Trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng toàn cầu hướng tới mục tiêu giảm phát thải carbon và đạt net-zero vào năm 2050, năng lượng tái tạo như điện gió và điện mặt trời đang phát triển mạnh mẽ. Đồng, với tính dẫn điện và dẫn nhiệt vượt trội, đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống này. Bài viết này sẽ phân tích chi tiết về nhu cầu đồng trong sản xuất điện gió và điện mặt trời, bao gồm ứng dụng cụ thể, lượng sử dụng, dự báo nhu cầu và các thách thức liên quan, dựa trên dữ liệu từ các nguồn uy tín.
Giới thiệu về vai trò của đồng trong năng lượng tái tạo
- Đồng là kim loại thiết yếu trong chuyển đổi năng lượng, được sử dụng trong các công nghệ cốt lõi như pin mặt trời, turbine gió, cáp điện và hệ thống lưu trữ năng lượng. So với sản xuất điện truyền thống (như nhiên liệu hóa thạch hoặc hạt nhân), hệ thống năng lượng tái tạo sử dụng đồng nhiều hơn từ 4-6 lần trên mỗi MW công suất. Lý do chính là do bố trí phân tán của các hệ thống tái tạo, đòi hỏi hệ thống cáp và kết nối phức tạp hơn để truyền tải năng lượng hiệu quả mà không mất mát. Theo Tổ chức Năng lượng Quốc tế (IEA), đến năm 2050, 50% nhu cầu đồng toàn cầu sẽ dành cho các công nghệ năng lượng sạch. Nhu cầu đồng từ năng lượng tái tạo dự kiến tăng từ 4% tổng tiêu thụ năm 2020 lên 17% vào năm 2030, và có thể cao hơn nếu đạt mục tiêu net-zero.
Vai trò và nhu cầu đồng trong sản xuất điện gió
Điện gió, bao gồm gió onshore (trên bờ) và offshore (ngoài khơi), là một trong những nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất. Đồng được sử dụng rộng rãi trong turbine gió do khả năng dẫn điện cao, giúp chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng hiệu quả.
Ứng dụng cụ thể
- Cuộn dây trong máy phát điện (generator): Đồng được dùng trong stator và rotor để tạo ra điện từ chuyển động quay của cánh quạt. Các loại generator khác nhau như đồng bộ nam châm vĩnh cửu (permanent magnet synchronous generators) có thể cần đến 600-2150 kg đồng/MW.
- Cáp điện và kết nối: Bao gồm cáp cao áp và thấp áp nối nacelle (phần đầu turbine) với chân đế, cũng như cáp ngầm dưới biển cho gió offshore. Đây là phần chiếm tỷ lệ lớn nhu cầu đồng do khoảng cách xa giữa các turbine.
- Biến áp (transformers) và hộp số (gearboxes): Đồng trong cuộn dây biến áp để tăng điện áp cho lưới điện, và trong hộp số để tăng tốc độ quay.
- Hệ thống grounding và chống sét: Đồng hoặc đồng mạ thép dùng để grounding turbine, bảo vệ khỏi sét đánh, với khoảng 750 kg/2 MW.
- Các bộ phận phụ: Như động cơ pitch và yaw (điều chỉnh góc cánh), điện tử công suất (converters, khoảng 150 kg/2 MW), và hệ thống làm mát.
Lượng đồng sử dụng
- Onshore: Khoảng 7,766 lbs (3.5 tấn)/MW.
- Offshore: Cao hơn, khoảng 21,068 lbs (9.5 tấn)/MW do cáp ngầm dài hơn.
- Trung bình: 2.7 tấn/MW cho turbine 3 MW với hộp số ba cấp; lên đến 10.5 tấn/MW cho offshore. Một trang trại gió có thể cần 2.000-7.000 tấn đồng.
- Toàn cầu: Năm 2018, sản xuất turbine gió sử dụng 450.000 tấn đồng/năm.
Vai trò và nhu cầu đồng trong sản xuất điện mặt trời
Điện mặt trời, bao gồm quang điện (PV) và nhiệt mặt trời (CSP), phụ thuộc vào đồng để truyền tải năng lượng từ pin mặt trời đến lưới điện một cách hiệu quả.
Ứng dụng cụ thể
- Dây dẫn và ribbon trong pin mặt trời: Đồng dùng để kết nối các cell PV, đặc biệt trong công nghệ CIGS (copper indium gallium selenide). Nó giúp dẫn điện từ cell đến inverter.
- Cáp điện: Bao gồm cáp DC từ pin đến inverter, cáp AC thấp áp và cao áp đến lưới. Do bố trí phân tán, nhu cầu cáp cao hơn so với điện truyền thống.
- Inverter và điện tử công suất: Đồng trong cuộn dây và mạch để chuyển đổi DC sang AC.
- Hệ thống grounding và mạng lưới: Đồng cho earthing grid, bảo vệ chống sét và chống ăn mòn trong môi trường ẩm ướt.
- Trong CSP: Đồng trong ống dẫn nhiệt, máy phát chính, bơm và quạt, đặc biệt trong hệ thống parabol trough hoặc tower.
Lượng đồng sử dụng
PV: Khoảng 5.5 tấn/MW.
CSP: 3.9-4.4 tấn/MW tùy loại (ví dụ: 196 tấn cho nhà máy 50 MW parabol trough).
Toàn cầu: Năm 2011, PV sử dụng 150.000 tấn đồng/năm.
Dự báo nhu cầu đồng và thách thức
- Nhu cầu đồng từ gió và mặt trời dự kiến tăng mạnh. Từ 2018-2027, năng lượng gió cần khoảng 4.76 tấn/MW cho 48.721 MW lắp đặt mới. Đối với mặt trời, 262 GW mới ở Bắc Mỹ cần 1.9 tỷ lbs (khoảng 862.000 tấn) đồng. Toàn cầu, nhu cầu đồng hàng năm từ gió và mặt trời sẽ tăng 813.000 tấn vào 2027, tăng 56% so với 2018. Tổng nhu cầu đồng toàn cầu dự kiến đạt 36.6 triệu tấn vào 2031, với khoảng trống cung cấp 6.5 triệu tấn.
- Lợi ích: Đồng giúp giảm mất mát năng lượng, tăng hiệu suất hệ thống, và có thể tái chế 100%. Thách thức: Cung cấp đồng có thể thiếu hụt, chi phí tăng, và cần khai thác bền vững để tránh tác động môi trường.
- Nhu cầu đồng trong sản xuất điện gió và điện mặt trời là yếu tố then chốt cho chuyển đổi năng lượng bền vững. Với lượng sử dụng cao và dự báo tăng trưởng mạnh, đồng không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn hỗ trợ mục tiêu toàn cầu về năng lượng sạch. Tuy nhiên, cần các chiến lược tái chế và khai thác trách nhiệm để đáp ứng nhu cầu mà không ảnh hưởng đến môi trường. Các quốc gia và doanh nghiệp nên đầu tư vào công nghệ đồng để thúc đẩy năng lượng tái tạo hiệu quả hơn.
