Mô hình cung cấp năng lượng được phát triển cho việc lập kế hoạch và hoạch định chính sách
Tri thức năng lượng mô tả sự cân bằng giữa tính bền vững, công bằng và an ninh cung ứng cần được tính đến trong quá trình chuyển đổi năng lượng. Nguồn: Phòng thí nghiệm Khoa học và Công nghệ Vật liệu Liên bang Thụy Sĩ
Quá trình chuyển đổi năng lượng đặt ra những thách thức cho các quốc gia, thành phố và khu vực. Việc sử dụng các nguồn năng lượng bền vững là chìa khóa để ngăn chặn biến đổi khí hậu. Đồng thời, chi phí của hệ thống năng lượng không được vượt khỏi tầm kiểm soát và an ninh cung ứng phải được đảm bảo. Ba khía cạnh này - tính bền vững, chi phí và an ninh cung ứng - tạo thành cái được gọi là trilemma năng lượng.
Tri thức năng lượng được Hội đồng Năng lượng Thế giới phát triển để hỗ trợ các nhà hoạch định chính sách trong việc thiết kế các hệ thống năng lượng của tương lai. Bằng cách mô hình hóa ba tiêu chí trên cơ sở khoa học vững chắc, các kịch bản năng lượng khác nhau có thể được so sánh định lượng, lý tưởng nhất là tìm ra con đường mang lại sự cân bằng tối ưu giữa ba biến mục tiêu.
Tính bền vững và chi phí của các hệ thống năng lượng khác nhau hiện đã có thể được định lượng một cách đáng tin cậy bằng cách sử dụng một số mô hình. Tuy nhiên, cho đến nay, điều này vẫn chưa đúng với an ninh cung ứng. "Nhiều mô hình hiện có còn mơ hồ, không thân thiện với người dùng và không được thiết kế cho khả năng mô hình hóa hiện nay", Matthias Sulzer, Trưởng khoa Khoa học Kỹ thuật của Empa, cho biết.
Cùng với các nhà nghiên cứu từ Empa, ETH Zurich và Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley tại Hoa Kỳ, Sulzer đã phát triển một phương pháp tốt hơn để định lượng an ninh cung ứng năng lượng. Công trình này gần đây đã được công bố trên tạp chí iScience.
Năm cấp độ an ninh cung ứng năng lượng
Mô hình có dạng kim tự tháp với năm cấp độ. Các nhà nghiên cứu đã cung cấp các chỉ số định lượng cho mỗi cấp độ. Cấp độ dưới cùng, tự sản xuất, là một phép tính cân bằng năng lượng đơn giản: Một quốc gia có thể sản xuất bao nhiêu năng lượng từ nguồn tài nguyên của mình hàng năm và tiêu thụ bao nhiêu?
Cấp độ thứ hai mô tả tính tự chủ; tức là cần nhập khẩu bao nhiêu năng lượng trong năm và các tuyến đường nhập khẩu an toàn như thế nào. Bắt đầu từ cấp độ thứ ba của kim tự tháp, tính đầy đủ của hệ thống và các hiệu ứng động sẽ phát huy tác dụng. "Ở đây, chúng tôi xem xét từng giờ - hoặc ở độ phân giải cao hơn - liệu nhu cầu năng lượng có thể được đáp ứng tại bất kỳ thời điểm nào từ bất kỳ nguồn nào hay không", đồng tác giả Georgios Mavromatidis, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Hệ thống Năng lượng Đô thị của Empa, giải thích.
Cấp độ thứ tư liên quan đến khả năng tự cung tự cấp: Liệu đất nước có thể tự xoay xở mà không cần nhập khẩu vào một số thời điểm nhất định hay không? Ở cấp độ cao nhất, các nhà nghiên cứu đề cập đến việc tự cung tự cấp hoàn toàn, trong đó đất nước có thể tự sản xuất năng lượng bất cứ lúc nào trong năm (hoặc thậm chí lâu hơn).
Mô hình do các nhà nghiên cứu đề xuất cấu trúc an ninh cung cấp năng lượng thành năm cấp độ, được xây dựng dựa trên nhau nhưng được xem xét một cách tổng thể. Nguồn: Phòng thí nghiệm Khoa học và Công nghệ Vật liệu Liên bang Thụy Sĩ
Mặc dù các cấp độ này được xây dựng dựa trên nhau, Mavromatidis nhấn mạnh rằng tất cả chúng nên được xem xét đồng thời. "Các hệ thống năng lượng hiện đại rất phức tạp. Kim tự tháp này nhằm mục đích giúp đánh giá chính xác các chỉ số khác nhau và làm rõ thuật ngữ", nhà nghiên cứu cho biết. Điểm mạnh chính của nó so với các mô hình hiện có là các cấp độ cao hơn có tính đến các tác động động.
"Các hệ thống năng lượng tái tạo nói riêng được vận hành rất linh hoạt, bởi vì gió và mặt trời không phải lúc nào cũng có sẵn ở cùng mức độ", Mavromatidis nói. "Do đó, mức cân bằng trung bình hàng năm không phải là một chỉ báo tốt về an ninh cung ứng trong một hệ thống như vậy."
An ninh hơn với năng lượng tái tạo
Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng kim tự tháp nên được xem là đề xuất đầu tiên làm cơ sở cho các cuộc thảo luận, nghiên cứu và tinh chỉnh các chỉ số tiếp theo. Tuy nhiên, mô hình này đã có thể được sử dụng cho quy hoạch năng lượng. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh điều này trong nghiên cứu của họ, lấy Thụy Sĩ làm ví dụ. Họ đã sử dụng kim tự tháp để so sánh an ninh cung ứng năng lượng hiện tại ở Thụy Sĩ với kịch bản tương lai cho năm 2050, mà họ đã mô hình hóa trong một nghiên cứu trước đó với sự hợp tác của Hiệp hội các Công ty Điện lực Thụy Sĩ (VSE).
Phân tích cho thấy rằng với sự kết hợp phù hợp của các nguồn năng lượng tái tạo, Thụy Sĩ có thể tăng cường an ninh năng lượng trong tương lai. Theo Matthias Sulzer, hai yếu tố đặc biệt góp phần vào điều này: sự đa dạng hóa các nguồn năng lượng tăng lên và sản lượng trong nước cao hơn. Các cơ sở lưu trữ bổ sung cũng góp phần đảm bảo nguồn cung năng lượng, vì chúng có thể được sử dụng để khắc phục những biến động.
Điều này không chỉ bao gồm các hồ chứa thủy điện: "Các cơ sở lưu trữ nhiệt, nơi chúng ta có thể lưu trữ và sử dụng nhiệt thải công nghiệp, cũng rất quan trọng, tương tự như pin", nhà nghiên cứu giải thích. "Ví dụ, tại Empa, chúng tôi cũng đang nghiên cứu các phương pháp sử dụng ô tô điện để lưu trữ điện tạm thời khi chúng không lưu thông trên đường."
Thụy Sĩ sẽ không trở thành hoàn toàn tự cung tự cấp trong kịch bản tương lai của các nhà nghiên cứu—và đó cũng không nhất thiết là mục tiêu, theo Sulzer. "Đây chính là lúc bộ ba nan đề năng lượng phát huy tác dụng," ông giải thích. "Tất nhiên, về mặt kỹ thuật, Thụy Sĩ hoàn toàn có thể thiết lập được nguồn cung cấp năng lượng tự cung tự cấp. Ngay cả một hệ thống tự cung tự cấp và bền vững cũng khả thi—nhưng điều đó sẽ làm tăng đáng kể chi phí." Với sự kết hợp giữa nhập khẩu và sản xuất trong nước, cũng như các nguồn năng lượng khác nhau, Thụy Sĩ có thể cân bằng chi phí, tính bền vững và an ninh nguồn cung.
Thông tin thêm: Matthias Sulzer và cộng sự, Kim tự tháp an ninh nguồn cung năng lượng: Khuôn khổ định lượng cho việc lập kế hoạch và hoạch định chính sách, iScience (2025). DOI: 10.1016/j.isci.2025.112407
Thông tin tạp chí: iScience
