Trong 25 năm tới, nhu cầu tiêu thụ điện toàn cầu sẽ tăng gần gấp đôi, từ 20% tổng năng lượng tiêu thụ cuối cùng trong năm 2022 lên 37% vào năm 2050. Theo dự báo, hệ thống năng lượng mới - nơi mà phần lớn điện năng được sản xuất từ năng lượng gió, mặt trời dự kiến sẽ trở thành hiện thực ở hầu hết các quốc gia trong ba thập kỷ tới.

Tiêu thụ điện thay đổi nhanh chóng - Tăng trưởng và xanh hóa:

Tiêu thụ điện hàng năm trên thế giới theo lĩnh vực. Nguồn: IEA (2023), GlobalData (2023).

Vào năm 2023, tỷ lệ điện năng sản xuất từ năng lượng gió, mặt trời là 13%, dự kiến sẽ tăng lên 50% vào năm 2040 và 70% vào năm 2050. Đến năm 2050, 82% tổng điện năng sẽ từ nguồn tái tạo như thủy điện, địa nhiệt, sinh khối, năng lượng gió, mặt trời. Năng lượng hạt nhân chỉ chiếm 6% sản lượng điện, giảm từ 9% hiện tại, mặc dù công suất đặt tăng 41% so với hiện nay. Điều này cho thấy sự thay đổi lớn trong cơ cấu nguồn điện. Khi đó, chỉ 12% điện năng sẽ đến từ nguồn hóa thạch (than, khí và dầu), tạo ra sự đảo ngược đáng kể so với hiện tại, nhưng vẫn chưa hoàn toàn đáp ứng mục tiêu phát thải ròng bằng không.

Những thay đổi trong cơ cấu nguồn điện sẽ diễn ra khác nhau ở từng khu vực trên thế giới. Đến năm 2050, tất cả các khu vực đều vượt mốc 50% về tỷ trọng năng lượng gió, mặt trời trong cơ cấu nguồn điện, chỉ có khu vực Đông Bắc Á là vẫn phụ thuộc nhiều vào sản xuất điện từ hóa thạch.

Bảng 1: Tỷ lệ điện gió (ĐG) và điện mặt trời (ĐMT) trong cơ cấu điện của khu vực và toàn cầu:

Tăng trưởng và xanh hóa hệ thống điện của ba thị trường điện lớn nhất khu vực: Trung Quốc, Bắc Mỹ và châu Âu.

Sự tăng trưởng và giảm phát thải cacbon của ngành điện chủ yếu được thúc đẩy bởi chính sách và sự giảm giá liên tục của điện gió, mặt trời. Dự kiến, chi phí sản xuất điện quy dẫn (Levelized Cost of Energy - LCOE) cho điện mặt trời sẽ giảm một nửa (còn khoảng 21 USD/MWh vào năm 2050), khiến nó trở thành nguồn điện rẻ nhất.

Chi phí LCOE cho điện gió cũng sẽ giảm 44% (trên bờ), 36% (ngoài khơi - móng cố định) và 75% (ngoài khơi - móng nổi) vào năm 2050.

Các loại nhu cầu mới:

Nhu cầu điện toàn cầu dự kiến sẽ tăng từ 33 PWh (nghìn tỷ kWh) lên 68 PWh vào năm 2050, chủ yếu do nhu cầu ngày càng tăng đối với các ứng dụng hiện có, cũng như các loại phụ tải mới. Sự điện khí hóa giao thông, với 75% số lượng xe toàn cầu sẽ là xe điện, sẽ tăng thêm 7 PWh nhu cầu tiêu thụ mới. Các thiết bị điện phân kết nối với lưới sẽ tiêu thụ 3,4 PWh/năm để cung cấp hydrogen xanh.

Ngoài ra, nhu cầu làm mát do khí hậu ấm lên sẽ khiến lượng tiêu thụ tăng thêm 7,5 PWh/năm vào giữa thế kỷ.

Sản lượng hydro thế giới theo công nghệ sản xuất.

Khi các hộ gia đình trên toàn thế giới được điện khí hóa, tỷ lệ điện năng trong cơ cấu năng lượng của các tòa nhà sẽ tăng từ 34% vào năm 2022 lên 52% vào năm 2050. Sản lượng điện sử dụng trong sản xuất sẽ gần gấp đôi, với sự tăng trưởng mạnh trong thị trường bơm nhiệt công nghiệp. Tỷ lệ lò điện hồ quang trong sản xuất thép cũng sẽ tăng từ 26% hiện tại lên 49% vào năm 2050.

Các mô hình phụ tải mới:

Việc cho phép phụ tải thay đổi theo khả năng phát của nguồn điện tái tạo biến đổi sẽ trở thành yếu tố quan trọng trong hệ thống điện tương lai. Điều này sẽ đảo ngược mô hình truyền thống, trong đó nguồn điện luôn phải đồng bộ với phụ tải.

Khi xem xét các giới hạn của một lưới điện nhất định, phụ tải có thể được điều chỉnh để hấp thụ những đỉnh cao, hoặc thấp của nguồn điện năng lượng tái tạo không có lưu trữ, thay thế cho các giải pháp lưu trữ tốn kém. Tiềm năng của việc điều chỉnh phụ tải là rất lớn, nhưng cần đảm bảo lợi ích tài chính cho người tiêu dùng, điều này chưa rõ ràng trong hệ thống điện hiện tại. Việc tự động điều chỉnh phụ tải qua công tơ thông minh và các biểu giá điện tiên tiến là điều kiện cần thiết để đạt hiệu quả cho cả người tiêu dùng dân cư và công nghiệp.

Điều chỉnh phụ tải có thể tạo ra những mô hình hành vi đồng bộ mới, cùng với xe điện (EVs) và điện khí hóa các hộ tiêu thụ nhiệt, sẽ làm cho phụ tải trở nên liên quan hơn. Điều này cũng đặt ra những thách thức cho các nhà cung cấp điện để dự đoán chính xác mức sản lượng điện cần thiết. Việc áp dụng rộng rãi công tơ thông minh và các thiết bị giám sát khác sẽ cung cấp nhiều dữ liệu hơn cho các mô hình dựa trên dữ liệu ngày càng tinh vi để đáp ứng với các mô hình phụ tải thay đổi.

Thị trường mới cho dịch vụ linh hoạt và lưu trữ điện:

Khi tỷ lệ năng lượng tái tạo biến đổi tăng lên trong cơ cấu năng lượng, một thị trường lớn cho tính linh hoạt của cả nguồn điện và phụ tải sẽ xuất hiện. Dự báo cho thấy, với sự tăng trưởng gấp 8 lần của các nguồn năng lượng tái tạo, nhu cầu toàn cầu về tính linh hoạt ngắn hạn sẽ gần như tăng gấp đôi. Các thị trường này sẽ khác nhau giữa các khu vực, phụ thuộc vào tỷ lệ năng lượng tái tạo và khả năng kết nối giữa các quốc gia. Pin lithium-ion được dự đoán sẽ là nguồn cung chính cho tính linh hoạt trên toàn cầu, với công suất tăng từ 1,2 TWh vào năm 2030 lên 27 TWh vào năm 2050, có thể tích hợp với năng lượng tái tạo, hoặc hoạt động như các hệ thống độc lập.

Thị trường tính linh hoạt toàn cầu cung cấp bởi các công nghệ khác nhau, biểu diễn dưới dạng tỷ lệ phần trăm theo nhu cầu trung bình hàng năm.

Xe điện sẽ đóng vai trò ngày càng nổi bật trong thị trường linh hoạt, với dự báo rằng: 10% xe (khoảng 15 TWh) sẽ sẵn sàng hỗ trợ lưới điện vào năm 2050, nhờ vào công tơ thông minh và công nghệ kết nối xe vào lưới (Vehicle to Grid - V2G).

Đến năm 2030, chi phí đầu tư cho các hệ thống pin lithium-ion quy mô dân dụng dự kiến sẽ giảm xuống dưới 200 USD/kWh và khoảng 140 USD/kWh vào năm 2050. Khi chi phí giảm, thời gian lưu trữ trung bình của hệ thống pin lithium-ion sẽ tăng lên. Tuy nhiên, nhu cầu về lưu trữ dài hơn (lên đến 24 giờ) sẽ có khả năng được đáp ứng bởi các loại pin hóa học khác nhau, trong đó có pin lưu trữ vanadi thể hiện triển vọng kinh tế công nghệ rất hứa hẹn. Thủy điện tích năng sẽ vẫn quan trọng trong lưu trữ dài hạn, nhưng bị hạn chế bởi các yếu tố địa lý.

Ngoài ra, sản xuất hydrogen xanh từ điện năng lượng tái tạo dư thừa sẽ cung cấp thêm linh hoạt cho lưới điện trong tương lai.

Mở rộng lưới điện:

“Không có sự chuyển đổi nào mà không có truyền tải” là câu nói được nhắc lại nhiều lần tại COP28 ở UAE. Dự báo rằng, tổng chiều dài lưới điện truyền tải và phân phối sẽ tăng gấp đôi, từ 100 triệu km vào năm 2022 lên 200 triệu km vào năm 2050, cùng với việc công suất lưới điện toàn cầu tăng gấp 2,5 lần. Đặc biệt, lưới điện ngoài khơi sẽ phát triển mạnh mẽ, tăng khoảng 14 lần từ 0,2 triệu km lên 2,6 triệu km.

Một chương trình xây dựng lớn sắp tới đã được phê duyệt trong nhiều gói chính sách ở Mỹ, Trung Quốc, châu Âu, Nhật Bản và nhiều nơi khác. Sự quan trọng của việc kết nối giữa các khu vực qua đường dây HVDC ngày càng được công nhận, không chỉ tăng cường an ninh, tính linh hoạt năng lượng, mà còn giúp giảm đầu tư vào sản xuất, lưu trữ và cơ sở hạ tầng tại từng quốc gia.

Trong ngắn hạn, quá trình chuyển đổi năng lượng phải đối mặt với thách thức “tắc nghẽn lưới” khi nhiều dự án năng lượng tái tạo và trung tâm phụ tải lớn đấu nối với lưới điện, dẫn đến tình trạng vượt quá công suất truyền tải hiện có. Cần có một sự tập trung lớn vào việc xây dựng lưới điện mới ở hầu hết mọi quốc gia. Tuy nhiên, các công nghệ tăng cường lưới (Grid Enhancing Technologies - GETs) sẽ có tiềm năng rất lớn để giải quyết các tắc nghẽn này bằng cách tận dụng hiệu quả cơ sở hạ tầng lưới hiện tại thêm từ 10% đến 50% công suất - tạo thêm thời gian để xây dựng các chương trình hệ thống điện lớn.

Khối lượng đường dây truyền tải và phân phối theo khu vực.

Số hóa và trí tuệ nhân tạo (AI):

Các hệ thống điện hiện tại là những mạng lưới vật lý - ảo phức tạp, với hàng triệu thiết bị hoạt động đồng bộ. Tuy nhiên, các hệ thống mới sẽ còn phức tạp hơn do sự gia tăng năng lượng tái tạo biến đổi, lưu trữ và điều chỉnh phụ tải. Nhiều chuyên gia cho rằng, đầu tư vào công nghệ thông tin (IT) và công nghệ vận hành (OT), như điện tử công suất, cảm biến và công tơ thông minh, sẽ tăng lên trong những năm tới.

Diễn đàn Kinh tế Thế giới (World Economic Forum - WEF) ước tính rằng: Công nghệ số có thể tiết kiệm 1,8 nghìn tỷ USD chi phí đầu tư vào lưới điện toàn cầu đến năm 2050, trong khi việc không nâng cấp và số hóa cơ sở hạ tầng mạng sẽ mang lại tổn thất kinh tế lên đến 1,3 nghìn tỷ USD.

Từ góc độ an ninh, nguy cơ tấn công mạng đối với sản xuất điện, lưới điện và phụ tải điều khiển số đang gia tăng. Nhiều quy định mới về an ninh mạng đã được ban hành và dự kiến sẽ thắt chặt hơn nữa. Bên cạnh an ninh mạng, báo cáo khuyến nghị một chiến lược số hóa cho các hệ thống điện mới, tập trung vào các yếu tố cốt lõi của hệ thống kỹ thuật số phức tạp. Điều này bao gồm, nhưng không giới hạn ở việc tuân thủ các tiêu chuẩn và từ kinh nghiệm thực tiễn làm việc liên quan đến quản lý chất lượng dữ liệu, thu thập, truyền tải dữ liệu đáng tin cậy trong các hệ thống cảm biến, mô hình mô phỏng, bản sao kỹ thuật số, khung mô hình thông tin tài sản và cuối cùng là đảm bảo các hệ thống học máy, hỗ trợ AI.

Theo báo cáo, tác động của AI trong các hệ thống điện mới hiện đang bị đánh giá quá cao trong ngắn hạn và quá thấp trong dài hạn. Chúng ta còn rất xa để có thể giao phó việc quản lý điện năng của các nguồn điện biến đổi và của phụ tải bất định cho các AI “hộp đen” do còn tồn tại vấn đề về khả năng giải thích và “ảo giác AI”. Tuy nhiên, AI đã và đang tạo ra ảnh hưởng tích cực trên toàn bộ chuỗi giá trị của hệ thống điện, góp phần vào quá trình khử cacbon.

Một số ứng dụng quan trọng của AI bao gồm tối ưu hóa sản xuất điện tái tạo, bảo trì lưới điện, dự đoán mất điện, đánh giá dòng điện động và quản lý điều chỉnh phụ tải. Trong trung hạn, AI sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc dự báo phụ tải chính xác hơn, giúp các đơn vị vận hành lưới điện phản ứng hiệu quả trước sự phức tạp ngày càng tăng của các mô hình phụ tải, lưu trữ và nguồn năng lượng tái tạo tự dùng.

Khả năng chi trả:

Theo dự báo, đầu tư vào lưới điện toàn cầu sẽ tăng gấp đôi, từ 450 tỷ USD vào năm 2023 lên 970 tỷ USD vào năm 2050. Chi phí cho lưới điện sẽ chiếm hơn 25% tổng chi phí năng lượng vào năm 2050, trong khi hiện tại chỉ chiếm 15%. Sự gia tăng tỷ lệ này là do chi phí mở rộng lưới tăng lên, trong khi chi phí năng lượng hóa thạch dự kiến sẽ giảm trong tương lai.

Chi tiêu năng lượng trung bình toàn cầu trên đầu người.

Chi phí lưới điện tăng sẽ được tính chuyển sang người tiêu dùng, nhưng do lưới điện trong tương lai sẽ cung cấp gấp đôi lượng điện hiện tại, các khoản phí này có thể giữ ổn định, hoặc giảm ở hầu hết các khu vực. Mô hình hóa giá điện trong tương lai sẽ gặp thách thức từ chi phí dịch vụ phụ trợ linh hoạt, trong khi chi phí sản xuất dự kiến sẽ giảm nhờ vào tỷ trọng năng lượng tái tạo tăng. Thành phần thuế trong hóa đơn của người tiêu dùng cũng sẽ thay đổi giữa các khu vực, có thể bao gồm khoản bồi thường cho nhà sản xuất năng lượng tái tạo trong những trường hợp giá mua thấp, hoặc bằng không. Từ tất cả các yếu tố này, có khả năng giá điện sẽ giữ ổn định tương đối theo kWh từ nay đến 2050.

Một yếu tố quan trọng bên cạnh giá điện là hiệu suất năng lượng, khi các hộ gia đình điện khí hóa các nhu cầu sử dụng cuối cùng (chẳng hạn như giao thông truyền động bằng điện, hoặc các bơm nhiệt) sẽ giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí.

Dự báo cho thấy, chi tiêu năng lượng trung bình của hộ gia đình sẽ giảm so với mức GDP bình quân đầu người đang tăng trên toàn cầu từ nay đến 2050. “Lợi ích hiệu suất” này đạt được ở các cấp độ thành phố, khu vực và quốc gia. Việc chuyển đổi nhanh chóng, thông minh, an toàn sang các hệ thống điện mới sẽ là điều thiết yếu cho khả năng cạnh tranh của các thành phố và khu vực, cũng như trong bối cảnh khẩn cấp của biến đổi khí hậu toàn cầu.

Thực hiện: Kỹ sư Hoàng Bảo - PECC2

Tài liệu tham khảo: Energy transition outlook - New power systems: Electricity, renewables generation, and grids through to 2050, DNV, 2024.