Giải pháp vận hành thủy điện thích ứng với biến đổi khí hậu

Giải pháp kiểm soát lũ an toàn cho các nhà máy thủy điện

TS. NGUYỄN HUY HOẠCH - HIỆP HỘI NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Trong những năm gần đây có thể thấy tác động rất tiêu cực của biến đổi khí hậu gây thiên tai liên tục trên thế giới, tình hình mưa lũ ở nước ta cũng trở nên bất thường và ngày càng khắc nghiệt.

Những hệ thống bậc thang thủy điện với hồ chứa lớn (như hệ thống lưu vực sông Đà) suốt hàng chục năm trong quá khứ không cần xả lũ đã xuất hiện những trận lũ (vào mùa mưa năm 2017) khiến cho những hồ chứa điều tiết năm, hoặc nhiều năm ở đây đã phải xả lũ để đảm bảo an toàn đập.

Mưa lũ ở miền Trung trong mùa mưa 2016 và 2017 cũng ảnh hưởng nghiêm trọng cho nhiều vùng hạ du do việc xả lũ khẩn cấp của một số hồ chứa thủy điện.

Thế nhưng, sang năm 2018 và 2019, tình hình thời tiết lại khác hẳn, đó là hạn hán. Năm 2019 có thể nói là năm thất bát về sản lượng phát điện của các nhà máy thủy điện trên cả nước do lượng nước thiếu hụt tại các hồ chứa thủy điện (tương đương 16,3 tỷ kWh điện).

Trên lưu vực sông Hồng, với 6 hồ chứa thủy điện lớn (Lai Châu, Bản Chát, Sơn La, Hòa Bình, Tuyên Quang, Thác Bà) có tổng dung tích hữu ích 18,91 tỷ m³, tuy nhiên do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, lượng nước về các hồ trên lưu vực này trong mùa lũ năm 2019 chỉ đạt khoảng 51% so với trung bình nhiều năm.

Trong mùa lũ năm nay, lưu lượng nước về hồ Hòa Bình ở mức thấp nhất trong 30 năm qua (kể từ khi đưa công trình vào vận hành).

Theo tính toán của EVN, nếu tần suất nước về các hồ chứa trên các lưu vực này tiếp tục duy trì như thời gian qua, sau khi trừ 3,5 tỷ m³ nước xả phục vụ đổ ải vụ Đông Xuân 2020 (theo dự kiến của Bộ NN&PTNT) thì trong các khoảng thời gian còn lại của mùa khô năm 2019 - 2020 chỉ đáp ứng được với lưu lượng trung bình ngày ở mức khoảng 500 đến 550 m³/s (đối với hồ Hòa Bình), 91 m³/s (đối với hồ Thác Bà) và 187 m³/s (đối với hồ Tuyên Quang)... chưa tính đến các nhu cầu của hệ thống điện.

Với tình trạng khô hạn và lượng nước thiếu hụt ở các hồ trên lưu vực sông Hồng như hiện nay (thiếu hụt 7,2 tỷ m³, trong đó 3 hồ chứa trực tiếp tham gia xả nước thiếu hụt 3,7 tỷ m³), cùng với dự báo tình trạng khô hạn tiếp tục xảy ra cho đến đầu năm 2020 thì việc đảm bảo các yêu cầu cấp nước cho nông nghiệp những tháng còn lại của mùa khô sẽ gặp rất nhiều khó khăn.

Ngoài lưu vực sông Hồng, nhiều lưu vực sông lớn khác trên cả nước (như sông Mã, sông Cả, sông Vu Gia - Thu Bồn, sông Sê San, sông Đồng Nai, sông Sêrêpốk), mặc dù đã vào mùa lũ chính vụ nhưng cũng đều có lượng nước về thấp, thậm chí nhiều hồ đã qua giai đoạn lũ chính, hoặc đang trong kỳ lũ chính vụ, nhưng vẫn chưa có dấu hiệu nước về, có hồ đang ở mức nước thấp hơn mực nước chết. Điển hình là hồ thủy điện Trung Sơn (thấp hơn mực nước chết 1,82 mét). Do vậy, việc tuân thủ các quy định của Quy trình vận hành liên hồ chứa (đảm bảo mực nước hồ, cấp nước hạ du...), cũng như khả năng tích nước đạt mực nước dâng bình thường vào cuối mùa lũ của các hồ chứa trên lưu vực sông Hồng có thể không thực hiện được và đối với một số khu vực khác cũng sẽ khó có thể đạt được dung tích hữu ích thiết kế.

Hiện nay, các quy trình vận hành liên hồ chứa ở nước ta đều dựa vào mực nước ở điểm chuẩn - tức là trạm quan trắc thủy văn nơi có khả năng đánh giá rủi ro cho những vùng hạ lưu trọng yếu dựa vào mực nước ở đó để đưa ra phương thức điều tiết ở các hồ trên thượng lưu của điểm chuẩn này nhằm đảm bảo an toàn công trình và cấp nước tối thiểu, mà chưa là tối ưu trong sử dụng nước.

Hơn nữa, cách vận hành là ở trạng thái “tương đương với quá trình thiết kế và xây dựng quy trình” - tức là các đường chỉ dẫn vận hành trên biểu đồ điều phối vẫn tương đối cố định từ trước, có hồ còn chưa cập nhật số liệu vận hành theo thời gian để điều chỉnh. Do vậy, phương pháp này là dễ gây ra bị động cho công tác vận hành tại chỗ ở mỗi hồ chứa. Lý do là vì mực nước ở hạ du tại điểm chuẩn phụ thuộc vào lưu lượng xả ở các hồ trên thượng lưu và lưu lượng từ khu giữa đến điểm chuẩn này.

Ngoài ra, trong cùng một hệ thống sông có nhiều nhà máy do các công ty thủy điện khác nhau sở hữu và giữa các công ty này nếu không có phương pháp để chia sẻ thông tin vận hành theo từng thời khắc sẽ làm giảm khả năng tối ưu vận hành của cả hệ thống sông cũng như khó khăn trong kiểm soát lũ về hạ lưu.

Khi có lũ lớn và quyền kiểm soát vận hành được chuyển giao từ chủ đập lên các cấp quản lý cao hơn ở địa phương, hay Trung ương theo quy trình vận hành đã ban hành thì việc cần có một bức tranh tổng thể về tình hình lưu vực, cũng như dự báo tình hình khí tượng thủy văn ngắn hạn (trong vòng vài giờ) và trung hạn (trong vòng vài ngày) là rất quan trọng để đưa ra những quyết định vận hành điều tiết cắt giảm lũ.

Một vấn đề nữa trong vận hành liên hồ chứa đó là giải quyết mâu thuẫn lợi ích giữa đảm bảo an toàn cho hạ lưu với việc sử dụng hiệu quả nguồn nước cho các ngành (như phát điện, tưới tiêu, hoặc cấp nước dân dụng) cũng khá phức tạp. Khi không có công cụ dự báo và hỗ trợ vận hành hữu hiệu, những quyết định để đảm bảo an toàn có thể mâu thuẫn với thực tiễn thời tiết. Chẳng hạn như xả lũ dự phòng, nhưng lũ không đến làm lãng phí nước, hoặc cũng do không nắm được tình hình thời tiết cụ thể cho từng lưu vực nên có thể xảy ra tình trạng lũ về ở lưu vực này, nhưng lại xả dự phòng cả ở những lưu vực khác mà lũ không về.

Tuy nhiên, tỷ trọng, vai trò cắt giảm lũ của từng hồ chứa trong hệ thống cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả điều tiết lũ và việc này cần được phản ánh bởi các con số định lượng trong các quy trình đơn hồ để đảm bảo tính minh bạch, bình đẳng trong công tác vận hành, tạo cơ sở để các hồ chứa có các quy trình rõ ràng trong công tác vận hành phòng chống lũ.

Chia sẻ thông tin trong hệ thống liên hồ cũng tạo ra khả năng tối ưu trong sử dụng nguồn nước, tránh mâu thuẫn lợi ích trong các ngành sử dụng nước, cũng như mâu thuẫn ngay trong một ngành (như việc hoạt động vận hành của nhà máy thủy điện này có thể ảnh hưởng đến lợi ích kinh tế của nhà máy khác ở hạ lưu của nhà máy đó).

Để vận hành hiệu quả và an toàn các hồ chứa thủy điện cần có hệ thống quan trắc khí tượng, thủy văn đầy đủ. Các hệ thống này phải cung cấp được thông tin theo thời gian thực để phục vụ công tác dự báo khí tượng và tính toán dự báo dòng chảy về hồ cụ thể cho từng lưu vực của các hồ chứa.

Hiện nay các nhà máy thủy điện ở nước ta chưa có những công cụ và hệ thống kỹ thuật đồng bộ để vận hành hiệu quả theo yêu cầu của quy trình. Sau khi có thông tin về thời tiết (như lượng mưa thì cần xử lý các thông tin này bằng các mô hình toán để tính toán dự báo lưu lượng nước về hồ).

Trên cơ sở có lưu lượng về hồ, chủ hồ chứa sẽ phải có công cụ tính toán mô phỏng quá trình vận hành để xác lập phương án hiệu quả an toàn và đúng với quy trình vận hành theo quyết định của Thủ tướng Chính phủ.

Do yếu tố cấp bách về thời gian trong mưa lũ, công cụ thông tin hỗ trợ vận hành này phải có khả năng hiển thị trực quan, tức thời để cán bộ vận hành có thể đưa ra được những quyết định vận hành chính xác và hiệu quả. Công cụ này cũng cần được thiết kế để ghi chép lưu trữ thông tin quá trình vận hành để làm bằng chứng về việc thực hiện đúng quy trình vận hành, cũng như lưu trữ thông tin để cải tiến hệ thống vận hành, nhất là việc hiệu chỉnh để nâng cao độ chính xác của mô hình thủy văn tính toán dòng chảy về hồ chứa.

Do không có công cụ để vận hành hiệu quả, an toàn đã khiến nhiều nhà máy thủy điện vận hành chỉ căn cứ theo thông tin mực nước duy nhất trong việc điều tiết lũ và đây là nguyên nhân rủi ro rất lớn trong vận hành hồ chứa khiến nhiều sự cố đã xảy ra.

Để giải quyết triệt để bài toán đó cần áp dụng phương pháp vận hành hoàn toàn dựa vào đường quá trình lũ theo thời gian thực về hồ nhằm đưa ra các quyết định điều tiết áp dụng vào các quy trình liên hồ. Phương pháp này đã trải qua thực tế vận hành ở Nhật Bản nhiều chục năm qua và chứng tỏ tính hữu hiệu của nó do việc chuẩn hóa phương pháp điều tiết, thực hiện dễ dàng tạo ra khả năng vận hành tập trung vào điều kiện thủy văn ngay tại từng hồ chứa mà không bị động như phương pháp vận hành dùng điểm chuẩn nói trên.

Tại Hội thảo quốc tế "Công nghệ của Nhật Bản trong vận hành hồ chứa và kiểm soát lũ tại các nhà máy thủy điện" do Hiệp hội Năng lượng Việt Nam tổ chức cuối tháng 10/2017 ở Hà Nội, Tập đoàn Điện lực Kuyshu đã giới thiệu giải pháp "Chương trình kiểm soát lũ và vận hành hồ chứa HNT". Nếu thực hiện theo phương pháp này thì quyền vận hành chỉ cần trao cho chủ hồ chứa, cơ quan quản lý giám sát tốt việc thực hiện quy trình vận hành từng hồ trong các cơn lũ mà không cần phải trao quyền vận hành lên cơ quan quản lý địa phương, hay Trung ương.

Rõ ràng, người hiểu tốt nhất điều kiện thủy văn của hồ chứa là cán bộ vận hành ở từng hồ đó, do đó, việc lập ra quy trình để họ điều tiết tốt cho chính hồ chứa của họ sẽ tạo cơ hội chuyên môn hóa cao công tác vận hành và giảm gánh nặng trách nhiệm vận hành toàn lưu vực cho các nhà quản lý. Đây cũng là phương pháp rất minh bạch về vai trò - tức là tỷ trọng cắt giảm lũ của từng hồ chứa tùy thuộc vào sức chứa của từng hồ đó.

Áp dụng thực tế tại Việt Nam, tháng 8/2016, Tập đoàn Điện lực Kyushu đã hợp tác với Công ty thủy điện Sử Pán 1 thử nghiệm chương trình sử dụng phần mềm điều khiển dòng chảy HNT tại Nhà máy Thủy điện Thác Xăng, công suất lắp máy 16 MW thuộc xã Hùng Việt, huyện Tràng Định, tỉnh Lạng Sơn.

Đánh giá hiệu quả kinh tế sau thử nghiệm cho thấy, kết quả vận hành chương trình HNT đã phát huy khả năng vận hành hồ chứa rất hiệu quả kinh tế trong mùa khô và cả mùa mưa. Dự án sử dụng phần mềm điều khiển dòng chảy HNT áp dụng cho Nhà máy Thủy điện Thác Xăng đã vận hành tuyệt đối an toàn, đặc biệt là mùa lũ năm 2017, thời gian rất nhiều nhà máy thủy điện ở Đông và Tây Bắc nước ta gặp khó khăn trong vận hành. Và kết quả là năm 2018 thu nhập bán điện tăng 17% so với năm 2017 do vận hành ở mực nước cao và đón lũ thành công.

Do ảnh hưởng của thời tiết năm 2019 đến việc tích nước của các hồ chứa thủy điện, theo tính toán của EVN, dự kiến năm 2020 ngành điện sẽ tiếp tục phải đối mặt với thách thức rất lớn trong việc đảm bảo cân bằng cung cầu, dự kiến sẽ phải huy động thêm 7,9 tỷ kWh các tổ máy chạy dầu với giá điện khoảng 4.000-5.000 đ/kWh và có thể tăng lên 12,5 - 16,7 tỷ kWh trong trường hợp không thể tích được nước tại các hồ đạt mực nước dâng bình thường, hoặc phụ tải tăng cao hơn dự báo.

Vì vậy, nhu cầu về dự báo khí tượng và tính toán dự báo dòng chảy về hồ chính xác là ưu tiên hàng đầu cho hoạt động điều tiết vận hành hồ chứa của nước ta. Để đáp ứng mục tiêu đó, giải pháp áp dụng hệ thống thông tin hỗ trợ vận hành liên hồ chứa theo thời gian thực sẽ đem lại hiệu quả sử dụng nước và kiểm soát lũ trong mọi hoàn cảnh.

Nhằm hỗ trợ tài chính cho dự án phát triển hệ thống vận hành liên hồ chứa theo thời gian thực cho lưu vực các hệ thống sông Việt Nam, Điện lực Kyushu đề xuất việc triển khai hệ thống vận hành như một dự án thuộc cơ chế tín chỉ chung (JCM) do Bộ Môi trường Nhật Bản quản lý.

Với việc tham gia vào cơ chế này, trên cơ sở hệ thống vận hành liên hồ mà Kyushu đề xuất có thể tăng được hiệu quả phát điện, các nhà đầu tư có thể được hỗ trợ tới 50% vốn đầu tư cho hệ thống liên quan đến mình cùng 50% quyền phát khí thải phát sinh do việc vận hành thủy điện hiệu quả hơn - tức là giảm được khí thải nhà kính so với điện lượng hiệu quả hơn tương đương của nhà máy sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

Hiện nay các chuyên gia thuộc Tập đoàn Kuyshu đang hợp tác với tỉnh Quảng Nam triển khai Dự án “Xây dựng hệ thống thông tin hỗ trợ vận hành hồ chứa theo công nghệ Nhật bản theo thời gian thực cho lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn”. Việc áp dụng phần mềm HNT tại các nhà máy thủy điện sẽ đem lại lợi ích kinh tế và tăng độ an toàn cho công tác vận hành hồ chứa đơn lẻ, cũng như hệ thống liên hồ ở Việt Nam. Để thực hiện chương trình này, Công ty TNHH Kyuden Innovatech Vietnam thông qua Hiệp hội Năng lượng Việt Nam đề xuất như sau:

Thứ nhất: Áp dụng kỹ thuật, công nghệ của Điện lực Kyushu cho công tác xây dựng hệ thống thông tin hỗ trợ vận hành theo thời gian thực cho các hệ thống sông ở Việt Nam.

Thứ hai: Tận dụng nguồn hỗ trợ tài chính của Chính phủ Nhật Bản thông qua cơ chế tín chỉ chung JCM.

Mục đích của đề xuất này là nhằm tăng cường độ an toàn vận hành phòng chống lũ cho các hệ thống sông Việt Nam và tiết kiệm nguồn nước, đặc biệt trong những năm kiệt như thời gian gần đây để đảm bảo an ninh năng lượng, tưới tiêu và dân sinh.

Thiệt hại điện năng từ thủy điện năm 2019 là 16,3 tỷ kWh, nếu với mức giá 1.000đ/kWh thì ngành điện đã thất thu 16.300 tỷ. Vì vậy, việc đầu tư xây dựng hệ thống thông tin hỗ trợ vận hành hồ chứa theo công nghệ Nhật Bản theo thời gian thực cho các lưu vực sông nhằm sử dụng hợp lý nguồn nước và đảm bảo an toàn chống lũ cho hạ du là giải pháp tối ưu trong vận hành các nhà máy thủy điện thích ứng với biến đổi khí hậu hiện nay./.

Tài liệu tham khảo:

1/ Hệ thống thông tin hỗ trợ vận hành hồ chứa theo công nghệ Nhật Bản theo thời gian thực cho lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn. Hà Ngọc Tuấn. Tập đoàn Điện lực Kyushu, 2019.

2/ Cơ hội nguồn tài chính cho phát triển hệ thống kỹ thuật quản lý vận hành liên hồ chứa áp dụng chính sách về giẩm phát thải môi trường của Nhật Bản - cơ chế tín chỉ chung JMC. Kyuden Innovatech Vietnam Co., Ltd. Hà Nội, tháng 11/ 2019.