Năng lượng mặt trời

Dự án quang điện mặt trời nổi Cirata (PV)
(Ảnh: JinkoSolar, trích dẫn từ: https://taiyangnews.info/se-asias-largest-floating-solar-plant-inaugurated/)

Tại sao lại là năng lượng mặt trời?

Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn tài nguyên bền vững vì một số lý do sau:

• Năng lượng mặt trời là một nguồn tài nguyên phong phú và dồi dào, nó có thể trở thành một nguồn điện đảm bảo cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau [1].
• Năng lượng mặt trời có thể được tận dụng mà không làm cạn kiệt bất kỳ nguồn tài nguyên nào [1].
• Sản xuất năng lượng mặt trời không phát thải khí nhà kính hoặc các chất gây ô nhiễm khác, đây là một phương pháp sản xuất năng lượng sạch và lâu dài, thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống [1].

Năng lượng mặt trời có một số ưu điểm so với các nguồn năng lượng tái tạo khác, như:

• Năng lượng mặt trời là vô tận, bởi vì nó bắt nguồn từ mặt trời, một nguồn sáng sẽ tiếp tục tỏa sáng hàng tỷ năm [2].
• Năng lượng mặt trời có thể được sử dụng ở nhiều môi trường khác nhau, từ các trang trại mặt trời quy mô lớn đến các tấm năng lượng lắp đặt trên mái nhỏ, làm cho nó trở thành một nguồn năng lượng linh hoạt [3].
• Chi phí của năng lượng mặt trời đã giảm xuống qua các năm, khiến cho nó trở thành một lựa chọn phổ biến với nhiều hộ gia đình và doanh nghiệp, dẫn đến việc áp dụng rộng rãi các hệ thống năng lượng mặt trời trên toàn thế giới [1].
• Các dự án nghiên cứu và phát triển liên tục trong lĩnh vực năng lượng mặt trời đã dẫn đến việc tạo ra các công nghệ hiệu quả và chi phí thấp hơn, chẳng hạn như lò phản ứng plasma chuyển đổi CO₂ [4] và hệ thống chưng cất và xử lý than hoạt tính chạy bằng năng lượng mặt trời [1].

Công nghệ Năng lượng mặt trời

Công nghệ năng lượng mặt trời đã phát triển nhanh chóng. Những đổi mới từ các ô tô điện năng lượng mặt trời đã phá vỡ các mốc hiệu suất năng lượng quan trọng. Ví dụ, nhiều nhóm nghiên cứu đã đạt được hiệu suất năng lượng lên đến 30%, và một số ô tô điện đa lớp đã đạt được hiệu suất lên đến 47%. Những tiến bộ này có thể tăng cường sản lượng năng lượng mặt trời và thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của năng lượng mặt trời. [5]

Công nghệ năng lượng mặt trời bao gồm quá trình chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, như sưởi ấm, làm mát và phát điện. Ba công nghệ chính để tận dụng năng lượng mặt trời là PV; sưởi ấm – làm mát bằng năng lượng mặt trời; và năng lượng mặt trời tập trung [6].

Năng lượng mặt trời điện phát (PV) là một công nghệ chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng sử dụng vật liệu bán dẫn như silic để tạo ra dòng điện. Quá trình này liên quan đến việc hấp thụ các photon từ ánh sáng mặt trời, làm cho electron bị đẩy ra khỏi nguyên tử, tạo ra dòng điện. [7] Hệ thống năng lượng mặt trời PV có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng dân dụng, thương mại và công nghiệp [8].

Công nghệ sưởi ấm và làm mát bằng năng lượng mặt trời sử dụng năng lượng mặt trời để sưởi ấm và làm mát tòa nhà và các không gian khác. Công nghệ này bao gồm các hệ thống khác nhau như năng lượng mặt trời photovoltaic, nước nóng mặt trời/sưởi ấm không gian và lưu trữ năng lượng mặt trời theo mùa. Các công nghệ này sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp nhiệt sưởi ấm trong những mùa lạnh và làm mát vào mùa nóng, góp phần nâng cao hiệu suất năng lượng và tính bền vững. Ví dụ, hệ thống nhiệt mặt trời có thể thu và sử dụng một tỷ lệ lớn tia mặt trời tỏa nhiệt, cung cấp các giải pháp bền vững và chi phí hiệu quả cho sưởi ấm và làm mát [9, 10]. Ngoài ra, công nghệ nhiệt mặt trời và bơm nhiệt cũng đã được kết hợp để phát triển cho việc sưởi ấm nhà và sản xuất nước nóng, nâng cao hiệu suất của các hệ thống ban đầu [11].

Năng lượng mặt trời tập trung (CSP) là một công nghệ sử dụng gương hoặc ống kính để tập trung một lượng lớn ánh sáng mặt trời vào một diện tích nhỏ, sau đó sử dụng để làm nóng chất lỏng nhằm tạo hơi và đẩy một turbine kết nối với một máy phát điện [12]. Quá trình này tương tự như các nhà máy điện truyền thống, nhưng thay vì sử dụng nhiên liệu hóa thạch, các nhà máy CSP phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng chính [13]. Các nhà máy CSP cũng có thể được trang bị hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt (TES), cho phép chúng lưu trữ nhiệt độ dư thừa được tạo ra trong giai đoạn tia mặt trời tỏa nhiệt cao và phát hành nó trong các giai đoạn tia mặt trời tỏa nhiệt thấp hoặc khi nhu cầu điện năng cao. Khả năng lưu trữ này làm cho các nhà máy CSP trở nên linh hoạt hơn và giảm ảnh hưởng môi trường của chúng bằng cách cho phép chúng hoạt động hiệu quả hơn và ít phụ thuộc hơn vào điện lưới chung. [14]

So sánh giữa công nghệ năng lượng mặt trời PV, công nghệ sưởi ấm và làm mát bằng năng lượng mặt trời và công nghệ năng lượng mặt trời tập trung CSP:

Công nghệ năng lượng mặt trời PV	Công nghệ sưởi ấm và làm mát bằng năng lượng mặt trời	Công nghệ năng lượng mặt trời tập trung CSP
• Có thể được lắp đặt trên mái nhà hoặc trong các trang trại năng lượng mặt trời quy mô lớn. • Chi phí ban đầu cao nhưng chi phí vận hành thấp. • Yêu cầu bảo dưỡng tối thiểu và tuổi thọ kéo dài. • Có thể được kết hợp với các nguồn năng lượng tái tạo khác như gió hoặc thủy điện để tạo ra các hệ thống hybrid.	• Có thể được sử dụng cho cả ứng dụng dân dụng và thương mại. • Yêu cầu một hệ thống riêng biệt để sưởi ấm và làm mát, điều này có thể làm tăng chi phí tổng thể. • Có thể yêu cầu các nguồn năng lượng bổ sung như điện hoặc khí tự nhiên, để sử dụng dự phòng hoặc trong thời gian bức xạ mặt trời thấp.	• Yêu cầu lắp đặt quy mô lớn, chẳng hạn như tháp hoặc rãnh năng lượng mặt trời, để tập trung ánh sáng mặt trời. • Chi phí ban đầu cao hơn so với pin mặt trời nhưng có thể hiệu quả hơn trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. • Yêu cầu hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt để đảm bảo hoạt động liên tục trong thời gian có bức xạ mặt trời thấp. • Có thể được kết hợp với các nguồn năng lượng tái tạo khác như gió hoặc thủy điện để tạo ra các hệ thống hybrid.

Thách thức từ Năng lượng mặt trời

Có nhiều thách thức, vấn đề và ảnh hưởng cần được xem xét để năng lượng mặt trời được áp dụng rộng rãi, như sau:

• Sản xuất năng lượng mặt trời chịu ảnh hưởng của các sự cố thời tiết tạm thời, như những ngày có mây, có thể làm giảm sản xuất điện. Sự không ổn định này ảnh hưởng đến mức độ đảm bảo của năng lượng mặt trời, đặc biệt là tại một số khu vực địa lý cụ thể [15, 16].
• Cung và cầu về năng lượng mặt trời thường không đồng bộ, dẫn đến thách thức trong lưu trữ và tiêu thụ năng lượng. Những khoảng thời gian tăng nhanh về nhu cầu, như vào buổi sáng và buổi tối, không luôn phù hợp với việc thu năng lượng mặt trời, đòi hỏi các giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả [17].
• Mặc dù năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch và tái tạo, nhưng có những lo ngại về môi trường liên quan đến quá trình sản xuất, như việc xử lý tận dụng các tấm pin mặt trời cũ và xử lý ô nhiễm liên quan [16, 18].
• Nhà máy năng lượng mặt trời định mức tiện ích yêu cầu diện tích lớn cho việc lắp đặt tấm pin mặt trời, đặt ra thách thức tại các khu vực đô thị nơi không gian hạn chế. Ngoài ra, hiệu suất của tấm pin mặt trời và chi phí lắp đặt kèm theo cũng là những vấn đề cần quan tâm của ngành công nghiệp [16, 17].
• Ngành công nghiệp năng lượng mặt trời cũng bị ảnh hưởng bởi yếu tố kinh tế và quy định, như sự phụ thuộc vào các chương trình chính phủ và các ưu đãi thuế sắp hết hạn, có thể ảnh hưởng đến sự phát triển và nhu cầu về năng lượng mặt trời [16].

Năng lượng mặt trời tại khu vực Đông Nam Á

Năng lượng mặt trời hiện đang là nguồn năng lượng tái tạo rẻ nhất, có giá là 23.52 đô la Mỹ mỗi megawatt-giờ (MWh), thấp hơn chi phí cơ bản của than, là 43.80 đô la Mỹ mỗi MWh. Tổ chức Năng lượng Quốc tế (IEA) đã báo cáo rằng năng lượng mặt trời điện phát (PV) rẻ hơn so với các nhà máy điện than hoặc khí mới ở hầu hết các quốc gia, với 62% dự án năng lượng mặt trời PV rẻ hơn so với nguồn năng lượng hóa thạch mới rẻ nhất. [19]

Theo các báo cáo gần đây, năng lượng mặt trời đang tăng lên ở Đông Nam Á, với dự kiến thị trường Năng lượng Mặt trời Đông Nam Á sẽ tăng với tỷ lệ tăng trưởng hằng năm (CAGR) là 10,2% trong năm năm tiếp theo [20]. Dự kiến đầu tư vào nguồn năng lượng tái tạo ở Đông Nam Á sẽ vượt quá 76 tỷ đô la Mỹ từ năm 2023-2025, với phần lớn chi phí này do đầu tư vào năng lượng mặt trời, gió và năng lượng địa nhiệt [21].

Sự tăng lên của năng lượng mặt trời ở Đông Nam Á có thể được quy cho một số yếu tố. Một trong những lý do chính là giảm đột ngột giá của các công nghệ điện năng lượng mặt trời trong thập kỷ qua, làm cho năng lượng mặt trời trở nên phổ biến và dễ tiếp cận hơn. Ngoài ra, việc thúc đẩy năng lượng mặt trời liên quan đến các dự án quản trị, cải cách xã hội hoặc đạo đức, và biểu hiện sự quan tâm đối với đa dạng các đối tượng xã hội, đã dẫn đến sự tập trung ngày càng tăng về năng lượng mặt trời trong khu vực. Những yếu tố này, kết hợp với sự đẩy mạnh toàn cầu về các nguồn năng lượng tái tạo, đã đóng góp vào sự gia tăng về việc áp dụng năng lượng mặt trời ở Đông Nam Á. [22]

Một dự án năng lượng mặt trời đáng chú ý tại Đông Nam Á là dự án điện năng lượng mặt trời nổi 145MW được xây dựng trên diện tích 225 hecta trên hồ chứa Cirata, thuộc tỉnh Tây Java, Indonesia. Nhà máy điện Năng lượng Mặt trời nổi Cirata sẽ sản xuất đủ năng lượng để cung cấp điện cho 50,000 ngôi nhà và góp phần tạo ra tới 800 việc làm. Khi hoàn thành, dự án này sẽ là dự án lớn nhất trong lĩnh vực của nó ở Đông Nam Á và cũng là một trong những dự án lớn nhất trên thế giới. [23]

Tác giả: Hendra WINASTU, Cộng sự chính của SOLEN – Điều phối Chương trình IPC
Chỉnh sửa: Nguyễn Duy Hùng, Giám đốc SOLEN – Giám đốc chương trình IPC
Ngày: 21 tháng 1 năm 2024
Bài báo số: SOLEN-IPC-0032

Tài liệu tham khảo:

[1] Alman Sikder, M., & Ali, M.Y. Entry to the Stockholm Junior Water Prize 2023 Eco-Friendly and Cost-Effective Water Purification for Highly Polluted and Saline Sources Using Solar Powered Distillation and Activated Carbon.

[2] Enel Green Power. (2023). All the advantages of solar energy. Www.enelgreenpower.com. https://www.enelgreenpower.com/learning-hub/renewable-energies/solar-energy/advantages-solar-energy

[3] Comparison between Solar Energy Solutions and other Renewable sources of energy. (n.d.). Www.cleanmax.com. https://www.cleanmax.com/solar-update/how-solar-energy-compares-to-other-renewable-sources-of-energy.php

[4] Trelles, J.P. (2021). Solar-plasma reactors for CO2 conversion. Journal of Physics D: Applied Physics, 55.

[5] Carrington, D. (2023, July 6). “Revolutionary” solar power cell innovations break key energy threshold. The Guardian. https://www.theguardian.com/environment/2023/jul/06/revolutionary-solar-power-cell-innovations-break-key-energy-threshold

[6]  SEIA. (2020). Solar Technologies | SEIA. SEIA. https://www.seia.org/initiatives/solar-technologies

[7] Agyenim-Boateng, K., & Boehm, R.F. (2011). Impact of Storage Integrated Solar Photovoltaics (PV) Power System on Utility Peak Loads.

[8] Holzhey, P., Prettl, M., Collavini, S., Chang, N., & Saliba, M. (2023). Towards Commercialisation with Lightweight, Flexible Perovskite Solar Cells for Residential Photovoltaics. 2023 IEEE 50th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 1-1.

[9] Eaton, D.J., McGarity, A.E., & Rogers, R.L. (1983). Is it worthwhile to invest in small scale solar heating.

[10] Braga, F.S. (2016). Leadership in Sustainable Agribusiness, Innovation, and Solar Thermal Renewable Energy: Opportunities for Sustainable Agribusiness. International Journal on Food System Dynamics, 7, 143-182.

[11] Hadorn, J. (2010). Solar and Heat Pump Systems – IEA SHC Task 44 & HPP.

[12] Alami, A.H., Olabi, A.G., Mdallal, A., Rezk, A., Radwan, A., Rahman, S.M., Shah, S.K., & Abdelkareem, M.A. (2023). Concentrating solar power (CSP) technologies: Status and analysis. International Journal of Thermofluids.

[13] Islam, M. T., Huda, N., Abdullah, A. B., & Saidur, R. (2018). A comprehensive review of state-of-the-art concentrating solar power (CSP) technologies: Current status and research trends. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 91, 987–1018. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.04.097

[14] Gasa, G., Lopez-Roman, A., Prieto, C., & Cabeza, L. F. (2021). Life Cycle Assessment (LCA) of a Concentrating Solar Power (CSP) Plant in Tower Configuration with and without Thermal Energy Storage (TES). Sustainability, 13(7), 3672. https://doi.org/10.3390/su13073672

[15] Constellation. (2023). The Advantages and Disadvantages of Solar Energy. Www.constellation.com; Constellation. https://www.constellation.com/energy-101/energy-innovation/solar-energy-pros-and-cons.html

[16] Challenges Facing The Solar Industry Right Now. (2021, April 28). Dataforma. https://www.dataforma.com/challenges-facing-the-solar-industry-right-now/

[17] The Challenges of Solar Energy. (n.d.). Www.fuergy.com. https://www.fuergy.com/blog/the-challenges-of-solar-energy

[18] Atasu, A., Duran, S., & Van Wassenhove, L. N. (2021, June 18). The Dark Side of Solar Power. Harvard Business Review. https://hbr.org/2021/06/the-dark-side-of-solar-power

[19] . Timmerberg, S., Sanna, A., Kaltschmitt, M., & Finkbeiner, M. (2019). Renewable electricity targets in selected MENA countries – Assessment of available resources, generation costs and GHG emissions. Energy Reports, 5, 1470–1487. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2019.10.003

[20] Southeast Asia Solar Energy Market | 2022 – 27 | Industry Share, Size, Growth – Mordor Intelligence. (n.d.). Www.mordorintelligence.com. https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/southeast-asia-solar-energy-market

[21] Yuen, S. (2023, October 19). Solar in Southeast Asia: what’s happening in the market? PV Tech. https://www.pv-tech.org/solar-in-southeast-asia-whats-happening-in-the-market/

[22] Cross, J. (2019). The solar good: energy ethics in poor markets. Journal of the Royal Anthropological Institute.

[23] Baker, D. (n.d.). Solar energy in Asia: top projects, jobs, and market trends. Www.airswift.com. https://www.airswift.com/blog/solar-energy-asia