Nhà máy điện ảo - Mô hình năng lượng mới cho tương lai?

Chuyển dịch năng lượng của Việt Nam - Dưới góc nhìn chỉ số ETI và quy hoạch phát triển Trong bài báo dưới đây, chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam nêu các Chỉ số chuyển dịch năng lượng (ETI) được Diễn đàn Kinh tế Thế giới (WEF) đánh giá, cùng với các phân tích, nhận định mức độ sẵn sàng cho chuyển dịch năng lượng của Việt Nam dưới góc nhìn chiến lược. Sau đó là một số nhận định về thách thức trong chuyển dịch năng lượng dưới góc độ quy hoạch phát triển. Rất mong nhận được sự chia sẻ của các chuyên gia, nhà quản lý và bạn đọc.

Nhà máy điện ảo (VPP) là gì?

Nhà máy điện ảo (Virtual Power Plant), gọi ngắn là VPP - tổ hợp các nguồn năng lượng phân tán (DER), bao gồm người tiêu thụ điện, nhà máy điện năng lượng tái tạo quy mô nhỏ, pin lưu trữ, pin lưu trữ tại chỗ và pin nhiên liệu, được kiểm soát theo cách tích hợp để hoạt động như thể chúng là một nhà máy điện thực sự.

Bằng cách sắp xếp khoa học và thông minh, VPP có thể giúp lưới điện sạch hơn và hiệu quả hơn. Trong hơn một thế kỷ, hình ảnh phổ biến về nhà máy điện được đặc trưng bởi những ống khói cao ngất ngưởng, đoàn tàu chở than vô tận và tua bin quay ồn ào. Nhưng các nhà máy cung cấp năng lượng cho tương lai sẽ có diện mạo hoàn toàn khác. Trên thực tế, nhiều nhà máy không có hình dạng vật lý cụ thể nào cả - đó là kỷ nguyên của nhà máy điện ảo (VPP).

Nói ngắn gọn, VPP là hệ thống tích hợp nhiều nguồn điện, có thể không đồng nhất, để cung cấp điện vào lưới. VPP thường bán sản lượng của mình cho một công ty điện lực. Nó cho phép các nguồn năng lượng riêng lẻ quá nhỏ để một công ty điện lực tổng hợp và tiếp thị, được đưa vào lưới.

Trên thực tế, VPP hoạt động giống và có hiệu quả tương tự như một nhà máy điện truyền thống lớn, nên lưới điện vẫn ổn định. Tuy nhiên, bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng các nguồn năng lượng phân tán (DER), VPP mang lại nhiều lợi ích hơn so với mô hình nhà máy điện tập trung truyền thống. Các DER trong VPP có chi phí biên thấp hơn nhiều và thường sử dụng năng lượng sạch hơn như năng lượng mặt trời tại chỗ, lưu trữ, hoặc tính linh hoạt có thể kiểm soát.

Mức độ phổ biến của VPP:

Cho đến gần đây, VPP chủ yếu được sử dụng để kiểm soát mức sử dụng năng lượng của người tiêu dùng. Nhưng vì công nghệ năng lượng mặt trời và pin đã phát triển nên các công ty điện lực hiện nay có thể sử dụng chúng để cung cấp điện trở lại lưới điện khi cần.

1. Tại Hoa Kỳ:

Tại Hoa Kỳ, Bộ Năng lượng (DOE) ước tính công suất VPP vào khoảng 30 đến 60 GW. Con số này chiếm khoảng 4% đến 8% nhu cầu điện cao điểm trên toàn quốc, một phần nhỏ trong toàn bộ hệ thống. Tuy nhiên, một số tiểu bang và công ty điện đang nhanh chóng triển khai thêm nhiều VPP hơn vào lưới điện của họ.

Năm 2023, Green Mountain Power - Công ty điện lớn nhất của Vermont đã tiên phong đi đầu bằng chương trình mở rộng dự án pin gia đình có trợ cấp. Khách hàng có thể thuê pin gia đình Tesla với mức giá ưu đãi, hoặc mua riêng, nhận được hỗ trợ lên đến 10.500 USD (nếu họ đồng ý chia sẻ năng lượng đã lưu trữ với công ty điện khi cần thiết). Ủy ban Tiện ích Công cộng Vermont - đơn vị đã phê duyệt chương trình này cho biết họ cũng có thể cung cấp điện khẩn cấp trong thời gian mất điện.

Tại Massachusetts - ba công ty điện (National Grid, Eversource và Cape Light Compact) đã triển khai chương trình VPP trả tiền cho khách hàng để đổi lấy quyền kiểm soát pin gia đình của họ.

Trong khi đó, tại Colorado, các nỗ lực đang được tiến hành để ra mắt hệ thống VPP đầu tiên của tiểu bang. Ủy ban Tiện ích Công cộng Colorado đang hối thúc Xcel Energy - Công ty điện lớn nhất phát triển một dự án thí điểm VPP hoạt động hoàn toàn vào mùa hè này.

2. Châu Âu:

Viện Công nghệ cung cấp năng lượng mặt trời của Đại học Kassel (Đức) đã thử nghiệm thí điểm một VPP liên kết năng lượng mặt trời, gió, khí sinh học và thủy điện tích năng để cung cấp điện theo tải.

Một VPP đang hoạt động ở Eigg của Quần đảo Nội Hebrides thuộc Scotland. Tiếp theo là Kraftwerke đến từ Cologne (Đức) vận hành một VPP tại 7 quốc gia châu Âu cung cấp các nguồn phủ phụ tải đỉnh, dịch vụ giao dịch điện và cân bằng lưới điện. Công ty tổng hợp năng lượng từ khí sinh học, năng lượng gió, mặt trời và từ các hộ tiêu thụ điện quy mô lớn.

Năm 2018, nhà điều hành mạng lưới phân phối của Anh là UK Power Networks và nhà sản xuất pin, tổng hợp điện Powervault đã hợp tác tạo ra nhà máy VPP đầu tiên ở London, lắp đặt một hệ thống pin tại hơn 40 ngôi nhà trên khắp Quận Barnet của London, cung cấp năng lượng 0,32 MWh. Kế hoạch này đã được tiếp tục mở rộng thông qua hợp đồng thứ hai tại St Helier (London) vào năm 2020. Vào tháng 9 năm 2019, SMS plc đã tham gia vào lĩnh vực VPP tại Vương quốc Anh sau khi mua lại công ty khởi nghiệp công nghệ năng lượng của Ireland là Solo Energy.

Vào tháng 10 năm 2020, Tesla đã hợp tác với Octopus Energy ra mắt Kế hoạch năng lượng Tesla tại Vương quốc Anh, cho phép các hộ gia đình tham gia VPP của mình. Các ngôi nhà được cung cấp năng lượng tái tạo từ các tấm pin mặt trời, hoặc từ Octopus Energy. Vào tháng 6 năm 2024, các công ty của Đức là Enpal và Entrix đã công bố kế hoạch tạo ra Nhà máy điện ảo (VPP) lớn nhất châu Âu.

VPP tích hợp một số lượng lớn các nguồn năng lượng phi tập trung (bao gồm điện mặt trời, pin và xe điện). Enpal, vốn là một đơn vị lắp đặt năng lượng mặt trời hàng đầu với hơn 70.000 hệ thống đã lắp đặt, có kế hoạch kết nối hàng nghìn hộ gia đình có năng lượng mặt trời và các đơn vị lưu trữ với VPP, mang lại sự độc lập về năng lượng và tính ổn định của lưới điện lớn hơn.

3. Tại Úc:

Vào tháng 8 năm 2020, Tesla bắt đầu lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời trên mái nhà, công suất 5 kW và pin Powerwall 13,5 kWh tại mỗi cơ sở của Housing SA, miễn phí cho người thuê. Nhiều nhà máy điện ảo lớn ở Nam Úc, pin và hệ thống năng lượng mặt trời được quản lý tập trung, cùng nhau cung cấp 20 MW công suất phát điện và 54 MWh năng lượng lưu trữ cho lưới.

Trước đó, hồi tháng 8 năm 2016, AGL Energy đã công bố một chương trình nhà máy điện ảo công suất 5 MW cho Adelaide. Công ty này đã lên kế hoạch cung cấp hệ thống pin và quang điện từ Sunverge Energy của San Francisco cho 1.000 hộ gia đình và doanh nghiệp. Các hệ thống này có giá là 3.500 đô la Úc cho người tiêu dùng và dự kiến ​​sẽ thu hồi được chi phí trong 7 năm (theo biểu giá điện phân phối hiện tại).

Kế hoạch trên có vốn đầu tư trị giá 20 triệu đô la Úc và được coi là lớn nhất thế giới cho tới nay.

Vài nét về cơ chế hoạt động của VPP:

Bản chất “ảo” của VPP xuất phát từ việc không có cơ sở vật chất trung tâm, giống như nhà máy than, hoặc khí đốt truyền thống. Bằng cách tạo ra điện, cân bằng phụ tải, pin và tấm quang năng mặt trời tổng hợp cung cấp các chức năng của nhà máy điện thông thường. Các nhà máy điện truyền thống hoạt động từ một địa điểm vật lý và chỉ hoạt động ở phía cung của phương trình lưới điện - khi nhu cầu tăng lên, các nhà máy điện vật lý tập trung sẽ tăng tốc để cung cấp nhiều năng lượng hơn.

Ngược lại, một nhà máy điện ảo sử dụng nhiều năng lực phi tập trung theo những cách khác nhau với IoT (Internet vạn vật) để giúp cung đáp ứng nhu cầu. Nhu cầu giảm có tác dụng tương tự như nhà máy điện truyền thống tăng nguồn cung (đảm bảo cung và cầu cân bằng).

Nhưng đây không phải là tất cả những gì VPP có thể làm. Một số DER trong VPP cũng có thể cung cấp năng lượng cho lưới điện. (Ví dụ máy phát điện tại chỗ, công nghệ lưu trữ - một xu hướng mà chúng ta thấy sẽ gia tăng trong tương lai không xa).

Việc áp dụng DER đang ngày càng tăng, vì chúng cho phép các tổ chức linh hoạt hơn trong cách tiêu thụ năng lượng, thúc đẩy các mục tiêu phát triển bền vững và tăng cường khả năng phục hồi trong toàn bộ hoạt động của họ.

Nhiều loại tài sản năng lượng khác nhau có thể được tổng hợp thành VPP. Một số ví dụ về tài sản trong VPP bao gồm:

1. Tải linh hoạt：

Tải linh hoạt đề cập đến việc quản lý nhu cầu điện (tiêu thụ) để phù hợp với nguồn cung điện. Tính linh hoạt phổ biến nhất về phía nhu cầu là cắt giảm nhu cầu, có thể được khuyến khích thông qua các chương trình Đáp ứng nhu cầu của công ty điện lực, hoặc đơn vị điều hành thị trường. Theo các chương trình này, những hộ tiêu thụ điện lớn sẽ được thưởng khi cắt giảm nhu cầu trong giờ cao điểm của hệ thống.

2. Lưu trữ pin:

Hệ thống lưu trữ pin có thể cho phép người tiêu dùng sử dụng năng lượng được lưu trữ trong thời kỳ giá điện thấp, hoặc năng lượng được lưu trữ bởi các nguồn năng lượng tái tạo. Pin có thể đóng góp năng lượng được lưu trữ trực tiếp vào lưới điện như một phần của VPP.

3. Điện mặt trời tại chỗ:

Điện mặt trời tại chỗ có thể giúp giảm lượng điện mua từ lưới điện. Tùy thuộc vào chương trình và điều khoản hợp đồng, điện mặt trời dư thừa có thể được xuất trở lại lưới điện.

4. Xe điện:

Giống như pin, sạc EV thông minh có thể phản hồi tín hiệu lưới điện và cho phép chủ sở hữu EV chuyển thời gian sạc từ thời kỳ giá điện cao sang thời kỳ giá điện thấp. Nghiên cứu tình huống với Gogoro và Enel X của Đài Loan là một ví dụ về điều này.

Nhà máy điện ảo VPP sẽ định hình hệ thống năng lượng của tương lai?

Sự chuyển đổi từ các nguồn năng lượng thông thường như than và khí đốt sang các nguồn năng lượng tái tạo thay thế như năng lượng gió, mặt trời có nghĩa là cách thức vận hành hệ thống năng lượng đã tồn tại hàng thập kỷ của chúng ta đang thay đổi. Các chính phủ và công ty tư nhân hiện đang trông cậy vào tiềm năng của VPP để giúp giảm chi phí và ngăn lưới điện quá tải.

Kevin Brehm - chuyên gia quản lý tại Viện Rocky Mountain (Hoa Kỳ) cho biết: Việc so sánh VPP với các nhà máy điện truyền thống là một “phép so sánh hữu ích”, nhưng VPP “thực hiện một số việc khác nhau và do đó có thể cung cấp các dịch vụ mà nhà máy điện truyền thống không thể”.

Một điểm khác biệt đáng kể là khả năng định hình mức sử dụng năng lượng của người tiêu dùng theo thời gian thực của VPP. Không giống như các nhà máy điện thông thường, VPP có thể giao tiếp với các nguồn năng lượng phân tán và cho phép các nhà điều hành lưới điện kiểm soát nhu cầu từ người dùng cuối.

Ví dụ, bộ điều nhiệt thông minh được kết nối với các thiết bị điều hòa không khí có thể điều chỉnh nhiệt độ trong nhà và quản lý lượng điện mà các thiết bị tiêu thụ. Vào những ngày hè nóng nực, các bộ điều nhiệt này có thể làm mát trước các ngôi nhà trước giờ cao điểm, khi nhu cầu sử dụng điều hòa không khí tăng đột biến. Việc sắp xếp thời gian làm mát có thể giúp ngăn ngừa tình trạng nhu cầu tăng đột ngột có thể gây quá tải lưới điện và gây ra tình trạng mất điện. Tương tự như vậy, bộ sạc xe điện có thể thích ứng với các yêu cầu của lưới điện bằng cách cung cấp, hoặc sử dụng điện.

Các nguồn năng lượng phân tán này kết nối với lưới điện thông qua các công nghệ truyền thông như Wi-Fi, Bluetooth và dịch vụ di động. Nhìn chung, việc thêm VPP có thể tăng khả năng phục hồi của toàn bộ hệ thống. Bằng cách phối hợp hàng trăm nghìn thiết bị, VPP có tác động có ý nghĩa đến lưới điện - chúng định hình nhu cầu, cung cấp điện và duy trì dòng điện ổn định.

Tại sao VPP lại quan trọng đối với quá trình chuyển đổi năng lượng sạch?

Các nhà điều hành lưới điện phải đáp ứng “phụ tải đỉnh” hàng năm, hoặc hàng ngày, thời điểm nhu cầu điện cao nhất. Để làm được điều đó, họ thường sử dụng các nhà máy “phủ đỉnh” chạy bằng khí đốt, những nhà máy này thường không hoạt động trong hầu hết thời gian trong năm và họ có thể bật chúng lên vào thời điểm nhu cầu cao. VPP sẽ giảm sự phụ thuộc của lưới điện vào các nhà máy này.

DOE hiện đang đặt mục tiêu mở rộng công suất VPP ở Hoa Kỳ lên từ 80 đến 160 GW vào năm 2030. Brehm cho biết con số này tương đương với 80 đến 160 nhà máy nhiên liệu hóa thạch không cần xây dựng.

Nhiều công ty điện lực cho biết, VPP có thể giảm hóa đơn tiền điện cho người tiêu dùng, ngoài việc giảm phát thải. Nghiên cứu cho thấy: Việc tận dụng các nguồn phân tán trong thời gian nhu cầu cao điểm tiết kiệm chi phí hơn tới 60% so với việc dựa vào các nhà máy khí đốt.

Một lợi thế đáng kể khác (mặc dù ít hữu hình hơn) của VPP là chúng khuyến khích mọi người tham gia nhiều hơn vào hệ thống năng lượng. Thông thường, khách hàng chỉ nhận được điện, nhưng trong hệ thống VPP, họ vừa tiêu thụ điện vừa đóng góp điện trở lại lưới điện. Vai trò kép này có thể giúp họ hiểu rõ hơn về lưới điện và đầu tư nhiều hơn vào quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch.

Theo DOE: Công suất của các nguồn năng lượng phân tán đang mở rộng nhanh chóng do việc áp dụng rộng rãi các loại xe điện, trạm sạc và thiết bị nhà thông minh. Việc kết nối những thứ này với hệ thống VPP giúp tăng cường khả năng cân bằng nhu cầu và cung cấp điện theo thời gian thực của lưới điện.

Các cơ quan quản lý cũng đang tham gia. Hiệp hội các Ủy viên Tiện ích Quản lý Quốc gia Hoa Kỳ đã bắt đầu tổ chức các hội thảo chuyên đề để giáo dục các thành viên của mình về VPP và cách triển khai chúng tại các tiểu bang của họ. Ủy ban Năng lượng California chuẩn bị tài trợ cho nghiên cứu về những lợi ích của việc tích hợp VPP vào hệ thống lưới điện của mình. Brehm cho biết, sự quan tâm này từ các cơ quan quản lý là mới, nhưng đầy hứa hẹn.

Kỳ tới: Nhà máy điện ảo và lưu trữ điện năng trong hệ thống năng lượng kết hợp (hybrid)

BBT TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Link tham khảo:

1. https://www.technologyreview.com/2024/02/07/1087836/how-virtual-power-plants-are-shaping-tomorrows-energy-system/

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_power_plant#:~:text=A%20virtual%20power%20plant%20(VPP,aggregate%20and%20market%20their%20power.

3. https://www.enelx.com/jp/en/question-and-answer/what-is-virtual-power-plant