Làm thế nào Ấn Độ có thể khử cacbon cho hệ thống điện phụ thuộc vào than của mình?
của Nancy W. Stauffer, Viện Công nghệ Massachusetts
Ấn Độ đã cam kết giảm lượng khí thải carbon, một nhiệm vụ khó khăn vì hệ thống điện của nước này phụ thuộc vào nhiều nhà máy điện đốt than. Trong khi một số nhà máy tiết kiệm nhiên liệu (bên phải), nhiều nhà máy khác thì không (bên trái). Các nhà nghiên cứu của MITEI đã khám phá và làm rõ các lựa chọn khử cacbon của Ấn Độ và đã đăng các phương pháp và kết quả của họ để các quốc gia khác sử dụng trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng tương tự. Nguồn: Viện Công nghệ Massachusetts
Khi thế giới đang đấu tranh để giảm lượng khí thải carbon làm nóng khí hậu, Ấn Độ đã cam kết thực hiện phần việc của mình và thành công của họ là rất quan trọng: Vào năm 2023, Ấn Độ là quốc gia phát thải carbon lớn thứ ba trên toàn thế giới. Chính phủ Ấn Độ đã cam kết đạt mức phát thải carbon ròng bằng 0 vào năm 2070.
Để thực hiện lời hứa đó, Ấn Độ sẽ cần khử cacbon cho hệ thống điện của mình và đó sẽ là một thách thức: Toàn bộ 60% điện năng của Ấn Độ đến từ các nhà máy điện đốt than cực kỳ kém hiệu quả. Tệ hơn nữa, nhu cầu điện ở Ấn Độ dự kiến sẽ tăng gấp đôi trong thập kỷ tới do dân số tăng và sử dụng nhiều hơn máy điều hòa, ô tô điện, v.v.
Mặc dù đã đặt ra mục tiêu đầy tham vọng, nhưng chính phủ Ấn Độ vẫn chưa đề xuất kế hoạch để đạt được mục tiêu đó. Thật vậy, giống như ở các quốc gia khác, tại Ấn Độ, chính phủ vẫn tiếp tục cho phép xây dựng các nhà máy điện chạy bằng than mới, cải tạo các nhà máy điện cũ và hoãn thời hạn ngừng hoạt động.
Để giúp Ấn Độ xác định một kế hoạch hiệu quả và thực tế nhằm khử cacbon cho hệ thống điện của mình, cần phải giải quyết các câu hỏi chính. Ví dụ, Ấn Độ hiện đang nhanh chóng phát triển các máy phát điện gió và mặt trời không phát thải carbon. Còn những cơ hội nào để triển khai thêm thế hệ năng lượng tái tạo? Có cách nào để cải tạo hoặc tái sử dụng các nhà máy điện chạy bằng than hiện có của Ấn Độ có thể giảm đáng kể và tiết kiệm chi phí phát thải khí nhà kính không? Và câu trả lời cho những câu hỏi đó có khác nhau tùy theo khu vực không?
Yifu Ding, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại MITEI, và các đồng nghiệp của cô đã bắt đầu trả lời những câu hỏi đó bằng cách đầu tiên sử dụng máy học để xác định hiệu quả của từng nhà máy điện than hiện tại trong số 806 nhà máy điện than của Ấn Độ, sau đó nghiên cứu tác động của các phương pháp khử cacbon khác nhau đối với sự kết hợp của các nhà máy điện và giá điện vào năm 2035 theo các mức giới hạn phát thải ngày càng nghiêm ngặt.
Bước đầu tiên: Phát triển tập dữ liệu cần thiết
Một thách thức quan trọng trong việc phát triển kế hoạch khử cacbon cho Ấn Độ là thiếu tập dữ liệu hoàn chỉnh mô tả các nhà máy điện hiện tại ở Ấn Độ. Mặc dù các nghiên cứu khác đã lập kế hoạch, nhưng chúng vẫn chưa tính đến sự khác biệt lớn giữa các nhà máy điện chạy bằng than ở các khu vực khác nhau của đất nước. "Vì vậy, trước tiên chúng tôi cần tạo một tập dữ liệu bao gồm và mô tả tất cả các nhà máy điện than đang hoạt động ở Ấn Độ. Tập dữ liệu như vậy không có trong các tài liệu hiện có", Ding cho biết.
Việc lập kế hoạch tiết kiệm chi phí để mở rộng công suất của một hệ thống điện đòi hỏi phải biết hiệu quả của tất cả các nhà máy điện đang hoạt động trong hệ thống. Đối với nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng "tỷ lệ nhiệt trạm" làm thước đo tiêu chuẩn về hiệu suất nhiên liệu tổng thể của một nhà máy điện nhất định. Tỷ lệ nhiệt trạm của mỗi nhà máy là cần thiết để tính toán mức tiêu thụ nhiên liệu và sản lượng điện của nhà máy đó khi các kế hoạch mở rộng công suất đang được xây dựng.
Một số hiệu suất của các nhà máy điện than Ấn Độ đã được ghi nhận trước năm 2022, vì vậy Ding và nhóm của cô đã sử dụng các mô hình học máy để dự đoán hiệu suất của tất cả các nhà máy điện than Ấn Độ hiện đang hoạt động. Vào năm 2024, họ đã tạo và đăng trực tuyến bộ dữ liệu nguồn mở toàn diện đầu tiên cho tất cả 806 nhà máy điện ở 30 khu vực của Ấn Độ. Công trình đã giành được Giải thưởng Dữ liệu mở MIT năm 2024. Bộ dữ liệu này bao gồm công suất điện, hiệu suất, tuổi thọ, hệ số tải (một thước đo cho biết thời gian hoạt động của nhà máy), căng thẳng về nước, v.v. của từng nhà máy.
Ngoài ra, họ đã phân loại từng nhà máy theo thiết kế nồi hơi của nhà máy. Nhà máy "siêu tới hạn" hoạt động ở nhiệt độ và áp suất tương đối cao, giúp hiệu quả về mặt nhiệt động lực học, do đó tạo ra nhiều điện cho mỗi đơn vị nhiệt trong nhiên liệu. Nhà máy "dưới tới hạn" hoạt động ở nhiệt độ và áp suất thấp hơn, do đó hiệu quả về mặt nhiệt động lực học kém hơn. Hầu hết các nhà máy điện than của Ấn Độ vẫn là nhà máy dưới tới hạn hoạt động ở hiệu suất thấp.
Bước tiếp theo: Nghiên cứu các lựa chọn khử cacbon
Được trang bị bộ dữ liệu chi tiết bao gồm tất cả các nhà máy điện than ở Ấn Độ, các nhà nghiên cứu đã sẵn sàng nghiên cứu các lựa chọn để ứng phó với việc thắt chặt giới hạn phát thải carbon. Đối với phân tích đó, họ đã chuyển sang GenX, một nền tảng mô hình được phát triển tại MITEI để giúp hướng dẫn những người ra quyết định khi họ đầu tư và lập kế hoạch khác cho tương lai của hệ thống điện của mình.
Ding đã xây dựng một mô hình GenX dựa trên hệ thống điện của Ấn Độ vào năm 2020, bao gồm các chi tiết về từng nhà máy điện và mạng lưới truyền tải trên 30 vùng của đất nước. Cô cũng nhập giá than, các nguồn tài nguyên tiềm năng cho các cơ sở lắp đặt điện gió và điện mặt trời, và các thuộc tính khác của từng vùng.
Dựa trên các thông số được đưa ra, mô hình GenX sẽ tính toán sự kết hợp chi phí thấp nhất giữa thiết bị và điều kiện vận hành có thể đáp ứng mức nhu cầu trong tương lai đã xác định đồng thời đáp ứng các ràng buộc chính sách cụ thể, bao gồm giới hạn phát thải carbon. Mô hình và tất cả các nguồn dữ liệu cũng được phát hành dưới dạng các công cụ nguồn mở để tất cả người xem sử dụng.
Ding và các đồng nghiệp của cô—Dharik Mallapragada, cựu nhà khoa học nghiên cứu chính tại MITEI, hiện là phó giáo sư về năng lượng hóa học và sinh học phân tử tại Trường Kỹ thuật Tandon của NYU và là nhà khoa học thỉnh giảng của MITEI; và Robert J. Stoner, giám đốc sáng lập của Trung tâm Công nghệ và Thiết kế Tata thuộc MIT và cựu phó giám đốc khoa học và công nghệ của MITEI—sau đó đã sử dụng mô hình này để khám phá các lựa chọn nhằm đáp ứng nhu cầu vào năm 2035 theo các giới hạn phát thải carbon ngày càng chặt chẽ hơn, có tính đến các biến thể giữa các khu vực về hiệu suất của các nhà máy điện than, giá than và các yếu tố khác.
Họ mô tả các phương pháp và phát hiện của mình trong một bài báo được công bố trên tạp chí Energy for Sustainable Development.
Trong các lần chạy riêng biệt, họ đã khám phá các kế hoạch liên quan đến nhiều sự kết hợp khác nhau giữa các nhà máy điện than hiện tại, các nhà máy năng lượng tái tạo mới có thể có, v.v. để xem kết quả của chúng vào năm 2035. Cụ thể, họ đã giả định bốn "kịch bản phát triển lưới điện" sau:
Dự án cơ sở: Dự án cơ sở giả định sự phát triển hạn chế của điện gió và điện mặt trời trên bờ và không bao gồm các tùy chọn cải tạo, thể hiện một lộ trình kinh doanh như thường lệ.
Công suất tái tạo cao: Dự án này đòi hỏi phải phát triển điện gió và điện mặt trời trên bờ mà không có bất kỳ hạn chế nào về chuỗi cung ứng.
Đốt chung sinh khối: Kịch bản này giả định các giới hạn cơ sở về năng lượng tái tạo, nhưng ở đây tất cả các nhà máy điện than—cả dưới tới hạn và siêu tới hạn—đều có thể được cải tạo để "đốt chung" với sinh khối, một phương pháp mà sinh khối đốt sạch thay thế một phần nhiên liệu than. Một số nhà máy điện than ở Ấn Độ đã đốt chung than và sinh khối, do đó công nghệ này đã được biết đến.
Thu giữ và cô lập carbon cùng đốt chung sinh khối: Kịch bản này dựa trên các giả định giống như kịch bản đốt chung sinh khối với một bổ sung: Tất cả các nhà máy siêu tới hạn hiệu suất cao cũng được cải tạo để thu giữ và cô lập carbon (CCS), một công nghệ thu giữ và loại bỏ carbon khỏi luồng khí thải của nhà máy điện và chuẩn bị để xử lý vĩnh viễn. Cho đến nay, CCS vẫn chưa được sử dụng ở Ấn Độ. Nghiên cứu này chỉ rõ rằng 90% tổng lượng carbon trong khí thải của nhà máy điện đều được thu giữ.
Ding và nhóm của cô đã nghiên cứu quy hoạch hệ thống điện theo từng kịch bản phát triển lưới điện đó và bốn giả định về giới hạn carbon: không có giới hạn, đây là tình hình hiện tại; 1.000 triệu tấn (Mt) khí thải carbon dioxide (CO2), phản ánh các mục tiêu đã công bố của Ấn Độ cho năm 2035; và hai mục tiêu tham vọng hơn, cụ thể là 800 Mt và 500 Mt. Để biết bối cảnh, lượng khí thải CO2 từ ngành điện của Ấn Độ đạt tổng cộng khoảng 1.100 Mt vào năm 2021. (Lưu ý rằng việc mở rộng mạng lưới truyền tải được phép trong mọi kịch bản.)
Những phát hiện chính
Giả sử việc áp dụng mức giới hạn carbon theo bốn kịch bản đã tạo ra một loạt lớn các kết quả số chi tiết. Nhưng khi xét tổng thể, các kết quả cho thấy xu hướng thú vị trong sự kết hợp tối ưu về chi phí giữa công suất phát điện và chi phí điện theo các kịch bản khác nhau.
Ngay cả khi không có bất kỳ giới hạn nào về lượng khí thải carbon, hầu hết các công suất bổ sung mới sẽ là máy phát điện gió và mặt trời—lựa chọn có chi phí thấp nhất để mở rộng công suất phát điện của Ấn Độ. Trên thực tế, điều này hiện đang xảy ra ở Ấn Độ. Tuy nhiên, nhu cầu điện ngày càng tăng vẫn đòi hỏi phải xây dựng một số nhà máy điện than mới. Kết quả mô hình cho thấy công suất nhà máy điện than tăng từ 10% đến 20% vào năm 2035 so với năm 2020.
Theo kịch bản cơ sở, năng lượng tái tạo được mở rộng lên mức tối đa được phép theo các giả định, ngụ ý rằng việc triển khai nhiều hơn sẽ tiết kiệm. Công suất điện than được xây dựng nhiều hơn và khi mức giới hạn phát thải thắt chặt, cũng có khoản đầu tư vào các nhà máy điện khí đốt tự nhiên, cũng như pin để giúp bù đắp cho lượng điện mặt trời và gió không liên tục hiện nay. Khi áp dụng mức giới hạn carbon 500 Mt, chi phí sản xuất điện cao gấp đôi so với khi không áp dụng mức giới hạn.
Kịch bản công suất tái tạo cao làm giảm sự phát triển của công suất điện than mới và tạo ra chi phí điện thấp nhất trong bốn kịch bản. Theo mức giới hạn nghiêm ngặt nhất—500 Mt—các trang trại điện gió trên bờ đóng vai trò quan trọng trong việc giảm chi phí. "Nếu không, sẽ rất tốn kém để đạt được các hạn chế carbon nghiêm ngặt như vậy", Ding lưu ý.
"Một số nhà máy điện than chỉ hoạt động vài giờ mỗi năm nên không hiệu quả cũng như không khả thi về mặt tài chính. Nhưng chúng vẫn cần phải tồn tại để hỗ trợ điện gió và điện mặt trời." Cô giải thích rằng các nguồn điện dự phòng khác, chẳng hạn như pin, thậm chí còn tốn kém hơn.
Kịch bản đồng đốt sinh khối giả định cùng giới hạn công suất đối với năng lượng tái tạo như trong kịch bản cơ sở và kết quả cũng tương tự, một phần là do sinh khối thay thế một phần rất nhỏ - chỉ 20% - than trong nguyên liệu nhiên liệu. "Kịch bản này sẽ giống nhất với tình hình hiện tại ở Ấn Độ", Ding nói. "Nó sẽ không làm giảm chi phí điện, vì vậy về cơ bản chúng tôi muốn nói rằng việc bổ sung công nghệ này không đóng góp hiệu quả vào quá trình khử cacbon".
Nhưng CCS cộng với đồng đốt sinh khối lại là một câu chuyện khác. Nó cũng giả định giới hạn phát triển năng lượng tái tạo, nhưng đây là lựa chọn tốt thứ hai về mặt giảm chi phí. Theo mức giới hạn 500 Mt đối với khí thải CO2, việc cải tạo cả CCS và đồng đốt sinh khối sẽ giúp giảm 22% chi phí điện so với kịch bản cơ sở.
Ngoài ra, khi mức giới hạn carbon thắt chặt, tùy chọn này sẽ giảm phạm vi triển khai các nhà máy khí đốt tự nhiên và cải thiện đáng kể việc sử dụng nhà máy điện than nói chung. Việc sử dụng tăng lên đó "có nghĩa là các nhà máy điện than đã chuyển từ chỉ đáp ứng nhu cầu cao điểm sang cung cấp một phần tải cơ sở, điều này sẽ làm giảm chi phí sản xuất điện than", Ding giải thích.
Một số lo ngại
Mặc dù những xu hướng đó rất sáng tỏ, nhưng các phân tích cũng phát hiện ra một số lo ngại mà Ấn Độ cần cân nhắc, đặc biệt là với hai phương pháp mang lại chi phí điện thấp nhất.
Kịch bản năng lượng tái tạo cao, Ding lưu ý, "rất lý tưởng". Kịch bản này giả định rằng sẽ có ít hạn chế đối với việc phát triển công suất điện gió và mặt trời, do đó sẽ không có bất kỳ vấn đề nào với chuỗi cung ứng, điều này là không thực tế. Quan trọng hơn, các phân tích cho thấy việc triển khai phương pháp năng lượng tái tạo cao sẽ tạo ra sự đầu tư không đồng đều vào năng lượng tái tạo trên 30 khu vực.
Các nguồn lực cho các trang trại điện gió trên bờ và ngoài khơi chủ yếu tập trung ở một số khu vực ở miền tây và miền nam Ấn Độ. "Vì vậy, tất cả các trang trại điện gió sẽ được đặt ở những khu vực đó, gần nơi có các thành phố giàu có", Ding nói. "Các thành phố nghèo hơn ở phía đông, nơi có các nhà máy điện than, sẽ có ít đầu tư vào năng lượng tái tạo".
Vì vậy, cách tiếp cận tốt nhất về mặt chi phí không phải là tốt nhất về mặt phúc lợi xã hội, vì nó có xu hướng mang lại lợi ích cho các khu vực giàu có nhiều hơn các khu vực nghèo. "Giống như [chính phủ] sẽ cần cân nhắc đến sự đánh đổi giữa công bằng năng lượng và chi phí", Ding nói.
Việc ban hành các mục tiêu sản xuất năng lượng tái tạo ở cấp tiểu bang có thể khuyến khích phân bổ công suất lắp đặt năng lượng tái tạo đồng đều hơn. Ngoài ra, khi mở rộng đường truyền được lên kế hoạch, sự phối hợp giữa các nhà khai thác hệ thống điện và các nhà đầu tư năng lượng tái tạo ở các khu vực khác nhau có thể giúp đạt được kết quả tốt nhất.
CCS cộng với đốt chung sinh khối - lựa chọn tốt thứ hai để giảm giá - giải quyết vấn đề công bằng do năng lượng tái tạo cao gây ra và giả định mức độ áp dụng năng lượng tái tạo thực tế hơn. Tuy nhiên, CCS chưa được sử dụng ở Ấn Độ, vì vậy không có tiền lệ về mặt chi phí. Do đó, các nhà nghiên cứu đã dựa trên ước tính chi phí của CCS tại Trung Quốc và sau đó tăng mức đầu tư cần thiết thêm 10%—chỉ số "đầu tiên có một không hai" do Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ xây dựng.
Dựa trên các chi phí đó và các giả định khác, các nhà nghiên cứu kết luận rằng các nhà máy điện than có CCS có thể đi vào hoạt động vào năm 2035 khi mức giới hạn carbon cho sản xuất điện là dưới 1.000 Mt.
Nhưng liệu CCS có thực sự được triển khai ở Ấn Độ không? Mặc dù đã có thảo luận về việc sử dụng CCS trong ngành công nghiệp nặng, nhưng chính phủ Ấn Độ vẫn chưa công bố bất kỳ kế hoạch nào để triển khai công nghệ này tại các nhà máy điện chạy bằng than. Thật vậy, Ấn Độ hiện đang "rất bảo thủ về CCS", Ding nói.
"Một số nhà nghiên cứu cho rằng CCS sẽ không xảy ra vì nó quá tốn kém và miễn là không có mục đích sử dụng trực tiếp nào đối với carbon thu được, thì điều duy nhất bạn có thể làm là đưa nó xuống lòng đất". Bà nói thêm, "Thật sự gây tranh cãi khi nói về việc liệu CCS có được triển khai ở Ấn Độ trong 10 năm tới hay không".
Ding và các đồng nghiệp hy vọng rằng các nhà nghiên cứu và nhà hoạch định chính sách khác—đặc biệt là những người làm việc ở các nước đang phát triển—có thể hưởng lợi từ việc tiếp cận các tập dữ liệu của họ và tìm hiểu về các phương pháp của họ. Dựa trên những phát hiện của họ đối với Ấn Độ, bà nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiểu rõ tình hình địa lý chi tiết ở một quốc gia để thiết kế các kế hoạch và chính sách vừa thực tế vừa công bằng.
Thông tin thêm: Yifu Ding và cộng sự, Vai trò của các chiến lược cải tạo nhà máy điện than trong việc phát triển hệ thống điện không phát thải ròng của Ấn Độ: Phân tích dưới cấp quốc gia dựa trên dữ liệu, Năng lượng cho Phát triển bền vững (2025). DOI: 10.1016/j.esd.2025.101687
Bộ dữ liệu về Tỷ lệ nhiệt của trạm vận hành cho 806 đơn vị nhà máy điện than của Ấn Độ sử dụng Học máy. zenodo.org/records/13921645
