Cải tiến hệ thống nguồn và lưới điện - Chìa khóa giúp chống biến đổi khí hậu

Theo dõi KTMT trên

Sự cấp thiết phải thiết kế lại mạng lưới điện?

Dựa trên các khái niệm cơ bản vào thời điểm được phát triển, lưới điện hiện tại được xem là phát minh vĩ đại nhất của thế kỷ 20. Nền tảng phát minh là sự kết hợp của các nhà máy điện than “phụ tải cơ bản” hoạt động 24 giờ mỗi ngày và thủy điện quy mô lớn nhưng nhưng hiện đã cũ.

Tầm nhìn về mạng lưới điện thế hệ kế tiếp sẽ là xanh, bền vững và kỹ thuật số. Nó sẽ hỗ trợ sự tăng trưởng cho các nguồn năng lượng phân tán (Distributed Electric Resource - DER), lưới điện siêu nhỏ, cộng đồng năng lượng và các tài nguyên linh hoạt khác trong toàn bộ vòng đời được lên kế hoạch, được thiết kế và vận hành số hóa.

Trước các xu thế làm thay hình đổi dạng thế giới năng lượng, các công ty điện phải đổi mới để mang đến cho khách hàng nguồn năng lượng đáng tin cậy, đồng thời phải vận hành với hiệu quả cao nhất. Đó là tối ưu hóa vòng đời tài sản, tối ưu hóa vốn đầu tư với thách thức lớn nhất là lập kế hoạch đầu tư tài sản. Để thành công, các công ty điện cần quản lý tài sản dựa trên rủi ro kết hợp với bảo trì dự phòng và tối ưu hóa chi phí bảo trì. Tích hợp năng lượng tái tạo bởi các nguồn năng lượng phân tán đang thay đổi quy luật với các công ty phân phối điện. Đổi mới kỹ thuật số mang đến những mức độ nhận thức và sự linh hoạt theo tình huống chưa từng có. Đây chính là chìa khóa để tích hợp thành công.

Ngoài ra, các công ty điện cũng cần sớm chuyển nhanh sang mô hình kỹ thuật số. Công nghệ kỹ thuật số sẽ nâng cao hiệu quả của các lưới điện phân phối và vận hành điện, tuy nhiên khi được áp dụng, các công nghệ cũng sẽ mang đến thách thức như: Các ứng dụng bị tách biệt, dữ liệu phát triển mạnh mẽ, các mối đe dọa an ninh mạng, quản lý lực lượng lao động, v.v.

Cách “phát minh” lại mạng lưới điện của người Mỹ:

Tại Mỹ, vào mùa hè năm 1988, nhà khoa học James Hansen đã làm chứng trước Quốc hội rằng carbon dioxide từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch đang biến hành tinh nóng lên một cách nguy hiểm. Các cuộc họp khoa học đã được nhóm họp sau đó, nhiều báo cáo được viết và các cam kết quốc gia được đưa ra, nhưng vì nhiên liệu hóa thạch tương đối rẻ, chủ đề này ít được quan tâm, lượng khí thải carbon phát thải ra không khí ngày càng nhiều.

Nhưng bắt đầu từ năm 2009, các tua bin gió đầu tiên và sau đó là các tấm pin quang điện mặt trời ra đời, đã giảm chi phí tới ngưỡng có thể cạnh tranh trên thị trường điện. Cũng từ đây, giá điện gió và điện mặt trời đã giảm tới mức kinh ngạc, lần lượt là 72% và 90%, và hiện nay trở thành những nguồn điện rẻ tiền, mặc dù vẫn còn không ít rào cản.

Với việc hành tinh đang đối mặt với những đợt nắng nóng ngày càng gay gắt, hạn hán, cháy rừng và bão, nên con đường để giải quyết cuộc khủng hoảng khí hậu đã trở nên rõ ràng hơn, khiến việc chuyển đổi nguồn điện sang gió và năng lượng mặt trời phi carbon và chuyển đổi hầu hết những hộ sử dụng nhiên liệu hóa thạch khác trong giao thông, tòa nhà và công nghiệp sang điện là tất yếu và cũng là mục tiêu mà người Mỹ hiện đang theo đuổi và thực hiện.

Theo dữ liệu của hãng nghiên cứu, tư vấn toàn cầu Anh BloombergNEF, các dự báo ban đầu cho thấy, năm 2021, thế giới vừa kết thúc một năm tăng trưởng điện tái tạo kỷ lục, sau kỷ lục 33.500 MW điện gió và mặt trời được lắp đặt ở Mỹ trong năm 2020. BloombergNEF dự báo mức tăng trưởng này sẽ nhanh hơn trong tương lai, đặc biệt là khi chính quyền Tổng thống Biden có kế hoạch khai thác các nguồn gió ngoài khơi có hiệu suất cao.

Mục tiêu của chính quyền Biden là cho ra đời mạng lưới điện thông minh không phát thải carbon vào năm 2035. Một nghiên cứu gần đây cho thấy Mỹ cần mức tăng gần gấp ba lần mức tăng trưởng năm 2020 thì mới thỏa mãn được 80% năng lượng sạch vào năm 2030. Trong khi đó cũng theo báo cáo, Trung Quốc đã lắp đặt 120.000 MW gió và năng lượng mặt trời vào năm 2020. Chính vì vậy, BloombergNEF cho rằng nền tảng của quá trình chuyển đổi này là sự thay đổi mạnh mẽ trong chính mạng lưới điện.

Kế hoạch nghiên cứu, ứng dụng lưới điện thông minh tại Việt Nam:

Cuối tháng 12/2021, Cục Điều tiết Điện lực (Bộ Công Thương) và Tổ chức Hợp tác Phát triển Đức (GIZ) đã tổ chức Hội thảo trực tuyến các nghiên cứu và ứng dụng hỗ trợ triển khai thực hiện Lưới điện thông minh Việt Nam (Academy Day) tại Hà Nội. Hội thảo nhằm thúc đẩy các hoạt động nghiên cứu và ứng dụng lưới điện thông minh, giúp tăng cường việc chuyển tải nguồn năng lượng tái tạo lên lưới điện và góp phần hỗ trợ việc phát triển lộ trình Lưới điện thông minh tại Việt Nam.

Tại hội thảo, các diễn giả đã giới thiệu về các hoạt động nghiên cứu lưới điện thông minh cho năng lượng tái tạo, sử dụng năng lượng hiệu quả và việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam, Đức và Đan Mạch. Các chủ đề chính được thảo luận gồm việc nghiên cứu về vận hành và quản lý hệ thống điện mặt trời mái nhà, máy biến áp phân phối điều chỉnh điện áp, giao thức của các trung tâm dữ liệu, và kinh nghiệm của Đan Mạch mà Việt Nam có thể học hỏi. Công nghệ lưới điện thông minh không chỉ cho phép truyền tải điện mà còn tăng cường mức độ truyền tải thông tin và truyền thông trong hệ thống, giúp nâng cao độ tin cậy, bảo mật và hiệu quả của hệ thống điện. “Sự kiện cũng góp phần thúc đẩy quá trình hiện đại hóa lưới điện và phát triển lộ trình Lưới điện thông minh của Việt Nam khi quốc gia này đang chứng kiến sự gia tăng nhanh chóng của tỷ trọng nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện” - Markus Bissel, Giám đốc dự án SGREEE nhấn mạnh tại hội thảo.

Tại Việt Nam, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định số 1670/QĐ-TTg ngày 8/11/2012 phê duyệt Chiến lược Phát triển lưới điện thông minh tại Việt Nam (Lộ trình lưới điện thông minh) sau khi nhận thấy các lợi ích của việc nâng cấp hệ thống truyền tải điện quốc gia. Lộ trình này nhằm cải thiện chất lượng và độ tin cậy của nguồn cung cấp điện quốc gia và cải thiện hiệu quả sử dụng điện.

Ba cách để đưa điện gió và mặt trời vào lưới điện:

Bắt đầu từ năm 1958, lưới điện được tăng cường bởi các nhà máy điện hạt nhân, hoạt động gần như liên tục để thanh toán các khoản đầu tư vốn lớn cho dự án. Không giống than đá và hạt nhân, năng lượng mặt trời và gió luôn thay đổi, chúng chỉ cung cấp điện khi có nắng và gió. Chuyển đổi sang lưới điện của thế kỷ 21 ngày càng dựa trên các nguồn tài nguyên biến đổi đòi hỏi một cách tư duy hoàn toàn mới. Các nguồn linh hoạt mới - khả năng giữ cung và cầu cân bằng trong mọi quy mô thời gian - là điều cần thiết để thực hiện quá trình chuyển đổi này.

Về cơ bản, có ba cách linh hoạt để thích ứng với sự biến đổi của năng lượng gió và mặt trời: Sử dụng lưu trữ, triển khai phát điện theo cách phối hợp trên diện rộng của quốc gia cùng với việc truyền tải nhiều hơn và quản lý nhu cầu điện để phù hợp hơn với nguồn cung.

Lưu giữ hiện chủ yếu được thực hiện thông qua pin lithium-ion. Chi phí đã giảm mạnh và các công nghệ lưu trữ mới đang được ra đời. Mở rộng truyền tải sẽ mang lại giá trị đặc biệt. Khi phía Đông Bắc có nhu cầu điện cao điểm vào đầu giờ tối, thì phía Tây vẫn còn mặt trời. Và, với việc truyền tải nhiều hơn, các nguồn gió lớn ở trung tâm đất nước có thể gửi điện đến từ biển.

Các nghiên cứu về truyền tải đã chỉ ra rằng sự kết nối mạnh mẽ hơn giữa ba lưới điện của đất nước như ở Mỹ là rất có lợi. Làm cho các tòa nhà hiệu quả hơn và kiểm soát nhu cầu của chúng cũng có thể đóng một vai trò lớn trong việc làm sạch lưới điện. Tại Mỹ, các tòa nhà sử dụng 74% điện năng của quốc gia. Các thiết bị được kết nối với đồng hồ thông minh có thể giảm và định hình lại việc sử dụng điện của tòa nhà và của các hộ gia đình nhỏ lẻ.

Các giải pháp giúp sử dụng điện sạch 100%:

Ngoài việc thiết kế lại mạng lưới điện thì các giải pháp lựa chọn khác có thể giúp sử dụng điện sạch 100%. Trước tiên phải thừa nhận lợi ích lớn nhất từ những cải tiến, thiết kế lại mạng lưới điện chính là giúp cộng đồng tăng mức sử dụng điện sạch tới mức 100%.

Nhiều nhà phân tích năng lượng tin rằng Mỹ có thể vận hành hiệu quả chi phí và đáng tin cậy một lưới điện với 80% đến 90% điện sạch, nhưng việc khử cacbon trong 10% đến 20% cuối cùng sẽ là thách thức lớn. Trong khi lưu trữ thời gian ngắn, kéo dài bốn giờ hoặc ít hơn, đang trở nên phổ biến, nên có thể sẽ cần cung cấp năng lượng trong một số thời điểm khi các nguồn năng lượng mặt trời và gió ở mức thấp. Một mạng lưới truyền dẫn quốc gia được mở rộng sẽ giúp ích, nhưng một số dung lượng lưu trữ dài hạn là điều không thể thiếu.

Nhiều lựa chọn đang được khám phá, bao gồm các công nghệ pin thay thế và hydro xanh. Tại Viện Năng lượng Tái tạo và Bền vững thuôc Đại học Colorado, Mỹ hiện đang thực hiện dự án nghiên cứu về pin dòng (Flow battery), đây là một trong những cách tiếp cận đầy hứa hẹn. Trong một thiết kế điển hình, chất điện phân lỏng chảy giữa hai bể chứa được ngăn cách bởi một màng. Các bể có thể được mở rộng về kích thước tương ứng với thời gian lưu trữ mong muốn.

Hydro xanh (Green hydrogen) là một lựa chọn lưu trữ tiềm năng trong thời gian rất dài. Nó được sản xuất bằng cách tách các phân tử nước bằng máy điện phân chạy bằng điện tái tạo. Hydro có thể được lưu trữ dưới lòng đất (hoặc trong các bồn chứa trên mặt đất) và được đốt cháy trong các tua bin hoặc chuyển đổi trở lại thành điện năng trong pin nhiên liệu. Hydro xanh hiện đang rất đắt nhưng dự kiến ​​sẽ trở nên hợp lý hơn khi giá thành của máy điện phân giảm.

Ngoài ra, các mô hình kinh doanh, thiết kế thị trường và vận hành lưới điện mới đang xuất hiện. Ví dụ, khu vườn năng lượng mặt trời cộng đồng cho phép chủ nhà mua điện mặt trời sản xuất trong nước ngay cả khi mái nhà của họ không phù hợp với các tấm pin mặt trời. Microgridd (Mạng lưới điện siêu nhỏ) là một mô hình kinh doanh khác đang trở nên phổ biến trong các khuôn viên và khu phức hợp sản xuất điện tại địa phương và có thể tiếp tục hoạt động nếu lưới điện gặp sự cố. Các microgrid sạch được cung cấp năng lượng tái tạo và pin.

Mục tiêu sáng tạo là để tăng tỷ lệ sử dụng theo thời gian, chẳng hạn như để sạc xe điện khi lượng điện tái tạo dồi dào. Điều phối khu vực cân bằng mở rộng dựa trên các nguồn năng lượng mặt trời và gió có thể thay đổi từ một khu vực rộng để cung cấp nguồn cung tổng thể trơn tru. Cải thiện hoạt động lưới điện bao gồm dự báo nâng cao về gió và mặt trời để giảm thiểu điện năng lãng phí và giảm nhu cầu dự trữ dự phòng tốn kém. Đánh giá đường dây động cho phép các nhà điều hành lưới điện truyền tải nhiều điện hơn qua các đường dây hiện có khi điều kiện thời tiết thuận lợi cho phép.

Trên toàn nền kinh tế, sự quan tâm nhiều hơn đến hiệu quả năng lượng có thể cho phép chuyển đổi ngành điện, giảm thiểu chi phí và nâng cao độ tin cậy.

Năng lượng hạt nhân về cơ bản cũng không có carbon, và việc duy trì các nhà máy hạt nhân hiện có hoạt động có thể giúp quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo dễ dàng hơn. Tuy nhiên, các nhà máy hạt nhân mới lại rất tốn kém để xây dựng, thời gian xây dựng lâu và vận hành cũng không hề rẻ nếu so với năng lượng mặt trời và gió.

Để kết luận bài viết, Charles F. Kutscher và Jeffrey Logan tác giả bài viết, chuyên gia cao cấp đến từ Viện Năng lượng Tái tạo & Bền vững, Đại học Colorado Boulder cho rằng: Tính cấp bách của biến đổi khí hậu đòi hỏi nỗ lực toàn cầu mới có thể giải quyết được hiệu quả. Nhu cầu số 1 là giảm thiểu việc “phát thải” carbon dioxide và các khí nhà kính khác vào bầu khí quyển. Thế giới đã có các công cụ để giúp lưới điện không có carbon từ 80% đến 90% và hiện nay giới chuyên gia kỹ thuật đang vào cuộc để khám phá ra các phương án hứa hẹn nhằm tăng tỷ lệ lên 100%, giúp nhân loại sớm đạt mục tiêu Net Zero như đã đề ra trong Hội nghị Paris 2015 và COP26 năm 2021.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Link tham khảo:

1/ https://www.renewableenergyworld.com/energy-efficiency/a-21st-century-reinvention-of-the-electric-grid-is-crucial-for-solving-the-climate-change-crisis/

2/ https://baochinhphu.vn/thuc-day-nghien-cuu-ung-dung-luoi-dien-thong-minh-tai-viet-nam-102306075.htm

Theo Tạp chí Năng lượng Việt Nam