Nền kinh tế của Nam Phi đang phát triển nhanh chóng, thúc đẩy nhu cầu về điện ngày càng tăng. Đáp ứng hiệu quả nhu cầu này sẽ đòi hỏi phải cân bằng các cân nhắc về xã hội, kinh tế, địa lý, công nghệ và môi trường.
Các nhà nghiên cứu tại UC Santa Barbara đã dẫn đầu một nhóm quốc tế phân tích các nguồn tài nguyên và lưới điện của khu vực. Sử dụng dữ liệu này, họ đã phát triển một danh mục năng lượng đáp ứng hiệu quả nhất các yêu cầu về năng lượng của Nam Phi vào năm 2040, nhận thấy rằng gió và mặt trời là những lựa chọn hiệu quả nhất về chi phí của khu vực.
>> Tham khảo: Chất bán dẫn kỳ diệu thế hệ tiếp theo.
Hơn nữa, đề xuất mô hình của họ có hiệu quả đóng băng lượng khí thải nhà kính ở mức năm 2020 trong khi tăng gấp đôi lượng điện mà lưới điện có thể sản xuất. Một phân tích chi tiết xuất hiện trên tạp chí Joule.
Hiện tại, 315 triệu người ở Nam Phi sử dụng khoảng 275 terawatt giờ, tương đương với California. “Tuy nhiên, Nam Phi dự kiến sẽ tăng gấp đôi nhu cầu điện vào năm 2040”, đồng tác giả chính và tác giả tương ứng Ranjit Deshmukh, trợ lý giáo sư trong Chương trình Nghiên cứu Môi trường của UCSB cho biết.
“Phát triển các nguồn tài nguyên gió, mặt trời và khí đốt tự nhiên tuyệt vời của khu vực là lựa chọn ít tốn kém nhất cho người tiêu dùng và có thể đáp ứng nhu cầu này mà không làm tăng lượng khí thải carbon của ngành điện trong khu vực.”
Deshmukh và các đồng nghiệp của ông cũng phát hiện ra rằng mặc dù nhu cầu điện tăng gấp đôi, Tổ hợp điện Nam Phi (SAPP) có thể không cần bất kỳ nhà máy điện than nào, cũng như không cần một nửa số dự án thủy điện đã lên kế hoạch, cả hai đều có tác động môi trường tiềm ẩn rất lớn.
Để đạt được những kết luận này, nhóm đã sử dụng một bộ mô hình giải thích cho một loạt các yếu tố cấu trúc, khí hậu và kinh tế. Deshmukh và đồng tác giả Grace Wu, cũng tại UC Santa Barbara, đã phát triển một trong những công cụ này, có tên là MapRE, vào năm 2020.
>> Tham khảo: Các nhà nghiên cứu thiết kế chất điện phân thế hệ tiếp theo cho pin kim loại lithium.
“MapRE cho phép chúng tôi xác định các địa điểm phù hợp cho các dự án năng lượng mặt trời và gió dựa trên tốc độ gió, bức xạ mặt trời, khoảng cách gần với đường truyền tải điện và cơ sở hạ tầng đường bộ cũng như sử dụng đất,” Deshmukh, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Chuyển đổi Năng lượng Sạch (CETlab) và là cộng tác viên nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Thị trường Môi trường (emLab) cho biết.
Tác giả chính AFM Kamal Chowdhury, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm của Deshmukh, đã tạo ra một mô hình thủy điện có tên VIC-Res-Southern-Africa. Mô hình này ước tính sản lượng điện hàng tháng từ các đập thủy điện hiện có và dự kiến.
Các tác giả đã lấy dữ liệu từ MapRE và VIC-Res, cũng như công suất phát và truyền tải hiện có và theo kế hoạch, rồi đưa dữ liệu đó vào mô hình lập kế hoạch điện có tên GridPath, được phát triển bởi Deshmukh và đồng tác giả Ana Milev
. Mô hình này tạo ra một danh mục năng lượng được khuyến nghị. Cả mô hình và bộ dữ liệu đều là mã nguồn mở và có sẵn công khai.
Kết quả thật đáng khích lệ. Các tác giả viết: “Nếu công nghệ và chi phí nhiên liệu tuân theo các xu hướng dự đoán, thì công nghệ gió và mặt trời có khả năng thống trị các khoản đầu tư phát điện trong tương lai ở Nam Phi và do đó sẽ là nguồn điện chủ đạo trong khu vực vào năm 2040.”
>> Tham khảo: Thỏa thuận Paris – cần có phương pháp đo lường tốt hơn.
Đáng chú ý, mô hình cho thấy điện than sẽ không cạnh tranh được với các nguồn năng lượng tái tạo này. Đồng tác giả Kudakwashe Ndhlukula cho biết: “Các nhà máy điện than hiện tại đã cũ và tốn kém để vận hành.
“Với sự hội nhập khu vực ngày càng sâu rộng, việc vận hành các nhà máy điện này dù sao cũng sẽ không kinh tế.” Ndhlukula là giám đốc điều hành của Trung tâm Cộng đồng Phát triển Nam Phi về Năng lượng Tái tạo và Hiệu quả Năng lượng (SACREEE), một tổ chức liên chính phủ bao gồm 12 quốc gia trong Nhóm Năng lượng Nam Phi.
Các tác giả lưu ý rằng với sự hỗ trợ tài chính từ các quỹ khí hậu toàn cầu, chẳng hạn như Quỹ Khí hậu Xanh, các nhà máy nhiệt điện than của khu vực thậm chí có thể ngừng hoạt động sớm.
Mô hình dự đoán rằng việc tắt các nhà máy điện sớm 10 năm sẽ chỉ làm tăng chi phí điện 4% mỗi năm. Điều này có thể làm giảm thêm 22% lượng khí thải nhà kính so với mức của năm 2020.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng Nam Phi cần ít thủy điện hơn nhiều so với dự kiến. Deshmukh lưu ý rằng có rất nhiều thủy điện bổ sung trong kế hoạch Tổng nguồn điện Nam Phi và có rất nhiều tiềm năng để phát triển nguồn tài nguyên này.
“Tuy nhiên, bằng cách sử dụng các giả định về chi phí của SAPP cho thủy điện – và chi phí lưu trữ năng lượng gió, mặt trời và pin mới nhất – chúng tôi thấy rằng mô hình của chúng tôi đã không chọn gần một nửa số dự án thủy điện đã lên kế hoạch,” ông nói. “Về cơ bản, đầu tư vào những dự án đó không hiệu quả về mặt chi phí.”
Nhóm cũng chạy một mô hình bao gồm mục tiêu 80% năng lượng sạch. Theo mục tiêu này, một danh mục đầu tư tối ưu sẽ cắt giảm một nửa lượng khí thải năm 2020 của khu vực vào năm 2040 trong khi chỉ làm tăng chi phí khoảng 6%, tương đương 3 USD mỗi megawatt giờ.
Ngoài việc lên kế hoạch về cách Nam Phi sẽ tạo ra điện, việc đáp ứng hiệu quả nhu cầu năng lượng của nó sẽ cần có sự hợp tác quốc tế.
Ndhlukula cho biết: “Hội nhập khu vực là chìa khóa để mở ra tiềm năng to lớn của năng lượng tái tạo cho một hệ thống điện có chi phí cạnh tranh trong khu vực.
>> Tham khảo: Hầu hết các tế bào ung thư được nuôi cấy trong đĩa có rất ít điểm chung với các tế bào ung thư ở người.
Một thị trường điện mạnh mẽ và khả năng truyền tải để hỗ trợ nó cũng sẽ rất quan trọng. Deshmukh cho biết: “Các nguồn tài nguyên gió và khí đốt tự nhiên phân bố không đồng đều trên khắp miền nam châu Phi.
“Có một hệ thống truyền dẫn mạnh mẽ sẽ giúp các quốc gia giao dịch và hưởng lợi từ các nguồn tài nguyên của nhau.”
May mắn thay, khu vực này đã có thị trường điện với các đường dây truyền tải được kết nối với nhau dưới dạng SAPP. Deshmukh nói: “Vấn đề là mở rộng và mở rộng quy mô thị trường đó. Mô hình gợi ý rằng điều này có thể được thực hiện với sự gia tăng vừa phải cơ sở hạ tầng truyền dẫn.
SAPP có 12 quốc gia đại lục, 9 trong số đó được kết nối vật lý với nhau thông qua một mạng lưới chung. Kết nối của Malawi sẽ được hoàn thành vào năm 2023 và có kế hoạch bổ sung thêm hai quốc gia còn lại: Angola và Tanzania.
Đây là bài báo đầu tiên trong số bốn bài báo mà nhóm đã sản xuất như một phần của dự án lớn hơn tập trung vào tương lai năng lượng của Nam Phi.
Họ hiện đang phân tích kết quả của cuộc khảo sát các bên liên quan và nhà hoạch định chính sách để hiểu các rào cản đối với việc giới thiệu năng lượng tái tạo trong khu vực.
Và họ đang xem xét các tác động đa dạng sinh học có thể có của các nguồn năng lượng tái tạo khác nhau. Cuối cùng, nhóm có kế hoạch đánh giá biến đổi khí hậu có thể tác động đến ngành năng lượng như thế nào.
“Bài báo đặc biệt này dựa trên các điều kiện môi trường hiện tại,” Deshmukh nói. “Bài báo tiếp theo sẽ bao gồm những ảnh hưởng từ biến đổi khí hậu.”
