo ra thức ăn cho động vật Trong quá trình quang hợp, thực vật còn hấp thụ khí cacbonic

và tạo ra oxy là chất khí tạo ra sự sống trên trái đất

1.1.3 Hiện trạng phát triển năng lượng tái tạo trên thế giới

Trong thập kỷ qua (2009-2018) nhu cần về NLTT đã gia tăng trên toàn cầu Đến năm 2018, NLTT cung cấp khoảng 11% tiêu thụ năng lượng cuối cùng trên thế giới (Hình 1.1)

Hình 1.1 Tỷ lệ NLTT trong tổng mức tiêu thụ năng lượng cuối cùng, 2018

Nguồn: Renewables Global Status Report 2009-2020, REN21

Công suất lắp đặt và tốc độ tăng trưởng của từng nguồn NLTT được thể hiện trong bảng 1.1 sau:

Năng lượng hạt nhân Năng lượng sinh khối truyền thống Nhiên liệu

hóa thạch

Năng lượng tái tạo

Năng lượng gió/ năng lượng thủy chiều Nhiên liệu sinh học cho giao thông vận tải

Thủy điện

Năng lượng sinh khối/mặt trời/địa nhiệt

Bảng 1.1 Công suất lắp đạt và tốc độ tăng trưởng nguồn điện từ NLTT trên thế giới

Công suất lắp đặt (GW) 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 Thủy điện 915 935 960 990 1.000 1.055 1.064 1.096 1.114 1.132 1.150

Nhiệt MT (Solar CSP) 0,7 1,1 1,6 2,5 3,4 4,4 4,7 4,8 4,9 5,5 6,2

Nguồn: Renewables Global Status Report 2009-2020, REN21

Tỷ trọng sản xuất điện NLTT đang tăng nhanh chóng ở nhiều quốc gia và vùng Trong thập kỷ qua, EU đã chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ về tỷ trọng sản xuất điện NLTT, tăng từ 19% năm 2009 lên đến 35% vào năm 2019 Ở một số quốc gia châu Âu,

sự thay đổi này thậm chí còn mạnh mẽ hơn, chẳng hạn như ở Đan Mạch (tăng từ 39% đến 77%), Đức (16% đến 42%) và Vương quốc Anh (8% đến 38%) Tại Hoa Kỳ, tỷ trọng sản xuất điện từ NLTT tăng từ 10,2% lên 17,4% trong giai đoạn 2009 và 2019 Tỷ trọng sản xuất điện từ NLTT ở Trung Quốc tăng từ 16,6% lên 26,4%, Úc (từ 8% đến 24%), Ethiopia (89% đến 100%), Kenya (57% đến 81%) và Uruguay (70% đến 98%)

Ngoài ra, trong 10 năm qua Trung Quốc và Ấn Độ đã tăng tốc đầu tư vào lĩnh vực NLTT, 2 nước đã bỏ vốn đầu tư khoảng 2,7 triệu triệu đô la mỹ để phát triển NLTT làm cho tỉ trọng NLTT tăng trưởng gấp đôi từ 14% trong năm 2009 đến 27,3% trong năm

Năng lượng gió China USA UK India Spain

Ethanal

production USA Brazil China India Canada

Biodiesel

production Indonesia USA Brazil Germany France

Nguồn: Renewables Global Status Report 2009-2020, REN21

Năm 2019, gần 200 GW công suất của NLTT được lắp đặt, làm cho toàn cầu có công suất của NLTT đạt tới 2.588 GW và trong đó tăng nhanh nhất là điện mặt trời Thứ

hai là điện gió và tiếp đến là điện sinh khối, điện địa nhiệt, năng lượng thủy chiều Khi xem xét đến công suất NLTT tích lũy đến nay, Trung Quốc vẫn dẫn đầu toàn cầu (789 GW), tiếp theo là Hoa Kỳ (282 GW), Brazil (144 GW), Ấn Độ (137 GW) và Đức (124 GW)

Với những thành tựu về công nghệ NLTT đạt được và hiện trạng công suất lắp đặt như vậy thì lượng điện từ NLTT sản xuất được trên thế giới là khá lớn ước tính khoảng 27,3% của toàn cầu sản xuất được, trong đó sản lượng điện SX chính là từ nhà máy thủy điện (58%), tiếp theo là điện gió (22%), điện mặt trời (10%), phần còn lại là điện sinh khối và năng lượng thủy triều…

Hình 1.2 Tỷ trọng sản lượng điện từ NLTT ước tính trong toàn cầu (2019)

Nguồn: Renewables Global Status Report 2009-2020, REN21

Hình 1.3 Sự tăng trưởng của ngành NLTT trong 10 năm qua (trừ thủy điện lớn)

Nguồn: Bloomberg NEF (New Energy Outlook 2020)

Điện từ nguồn NL

hóa thạch

Điện từ nguồn NLTT

Điện từ nguồn NLTT

Thủy điện

Điện gió

Điện mặt trời Điện sinh khối Địa nhiệt/thủy Triều

Hình 1.4 Mức đầu tư của ngành NLTT trong 10 năm qua (trừ thủy điện lớn)

Nguồn: Bloomberg NEF (New Energy Outlook 2020)

Hai hình trên cho chúng thấy công suất lắp đặt NLTT tăng 184 GW hoặc tăng 12,75% so với năm 2018 Tuy nhiên, nếu xét trong lĩnh vực đầu tư có thể thấy tỷ trọng tăng chưa đến 1% so với năm 2018, điều này cho chúng ta thấy rằng chi phí đầu tư cho công nghệ NLTT ngày càng giảm đi Kể từ năm 2015, vai trò phát triển NLTT thuộc về các nước kém phát triển và đang phát triển đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ, hàng năm đều đều đầu tư một khoản vốn lớn trong việc phát triển NLTT và lớn hơn các nước phát triển

Trong những năm vừa qua, NLTT đã tăng trưởng nhanh chóng trong ngành điện Năm 2019, NLTT đã phá kỳ lục với công suất mới lắp đặt đạt 184 GW Việc đầu tư và phát triển NLTT tiếp tục lan rộng đến tất cả các nơi trên thế giới Hệ thống NLTT được phân phối và cung cấp điện cho các hộ gia đình ở các nước kém và đang phát triển, nhiều

hộ gia đình có khả năng tiếp cận với điện trong việc sinh hoạt hằng ngày hoặc phục vụ cho việc nấu ăn sạch

1.1.4 Xu thế phát triển

Việc sản xuất điện năng vẫn là một trong những yếu tố cần thiết cho sự phát triển công nghiệp và sự tăng trưởng của các thành phố lớn Trước đây, chúng ta đã biết đến sự xuất hiện của các công nghệ mới, sẽ chuyển đổi và thay thế công nghệ truyền thống mà chúng ta sử dụng trong nhiều thập kỷ qua Trong tương lai, với sự phát triển của khoa học công nghệ thì có thể thấy NLTT có ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế - xã hội và môi trường Việc sử dụng NLTT thay thế dần năng lượng truyền thống là việc làm mà thế giới đang hướng tới và đang thực hiện

Từ năm 2015 vai trò của việc phát triển NLTT đã chuyển sang các nước đang phát triển nhiều hơn Mấy năm trước đây, việc đầu tư công nghệ mới NLTT thường suất hiện

ở các nước phát triển vì việc đầu tư ngành năng lượng mới tái tạo này rất tốn kém, chi phí

vận hành cao và đòi hỏi công nghệ cao Nhưng hiện nay, công nghệ NLTT có chi phí đầu

tư ngày càng thấp hơn và có hiệu suất cao hơn công nghệ năng lượng hóa thạch (năm

1977 một tấm pin mặt trời có giá thành 76$ nhưng đến năm 2020 giá một tấm pin mặt trời chỉ còn 0,5$) Điều này đã khiến cho các nước đang phát triển có thể phát triển và tiếp cận năng lượng sạch nhiều hơn, có thể cân đối nguồn năng lượng bằng cách đa dạng hóa các nguồn năng lượng và chuyển đổi nhiên liệu hóa thạch thành năng lượng sạch như năng lượng mặt trời và gó…

Việc phát triển năng lượng sạch để thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đã được đặt ra tại nhiều hội nghị toàn cầu trong thời gian qua, vì đây là thách thức đối với nhiều quốc gia trong việc giải quyết vấn đề nóng lên toàn cầu Theo Thỏa thuận Paris chiến lược 20:20:20 bao gồm: (1) Giảm phát thải khí nhà kinh 20%, (2) Tăng tỉ trọng sử dụng NLTT 20% và (3) Tăng hiệu suất năng lượng 20% nhằm đảm bảo sự nóng lên toàn cầu không quá 2 độ C trong thập kỷ này Tuy nhiên trên thực tế, thế giới không thể thực hiện được đúng như chiến lược mà lượng khí nhà kính còn tiếp tục tăng

Trung Quốc là nước phát thải khí CO2 nhiều nhất, chiếm đến 1/3 của thế giới trong mỗi năm, nguyên nhân chính là do Trung Quốc có nhà máy nhiệt điện than chiếm 2/3 của

hệ thống điện trong nước Vào năm 2013, Trung Quốc đã trải qua một cuộc khủng hoảng

ô nhiễm không khí ở Bắc Kinh, khiến cho 4.000 người thiệt mạng mỗi ngày vì các bệnh đường hô hấp Chính phủ Trung Quốc phải chi một khoản tiền khổng lồ để giải quyết ô nhiễm từ nhà máy nhiệt điện than Từ năm 2017, Trung Quốc đã sử dụng ngân sách để phát triển NLTT nhiều hơn Hoa Kỳ, EU và Nhật Bản cộng lại Ngoài ra, Trung Quốc còn huỷ 100 dự án nhà máy nhiệt điện và thúc đẩy phát triển năng lượng mặt trời và năng lượng sạch khác để đạt mục tiêu NLTT chiếm 1/5 công suất hệ thống điện trong tương lai

Để thực hiện theo Thỏa thuận Paris, các nước Châu Âu đã có chính sách rõ ràng trong việc phát triển NLTT nhờ khung chính sách NLTT của Châu Âu Liên minh Châu

Âu sẽ tăng nguồn NLTT trong hệ thống điện từ 34% năm 2020 lên đến 50% trong năm

2030 (hình 1.4)

Hình 1.5 Lộ trình cơ cấu hệ thống điện của EU 2050 Nguồn: European renewable energy policy framework

Theo Triển vọng năng lượng Thế giới 2019, việc mở rộng sản xuất điện từ nguồn điện gió và điện mặt trời giúp NLTT vượt qua nhiên liệu hóa thạch trong cơ cấu sản xuất điện vào giữa những năm 2035 Đến năm 2040, các nguồn carbon thấp sẽ cung cấp hơn một nửa tổng sản lượng điện trên thế giới, Điện gió và điện mặt trời chiếm 27% sản lượng điện, tiếp theo là thủy điện (15%) và điện hạt nhân (8%)

Hình 1.6 Dự báo cơ cấu công suất lắp đặt theo nguồn 2020-2040

Nguồn: World Energy Outlook 2019

1.2 Tổng quan về quy hoạch hệ thống điện

1.2.1 Khái niệm quy hoạch hệ thống điện

Hệ thống điện là tập hợp các nhà máy điện, trạm biến áp, đường dây tải điện, mạng phân phối và các hộ dung điện nhằm thực hiện nhiệm vụ sản xuất, truyền tải, phân phối

và sử dụng điện năng một cách tin cậy, kinh tế và chất lượng đảm bảo

Quy hoạch phát triển hệ thống điện là mục tiêu, định hướng, giải pháp và cơ chế chính sách về phát triển ngành điện, phát triển và cải tạo nguồn, lưới điện, nhằm đảm bảo cung cấp điện một cách an toàn, liên tục cho các ngành kinh tế, công ích, đời sống của nhân dân và an ninh quốc phòng, trên cơ sở sử dụng tiết kiệm và hiệu quả tài nguyên năng lượng của đất nước.”

Quy hoạch hệ thống điện là một bài toán hết sức quan trọng và cấp bách đối với mỗi quốc gia Trong chừng mực nhất định bài toán quy hoạch nguồn có thể được xem xét độc lập với các nội dung khác (dự báo nhu cầu điện năng, quy hoạch phát triển lưới điện, cân bằng năng lượng - nhiên liệu …)

Quy hoạch nguồn điện là bài toán để trả lời các câu hỏi: Nhà máy điện mới sử dụng công nghệ sản xuất điện nào và sử dụng loại nhiên liệu hay năng lượng gì? Công suất đặt của nhà máy bao nhiêu là phù hợp? Khi nào nhà máy cần được xây dựng để đảm bảo tiến

độ vào vận hành?

Có thể nói, bài toán quy hoạch hệ thống điện là bài toán kinh tế kĩ thuật lựa chọn phương án tối ưu để phát triển hệ thống điện nhằm đảm bảo cung cấp điện cho hộ tiêu thụ với chất lượng cao mà chi phí là nhỏ nhất có thể

Bài toán quy hoạch nguồn điện là một phần không thể tách rời của bài toán tổng hợp về phát triển tối ưu hệ thống điện Trong bài toán quy hoạch nguồn thì việc lựa chọn cấu trúc tối ưu nguồn điện là cơ bản nhất nên thường coi bài toán này là bài toán quy hoạch nguồn điện Bài toán này thường sử dụng phương pháp mô hình hóa toán học kết hợp máy tính Về nguyên tắc phương pháp phân tích bao gồm các bước sau:

➢ Đặt bài toán: Lựa chọn hệ thống cần nghiên cứu, xác định các giới hạn của nó, xây dựng mục tiêu cần điều khiển

➢ Xây dựng mô hình toán học của hệ thống

➢ Lựa chọn phương pháp giải mô hình toán học đã chọn

➢ Dự báo các chiều hướng vận động của hệ thống, xây dựng các phương án phát triển của hệ thống tùy theo các khả năng điều khiển

➢ Chọn phương án phát triển tối ưu theo các tiêu chuẩn đã được chất nhận

1.2.2 Mục đích quy hoạch phát triển hệ thống điện

Quy hoạch phát triển hệ thống điện để nhằm mục đích đảm bảo tối ưu nguồn năng lượng hữu ích cung cấp cho nhu cầu xã hội Xuất phát từ định hướng phát triển kinh tế -

xã hội của đất nước, các ngành trong nền kinh tế quốc dân xây dựng quy hoạch phát triển ngành Trên cơ sở đó có thể tính được nhu cầu năng lượng hữu ích Từ nhu cầu năng lượng hữu ích, có xét đến tổn thất năng lượng trong các khâu truyển tải, phân phối và biến đổi năng lượng, có thể giải bài toán tối ưu để tính được nhu cầu năng lượng cuối

cùng Đến đây lại căn cứ vào nhu cầu năng lượng cuối cùng, các loại tổn thất và khả năng cung ứng để giải bài toán tối ưu tìm để ra các nguồn năng lượng sơ cấp như thủy năng, năng lượng hạt nhân, dầu thô, khí thiên nhiên, than đá và các dạng năng lượng mới tái tạo cung cấp cho hệ thống điện (Mai Thị Thanh Thủy, 2011, Tr.3)

1.2.3 Nhiệm vụ của quy hoạch phát triển hệ thống điện

Quy hoạch Hệ thống Điện là một bộ phận quan trọng nhất trong Quy hoạch năng lượng Nhiệm vụ của Quy hoạch Hệ thống Điện là:

• Dự báo nhu cầu điện năng của Hệ thống cho tương lai có xét đến định hướng phát triển Kinh tế - xã hội của đất nước

• Xác định tỉ lệ tối ưu giữa các loại nguồn năng lượng sơ cấp: thủy năng, nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí tự nhiên), hạt nhân, các loại năng lượng mới và NLTT dùng để chuyển hóa thành điện năng trong từng giai đoạn tương lai

• Xác định khả năng xây dựng và điều kiện đưa vào hoạt động của các loại nhà máy điện khác nhau trong Hệ thống điện sao cho đạt được hiệu quả tối ưu

• Xây dựng những nguyên tắc cơ bản về phát triển hệ thống lưới điện truyền tải và phân phối

• Ước tính mức độ đầu tư cho các công trình và hoạt động điện lực, khả năng huy động vốn cho đầu tư điện lực

Hình 1.7 Nhiệm vụ quy hoạch hệ thống điẹn

Nguồn: Đinh Văn Bình, 2014, tr.14

1.2.4 Tình hình nghiên cứu quy hoạch hệ thống điện ở Lào trong thời gian qua

Năm 2015, tổng công ty điện lực Lào (EDL) đã nghiên cứu phát triển hệ thống điện

Lào trong giai đoạn 2016-2025 “EDL’s Power Development Plan 2016-2025” Bài

nghiên cứu được thực hiện quy hoạch bằng phương pháp thống kê và mô tả, nhưng do bài nghiên cứu này đã nghiên cứu lâu, số liệu quá lạc hậu không nhất quán với tình trạng hiện tại, phương pháp nghiên cứu chưa tối ưu được hệ thống điện, không đi theo hướng chính sách phát triển hệ thống điện xanh của Lào năm 2020 (đến năm 2025, tỉ trọng thủy điện chiếm 65%, nhiệt điện 30% và NLTT 5%)

Năm 2016, tổ chức Hệ thống năng lượng thông minh (IES) đã nghiên cứu phương

án cho sản xuất điện của các nước trong lưu vực Mekong “Alternatives for power generation in the greater Mekong sub-region” Bài nghiên cứu được thực hiện bằng

phương pháp tính toán, phân tích, so sánh và tổng hợp Nghiên cứu này đã đánh giá tiềm năng các nguồn NLTT ở Lào, xác định các công nghệ thích hợp, có quan tâm đến tối ưu

hệ thống bằng cách cực tiểu hóa tổng chi phí của hàm mục tiêu có thành phần gồm: chi phí đầu tư, chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành và bảo dưỡng, nhưng không có thành phần chi phí môi trường và kết quả quy hoạch nguồn điện chưa nhất quán theo hướng chính sách phát triển hệ thống điện xanh của Lào

Những nghiên cứu tính toán quy hoạch nguồn điện được thực hiện trong các quy hoạch điện đã đóng góp không nhỏ cho phát triển nguồn điện Lào trong thời gian qua Cụ thể, năm 2019 Quy hoạch điện IX được thực hiện qua giải bài toán quy hoạch bằng việc

sử dụng các mô hình quy hoạch LEAP và PDPAT Kết quả từ LEAP cho phép xác định được công suất tối ưu đưa vào hàng năm trong kỳ quy hoạch theo loại nhiên liệu sử dụng Việc tái mô phỏng tổ hợp nhiên liệu trong quá trình huy động các tổ máy phát điện được thực hiện bằng mô hình PDPAT, cho biết quá trình làm việc theo thời gian thực của các loại nhà máy điện, khi tham gia phủ biểu đồ phụ tải theo ngày, tuần, tháng điển hình và toàn bộ thời gian trong năm quy hoạch Tuy nhiên, với cơ cấu điện sản xuất từ kết quả nghiên cứu thì vẫn chưa đáp ứng được mục tiêu đề ra về phát triển nguồn điện từ NLTT trong chiến lược phát triển NLTT của Lào đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, chưa phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ sản xuất điện từ NLTT đang dần cạnh tranh với công nghệ sản xuất điện từ năng lượng truyền thống và với tiềm năng dồi dào của Lào cho nguồn NLTT

Cho đến nay Lào đã có một số nghiên cứu nhằm tính toán cân bằng cơ cấu các nguồn năng lượng nói chung và nguồn năng lượng cho sản xuất điện nói riêng Tuy nhiên,

do mục tiêu nghiên cứu khác nhau nên việc tính toán cụ thể cơ cấu cho từng nguồn điện

để đánh giá một cách đầy đủ vai trò của các nguồn năng lượng này trong hệ thống điện

và tác động về mặt kinh tế, môi trường của chúng trong sản xuất điện năng ở các nghiên cứu này chưa được quan tâm đầy đủ hay cụ thể

1.2.5 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Luận án của TS Trần Hồng Nguyên (2005) sử dụng mô hình MESSAGE để tính toán cơ cấu tối ưu các nguồn điện trong hai trường hợp không xét và có xét đến yếu tố môi trường Kết quả phân tích trong luận án cho thấy khi xét đến yếu tố môi trường, cơ cấu các nguồn điện thay đổi theo xu thế đẩy lùi các nhà máy điện than thay vào đó là các nhà máy thủy điện có chi phí môi trường rẻ hơn, rồi sau đó đến các nhà máy điện khí, đồng thời chi phí đầu tư và phát thải môi trường cũng giảm đi được đáng kể Tuy nhiên, trong phạm vi luận án, nguồn NLTT chưa được xem xét trong quá trình tính toán và phân tích

Nghiên cứu của Thirayu Pinthong ,Wongkot Wongsapai and Nattanee vorayos (2009) sử dụng mô hình MEAD và MESSAGE để tiến hành nghiên cứu dự báo nhu cầu

và cung cấp nguồn điện cho hệ thống điện của Thái Lan có xét đến ảnh hưởng môi trường đến đầu tư phát triển các nguồn điện trong giai đoạn năm 2005-2030 Thông qua việc xây dựng và phân tích 2 kịch bản, đó là kịch bản cơ sở và kịch bản xây nhà máy điện hạt nhân Kết quả phân tích trong nghiên cứu cho thấy kịch bản xây nhà máy điện hạt nhân có thể giảm được đáng kể lượng khí phát thải CO2 Tuy nhiên, đây chỉ là kết quả nhận được của các kịch bản sau khi đưa các dữ liệu đầu vào để mô hình MESSAGE tính toán chứ không phải là kết quả tối ưu cho toàn bộ hệ thống điện và nguồn NLTT khác cũng chưa được xem xét trong qua trình tính toán và phân tích

Nghiên cứu của Baraka Kichonge, Geoffrey R John, Iddi S N Mkilaha (2015) sử dụng mô hình MESSAGE để phân tích tính toán tối ưu và lựa chọn nguồn điện cho phát triển hệ thống điện của Tazania trong giai đoạn 2010-2040 Trong bài nghiên cứu đã xây dựng và phân tích 2 kịch bản, đó là kịch bản cơ sở tính toán lựa chọn tối ưu nguồn điện

để đáp ứng theo nhu cầu tăng trưởng của kinh tế-xã hội của Tanazia cho từng giai đoạn

và kịch bản lựa chọn nguồn điện từ NLTT cho phát triển hệ thống điện Kết quả tính toán

và phân tích trong nghiên cứu cho thấy kịch bản lựa chọn nguồn điện từ NLTT có thể giúp nước Tanazia tiết kiệm nguồn tài nguyên thiên nhiên như than đá và khí tự nhiên dự trữ trong nước và giảm phát thải CO2, nhưng cần phải có vốn đầu tư cho phát triển nguồn điện từ NLTT rất lớn Đây cũng là điều mà chính phủ Tanazia phải cân nhắc

1.3 Mô hình toán học để giải bái toán quy hoạch và mô hình áp dụng cho quy hoạch phát triển hệ thống điện

1.3.1 Khái niệm về bài toán quy hoạch

❖ Bài toán quy hoạch tổng quát

Bài toán quy hoạch tổng quát được phát biểu như sau:

Xác điện tập giá trị các biến : X = { xj } thỏa mãn:

Sao cho hàm f(X) = f(x1, x2, …., xn) min (max) (1-1) Đồng thời thỏa mãn các điều kiện gi(X) (≤;=;≥) bi (i = 1, 2,…, m) (1-2)

xjϵ X ⸦ Rn (j = 1, 2,…, n)

được gọi là 1 bài toán quy hoạch

Hàm f(X) gọi là hàm mục tiêu

Các hàm gi(X); (i = 1, 2,…, m) được gọi là các ràng buộc

Tập hợp D = { xjϵ X; gi(X)(≤;=;≥) bi} (i = 1…m, j = 1…n) gọi là miền ràng buộc Mỗi điểm X = { x1, x2,…,xn } ϵ D gọi là 1 phương án (PA)

Một PA có: X* ϵ D đạt cực đại hay cực tiểu của hàm mục tiêu

Cụ thể: f(X*) ≤ f(X) ƔX ϵ D (đối với bài toán min)

f(X*) ≥ f(X) ƔX ϵ D (đối với bài toán max)

được gọi là lời giải tối ưu

Khi đó giá trị f(X*) được gọi là giá trị tối ưu hóa của bài toán quy hoạch

❖ Phân loại bài toán quy hoạch

Một trong những phương phát giải bài toán được đặt ra là phương pháp duyệt toàn

bộ, tìm giá trị hàm mục tiêu của tất cả các phương án có thể trong miền ràng buộc Sau

đó so sánh các giá trị tính được của hàm mục tiêu f(X) để tìm ra giá trị tối ưu và phương

án tối ưu của bài toán quy hoạch Tuy nhiên cách giải quyết này khó có thể thực hiện được, ngay cả khi kích thước bài toán không lớn lắm (số biến n và số ràng buộc m là không lớn) bởi vì tập D thông thường gồm một số rất lớn các phần tử, trong nhiều trường hợp còn không đếm được

Vì vậy cần có những nghiên cứu lý thuyết để có thể tách bài toán tổng quát thành những bài toán có thể giải được Các nghiên cứu lý thuyết đó thường là nghiên cứu các tính chất của các thành phần bài toán (hàm mục tiêu, hàm ràng buộc, các biến số, các hệ số) Các điều kiện tồn tại lời giải chấp nhận được, các điều kiện cần và đủ của cực trị, tính chất của các đối tượng nghiên cứu

Các tính chất của các thành phần bài toán và đối tượng nghiên cứu giúp ta phân loại bài toán

Một bài toán quy hoạch được gọi là bài toán:

mục tiêu là những biểu thức tuyến tính Lúc đó bài toán có dạng:

Xác định tập giá trị X = {x1, x2,…, xn } sao cho hàm mục tiêu:

f(X) = ∑𝑛𝑗=1cj xj min (max) (1-3) Thỏa mãn các điều kiện:

gi(X) = ∑𝑛𝑖=1aij xj(≤, ≥, =) bi với I = 1 ÷ m (1-4) Trong đó: Xj là các ẩn; cj, aij, bi là các hệ số tự do

phụ thuộc tham số

hay các quá trình phát triển theo thời gian nói riêng Mô hình quy hoạch động thường được coi là công cụ tương đối vạn năng Để giải bài toán (1-1), (1-2) người

ta rời rạc hóa các giá trị của biến Thực chất của phương pháp này là liệt kê, lựa chọn có quy tắc tổ hợp giá trị (rời rạc) của các biến thỏa mãn (1-2) sao cho giá trị của hàm mục tiêu (1-1) đạt cực trị Mỗi tổ hợp của các biến thỏa mãn (1-2) còn được gọi là phương án chấp nhận được Đối với bài toán quy hoạch phát triển nguồn điện số phương án chấp nhận được thường rất lớn Do đó bước đầu tiên trước khi thực hiện liệt kê lựa chọn cần loại trừ bớt các phương án có thể là không khả thực, khi đó lại hạn chế nhiều đến tính tối ưu của lời giải Ngoài ra mô hình quy hoạch dộng đỏi hỏi những thuật toán phức tạp, công cụ tính toán hiện đại, và đặc biệt cần phải đưa vào một số lượng lớn các số liệu ban đầu

xác khi mô tả bài toán thì mô hình quy hoạch phi tuyến về nguyên tắc lại cho phép

mô phỏng bài toán quy hoạch phát triển nguồn điện chính xác hơn Nhưng theo mô hình này vấn đề tìm ra một phương pháp toán học để giải là một khó khăn Vì khi

mô tả đúng đắn hiện thực bài toán quy hoạch thì phải vượt lên những giả thuyết đơn giản hóa như chi phí sẽ không tuyến tính theo công suất, hàm tổn thất cũng là hàm phi tuyến… và khi đó mô hình toán học sẽ phức tạp và không có hiệu lực để nhận được lời giải

khi các biến chỉ nhận giá trị nguyên ta có quy hoạch nguyên Một trường hợp riêng

của quy hoạch nguyên là quy hoạch biến Boole, khi các biến số chỉ nhận giá trị 0 hay 1

thời các hàm mục tiêu khác nhau

Các phương pháp kể trên có nhược điểm như sau:

• Không đảm bảo được tính hội tụ chắc chắn Thông thường tính hội tụ đảm bảo được khi các giá trị đầu của lời giải lựa chọn được gắn với lời giải tối

1.3.2 Các mô hình áp dụng cho quy hoạch phát triển hệ thống điện

Hiện nay có rất nhiều mô hình được sử dụng trong quy hoạch nguồn điện Trong phạm vi đề tài, luận văn không mô tả tất cả các mô hình hiện có trên thế giới mà tập trung vào xem xét các mô hình đang được sử dụng nhiều và có khả năng áp dụng cho Lào, từ

đó đưa ra các nhận xét về khả năng cũng như hạn chế của việc sử dụng các mô hình quy hoạch nguồn điện trong điều kiện Lào và đề xuất mô hình tiêu biểu để tiến hành tính toán trong nghiên cứu của luận văn Các mô hình được đưa ra nghiên cứu bao gồm: LEAP, MARKAL, WASP và MESSAGE

❖ Mô hình LEAP

LEAP (Long-range Energy Alternatives Planning model) được xây dựng từ năm

1980 là mô hình được sử dụng cho việc lập kế hoạch năng lượng tổng thể dài hạn LEAP

có thể được sử dụng để tạo ra các mô hình của các hệ thống năng lượng cũng như hệ thống điện khác nhau, trong đó mỗi mô hình yêu cầu một cấu trúc dữ liệu riêng Mô hình

có phạm vi áp dụng rất rộng rãi, với nhiều tính năng như: phân tích chính sách năng lượng, chính sách môi trường, dự báo năng lượng, so sánh kịch bản phát triển và tính toán kịch bản tối ưu trong modul phát điện, nghiên cứu cân bằng cung cầu trong ngành năng luợng

có xem xét đến vấn đề môi trường LEAP cung cấp một bộ số liệu tổng thể của hệ thống năng lượng Tài trợ chính cho phát triển mô hình là các tổ chức: Swedish SIDA, German GTZ, Netherland (DGIS) và USAID Tóm tắt các đặc tính của LEAP khi tính toán tối ưu nguồn điện:

Mô hình toán học: Mô hình toán học của LEAP bao gồm hàm mục tiêu là cực tiểu

hóa tổng chi phí của hệ thống (chi phí đầu tư, chi phí vận hành bảo dưỡng cố dịnh và biến đổi, chi phí nhiên liệu, chi phí môi trường và thu hồi giá trị thanh lý) được quy dẫn về thời điểm ban đầu của thời kỳ quy hoạch và các điều kiện ràng buộc như: ràng buộc về nhu cầu điện năng của hệ thống, ràng buộc về tổng công suất của hệ thống, ràng buộc về năng lực của nhà máy, ràng buộc về nhiên liệu, ràng buộc về phát thải môi trường (ngoài ra người sử dụng có thể tự xác lập thêm các ràng buộc khác cho phù hợp với mục tiêu nghiên cứu và điều kiện phát triển)

Thuật toán: Mô hình sử dụng phương pháp quy hoạch tuyến tính

Phần mềm: Giao diện của LEAP được thể hiện như hình dưới đây:

Hình 1.8 Giao diện mô hình LEAP Nguồn: LEAP model user manual

Một số ưu nhược điểm của mô hình LEAP:

• Ưu điểm:

- Tính linh hoạt: Có thể thay đổi dữ liệu đầu vào linh hoạt để tính toán nhiều phương

án Có thể tính toán tiêu thụ, sản xuất và khai thác tài nguyên năng lượng ở tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế và có thể sử dụng trong lĩnh vực năng lượng và phi năng lượng có nguồn phát thải KNK ở quy mô khu vực, quốc gia hay toàn cầu; Kết quả tính toán có thể xác định được cơ cấu các nguồn năng lượng tham gia, mức độ phát thải KNK, các chất ô nhiễm không khí cho cả địa phương và khu vực, cho từng năm hay từng giai đoạn phát triển

- Tính minh bạch, chi tiết: Có thể tính toán chi tiết các quá trình cung cầu năng lượng, các công nghệ năng lượng được sử dụng LEAP bao gồm cả TED là cơ sở dữ liệu

về công nghệ và môi trường của hơn 104 quốc gia (dữ liệu liên quan đến cân bằng năng lượng trong quá khứ, yếu tố khí thải, dân số và dự báo kinh tế, nguồn năng lượng ), cung cấp thông tin định lượng về đặc tính kỹ thuật, chi phí và tác động môi trường của một loạt các công nghệ năng lượng cũng như thông tin chất lượng liên quan đến sự sẵn có, hiệu quả chi phí và các vấn đề môi trường quan trọng của công nghệ năng lượng Cơ sở dữ liệu này cung cấp cho các nhà phân tích ở các nước đang phát triển một thư viện dữ liệu đầy đủ và cập nhật, nơi mà cấu trúc dữ liệu chất lượng còn yếu và thiếu LEAP có một diễn đàn thảo luận, nơi người dùng

có thể nhận được thông tin phản hồi về các vấn đề họ đưa ra khi sử dụng nên mô hình thường xuyên được cập nhật

- Tính phổ biến: Đối tượng sử dụng LEAP bao gồm các cơ quan chính phủ, các viện nghiên cứu, các tổ chức phi chính phủ, các công ty tư vấn, và các dịch vụ về năng lượng LEAP đã được sử dụng ở các quy mô khác nhau từ các thành phố và tiểu bang, ứng dụng quốc gia, khu vực và toàn cầu Do vậy LEAP nhanh chóng trở thành mô hình chuẩn cho các nước thực hiện lập quy hoạch tổng thể các nguồn tài nguyên và đánh giá giảm thiểu KNK, đặc biệt là trong khu vực các nước đang phát triển Hiện nay đã có hơn 85 quốc gia chọn dùng LEAP như một phần trong cam kết với Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu (UNFCCC)

- Dễ sử dụng: LEAP rất dễ sử dụng, yêu cầu kỹ năng không cao và đặc biệt được miễn phí bản quyền cho các đối tượng sử dụng là các nhà nghiên cứu hay sinh viên

tế với mô đun phân tích về kinh tế vĩ mô (MARKAL- MACRO) Đây là một mô hình quy hoạch năng lượng tổng thể được đánh giá là mạnh trong phân tích tác động môi trường

và các chính sách năng lượng Các đặc tính của mô hình:

Mô hình toán học: Mô hình toán học của MARKAL bao gồm một hàm mục tiêu là

cực tiểu giá trị hiện tại hóa tổng chi phí hệ thống trong thời kỳ quy hoạch và các điều kiện ràng buộc dạng tuyến tính Các thành phần chi phí của hàm mục tiêu đó là: Chi phí đầu

tư, chi phí vận hành cố định, chi phí vận hành biến đổi, chi phí vận chuyển, chi phí khai thác, chi phí cho xuất nhập khẩu và tổn thất phúc lợi xã hội Các điều kiện ràng buộc trong mô hình MARKAL như: ràng buộc về thỏa mãn nhu cầu, ràng buộc về dịch chuyển

và sử dụng công suất, ràng buộc về cân bằng năng lượng, ràng buộc về dự trữ và ràng buộc về phụ tải Ngoài ra người sử dụng có thể thêm các ràng buộc khác để thể hiện các điều kiện thực tế khác nhau cho phù hợp với điều kiện phát triển của thị trường năng lượng

Thuật toán: Mô hình sử dụng phương pháp quy hoạch tuyến tính

Phần mềm: MARKAL bao gồm nhiều mô-đun có chức năng chuyên biệt, được sử

dụng để so sánh, đánh giá các kịch bản phát triển và tối ưu với chi phí tối thiểu MARKAL được nhiều tổ chức nghiên cứu và phát triển với các phần mềm khác nhau, trong đó phần mềm được đánh giá phổ biến và thân thiện nhất là ANSWER Phần mềm ANSWER chạy trong môi trường Window được ABARE (Australian Bureau for Agricultural and Resource Economics) sử dụng MS Visual Basic V4, MS Access V7, MS Excel V7 và GAMS (General Algebraic Modeling System) để viết Phần mềm được sử dụng để giải quyết mục tiêu này là GAMS, có hai phiên bản chạy tối ưu là MINOS và OSL

Hình 1.9 Sơ đồ khối của MARKAL Nguồn: TS Trần Hồng Nguyên, 2006, “Đầu tư phát triển hệ thống điện có xét đến yếu tố môi

trường”

Một số ưu nhược điểm của mô hình MARKAL:

• Ưu điểm:

- MARKALlà một mô hình quy hoạch năng lượng tổng thể mạnh trong phân tích tác động môi trường và các chính sách năng lượng khi cơ sở dữ liệu về hệ thống năng lượng đầy đủ, chi tiết và có độ tin cậy cao

• Hạn chế:

- Việc xây dựng các hàm ràng buộc trong mô hình tương đối phức tạp và đòi hỏi dữ liệu chi tiết, đầy đủ, người sử dụng phải có kỹ năng cao Khi các dữ liệu đầu vào không đủ hoặc không chi tiết, thiếu chính xác khiến kết quả tính toán có thể bị sai lệch

❖ Mô hình WASP

Mô hình WASP (Wiena Automatic System Planning) là một modul trong bộ mô hình phân tích năng lượng - điện lực ENPEP sử dụng để quy hoạch tối ưu phát triển nguồn điện do cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA phối hợp cùng một số viện nghiên cứu của Mỹ xây dựng và phát triển Mô hình WASP-I lần đầu tiên được đưa ra áp dụng trong nghiên cứu tổng quan phát triển năng lượng hạt nhân ở các nước đang phát triển vào năm 1972-1973 Mô hình WASP liên tục được cải tiến và phát triển thành các phiên bản mới hơn như WASP-II, WASP-III, WASP-IV Đây là một mô hình thông dụng, được

sử dụng rộng rãi ở trên 70 quốc gia và tổ chức quốc tế cho mục đích tối ưu hóa phát triển nguồn điện Các đặc tính của Mô hình:

Mô hình toán học: bao gồm một hàm mục tiêu là cực tiểu hóa tổng chi phí hệ thống

khi quy dẫn về đầu thời kỳ quy hoạch sao cho đáp ứng nhu cầu điện đã dự báo trước và thỏa mãn các điều kiện ràng buộc đặt ra và các ràng buộc Thành phần chi phí của hàm mục tiêu đó là: Chi phí đầu tư, chi phí vận hành và bảo dưỡng (không tính chi phí nhiên liệu), chi phí nhiên liệu, chi phí bảo quản và dự trữ nhiên liệu, chi phí năng lượng không đáp ứng và thu hồi giá trị còn lại Các ràng buộc trong mô hình WASP như: ràng buộc về cân bằng cung cầu năng lượng, ràng buộc về tổng công suất của hệ thống, ràng buộc về năng lực của thiết bị, ràng buộc về dự trữ biên, ràng buộc về xác suất mất tải

Thuật toán: Mô hình sử dụng phương pháp quy hoạch động Bellman

Phần mềm: Cấu trúc của WASP gồm 7 module trong đó 3 module có thể chạy độc lập

Các module tiếp theo phải chạy theo một thứ tự bắt buộc Mỗi module sau khi chạy đều

có thể in ra báo cáo, tạo thuận lợi cho việc phân tích kết quả trung gian và chạy tiếp các module sau

Nguồn: International Atomic Energy Agency (1998), Wien Automatic System Planning (WASP)

Package, Vienna, Austria

Một số ưu nhược điểm của mô hình WASP:

• Ưu điểm:

- WASP là mô hình hiện đại sử dụng phương pháp quy hoạch động Bellman để giải bài toán quy hoạch hệ thống điện, đặc biệt dùng để khảo sát sự phát triển điện hạt nhân

- Các nghiên cứu sử dụng mô hình WASP còn chưa chú ý đầy đủ về các dạng NLTT

Hình 1.10 Sơ đồ khối của WASP

❖ Mô hình MESSAGE

MESSAGE (Model for Energy supply strategy Alternatives and their General Environmental Impacts) là mô hình cho phép tuỳ chọn biến nguyên và thực dựa trên cực tiểu chi phí hệ thống để tối ưu phát triển hệ thống năng lượng tổng thể (và cả tối ưu các nguồn điện) cho thời gian trung hạn hoặc dài hạn Đầu tiên mô hình này do Viện phân tích các hệ thống ứng dụng quốc tế (IIASA) phát triển Dựa trên phiên bản mới nhất của

mô hình, Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đã mở rộng, nâng cấp và tạo ra các giao diện với người sử dụng

Mô hình mô tả chi tiết cấu trúc ngành năng lượng, bao gồm nhu cầu năng lượng, nguồn cung và phát thải trong các kịch bản phát triển được xác định Mục tiêu cơ bản của

mô hình MESSAGE là tìm và đánh giá các chiến lược cung cấp năng lượng tối ưu nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng cuối cùng và nhu cầu điện đã dự báo trước với chi phí nhỏ nhất và thỏa mãn các điều kiện ràng buộc của người sử dụng như: công nghệ, khả năng đáp ứng nhiên liệu, các quy định về phát thải môi trường và các ràng buộc khác có liên quan

MESSAGE đã được triển khai sử dụng ở nhiều nước trên thế giới, từ đó đến nay đã

có khá nhiều nghiên cứu sử dụng mô hình này để mô phỏng hệ thống cung cầu năng lượng nhằm định hướng phát triển hệ thống năng lượng Riêng ở Lào, đầu năm 2018 do Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) hỗ trợ đào tạo việc sử dụng mô hình MESSAGE cho cán bộ, chuyên viên của Bộ năng lượng và mỏ của Lào

Các đặc tính của mô hình:

Mô hình toán học: Mô hình toán học của MESSAGE bao gồm hàm mục tiêu là cực

tiểu hóa tổng chi phí hệ thống (chi phí đầu tư, chi phí vận hành bảo dưỡng, chi phí nhiên liệu và chi phí môi trường) được quy dẫn về thời điểm ban đầu của thời kỳ quy hoạch và các điều kiện ràng buộc như: ràng buộc về thỏa mãn nhu cầu, ràng buộc về công suất, ràng buộc về nhiên liệu, ràng buộc về phát thải môi trường (ngoài ra người sử dụng có thể tự xác lập thêm các ràng buộc khác cho phù hợp với mục tiêu nghiên cứu và điều kiện phát triển)

Thuật toán: Mô hình sử dụng phương pháp quy hoạch tuyến tính và quy hoạch

nguyên

Phần mềm: Sơ đồ phân tích tổng quan khi tính toán tối ưu trong MESSAGE

Nguồn: MESSAGE model user manual, IAEA 2007

➢ Giao diện của MESSAGE được thể hiện như hình dưới đây:

Nguồn: MESSAGE model user manual, IAEA 2007

❖ Một số ưu nhược điểm của mô hình MESSAGE:

• Ưu điểm:

- Mô hình MESSAGE là một công cụ phân tích mạnh, linh hoạt trong khi sử dụng

do chỉ cố định thuật toán tối ưu dựa trên chi phí tối thiểu, còn các ràng buộc về công nghệ, vốn đầu tư, môi trường là do người sử dụng tự thiết lập

• Hạn chế:

- Việc xây dựng các phân nhóm thông số đòi hỏi lượng dữ liệu chi tiết, lớn, yêu cầu

kĩ năng cao

Hình 1.11 Sơ đồ phân tích tổng quan khi tính toán tối ưu trong MESSAGE

Hình 1.12 Giao diện của MESSAGE

1.4 So sánh, đánh giá và lựa chọn Mô hình

Cho tới nay trên thế giới có rất nhiều mô hình đang được sử dụng nhằm tính toán quy hoạch tối ưu phát triển hệ thống năng lượng, hệ thống điện Để xem xét, lựa chọn ra một mô hình phù hợp với điều kiện thiếu thông tin, dữ liệu trong ngành năng lượng như nước ta; đồng thời có khả năng nghiên cứu vai trò của NLTT trong hệ thống điện quốc gia là một vấn đề được đặt ra

Mỗi mô hình được phát triển cho một mục đích cụ thể và do đó sẽ có những điểm

mạnh và điểm yếu riêng khi vận dụng cho các nước đang phát triển Đặc biệt, tỷ trọng hay vai trò cụ thể của nguồn NLTT trong hệ thống năng lượng qua các tài liệu nghiên cứu khi sử dụng các mô hình nghiên cứu trên ở Lào còn chưa được chú ý đúng mức, chưa được xem xét đầy đủ, do mới chỉ tập hợp chung trong một biến tổng hợp chứ không cụ thể cho từng nguồn NLTT Do vậy cần phải so sánh các mô hình để lựa chọn ra một mô hình phù hợp với mục tiêu nghiên cứu của đề tài Những đặc điểm của các mô hình này được tổng hợp trong bảng 1.3 dưới đây

Từ bảng tổng hợp có thể thấy, các mô hình đều sử dụng phương pháp mô hình toán kinh tế cho hệ thống năng lượng hay hệ thống điện, bài toán quy hoạch tuyến tính hay quy hoạch động với hàm mục tiêu là tối thiểu hàm tổng chi phí hệ thống trong thời gian quy hoạch khi quy dẫn về đầu thời kỳ quy hoạch Kết quả cho ra các phương án tối ưu theo từng tập số liệu ban đầu được chọn

Việc lựa chọn mô hình tính toán dựa trên một số tiêu chí sau:

- Mô hình toán học và phần mềm có tính năng tính toán tối ưu

- Dễ sử dụng, có nhiều tài liệu hướng dẫn; có thể sử dụng linh hoạt, số liệu đầu vào

có thể mở rộng và có thể thay đổi dễ dàng

- Mô hình cho phép khảo sát chi tiết về các nguồn NLTT

- Có thể tính toán mức phát thải khí nhà kính

Bảng 1.3 Bảng tổng hợp đặc điểm và tính năng của các mô hình

Mục đích

Quy hoạch tối

ưu nguồn điện, Phân tích cân bằng

NL

Quy hoạch tối

ưu hệ thống năng lượng

Quy hoạch tối

ưu nguồn điện

Quy hoạch tối

ưu hệ thống năng lượng

Phương pháp Quy hoạch

tuyến tính

Quy hoạch tuyến tính

Quy hoạch động

Quy hoạch hỗn hợp

Nhiều (phải mua) Chi tiết

Yêu cầu kỹ

Khảo sát môi

Nguồn: IAEA document (1993) Wasp III user manual

LEAP model user manual

MESSAGE model user manual, IAEA (2007)

Mô hình MESSAGE mô tả chi tiết cấu trúc ngành điện, bao gồm nhu cầu điện, nguồn cung và phát thải trong các kịch bản phát triển được xác định Mục tiêu cơ bản của

mô hình MESSAGE là tìm và đánh giá các chiến lược cung cấp nguồn điện tối ưu nhằm đáp ứng nhu cầu điện cuối cùng và nhu cầu điện đã dự báo trước với chi phí nhỏ nhất và thỏa mãn các điều kiện ràng buộc của người sử dụng như: công nghệ, khả năng đáp ứng nhiên liệu, các quy định về phát thải môi trường và các ràng buộc khác có liên quan

Mô hình MESSAGE là mô hình tính toán cân bằng cung - cầu năng lượng nói chung

và hệ thống điện nói riêng, phân tích và so sánh kịch bản vừa tính toán tối ưu trong công tác quy hoạch hệ thống điện vùng, quốc gia, đa quốc gia Qua thực tế, sử dụng MESSAGE khá linh hoạt, dễ sử dụng có nhiều tài liệu hướng dẫn, số liệu đầu vào có thể mở rộng và

có thể thay đổi dễ dàng

Mô hình MESSAGE đã tích hợp đầy đủ các tính năng cần thiết trong công tác quy hoạch phát triển hệ thống điện và quy hoạch nguồn điện Với những tính năng ưu việt trên, mô hình MESSAGE đã được lựa chọn cho nghiên cứu của luận văn để tính toán xác định cơ cấu nguồn điện từ NLTT trong quy hoạch nguồn điện Lào trong tương lai

Tiểu kết chương 1

Trong chương 1 này, Luận văn đã Tổng quan về khái niệm, đặc điểm, vai trò của NLTT; Tổng quan tình hình và xu hướng sử dụng NLTT trên thế giới; tình hình nghiên cứu có liên quan Đặc điểm của nguồn NLTT đó là nguồn năng lượng sạch có tiềm năng lớn, cung cấp nhiều lợi ích cho nền kinh tế, giúp tăng sự đa dạng trong cung cấp nguồn điện, từ đó làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và cải thiện an ninh năng lượng Đồng thời, NLTT giúp cho việc sử dụng các nguồn tài nguyên bản địa để cung cấp các nguồn điện hiệu quả cho nền kinh tế và giảm điện nhập khẩu, góp phần giảm phát thải khí nhà kính (KNK) Nghiên cứu tổng quan về khái niệm, mục đích, nhiệm vụ và tình hình về quy hoạch hê thộng điện, giới thiệu các mô hình phụ vục cho việc quy hoạch hệ thông điẹn Từ đó đánh giá các đặc điểm của các mô hình để lựa chọn mô hình phù hợp cho nghiên cứu

Ở Lào trước đây đã có một số nghiên cứu nhằm tính toán cân bằng cơ cấu các nguồn năng lượng nói chung và nguồn năng lượng cho sản xuất điện nói riêng Tuy nhiên, do mục tiêu nghiên cứu khác nhau nên việc tính toán cụ thể cơ cấu cho từng nguồn điện để đánh giá một cách đầy đủ vai trò của các nguồn điện này trong hệ thống và tác động về mặt kinh tế, môi trường của chúng trong sản xuất điện năng ở các nghiên cứu chưa được quan tâm đầy đủ Cụ thể là chưa đáp ứng được mục tiêu đề ra về phát triển nguồn điện từ NLTT trong chiến lược phát triển NLTT của Lào đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, chưa phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ sản xuất điện từ NLTT đang dần cạnh tranh với công nghệ sản xuất điện từ năng lượng truyền thống và với tiềm năng dồi dào của Lào cho nguồn NLTT

Chính vì vậy, luận văn đã nghiên cứu các mô hình cho việc so sánh, đánh giá các đặc điểm của các mô hình và lựa chọn mô hình MESSAGE để xây dựng được một mô hình quy hoạch nguồn điện phù hợp với điều kiện số liệu thống kê và xu thế phát triển hệ thống điện theo chính sách của Chính phủ Lào, xu thế phát triển của khu vực và thế giới

Chương 2 Giới thiệu thực trạng về hệ thống điện Lào và xây dựng mô hình lựa chọn các nguồn năng lượng tái tạo cho

phát triển hệ thống điện của CHDCND Lào 2.1 Giới thiệu tổng quan mô hình MESSAGE

2.1.1 Nhiệm vụ của mô hình MESSAGE

MESSAGE (Model for Energy Supply Strategy Alternatives and their General Environmental impacts) là mô hình tối ưu hệ thống năng lượng, hệ thống điện (từ cung cấp đến sử dụng) Ban đầu, mô hình được Viện Phân tích các hệ thống ứng dụng quốc tế (IIASA) phát triển Dựa trên phiên bản mới nhất của mô hình, Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đã mở rộng, nâng cấp và tạo các giao diện với người sử dụng

MESSAGE được thiết kế để xây dựng và đánh giá các chiến lược cung cấp nguồn điện khác nhau với các ràng buộc do người sử dụng xác lập, ví dụ: giới hạn về đầu tư, khả năng sẵn có của nhiên liệu và thương mại, các hạn chế về môi trường và tiềm năng của các công nghệ mới Khi xét đến các ràng buộc về môi trường, mô hình có thể tính toán lượng phát thải của các công nghệ ở các mức của dòng năng lượng Qua đó, ta có thể thấy tác động của chính sách năng lượng và môi trường đối với việc phát triển hệ thống điện

2.1.2 Nguyên tắc cơ bản của của mô hình MESSAGE

Nguyên tắc cơ bản của mô hình là tối ưu một hàm mục tiêu dựa trên các ràng buộc, xác định các nghiệm có thể có của bài toán Giá trị hàm mục tiêu được dùng để lựa chọn lời giải tốt nhất theo các tiêu chuẩn được xác định trước Theo cách phân loại tổng quát thì MESSAGE thuộc loại mô hình quy hoạch nguyên hỗn hợp do trong mô hình này, người ta có thể chọn một số biến nguyên Tất cả các quan hệ tạo nên cấu trúc của mô hình được cho dưới dạng các ràng buộc tuyến tính giữa các biến liên tục (chi tiết xem Phụ lục 2.1) Có thể tóm tắt nguyên tắc của mô hình MESSAGE như sau:

Hàm mục tiêu

Hàm mục tiêu của mô hình MESSAGE có dạng tổng quát sau:

∑(c′ ∗ X) → min Trong đó:

➢ c′ : Hệ số chi phí hàm mục tiêu

➢ X : Biến số cần tìm của hàm mục tiêu

Các điều kiện ràng buộc của mô hình

➢ ηi,t : Hiệu suất quá trình sản xuất năng lượng i tại năm t

➢ Xi,t : Sản lượng năng lượng i tại năm t

➢ Xk,t : Tiêu dùng năng lượng của ngành k tại năm t

- Ràng buộc về nhu cầu:

∑ Sản xuất ≥ ∑ Nhu cầu ↔ ∑(ηi,t∗ Xi,t)

i=n

i=1

≥ Di,t

Trong đó: Di,t là nhu cầu của năng lượng i tại năm t

- Ràng buộc về công suất:

➢ Y0 : Công suất công nghệ xem xét tại năm 0

➢ yt : Công suất công nghệ xem xét tại năm t

➢ π0 : Hệ số sử dụng công suất công nghệ xem xét tại năm 0

➢ πt : Hệ số sử dụng công suất công nghệ xem xét tại năm t

➢ ηT : Hiệu suất của công nghệ xem xét tại năm T

➢ XT : Tiêu dùng nhiên liệu của công nghệ xem xét tại năm T

- Ràng buộc về đầu tư:

➢ ci,t : Suất chi phí đầu tư cho công nghệ i ở năm t

➢ 𝑦𝑖,𝑡 : Công suất của công nghệ mới i ở năm t