Vai trò của nhà máy điện ICE đối với Hệ thống điện Việt Nam

Công nghệ Wärtsilä trong việc hỗ trợ Việt Nam phát triển năng lượng

Sự cần thiết của nhà máy điện ICE và ứng dụng trong tương lai của Việt Nam

1/ Nguyên lý hoạt động

Động cơ đốt trong (ICE) là công nghệ được ứng dụng rộng rãi trong các phương tiện giao thông như xe máy, ô tô, xe tải; các thiết bị xây dựng, hàng hải và thiết bị dự phòng điện. Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ đốt trong là tạo sự giãn nở khí nóng, đẩy piston trong xi lanh, chuyển đổi chuyển động tuyến tính của piston thành chuyển động quay của một trục truyền động để sinh năng lượng.

Động cơ ICE của Wärtsilä có khả năng sử dụng nhiều loại nhiên liệu, vận hành linh hoạt với hiệu suất cao (khoảng 46%÷52%). Các nhà máy điện đa nhiên liệu của Wärtsilä cho phép lựa chọn liên tục nhiên liệu khả thi nhất, bao gồm cả giải pháp cho nhiên liệu lỏng và khí, cũng như nhiên liệu sinh học tổng hợp và truyền thống. Khả năng sử dụng linh hoạt nhiên liệu của động cơ giúp cải thiện an ninh năng lượng và tăng khả năng phục hồi trước những gián đoạn khó lường trong việc cung cấp nhiên liệu, do đó, công suất phát được cung cấp 24/7. Bên cạnh đó, khả năng sử dụng nhiều loại nhiên liệu giúp phòng ngừa rủi ro tăng giá nhiên liệu ảnh hưởng tới chi phí sản xuất điện. Trong một số trường hợp cơ sở hạ tầng nhiên liệu chính của nhà máy chưa sẵn sàng, giải pháp sử dụng nhiên liệu tạm thời khác để thay thế hoàn toàn có thể được sử dụng.

2/ Các đặc điểm của một nhà máy điện ICE linh hoạt

Để duy trì ổn định hệ thống, các nhà vận hành hệ thống điện phải liên tục huy động và thay đổi công suất phát các nhà máy đáp ứng theo diễn biến thay đổi của phụ tải. Do đó, các nhà máy điện linh hoạt là lựa chọn hữu ích trong vận hành để đảm bảo việc cung cấp điện liên tục, tin cậy. Động cơ ICE là thành phần chính trong một nhà máy điện linh hoạt.

a/ Tính mô đun và tiêu chuẩn hóa:

Các nhà máy điện động cơ ICE của Wärtsilä được thiết kế theo mô đun và có thể được xây dựng nhanh chóng (trong vòng 12 tháng) để cung cấp nguồn điện cần thiết một cách nhanh chóng. Đồng thời, những nhà máy này được biết đến rộng rãi với độ linh hoạt cao khi có thể hoà lưới trong vòng chưa đầy 30 giây kể từ khi khởi động và có thể đạt đầy tải trong vòng chưa đầy 2 phút. Cùng với hệ thống pin tích trữ năng lượng, các nhà máy điện ICE có thể giúp cân bằng nguồn năng lượng tái tạo, duy trì độ ổn định và độ tin cậy cũng như tối ưu hóa hệ thống điện.

Giống như các nhà máy nhiệt điện khí khác, nhà máy điện động cơ linh hoạt bao gồm: Hệ thống cung cấp khí, động cơ, máy phát điện, hệ thống làm mát và các thiết bị điện khác. Để tạo sự linh hoạt cho nhà máy điện, động cơ ICE được sử dụng để tạo ra năng lượng thay vì tua bin khí.

Mô đun và tiêu chuẩn hóa là trọng tâm của các giải pháp nhà máy điện động cơ linh hoạt Wärtsilä. Các động cơ được sản xuất và thử nghiệm trước khi xuất xưởng trong khi toàn bộ nhà máy điện được thiết kế sẵn theo tiêu chuẩn của Wärtsilä. Một số ưu điểm bao gồm:

Một là: Khi nhu cầu điện tăng lên, tính mô đun giúp dễ dàng mở rộng một nhà máy điện để đáp ứng trong tương lai.

Hai là: Khi có nhu cầu cấp bách về năng lượng, khả năng xây dựng nhanh (trong vòng 12 tháng) cho phép cung cấp công suất một cách nhanh chóng.

Ba là: Thiết kế tiêu chuẩn bất kể số lượng động cơ cho phép việc tốn ít diện tích cho nhà máy và việc xây dựng, lắp đặt và chạy thử tại chỗ một cách tin cậy, dễ dàng và nhanh chóng.

Bốn là: Dễ dàng tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo và hệ thống lưu trữ năng lượng.

b/ Các chế độ vận hành

Một nhà máy điện động cơ linh hoạt có khả năng vận hành ở nhiều chế độ khác nhau như: Khởi động nhanh, tải nền, phủ đỉnh, tải thấp, dừng nhanh và thay đổi công suất phát tức thời theo yêu cầu của đơn vị điều hành hệ thống điện.

Khởi động nhanh: Nhà máy điện động cơ linh hoạt có thể hòa lưới điện trong vòng chưa đến 30 giây tính từ thời gian khởi động và đạt đầy tải trong vòng chưa đến 2 phút. Chế độ vận hành này đặc biệt có lợi để bù đắp cho sự sụt giảm đột ngột của công suất gió hoặc mặt trời do biến đổi thời tiết.

Tải nền: Nhà máy điện động cơ linh hoạt có khả năng cung cấp chế độ tải nền như các nhà máy nhiệt điện thông thường nhờ duy trì công suất phát ổn định với hiệu suất cao. Trong điều kiện tiêu chuẩn, động cơ đốt trong có thể đạt được hiệu suất vượt trên 50%.

Phủ đỉnh: Một trong những ưu điểm lớn nhất của nhà máy điện động cơ linh hoạt là khả năng tăng và giảm công suất nhanh, góp phần theo sát diễn biến thay đổi phụ tải, đảm bảo cân bằng cung - cầu trong hệ thống điện tại mọi thời điểm. Một khi khởi động và vận hành trong nhiệt độ tiêu chuẩn, nhà máy điện động cơ linh hoạt có thể thay đổi mức mang tải từ 10% đến 100% (hoặc giảm) chỉ trong 42 giây. Mặt khác, nhà máy điện động cơ linh hoạt có khả năng duy trì hiệu suất ổn định ở các mức tải khác nhau bằng cách bật - tắt linh hoạt các mô đun động cơ.

Tải thấp: Nhờ các đặc tính như: Thời gian dừng máy trong 1 phút, không có thời gian dừng máy tối thiểu, chi phí nhiên liệu bằng không, phát thải bằng không, nhà máy điện động cơ linh hoạt có thể hoạt động linh hoạt ở chế độ tải thấp. Với giải pháp đó, nhà máy có thể cung cấp công suất rất nhanh nếu được yêu cầu từ điều độ viên, đồng thời tiết kiệm chi phí khởi động. Với động cơ đốt trong ICE, chế độ “tải thấp” có thể coi gần như là “không tải”.

Dừng máy nhanh: Trong một số trường hợp khi cần giảm công suất nguồn đột ngột, nhà máy điện động cơ linh hoạt có thể cung cấp khả năng dừng máy nhanh (trong khoảng 1 phút).

c/ Các ứng dụng lắp đặt vận hành

Wärtsilä Modular Block: Là một giải pháp nhà máy điện dạng mô đun được thiết lập cấu hình và chế tạo sẵn, có thể mở rộng và tích hợp nhiều mô đun. Các lợi ích chính bao gồm:

1/ Thời gian lắp đặt ngắn, chỉ từ vài tuần đến vài tháng.

2/ Cung cấp giải pháp có thể mở rộng mà chỉ một khoản đầu tư trả trước tối thiểu.

3/ Có thể dễ dàng di chuyển địa điểm nhà máy và cung cấp các mô hình kinh doanh mới, như cung cấp dịch vụ phát công suất hoặc dịch vụ cho thuê.

4/ Nhanh chóng và dễ dàng lắp đặt với một quy trình hợp lý và hướng dẫn lắp đặt chi tiết.

5/ Dễ dàng tích hợp với năng lượng tái tạo và hệ thống lưu trữ năng lượng, đảm bảo cân bằng cho hệ thống điện.

Wärtsilä Flexicycle™: Là một giải pháp của Wärtsilä, kết hợp khả năng linh hoạt của động cơ đốt trong với hiệu suất cao của công nghệ chu trình hỗn hợp. Bằng cách thêm hệ thống thu hồi nhiệt bao gồm một máy tạo hơi thu hồi nhiệt cho mỗi động cơ và một tua bin hơi và bình ngưng chung cho nhà máy, hiệu suất có thể cải thiện đáng kể (khoảng 3-4%/tổ máy). Nhà máy có thể chuyển đổi giữa các chế độ chu trình đơn hoặc hỗn hợp theo yêu cầu. Flexicycle™ đại diện cho giải pháp tối ưu cho các nhà máy chạy nền, có khả năng vận hành bằng nhiên liệu khí hoặc đa nhiên liệu. Nhờ hệ thống làm mát khép kín, lượng nước tiêu thụ gần như bằng không.

Nhà máy điện nổi: Động cơ Wärtsilä cung cấp giải pháp nhà máy điện không chỉ trên đất liền mà còn có nhà máy điện nổi (sà lan), tích hợp các giải pháp và công nghệ hàng đầu trong lĩnh vực hàng hải của Tập đoàn Wärtsilä với nhiều lợi ích của việc sản xuất điện linh hoạt, phân tán. Các nhà máy điện nổi có thể được hoàn thiện trong vòng 12 tháng, đáp ứng nhanh sự gia tăng nhu cầu điện trước khi các nhà máy điện mới trên đất liền được hoàn thành.

Wärtsilä đã cung cấp 27 nhà máy điện dạng sà lan với tổng công suất hơn 1.600 MW.

Power Cube: Các nhà máy dạng mô đun nhỏ gọn sử dụng nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng và đa nhiên liệu của Wärtsilä được thiết kế sẵn để có thời gian hoàn thiện nhanh chóng mà không tốn nhiều thời gian tại công trường. Giải pháp bao gồm một thiết kế khép kín với một hoặc một số mô-đun, mỗi mô-đun chứa một tổ máy phát điện của Wärtsilä cùng với tất cả các thiết bị phụ trợ cần thiết. Đây là những giải pháp dễ lắp đặt và được thiết kế sẵn cho nhu cầu năng lượng từ 5 đến 30 MW.

Cho đến nay, Wärtsilä đã cung cấp hơn 72.000 MW nhà máy điện động cơ linh hoạt ICE tại 180 quốc gia trên thế giới, trong đó gần 10 GW nằm ở khu vực Đông Nam Á.

3/ Nhà máy điện ICE linh hoạt đối với Hệ thống điện Việt Nam

a/ Về thực hiện nguồn điện trong QHĐ VII (điều chỉnh)

Các nguồn điện truyền thống vẫn tiếp tục chậm tiến độ như các giai đoạn trước. Mặc dù tỷ lệ hoàn thành xây dựng nguồn điện khá cao, đạt 93,7% tổng công suất nguồn điện nhưng nhiệt điện (loại nguồn chạy nền) chỉ đạt 57,6% so với Quy hoạch, năng lượng tái tạo phát triển mạnh đạt vượt mức tới 205% do tác động từ chính sách hỗ trợ của Chính phủ. Dẫn tới những khó khăn trong cân đối cung cầu giai đoạn 2021 - 2025 do số giờ vận hành tương đương của năng lượng tái tạo (NLTT) chỉ gần bằng 1/3 nguồn nhiệt điện truyền thống.

Theo tiến độ cập nhật, hàng loạt nhà máy dự kiến vận hành trong giai đoạn 2021-2025 vẫn tiếp tục chậm tiến độ dự kiến sẽ đưa vào vận hành ở giai đoạn sau năm 2025 như: NĐ Công Thanh, NĐ Nam Định I, NĐ Quảng Trạch I, NĐ Quỳnh Lập I, NĐ Vũng Áng II, NĐ Quảng Trị, NĐ Long Phú I & Long Phú II, NĐ Sông Hậu II, NĐ Vân Phong I, NĐ Vĩnh Tân III,…; chuỗi các nhà máy sử dụng khí Lô B và Cá Voi Xanh cũng chậm tiến độ do không đồng bộ được với thượng nguồn, một loạt nhà máy điện dừng triển khai hoặc chưa xác định được tiến độ như các nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả III, Hải Phòng III, Vũng Áng III, Tân Phước, Long An (xin chuyển nhiên liệu sang LNG), và các nhà máy TBK Sơn Mỹ I, Kiên Giang.

Trong bối cảnh nhu cầu điện toàn quốc được dự báo vẫn tăng trưởng ở mức cao từ 7,4-8,7% (dự thảo Quy hoạch điện VIII), việc chậm trễ tiến độ nguồn như vậy sẽ dẫn tới cần tiếp tục bổ sung nguồn năng lượng tái tạo (gió và mặt trời).

b/ Những hạn chế chính của các nguồn NLTT (gió, mặt trời) đối với Hệ thống điện

Mặc dù các nguồn năng lượng gió và mặt trời là năng lượng sạch, được ưu tiên phát triển nhưng nó cũng có các mặt hạn chế về kỹ thuật gây khó khăn trong việc tích hợp những nhà máy điện tái tạo này vào hệ thống điện:

- Biến thiên liên tục và không điều độ được: Gió và bức xạ mặt trời biến thiên liên tục dẫn tới công suất nguồn gió và mặt trời cũng biến đổi liên tục.

- Bất định và khó dự báo: Công suất ra của các nguồn NLTT biến đổi phụ thuộc thời tiết và khó dự báo chính xác, đặc biệt trong ngày tới, do đó luôn phải có công suất dự phòng đủ lớn hoặc có các nguồn linh hoạt.

- Phụ thuộc vào địa điểm: Những nơi có tiềm năng nguồn gió và mặt trời tốt thường nằm xa trung tâm phụ tải. Tại Việt Nam, tiềm năng các nguồn điện gió (ĐG) và điện mặt trời (ĐMT) tập trung tại khu vực Tây Nguyên, Nam Trung Bộ và Tây Nam Bộ, nằm cách xa trung tâm phụ tải Đông Nam Bộ và miền Bắc.

- Làm giảm hằng số quán tính của hệ thống: Các nhà máy ĐG và ĐMT thông thường không thể cung cấp quán tính hỗ trợ hệ thống khi xảy ra sự cố do không có thành phần quay. Để thực hiện chức năng này thì cần lắp thêm thành phần tích năng và điểu khiển, gây tăng đáng kể chi phí đầu tư.

- Hệ số công suất thấp: Theo đánh giá từ các dự án đã vận hành hệ số công suất các nguồn ĐMT và ĐG tại Việt Nam ở mức tương ứng 20% và 30% (để so sánh, các nhà máy NĐ than thường vận hành từ 70% - 75%), do đó chi phí/kWh vẫn ở mức cao. Ngoài ra, các nhà máy ĐMT chỉ phát cao vào buổi trưa và không đóng góp công suất vào giờ cao điểm tối, do đó sẽ cần có nguồn dự phòng hoặc các nguồn linh hoạt trong hệ thống.

Với thách thức về tình trạng thiếu điện trong vài năm tới, cần có giải pháp cung cấp điện nhanh, có thể triển khai trong một thời gian ngắn. Bên cạnh đó, yêu cầu về độ linh hoạt để hỗ trợ tích hợp các nguồn NLTT là rất quan trọng nên việc tính toán lắp đặt các nhà máy điện động cơ linh hoạt ICE là vấn đề cấp thiết cần được nghiên cứu, đánh giá để đảm bảo ổn định nguồn điện cấp điện cho đất nước.

c/ Những lưu ý khi tính toán lắp đặt nhà máy điện động cơ ICE linh hoạt để ổn định Hệ thống điện Việt Nam

Với 5 chế độ vận hành như đã trình bày ở trên, nhà máy điện động cơ ICE linh hoạt hoàn toàn có thể đáp ứng kịp thời nhu cầu phụ tải toàn quốc cả trong ngắn hạn và dài hạn, đặc biệt trong các kịch bản phụ tải tăng trưởng cao. Góp phần quan trọng khi tích hợp tỉ trọng lớn các nguồn năng lượng tái tạo vào hệ thống điện quốc gia.

Tuy nhiên, các nhà lập quy hoạch cần tính toán kỹ về hạ tầng cấp khí, chi phí truyền tải, số giờ hoạt động của nhà máy điện động cơ ICE (thường hoạt động vào giờ cao điểm và phủ đỉnh nguồn NLTT khi sụt giảm) việc tính đúng, tính đủ sẽ thấy rằng nhà máy điện động cơ ICE linh hoạt có giá điện cao hơn so với nhà máy điện tua bin khí hỗn hợp truyền thống.

Xây dựng cơ chế giá và các chính sách khác đối với nhà máy điện động cơ ICE linh hoạt, xây dựng cơ chế ràng buộc giữa nhà máy điện động cơ ICE linh hoạt, các nhà máy điện NLTT, pin tích năng, thủy điện tích năng./.

Tài liệu tham khảo:

1/ Tài liệu Lễ công bố báo cáo "Sự cần thiết của các nhà máy điện động cơ đốt trong linh hoạt (ICE) và các ứng dụng trong hệ thống điện tương lai của Việt Nam".

2/ Báo cáo Quý III/2020 của Văn phòng Ban Chỉ đạo quốc gia về Phát triển điện lực.