Header Page of 126 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Ngô Văn Tự ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG NĂNG LƢỢNG GIÓ KHU VỰC TỈNH NAM ĐỊNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2017 Footer Page of 126 Header Page of 126 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Ngô Văn Tự ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG NĂNG LƢỢNG GIÓ KHU VỰC TỈNH NAM ĐỊNH Chuyên ngành: Khí tượng Khí hậu học Mã số: 60440222 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRẦN VIỆT LIỄN Hà Nội – 2017 Footer Page of 126 Header Page of 126 LỜI CẢM ƠN Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Việt Liễn người thầy tận tình hướng dẫn bảo cho hoàn thành khóa luận văn Tôi xin cảm ơn Thầy Cô giáo cán Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học cung cấp cho kiến thức chuyên môn quý báu, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất suất thời gian học tập Tôi xin cảm ơn tới Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, tạo điều kiện cho trình học tập trường Tôi xin chân thành cảm ơn đến lãnh đạo Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi khí hậu, đặc biệt TS Mai Văn Khiêm, Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Khí tượng Khí hậu, toàn thể anh, em Trung tâm tạo điều kiện sở vật chất, để thực hành việc chạy mô hình tính toán Tôi xin cảm ơn chân thành đến lãnh đạoTrung tâm KTTV Quốc gia, Đài KTTV khu vực Đồng Bắc Bộ, Đài KTTV tỉnh Nam Định, toàn thể anh, chi, em đồng nghiệp quan, đặc biệt gia đình, người thân động viên tạo điều kiện tốt thời gian học tập Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội - 12/ 2016 Ngô Văn Tự Footer Page of 126 Header Page of 126 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 01 Chương TỔNG QUAN 02 1.1- NHU CẦU VÀ PHÁT TRIỂN NĂNG LƢỢNG GIÓ TRÊN 02 1.1.1 Nhu cầu sử dụng lượng Thế giới 02 1.1.2 Hiện trạng phát triển lượng gió giới 03 1.1.3 Tiềm phân bố nguồn lượng gió Thế giới 06 1.2- NHU CẦU VÀ TIỀM NĂNG NĂNG LƢỢNG GIÓ Ở VIỆT NAM 07 1.2.1 Nhu cầu sử dụng lượng nước ta 07 1.2.2 Hiện trạng phát triển lượng gió Việt Nam 08 1.2.3 Tiềm năng lượng gió đất liền Việt Nam 10 1.2.4 Tiềm năng lượng gió vùng biển Việt Nam 13 1.3 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ KHÍ HẬU TỈNH NAM ĐỊNH .14 1.3.1 Vị trí địa lý 14 1.3.2 Đặc điểm khí hậu tỉnh Nam Định 15 Chương SỐ LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19 2.1- THU THẬP, PHÂN TÍCH VÀ XỬ LÝ NGUỒN SỐ LIỆU 19 2.1.1 Số liệu dùng tính toán lượng gió 19 2.1.2 Phân tích xử lý nguồn số liệu .19 2.2 PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ LẬP BẢN ĐỒ NĂNG LƢỢNG 20 2.2.1 Phương pháp tính lượng gió từ số liệu đo 20 2.2.2 Tính tốc độ gió lớp cao dựa vào gió mặt đất 24 2.2.3 Mô hình tính lượng gió khu vực nhỏ Wasp dựa số liệu trạm 26 2.2.4 Tính lượng gió từ kết chạy mô hình khu vực WRF 28 2.3 NHỮNG KẾT QUẢ TRONG TÍNH TOÁN THỬ NGHIỆM 32 2.3.1 Kết xử lý số liệu 32 2.3.2 Kết tính đặc trưng gió trạm 32 2.3.3 Kết tính tốc độ gió lớp cao 33 2.3.4 Kết tính đặc trưng gió mô hình Wasp điểm quan trắc 34 2.3.5 Kết khai thác số liệu gió từ đầu mô hình WRF 36 Footer Page of 126 Header Page of 126 Chương ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG NĂNG LƢỢNG GIÓ KHU VỰC 38 3.1 ĐẶC ĐIỂM CHẾ ĐỘ GIÓ TỈNH NAM ĐỊNH 38 3.1.1 Hướng gió 38 3.1.2 Tốc độ gió 41 3.2 XÂY DỰNG CÁC BẢN ĐỒ PHÂN BỐ NĂNG LƢỢNG GIÓ 42 3.2.1 Bản đồ lượng gió từ mô hình WasP .44 3.2.2 Bản đồ phân bố tốc độ mật độ lượng gió từ mô hình WRF 45 3.3 ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG NĂNG LƢỢNG GIÓ KHU VỰC NAM ĐỊNH 47 3.3.1 Đánh giá tiềm năng lượng gió khu vực đất liền 47 3.3.1.1 Phân bố tiềm năng lượng gió độ cao đất liền 47 3.3.1.2 Phân bố tiềm năng lượng gió theo mùa 50 3.3.2 Đánh giá tiềm năng lượng gió vùng biển ven bờ 51 3.3.2.1 Phân bố tiềm năng lượng gió vùng biển ven bờ 51 3.3.2.2 Phân bố tiềm gió theo mùa vùng biển ven bờ 53 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 Footer Page of 126 Header Page of 126 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hình 1.2: Hình 1.3: Hình 1.4: Hình 1.5: Hình 1.6: Hình 1.7: Hình 1.8: Hình 1.9: Hình 1.10: Hình 1.11: Hình 1.12: Hình 1.13: Hình 1.14: Hình 1.15: Hình 1.16: Hình 1.17: Hình 1.18: Hình 2.1: Hình 2.2: Hình 2.3: Hình 2.4: Hình 2.5: Hình 2.6: Hình 2.7: Hình 3.1: Hình 3.2: Hình 3.3: Hình 3.4: Hình 3.5: Hình 3.6: Hình 3.7: Hình 3.8: Footer Page of 126 Nhu cầu lượng Thế giới tính đến năm 2040 03 Phát triển công suất lượng gió giới 04 Tốp 10 quốc gia phát triển điện gió giới 04 Hiện trạng phát triển điện gió khu vực giới 05 Công suất điện gió khơi giới tính đến năm 2015 05 Tổng công suất lắp đặt điện gió toàn cầu thực tế dự báo 05 Bản đồ phân bố tốc độ gió trung bình độ cao 100m 05 Sản lượng điện thương phẩm 07 Công trình điện gió xã Bình Thạnh-Tuy Phong-Bình Thuận 08 Công trình điện gió khơi tỉnh Bạc Liêu 08 Bản đồ tài nguyên gió Việt Nam độ cao 65 mét 11 Phân bố tổng lượng gió năm mức 10m lãnh 11 Phân bố tổng lượng gió năm mức 60m 12 Bản đồ tài nguyên lượng gió Việt Nam độ cao 80 13 Bản đồ mật độ lượng gió độ cao 80m Biển Đông 13 Phân bố mật độ lương gió khu vực vùng biển nông 14 Phân bố lương gió khu vực ven bờ biển (D 10 m/s, khu vực khác đất liền phần lớn khoảng – 5m/s, vài khu vực có tốc độ lớn 5m/s 1.2 NHU CẦU VÀ TIỀM NĂNG NĂNG LƢỢNG GIÓ Ở VIỆT NAM 1.2.1 Nhu cầu sử dụng lƣợng nƣớc ta Trong xu chung giới, Việt Nam ngoại lệ mà trình tăng dân số, đô thị hóa phát triên kinh tế, nhu cầu sử dụng lượng gia tăng mạnh mẽ Tính 15 năm trở lại đây, tốc độ tăng trưởng trung bình sản lượng điện nước Hình 1.8 Sản lượng điện thương phẩm (Nguồn EVN, 2015) ta cao 13%/năm - tức gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng GDP kinh tế (Hình 1.8) Năm 2000 với sản lượng điện thương phẩm 27.0 triệu MWh, đến năm 2014 đạt 128.43 tỷ kWh, tức tăng gấp 5,73 lần so với nhu cầu năm 2000 [14] Theo dự báo Tổng Công ty Điện lực Việt Nam (EVN), tốc độ tăng trưởng GDP bình quân hàng năm mức cao – 7% nhu cầu điện tiêu thụ Việt Nam vào năm 2020 khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 327.000 GWh Trong đó, huy động tối đa nguồn điện truyền thống sản lượng điện nội địa đạt mức tương ứng 165.000 GWh (năm 2020) 208.000 GWh (năm 2030) Điều có nghĩa kinh tế bị thiếu hụt điện cách nghiêm trọng, tỷ lệ thiếu hụt lên tới 20 - 30% năm Footer Page 15 of 126 Header Page 16 of 126 1.2.2 Hiện trạng phát triển lƣợng gió Việt Nam Có thể nói, tiềm gió Việt Nam lớn, việc nghiên cứu phát triển lượng gió công việc cần thiết Sự nghiên cứu triển khai lượng gió Việt Nam đ bước Nhưng phát triển lượng gió nước nhỏ lẻ khiêm tốn so với tiềm to lớn Việt Nam Bảng 1.1 cho ta thấy trạng khai thác phát triển điện gió Việt Nam Bảng 1.1: Hiện trạng khai thác lượng gió Việt Nam từ năm 1999 – 5/2016 Trang trại lƣợng gió Tua-bin gió loại gia đình (100-200W) Hệ lai ghép tua-bin gió (30.000W) - máy phát diesel Hệ lai ghép tua-bin gió (2.000W) - pin mặt trời Tua-bin gió loại lớn (800.000W/tuabin) Tua-bin gió loại (1,5MW/tuabin Tua-bin gió loại 2,0MW/tuabin Tua-bin gió loại 1,6MW/tuabin Số lƣợng Khoảng 1.000 Thời gian đƣa Khu vực lắp đặt vào vận hành Kể từ năm Khu vực ven biển miền Trung 1999 2000 Xã Hải Thịnh, Huyện Hải Hậu, Tỉnh Nam Định 2000 Huyện Đắc Hà, Tỉnh Kon Tum 2004 Đảo Bạch Long Vĩ 20 4/2012 Tuy Phong, Bình Thuận (giai đoạn 1) 2012 Đảo Phú Quý 62 01/2016 Vùng biển gần bờ tỉnh Bạc Liêu (Nguồn: IE, 2011) Ở giai đoạn trước năm 2005, điện gió nước ta chưa phát triển nhiều, hầu hết mức nghiên cứu đánh giá tiềm gió Trong thời gian này, công suất khai thác quy mô nhỏ từ 200W đến 3KW, công trình điện gió tiến hành vùng lưới điện quốc gia, với số lượng tuổi thọ thiết bị ngắn từ tháng đến năm [1, 9] Giai đoạn sau năm 2005, ngành công nghiệp điện gió Việt Nam đ có chuyển đáng kể Đặc biệt năm trở lại đây, điện gió có bước đột phá mở đường xây dựng công nghiệp non trẻ Dự án điện gió huyện Tuy Phong tỉnh Bình Thuận, coi dự án lớn Việt Nam Footer Page 16 of 126 Header Page 17 of 126 khởi công vào năm 2009, Công ty cổ phần lượng tái tạo (REVN) thực Trong giai đoạn có 20 tua-bin với chiều cao cột 85m, tổng công suất 30 MW đ nối lưới điện quốc gia vào tháng 4/2012, tổng sản lượng điện hàng năm Hình 1.9 Công trình điện gió xã Bình Thạnh-Tuy Phong tỉnh Bình Thuận (Nguồn: Cổng TT Điện tử tỉnh Bình Thuận) lên đến 85 triệu KWh (hình 1.9) Sau dự án Tuy Phong, dự án điện gió đảo Phú Quý với tua bin, tổng công suất 6MW đ lắp đặt xong vận hành an toàn, góp phần giải tình trạng thiếu điện sinh hoạt sản xuất cho 33.000 dân đảo Cùng với nhà máy điện gió Bình Thuận, nhà máy điện gió Bạc Liêu xem điểm đột phá mở đường cho công nghiệp phong điện khơi nước ta Đây dự án điện gió biển lớn nước ta, với 62 tuabin, có chiều cao 82,5m, tổng công suất 99,2 MW hàng năm dự tính sản xuất 320 triệu KWh/ năm (hình 1.10) Hình 1.10 Công trình điện gió khơi tỉnh Bạc Liêu (Nguồn: Cổng TT Điện tử tỉnh Bạc Liêu) Sau năm xây dựng (từ 9/2010) nhà máy đ hoàn thành toàn đưa vào hoạt động 62 tua-bin, thức hòa vào lưới điện quốc gia ngày 17/01/2016 Tính đến nay, Việt Nam đ có nhà máy điện gió xây dựng phát điện thương mại, với tổng công suất lắp đặt khoảng 140MW Ngoài ra, có gần 50 dự án điện gió khác trình nghiên cứu lập dự án đăng ký toàn lãnh thổ Việt Nam, tập trung chủ yếu tỉnh miền Trung Nam Bộ, với tổng công suất đăng ký gần 5.000MW, quy mô công suất dự án từ 6MW đến 250MW [13] Tuy nhiên, suất đầu tư dự án điện gió cao, giá mua điện gió thấp, xem chưa hấp dẫn Footer Page 17 of 126 Header Page 18 of 126 nhà đầu tư điện gió nước Do vậy, tỷ lệ dự án phong điện triển khai, vào hoạt động chiếm khoảng 10% tổng số dự án đăng ký Bảng 1.2 danh sách trạng phát triển dự án điện gió Việt Nam Bảng 1.2: Các dự án điện gió triển khai Tỉnh Lạng Sơn Bình Định Phú Yên Lâm Đồng Ninh Thuận Bình Thuận Bà Rịa-Vũng Tầu Tiền Giang Bến Tre Trà Vinh Sóc Trăng Bạc Liêu Cà Mau Tổng cộng Số dự án 13 14 1 49 Công suất lắp đặt (MW) 200 250 50 70 1.068 1.541 100 280 93 350 99 300 3.906 Hiện trạng BC ĐT TK XD 1 1 1 1 33 13 VH 3 Hiện trạng: BC = Báo cáo đầu tư; ĐT = Dự án đầu tư; TK = Thiết kế kỹ thuật; XD = Đang xây dựng; VH = Đang vận hành (Nguồn: Dự án Năng lượng gió GIZ, 2012) 1.2.3 Tiề năng lƣợng gió đất liền Việt Nam Năm 2001, Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA) Ngân hàng Thế giới (WB) đ công bố nghiên cứu cho Việt Nam có tiềm lớn khu vực Đông Nam Á, với 39% tổng diện tích Việt Nam ước tính có tốc độ gió trung bình hàng năm lớn m/s độ cao 65m, tương đương với tổng công suất 513.360 MW, tức gấp 200 lần công suất nhà máy thủy điện Sơn La, 10 lần tổng công suất dự báo ngành điện năm 2020 Đặc biệt, 8% diện tích Việt Nam xếp hạng có tiềm gió tốt (hình 1.11) để xây dựng trạm điện gió cỡ lớn, quốc gia lân cận diện tích 0,2% Campuchia Thái Lan, Lào 2,9% Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát triển kinh tế khu vực khó khăn Việt Footer Page 18 of 126 10 Header Page 19 of 126 Nam có đến 41% diện tích nông thôn phát triển điện gió loại nhỏ Nếu so sánh số với nước láng giềng Campuchia có 6%, Thái Lan 9% Lào 13% diện tích Ngoài ra, có nhiều công trình nghiên cứu tiềm năng lượng gió nhà khoa học nước nghiên cứu Phan Mỹ Tiên, Bùi Thị Tân, Tạ Văn Đa, Trần Việt Liễn, Nguyễn Văn Thắng, Các nhà nghiên cứu cho rằng, tiềm gió mặt đất (độ cao 10m) lãnh thổ Việt Nam Hình 1.11 Bản đồ tài nguyên gió Việt Nam độ cao 65m [IEA, 2001] khai thác có hiệu lượng gió (hình 1.12) Trên phần lớn lãnh thổ, tổng nhìn chung nhỏ, có số nơi lượng gió năm không vượt 200kWh/m2 [2, 5, 6, 12] Cụ thể Bắc Bộ, nơi có tiềm đáng kể duyên hải từ Cẩm Phả đến Ninh Bình phần đồng tiếp giáp với duyên hải Tại nhiều vị trí nằm sát biển tỉnh thuộc Đồng Bằng Bắc Bộ, tổng lượng năm đạt tới 500 kWh/m2 Nhiều nơi d y núi cao Hoàng Liên Sơn, tổng lượng năm lớn 500 kWh/m2 Ở nửa phía Bắc Trung Bộ tiềm lại thấp, có dải duyên hải hẹp Hà Tĩnh, tỉnh vùng Bình Trị Thiên núi cao Hình 1.12 Phân bố lượng gió năm mức 10m lãnh thổ Việt Nam [2] d y Trường Sơn có tiềm hơn, nhiên mức 300 đến 400 kWh/m2 Phần lớn diện tích nửa phía Nam Trung Bộ vùng núi cao nguyên Tây Nguyên, có tiềm lớn lãnh thổ; trừ vùng đất thấp phía Tây giáp Footer Page 19 of 126 11 Header Page 20 of 126 Campuchia vùng núi thấp phía Đông thuộc tỉnh Quảng Ng i, Bình Định có tiềm nhỏ Đặc biệt vùng núi phía Đông Nam nối tiếp với biển (thuộc tỉnh Ninh Thuận, Bình Thuận Đồng Nai) có nhiều nơi tổng lượng năm đạt tới 500 kWh/m2 Duyên hải Nam Bộ có tiềm phong phú, đặc biệt duyên hải phía Tây từ Hà Tiên đến mũi Cà Mau lượng lớn Phần đồng Nam Bộ nằm sâu đất liền có tiềm nhỏ Trên hải đảo phía Đông, tổng lượng gió năm từ 700 kWh/m2 hải đảo gần bờ, tăng dần xa bờ, đảo Trường Sa 2.058 kWh/m2 Bạch Long Vĩ 3.064 kWh/m2 Trên đảo phía Nam lãnh thổ tiềm nhỏ hẳn, Côn Đảo 302 kWh/m2 Phú Quốc 440 kWh/m2 [11, 12] Tuy nhiên, đặc điểm phân bố gió, lên cao mạnh lượng gió mức độ cao lớn phong phú Tại độ cao 40, 60 80m tiềm năng lượng gió lớn nhiều so với mặt đất (tăng từ 1,6 đến 6,6 lần) Riêng hải đảo cách xa đất liền, vị trí nằm sát biển núi cao, tiềm năng lượng gió lớn Hình 1.13 1.14 cho thấy lãnh thổ Việt Nam có nhiều khu vực có tiềm năng lượng gió mức 60m 80m khả quan Ở mực 60 m đồ 1.13 tổng lượng gió năm lớn 500kWh/m2 Hầu hết hải đảo có tổng Hình 1.13 Phân bố tổng lượng gió năm mức 60 m [2] lượng gió năm lớn 1.000 kWh/m2 Trong đất liền, dãy núi cao Hoàng Liên Sơn, biên giới phía Đông tỉnh Lạng Sơn, tỉnh vùng cao Tây Nguyên vùng duyên hải suốt dọc từ Bắc vào Nam có tiềm năng lượng phong phú, có tổng lượng gió năm lên tới 1.300 – 2.000 kWh/m2 Footer Page 20 of 126 12 Header Page 21 of 126 Còn theo đồ 1.14 AWS TruePower phát triển năm 2010, khu vực duyên hải đồng Bắc Bộ tốc độ gió trung bình năm độ cao 80m đạt - 6m/s Khu vực miền Trung từ Thanh Hóa đến Đà Nẵng có dải sát biển có tốc độ đạt tới 5m/s Vào tới Nam Trung bộ, đặc biệt khu vực Ninh Thuận Bình Thuận tốc độ gió vùng ven biển đạt tới - 8m/s độ cao 80m Riêng khu vực Nam Bộ, với hầu hết tây Nam Bộ tốc độ gió Hình 1.14 Bản đồ tài nguyên gió Việt Nam mức 80 m [17] trung bình năm đạt - 6m/s 1.2.4 Tiềm năng lƣợng gi v ng iển Việt Nam Theo công trình nghiên cứu gần tác giả Trần Việt Liễn cộng tác viên (2009), cho tiềm năng lượng gió Việt Nam biển Bản đồ phân bố tiềm gió độ cao 80m (Hình 1.15) cho thấy Biển Đông, vùng kéo dài dọc theo hướng Đông Bắc – Tây Nam từ eo biển Đài Loan tới vùng biển khơi Nam Bộ nước ta có tiềm năng lượng cao đạt 300 – 600 W/m2 tức tổng lượng gió năm lên đến 5.000 kWh/m2 Trong khu vực ven biển cực Nam Trung Bộ trung tâm có mật độ lượng 400 - 800 W/m2 Ngoài ra, Hình 1.15 Bản đồ mật độ lượng gió độ cao 80m Biển Đông [5] khu vưc vịnh Bắc Bộ hình thành trung tâm có mật độ lượng đạt 300 400 W/m2 với tổng lượng gió năm đạt tới 3.500 kWh/m2 [5] Footer Page 21 of 126 13 Header Page 22 of 126 Các đồ hình 1.16 1.17 cho ta thấy, phân bố mật độ lượng gió vùng biển nông (có độ sâu d < 50 m) gần lãnh thổ Việt Nam vùng biển gần bờ (cách bờ D < 50 km) thuộc ven biển Việt Nam Cũng theo đánh giá trên, đảo khơi biển Đông có tiềm năng lượng gió dồi Tuy nhiên, mức độ cao, đảo xa bờ có tiềm lớn Hình 1.16 Phân bố mật độ lương gió vùng biển nông (d < 50m) quanh Việt Nam độ cao 80m [5] đảo phía Đông l nh thổ có tiềm lớn nhiều so với đảo phía Nam Có thể nói, tiềm năng lượng gió vùng biển Việt Nam lớn phân bố không Có hai trung tâm có tiềm lớn nước ta vùng biển khu vực Nam Trung Bộ - Nam Bộ vùng biển vịnh Bắc Bộ Vùng biển Vịnh Bắc Bộ có mật độ lượng gió lớn có khả khai thác hiệu Trong đó, khu vực vùng biển Bắc Trung Trung Bộ có tiềm năng lượng gió khả khai thác hiệu Hình 1.17 Phân bố lượng gió vùng ven bờ biển (D