Vai trò nhà máy điện ảo và lưu trữ điện năng trong hệ thống năng lượng kết hợp (hybrid)

Nhà máy điện ảo - Mô hình năng lượng mới cho tương lai? Sánh vai cùng trí tuệ nhân tạo (AI), công nghệ số, ngành năng lượng có ứng viên mới - Nhà máy điện ảo. Theo giới phân tích, nhà máy điện ảo sẽ thay đổi cuộc chơi, định hình hệ thống năng lượng của tương lai khi năng lượng sạch lên ngôi. Chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam tổng hợp chủ đề này trên quy mô toàn cầu và cuối cùng là gợi ý cho trường hợp Việt Nam.

Nhà máy điện kết hợp (hybrid):

Khái niệm Nhà máy điện kết hợp (hybrid) đề cập đến loại nhà máy điện sử dụng các nguồn năng lượng, hoặc công nghệ khác nhau để tạo ra điện. Mục đích của nhà máy điện hybrid là nhằm nâng cao hiệu suất tổng thể, tăng độ tin cậy và tính bền vững nhờ kết hợp các nguồn năng lượng khác nhau.

Sự kết hợp có thể bao gồm cả nguồn năng lượng tái tạo và không tái tạo, cũng như các công nghệ khác nhau. Chẳng hạn như năng lượng mặt trời và năng lượng gió; năng lượng gió và lưu trữ năng lượng; năng lượng mặt trời và lưu trữ năng lượng; hay kết hợp năng lượng hóa thạch với năng lượng tái tạo, hoặc lưu trữ năng lượng tại nhà máy điện đốt khí tự nhiên.

Khái niệm nhà máy điện hybrid tương đối đơn giản, nhưng việc triển khai hệ thống này khá phức tạp do các công nghệ khác nhau phải được tích hợp một cách liền mạch - điều này có nghĩa là các thách thức kỹ thuật giữa các công nghệ khác nhau phải được giải quyết.

Thống kê vào tháng 9 của Nhóm Chính sách và Thị trường Điện tại Lawrence Berkeley National Lab ở California cho thấy: Hơn 200 nhà máy điện mặt trời hybrid được triển khai trên khắp Hoa Kỳ vào cuối năm 2022, với tổng công suất/điện năng lưu trữ là khoảng 4 GW/12.5 GWh. Những hệ thống hybrid chiếm tỷ trọng 37%, tương đương khoảng 500 GW trong danh mục các dự án nguồn điện mới dự kiến đấu nối. Số liệu này đã tăng lên từ 31% trong năm 2021, với 48% tổng công suất phát điện là từ năng lượng mặt trời.

Nhóm Chính sách và Thị trường Điện đã đưa ra các giải pháp chính sách và quy định mới đối với việc triển khai các nhà máy điện hybrid tại Hoa Kỳ như: Đạo luật Giảm lạm phát (Inflation Reduction Act) năm 2022 nhằm giảm ảnh hưởng của lạm phát, mở rộng các khoản giảm thuế cho lĩnh vực lưu trữ năng lượng; Quyết định số 2023 của Ủy ban Điều tiết Năng lượng Liên bang (Federal Energy Regulatory Commission’s Order No. 2023) nhằm cải thiện quy trình và các thỏa thuận đấu nối trong ngành năng lượng.

Lưu trữ năng lượng:

Việc đầu tư vào các nhà máy điện kết hợp (hybrid) được coi là một giải pháp cung cấp thêm năng lượng cho lưới điện mà không cần xây dựng các cơ sở hạ tầng quy mô lớn mới, hoặc đầu tư lớn vào hạ tầng truyền tải và phân phối. Đó là nhờ lắp đặt hệ thống pin lưu trữ năng lượng (BESS) tại các nhà máy nhiệt điện và năng lượng tái tạo hiện có để tăng công suất phát điện, sử dụng cơ sở hạ tầng truyền tải, phân phối hiện có.

Trong quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch, càng nhiều nguồn năng lượng tái tạo được tích hợp vào lưới điện, thì việc cung cấp năng lượng trở nên không ổn định do tình trạng biến động phụ thuộc vào thời tiết như gió và mặt trời. Vì vậy, hệ thống lưu trữ năng lượng trở thành yếu tố quan trọng để giữ cho hệ thống điện duy trì được sự cân bằng, đảm bảo tính ổn định và hiệu suất của lưới điện.

Các loại nhà máy điện hybrid tích hợp lưu trữ năng lượng sau đây có nhiều tiềm năng được thiết kế và phát triển trong tương lai gần:

1. Năng lượng mặt trời và lưu trữ năng lượng: Những nhà máy hybrid này có thể lưu trữ năng lượng dư thừa được tạo ra vào ban ngày và cung cấp điện vào ban đêm, hoặc khi trời nhiều mây, làm tăng độ tin cậy của nguồn năng lượng tái tạo.

2. Năng lượng gió và lưu trữ năng lượng: Các tua bin gió có thể được kết hợp với các hệ thống lưu trữ năng lượng để sản xuất điện và cung cấp nguồn điện ổn định hơn, nâng cao chất lượng điện năng.

3. Khí tự nhiên và năng lượng tái tạo: Tại các địa điểm xa xôi, hoặc không có lưới điện (bao gồm cả hệ thống ngoài khơi), việc kết hợp các máy phát điện khí tự nhiên (hoặc sinh khối) ổn định với năng lượng tái tạo như năng lượng gió, mặt trời (thậm chí là hệ thống lưu trữ năng lượng) có thể giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm lượng khí thải.

4. Hệ thống lưu trữ năng lượng hybrid: Trong khi các hệ thống pin (battery systems) có thể cung cấp mật độ công suất lớn, thì các hệ thống lưu trữ năng lượng dựa trên hydro (hydrogen-based energy storage systems) có thể cung cấp mật độ năng lượng cao (hỗ trợ lưu trữ năng lượng kéo dài). Do đó, có thể thấy hệ thống lưu trữ năng lượng hybrid trong tương lai gần có thể tận dụng tối đa ưu thế từ cả hai hệ thống.

Nhà máy điện ảo:

Các nhà máy điện ảo (Virtual Power Plants - VPPs) là khái niệm đại diện cho sự kết hợp của các nguồn năng lượng phân tán (distributed energy resources - DERs). Cụ thể, VPPs bao gồm năng lượng mặt trời mái nhà được kết hợp với hệ thống pin lưu trữ để tạo ra một nguồn năng lượng liên tục và linh hoạt. Đồng thời, VPPs tích hợp máy phát điện dự phòng với hệ thống lưu trữ để cung cấp khả năng vận hành ổn định và tin cậy trong mọi điều kiện.

VPPs cũng có thể bao gồm xe điện (EV) và bộ sạc. Việc lắp đặt thường là ở khu dân cư, nhưng cũng có thể được sử dụng tại các trung tâm thương mại và khu công nghiệp để hỗ trợ phụ tải điện. VPPs giúp cân bằng cung, cầu điện và có thể cung cấp dịch vụ lưới điện giống như nhà máy điện truyền thống.

Theo một báo cáo của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ vào tháng 9 về việc hỗ trợ triển khai VPPs tại Hoa Kỳ có hiệu quả làm cho lưới điện vận hành linh hoạt hơn, giá cả phải chăng và hệ thống điện có khả năng đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng, đồng thời giữ cho nền kinh tế ổn định, không bị ảnh hưởng quá mức bởi sự biến động trong lĩnh vực năng lượng và hạ tầng.

Ngoài ra, VPPs có giá cả phải chăng là lựa chọn "kinh tế hơn" so với việc chi tiêu vốn đầu tư cho cơ sở hạ tầng truyền tải và phân phối.

VPPs đóng vai trò quan trọng trong việc tham gia các chương trình phản ứng nhanh khi nguồn cấp điện bị giảm sút. Với khả năng linh hoạt, VPPs có thể điều chỉnh và tối ưu hóa việc tích hợp của các nguồn năng lượng tái tạo và hệ thống lưu trữ nhằm đảm bảo ổn định của lưới điện trong những tình huống nguồn cấp điện giảm sút đột ngột. Điều này bao gồm điều chỉnh thời gian sạc xe điện để tránh quá tải hệ thống phân phối địa phương, cung cấp năng lượng cho các gia đình từ các hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp với hệ thống lưu trữ vào giờ cao điểm để giảm áp lực trên hệ thống điện. Thậm chí là cung cấp các dịch vụ phụ trợ để duy trì chất lượng điện, đồng thời giảm thiểu tác động đối với chủ sở hữu của nguồn năng lượng phân tán.

Nghiên cứu thí điểm:

Các trường hợp nghiên cứu từ PXiSE - một công ty cung cấp giải pháp công nghệ cho biết: Vào năm 2021, Nhà máy Năng lượng Mặt trời Tranquility với công suất 205 MW là một trong những dự án hybrid đầu tiên kết hợp năng lượng mặt trời và lưu trữ năng lượng hoạt động tại thị trường California, sau khi dự án được bổ sung 2 hệ thống pin lưu trữ (BESS), với công suất 72 MW/288 MWh nhằm mục đích giảm thiểu các vấn đề gián đoạn liên quan đến mây che phủ thường xuyên trong khoảng thời gian từ tháng 11 đến tháng 5 [2].

Các yêu cầu đặt ra cho hệ thống này gồm:

1. Quản lý năng lượng mặt trời và bộ lưu trữ dưới dạng các nguồn riêng biệt cho mục đích điều phối của Nhà điều hành Hệ thống Độc lập California (California Independent System Operator-CAISO).

2. Điều khiển sản lượng điện năng, công suất kết hợp từ năng lượng mặt trời và bộ lưu trữ không vượt quá khả năng kết nối.

3. Quản lý việc cắt giảm với mục tiêu ưu tiên cắt giảm sản lượng lưu trữ hơn sản lượng sản xuất từ năng lượng mặt trời.

4. Tổng hợp thông tin dữ liệu riêng biệt của hệ thống lưu trữ và năng lượng mặt trời.

Để giải quyết các yêu cầu trên, PXiSE lắp đặt bộ điều khiển nhà máy điện tái tạo để cung cấp sự phối hợp, tích hợp cần thiết giữa các thiết bị truyền thông, điều khiển năng lượng mặt trời hiện có và thiết bị BESS lắp mới. Việc điều khiển đồng bộ, phối hợp này đảm bảo dòng điện, cũng như điện áp tại điểm kết nối và tại mỗi máy biến áp trong trạm biến áp đáp ứng mọi yêu cầu thương mại, nhưng vẫn nằm trong giới hạn kỹ thuật của hệ thống. Bộ điều khiển chính xác, tốc độ cao cũng cung cấp khả năng truy cập thời gian thực vào thiết bị pin lưu trữ và chẩn đoán hệ thống, đồng thời tập trung dữ liệu vận hành quá khứ, hỗ trợ phân tích nhanh chóng.

Thêm một ví dụ tại cơ sở lắp đặt ở Guam, nhằm phục vụ Cơ quan Quản lý và Cung cấp Năng lượng đảo Guam (Guam Power Authority-GPA), sử dụng thiết bị PXiSE để hỗ trợ các hệ thống lưu trữ năng lượng của LG Chem. Các hệ thống do LG CNS lắp đặt sử dụng một hệ thống pin để giảm thiểu sự biến động của năng lượng mặt trời và hệ thống pin thứ hai để hỗ trợ tần số. PxiSE được đưa vào sử dụng để cung cấp cho bộ điều khiển hệ thống điều phối việc sạc và xả của hệ thống lưu trữ năng lượng nhằm đáp ứng các yêu cầu của GPA. Bộ điều khiển cho phép tổng hợp năng lượng từ trang trại năng lượng mặt trời và pin như là một VPP duy nhất. Hệ thống cũng có thể mở rộng khi có thêm nhiều phần tử khác [3].

Những thách thức hội nhập:

Việc thiết kế và phát triển các nhà máy điện hybrid đối mặt với các thách thức lớn khi phải tích hợp nhiều nguồn năng lượng vào một hệ thống duy nhất, đặc biệt là việc điều phối sản lượng của nhiều nguồn năng lượng trong các hệ thống hybrid quy mô lớn, đòi hỏi các giải pháp tích hợp lưới tiên tiến.

Việc kiểm soát và tối ưu hóa (như các ví dụ trong các trường hợp nghiên cứu của PxiSE), bao gồm việc sử dụng chiến lược kiểm soát hiệu quả giúp cân bằng và phân phối năng lượng một cách thông minh từ nhiều nguồn khác nhau để đáp ứng nhu cầu, đồng thời duy trì sự ổn định của lưới điện v.v... là một thách thức khác, yêu cầu việc cần thiết phải tối ưu hóa hoạt động của nhà máy điện hybrid.

Thêm vào đó, hệ thống lưu trữ năng lượng sẽ là yếu tố then chốt để phát huy toàn bộ tiềm năng của nguồn năng lượng sạch và tái tạo. Vì vậy, dự kiến hệ thống lưu trữ năng lượng sẽ là một phần của hầu hết các nhà máy điện hybrid trong tương lai. Do đó, việc phát triển công nghệ mới của hệ thống lưu trữ năng lượng cũng cần được quan tâm.

Một thách thức không kém phần quan trọng cho việc phát triển nhà máy năng lượng hybrid là các chính sách phát triển và khung pháp lý của ngành năng lượng không phải lúc nào cũng phù hợp, hoặc khuyến khích phát triển các nhà máy điện hybrid.

Mặc dù việc phát triển nhà máy điện kết hợp (hybrid) đối mặt với nhiều thách thức, nhưng vẫn có những giải pháp để giải quyết, chủ yếu thông qua việc tập trung vào nghiên cứu, phát triển công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực tích hợp lưới, kiểm soát sản lượng và hệ thống lưu trữ năng lượng để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống. Sử dụng chiến lược kiểm soát thông minh giúp đáp ứng nhanh chóng biến động và duy trì ổn định của lưới điện. Hợp tác quốc tế là chìa khóa để chia sẻ kinh nghiệm và tìm kiếm giải pháp.

Ngoài ra, Chính phủ và tổ chức liên quan cần hỗ trợ thông qua chính sách khuyến khích và khung pháp lý thích hợp để tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển nhà máy điện kết hợp (hybrid). Bằng những giải pháp này, có thể đảm bảo rằng, việc phát triển nhà máy điện kết hợp (hybrid) không chỉ mang lại hiệu quả mà còn là một bước quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang nguồn năng lượng sạch và bền vững.

Kỳ tới: Tính khả thi của nhà máy điện ảo tại Việt Nam trong tương lai gần

TỔNG HỢP, LƯỢC DỊCH: NGUYỄN LÊ QUỐC KHÁNH (PECC2)

Tài liệu tham khảo:

[1] Energy Storage, VPPs Accelerate Growth in Hybrid Power - by Darrell Proctor, 2023, Powermag.com

[2] https://pxise.com/wp-content/uploads/2022/05/PXiSE_CaseStudy_Tranquillity.pdf

[3] https://pxise.com/wp-content/uploads/2022/02/PXiSE_PPC_CaseStudyPDF_Guam_20220209.pdf