Trung tâm Phát triển Sáng tạo Xanh
Giải quyết vấn đề thừa, thiếu điện trong biểu đồ phụ tải điện
Thông tư số 19/2017/TT-BCT ban hành ngày 29 tháng 9 năm 2017 của Bộ Công thương có giải thích Biểu đồ phụ tải điện là biểu đồ thể hiện đặc tính tiêu thụ điện theo thời gian của hệ thống điện, thành phần phụ tải điện, nhóm phụ tải điện và phân nhóm phụ tải điện. Biểu đồ phụ tải điện ngày đêm của hệ thống điên (HTĐ) mang đặc điểm không đồng đều. Phân tích biểu đồ này có thể rút những đặc điểm trong vận hành hệ thống. Đó là hiện tượng dư thừa công suất vào thời gian thấp điểm và ngược lại là sự thiếu hụt công suất vào giờ cao điểm, khi nhu cầu tiêu thụ cao nhất trong ngày.
Bên cạnh chênh lệch công suất, nhu cầu phụ tải giữa ngày làm việc và ngày nghỉ cũng chênh lệch khá cao. Việc san bằng biểu đồ phụ tải HTĐ có thể thực hiện bằng tác động kinh tế thông qua biểu giá sử dụng hoặc sử dụng các bộ phận tích trữ năng lượng và để đảm bảo đầy đủ nhu cầu, nhà cung cấp cần phải duy trì một số tổ máy phát điện có khả năng đáp ứng linh hoạt khi có nhu cầu phủ đỉnh.
Tiến bộ Khoa học Công nghệ (KHCN) ngày nay đã cho ra đời nhiều thế hệ tích trữ năng lượng khác nhau thuộc các loại hình cơ học, hóa học và điện từ….Tuy nhiên, để có bộ phận tích trữ năng lượng lớn, đặc biệt đối với năng lượng tái tạo (NLTT) người ta thường sử dụng những nhà máy thủy điện hoặc thủy điện tích năng (TĐTN). Nhờ khả năng cung cấp năng lượng cân bằng và ổn định cả về dung lượng lưu trữ và các dịch vụ lưới điện phụ trợ. Ở chế độ phát điện tua bin máy phát điện có thể phản ứng nhanh với độ lệch tần số góp phần vào tải công suất phản kháng và ổn định TĐTN đang mở ra những triển vọng mới. Bài viết tổng hợp những xu hướng phát triển nổi bật để cùng trao đổi.
Phát triển năng lượng tái tạo và những vấn đề đặt ra
Việt Nam là một trong số ít các quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu (BĐKH), đã cam kết tự nguyện cắt giảm 8% lượng phát thải khí nhà kính (KNK) vào năm 2030. NLTT là các nguồn năng lượng sạch, không gây phát thải KNK. Ở nước ta nguồn năng lượng này có ở mọi nơi, với tiềm năng còn khá dồi dào Phát triển năng lượng tái tạo (NLTT) là yêu cầu tất yếu để đạt được mục tiêu giảm phát thải KNK Chính phủ đề ra.
Số liệu tổng hợp về NLTT ở nước ta cho thấy, tổng tiềm năng kỹ thật về thủy điện ước khoảng 26.000MW có thể cung cấp chừng 100 tỷKWh/năm; Tiềm năng về điện gió trên đất liền trên 110GW và ở ngoài khơi là 260 GW. Kết quả nghiên cứu cho thấy, tiềm năng năng lượng mặt trời còn lớn hơn với khả năng đạt trên 431 GW, trong đó, đất liền chiếm 72%, trên mặt nước 18% và áp mái nhà khoảng 10%.
Nghiên cứu tình hình năng lượng quốc gia các nhà phân tích đã chỉ ra; Năm 2020 tổng công suất lắp đặt HTĐ cả nước đạt trên 61.000 MW. Trong đó, Tổng Công ty Điện lực Viêt Nam (EVN) sở hữu 29.638MW(chiếm 48,6%). Vào giai đoạn từ 2010 đến 2020, tổng lượng điện thương phẩm đã từ 85,4 tỷ kWh/năm lên 225,4 tỷ kWh/năm tăng bình quân 9,69%/năm cao gấp 1,6 lần so với mức tăng trưởng GDP. Hệ thống truyền tải điện đã được đầu tư phát triển và nâng cấp, về cơ bản đáp ứng được nhu cầu truyền tải.
Là quốc gia đang phát phát triển có mức thu nhập trung bình thấp, trong phát triển tương lai nhu cầu điện năng sẽ còn tiếp tục gia tăng. Theo dự thảo quy hoạch điện 8, đến năm 2030 nhu cầu điện sản xuất sẽ lên 537 tỷ kWh, gấp 2, 3 lần so với năm 2020. Về cơ cấu năng lượng, mục tiêu của Nghi quyết 55/ TW ngày 11/2/2020 nêu rõ đến năm 2030, trong tổng nguồn cung năng lượng sơ cấp, NLTT cần đạt từ 15% đến 20% và lên 25%-30% vào năm 2045, Trong bối cảnh thiếu hụt nguồn cung và ô nhiễm môi trường ngày càng nặng nề, phát triển NLTT được coi là giải pháp cần thiết để đảm bảo nguồn cung và ứng phó với BĐKH.
Để phát triển NLTT, Chính phủ Việt Nam đã ban hành các cơ chế và chính sách mới như Quyết định 39/2018/QĐ-TTg và quyết định 13/2020/ QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích điện gió và điện mặt trời. những quyết sách này đã đẩy nhanh nhịp độ xây dựng. Nhiều dự án điện mặt trời được ồ ạt xây dựng và nhanh chóng đưa vào vận hành đã gây tắc nghẽn truyền tải. Đây cũng là nguyên nhân dẫn đến nhiều nhà máy diện NLTT rơi vào giảm phát. Theo EVN, đến năm 2020, tổng công suất lắp dặt điện mặt trời (ĐMT) cả nước đạt 19.400 MWp (với 47,9% là ĐMTáp mái) cho sản lượng 10,6 tỷ kWh. So với năm 2019, công suất ĐMT từ tháng 4 đến tháng 12 năm 2020 (8 tháng) đã tăng gấp trên 3 lần. Thực tế mất đồng bộ giữa phát triển nguồn điện mặt trời, điện gió vừa qua đã gây ra các điểm nghẽn về truyền tải, phải giảm từ 30% đến 40% công suất các nguồn NLTT. Nguyên nhân nhiều nhà máy điện NLTT rơi vào giảm phát là do việc bổ sung quy hoạch ồ ạt mà không tính toán đến lưới truyền tải.
Với đặc điểm tự nhiên của ĐMT là phụ thuộc vào thời gian nắng trong ngày đồng nghĩa với nắng mạnh thì phát điện nhiều, tắt nắng thì ngừng phát điện, nhiều khó khăn, bất cập đã nảy sinh trong vận hành hệ thống. Nếu tổng công suất ĐMT cả nước vào cao điểm buổi trưa đạt công suất 16.500MWp, lượng điện phát ra đã tương đương với 40% phụ tải toàn quốc vào giờ thấp điểm, công suất điện dư thừa này cũng gây nhiều khóa khăn cho hoạt động điều độ.
Phân tích từ hình dạng biểu đồ phụ tải có thể nhận thấy, vào giờ thấp diểm (buổi trưa từ 10h đến 14h), phụ tải đòi hỏi xuống mức thấp nhất, lại là lúc bức xạ mặt trời cao nhất trong ngày. Ngược lại, vào giờ cao điểm phụ tải (17h30 đến 18h30)nhu cầu tiêu thụ cao nhất trong ngày; HTĐ cần lượng công suất phát điện lớn thì khả năng đáp ứng của ĐMT hầu như không còn.
Thực tế diễn ra cho thấy, tỷ trọng của các nguồn NLTT trong HTĐ gia tăng thì tính bất ổn định trong vận hành cũng thay đổi theo. Để bảo đảm an ninh, an toàn trong vận hành HTĐ đòi hỏi các trung tâm điều độ HTĐ quốc gia phải huy động toàn bộ công suất khả dụng của nguồn điện vào những giờ phụ tải thấp điểm, điều này khó có thể thực hiện được khi tỷ lệ sử dụng NLTT tăng cao.
Hình 1. Biểu đồ phụ tải hệ thống điện quốc gia ngày 30/12/2020. (Nguồn: EVN)
Thực trạng phát triển NLTT những năm qua cũng cho thấy, để đảm bảo tính ổn định trong vận hành HTĐ, nhu cầu lưu trữ điện năng ngày càng trở nên bức thiết. Ngành điện với Quy hoạch Điện 8 đã có định hướng phát triển các loại hình tích trữ năng lượng điện linh hoạt như thủy điện tích năng, pin tích năng…..phù hợp với những quy mô phát triển khác nhau của các nguồn NLTT.
Về những giải pháp lưu trữ NLTT cần được quan tâm
Trong những thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự gia tăng mạnh mẽ của nguồn năng lượng tái tạo. Những cam kết của nhiều Chính phủ đã tạo tiền đề cho hàng loạt chính sách khuyến khích ra đời cùng với với việc giảm giá đáng kể của các tấm pin và thiết bị điện mặt trời. Tuy nhiên, thách thức của NLTT là nó đến từ các nguồn năng lượng thiếu ổn định. Năng lượng mặt trời chỉ có vào ban ngày và gió thì không phải lúc nào cũng thổi để có thể làm quay được các Tuabin. Trong những ngày đẹp trời có nhiều nắng và nhiều gió thì lượng điện tái tạo sinh ra thường dư thừa phải cắt giảm bớt công suất để tránh cung vượt cầu.
Cũng như nhiều quốc gia đi trước, Việt Nam đã phải đối diện với vấn đề dư thừa do mất cân đối giữa cung và cầu vào một số thời điểm. Từ đầu tháng 1 năm 2021 đến nay, nhu cầu tiêu thụ điện sụt giảm do ảnh hưởng của đại dịch Covid-19 thì lượng ĐMT lại dồi dào, nhất là lúc giữa trưa đã gây căng thẳng và nguy hiểm cho lưới điện. Để đảm bảo kỹ thuật vận hành an toàn, EVN đã phải cắt giảm bớt lượng điện phát lên lưới điện từ năng lượng mặt trời đồng nghĩa với lãng phí và gây thiệt hại cho nhà đầu tư. Giải pháp nào có thể hạn chế được tình trạng này đang là vấn đề cấp bách đăt ra? Lời giải của toàn Thế giới trong đó có Viêt Nam, đó chính là lưu trữ năng lượng kết hợp cùng với năng lượng tái tạo.
Các giải pháp tích trữ điện hay lưu trữ năng lượng đang được áp dụng phổ biến bao gồm lưu trữ bằng pin, lưu trữ nhiêt, lưu trữ cơ học, lưu trữ bằng hydro và bơm thủy điện cònìn gọi là thủy điện tích năng
Công nghệ lưu trữ bằng Pin Đó là giải pháp lưu trữ điện hóa, nó bao bao gồmviệc sử dụng các loại pin hóa học tiên tiến, pin dòng chảy và tụ điện.
Lưu trữ Nhiệt là giải pháp thu nhiệt và làm lạnh để tạo ra năng lượng theo yêu cầu hoặc bù đắp nhu cầu năng lượng;
Lưu trữ cơ học gồm những công nghệ cải tiến để khai thác động năng hoặc năng lượng hấp dẫn để lưu trữ điện;
Lưu trữ bằng Hydro thực chất là sản xuất điện dư thừa có thể được chuyển đổi thành hydro thông qua quá trình điện phân và lưu trữ
Thủy điện tích năng là việc sử dụng các nhà máy thủy điện kiểu bơm tích lũy, dùng điện năng của các nhà máy điện phát non tải trong hệ thống điện vào những giờ thấp điểm phụ tải để bơm nước từ bể nước thấp lên bể cao. Vào thời điểm nhu cầu tiêu thụ điện năng lớn, nước sẽ được xả từ hồ chứa cao xuống hồ chứa thấp hơn thông qua các tua bin để phát điện lên lưới.
Triển vọng của công nghệ lưu trữ bằng pin và thủy điện tích năng
Trong những giải pháp đề cập trên đây, ở nước ta công nghệ tích trữ điện bằng pin và thủy diện tích năng đang được quan tâm và chiếm ưu thế trong xu thế thử nghiệm. Do thời gian thi công nhanh , không chiếm nhiều đất và giá pin lưu trữ năng lượng được BloombergNEF dự đoán sẽ xuống dưới 100 đô la/kWh, những công nghệ này có nhiều khả năng phát triển.
Về công nghệ lưu trữ bằng pin
Theo các chuyên gia năng lượng, ở quy mô lưới điện, lưu trữ năng lượng là mắt xích còn thiếu trong hệ thống NLTT. Bằng cách tích trữ năng lượng khi nó dồi dào, các nhà máy điện mặt trời và điện gió sẽ không phải xả bỏ công suất dư thừa. Lượng điện dư thừa lưu trữ này sẽ được sử dụng vào giờ nhu cầu cao (17g đến 20 giờ), vừa làm lợi cho doanh nghiệp lại vừa có ích cho ngành điện. Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin giúp điều tiết để vận hành lưới điện linh hoạt; ngoài chức năng là nguồn dự phòng, hệ thống giống như một bình siêu ổn áp giúp cho việc cải thiện chất lượng điện năng của lưới điện.Hệ thống pin lưu trữ hỗ trợ tích cực các nguồn NLTT góp phần điều hòa, làm mịn công suất tải và kéo dài thời gian phục vụ của điện mặt trời.
Những phân tích cụ thể còn cho thấy, hệ thống pin Vanadium có khả năng sạc từ nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời, gió, thủy triều, sóng biển, địa nhiệt. Việc vận hành ổn định, không gây tiếng ồn, cháy, nổ,… có khả năng tái chế cao và thân thiện với môi trường. Vào năm 2019, toàn thế giới đã lưu trữ được 365 GWh, chủ yếu bằng pin Vanadium và theo dự báo đến 2023 sẽ lên 1.230 GWh, tăng gấp hơn ba lần so với 2019.
Mặc dù có chung nguyên lý lưu trữ bằng chuyển đổi điện năng thành hóa năng, nhưng khác với các loại pin truyền thống, pin Vanadium lưu trữ năng lượng vào trong 2 chất điện giải âm và dương dạng lỏng ( sơ đồ 2). Trong quá trình xả, hai chất điện này được bơm vào trong tế bào pin để chuyển hóa trở lại thành năng lượng điện.
Hình 2. Sơ đồ hoạt động của pin Vanadium.
Pin Vanadium mang đặc tính kỹ thuật phù hợp để tương thích với các hệ thống sản xuất năng lượng tái tạo như: Khả năng nâng cấp một cách độc lập dung lượng lưu trữ, cũng như công suất đầu ra của hệ thống, tuổi thọ trung bình cao (trên 20 năm); chi phí bảo dưỡng thấp, có thể thay thế từng phần (theo modun) mà không ảnh hưởng đến tổng thể .
Xây dựng nhà máy thủy điện tích năng
Cùng với lưu trữ bằng pin, mô hình nhà máy thủy điện tích năng (TĐTN) là một lựa chọn trong thử nghiệm để tích trữ công suất diện dư thừa vào thời điếm nhu cầu tiêu thụ thấp của các nhà máy điện hiện nay. Mô hình TĐTN được xây dựng với 2 hồ chứa nước ở hai cao độ khác nhau và 1 nhà máy thủy điện trang bị tua bin thuận nghịch nằm gần hồ chứa bên dưới; 2 hồ chứa nối với nhau bằng một đường ống áp lực ( sơ đồ h3). Thủy điện tích năng vận hành trên nguyên tắc cân bằng nhu cầu phụ tải của hệ thống điện. Vào giờ cao điểm, khi nhu cầu điện cao, nước được xả từ hồ chứa bên trên qua đường ống áp lực, làm quay tua bin để phát điện hòa vào hệ thống; còn nước xả của quá trình này được trữ lại trong hồ bên dưới.
Sơ đồ3 nguyên lý nhà máy thủy điện tích năng – Nguồn: Internet
Thế mạnh lớn nhất của TĐTN là làm tăng hiệu quả của hệ thống,nhờ tận dụng được điện năng dư thừa từ các nhà máy phát điện trong giờ thấp điểm, giúp tăng hiệu suất hoạt động và ổn định vận hành của những nhà máy này.
Cũng như thủy điện truyền thống, TĐTN có thể phản ứng rất nhanh khi nhu cầu tăng đột ngột, giúp đảm bảo an toàn cung cấp điện, ổn định tần số mạng lưới, thân thiện với môi trường khi không tạo ra khí thải gây hiệu ứng nhà kính.
Khác với thủy điện truyền thống, TĐTN không cần nhiều diện tích đất làm hồ chứa, bởi chỉ cần dự trữ một lượng nước vừa đủ cho số giờ chạy máy theo công suất thiết kế (thường từ 5 đến 7 giờ ) để đủ lượng nước cần thiết chảy qua tua bin phát điện. Do chủ động về nước dự trữ, quá trình vận hành của TĐTN không phụ thuộc nhiều vào chế độ thủy văn hàng năm, có thể linh hoạt điều chỉnh công suất vận hành theo nhu cầu phụ tải.
Dựa trên cơ chế vận hành, các nhà nghiên cứu đã kết hợp TĐTN với các dự án điện gió, điện mặt trời. Những dự án kết hợp có ưu điểm lớn về hiệu suất vận hành, bởi TĐTN có thể tận dụng tối đa nguồn năng lượng có tính thay đổi, khó dự đoán như điện gió, điện mặt trời, trong khi những nhà máy này lại có thể cung cấp năng lượng điện để nhà máy TĐTN tích nước.vào giờ thấp điểm. TĐTN có thể lấy điện từ hệ thống để bơm nước ngược từ hồ chứa bên dưới lên hồ bên trên thông qua tua bin hai chiều, vận hành như một hệ thống máy bơm. Như vậy là, TĐTN vừa là một đơn vị sản xuất điện, vừa là một đơn vị tiêu thụ điện. Cơ sở kinh tế của phương thức vận hành này là sự chênh lệch giá điện giữa giờ cao điểm và thấp điểm; lợi ích kinh tế đảm bảo bởi giá điện giờ thấp điểm nhỏ hơn nhiều lần so với trong giờ cao điểm.
Tại Việt Nam, thủy điện tích năng (TĐTN) đã được quan tâm phát triển. EVN đã lập quy hoạch phát triển TĐTN với sự hợp tác của tổ chức JICA (Nhật Bản). Dự án nghiên cứu do JICA hỗ trợ và đã được Bộ Công Thương phê duyệt tại Quyết định số 3837/QĐ-BCN .
Hiện nay, dự án TĐTN Bác Ái có công suất 1.200 MW ở tỉnh Ninh Thuận là công trình TĐTN năng đầu tiên tại Việt Nam được dự kiến xây dựng vào năm 2023 thuộc danh mục các dự án nguồn điện được Thủ tướng đưa vào Quy hoạch Điện VII do EVN làm chủ đầu tư.
TĐTN Bác Ái được đánh giá có vai trò quan trọng trong hệ thống điện quốc gia, có nhiệm vụ phát điện phủ đỉnh, dự phòng công suất phát, giúp ổn định hệ thống, điều chỉnh tần số, là công cụ giúp điều độ hệ thống điện quốc gia vận hành ổn định, an toàn và tin cậy.
Bên cạnh dự án Thủy điện Tích năng Bác Ái, còn có 3 dự án TĐTN khác là Phù Yên Đông (Sơn La), Đơn Dương và Hàm Thuận Bắc đang có kế hoạch triển khai đầu tư. Theo quy hoạch TĐTN, ít nhất có 10 dự án mang tính khả thi cao, có thể được xem xét xây dựng
Thay cho lời kết
Ở nước ta, trước nguy cơ nguồn thủy điện đã khai thác quá mức và những nguồn nguyên liệu hóa thạch dần cạn kiệt, NLTT đã nổi lên như một nguồn năng lượng thay thế. Tuy nhiên, việc phát triển quá nhanh các dự án điện mặt trời đã ảnh hưởng nghiêm trọng tới hệ thống truyền tải điện quốc gia. Lưu trữ hợp lý nguồn năng lượng điện là quan điểm được nhiều chuyên gia đưa ra trong các khuyến nghị chính sách thu hút đầu tư vào lĩnh vực NLTT. Lưu trữ năng lượng là việc làm tất yếu, bắt buộc phải đồng hành cùng với phát triển NLTT khi con người hạn chế sử dụng năng lượng hóa thạch, nhằm giảm phát thải KNK.
Từ xu thế phát triển và thực tiễn Việt Nam, hy vọng các nhà hoạch định chính sách quan tâm đến lưu trữ năng lượng để có những giải pháp phù hợp, nhằm thúc đẩỷ nhanh quá trình phát triển NLTT ở nước ta./.
--------------------------------------------
Địa chỉ liên lạc Lê Thành Ý, 19b/668 Đường Lạc Long Quân, Nhật Tân ;Q.Tây Hồ, Hà Nội
Mob 0829848231; Email lethanhy05@gmail.com
