Biến đổi khí hậu gia tăng rủi ro nhiệt độ cao, ảnh hưởng nghiêm trọng đến điện mặt trời mái nhà. Khám phá tác động, dự báo và giải pháp thích ứng cho hệ thống năng lượng sạch của bạn.
Biến đổi khí hậu đang đặt ra những thách thức mới cho ngành năng lượng mặt trời, đặc biệt là điện mặt trời mái nhà. Một nghiên cứu quốc tế chỉ ra rằng nhiệt độ tăng cao không chỉ làm giảm hiệu suất mà còn đẩy nhanh quá trình xuống cấp của các tấm pin, dẫn đến chi phí vận hành và bảo trì tăng vọt, có thể lên tới 20%. Bài viết này sẽ đi sâu vào phân tích những tác động này, dự báo các khu vực chịu ảnh hưởng nặng nề nhất và đề xuất những hành động cần thiết để ngành năng lượng mặt trời có thể thích ứng và phát triển bền vững trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp.
Biến đổi khí hậu: Mối đe dọa ngầm đối với điện mặt trời mái nhà
Hiểu rõ tác động kép: Nhiệt độ và sự xuống cấp của tấm pin
Trong bối cảnh thế giới đang nỗ lực chuyển đổi sang nguồn năng lượng sạch, điện mặt trời mái nhà (điện mặt trời áp mái) nổi lên như một giải pháp đầy tiềm năng, giúp giảm phát thải và tiết kiệm chi phí điện năng cho các hộ gia đình, doanh nghiệp. Tuy nhiên, ít ai ngờ rằng, chính sự ấm lên toàn cầu lại đang âm thầm đặt ra những thách thức không nhỏ cho “nguồn điện sạch” này. Nghiên cứu mới đây từ một nhóm các nhà khoa học quốc tế uy tín, với sự tham gia của các trường đại học danh tiếng tại Trung Quốc và Hoa Kỳ, đã đưa ra một cảnh báo đáng chú ý: biến đổi khí hậu sẽ làm gia tăng đáng kể các rủi ro liên quan đến nhiệt độ cao, từ đó đẩy nhanh quá trình xuống cấp và đội chi phí cho hệ thống điện mặt trời mái nhà trên phạm vi toàn cầu. Đây không chỉ là một dự báo mà còn là một lời kêu gọi hành động khẩn cấp cho toàn ngành năng lượng tái tạo.
Khác với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào tác động của sự ấm lên toàn cầu hay sự biến đổi của bức xạ mặt trời lên hiệu suất hoạt động, công trình này đã mạnh dạn đi sâu vào một khía cạnh ít được quan tâm hơn: sự xuống cấp nhanh chóng của các tấm pin mặt trời do nhiệt độ vận hành cao kéo dài. Vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng hơn đối với hệ thống điện mặt trời mái nhà bởi không gian lắp đặt thường hạn chế, dẫn đến việc nhiệt lượng dễ bị tích tụ, khó thoát ra ngoài. Các nhà nghiên cứu đã kết hợp các mô hình khí hậu tiên tiến với các phép mô phỏng kinh tế và đánh giá sự xuống cấp của công nghệ quang điện (PV) để đưa ra những dự báo chi tiết và chính xác về các khu vực có nguy cơ bị ảnh hưởng nặng nề nhất, cũng như xác định những nơi mà các tấm pin mặt trời có khả năng bị hư hỏng cao nhất do nhiệt độ tăng lên.
Nghiên cứu đột phá: Đánh giá toàn diện tác động nhiệt độ
Chia sẻ với pv magazine, tác giả chính của nghiên cứu, ông Haochi Wu, nhấn mạnh tầm quan trọng của công trình này: “Đây là phân tích toàn cầu đầu tiên định lượng được cách biến đổi khí hậu ảnh hưởng đến rủi ro nhiệt độ cao đối với các tấm pin mặt trời mái nhà”. Ông giải thích rằng các nghiên cứu trước đây chỉ xem xét những yếu tố có tác động tương đối khiêm tốn như tổn thất hiệu suất do ấm lên toàn cầu hoặc thay đổi bức xạ mặt trời. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã chủ động giải quyết một “điểm mù” quan trọng: sự xuống cấp nhanh chóng do nhiệt độ vận hành cao kéo dài. Đây là một vấn đề mà trước đây chưa từng được mô hình hóa một cách có hệ thống ở quy mô toàn cầu dưới các kịch bản khí hậu tương lai.
Những phát hiện từ nghiên cứu này càng củng cố thêm nhận định về sự cần thiết của việc điều chỉnh các tiêu chuẩn hiện hành. Ông Wu khẳng định, ngành công nghiệp năng lượng mặt trời cần “khẩn trương” xem xét và cập nhật các tiêu chuẩn về rủi ro nhiệt độ cao để có thể thích ứng một cách hiệu quả với một tương lai ngày càng ấm hơn. Hiện tại, tiêu chuẩn quốc tế IEC-63126 đang được áp dụng để xác định nơi xảy ra rủi ro nhiệt độ cao, dựa trên dữ liệu thời tiết lịch sử trong giai đoạn 1998-2020. Tuy nhiên, qua phân tích cho thấy, tiêu chuẩn này chỉ bao phủ được khoảng 74% công suất toàn cầu gặp rủi ro trong kịch bản ấm lên 2 độ C và chỉ còn 48% trong kịch bản ấm lên 4 độ C. Nếu các tiêu chuẩn này không được cập nhật để phản ánh đúng hơn các dự báo khí hậu trong tương lai, cả nhà đầu tư lẫn các đơn vị lắp đặt có thể sẽ đánh giá thấp nguy cơ xuống cấp, dẫn đến những hậu quả không mong muốn như tài sản bị đình trệ hoặc chi phí thay thế phát sinh vượt quá dự kiến.
Tầm quan trọng của việc cập nhật tiêu chuẩn: Bảo vệ khoản đầu tư và hiệu suất
Việc duy trì các tiêu chuẩn lỗi thời trong bối cảnh biến đổi khí hậu là một nguy cơ tiềm ẩn. Khi các tiêu chuẩn đánh giá rủi ro nhiệt độ cao không còn phản ánh đúng thực tế về sự gia tăng nhiệt độ trong tương lai, các dự án điện mặt trời mái nhà có thể được thiết kế và lắp đặt dựa trên những giả định không còn phù hợp. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của hệ thống mà còn tiềm ẩn nguy cơ thua lỗ tài chính cho nhà đầu tư. Họ có thể phải đối mặt với chi phí sửa chữa, bảo trì hoặc thậm chí là thay thế sớm các tấm pin không còn đáp ứng được yêu cầu. Do đó, việc chủ động cập nhật và điều chỉnh các tiêu chuẩn quốc tế là bước đi then chốt để đảm bảo sự phát triển bền vững và giảm thiểu rủi ro cho ngành năng lượng mặt trời.
Phân tích sâu: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu
Mô hình hóa đa tầng: Kết hợp khí hậu, vận hành và xuống cấp
Để đưa ra những dự báo chính xác và đáng tin cậy, nhóm nghiên cứu đã áp dụng một quy trình mô hình hóa phức tạp, bao gồm nhiều thành phần quan trọng. Đầu tiên, họ tích hợp dữ liệu khí hậu tương lai được thu thập từ 20 mô hình CMIP6. CMIP6 là một tập hợp các mô phỏng khí hậu hiện đại, cung cấp những dự báo chi tiết về các điều kiện môi trường cho đến năm 2100, sau khi đã trải qua quá trình hiệu chỉnh sai số để tăng độ chính xác. Theo xu hướng ngày càng được đồng thuận trong giới khoa học về việc định lượng tác động của biến đổi khí hậu, nhóm nghiên cứu đã tiến hành đánh giá các hiệu ứng ở các mức ấm lên khác nhau, bao gồm 1-4 độ C, với các khoảng giãn cách 0,5 độ C so với giai đoạn tiền công nghiệp. Điều này cho phép họ có một cái nhìn toàn diện về sự ảnh hưởng của biến đổi khí hậu ở các mức độ khác nhau.
Tiếp theo, các mô hình vận hành PV (quang điện) được sử dụng để tính toán mức độ nóng lên của các hệ thống điện mặt trời áp mái. Bằng cách sử dụng dữ liệu đầu vào từ các mô hình khí hậu, bao gồm bức xạ mặt trời dự báo, nhiệt độ không khí và tốc độ gió, họ đã tiến hành ước tính nhiệt độ của từng tấm pin và sản lượng điện sản sinh ra theo giờ trên phạm vi toàn cầu. Mọi mô phỏng trong nghiên cứu đều dựa trên giả định về việc sử dụng các tấm pin silicon tinh thể (c-Si) được lắp đặt trên mái dốc có độ nghiêng 20 độ, hướng về phía xích đạo (với góc phương vị là 180 độ hoặc 0 độ). Theo tiêu chuẩn của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC), rủi ro nhiệt độ cao tiêu chuẩn (HTR) được xác định khi phân vị thứ 98 của nhiệt độ tấm pin vượt quá 70 độ C. Trong khi đó, rủi ro HTR cực hạn được coi là xảy ra khi nhiệt độ vượt quá 80 độ C. Cách tiếp cận này đảm bảo tính nhất quán và khả năng so sánh với các tiêu chuẩn hiện hành.
Mô hình hóa Arrhenius: Dự báo tuổi thọ và chi phí dài hạn
Phần quan trọng cuối cùng trong quy trình nghiên cứu là việc áp dụng mô hình hóa Arrhenius để mô phỏng quá trình lão hóa của tấm pin dựa trên nhiệt độ. Mô hình Arrhenius là một phương pháp khoa học được sử dụng rộng rãi để dự đoán tốc độ của các phản ứng hóa học, bao gồm cả quá trình xuống cấp vật liệu. Trong bối cảnh này, nó giúp các nhà khoa học ước tính sự suy giảm về hiệu suất và tuổi thọ của các tấm pin mặt trời dưới tác động của nhiệt độ cao kéo dài. Nhóm nghiên cứu đã đưa ra giả định về một mức độ xuống cấp cơ sở là 0,66% mỗi năm. Đồng thời, họ cũng xác định rằng một tấm pin sẽ không còn khả năng sử dụng khi công suất của nó giảm xuống dưới 20% so với công suất ban đầu.
Dựa trên những giả định này và dữ liệu nhiệt độ dự báo, họ đã tiến hành tính toán chi phí điện năng quy dẫn (LCOE – Levelized Cost of Energy) cho các tấm pin phải chịu nhiệt độ cao hơn, có tuổi thọ ngắn hơn và sản lượng hàng năm bị giảm sút. LCOE là một chỉ số kinh tế quan trọng, phản ánh tổng chi phí phát sinh trong suốt vòng đời của một nhà máy điện, chia cho tổng sản lượng điện năng được sản xuất ra. Việc tính toán LCOE giúp đánh giá một cách toàn diện tính kinh tế của dự án điện mặt trời mái nhà dưới tác động của biến đổi khí hậu. Kết quả từ phép tính này sẽ cung cấp một bức tranh rõ ràng về những tác động tài chính mà ngành năng lượng mặt trời có thể phải đối mặt trong tương lai. Sự kết hợp của các mô hình khí hậu, mô hình vận hành PV và mô hình lão hóa Arrhenius tạo nên một nền tảng khoa học vững chắc cho những dự báo về rủi ro của điện mặt trời mái nhà.
Dữ liệu và kịch bản: Đảm bảo tính bao quát và chính xác
Việc sử dụng 20 mô hình CMIP6 cung cấp một phạm vi rộng lớn các dự báo khí hậu, giảm thiểu sự phụ thuộc vào một mô hình duy nhất và tăng cường độ tin cậy cho kết quả nghiên cứu. Các mô hình này được xây dựng dựa trên sự hiểu biết sâu sắc về các quy luật vật lý chi phối hệ thống khí hậu Trái Đất, từ đó đưa ra những dự báo có khả năng xảy ra cao. Việc hiệu chỉnh sai số cho các mô hình này là một bước quan trọng, giúp điều chỉnh những khác biệt nhỏ giữa dự báo của mô hình và dữ liệu quan sát thực tế, từ đó nâng cao độ chính xác của các dự báo khí hậu trong tương lai. Sự đa dạng trong các kịch bản ấm lên (từ 1-4 độ C với các bước nhảy 0,5 độ C) cũng cho phép nhóm nghiên cứu đánh giá được mức độ ảnh hưởng của biến đổi khí hậu ở các mức độ khác nhau, từ những thay đổi tương đối nhỏ cho đến những kịch bản cực đoan hơn. Điều này giúp người đọc có thể hình dung rõ ràng hơn về những thách thức tiềm tàng và chuẩn bị các biện pháp ứng phó phù hợp với từng tình huống.
Giải pháp và khuyến nghị: Thích ứng và phát triển bền vững
Tăng chi phí đáng kể: Tác động kinh tế không thể bỏ qua
Kết quả phân tích cho thấy mức độ tăng chi phí điện năng quy dẫn (LCOE) thực sự gây kinh ngạc, đặc biệt khi so sánh với những tác động được xem xét trong các nghiên cứu trước đây. Ông Wu chia sẻ rằng, ngay cả ở mức ấm lên 2,5 độ C, một số khu vực đã ghi nhận chi phí quy dẫn tăng tới 20%. Con số này lớn gấp khoảng 3 lần so với tác động của sự thay đổi hiệu suất hoặc bức xạ mặt trời mà các nghiên cứu trước đây đã tập trung vào. Điều này cho thấy, tác động của nhiệt độ cao kéo dài lên sự xuống cấp của tấm pin là một yếu tố kinh tế có trọng lượng đáng kể, có thể ảnh hưởng sâu sắc đến tính khả thi của các dự án điện mặt trời mái nhà.
Sự chênh lệch trong mức tăng chi phí giữa các khu vực cũng là một điểm đáng chú ý. Theo nghiên cứu, ở những khu vực vốn đã gặp khó khăn về kinh tế như châu Phi, Nam Á và một phần Nam Mỹ, gánh nặng chi phí tăng lên đáng kể hơn so với các khu vực giàu có hơn. Mức tăng này có thể lên tới gấp đôi ở các vùng dễ bị tổn thương nhất khi nhiệt độ Trái Đất tăng 4 độ C, so với các vùng ít bị ảnh hưởng hơn. Điều này làm dấy lên lo ngại rằng biến đổi khí hậu có thể làm trầm trọng thêm sự bất bình đẳng năng lượng, khi các khu vực vốn đã khó khăn lại phải đối mặt với chi phí cao hơn cho năng lượng sạch.
Điện mặt trời mái nhà: Công cụ công bằng hay nguy cơ xói mòn?
Ngành năng lượng mặt trời thường xem điện mặt trời phân tán (bao gồm cả điện mặt trời mái nhà) như một công cụ quan trọng để thúc đẩy công bằng năng lượng, mang lại khả năng tiếp cận năng lượng sạch và giá cả phải chăng cho mọi người dân. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của ông Wu cho thấy, nếu không có những chiến lược thích ứng phù hợp, biến đổi khí hậu có thể làm xói mòn chính cam kết về công bằng năng lượng này. Biến đổi khí hậu không chỉ làm tăng tốc độ xuống cấp của các tấm pin trên toàn cầu mà còn có nguy cơ nới rộng khoảng cách về chi phí và khả năng tiếp cận năng lượng sạch giữa các khu vực. Điều này đặt ra câu hỏi cấp bách về cách thức chúng ta có thể đảm bảo rằng năng lượng mặt trời thực sự phục vụ cho mục tiêu công bằng, ngay cả trong bối cảnh khí hậu thay đổi.
Nghiên cứu cũng chỉ ra một thực tế đáng lo ngại: nếu nhiệt độ Trái Đất tăng thêm 4 độ C, quy mô lắp đặt điện mặt trời mái nhà trên toàn thế giới nằm trong vùng rủi ro nhiệt độ cao sẽ tăng gấp gần hai lần so với hiện tại. Điều này có nghĩa là một phần lớn hơn của các hệ thống năng lượng mặt trời mái nhà sẽ phải đối mặt với các điều kiện vận hành khắc nghiệt, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật và tài chính tiên tiến hơn. Tầm quan trọng của việc chủ động ứng phó với tình huống này là vô cùng lớn, không chỉ để bảo vệ các khoản đầu tư hiện có mà còn để đảm bảo sự phát triển bền vững của ngành năng lượng mặt trời trong tương lai.
Hành động cần thiết: Cập nhật tiêu chuẩn và đổi mới công nghệ
Để giải quyết những thách thức này, nhóm nghiên cứu đã chủ động cung cấp các bản đồ tham chiếu toàn cầu. Những bản đồ này có thể đóng vai trò là cơ sở quan trọng để sửa đổi các tiêu chuẩn hiện hành, giúp chúng phản ánh chính xác hơn các điều kiện khí hậu tương lai. Hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã liên lạc và trao đổi với các chuyên gia từ Ủy ban Kỹ thuật IEC 82 – cơ quan chịu trách nhiệm xây dựng các tiêu chuẩn cho hệ thống năng lượng quang điện. Sự quan tâm mạnh mẽ mà các chuyên gia IEC thể hiện đối với công việc lập bản đồ rủi ro nhiệt độ cao dưới các kịch bản khí hậu tương lai cho thấy một sự đồng thuận ngày càng tăng về tầm quan trọng của vấn đề này. Đây là một tín hiệu tích cực, mở đường cho việc cập nhật các tiêu chuẩn quốc tế trong tương lai gần.
Bên cạnh việc cập nhật tiêu chuẩn, việc đầu tư vào nghiên cứu và phát triển các công nghệ tấm pin mặt trời có khả năng chịu nhiệt tốt hơn cũng là một hướng đi cần được ưu tiên. Các tấm pin có khả năng tản nhiệt tốt hơn, vật liệu bền bỉ hơn dưới nhiệt độ cao, hoặc các giải pháp làm mát thụ động cho hệ thống sẽ là những yếu tố quan trọng giúp giảm thiểu sự xuống cấp và duy trì hiệu suất hoạt động trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt. Đồng thời, các nhà đầu tư và nhà phát triển dự án cần có cái nhìn chiến lược hơn, tích hợp các yếu tố rủi ro khí hậu vào quá trình đánh giá dự án, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư sáng suốt và bền vững. Bằng cách chủ động thích ứng, ngành năng lượng mặt trời có thể vượt qua những thách thức của biến đổi khí hậu và tiếp tục đóng vai trò then chốt trong công cuộc chuyển đổi năng lượng xanh của toàn cầu.
