Kinh nghiệm quốc tế về phát triển năng lượng tái tạo phù hợp ‘hoàn cảnh’ quốc gia

Kinh nghiệm quốc tế về phát triển, vận hành nguồn điện gió trong hệ thống điện quốc gia

Kinh nghiệm quốc tế về quản lý, vận hành nguồn điện mặt trời trong hệ thống điện

TẠM KẾT: KINH NGHIỆM QUỐC TẾ VỀ PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN CỦA NỀN KINH TẾ VÀ HẠ TẦNG LƯỚI ĐIỆN

PGS, TS. NGUYỄN CẢNH NAM [*]

Tỷ trọng nguồn điện năng lượng tái tạo - NLTT (phi thủy điện) trên thế giới không ngừng tăng cao, từ mức không đáng kể đầu những năm 2000, đến năm 2019 chiếm 10,4% tổng sản lượng điện toàn cầu. Trong đó của các nước như sau: Đạt trên 30%: Đức (36,6%), Anh (35,0%); đạt trên 20%: Tây Ban Nha (28,1%), New Zealand (24,2%), Ý (23,8%); đạt trên 15,0%: Thụy Điển (19,8%), Brazil (18,8%), Úc (15,5%); đạt trên 10%: Thổ Nhĩ Kỳ (14,7%), Philipin (13,5%), Nhật Bản (11,7), Thái Lan (11,5%), Mỹ (11,1%), Mexico (10,4%); còn lại các nước có tỷ trọng dưới 10%, trong đó đa phần dưới 5% [2].

Qua đó cho thấy, quy mô, tốc độ phát triển nguồn điện NLTT phải phù hợp với điều kiện của từng nước, gồm:

(1) Phù hợp hạ tầng lưới điện nhằm đảm bảo giải tỏa công suất nguồn điện NLTT, vận hành an toàn, điều khiển ổn định hệ thống và đảm bảo chất lượng điện năng (như đã nêu trong kỳ trước).

(2) Có nguồn điện ổn định đảm bảo công suất sẵn sàng gần tương đương với tổng công suất các nguồn điện mặt trời, điện gió đi kèm - tức là gần như hệ thống điện “kép” để đảm bảo hệ thống điện vận hành an toàn, không sụt điện áp, tần số, đồng thời có lưới điện kết nối với các nước xung quanh thì càng tốt để điều tiết cung cầu điện.

(3) Khả năng chấp nhận của nền kinh tế, cũng như khả năng chi trả của người dân, vì hệ thống điện có tỷ trọng nguồn điện NLTT càng cao thì giá thành càng cao.

Thực tế cho thấy, các nước có tỷ trọng nguồn điện NLTT cao chủ yếu là các nước giàu, có nền kinh tế phát triển, thu nhập GDP bình quân đầu người cao, độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống cao và giá điện cao; đồng thời phải có nguồn điện truyền thống ổn định, tin cậy chiếm một tỷ trọng nhất định đi kèm, nhất là các nước EU (tại đây còn có lợi thế lưới điện kết nối trong khối để điều tiết cân đối cung cầu và tỷ trọng điện gió cao). Giá điện bình quân năm 2018 của một số nước có tỷ trọng nguồn điện NLTT cao (>20%) như (cent/kWh): Đức 33; Anh 21; Tây Ban Nha 25, Ý 23 [2].

Về hệ thống nguồn điện kép. Ví dụ ở Đức, trong 3 năm (2015 - 2017) nguồn điện than bình quân mỗi năm chỉ chạy 4.655 - 4.905 giờ, thay vì lẽ ra phải chạy 6.000 - 6500 giờ/năm - có nghĩa là nhiệt điện than vừa hoạt động, vừa dành một phần làm nhiệm vụ “dự phòng” cho điện gió, điện mặt trời. Tỷ trọng sản lượng và tỷ trọng công suất của từng nguồn điện trên tổng sản lượng và tổng công suất nguồn điện trong 3 năm 2015-2017 tuần tự là: Của điện gió: 14,40% và 23,55%; 14,30% và 25,25%; 18,80% và 27,74%; của điện mặt trời: 7,10% và 20,72%; 7,0% và 20,73%; 7,0% và 21,22%; của nguồn điện than: 44,50% và 26,45%; 42,5% và 24,83%; 39,10% và 22,88% [2].

Nhóm giải pháp lựa chọn và phát triển các nguồn điện NLTT có nhiều lợi thế, ít biến động hơn và sử dụng tại chỗ, hay trên địa bàn để giảm thiểu các bất ổn và giảm tải cho hệ thống lưới điện. Cụ thể là: 

1/ Khuyến khích phát triển các các dự án điện mặt trời quy mô nhỏ trên mái nhà, các dự án điện gió công suất nhỏ để sử dụng điện tại chỗ nhằm giảm tải cho lưới điện. Ví dụ như Thái Lan đưa ra mức giá FiT ưu đãi 21 cent/kWh cho các dự án điện mặt trời trên mái nhà, đồng thời khởi xướng chương trình “Mái nhà quang điện”. Hoặc một số bang của Mỹ cho phép đấu nối trực tiếp vào lưới điện phân phối các trại điện gió công suất thấp hơn một mức qui định nào đó. Ví dụ như Điều 25.211 của Uỷ ban Điều tiết công cộng Bang Texas cho phép các trại điện gió gió công suất từ 10 MW trở xuống được đấu nối vào các hệ thống điện có điện áp dưới 60 kV. Chia ra thành nhiều trại điện gió công suất nhỏ để có thể đấu nối với hệ thống phân phối để sử dụng ngay trên địa bàn.

2/ Ưu tiên phát triển điện gió có độ ổn định tốt hơn. Chính vị vậy, tỷ trọng điện gió trong tổng nguồn điện NLTT (phi thủy điện) trên thế giới năm 2019 chiếm tới 51%, trong đó các khu vực: Bắc Mỹ (61,5%); Trung và Nam Mỹ (38,2%); châu Âu (55,2%); châu Á (44,9%); các nhóm nước OECD (52,1%); ngoài OECD (49,5%) và EU (56,1%). Tại các nước: Canada (69,4%), Mexico (46,6%), Mỹ (61,9%), Brazil (47,4%), Pháp (62,8%), Đức (56,2%), Tây Ban Nha (72,5%), Thụy Điển (59,2%), Thổ Nhĩ Kỳ (47,9%), Anh (56,5%), Úc (47,4%), Trung Quốc (55,4%), Ấn Độ (46,9%) [2].

3/ Ưu tiên phát triển nguồn thủy điện. Đây là nguồn điện năng lượng tái tạo ổn định và rẻ nhất, công nghệ chuyển hóa năng lượng của dòng nước tự nhiên thành điện năng (tua bin nước + máy phát điện) đã được hoàn thiện, có hiệu suất cao (hơn 80%), con người đã từ lâu làm chủ được các dòng chảy của nước bằng các hồ và đập nhân tạo qui mô lớn, khả năng tích trữ năng lượng của nguồn nước đơn giản. Tỷ lệ tổn thất của nước rất thấp (chủ yếu do bay hơi). Vì vậy, tỷ trọng thủy điện trong cơ cấu nguồn điện trên thế giới và một số nước năm 2019 tương đối cao. Cụ thể là: 15,6% (đứng thứ 3 sau điện than và điện khí), đứng đầu ở các nước: Canada 57,8% (vượt xa điện hạt nhân đứng thứ hai 15,2%), Brazil 63,8% (vượt xa điện NLTT đứng thứ hai 18,8%) [2].

Nhóm giải pháp lưu trữ năng lượng, điện năng là công nghệ tất yếu, bắt buộc phải đồng hành với phát triển năng lượng tái tạo. Gồm một số nhóm giải pháp sau:

1/ Nhóm giải pháp phát triển thủy điện tích năng để phát điện phủ đỉnh [3]. Dựa trên cơ chế vận hành, người ta đã kết hợp thủy điện tích năng với các dự án điện gió, điện mặt trời. Những dự án kết hợp như vậy có ưu điểm lớn về hiệu suất vận hành chung của tổ hợp, bởi thủy điện tích năng có thể tận dụng tối đa các nguồn năng lượng có tính thay đổi, khó dự đoán như điện gió, điện mặt trời, trong khi những nhà máy điện gió, điện mặt trời lại có thể cung cấp năng lượng cho thủy điện tích năng tích nước phần lớn thời gian trong ngày. Trong giờ thấp điểm, khi nhu cầu dùng điện thấp, nhà máy thủy điện tích năng lấy điện từ hệ thống để bơm ngược nước từ hồ chứa bên dưới lên hồ chứa bên trên thông qua tua bin hai chiều, lúc này vận hành như một máy bơm.

Như vậy, nhà máy thủy điện tích năng vừa là một đơn vị sản xuất điện, vừa là một đơn vị tiêu thụ điện và cơ sở kinh tế cho phương thức vận hành này là sự chênh lệch giá điện giữa giờ cao điểm và giờ thấp điểm. Đương nhiên, các nhà máy thủy điện tích năng tiêu tốn nhiều điện năng hơn là lượng điện nó có thể sản xuất ra (hiệu suất trung bình khoảng 70%), nhưng lợi ích kinh tế của nhà máy vẫn được đảm bảo bởi giá điện trong giờ thấp điểm nhỏ hơn nhiều so với giờ cao điểm. Thậm chí, ở một số mạng lưới, trong một vài thời điểm, giá điện có thể bằng 0.

Đặc biệt, sau khi tua bin thuận nghịch ra đời thay cho hình thức vừa dùng tua bin phát điện và máy bơm qua những đường dẫn riêng biệt khiến chi phí vận hành cao, thủy điện tích năng trở nên hiệu ích hơn và hiệu quả hơn về kinh tế.

2/ Nhóm giải pháp phát triển công nghệ lưu trữ điện năng [6, 7]. Nhiều nước đã phát triển tốt công nghệ này như: Hoa Kỳ, Trung Quốc, Hàn Quốc, Úc… thậm chí là Thái Lan. Pin lưu trữ hỗ trợ các nguồn điện NLTT không liên tục, góp phần điều hòa, làm mịn công suất tải và kéo dài thời gian phục vụ của điện mặt trời. Hệ thống pin Vanadium có khả năng sạc từ nguồn năng lượng mặt trời, gió, thủy triều, sóng biển, địa nhiệt; vận hành ổn định, không gây tiếng ồn, cháy, nổ… có khả năng tái chế cao, thân thiện với môi trường.

Năm 2019, cả thế giới đã lưu trữ 365 GWh (chủ yếu là pin Vanadium, pin lithium-ion), trong đó Trung Quốc chiếm tỷ lệ lưu trữ điện năng lớn nhất (75%), Hoa Kỳ (9%), Hàn Quốc (7%), châu Âu (5%) và phần còn lại từ Thái Lan, Nhật Bản. Dự tính đến 2023 thế giới sẽ lưu trữ điện khoảng 1.230 GWh (tăng hơn ba lần so với 2019, trong đó Trung Quốc chiếm khoảng 65%). Hiện tại ở Hawaii (Mỹ) đã có 25% năng lượng là từ các nguồn lưu trữ và dự kiến đến 2045 sẽ là 100%.

3/ Giải pháp sản xuất hydro từ điện NLTT [5]: Là một phương thức giúp chuyển hóa và tích trữ nguồn điện NLTT dư thừa, hỗ trợ việc cân bằng sự thay đổi của các nguồn điện NLTT, hay các nguồn PV nói riêng, tăng mức độ linh hoạt của hệ thống điện.

Hydro có thể được sản xuất từ nguồn điện NLTT theo nhiều cách, trong đó cách phổ biến nhất là sử dụng năng lượng điện để tách nước và hydro trong thiết bị điện phân. Từ đây hydro được tạo ra có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho các nhà máy điện quay có công nghệ phù hợp, hoặc cho pin nhiên liệu (fuel cell).

Theo cách này, nguồn điện NLTT, trong đó có các nguồn PV, có thể được sử dụng trong hệ thống điện mà không gây ra các khó khăn về điều độ như cách phát trực tiếp hoàn toàn vào lưới điện. Hydro còn có thể được dùng trong các hệ thống khác như làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông vận tải, làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa chất, giúp cung cấp năng lượng trong các tòa nhà dân dụng v.v…/.

[*] HỘI ĐỒNG KHOA HỌC TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM; KHOA QUẢN LÝ CÔNG NGHIỆP VÀ NĂNG LƯỢNG - EPU

Tài liệu tham khảo:

 [1] Nguyễn Mạnh Hiến: Những thách thức khi đấu nối nhà máy điện gió vào hệ thống điện. https://nangluongsachvietnam.vn/d6/vi-VN/news/Nhung-thach-thuc-khi-dau-noi-nha-may-dien-gio-vao-he-thong-dien-6-17-1440.

[2] Nguyễn Cảnh Nam: Năng lượng tái tạo ‘phi thủy điện’ thế giới và vấn đề tham khảo cho Việt Nam. NangluongVietnam Online 06:47 |13/07/2020.

[3] Nguyễn Huy Hoạch: Phát triển điện mặt trời kết hợp công nghệ lưu trữ năng lượng ở Việt Nam. NangluongVietnam Online 08:31 |07/01/2021.

[4] Nguyễn Cảnh Nam: Toàn cảnh ngành điện thế giới và những điều suy ngẫm cho Việt Nam. NangluongVietnam Online 14:32 |25/08/2020, 05:56 |28/08/2020, 07:08 |01/09/2020.

[5] Trần Huỳnh Ngọc, Lê Thanh Nghị: Tích hợp điện mặt trời vào lưới điện. NangluongVietnam Online  07:22 |18/02/2021.

[6] Ứng dụng Pin Vanadium phục vụ sản xuất nông nghiệp và an ninh năng lượng. KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ Thứ Sáu, 05/07/2019 10:47:00 +07:00.

[7] Các loại pin phổ biến được sử dụng trong năng lượng mặt trời + lưu trữ. https://lithaco.vn/cac-loai-pin-pho-bien-duoc-su-dung-trong-nang-luong-mat-troi-luu-tru/.

[8] H. Asano, K. Yajima and Y. Kaya, "Influence of photovoltaic power generation on required capacity for load frequency control," in IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 11, no. 1, pp. 188-193, March 1996, doi: 10.1109/60.486595.

[9] Chandler, “H. Harnessing Variable Renewables - A Guide to the Balancing Challenge,” OECD/International Energy Agency 2011, ISBN 978-92-64-11138-7.