Thủy điện tích năng, giải pháp hữu hiệu “san bằng” biểu đồ phụ tải hệ thống điện
Theo Hiệp hội năng lượng Việt Nam, 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.
Sự cần thiết của thủy điện tích năng trong hệ thống điện Việt Nam
Biểu đồ phụ tải điện là biểu đồ thể hiện đặc tính tiêu thụ điện theo thời gian của hệ thống điện, thành phần phụ tải điện, nhóm phụ tải điện và phân nhóm phụ tải điện. Ví dụ biểu đồ phụ tải hệ thống điện quốc gia vào ngày 30/12/2020 tại Hình 1, bên dưới. Đặc điểm chung của biểu đồ phụ tải ngày-đêm, trên hệ thống điện, là không đồng đều, do nhu cầu sử dụng điện là khác nhau, tùy từng thời điểm trong ngày. Điều này được cho là rủi ro đối với an ninh an toàn hệ thống điện quốc gia, đặc biệt là khi hệ thống điện có sự đóng góp đáng kể của các nguồn điện mặt trời, điện gió,… những nguồn cung cấp thiếu sự ổn định. Lấy ví dụ có sự tham gia của nguồn điện mặt trời vào hệ thống điện theo Hình 1, có thể thấy thời điểm xảy ra hiện tượng thừa công suất vào giờ thấp điểm trưa khoảng từ 10h – 14h do lúc này phụ tải xuống thấp, nhưng bức xạ mặt trời lại tốt nhất trong ngày, tuy nhiên, vào giờ cao điểm tối khoảng từ 17h30 – 18h30 là thời điểm mà nhu cầu tiêu thụ điện cao nhất trong ngày, hệ thống điện cần một lượng công suất phát điện khá lớn thì lúc này khả năng đáp ứng của hàng chục nghìn MW điện mặt trời hầu như không còn. Bên cạnh hiện tượng chênh lệch về công suất phụ tải ở các thời điểm trong ngày, thì nhu cầu phụ tải giữa ngày làm việc và ngày nghỉ cũng có sự chênh lệch khá lớn.
Hình 1 – Biểu đồ phụ tải điện ngày 30/12/2020
Việc san bằng biểu đồ phụ tải có thể thực hiện được bằng tác động về kinh tế thông qua các biểu giá sử dụng điện giờ cao điểm, giờ thấp điểm đối với người tiêu thụ, hoặc nhờ sử dụng các bộ phận tích trữ năng lượng. Vì vậy, để đảm bảo cung cấp điện, hệ thống điện luôn cần phải, có bộ phận dự trữ, duy trì sẵn sàng một số tổ máy phát điện có khả năng linh hoạt khi có nhu cầu phủ đỉnh. Theo các chuyên gia ngành điện, các nhà máy thuỷ điện và các nhà máy thuỷ điện tích năng chính là các bộ phận tích trữ năng lượng lớn nhất, trong hệ thông điện, mà người ta thường xây dựng, và sử dụng. Ưu điểm của thủy điện tích năng là cung cấp năng lượng cân bằng, ổn định, dung lượng lưu trữ và các dịch vụ lưới điện phụ trợ (điều khiển tần số mạng và dự trữ). Bên cạnh đó, thủy điện tích năng cũng cung cấp các lợi ích phụ trợ như khả năng làm cứng và dự trữ (cả tăng và giảm) công suất phản kháng, khả năng khởi động và dự trữ. Hơn thế nữa, ở chế độ phát điện, tua bin – máy phát điện có thể phản ứng rất nhanh với độ lệch tần số giống như khả năng của các máy phát điện của thủy điện thông thường, do đó, làm tăng thêm sự cân bằng và ổn định tổng thể của lưới điện. Ở cả chế độ tua bin và máy bơm, kích từ máy phát – động cơ có thể thay đổi để góp phần vào tải công suất phản kháng và ổn định điện áp.
Khái niệm cơ bản về nhà máy thủy điện tích năng
Nhà máy thủy điện tích năng là một dạng “hộ tiêu thụ điện đặc biệt”, mà công dụng chính là tích lũy năng lượng để bổ sung cho hệ thống vào những lúc cần thiết. Mô hình xây dựng của thủy điện tích năng gồm 2 hồ chứa nước ở hai cao độ khác nhau và 1 nhà máy thủy điện với tua bin thuận nghịch nằm ở gần hồ chứa bên dưới, nối với hồ chứa bên trên bằng đường ống áp lực. Thủy điện tích năng vận hành dựa trên nguyên tắc cân bằng nhu cầu phụ tải của hệ thống điện. Trong giờ cao điểm, khi nhu cầu dùng điện cao, Nhà máy thủy điện tích năng vận hành như nhà máy thủy điện bình thường bằng cách lấy nước từ hồ chứa bên trên, chảy qua đường ống áp lực, làm quay tua bin để phát điện lên hệ thống, nước xả xuống hồ dưới, để sản xuất điện hỗ trợ cho hệ thống điện. Vào giờ thấp điểm, phụ tải thừa thì lúc này Nhà máy thủy điện tích năng làm việc như một trạm bơm, dùng điện bơm nước từ hồ dưới ngược lên hồ trên. Chu trình cứ lặp đi, lặp lại trong vòng đời của nó.
Có thể thấy rằng, về bản chất, Nhà máy thủy điện tích năng không sản xuất thêm điện năng mà chỉ góp phần điều hòa lượng điện theo sự thay đổi nhu cầu sử dụng điện (phụ tải) trong ngày giữa lúc cao điểm (thường là ban ngày vào giờ làm việc và buổi tối khi các hộ gia đình sinh hoạt) và lúc thấp điểm (thường là thời gian nghỉ ngơi khi nhu cầu điện thấp như buổi trưa, ban đêm, hoặc cuối tuần), đặc biệt là khi có các nguồn điện thiếu ổn định, đấu nối lưới điện thì hiện tượng chênh lệch giữa cung và cầu diễn ra tương đối lớn, ví dụ như điện mặt trời được mô tả ở Hình 1 bên trên, hiện tượng thừa điện xảy ra vào khoảng 10-14 giờ trong ngày lúc lượng bức xạ mặt trời lớn nhất, nhưng nhu cầu sử dụng điện lại thấp. Như vậy, Nhà máy thủy điện tích năng được ví như “bình ắc quy” của hệ thống điện, được “xạc đầy” ở khoảng thời gian nhu cầu điện thấp, và mang ra dùng vào các thời điểm có nhu cầu điện cao. Nhiệm vụ của Nhà máy tích năng trong hệ thống điện là “phủ đỉnh – điền đáy” làm san bằng hơn biểu đồ phụ tải, hỗ trợ các nhà máy điện khác hoạt động hiệu quả hơn, khi chúng không phải giảm công suất phát điện quá thấp vào ban đêm, cuối tuần, hoặc khí bức xạ mặt trời lớn nhất (được mô tả ở Hình 2 bên dưới). Thời gian tích năng lượng thích hợp là khi phụ tải ở thấp điểm. Quá trình tích năng nhờ bơm rồi phát điện trở lại sẽ gây tổn thất năng lượng, hiệu suất thông thường đạt chừng 70% đầu vào, tuy nhiên, theo tính toán về kinh tế thì giá điện năng vào giờ thấp điểm rẻ và giá điện năng đắt hơn vào cao điểm sẽ giải quyết vấn đề hiệu quả, song tác dụng việc điều hòa nguồn điện mang lại lợi ích lớn.
Hình 2 – Minh họa hoạt động của Thủy điện tích năng
Với thủy điện tích năng, các hồ chứa chỉ cần tích nước đủ cho việc sử dụng trong 5 – 7 giờ/ngày, nên chỉ cần diện tích lưu vực nhỏ, khoảng 1 km2, và nếu chọn được nơi có địa hình thích hợp, mức chênh lệch độ cao giữa hai hồ càng lớn (ví dụ độ cao từ 500m – 1.000m) thì dung tích hồ chứa không cần lớn, giảm thiểu tác động đến môi trường tự nhiên và sinh thái trong xây dựng nhà máy. Hơn nữa, sau khi chứa đủ nước rồi thì lượng nước đó cứ lên xuống tuần hoàn giữa hai hồ, dòng chảy của sông sau đó vẫn bình thường như trước khi có nhà máy. Hợp lý nhất là ưu tiên chọn xây dựng Nhà máy thủy điện tích năng gần những trung tâm tiêu thụ điện lớn, vì sẽ giảm khối lượng xây dựng các đường dây truyền tải đến thủy điện tích năng, để sử dụng điện năng của chúng trong thời gian ngắn.
Phát triển thủy điện tích năng ở Việt Nam
Thủy điện tích năng được ra đời từ năm 1882 tại Zurich – Thụy sĩ với công suất 515 kW, đã có trên 139 năm lịch sử. Theo thống kê của Hội liên hiệp Dự trữ Năng lượng (Energy Storage Association), thủy điện tích năng ra đời ở Hoa Kỳ vào năm 1920, cho đến năm 2017 đã có 43 nhà máy thủy điện tích năng đang hoạt động, cung cấp khoảng 23 GW, tương đương gần 2% công suất của hệ thống cung cấp điện. Nhật Bản là quốc gia có tốc độ phát triển thủy điện tích năng rất mạnh, hiện đã vượt qua Mỹ, trở thành quốc gia có sản lượng điện sản xuất từ thủy điện tích năng lớn nhất thế giới, với tổng công suất 25,5 GW, tương đương 10% công suất của hệ thống điện. Hoa Ky, hiện cũng đang sở hữu nhà máy thủy điện tích năng công suất lớn nhất thế giới, Nhà máy Bath County, ở bang Virginia, miền Đông nước Mỹ, với 6 tổ máy, tổng công suất phát điện là 3.003 MW, được xây dựng từ tháng 3/1977 và hoàn thành vào tháng 12/1985. Tuy nhiên, kỷ lục này sẽ sớm bị vượt qua khi nhà máy thủy điện tích năng Phong Ninh ở tỉnh Hồ Bắc, Trung Quốc với 12 tổ máy, tổng công suất 3.600 MW đã được khởi công xây dựng vào năm 2013, phát điện tổ máy 1 vào năm 2019 và dự kiến hoàn thành toàn bộ nhà máy vào năm 2021.
Thủy điện tích năng Bath County, Virginia, Hoa Kỳ
Tuy ra đời từ rất lâu, song phải đến những năm 60 của thế kỷ XX thủy điện tích năng mới bắt đầu phát triển nhanh chóng, và đặc biệt mạnh mẽ hơn trong gần 1 thập kỷ qua, cả về mặt kỹ thuật, xu hướng công nghệ tiên tiến, và hiệu quả hoạt động. Về mặt kỹ thuật, trung tâm của các cải tiến nằm ở thiết kế tuabin thuận nghịch, khi các hãng chế tạo tuabin lớn trên thế giới như: Alstom, Voith, Andritz… đều dành nhiều công sức nghiên cứu để ngày càng hoàn thiện thiết bị quan trọng này, giúp nó vận hành ổn định hơn ở cả hai chế độ làm việc, và việc chuyển đổi chế độ diễn ra trơn tru, nhanh chóng. Với các nghiên cứu, cải tiến ở khâu thiết kế như bố trí tỷ số lớn giữa đường kính cửa vào – cửa ra tuabin, các cánh hướng nước của bánh xe công tác bố trí thưa hơn, dài hơn, góc mở cánh hướng nước lớn hơn… Cùng việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như: công nghệ động cơ/máy phát tích hợp hệ thống chuyển đổi tần số tĩnh, điều khiển giám sát, thu thập dữ liệu (SFC and SCADA system), công nghệ màng lót ổ chặn (thrust bearing membrane pad technology), lõi stator chịu ứng suất trước thường trực (permanently pre-stressed stator core), hệ thống cách điện bằng áp lực chân không (vacuum pressure insulation system)…, tuabin thuận nghịch càng hoàn thiện và đáng tin cậy hơn rất nhiều. Một xu hướng phát triển táo bạo hơn, đó là xây dựng thủy điện tích năng dựa vào đại dương, xây dựng nhà máy tại các vách núi sát bờ biển, sử dụng nước biển để quay tua bin, tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề về công nghệ trước khi triển khai rộng rãi mô hình này. Nhà máy Okinawa Yanbaru tại Nhật Bản là nhà máy duy nhất trên thế giới đang áp dụng mô hình này, có công suất 30 MW, cung cấp 2,1% nhu cầu điện dùng trên đảo. Đây được xem là một công trình mang tính đột phá về phương thức vận hành và thân thiện với môi trường.
Thủy điện tích năng Okinawa Yanbaru, Okinawa, Nhật Bản
Tai 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, bao gồm: tỉnh Sơn La có 7 dự án, tỉnh Hoà Bình có 1 dự án, tỉnh Ninh Thuận có 1 dự án, và tỉnh Bình Thuận có 1 dự án). 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 – tuabin 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. Tuy nhiên, theo Tiến sĩ Nguyễn Huy Hoạch, Hội đồng khoa học/phản biện tạp chí năng lượng Việt Nam, giá mua điện nào khi dùng điện mặt trời (thời điểm từ 10-14h) để Thủy điện Tích năng Bắc Ái bơm nước lên hồ trên đang là một câu hỏi cho EVN. Bởi nguyên tắc nhà máy thủy điện tích năng mua điện giá rẻ khi hệ thống thừa điện và bán điện giá cao khi phủ đỉnh thì hoạt động mới hiệu quả, trong khi giá FIT điện mặt trời mà EVN đang mua là 7,09 US¢/kWh (với điện mặt trời mặt đất); 7,69 US¢/kWh (đối với điện mặt trời nổi) và 8,38 US¢/kWh (với điện mặt trời trên mái nhà) theo Quyết định số 13/2020/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ.