Với hạn chế cơ bản của Điện gió và điên mặt trời là công suất phát ra thiếu ổn định, vào giờ cao điểm cần công suất lớn, các loại năng lượng tái tạo này thường có công suất nhỏ ngược lại vào giờ thấp điểm lại phát công suất cao dẫn đến hiện tượng dư thừa và thiếu công suất trong hệ thống điện. Tìm kiếm giải pháp khắc phục thiếu, thừa công suất của hệ thống là giải pháp rất cần thiết trong khai thác sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo.
Hồ thủy điện tích năng (Ảnh minh họa)
1. Nhu cầu và tiềm năng phát triển năng lượng tái tạo ở Việt Nam
Là đất nước có nhiều lợi thế phát triển năng lượng tái tạo với nhu cầu tiêu thụ tăng nhanh. Theo quy hoạch phát triển, nhu cầu tiêu thụ điện trong giai đoạn 2020- 2030 sẽ từ 124 tỷ KWh lên 337 tỷ KWh (tăng gấp 2,17 lần) và đến năm 2045 lên 957 tỷ KWh, tăng gần 3 lần so với năm 2030. Theo đó, nhu cầu năng lượng sơ cấp cho sản xuất điện sẽ tăng cao. Tổng cục Hải quan cho biết, 3 năm gần đây, Việt Nam đã phải nhập khẩu ròng năng lượng với 54,8 triệu tấn than,11,7 triệu tấn dầu thô, 8,2 triệu tấn xăng và 1,8 triệu tấn khí hóa lỏng, tiêu tốn nhập khẩu đã vượt xa nhiều lần giá trị xuất khẩu.
Từ Quy hoạch tổng thể của ngành, sản phẩm than thương phẩm trong nước tối đa đến năm 2050 mới đạt 30 triệu tấn/năm,dưới mức nhập khẩu của nănm 2020, không đủ để đáp ứng nhu cầu trong nước. Theo Quy hoạch phát triển,Việt Nam cân nhập khẩu lượng than đá hàng trăm triệu tấn và khí đốt khoảng 15 tỷ m3 khí LNG/năm đến2030 và chừng 80 tỷ m3/năm đến 2050 để đáp đủ ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước.
Tiềm năng của điện gió và điện mặt trời trong nước khá lớn, tổng tiềm năng kỹ thuật của điện gió đất liền chừng 217 tỷ GW ngoài khơi khoảng 162 tỷ GW. Tiềm năng của điện mặt trời mặt đất không dưới 1.500GW, điện mái nhà khoảng 48,5GW và điện mặt trời măt nước chừng 76 GW. Ngoài ra, tiềm năng kỹ thuật điện thủy triều cũng có nhiều hứa hẹn.
Theo thống kê của IRENA, suất đầu tư trung bình của điện mặt trời đã giảm khoảng 79% trong giai đoạn từ 2010 đến 2019, cũng trong thời gian này, suất đầu tư của điện gió cũng giảm 18% và còn đang tiếp tục giảm thấp. Nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng gia tăng ở giai đoạn tới, cần khai thác hiệu quả các nguồn điện năng lượng mặt trời và điện gió.
2. Thủy điện tích năng, giải pháp nhằm điều hòa công suất hệ thống điện
Phân tích biểu đồ phụ tải, các nhà nghiên cứu nhận thấy đặc điển của việc vận hành hệ thống điện đó là có những thời điểm dư thừa công suất vào giờ thấp điểm, nhưng lại thiếu hụt vào giờ cao điểm. Việc san bằng biểu đồ phụ tải có thể thực hiện qua tác động kinh tế đối với người tiêu thụ bằng giá điện khac nhau giữa giờ cao điểm và thấp điểm và quan trọng là có thể sử dụng các bộ phận tích trữ năng lượng để đảm bảo cung cấp khi cần.
Ngày nay đã có những bộ phận tích trữ năng lượng khác nhau theo cách phân loại cơ học hóa học và điện từ được đặc trưng bởi loại năng lượng, thời gian dung lượng, hiệu suất và tính linh hoạt trong lưu trữ. Tuy nhiên, đối với hệ thống điện cần có những bộ phận tích trữ lớn được xây dựng thành các nhà máy thủy điện hoăc thủy điện tích năng (TĐTN).
Thủy điện tích năng (Pumped hydropower storage - PHS) là nhà máy thủy điện kiểu bơm tích lũy, sử dụng điện năng của nhà máy điện bị phát non tải trong hệ thống điện vào những giờ thấp điểm, duy trì phát đủ tải bằng nước bơm từ hồ nước thấp lên hồ nước cao hơn. Vào thời điểm nhu cầu tiêu thụ điện năng lớn, nước sẽ được xả từ hồ chứa cao xuống hồ thấp hơn qua các tua bin để phát điện lên lưới.
Mô hình hoạt động của thủy điện tích năng (Ảnh internet)
Có thể hiểu TĐTN là dạng nhà máy thủy điện dưới dạng hộ ntiêu thụ đắc biệt với công dụng tích lũy năng lượng để bổ sung cho hệ thống điện vào những khi cần. TĐTN được ví như một bình accu của hệ thống điện trong thời gian nhu cầu điện thấp và được sử dụng vào thời điểm nhu cầu điện cao. Thời gian tích trữ năng lượng thích hợp cho TĐTN là khi phụ tải đang ở chế độ thấp điểm.
Mô hình TĐTN gồm 2 hồ chứa nước ở 2 độ cao khac nhau và một nhà máy thủy điện với tua bin thuận nghịch nằm gần hồ chưa nước dưới, được nối với hồ gồ chứa nước trên bằng một đường ống áp lực. TĐTN vận hành dựa trên nguyên tắc cân bằng nhu cầu của hệ thống điện. Vàò giờ thấp điểm, phụ tải thừa công suất, TĐTN làm việc như một trạm bơm, dùng điện bơm nước từ hồ chứa nước dưới ngược lên hồ trên Giống như quá trình nạp điện vào Accu. Trong giờ cao điểm, nhu cầu sử dụng điện cao TDTN vận hành như nhà máy thủy điện. Nước từ hồ chứa nước cao qua đường ống áp lực làm quay tua bin để phát điện lên hệ thống, nước được xả xuống hồ dưới. Chu trình này được lặp đi lặp lại trong vòng đời của cả hệ thống.
Các công trình thủy công của TĐTN bao gồm hồ chứa trên cao là nơi cung cấp nước, có thể là hồ chứa tự nhiên hoặc hồ nhân tạo, còn hồ chứa dưới thường đươc tạo bởi một đập chắn ngang suối hoăc con sông nhỏ. Cụm máy bơm (tua bin, động cơ), hoặc máy phát điện đảo chiều hoat động như máy bơm và tua bin.
Có thể hiểu Nhà máy TĐTN không sản xuất thêm điện năng mà chỉ làm nhiệm vụ điều hòa lượng điện theo sự thay đổi của nhu cầu sử dụng. TĐTN có thể cung cấp năng lượng điện cân bằng, ổn định với dung lượng lớn và dịch vụ điều khiển tần số, cung cấp lợi ích phụ trợ,khả năng khởi động và dự trữ.
Ở chế độ phát điện máy phát điện (Tua bin) TĐTN, có thể gia tăng sự cân bằng và ổn định tổng thể lưới điện. Với TĐTN các hồ chứa bước chỉ cần dủ đảm bảo nước đủ cho việc sử dụng từ 5 đến 7 giờ trong ngày, chỉ cần diện tích đủ lớn < 1 km2 với mức chênh lệch 2 hồ hmã từ 500 đến 1000 m’.
Khoảng thời gian phát điện và bơm nước tích năng của TĐTN trong biểu đồ phụ tải hàng ngày
Từ góc nhìn năng lượng, TĐTN là phương án hàng đầu cho việc lưu trữ điện. Các nhà máy TĐTN có thể sử dụng các loại tua bin - máy phát thông thường như các nhà máy thủy điện.
Trên Thế giới, nhà máy TĐTN công suất lơn là Bath County ở bang Vỉginia (Hoa kỳ) với 4 tổ máy phát điên với tổng công suất 3000MW được xây dựng trong thời kỳ từ 1977 đến -1985 với lưu lượng nươc qua tua bin 850n3/h và nhà máy Phong Ninh ở Hồ bắc (Trung Quốc ) với 12 tổ máy có tổng công suất 3,600 MW.
Phát triển mạnh những năm gần đây, mô hình TĐTN luôn được cải tiến với tua bin giúp vận hành ổn đinh. Một xu hướng mới là dùng nước biển để chạy tua bin phát diện. Xu hướng này đã tận dụng đại dương làm hồ chứa dưới, đã mở ra những triênr vọng song cũng còn nhiều thách thức
3. Thay cho lời kết
Tại Việt Nam, tập đoàn điện lực (EVN) đã nghiên cứu những dự án TĐTN tiềm năng, được Bộ Công Nghiệp Việt Nam phê duyệt trong năm 2005 với tổng công suất lên tới 10.000 MW ở Sơn La, Hòa Bình, Ninh Thuận và Bình Thuận.
TĐTN có vai trò quan trọng trong hệ thống điện dùng năng lượng tái tạo Quốc gia, có nhiệm vụ phát điện phủ đỉnh, điền đầy đầy biểu đồ phụ tải hằng ngày, giúp ổn định hệ thống điện quốc gia trong bối ảnh công suất lắp đặt điện gió và điện mặt trời ngày một tăng cao.
Trong xu thế phát triển toàn cầu, với chủ trương ưu tiên sử dụng Năng Lượng Tái tạo để xây dựng đất nước, phát triển TĐTN là việc làm cần thiết trên toàn lãnh thổ trong giai đoạn tới./.
