Bức tranh điện gió ngoài khơi: Triển vọng và những vấn đề đặt ra (Kỳ VII)

Mặc dù việc tăng tính kinh tế theo quy mô hoặc sản xuất hàng loạt có thể giải quyết hiệu quả chi phí sản xuất song điều này thường bỏ qua khía cạnh quan trọng không kém là chi phí lắp đặt. Nhận thức được điều này, những người chơi lớn có kinh nghiệm trong lĩnh vực công nghiệp ngoài khơi đã phát triển các phương pháp hiệu quả để cắt giảm chi phí lắp đặt trang trại điện gió ngoài khơi một cách có hệ thống, ví như hãng HARTING Technologiegruppe (CHLB Đức) và Smulders (Vương quốc Bỉ), những nhà cung cấp chính cho các cơ sở hạ tầng ngoài khơi trong lĩnh vực điện gió ngoài khơi.

Quy trình sản xuất một số thiết bị gió ngoài khơi không thay đổi kể từ khi chúng được phát triển lần đầu tiên

Hãng Smulders đã làm việc với nhiều nhà sản xuất turbine gió ở các nước khác nhau trên thế giới để đặt ra những thách thức đặc biệt. Một mặt, họ phải tuân thủ các quy định về xây dựng điện và truyền thông địa phương của các quốc gia khác nhau, mặt khác, họ gặp phải các loại turbine khác nhau do các nhà sản xuất turbine gió khác nhau cung cấp. Một giải pháp đổi mới là triển khai tấm cắm như một 'giao diện tiêu chuẩn', cho phép tất cả các kết nối turbine được thực hiện thông qua “cắm và dùng”. Cách tiếp cận này cũng đơn giản hóa việc giao tiếp và thử nghiệm.

Nhóm Công nghệ HARTING đã làm việc với Smulders về tấm phích cắm để khắc phục những khó khăn về mặt kỹ thuật. Ngoài các chức năng cơ bản là kết nối tốt và khả năng cắm dễ dàng tại chỗ, các chức năng bảo vệ đặc biệt khác nhau rất quan trọng đối với các ứng dụng điện gió ngoài khơi khi mà cần có khả năng bảo vệ chống thấm nước cao IP69K để loại bỏ phân chim bằng máy làm sạch áp suất cao bởi vì đế móng đáy có thể vẫn còn ở trên biển trong nhiều tháng hoặc nhiều năm trước khi lắp đặt turbine gió. Sự kết hợp giữa tia cực tím, phun muối, phạm vi nhiệt độ rộng, gây sốc và rung trong thời gian sử dụng dự kiến từ 25 năm đến 40 năm gây áp lực cực lớn lên bề mặt và vòng đệm của đầu nối. Kết quả xuất sắc của phích giắc cắm của Smulders và HARTING đã xác nhận rằng việc tiêu chuẩn hóa “giao diện” thông qua “plug & play” sẽ giúp giảm đáng kể chi phí lắp đặt ngoài khơi.

Tàu biển MV: Các tàu chuyên dụng để lắp đặt turbine gió ngoài khơi và lắp đặt đế móng đáy được chia thành hai loại: tàu tự nâng (chủ yếu dành cho turbine gió), bao gồm tàu tự hành và sà lan không có động cơ đẩy và tàu cần cẩu hạng nặng (chủ yếu dùng cho lắp đặt đế móng đáy). Hai yếu tố chính đã ảnh hưởng đến sự sẵn có của các loại tàu trên khi công suất MW của turbine gió ngoài khơi tiếp tục tăng vượt quá 12 MW công suất: Trọng lượng của nacelle là lớp vỏ bọc turbine gió, giúp bảo vệ các thiết bị bộ phận bên trong turbine (công suất 10-15 MW nặng từ 500 tấn đến 800 tấn), tháp (công suất 14 MW nặng hơn 2 nghìn tấn) và phần đế móng đáy (siêu nặng, nặng hơn 1.000 tấn); và chiều cao trục hub turbine (đối với công suất 8-14 MW thì chiều cao dao động từ 109m đến trên 150m).

Theo cập nhật cơ sở dữ liệu về tàu lắp đặt turbine gió ngoài khơi toàn cầu (wind turbine installation vessel-WTIV) của GWEC Market Intelligence, tháng 9/2023, Trung Quốc và châu Âu vận hành phần lớn các tàu cần cẩu hạng nặng và tàu tự nâng, tiếp theo là châu Á (trừ Trung Quốc), các khu vực Trung Đông và Bắc Mỹ. Theo dự báo sẽ không có trở ngại nào trong việc đáp ứng nhu cầu toàn cầu về WTIV ngoài khơi cho đến năm 2026. Dự báo về tình hình chuỗi cung ứng giai đoạn 2027–2030, GWEC Market Intelligence kỳ vọng Trung Quốc sẽ không phải đối mặt với những hạn chế về khả năng sẵn có của WTIV bởi vì lĩnh vực công nghiệp trong nước có thể giải quyết thách thức lắp đặt kích thước turbine ngày càng tăng thông qua các đội tàu mới được cải tạo và chế tạo riêng đang được đóng mới (27 WTIV) cũng như đã lên kế hoạch đóng mới. Các WTIV Trung Quốc này sẽ tiếp tục hỗ trợ việc lắp đặt các turbine gió gần bờ tại Việt Nam. Ngoài ra, Trung Quốc còn là quốc gia đi đầu trong lĩnh vực đóng tàu WTIV, với các nhà máy đóng tàu trong nước như COSCO, CIMC Raffles và CMHI đã giành được phần lớn các đơn đặt hàng WTIV trong ba năm qua bởi các nhà khai thác đội tàu lớn của châu Âu như là Cadeler, Jan De Nul, Seaway 7 ASA, Van Oord và Havfram.

Hiện các nhà khai thác châu Âu sẽ tiếp tục tung ra WTIV của họ trong hai năm tới để đáp ứng nhu cầu tại các thị trường châu Á mới nổi khác, chủ yếu là Đài Loan-Trung Quốc, Nhật Bản và Hoa Kỳ. Do đó, các thị trường này sẽ cần tìm giải pháp để đáp ứng nhu cầu WTIV trong tương lai. Do các đội tàu WTIV ngoài khơi lớn rất tốn kém và đòi hỏi lực lượng lao động lành nghề cũng như bí quyết cụ thể nên việc hợp tác khu vực ở APAC là rất quan trọng để đảm bảo việc triển khai điện gió ngoài khơi không bị trì hoãn, đặc biệt là ở các thị trường mới như CH Ấn Độ, Philippines, Australia và New Zealand.

Nghiên cứu điển hình: Sản xuất hàng loạt để thúc đẩy sự thành công của điện gió ngoài khơi: Hiện lĩnh vực công nghiệp gió ngoài khơi được xây dựng dựa trên công nghệ và khoa học kỹ thuật đã được chứng minh, giúp thúc đẩy thị trường năng lượng tái tạo vượt xa những gì được cho là có thể kể từ khi ra mắt ba thập kỷ trước. Kể từ đó, bối cảnh cạnh tranh toàn cầu ngày càng gay gắt trong khi các hoạt động sản xuất và chế tạo toàn cầu phải vật lộn để theo kịp với nhu cầu này. Hiện xem xét hai yếu tố chính dẫn đến chi phí chuyển đổi thép ống và thép tấm thành cho tài sản điện gió cố định hoặc nổi ngoài khơi: Chi phí vật liệu và chi phí nhân công. Việc thúc đẩy cắt giảm chi phí ở những khu vực này nằm ở hai thái cực đối lập nhau khi xem xét môi trường lạm phát cao độ, nơi mà nhiều khu vực đang hoạt động sản xuất ngày nay. Ngoài ra, việc tăng cường sử dụng các turbine lớn hơn trong điều kiện đất nền và nước đầy thách thức đã thúc đẩy nỗ lực thiết kế kỹ thuật theo hướng phát triển nhiều phương án cần thiết hơn nữa cho các đế móng đáy cố định và nổi lớn hơn.

Hiện đang diễn ra cuộc đua tranh giành công suất turbine MW lớn nhất nhằm đem lại lợi ích đối với lợi nhuận của dự án và cũng tạo ra hiệu ứng lan tỏa trong chuỗi cung ứng toàn cầu, nơi cần phải chuyển đổi thép sơ cấp. Do cuộc đua công nghệ trong lĩnh vực này dự kiến sẽ không sớm thay đổi nên điều cần khẩn trương xem xét việc đẩy nhanh quá trình tối ưu hóa sản xuất, bao gồm việc áp dụng các phương pháp đã được thiết lập tốt trong các lĩnh vực công nghiệp khác, chẳng hạn như sản xuất hàng loạt. Việc sản xuất hàng loạt các bộ phận và chi tiết lặp đi lặp lại phụ thuộc vào tính nhất quán trong toàn bộ chuỗi cung ứng, từ ý tưởng ban đầu cho đến thiết kế cuối cùng. Việc áp dụng công nghệ tiên tiến và thực hành sản xuất cần được xem xét càng sớm càng tốt và vượt ra ngoài phạm vi một dự án đơn lẻ để đạt được chuỗi cung ứng toàn cầu bền vững. Trong môi trường hiện tại, các khu vực khác nhau trên thế giới cần thực hiện các dự án phát triển thông qua một số tiến bộ công nghệ đổi mới sáng tạo. Tuy nhiên, nhìn chung, quy trình sản xuất một số thiết bị gió ngoài khơi không thay đổi kể từ khi chúng được phát triển lần đầu tiên.

Với thách thức trên đang diễn ra, năng suất của lực lượng lao động càng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Lực lượng lao động có tay nghề cao đang suy giảm không phải là trường hợp duy nhất trong lĩnh vực điện gió ngoài khơi. Trên thực tế, xu hướng này đã tác động đến các lĩnh vực sản xuất công nghiệp nặng khác và dự kiến sẽ tăng tốc, đặc biệt khi xét đến độ tuổi trung bình của thợ hàn lành nghề ở nhiều khu vực là trên 45 tuổi và lực lượng lao động toàn cầu đang chuyển dần khỏi các lĩnh vực nghề đòi hỏi tay nghề cao. Để giúp bù đắp tác động của điều này, một số nỗ lực về công nghệ chế tạo trong lĩnh vực đang được tiến hành cho thấy nhiều hứa hẹn và đang bắt đầu đem lại những kết quả ban đầu.

Thứ nhất, việc sử dụng và áp dụng công nghệ hàn robotics cho các cấu kiện thép thứ cấp và một số bộ phận của chế tạo đế móng đáy cố định đã đạt được và cần được mở rộng lớn hơn. Công nghệ tự động hóa giúp cung cấp nguồn lực cần thiết và cần thiết để đáp ứng thời hạn của dự án, tuy nhiên, cần phải áp dụng nhiều hơn khi lĩnh vực này thúc đẩy khả năng cạnh tranh về chi phí cao hơn. Đối với đế móng nổi, bài học rút ra từ các lĩnh vực công nghiệp ngoài khơi và đóng tàu khác cam kết việc áp dụng các phương pháp tiếp cận chế tạo khối đế tương tự trong các nhà máy mới, nơi có thể sử dụng dây chuyền tấm thép panels và trạm hàn hoàn toàn tự động, có thể đơn giản hóa quy mô và quy mô rộng lớn hơn hiện đang được xem xét.

Thứ hai, các cơ hội mới đang xuất hiện để các nhà thiết kế, chế tạo cân nhắc khi áp dụng sản xuất sử dụng dây và hồ quang trong công nghệ bồi đắp (wire arcadditive manufacturing-WAAM) với việc sử dụng kỹ thuật lắng đọng năng lượng có hướng vốn, đã gia tăng đáng kể so với 5 năm trước đây, đáng chú ý nhất là trong lĩnh vực đóng tàu quân sự và dầu khí. Chỉ vài năm trước, WAAM với các bộ phận có trọng lượng dưới 100 kg (45 lb) có một số đặc điểm hình học được coi là hiện đại. Ngày nay, các bộ phận đang được chế tạo với trọng lượng hơn 4.500 kg (10.000 lb), dài quá 3,3 m (12 ft) và quy mô đang tăng lên nhanh chóng. WAAM có thể cung cấp cho các nhà thiết kế và kỹ sư cơ hội tạo ra các bộ phận quan trọng có cường độ làm việc cao mà thiết kế và sản xuất thép ống hoặc thép tấm thông thường không thể thực hiện được. Các đặc điểm bên trong và sự chuyển đổi hình học được tối ưu hóa giải quyết một trong những biến số quan trọng nhất của điện gió ngoài khơi, đó là tải mỏi cao (high fatigue) (sự tập trung ứng suất-stress concentration) hiện diện trong toàn bộ cấu trúc ngoài khơi.

Cuối cùng, việc triển khai thêm các công nghệ kết nối mới và/hoặc cải tiến công nghệ hàn đã được chứng minh kể từ khi lĩnh vực này mới thành lập là có thể và đã được hiện thực hóa khá đầy đủ. Các nhà máy ở một số thị trường ngày nay đang thành công trong việc theo kịp các sản phẩm bàn giao của dự án với chất lượng tương tự hoặc được cải thiện, điều này đem lại hy vọng đáp ứng các yêu cầu về hàm lượng nội địa do chính quyền trong nước đặt ra.

Cảng biển: Hiện cảng biển chuyên dụng đang cung cấp sự hỗ trợ từ khảo sát địa điểm trang trại điện gió ngoài khơi đến sản xuất linh kiện, lưu trữ, xây dựng, vận hành và ngưng trệ hoạt động với nhiều tên gọi khác nhau để phản ánh các chức năng liên quan đến điện gió ngoài khơi: Cảng khảo sát biển, cảng sản xuất, cảng sắp xếp (còn được gọi là cảng dàn) được sử dụng để thu thập và lưu kho các bộ phận của turbine gió trước khi chất tải chúng lên các tàu lắp đặt turbine gió, và cảng bảo trì vận hành. Do vậy, cần có thiết bị chuyên dụng, khu vực bố trí chuyên dụng và bến cảng để nâng hạ và lưu kho bãi các bộ phận lớn cho các turbine gió ngoài khơi thế hệ tiếp theo, quy mô lớn trước khi chất tải chúng lên WTIV. Tuy vậy, cần xem xét tính sẵn có của các cảng tập trung lớn để hỗ trợ phát triển điện gió ngoài khơi bởi vì những cơ sở này hiện đang là điểm nghẽn mới nổi ở một số thị trường toàn cầu.

Trên toàn thế giới, hiện có hơn 30 cảng xếp hàng lớn, trong đó 16 cảng ở khu vực APAC, châu Âu (14) và (Hoa Kỳ (1), tất cả đều có thể hỗ trợ chung công suất lắp đặt điện gió ngoài khơi 25 GW hàng năm. Hiện tại, Trung Quốc sở hữu 10 cảng tập trung trên khắp Bờ Đông, với tổng công suất hoạt động hàng năm trên 1 GW đủ để đáp ứng sự tăng trưởng của thị trường nội địa trong thập kỷ này. Tại các nước khác trong khu vực APAC, việc xây dựng các dự án điện gió ngoài khơi quy mô lớn dự kiến bắt đầu lần đầu tiên từ năm 2023 tại Nhật Bản, Hàn Quốc và Đài Loan-Trung Quốc. Kế hoạch mở rộng với tổng công suất 2,4 GW mỗi năm đã được công bố bởi một số cảng tập trung hiện có gần Biển Bắc. Ngoài ra, hơn 50 cảng khác trên toàn thế giới đã công bố kế hoạch hỗ trợ phát triển điện gió ngoài khơi. Nếu tất cả các kế hoạch trên đã công bố trở thành hiện thực thì công suất cảng hoạt động hàng năm sẽ có thêm 45 GW cho năng lượng gió ngoài khơi.

Để tránh tắc nghẽn nguồn cung, cần đầu tư đáng kể vào các cảng biển chuyên dụng với công suất cảng sẽ cần lớn hơn từ năm 2026 tại châu Âu. Tại khu vực APAC, ngoại trừ Trung Quốc, các cơ sở cảng hiện tại có thể sẽ bị kéo căng vượt quá khả năng đáp ứng nhu cầu trừ khi công suất cảng mới được xây dựng mới .Với việc chỉ có một cảng chuyên phục vụ điện gió ngoài khơi được xây dựng có mục đích, Hoa Kỳ cần nhiều xây dựng nhiều cảng hơn. Theo một khảo sát mới đây, hơn 50 dự án cảng điện gió ngoài khơi hiện đang được triển khai trên toàn cầu, về mặt lý thuyết đủ để hỗ trợ mức tăng trưởng dự kiến đến năm 2030. Tuy nhiên, sẽ cần khoản đầu tư ước tính trị giá 18 tỷ USD để đưa các dự án đã công bố này đi vào hoạt động, giả định chi phí trị giá 400 triệu USD để xây dựng một cảng tập kết với công suất hoạt động hàng năm là 1 GW. Với quy mô đầu tư cần thiết, những khó khăn kinh tế vĩ mô hiện tại và thời gian 3 năm để xây dựng một cảng chuyên dụng chuyên về điện gió ngoài khơi, cần có cam kết chính trị cùng với hợp tác khu vực để đảm bảo thực hiện. Điều này đặc biệt đúng trong giai đoạn đầu phát triển, khi thị trường vẫn chưa đạt được quy mô triển khai đáng kể.

Link nguồn:

https://www.connaissancedesenergies.org/sites/connaissancedesenergies.org/files/pdf-actualites/GOWR-2024_digital_final_2.pdf

Tuấn Hùng

Connaissance des Énergies