Điện mặt trời

Bài viết trong tài liệu tham khảo này bắt nguồn từ một cuộc thảo luận trên nền tảng chia sẻ kiến thức trực tuyến Quora, nên chưa được phản biện chính thức hay đăng trên tạp chí hoặc báo cáo khoa học. Tuy vậy, bài viết đã được trích dẫn, tham khảo và đăng lại rộng rãi trên cả Forbes lẫn New York Times, và được tác giả nêu là trường hợp đầu tiên đề xuất một giải pháp điện mặt trời cho nhu cầu năng lượng toàn cầu, đồng thời xem xét tính khả thi, tính thực tế và các con số xoay quanh một ‘Giải pháp Sahara’. Bài viết đã được chính tác giả - một chuyên gia học thuật và trong ngành - phản biện kỹ lưỡng rồi bảo vệ, và được các chuyên gia học thuật cùng ngành khác ủng hộ không chính thức. Một số phần của đề xuất và các phép tính hỗ trợ có thể được xem là các tính toán giả định, ‘ước tính nhanh trên giấy’ hoặc nền tảng cho những kịch bản giải pháp thực tế, và được bàn trong cả hai bối cảnh này, nhưng ở đây chúng chỉ đóng vai trò là một ước tính minh họa.

Đáng chú ý nhất, ước tính này dựa trên tổng mức tiêu thụ năng lượng và giả định mọi mục đích sử dụng năng lượng đều được điện khí hóa hoàn toàn, gồm sưởi ấm, giao thông và các quy trình công nghiệp. Khả năng điện khí hóa trực tiếp những mục đích này rất khác nhau và đôi khi không thực tế hoặc không thể làm được (dù một số có thể dùng hydro xanh tạo ra bằng điện phân chạy bằng năng lượng mặt trời). Một ước tính tổng hợp (do AI tạo ra) cho thấy khoảng 60-70% nhu cầu năng lượng toàn cầu có thể được điện khí hóa bằng các công nghệ hiện có và sắp xuất hiện, dựa trên các phân tích theo ngành của McKinsey, IRENA và các báo cáo triển vọng năng lượng toàn cầu của IEA ^A,B,C, đồng thời thừa nhận vẫn có những thách thức thực tế. Diện tích trang trại điện mặt trời ở Sahara cần để đáp ứng nhu cầu điện toàn cầu hiện nay sẽ thấp hơn nhiều.

Ước tính cần 1,2% diện tích sa mạc Sahara đã được điều chỉnh thành 1,5% để tính đến mức tăng gần đây của nhu cầu năng lượng toàn cầu (khoảng 19,6 TW tính đến năm 2023 ^D,E).

Một số nghiên cứu đã mô hình hóa tiềm năng quang điện mặt trời (PV) trên mái nhà toàn cầu nhưng cho kết quả khác nhau. Một nghiên cứu ^[19] ước tính tổng diện tích mái nhà phù hợp với PV có thể tạo ra 27 PWh mỗi năm, vượt nhu cầu điện toàn cầu thời điểm năm 2018. Do ánh sáng Mặt Trời và vì thế tiềm năng PV thay đổi theo địa lý và mùa, đóng góp của diện tích mái nhà mỗi khu vực vào tổng tiềm năng này không đồng đều tức là công suất ở một khu vực có thể thấp hơn nhiều so với nhu cầu khu vực, trong khi công suất ở khu vực khác có thể vượt nhu cầu và đóng góp nhiều hơn hẳn vào nguồn cung toàn cầu. Các tác giả ước tính cần tối thiểu 50% diện tích mái nhà toàn cầu để đáp ứng nhu cầu điện hằng năm của thế giới khi gộp các khu vực lại.

Tính đến năm 2023, nhu cầu điện toàn cầu đã tăng lên gần 30 PWh ^F, vượt tiềm năng PV mái nhà toàn cầu trước đó được nêu trong [19]. Trong khi đó, tổng nhu cầu năng lượng (gồm sưởi ấm, giao thông và các quy trình công nghiệp, cũng như điện) vào khoảng 172 PWh ^D,E. Một nghiên cứu khác ^[20], chỉ ra những điểm không nhất quán trong phương pháp của [19] và ước tính tiềm năng PV mái nhà toàn cầu có thể đạt khoảng 30,5 TW công suất lắp đặt tối đa, tương đương hơn 267 PWh mỗi năm, vượt xa cả tổng nhu cầu năng lượng của chúng ta. Một nghiên cứu thứ ba ^[21] ước tính tiềm năng PV mái nhà toàn cầu sẽ đạt 175 TWh mỗi năm vào năm 2050, và có thể thay đổi tùy theo các kịch bản phát thải khác nhau đang diễn ra. Dự báo này dựa trên việc mở rộng mái nhà để hỗ trợ tổng diện tích PV lớn hơn đáng kể so với mức hiện được báo cáo trong [19]. Xét các kết quả này cùng phương pháp tương ứng, chúng tôi đi đến kết luận thận trọng rằng chỉ một nửa số mái nhà trên thế giới cũng có thể đủ để đáp ứng nhu cầu điện của nhân loại.

Một nghiên cứu ^[28] ước tính sản lượng điện tiềm năng từ việc phủ tối đa 30% diện tích mặt nước bằng điện mặt trời nổi (FPV) trên tất cả các hồ chứa toàn cầu (556.111 km² trên 114.555 hồ chứa) là 9.434 TWh mỗi năm. Đây là ước tính thận trọng, dựa trên mức phủ FPV hạn chế (30%) do các ràng buộc về kỹ thuật và môi trường. Tương tự, một nghiên cứu khác ^[29] cho biết 25% diện tích mặt nước hồ chứa toàn cầu có thể tạo ra 8.000 TWh yr^-1. Theo dự báo của IEA ^G, con số này tương đương ít nhất một phần tư nhu cầu điện toàn cầu trong tương lai gần (gần một phần ba nhu cầu, tính đến cuối năm 2023 ^F), và công suất có thể còn tăng khi các hồ chứa mới được xây dựng.

Tuy vậy, một nghiên cứu gần đây hơn ^[30] nêu bật những tiến bộ trong công nghệ tấm pin mặt trời chưa được tính đến trong các nghiên cứu trước, gồm hệ thống bám theo Mặt Trời và tấm pin hai mặt: “Dù hệ thống bám theo có thể làm tăng yêu cầu về phao nổi và neo giữ, cũng như tăng tổng chi phí hệ thống, mức tăng năng lượng đáng kể so với hệ thống nghiêng cố định, cùng công nghệ ngày càng phát triển và chi phí giảm xuống, có lẽ sẽ khiến chúng phổ biến hơn trong những năm tới”. Để hiểu các công nghệ mới này có thể hoạt động ra sao trên toàn cầu, họ “đã phân tích công suất lắp đặt và tiềm năng sản xuất điện của các cấu hình FPV khác nhau, gồm hệ thống nghiêng cố định với các góc nghiêng khác nhau, các cách bám theo khác nhau, cũng như các loại tấm pin khác nhau (một mặt vs. hai mặt) trên 249.717 hồ chứa nội địa (cả nhân tạo lẫn tự nhiên) trên toàn thế giới với tổng diện tích 222.623 km² -gần gấp bốn lần diện tích được phân tích trong” ^[28]. Với các cập nhật này, các tác giả xác định tổng công suất FPV lên tới 22 TWp (công suất-đỉnh), có thể đáp ứng toàn bộ nhu cầu điện của thế giới.

Our World in Data ^[51] tổng hợp dữ liệu từ nhiều nguồn, bao gồm IRENA 2024 ^H. Như trang web nêu, IRENA đưa ra giá mô-đun quang điện mặt trời cho nhiều công nghệ khác nhau. Dữ liệu từ quý 4 năm 2013 trở đi là giá trung bình hằng năm của công nghệ ‘Thin film a-Si/u-Si’, hoặc Global Price Index làm mốc cho mọi công nghệ mặt trời, đạt mức giá toàn cầu 0,31 USD/W vào năm 2023. Các nguồn khác ^I,J,K lấy công nghệ tấm pin đơn tinh thể một mặt phổ biến làm mốc chính, với giá còn giảm thấp hơn nữa:

Tháng 1 năm 2024, giá mô-đun màng mỏng a-Si/u-Si bán ở châu Âu giảm còn ~0,16 USD/W ^H. Tháng 4 năm 2024, giá giao ngay toàn cầu của mô-đun đơn tinh thể một mặt được báo là 0,11 USD/W ^I. Tháng 11 năm 2024, các tấm pin PERC đơn tinh thể đang chiếm lĩnh thị trường và công nghệ c-Si TOPCon thế hệ mới lần lượt đạt 0,087 USD/W, 0,1 USD/W và 0,29 USD/W ở Trung Quốc, châu Âu và Mỹ ^{J,K †}.

^†Giá xuất khẩu trên thị trường toàn cầu thường cao hơn ở Trung Quốc do logistics, thuế quan và các yếu tố thị trường khu vực, đáng chú ý là Điều khoản Thương mại Quốc tế (FOB cho hàng xuất khẩu từ Trung Quốc so với DDP cho Mỹ và châu Âu ^J).

Bloomberg ^[52] cho biết giá mô-đun trung bình toàn cầu đã giảm xuống 0,096 USD/W. So với giá mô-đun trung bình toàn cầu 19,48 USD/W vào năm 1984 ^[51], giá mô-đun vì thế đã giảm hơn 99% trong 40 năm.

Để so sánh thêm, giá mô-đun trung bình ở Mỹ đã giảm xuống 0,29 USD/W vào quý 1 năm 2024 ^I. Đây là mức giảm 96% trong 35 năm, kể từ năm 1989 ^L,M. Giá cao hơn ở Mỹ được duy trì bởi thuế quan với mô-đun Trung Quốc và các yếu tố nhập khẩu khác ^I.

IRENA Renewable Power Generation Costs 2023 cho biết Chi phí điện quy dẫn bình quân gia quyền toàn cầu (LCOE) của điện mặt trời PV là 0,044 USD/kWh. Từ năm 2010 đến 2023, LCOE bình quân gia quyền toàn cầu của các nhà máy CSP đã giảm 70%, từ 0,393 USD/kWh xuống 0,117 USD/kWh. Vì vậy, tính đến năm 2023, LCOE điện mặt trời PV quy mô lớn chỉ hơn một phần ba so với CSP. Tuy nhiên, chi phí điện mặt trời PV vẫn đang tiếp tục giảm. Từ năm 2021 đến 2023, mỗi năm chỉ có một nhà máy CSP được đưa vào vận hành, nên những năm này chưa chắc đã mang tính đại diện. Vì việc triển khai CSP đã chậm lại và cạnh tranh với điện mặt trời PV rất gay gắt, có thể các nhà máy này là những dự án tiên tiến, được tối ưu kỹ lưỡng nhằm thể hiện khả năng cạnh tranh. Do đó, LCOE trung bình được báo cáo có thể thấp hơn mức có thể thấy trong một năm triển khai các dự án CSP điển hình hoặc đa dạng hơn.