Tổng quan thủy điện tích năng toàn cầu và triển vọng của Việt Nam

Cơ chế nào để Việt Nam phát triển pin lưu trữ điện năng và thủy điện tích năng? Phát triển mạnh nguồn năng lượng tái tạo cần đi đôi với việc xây dựng hệ thống lưu trữ điện năng, nhằm tích trữ năng lượng dư thừa do các nguồn năng lượng tái tạo không thể điều độ vào các giờ thấp điểm của nhu cầu và phát lên hệ thống ở những giờ cao điểm đang và sẽ ngày càng quan trọng. Tuy nhiên, muốn thực hiện được điều này, cần có các cơ chế linh hoạt, phù hợp để có thể thúc đẩy được việc đầu tư phát triển hệ thống lưu trữ điện năng.

Bên cạnh ‘nguồn điện linh hoạt’, Việt Nam cần thêm thủy điện tích năng Theo nhìn nhận của nhiều chuyên gia, nhà quản lý, thì dù Việt Nam có các nguồn điện linh hoạt bổ sung cho hệ thống điện thì việc cắt giảm nguồn năng lượng gió, mặt trời với một tỷ lệ thích hợp là điều không thể tránh khỏi đối với một hệ thống điện tích hợp năng lượng tái tạo ở quy mô lớn... Vậy giải pháp nào có thể giải quyết vấn đề này? Chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam cho rằng: Với tiềm năng phát triển thủy điện tích năng ở nước ta có thể đạt tới 12.500 MW, vì vậy, Chính phủ cần xem xét bổ sung công suất từ nguồn điện này cao hơn 1.200 MW vào năm 2030 và 7.800 MW vào năm 2045.

Giải quyết vấn đề thừa, thiếu trong biểu đồ phụ tải hệ thống điện Việt Nam Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các dạng năng lượng tái tạo tiên tiến khác, hiện nay trên thế giới đã hình thành nên một xu hướng khá phổ biến là 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 ở nhiều thời gian trong ngày.

Tham khảo nhanh về thủy điện tích năng:

Theo Bách khoa thư mở (EWO): Thủy điện tích năng (Pumped hydropower storage - PHS) là nhà máy thủy điện kiểu bơm tích lũy, sử dụng điện năng của các nhà máy điện bị phát non tải trong hệ thống điện vào những giờ thấp điểm phụ tải đêm, duy trì cho chúng phát đủ tải, để bơm nước từ hồ nước thấp lên hồ nước cao. 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.

Trên góc nhìn năng lượng, PHS là mảnh ghép của bức tranh năng lượng tái tạo. Xa hơn, trong xu hướng phát năng lượng tái tạo bền vững, lưu trữ năng lượng là một phần quan trọng để giúp các hệ thống vận hành ổn định, tận dụng tối đa công suất phát. Vì vậy, thủy điện tích năng hiện là phương án hàng đầu cho việc lưu trữ điện. Các nhà máy thủy điện tích năng có thể sử dụng các loại tua bin - máy phát thông thường như các nhà máy thủy điện khác và dùng bơm, đường ống độc lập, hoặc cũng có thể sử loại tua bin thuận nghịch.

Theo các chuyên gia năng lượng Hà Lan: PHS là công nghệ MES (Manufacturing execution system), hay điều hành sản xuất hoàn thiện nhất với hiệu suất khoảng 85%, hiệu suất điện - thành điện (electricity-to-electricity) cao nhất trong tất cả các hệ thống MES. Hiệu suất cao có thể là một may mắn cho các hệ thống điện dựa trên năng lượng tái tạo cao, đặc biệt trong dài hạn. Tính linh hoạt của PHS là một trong những ưu điểm quan trọng nhất để nó có thể được sử dụng ngay giống như dịch vụ phụ trợ của lưới điện để điều chỉnh tần số. Trong ứng dụng thực tế, PHS là MES quy mô lớn đã được chứng minh về mặt thương mại phù hợp với công suất trong khoảng 100 MW đến vài nghìn MW.

Cần xác định PHS là một “hộ tiêu thụ đặc biệt”, không phải là một nguồn phát điện thuần, do tổng điện năng nó sản xuất ra chỉ đạt tối đa 85% điện năng mà nó tiêu thụ. Nhưng hiệu quả của PHS là làm “san bằng” biểu đồ phát điện của các nhà máy khác khi thấp điểm phụ tải và cấp lại điện vào lúc cao điểm của hệ thống. Tuổi thọ cao và thời gian xả lâu là những ưu điểm khác của công nghệ PHS.

Thủy điện tích năng, hay PHS là một cấu hình của hai hồ chứa nước ở các độ cao khác nhau, tạo ra điện năng khi nước được xả xuống hồ dưới, đi qua tua bin, và dùng điện năng khi nó bơm nước trở lên hồ chứa phía trên (nạp lại). PHS hoạt động tương tự như một viên pin khổng lồ, vì nó có thể tích trữ năng lượng và sau đó giải phóng khi cần thiết. Các trường hợp sử dụng PHS đầu tiên được biết đến là ở Ý và Thụy Sĩ (những năm 1890), và PHS lần đầu tiên được sử dụng tại Hoa Kỳ vào năm 1930. Hiện nay, các cơ sở PHS có thể được tìm thấy ở mọi nơi trên thế giới.

Thủy điện tích năng là hình thức tích trữ năng lượng chiếm ưu thế nhất trên lưới điện hiện nay. Nó cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc đưa nhiều nguồn tài nguyên tái tạo hơn vào lưới điện. PHS có thể được đặc trưng như vòng mở, hoặc kín. PHS vòng mở có mối liên hệ thủy văn liên tục với khối nước tự nhiên. Với PHS vòng kín, các hồ chứa không được kết nối với khối nước bên ngoài.

Tình hình phát triển PHS trên thế giới:

Theo trang tin công nghệ trực tuyến của Hà Lan Sciencedirect, hiện nay có hơn 125 GW công suất PHS đang vận hành trên toàn thế giới, bằng 3% sản lượng điện toàn thế giới và 99% công suất lưu trữ điện của thế giới. Còn theo ấn phẩm năm 2021 có tên Báo cáo Thị trường Thủy điện, PSH hiện chiếm 93% tổng lượng dự trữ năng lượng quy mô công ty ở Hoa Kỳ. Quốc gia này hiện có 43 nhà máy PHS và có tiềm năng bổ sung đủ các nhà máy PHS mới để tăng hơn gấp đôi công suất PHS hiện tại.

Cụ thể, Argentina có 1 nhà máy, Úc (4), Áo (9), Bỉ (2) Bungary (6), Canada (1), Trung Quốc (2), Croatia (3), CH Séc (3), Pháp (7), Đức (10), Ấn Độ (6), Iran (1), Ireland (1), Ý (4), Nhật (15), Litva (1), Luxemburg (1). Riêng Na Uy có nhiều trạm thủy điện lớn, một số nơi không phát điện năng mà là hệ thống bơm nước lên hồ chứa để từ đó phục vụ các trạm thủy điện với số lượng là 15 cơ sở.

Tiếp theo Philipin có 1, Ba Lan (6), Bồ Đào Nha (50), Nga (3), Serbia (1), Slovakia (4), Slovenia (1), Nam Phi (4), Tây Ban Nha (8), Thụy Điển (1), Thụy Sỹ (10), Đài Loan (2), Ukraine (4), Anh (4).

Ưu và nhược điểm của hệ thống PHS:

PHS là một công nghệ thuần thục với khối lượng lớn, thời gian lưu trữ lâu, hiệu quả cao và chi phí vốn trên một đơn vị năng lượng tương đối thấp. Do sự bay hơi và thâm nhập nhỏ, thời gian lưu trữ của PHS có thể thay đổi, từ hàng giờ đến hàng ngày, thậm chí hàng năm. Có tính đến các tổn thất do bay hơi và chuyển đổi, 71 - 85% năng lượng điện được sử dụng để bơm nước vào hồ chứa trên cao sẽ được lấy lại qua tua bin phát điện khi xả nước xuống.

Mặc dù có chi phí sản xuất tương đối thấp, PHS gần như đắt ngang với pin. Không có cơ hội tốt để giảm chi phí liên quan đến thiết bị hệ thống chuyển đổi năng lượng do trạng thái thực hành thuần thục của nó. Các hạn chế về địa lý, các tác động tiêu cực trực tiếp và gián tiếp đến môi trường, thời gian xây dựng lâu và diện tích cần thiết rất lớn là những thách thức quan trọng khác của công nghệ PHS.

Các vấn đề môi trường gắn liền với những thay đổi không thể tránh khỏi của tự nhiên đối với các đập lớn, đường xá và đường dây điện. Một thách thức kỹ thuật nghiêm trọng của PHS là quản lý trầm tích. Trong suốt thời gian tồn tại của hệ thống PHS (và các hệ thống thủy điện thông thường), trầm tích dần dần bị giữ lại trong đập và cơ sở hạ tầng gây ra nhiều khó khăn về môi trường, vận hành, bảo trì như giảm công suất sản xuất của hệ thống, làm hỏng tua bin.

Ngoài ra, PHS còn có những hạn chế khác, đó là khan hiếm địa điểm sẵn có cho hai hồ chứa lớn và một hoặc hai đập. Thời gian xây dựng lâu (thường từ 8 - 10 năm). Nhiều hệ thống thủy điện tích năng có thể có tác động tiêu cực đến đất đai và động vật hoang dã. Ngoài ra, sự tạo ra các hồ chứa lớn lấp đầy các hẻm núi là mối lo ngại phổ biến.

Thủy điện bao gồm PHS đang và sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong ma trận năng lượng toàn cầu. Tuy nhiên, trước mức độ nghiêm trọng của những thách thức nói trên, đã có những nỗ lực để đưa ra các giải pháp mới trong bối cảnh này. Một số trong số này là các hồ chứa PHS làm nơi chứa xử lý nước thải, các trục chứa đầy nước dưới đất với cơ chế nổi piston, PHS dưới biển cho các tua bin gió ngoài khơi, PHS dưới lòng đất, và các hồ khác. Ngay cả với những khái niệm mới lạ này, vẫn cần có thêm nhiều đổi mới và giải pháp thực tế, bao gồm cả các khả năng kinh tế, công nghệ mới để giải quyết một cách thích hợp những thách thức quan trọng của hệ thống PHS.

Phát triển thủy điện tích năng ở Việt Nam:

Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) với sự tư vấn của các chuyên gia Nhật Bản (JICA) đã hoàn thành nghiên cứu các dự án thủy điện tích năng tiềm năng và đã được Bộ Công nghiệp phê duyệt tại Quyết định số 3837/QĐ-BCN ngày 22/11/2005 (nghiên cứu 38 địa điểm và kiến nghị 10 dự án có tính khả thi với tổng công suất lắp máy khoảng 10.000 MW).

Nhà máy Thủy điện Tích năng Bác Ái, tỉnh Ninh Thuận là công trình thủy điện tích năng đầu tiên tại Việt Nam đã được khởi công xây dựng đầu năm 2020 với tổng mức đầu tư khoảng 21.100 tỷ đồng. Dự án gồm 4 tổ máy, với công suất 1.200 MW. Công trình này sử dụng nguồn nước từ hồ Sông Cái thuộc hệ thống thủy lợi Tân Mỹ làm hồ dưới. Nước được bơm lên hồ trên tích nước để phát điện thông qua 2 đường ống song song có đường kính thay đổi từ 5,5 đến 7,5 m, dài 2,7 km. Nhà máy được trang bị bơm - tua bin đảo chiều và động cơ - máy phát đảo chiều hiện đại. Dự kiến toàn bộ dự án này hoàn thành vào năm 2028.

Thủy điện Tích năng Bác Ái có vai trò quan trọng trong hệ thống điện quốc gia, có nhiệm vụ phát điện phủ đỉnh - điền đáy biểu đồ phụ tải hàng ngày, dự phòng công suất phát, giúp ổn định hệ thống, điều chỉnh tần số, là công cụ giúp điều độ hệ thống điện quốc gia vận hành ổn định, an toàn tin cậy trong bối cảnh hệ thống công suất lắp đặt của các nhà máy điện mặt trời đang tăng rất cao./.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

(THEO: EG/SDC/VEA - 11/2022)

Link tham khảo:

1/ https://www.energy.gov/eere/water/pumped-storage-hydropower

2/ https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/storage-hydropower

3/ https://nangluongvietnam.vn/thuy-dien-tich-nang-giai-quyet-van-de-thua-thieu-trong-bieu-do-phu-tai-he-thong-dien-26009.html