Điện mặt trời và pin có thể cung cấp điện cho toàn thế giới

 (nworbmot.org)
3 điểm bởi GN⁺ 17 ngày trước | 1 bình luận | Chia sẻ qua WhatsApp
  • Chi phí đã giảm đến mức phần lớn dân số thế giới có thể được cung cấp điện giá rẻ chỉ bằng tổ hợp điện mặt trời và pin
  • Đến năm 2030, 80% dân số có thể đạt mức dưới 80 €/MWh, và đến năm 2050, 86% có thể đạt mức dưới 60 €/MWh để tự chủ 90% điện năng
  • Các khu vực vĩ độ cao có chi phí dự phòng lớn do thiếu ánh nắng mùa đông, nhưng có thể giảm bớt nhờ bổ sung điện gió và thủy điện
  • 90% dân số toàn cầu sống trong phạm vi ±45 độ quanh xích đạo, nơi hiệu suất điện mặt trời cao và cũng có thể tối thiểu hóa chi phí lưới truyền tải
  • Hệ thống điện mặt trời + pin được đánh giá là công nghệ cốt lõi cho tự chủ điện sạch mà không cần nhiên liệu hóa thạch

Khả năng cung cấp điện cho thế giới bằng điện mặt trời và pin

  • Chi phí điện mặt trời và pin giảm giúp phần lớn dân số có thể tiếp cận điện với giá rẻ
    • Tính đến năm 2030, nếu cung cấp 90% điện bằng tổ hợp điện mặt trời + pin, thì 80% dân số có thể có điện với chi phí dưới 80 €/MWh
    • Nếu bổ sung các nguồn năng lượng hỗ trợ như gió và thủy điện, chi phí còn có thể thấp hơn nữa
  • Các khu vực vĩ độ cao có chi phí dự phòng lớn do thiếu ánh nắng vào mùa đông, nhưng có thể được giảm bớt nhờ điện gió và thủy điện
  • Đến năm 2050, 86% dân số có thể được cung cấp 90% điện với chi phí dưới 60 €/MWh
  • Trong phần lớn khu vực, hệ thống điện mặt trời + pin có thể trở thành công nghệ chủ lực cho nguồn điện sạch và giá rẻ

Kết luận chính

  • Điện mặt trời và pin có thể trở thành phương thức chủ lực để cung cấp điện ở phần lớn các khu vực trên thế giới
  • Ở những nơi có đủ không gian, có thể sản xuất điện trực tiếp gần nơi tiêu thụ, từ đó giảm thiểu chi phí lưới truyền tải
  • Các khu vực phía bắc ở vĩ độ cao cần được bổ sung bằng điện gió và thủy điện do biến động theo mùa
  • 5–10% điện năng cuối cùng trong ngắn hạn có thể do nhiên liệu hóa thạch đảm nhiệm, còn về dài hạn có thể được thay thế bằng công nghệ lưu trữ dài hạn hoặc nhiên liệu sinh học điện tử (e-biofuel)

Chi tiết kỹ thuật

  • Mô hình dựa trên model.energy và không bao gồm lưu trữ hydro
  • Chi phí lắp đặt điện mặt trời: 384 €/kWp vào năm 2030, 293 €/kWp vào năm 2050
  • Chi phí lắp đặt pin lithium-ion: 157 €/kWh vào năm 2030, 83 €/kWh vào năm 2050
  • Chi phí inverter: 177 €/kW vào năm 2030, 66 €/kW vào năm 2050
  • Hiệu suất pin 96%, chi phí vốn 5%, hiệu suất máy phát dự phòng 50%
  • Chi phí nhiên liệu dự phòng 30 €/MWhth, chi phí thiết bị dự phòng 1000 €/kWel
  • Chi phí đóng góp của nguồn dự phòng ở mức (11.5 + 0.6x) €/MWh tùy theo tỷ lệ dự phòng x%
  • Tính toán được thực hiện trên 9196 ô lưới 1°×1° có dân số từ 10.000 người trở lên, bao phủ 99,86% dân số toàn cầu
  • 90% dân số sống trong phạm vi 45 độ tính từ xích đạo, nơi điện mặt trời có hiệu suất cao

Cảnh báo và giới hạn

  • Không phản ánh biến động nhu cầu: mô hình giả định nhu cầu điện ổn định quanh năm
    • Nhu cầu làm mát phù hợp tốt với điện mặt trời, nhưng nhu cầu sưởi ấm có thể thiếu hụt vào mùa đông
  • Độ nhạy với chi phí pin cao: nếu tiếp tục giảm, tổng chi phí hệ thống sẽ giảm thêm
  • Khi phân bố dân số thay đổi, nếu dân số ở vĩ độ thấp tăng lên thì tỷ trọng khu vực chi phí thấp được dự báo cũng tăng
  • Nhu cầu điện và dân số không hoàn toàn trùng khớp: các ngành tiêu thụ điện lớn như trung tâm dữ liệu có thể dịch chuyển đến khu vực chi phí thấp
  • Điều chỉnh phụ tải và kết nối liên vùng có thể tiếp tục giúp giảm chi phí
  • Chi phí lưới truyền tải chỉ phản ánh ở mức 50 €/kW, nên có khác biệt theo từng khu vực
  • Góc cố định của tấm pin là 35 độ; nếu áp dụng hệ thống theo dõi trục, chi phí có thể giảm thêm
  • Hệ thống dân dụng quy mô nhỏ có chi phí cao gấp 2–3 lần so với hệ thống quy mô lớn
  • Hạn chế đất đai: ở các khu vực dân cư dày đặc, khó cung cấp điện từ khu vực lân cận ngay gần, nên cần truyền tải từ vùng kế cận
  • Dữ liệu bức xạ mặt trời sử dụng bộ dữ liệu tái phân tích ECMWF ERA5, nên có thể có sai số nhất định
  • Đơn vị chi phí dựa trên euro năm 2020; quy đổi sang năm 2026 thì tăng khoảng 20–25%
  • Chi phí nhiên liệu dự phòng 30 €/MWhth dựa trên khí hóa thạch và không bao gồm chi phí ngoại biên như thiệt hại khí hậu
    • Nếu áp dụng chi phí xã hội của carbon 300 €/tCO₂, sẽ cộng thêm 60 €/MWhth
    • Do cuộc tấn công của Mỹ và Israel vào Iran năm 2026, giá khí đốt đã tăng lên 50–60 €/MWhth
  • Chi phí vốn (WACC) khác nhau tùy khu vực, và ở những nơi như châu Phi có thể cao hơn

Mã nguồn và dữ liệu công khai

Sử dụng đất và tài nguyên

  • Nếu 8 tỷ người trên thế giới tiêu thụ 10 MWh điện/người/năm, thì tổng nhu cầu là 80.000 TWh
  • Để cung cấp 90% bằng điện mặt trời + pin, đến năm 2050 sẽ cần 69 TWp điện mặt trời và 72 TWh pin
  • 70 TWp điện mặt trời sẽ chiếm 1.400.000 km² (khoảng 1% diện tích đất liền của Trái Đất), tương đương 3,7% diện tích đất chăn nuôi
  • Ở các khu vực đông đúc, thiếu đất nên cần truyền tải điện từ vùng lân cận
  • Năng lực sản xuất điện mặt trời đã vượt 1 TWp/năm, phần lớn tập trung ở Trung Quốc
  • Năng lực sản xuất pin lithium-ion được dự báo đạt 7 TWh/năm vào năm 2030 (IEA, 2023)
  • Sản lượng khai thác khoáng sản cho năng lượng tái tạo thấp hơn rất nhiều so với nhiên liệu hóa thạch
  • Silicon rất dồi dào, mức sử dụng bạc đã giảm 7 lần trong giai đoạn 2005–2020, và có thể thay thế bằng đồng hoặc nhôm

  • Công nghệ thay thế vật liệu pin

    • Cobalt → lithium sắt phốt phát (LFP)
    • Graphite → thay thế một phần bằng silicon
    • Pin sodium-ion đầy hứa hẹn cho lưu trữ cố định

Kết quả bổ sung

  • Mật độ dân số và chi phí hệ thống

    • Phần lớn dân số sống trong phạm vi ±45 độ quanh xích đạo, và tại khu vực này có thể duy trì chi phí thấp chỉ với điện mặt trời + pin
    • Ở các khu vực trên 45 độ vĩ độ, việc bổ sung điện gió giúp giảm chi phí đáng kể

  • Kịch bản pin giá rẻ năm 2050

    • Giả định cơ bản là 83 €/kWh, nhưng nếu áp dụng pin sodium-ion thì có thể đạt 29–52 €/kWh
    • Theo đó, tổng chi phí hệ thống được kỳ vọng sẽ tiếp tục giảm thêm

  • Thay đổi chi phí khi loại bỏ điện gió

    • Theo mốc năm 2030, loại bỏ điện gió sẽ làm tăng chi phí hệ thống, đặc biệt rõ rệt ở các khu vực phía bắc vĩ độ cao

  • Bản đồ theo kịch bản và chi phí tích lũy

    • Cung cấp bản đồ cho các kịch bản chỉ điện mặt trời và điện mặt trời + điện gió vào các năm 2030 và 2050
    • Đồng thời bao gồm so sánh chi phí tích lũy của các kịch bản 90% điện mặt trời - pin năm 2050 và 99% điện mặt trời - gió - pin (pin giá rẻ)
    • Tóm tắt:
    • Nhờ chi phí điện mặt trời và pin giảm nhanh, từ sau năm 2030, phần lớn dân số thế giới có thể được cung cấp điện sạch với chi phí thấp bằng tổ hợp này. Các khu vực vĩ độ cao cần được bổ sung bằng điện gió và thủy điện, nhưng nhìn chung khả năng chuyển sang một cấu trúc tự chủ điện không phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đã được xác nhận.

Bài viết liên quan

1 bình luận

 
GN⁺ 17 ngày trước
Ý kiến trên Hacker News

  • Một sự thật thú vị là hiện nay có khoảng 12 triệu hecta đất đang được dùng để sản xuất ethanol từ ngô
    Và ethanol đó rốt cuộc lại được dùng để sản xuất xăng. Kết luận thì mỗi người tự suy ngẫm
    Bài liên quan

    • Video của Technology Connections về chủ đề này thực sự rất hay
      Nếu phủ toàn bộ diện tích đó bằng tấm pin mặt trời, có thể tạo ra lượng điện vượt xa nhu cầu năng lượng hiện tại của Mỹ
      Việc cố bám vào các nguồn năng lượng đòi hỏi khai thác tài nguyên liên tục là điều ngớ ngẩn. Chỉ cần đầu tư tài nguyên ban đầu là có thể có năng lượng mặt trời + pin ổn định trong nhiều thập kỷ
      Khi vòng lặp tái chế hoàn thiện, nhu cầu khai thác tài nguyên trong tương lai cũng có thể được giảm xuống mức tối thiểu
      Trước khi tranh luận, hãy xem video này: video
    • Tôi không hiểu 1% diện tích trồng ngô thì liên quan gì đến điện mặt trời
      Điện mặt trời không cần phải lắp trên đất canh tác. Ngô ngoài ethanol còn cung cấp protein, chất béo và chất xơ làm thức ăn chăn nuôi
      Chính phủ coi trọng an ninh lương thực, nên chuyển phần lương thực dư thừa thành ethanol hiệu quả hơn là lưu kho
      Trong tình huống khẩn cấp, vẫn có thể sản xuất lương thực mà không cần tháo dỡ các tấm pin mặt trời. Tức là đang nhầm lẫn giữa vấn đề điện mặt trời và ethanol
    • Cá nhân tôi muốn dùng phần đất đó cho sản xuất lương thực, còn mọi người thì lắp điện mặt trời áp mái
    • Thật buồn cười là chúng ta đã tạo ra được hệ thống nhiên liệu trung hòa carbon, vậy mà lại chỉ dùng nó dưới dạng nhiên liệu pha 15%
      Nếu thiết kế động cơ chạy ethanol nguyên chất, thì xe thậm chí có thể chạy bằng rượu làm từ rác vườn
    • Theo hiểu biết của tôi, việc ethanol được pha vào xăng là do vận động hành lang và chính sách trợ cấp của nông dân trồng ngô, chứ không phải vì nó là thành phần bắt buộc trong sản xuất nhiên liệu

  • Tôi nghĩ bài viết này sai, đặc biệt là gần như không nhắc đến năng lượng sưởi ấm
    Tôi sống trong một ngôi nhà có pin 30kWh và điện mặt trời 24kW. Đèn vẫn dùng được nhưng sưởi thì không thể
    Hệ thống điện mặt trời + pin đòi hỏi một sự đánh đổi lớn về chất lượng sống và việc điều chỉnh thời gian sinh hoạt

    • Vẫn còn nhiều người xây nhà với giả định rằng năng lượng rẻ và dồi dào
      Một ngôi nhà cách nhiệt tốt gần như không cần sưởi hay làm mát. Nếu bỏ 50.000 USD vào cách nhiệt thì lợi ích kéo dài suốt đời, còn dùng số tiền đó cho thiết bị sưởi thì chi phí vận hành sau này có thể cao gấp 10 lần
      Nhà hiện đại ở vùng khí hậu ôn hòa có thể không cần sưởi trung tâm. Ngày lạnh thì mỗi phòng chỉ cần máy sưởi 500W là đủ
    • Gọi hệ 24kW điện mặt trời là “chỉ để thắp sáng” thì là đánh giá quá thấp
      Nhà tôi chỉ dùng 60kWh mỗi tháng, nên sản lượng 3 giờ của bạn là đủ cho cả tháng của tôi
      Ngay cả ở nơi nhiệt độ xuống tới âm 25 độ, bơm nhiệt COP trên 2 cũng chỉ khiến chi phí sưởi khoảng 118 euro/tháng
      Mùa hè còn có thể sạc xe điện miễn phí. Nói rằng chất lượng sống bị giảm là hơi phóng đại
    • Tôi sống ở vùng phía bắc, nhưng nếu làm tốt cách nhiệt và cửa sổ thì vẫn có thể đạt net zero với điện mặt trời + pin
      Ban ngày đặt 66°F, ban đêm 60°F mà sáng ra nhà vẫn ấm
    • 30kWh là dung lượng nhỏ. Trong 10 năm nữa, phần lớn hộ gia đình sẽ có pin EV 200kWh
      Giá pin vẫn còn dư địa giảm thêm 10 lần, và cuối cùng cấu trúc chi phí cận biên bằng 0 sẽ thắng
      Căn nhà nghỉ của chúng tôi đang vận hành quanh năm với pin 15kWh, và vào ngày lạnh thì có thêm một bếp củi nhỏ hỗ trợ
    • Việc một cá nhân lắp điện mặt trời không có nghĩa là họ hiểu vận hành lưới điện
      Dùng một ví dụ tự cung tự cấp của hộ gia đình để đánh giá toàn bộ lưới điện là không phù hợp

  • Tôi đóng campervan off-grid và lắp hệ thống điện mặt trời + pin lithium
    Công nghệ đã tiến bộ rất nhiều trong vài năm gần đây. Vấn đề không nằm ở công nghệ mà ở tư duy của khách hàng, những người thường đánh giá quá cao nhu cầu sử dụng thực tế
    Nếu kiểu nhận thức này được mở rộng lên quy mô quốc gia thì tôi nghĩ sẽ gặp vấn đề tương tự

    • Tôi đã chế tạo một chiếc camper eSprinter với pin mở rộng 600kWh
      Nó sạc hoàn toàn bằng điện mặt trời, và chiếc xe này còn đóng vai trò như trạm sạc EV cho hàng xóm
      Nhờ bộ sạc/xả song song tự phát triển, chúng tôi đạt được 20.000 chu kỳ tuổi thọ pin LFP
    • Kiểu vấn đề này không áp dụng cho lưới điện quốc gia vì có quy mô thị trường và kế hoạch dựa trên dữ liệu
    • Tôi đang cân nhắc cell lithium titanate cho hệ thống gia đình. Độ an toàn quan trọng hơn trọng lượng
      Wiki pin lithium-titanate
    • Lưới điện quốc gia vốn đã được thiết kế dựa trên dữ liệu nhu cầu và thời tiết. Vấn đề là tốc độ tăng trưởng chứ không phải thiếu dữ liệu
    • Tôi từng xem một video về một YouTuber đã chuyển mọi thiết bị trên RV sang dòng điện một chiều (DC) để giảm tổn hao chuyển đổi
      Chúng ta cần các giải pháp DC cho gia đình

  • Theo tôi, điểm có thể cải thiện lớn nhất là nới lỏng quy định với điện mặt trời áp mái
    Việc phê duyệt và lắp đặt nên có thể hoàn tất trong vòng một tuần, và chi phí nên chỉ bằng một nửa hiện nay
    Hiện tại các quy định và sự phức tạp đang làm mất hiệu quả kinh tế

    • Cần áp dụng tấm pin kiểu cắm điện như ở Đức. Ai cũng có thể tự lắp trong một giờ
      Nhưng về dài hạn thì các trang trại điện mặt trời quy mô lớn vẫn hiệu quả hơn
    • Ở Mỹ cũng đang có dự luật hợp pháp hóa “balcony solar”
      Đây là hệ thống nhỏ kiểu châu Âu, chỉ cần cắm vào ổ điện là dùng được mà không cần thủ tục cấp phép
      Vấn đề là mọi người lắp hệ thống quá lớn và gây gánh nặng cho lưới điện
      Bài liên quan
    • Tôi đồng ý 100%. Nếu có thể DIY thì chi phí giảm xuống còn 1/10
      Nhưng ngay cả hệ thống nhỏ cũng có thủ tục cấp phép quá rắc rối

  • Nền kinh tế thế giới vẫn dựa trên dầu mỏ và khí đốt
    Chuyển sang năng lượng thay thế không chỉ là vấn đề kỹ thuật mà còn có nghĩa là tái cấu trúc quan hệ địa chính trị

  • Tôi ủng hộ năng lượng tái tạo, nhưng nghĩ rằng chiến lược năng lượng hỗn hợp là tối ưu
    90~95% nên là năng lượng tái tạo, phần còn lại trong ngắn hạn do khí đốt và về dài hạn do điện hạt nhân bổ sung
    Kết nối lưới điện theo trục bắc-nam và đông-tây có thể bù trừ biến động theo mùa và theo thời điểm trong ngày
    Ngoài ra, quản lý nhu cầu linh hoạt và điều chỉnh giá tự động có thể giải quyết vấn đề “tải nền”
    10% cuối cùng tuy tốn kém nhưng vẫn có thể xử lý đủ bằng các nhà máy điện khí hiện có

  • Nếu có công ty nào đang thực sự theo đuổi mục tiêu này, tôi muốn được làm việc cùng
    Tôi đã hợp tác với các công ty điện mặt trời, pin và EV lớn để phát triển phần mềm phân tích cho quá trình chuyển đổi năng lượng sạch
    Bước tiếp theo tôi muốn đóng góp là loại bỏ nhiên liệu hóa thạch
    matthewgerring.com

    • Tôi đã gửi email. Chúng tôi đang xây dựng smart grid và khu dân cư chạy 100% điện mặt trời tại châu Âu và Ukraine
      Hy vọng có thể cùng nhau mở rộng sang thị trường Mỹ

  • Lượng điện mà các tấm pin mặt trời do Trung Quốc sản xuất năm ngoái tạo ra trong suốt vòng đời của chúng tương đương với mức tiêu thụ dầu hàng năm của toàn thế giới
    Nếu sản xuất pin tiếp tục mở rộng, tôi cho rằng trong vòng 10 năm chúng ta có thể thay thế phần lớn dầu, khí đốt và than đá

  • Lý do người hoài nghi khó tin là vì bài viết không đề cập đến các luận điểm phản đối
    Tấm pin thì rẻ, nhưng chi phí lắp đặt và bảo trì vẫn cao. Còn có những rủi ro như sét đánh
    Ở cấp quốc gia, đất đai, vốn và lao động lành nghề đều thiếu, và không phải nước nào cũng có đủ nắng
    Cuối cùng có lẽ chỉ khoảng 10~20 quốc gia là có thể chuyển sang mô hình chủ yếu dùng năng lượng tái tạo trong 10 năm tới

    • Nhưng nếu là khu vực chưa có hạ tầng điện, thì có thể bắt đầu ngay từ đầu với nền tảng năng lượng tái tạo

  • Việc cung cấp 90% điện năng không có nghĩa là có thể nói đã “vận hành cả thế giới”
    Chúng ta vẫn cần công nghệ lưu trữ dài hạn chi phí thấp, đóng vai trò bổ sung cho pin

    • Ngay trong bài cũng có ghi rõ rằng 5~10% cuối cùng có thể được giải quyết bằng nhiên liệu hóa thạch, lưu trữ dài hạn hoặc e-biofuel
    • Mục tiêu không phải là loại bỏ mọi nguồn carbon, mà là làm chậm tốc độ thay đổi để con người có thể thích nghi
      Chỉ riêng việc đạt 90% cũng đã có ý nghĩa rất lớn