B185- Bullentin: Những thách thức và nhu cầu đối với đập trong thế kỷ 21 [Bài 8]

5.3. CÁC PHƯƠNG ÁN LƯU TRỮ ĐIỆN

Lưu trữ điện là một thị trường mới nổi có tầm quan trọng lớn. Thị trường được thúc đẩy bởi sự phát triển của năng lượng tái tạo gián đoạn, việc sử dụng điện ngày càng tăng (đặc biệt là đối với ô tô) và bởi các yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt hơn của lưới điện về tính sẵn có và điều chỉnh tần số.

Như được nhấn mạnh bởi các số liệu bên dưới, lưu trữ bơm tích năng là công nghệ hàng đầu để lưu trữ và ngày nay chiếm hơn 95% công suất lưu trữ điện thế giới.

Hình 5.7: Tùy chọn kỹ thuật lưu trữ điện

Tuy nhiên, có rất nhiều nghiên cứu về các hình thức lưu trữ điện mới (ví dụ như hydro) và chi phí pin đang giảm. PSP có thể gặp các đối thủ cạnh tranh trong một vài năm.

Trong những năm và thập kỷ tới, nhu cầu lớn hơn về lưu trữ bơm- tích năng có thể sẽ được thúc đẩy bởi các nhà máy điện mặt trời mới, nhu cầu điều chỉnh (để bù đắp "hiệu ứng mây") và sự thay đổi thời gian mà chúng tạo ra.  Khả năng điều chỉnh nhanh chóng sẽ được tìm kiếm; kết hợp tuabin biến đổi với máy bơm biến đổi và máy phát điện mới phản ứng trong vài giây có thể mở ra thị trường mới cho PSP.

Đây là chìa khóa của sự phát triển được đề xuất trong phần tiếp theo.

5.4. Ý TƯỞNG MỚI? NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI-THỦY ĐIỆN

Khái niệm năng lượng mặt trời-thủy điện nhằm mục đích tạo ra thủy điện hoặc tăng cường sản xuất thủy điện trên các hồ chứa hiện có.  Các khái niệm kết hợp pin mặt trời nổi trên hồ chứa hiện có và một nhà máy điện tích năng tại cùng vị trí.  Với một sơ đồ như vậy, hầu hết mọi hồ chứa, bất kể mục đích chính của nó là gì, đều có thể tạo ra năng lượng.

Năng lượng mặt trời-thủy điện có thể tái tạo và có thể dự đoán được, và nó có thể lưu trữ được.  Nó cung cấp tất cả các dịch vụ liên quan đến thủy điện: tính linh hoạt, khả năng khởi động nhanh, điều chỉnh và đáp ứng tần số, hỗ trợ điện áp, khả năng khởi động đen (black-start). [Thủy điện có thể cung cấp khả năng khởi động đen, cho phép khôi phục lưới điện sau khi mất điện hoàn toàn, điều này rất quan trọng để đảm bảo cung cấp điện liên tục trong trường hợp khẩn cấp- ND].

Năng lượng mặt trời-thủy điện không tiêu thụ nước, và do đó không cạnh tranh với các mục đích sử dụng nước khác.

Khái niệm năng lượng mặt trời-thủy điện hiện diện bốn phát triển chính tạo nên sự mới lạ của nó.

1/ Tấm pin mặt trời nổi

Tấm nổi không liên quan đến sự phát triển của thủy điện mặt trời. Nhưng chúng có nhiều ưu điểm khác nhau khiến chúng trở thành một thành phần quan trọng. Các tấm nổi tiết kiệm đất sẵn có, tạo điều kiện cho việc cấp phép, giảm bốc hơi và có thể nâng cao chất lượng nước.

2/ Thủy điện không tiêu thụ nước

Thủy điện truyền thống không thực sự "tiêu thụ" nước, nhưng nó tiêu thụ đầu nước, và nó phải xả nước khi có nhu cầu sản xuất năng lượng, đôi khi bất kể tiến độ của nhu cầu hạ lưu. Nước có thể bị mất cho các mục đích khác. Đây là lý do tại sao thủy điện không thể phát triển ở các quốc gia khan hiếm nước.

Thủy điện mặt trời thực sự tạo ra năng lượng từ đầu nước, giống như thủy điện truyền thống; nhưng không phải xả nước xuống hạ lưu. Không có sự cạnh tranh với các mục đích khác.

3/ Năng lượng tái tạo hoàn toàn có thể dự đoán và linh hoạt

Các tấm pin mặt trời, máy bơm, tuabin và kho chứa nước, một khi kết hợp một cách thông minh, cung cấp một loại năng lượng hoàn toàn tái tạo, có thể dự đoán được như các nhà máy nhiên liệu hóa thạch và linh hoạt như thủy điện hồ chứa.

Nó tốt hơn các năng lượng gián đoạn như gió hoặc mặt trời, vì khả năng dự đoán của nó.

• Nó tốt hơn nhiên liệu hóa thạch, vì nó có thể tái tạo.

• Nó tốt hơn thủy điện dòng sông, vì tính linh hoạt.

• Nó tốt như thủy điện hồ chứa, với ít dấu chân hơn và ít nhạy cảm hơn với biến đổi khí hậu.

4/ Chất lượng điện cao

Việc kết hợp các tấm pin mặt trời với nhà máy thủy điện tích năng tại cùng một địa điểm, cùng với thiết kế tùy chỉnh các thành phần cơ điện và điện, cho phép hệ thống năng lượng mặt trời-thủy điện đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của lưới điện, đặc biệt trong việc hỗ trợ điện áp và điều chỉnh tần số. Hệ thống lưu trữ này cung cấp cả khả năng dự trữ quay (spinning reserve) và không quay (non-spinning reserve).

[Giải thích của ND:

• Hỗ trợ điện áp: Hệ thống năng lượng mặt trời-thủy điện có thể cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng (VAR) để duy trì điện áp lưới ổn định, đảm bảo hoạt động hiệu quả của thiết bị điện và ổn định hệ thống điện. 

• Điều chỉnh tần số: Hệ thống có khả năng nhanh chóng điều chỉnh công suất đầu ra để cân bằng cung và cầu điện năng, giúp duy trì tần số lưới điện trong phạm vi cho phép. Điều này đặc biệt quan trọng khi tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo không ổn định như điện mặt trời. 

• Dự trữ quay (Spinning Reserve): Đây là công suất dự phòng có sẵn từ các máy phát điện đang hoạt động và đồng bộ với lưới điện. Hệ thống năng lượng mặt trời-thủy điện có thể nhanh chóng tăng công suất đầu ra để đáp ứng nhu cầu đột xuất hoặc bù đắp sự cố mất điện. 

• Dự trữ không quay (Non-Spinning Reserve): Đây là công suất dự phòng từ các nguồn không đồng bộ với lưới điện, như các máy phát điện không hoạt động hoặc các hệ thống lưu trữ năng lượng. Hệ thống năng lượng mặt trời-thủy điện có thể nhanh chóng kết nối và cung cấp công suất dự phòng khi cần thiết. 

[Hết giải thích]

Hình 5.8: Khái niệm thủy điện năng lượng mặt trời, với sự kết hợp của các tấm nổi và một nhà máy điện lưu trữ bơm chuyên dụng

Các nghiên cứu cơ hội đã được thực hiện ở nhiều quốc gia khác nhau và dẫn đến các kết luận sau.

5/ Từ thủy điện nhỏ đến thủy điện rất lớn

Trong điều kiện ánh nắng mặt trời hợp lý, 1 ha hồ chứa thường có thể chứa 1 MW điện mặt trời và 0,2 đến 0,5 MW điện mặt trời-thủy điện tạo ra hơn 1,5 GWh/năm điện theo yêu cầu với giá dưới 100 €/MWh.

• Các dự án đã được xem xét tại một số hòn đảo của Pháp với công suất lắp đặt dưới 10 MW.  Chúng được nghĩ ra để sản xuất điện tái tạo trong điều kiện gần như không nối lưới. Họ cạnh tranh ở đây với các đơn vị diesel hoặc với các trang trại năng lượng mặt trời có bộ lưu trữ pin, họ cung cấp chi phí tốt hơn, dịch vụ tốt hơn so với lưu trữ pin và giải pháp tái tạo 100%.

• Các dự án đã được xem xét ở nhiều quốc gia đại lục, ở Châu Phi và Châu Á, với công suất vài trăm MW. Những nghiên cứu sơ bộ này đã chứng minh rằng có thể sản xuất 100% điện tái tạo và 100% điện có thể dự đoán được với chi phí hợp lý có thể cạnh tranh với các lựa chọn thay thế nhiên liệu hóa thạch.

5.5. Ý TƯỞNG MỚI? THỦY ĐIỆN TRÊN BIỂN

Nhiều nghiên cứu, thử nghiệm và triển khai sản xuất năng lượng trên biển đã được thực hiện trong vài thập kỷ qua. Tiềm năng lý thuyết của sóng, gió và thủy triều là cực kỳ cao và có nhiều giải pháp khả thi có thể sử dụng hoặc không sử dụng đập.

5.5.1. Năng lượng trên biển không có đập

Vấn đề chính là chi phí bổ sung liên quan đến điều kiện biển có thể ngăn cản các giải pháp hiệu quả về chi phí.

Năng lượng sóng

Nhiều giải pháp năng lượng sóng đã được đề xuất để sử dụng tiềm năng năng lượng sóng khổng lồ và một số đã được thử nghiệm đầy đủ

Kết quả nói chung là đáng thất vọng vì một nhiều giải pháp đòi hỏi những nơi có sóng đặc biệt cao và chi phí xây dựng công trình để chịu được tác động của những con sóng như vậy thường quá cao. Vì vậy, gần đây nỗ lựcnghiên cứu theo hướng này ít hơn nhiều so với 10 năm trước.

Năng lượng thủy triều ở biển khơi

Tuabin trong dòng chảy sử dụng nguyên lý tương tự như năng lượng gió;  hình dạng và công suất đơn vị của chúng thường giống nhau. Các vấn đề kỹ thuật có thể được giải quyết nhưng sự phát triển của chúng bị hạn chế vì hai lý do:

• Có nhiều nơi có vận tốc nước trong khoảng 1 m/s, nhưng chỉ có một số ít nơi đạt 3 m/s. Trong khi đó phạm vi giá trị vận tốc trên 3m/s mới có hiệu quả về chi phí.

• Những nơi có vận tốc nước khá cao lại thường có sóng cao nên xây dựng tốn kém. Do đó, tiềm năng thế giới hiệu quả về chi phí của tuabin trong dòng chảy trên biển dường như bị giới hạn ở khoảng 100 TWh / năm.

Năng lượng gió

Tiềm năng gió ngoài khơi cực kỳ cao và có hai ưu điểm so với năng lượng gió trên bờ:

• Khả năng có gió ít nhất 50%.

• Vận chuyển các thiết bị rất lớn và nặng trên biển dễ dàng hơn trên đường bộ.

Hai lợi thế này có thể cân bằng các chi phí bổ sung từ điều kiện biển. Công suất đơn vị lớn lên đến 10 MW cũng có thể đạt được, với các trạm cố định hoặc đặt trên thiết bị nổi. Chi phí có thể sẽ gần 5 xu mỗi kWh vào giữa thế kỷ.

Các trang trại gió ngoài khơi có thể sẽ chiếm một phần lớn của nguồn cung cấp điện vào giữa thế kỷ, có thể nằm trong cùng mức với thủy điện.  Chúng có thể được liên kết với các thiết bị lưu trữ năng lượng quy mô lớn đặttrên biển.

5.5.2. Đập trên biển

Các đê/đập có thể được sử dụng để bảo vệ bờ biển, có thể kết hợp để sản xuất năng lượng thủy triều và lưu trữ năng lượng. 

• Việc kết hợp năng lượng thủy triều vào các đê biển có thể giúp giảm chi phí xây dựng và bảo trì, đồng thời cung cấp năng lượng tái tạo cho các khu vực ven biển. Ví dụ, tại Hà Lan, năm 2015, năm tua-bin thủy triều Tocardo T2 đã được lắp đặt trên đập Oosterschelde, tạo ra tổng công suất 1,25 MW và cung cấp điện cho khoảng 1.000 hộ gia đình. Dự án này có chi phí khoảng 12,4 triệu USD (renewableenergyworld.com)

Tương tự, tại Saint Petersburg (Nga), đập ngăn lũ Saint Petersburg dài 25,4 km được thiết kế để bảo vệ thành phố khỏi sóng thần. Mặc dù hiện tại không có hệ thống thủy triều tích hợp, nhưng việc kết hợp sản xuất điện có thể tăng cường hiệu quả chi phí của dự án.

• Năng lượng thủy triều có thể được tạo ra thông qua việc lưu trữ nước trong các ô quây lớn dọc theo bờ biển.Việc sử dụng này đòi hỏi ba điều kiện:

-      Độ sâu đáy biển hạn chế: trong phạm vi 20m ứng với mực nước thủy triều thấp nhất. Nếu độ sâu quá lớn sẽ làm chi phí xây dựng tăng lên, làm hiệu quả giảm.

-      Giảm suất đầu tư trên chiều dài đê: tốt nhất là tạo ra ô quây có diện tích 50 đến 500 km². Năng lượng cung cấp, tính bằng GWh/năm, nằm trong khoảng từ 0,5 đến 1*S H², H (m) là chiều cao thủy triều trung bình và S là diện tích ô quây tính bằng km².

-      Phạm vi thủy triều tối thiểu: Hầu hết các turbin bóng đèn có đầu nước trên 5 m, đòi hỏi phạm vi thủy triều cao và đòi hỏi lắp ở nơi thủy triều cao trên 6 m . Trên toàn thế giới có khoảng 10 địa điểm như vậy, trong đó một nửa trong số đó có điều kiện thời tiết khó khăn hoặc rất xa nơi sử dụng như: đông bắc Siberia, Alaska, tây bắc Úc.  Các khu vực tốt nhất là ở Canada (Fundy), Vương quốc Anh.  (Severn) và miền bắc nước Pháp nhưng tiềm năng tổng thể của chúng bị giới hạn ở khoảng 100 TWh/năm.

Hai mươi quốc gia có các địa điểm có phạm vi thủy triều từ 3 đến 6 m trong đó 3 giải pháp đang được nghiên cứu:

• Phát triển các turbin bóng đèn hoạt động cả hai chiều đầu nước dưới 4 m; Nó có thể tiết kiệm chi phí khi thủy triều trên 5 m.

• Các tuabin trực giao của Nga hoạt động với đầu nước 2,5 m, có thể tiết kiệm chi phí cho phạm vi thủy triều trên 5 m .

• Giải pháp vườn thủy triều: kết nối hồ trong đất liền nối với biển bằng các kênh và tuabin được đặt trong dòng kênh. Giải pháp tiết kiệm chi phí khi phạm vi thủy triều trên 3 m .

Hình 5.8: Giải pháp thủy điện vườn thủy triều

Do đó, có vẻ như vào giữa thế kỷ có thể cung cấp khoảng 1000 TWh năng lượng thủy triều cho 300 GW nhà máy, tổng cộng 5.000 km² lưu vực và 5.000 km đê cao 20 đến 30 m. Các quốc gia liên quan chính có thể là Trung Quốc, Nga, Ấn Độ, Pháp, Anh, Canada, Hàn Quốc, Argentina, Brazil và Úc nhưng cũng có một số khả năng ở Mỹ, Hà Lan, Đức, Việt Nam, Pakistan và Myanmar. Do đó, khoảng 5.000 km bờ biển đông dân cư có thể tránh được mực nước biển rất cao và những con sóng lớn.

Lưu trữ năng lượng với PSP nước biển (tích năng)

Việc sử dụng năng lượng thủy triều kết hợp với các nhà máy tích trữ năng lượng bằng bơm (Pumped Storage Plants - PSP) có thể mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt trong việc lưu trữ năng lượng và cung cấp điện trong các thời điểm cao điểm. Các khu vực ven biển rộng lớn, như 5.000 km bờ biển có thể tránh được mực nước biển cao và sóng lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng các nhà máy PSP sử dụng nước biển.

Lưu trữ năng lượng với PSP sử dụng nước biển có đặc điểm:

• Nhu cầu lưu trữ năng lượng: Có thể cần lưu trữ năng lượng lên đến 1.000 GW trong 10 hoặc 20 giờ và sử dụng 200 lần mỗi năm.

• Vị trí thuận lợi: Các khu vực có địa hình đá, đặc biệt là vách đá, là lý tưởng cho việc xây dựng các nhà máy PSP.

• Cấu trúc của PSP: Bể chứa trên của PSP có thể được xây dựng trên vách đá hoặc ngoài khơi dọc theo vách đá. Mực nước của bể này có thể nằm ở độ cao từ 20 m đến 200 m so với mực nước biển.

• Kết hợp với năng lượng thủy triều: Các nhà máy PSP có thể được kết hợp với các bể chứa năng lượng thủy triều, cho phép tích trữ và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả hơn.

Việc kết hợp năng lượng thủy triều với các nhà máy PSP sử dụng nước biển không chỉ giúp tăng cường khả năng lưu trữ năng lượng mà còn tận dụng tối đa tiềm năng năng lượng tái tạo từ biển, góp phần vào việc cung cấp điện ổn định và bền vững.

Nguyễn Quốc Dũng dịch

[Xem tiếp Bài 9: Những vấn đề về môi trường]