Tích hợp nguồn NLTT với hệ thống điện: Những thách thức phải đối mặt

Vì sao năng lượng tái tạo chưa thể thay thế nhiệt điện than?

TS. NGUYỄN MẠNH HIẾN - HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Trong thời gian gần đây, NLTT đã trở thành một trong những nguồn năng lượng độc lập trong đời sống con người và nó sẽ là nguồn phát điện chính trong tương lai. Ngày nay, một số người có xu hướng sử dụng NLTT như năng lượng mặt trời, hoặc gió tại nhà, hoặc trên mảnh đất của họ. Khi đó người sử dụng được hai nguồn điện: một từ công ty kinh doanh điện và một từ nguồn NLTT tại chỗ, vì vậy việc tích hợp các nguồn tái tạo với lưới điện xoay chiều đã được thực hiện.

Tuy nhiên, việc kết nối này không dễ dàng thực hiện được. Đặc biệt, việc tích hợp sẽ phải đối mặt với những thách thức đáng kể nếu các nguồn NLTT công suất vừa và lớn đấu nối với HTĐ qua hệ thống lưới điện cao áp từ 110kV trở lên.

Như đã biết, hầu hết các nguồn năng lượng xanh đều dựa vào các nguồn tài nguyên không kiểm soát được. Nói cách khác, sản xuất điện từ NLTT đến từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên như ánh nắng mặt trời, gió, hoặc sóng biển. Các loại nguồn này phát điện không liên tục và không ổn định, vì vậy việc tích hợp chúng với HTĐ phải đối mặt với những thách thức như:

1/ Chất lượng điện là một yếu tố quan trọng trong HTĐ nhằm đảm bảo tính ổn định và hiệu quả cao của hệ thống lưới điện, vì vậy chất lượng lý tưởng dẫn hệ thống hoạt động tốt với độ tin cậy cao và chi phí thấp hơn.

Ngược lại, chất lượng điện kém (dao động điện áp, tần số, sóng hài phát sinh từ các bộ biến đổi của nguồn NLTT…) gây bất lợi cho hoạt động của HTĐ cũng như các quy trình sản xuất công nghiệp, chi phí cao và hư hại thiết bị.

Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, các vấn đề về chất lượng điện khiến nước Mỹ phải tiêu tốn khoảng 15 tỷ USD mỗi năm.

2/ Tính khả dụng của nguồn điện là một trong những mối quan tâm lớn nhất trong việc tích hợp nguồn NLTT với HTĐ: nguồn năng lượng mặt trời không phát điện vào ban đêm, và năng lượng gió phụ thuộc vào tốc độ của gió - nếu tốc độ gió bằng không hoặc rất thấp, tua bin sẽ không quay và kết quả là dòng điện không vào lưới.

Biến động công suất phát nhỏ sẽ không gây tác động đáng lo ngại, nhưng khi độ dao động lớn, thì yêu cầu đặc biệt phải được đặt ra. Tốc độ dao động công suất của các nguồn NLTT có thể thay đổi theo giờ, từng phút, hoặc thậm chí từng giây.

Trong trường hợp thay đổi chậm, thì tác động đến HTĐ không trầm trọng, nhưng nếu thay đổi với tốc độ cao, thì có thể phải đối mặt với nguy cơ, đặc biệt khi tích hợp nguồn NLTT - lưới điện quy mô lớn.

Tóm lại, để đảm bảo cho hệ thống NLTT - lưới điện vận hành được ổn định, tin cậy, cần có được nguồn công suất dự trữ đủ lớn để bù vào lượng công suất thiếu hụt do chênh lệch công suất khả dụng (cao - thấp) của các nguồn NLTT được tích hợp với HTĐ.

Theo báo cáo mới đây (tháng 5/2018) của nhóm chuyên gia Ngân hàng Thế giới về kết quả ngiên cứu sơ bộ "Tích hợp các mục tiêu NLTT vào HTĐ của Việt Nam", để đạt được mục tiêu phát triển NLTT theo Quy hoạch điện VII hiệu chỉnh (kịch bản BAU) thì độ tin cậy của HTĐ không bị tác động lớn đến năm 2030, nhưng đến 2035 sẽ phải đầu tư thêm khoảng 3 tỷ USD cho nguồn công suất dự trữ. Trong trường hợp giảm phát thải CO₂ ở mức 25%, giảm nhiệt điện than khoảng 10% so với kịch bản BAU, thì phải đầu tư 49 tỷ USD chủ yếu cho nguồn NLTT và khoảng 12 tỷ USD cho nguồn công suất dự trữ của HTĐ đến năm 2035.

3/ Dự báo tổng thể: Trong các hệ thống điện dự báo là một chủ đề chính của hệ thống quản lý năng lượng đối với việc lập quy hoạch phát triển hệ thống lưới điện nhằm đảm bảo sự ổn định và độ tin cậy cao. Bởi vì hầu hết các công nghệ NLTT phụ thuộc vào thời tiết và các yếu tố môi trường nên dự báo khả năng phát điện là rất khó chính xác. Độ chính xác thường thu được trong trường hợp dự báo phụ tải của hệ thống phân phối điện - điều đó dẫn đến chất lượng hoạt động cao do sản xuất điện liên tục và đảm bảo nhu cầu phụ tải trong tương lai.

Đối với công nghệ NLTT, các nghiên cứu dự báo về khả năng phát của nguồn điện là yêu cầu thiết yếu và nếu khả năng phát của các nguồn điện chính là không liên tục, không kiểm soát được thì việc tích hợp NLTT - lưới điện trở nên khó khăn hơn.

Ngoài ra, mỗi công nghệ NLTT có những đặc điểm riêng của nó, vì vậy các nghiên cứu dự báo sẽ khác nhau.

Hơn nữa, có một số phương pháp dự báo cho từng công nghệ như dự báo ngắn hạn và dài hạn. Dự báo ngắn hạn, thường là hàng giờ, được xem là không có vấn đề gì ảnh hưởng việc tích hợp, nhưng dự báo dài hạn, do độ chính xác kém hơn nên có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của lưới điện.

4/ Địa điểm của các nguồn NLTT: Hầu hết các nhà máy điện NLTT quy mô lớn thường chiếm đất với một diện tích đáng kể. Việc chọn địa điểm xây dựng nhà máy điện NLTT sẽ kéo theo nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc tích hợp nó vào lưới điện. Chẳng hạn, nếu địa điểm nhà máy NLTT ở xa lưới điện thì ảnh hưởng đến chi phí và hiệu quả vận hành dự án. Khả năng phát điện của nguồn NLTT cũng phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết, khí hậu tại địa điểm xây dựng nguồn NLTT.

5/ Vấn đề chi phí và dự toán kinh tế là một phần quan trọng trong quy hoạch tích hợp nguồn NLTT - lưới điện vì phải đảm bảo tỷ lệ chi phí thấp nhất có thể. Hai mục tiêu chính của việc phát triển dự án NLTT là kinh tế và môi trường. Mục tiêu môi trường thì đã rõ ràng trong việc giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch (đặc biệt là than) cho sản xuất điện dẫn tới giảm phát thải khí nhà kính và các chất độc hại khác. Còn mục tiêu kinh tế là vấn đề giảm chi phí phát điện của các dự án NLTT thì cũng tương tự như đối với các dự án nguồn điện thông thường.

Việc tích hợp một lượng công suất lớn từ các nguồn năng lượng tái tạo không thể điều tiết được trong một hệ thống cung cấp điện là một nhiệm vụ đầy thử thách. Một lựa chọn được xem xét trong nhiều nghiên cứu xử lý đối với các HTĐ tiềm năng là lắp đặt các thiết bị lưu trữ năng lượng để cân bằng các biến động trong sản xuất điện.

Tuy nhiên, vẫn chưa rõ thiết bị lưu trữ sẽ cần thiết ở mức độ như thế nào và quá trình tích hợp phụ thuộc vào các thông số lưu trữ khác nhau như thế nào. Sử dụng chuỗi dữ liệu sản xuất năng lượng mặt trời và năng lượng gió dài hạn, các chuyên gia đã đề xuất cách tiếp cận mô hình để điều tra ảnh hưởng của quy mô và hiệu quả của thiết bị lưu trữ đối với các HTĐ với tỷ lệ nguồn NLTT tăng dần.

Áp dụng phương pháp tiếp cận dữ liệu đối với nước Đức, kết quả nhận được cho thấy rằng, một HTĐ với 50% nhu cầu điện tổng thể có thể được đáp ứng bằng sự kết hợp tối ưu các nguồn năng lượng gió, mặt trời mà không phải cắt giảm phụ tải và không cần lắp đặt thiết bị lưu trữ nếu 50% nhu cầu, còn lại được cung cấp bởi các nhà máy điện linh hoạt.

Các phát hiện cũng cho thấy việc lắp đặt các thiết bị lưu trữ công suất nhỏ nhưng hiệu quả cao đã mang lại lợi ích cao cho việc tích hợp, trong khi các thiết bị lưu trữ theo mùa chỉ cần thiết khi hơn 80% nhu cầu điện có thể được đáp ứng bằng năng lượng gió và mặt trời.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, hệ thống lưu trữ có chi phí cao, và đây thực sự là một thách thức về mặt kinh tế khi tích hợp nguồn năng lượng tái tạo - lưới điện quy mô lớn.

Tài liệu tham khảo:

1. Challenges and Benefits of Integrating the Renewable Energy Technologies into the AC Power System Grid. Abdulhakim Khalaf Alsaif (Department of Electrical Engineering, College of Engineering, University of South Florid, USA).

2. Tích hợp các mục tiêu năng lượng tái tạo vào hệ thống điện của Việt Nam. Kết quả sơ bộ từ những nghiên cứu của nhóm chuyên gia Ngân hàng Thế giới trình bày tại Hội thảo ngày 30/5/2018, tại Hà Nội.