Nhà máy thủy điện tích năng: Nguyên lý, Ưu nhược điểm và Quy hoạch tại Việt Nam

Tìm hiểu về nhà máy thủy điện tích năng: Nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm và vai trò quan trọng trong việc lưu trữ, ổn định hệ thống điện.

• Tác giả: Nguyễn Tiến Dũng
• Chuyên ngành: Hệ thống điện
• Đề tài: Thủy điện tích năng: Giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả
• Loại tài liệu: Bài giảng
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Vinh

Tóm tắt

I. Thủy điện tích năng là gì và tác dụng của nó

Thủy điện tích năng (PSH - Pumped-Storage Hydroelectricity) là một phương pháp lưu trữ năng lượng tiên tiến, được sử dụng để cân bằng phụ tải hệ thống điện quốc gia. Công nghệ này lưu trữ năng lượng dưới dạng thế năng hấp dẫn của nước, được bơm từ bể chứa thấp lên bể chứa cao. Nhà máy thủy điện tích năng hoạt động như một "pin khổng lồ" của hệ thống điện, giúp điều hòa nhu cầu điện trong ngày. Nó được sạc đầy vào những khoảng thời gian phụ tải thấp (ban đêm hoặc lúc bức xạ mặt trời lớn nhất), sau đó giải phóng năng lượng vào các thời điểm cao điểm. Với hiệu quả cao và khả năng lưu trữ dài hạn, thủy điện tích năng đã trở thành giải pháp quan trọng cho các quốc gia phát triển năng lượng tái tạo.

1.1. Nguyên lý hoạt động của thủy điện tích năng

Nguyên lý hoạt động của thủy điện tích năng rất đơn giản nhưng hiệu quả. Vào thời điểm phụ tải thấp, điện năng dư thừa được sử dụng để chạy máy bơm, đẩy nước từ bể chứa dưới lên bể chứa trên. Khi nhu cầu điện cao, nước được giải phóng qua tuabin phát điện, tạo ra điện năng. Mặc dù có tổn thất trong quá trình bơm, nhà máy tích năng vẫn sinh lợi bằng cách bán điện ở giá cao nhất vào giờ cao điểm.

1.2. Vai trò trong cân bằng lưới điện

Thủy điện tích năng không sản xuất thêm điện mà điều hòa phụ tải theo nhu cầu thực tế. Nó giúp cân bằng sự biến động từ các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời và gió. Khi có thừa điện (10-14 giờ hàng ngày từ điện mặt trời), máy bơm hoạt động; khi thiếu điện, tuabin phát điện. Đây là cơ chế tối ưu hóa sử dụng điện năng và giảm lãng phí.

II. Ưu và nhược điểm của công nghệ thủy điện tích năng

Thủy điện tích năng sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật khiến nó trở thành công nghệ lưu trữ năng lượng hàng đầu toàn cầu. Tính đến năm 2020, PSH chiếm 95% tổng hệ thống lưu trữ được theo dõi hoạt động trên thế giới, chứng tỏ tính khả thi vượt trội. Tuy nhiên, công nghệ này cũng có những hạn chế đáng lưu ý. Yêu cầu địa hình đặc biệt (cao độ lớn) và chi phí đầu tư ban đầu rất cao là những thách thức lớn. Ngoài ra, tổn thất năng lượng trong quá trình bơm cũng không thể bỏ qua. Bất chấp những nhược điểm, giải pháp lưu trữ thủy điện vẫn được coi là phương pháp hiệu quả nhất cho cân bằng lưới điện và tiếp nhận năng lượng tái tạo.

2.1. Những ưu điểm chính của thủy điện tích năng

Ưu điểm đầu tiên là dung lượng lưu trữ rất lớn và có thể hoạt động lâu dài. Vòng đời tài sản của nhà máy thủy điện tích năng lên tới 50-60 năm. Hiệu suất vòng tròn đạt 70-85%, cao hơn các công nghệ lưu trữ khác. Nó cũng có chi phí vận hành thấp, không phát sinh khí thải, và có thể cung cấp dịch vụ cân bằng nhanh chóng. Khả năng điều hòa phụ tải giúp ổn định toàn bộ hệ thống điện, đặc biệt quan trọng khi có nhiều nguồn năng lượng không liên tục.

2.2. Những thách thức và hạn chế

Nhược điểm chính là yêu cầu địa hình đặc biệt với cao độ chênh lệch lớn, không phải nơi nào cũng thích hợp. Chi phí đầu tư rất cao (tỷ đô la), khiến người quản lý phải cân nhắc kỹ. Thời gian xây dựng kéo dài 5-10 năm, tác động môi trường cũng cần quan tâm. Tổn thất năng lượng trong quá trình bơm từ 15-30% phải được chấp nhận. Ngoài ra, còn phụ thuộc vào lượng mưa để duy trì hồ chứa.

III. Ứng dụng của thủy điện tích năng với năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo như điện mặt trời và gió đang phát triển nhanh chóng. Đến cuối năm 2020, Việt Nam có gần 19.400 MWp công suất điện mặt trời, chiếm 24% tổng công suất quốc gia, sản lượng đạt 10,6 tỉ kWh (4,3% tổng sản lượng). Tuy nhiên, các nguồn này có tính không liên tục cao, tạo ra thừa điện vào giờ cao điểm mặt trời. Đây là nơi thủy điện tích năng phát huy vai trò. Công nghệ này lưu trữ điện dư từ điện mặt trời và gió, giải phóng khi cần thiết. Sự kết hợp giữa năng lượng tái tạo và lưu trữ thủy điện tích năng tạo nên một hệ thống điện bền vững, ổn định và hiệu quả cao, giúp các quốc gia đạt mục tiêu phát triển xanh.

3.1. Giải pháp cho tính biến động của năng lượng mặt trời và gió

Điện mặt trời và điện gió có đặc điểm không liên tục, thay đổi theo thời tiết và mùa. Vào giữa ngày (10-14 giờ), bức xạ mặt trời lớn nhất khiến điện dư thừa. Thủy điện tích năng chính là giải pháp tối ưu: máy bơm tiêu thụ điện dư, nâng nước lên bể trên. Vào buổi tối và ban đêm khi nhu cầu điện cao nhưng mặt trời không còn, tuabin phát điện từ nước dự trữ. Cơ chế này xóa bỏ những "sóng" biến động, tạo ra dòng điện ổn định cho lưới điện.

3.2. Tầm quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng

Chuyển đổi năng lượng sạch là xu hướng toàn cầu, nhưng đòi hỏi hệ thống lưu trữ mạnh mẽ. Thủy điện tích năng cho phép các quốc gia tăng tỉ lệ năng lượng tái tạo mà không lo mất ổn định lưới. Nó là cầu nối giữa sản xuất không liên tục và tiêu thụ liên tục. Với hiệu suất cao (70-85%) và dung lượng khổng lồ, công nghệ này tăng tốc độ chuyển đổi năng lượng, giúp các quốc gia đạt mục tiêu carbon trung lập và phát triển bền vững.

IV. Phát triển thủy điện tích năng tại Việt Nam và triển vọng tương lai

Việt Nam sở hữu tiềm năng to lớn cho thủy điện tích năng nhờ địa hình đa dạng với nhiều vùng núi cao. Mặc dù còn chậm hơn các nước phát triển, Việt Nam đang nhận thức rõ ràng tầm quan trọng của công nghệ này. Quy hoạch thủy điện tích năng quốc gia đã được đưa ra, với mục tiêu phát triển các dự án tích năng quy mô lớn. Sự kết hợp giữa năng lượng mặt trời (đang phát triển mạnh mẽ) và thủy điện tích năng có thể giải quyết bài toán cân bằng lưới của Việt Nam. Triển vọng tương lai rất tươi sáng: nếu được đầu tư đúng cách, thủy điện tích năng sẽ là chìa khóa để Việt Nam xây dựng hệ thống điện sạch, hiệu quả và bền vững, góp phần vào mục tiêu năng lượng xanh 2050 của đất nước.

4.1. Tình hình hiện tại và tiềm năng phát triển

Việt Nam còn chậm so với các nước phát triển trong phát triển thủy điện tích năng. Hiện chưa có dự án PSH quy mô lớn nào hoàn thành toàn bộ. Tuy nhiên, tiềm năng lớn nằm ở địa hình: nhiều vùng núi với cao độ chênh lệch lớn, đặc biệt ở Tây Nguyên và vùng Trường Sơn. Sự tồn tại của các đập thủy điện truyền thống cũng tạo điều kiện thuận lợi cho chuyển đổi thành tích năng. Thách thức chính là chi phí đầu tư lớn và yêu cầu kỹ thuật cao, nhưng với sự hỗ trợ của chính phủ và nhu cầu cân bằng lưới điện, triển vọng rất sáng sủa.

4.2. Chiến lược và định hướng phát triển

Chiến lược quốc gia cần tập trung vào xây dựng khung pháp lý khuyến khích đầu tư PSH. Ưu tiên nên dành cho các vị trí có lợi thế địa hình tự nhiên và gần các nguồn năng lượng tái tạo lớn. Hợp tác quốc tế với các nước có kinh nghiệm (Đức, Thụy Sỹ, Nhật) sẽ gia tốc phát triển công nghệ. Mục tiêu là xây dựng 5-10 dự án PSH trong 10-15 năm tới, với tổng dung lượng 10-20 GWh, hỗ trợ liên kết năng lượng tái tạo và ổn định lưới điện quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay các quốc gia đang chạy đua phát triển các phương pháp – công nghệ lưu trữ năng lượng điện nhiều công ty, tập đoàn đã đầu tư nghiên cứu để tìm ra các phương pháp có thể lưu trữ lượng điện lớn hơn, hiệu quả hơn. Biểu đồ phụ tải hệ thống điện quốc gia ngày 30/12/2020. Đây là năm mà kỷ lục lắp đặt điện mặt trời được xác lập, tính đến cuối năm 2020, công suất điện mặt trời trên cả nước đã đạt khoảng 19.400 MWp, tương ứng khoảng 16.500 MWac - chiếm gần 24% tổng công suất nguồn điện. Toàn bộ sản lượng điện phát từ điện mặt trời trên toàn quốc trong cả năm 2020 là 10,6 tỉ kWh, chiếm khoảng 4,3% tổng sản lượng điện toàn quốc.NĂNG LƯỢNG CỦA DÒNG NƯỚC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG 2.NĂNG LƯỢNG CỦA DÒNG NƯỚC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG 2.NĂNG LƯỢNG CỦA DÒNG NƯỚC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG 2.NĂNG LƯỢNG CỦA DÒNG NƯỚC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG Năng lượng chứa trong khối nước W 2.

NĂNG LƯỢNG CỦA DÒNG NƯỚC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG 2. NĂNG LƯỢNG CỦA DÒNG NƯỚC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG 2.NĂNG LƯỢNG CỦA DÒNG NƯỚC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG Khi xét đầy đủ tổn thất của cột nước 2. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG 2. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG Thủy điện tích năng (PSH - Pumped-storage hydroelectricity), hay lưu trữ năng lượng thủy điện được bơm (PHES - pumped hydroelectric energy storage), là một loại lưu trữ năng lượng thủy điện được sử dụng bởi các hệ thống điện để cân bằng phụ tải.

Phương pháp này lưu trữ năng lượng dưới dạng thế năng hấp dẫn của nước, được bơm từ bể chứa có độ cao thấp hơn lên độ cao cao hơn. 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”: Công dụng chính là tích lũy năng lượng để bổ sung cho hệ thống vào những lúc cần thiết. Nó 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. Thời gian tích năng lượng thích hợp là khi phụ tải ở thấp điểm (vào ban đêm - khi nhu cầu phụ tải thấp nhất, hoặc lúc thấp điểm trưa - khi bức xạ mặt trời lớn nhất).

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG Năng lượng điện dư thừa ngoài giờ cao điểm thường được sử dụng để chạy máy bơm. Trong thời gian có nhu cầu điện cao, nước dự trữ sẽ được giải phóng qua các tua-bin để sản xuất điện. Mặc dù tổn thất trong quá trình bơm khiến nhà máy trở thành nơi tiêu thụ năng lượng ròng về tổng thể, nhưng hệ thống vẫn tăng doanh thu bằng cách bán nhiều điện hơn trong thời kỳ nhu cầu cao điểm, khi giá điện cao nhất. Nếu hồ phía trên thu được lượng mưa đáng kể hoặc được cung cấp nước từ một con sông thì nhà máy có thể là nhà sản xuất năng lượng ròng theo cách của một nhà máy thủy điện truyền thống.

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG 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 và buổi tối) và lúc thấp điểm (thường là ban đêm, hoặc cuối tuần khi nhu cầu điện thấp hơn), khi có điện mặt trời nối lưới thì hiện tượng thừa điện lại xảy ra vào khoảng 10-14 giờ trong ngày lúc lượng bức xạ mặt trời lớn nhất 2. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG Hình 4. Mô hình hoạt động thủy điện tích năng. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG Bản đồ địa hình mờ của nhà máy bơm tích năng Taum Sauk ở Missouri, Hoa Kỳ.

Hồ trên núi được xây dựng trên một mặt phẳng nên cần có một con đập bao quanh toàn bộ chu vi. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG Hồ chứa phía trên được xây dựng lại của nhà máy Taum Sauk, sắp hoàn thành trong bức ảnh này, là đập bê tông đầm lăn lớn nhất ở Bắc Mỹ. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG Hai máy phát điện mỗi máy có thể sản xuất công suất lên tới 225 MW 2. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG Thủy điện tích năng cho phép tiết kiệm năng lượng từ các nguồn không liên tục (như năng lượng mặt trời, gió) và các nguồn năng lượng tái tạo khác hoặc lượng điện dư thừa từ các nguồn tải cơ sở liên tục (như than đá hoặc hạt nhân) cho những giai đoạn có nhu cầu cao hơn.

Các hồ chứa được sử dụng với hệ thống tích năng có kích thước khá nhỏ so với các đập thủy điện thông thường có công suất điện tương tự và thời gian phát điện thường ít hơn nửa ngày. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG Cho đến nay, lưu trữ bằng bơm là hình thức lưu trữ năng lượng lưới có dung lượng lớn nhất hiện có và tính đến năm 2020. Cơ sở dữ liệu lưu trữ năng lượng toàn cầu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ báo cáo rằng PSH chiếm khoảng 95% tổng số hệ thống lưu trữ được theo dõi đang hoạt động trên toàn thế giới, với một tổng công suất thông lượng lắp đặt trên 181 GW, trong đó khoảng 29 GW ở Hoa Kỳ và tổng công suất lưu trữ lắp đặt trên 1,6 TWh, trong đó khoảng 250 GWh ở Hoa Kỳ. Hiệu suất năng lượng khứ hồi của PSH dao động trong khoảng 70%–80%, với một số nguồn tuyên bố lên tới 87%.

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG Yêu cầu về nước đối với PSH rất nhỏ: khoảng 1 Gigalit nước cấp ban đầu cho mỗi Gigawatt giờ lưu trữ. Nước này được tái chế lên dốc và xuống dốc trong nhiều thập kỷ. Yêu cầu về đất đai cũng nhỏ: khoảng 10 ha cho mỗi Gigawatt giờ lưu trữ, nhỏ hơn nhiều so với diện tích đất dành cho các trang trại năng lượng mặt trời và gió mà kho lưu trữ hỗ trợ. Hệ thống lưu trữ thủy điện được bơm vòng kín (ngoài sông) có lượng khí thải carbon nhỏ nhất trên mỗi đơn vị lưu trữ so với tất cả các ứng cử viên cho việc lưu trữ năng lượng quy mô lớn.

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG Vào những thời điểm nhu cầu điện thấp, công suất phát điện dư thừa được sử dụng để bơm nước lên hồ chứa phía trên. Khi có nhu cầu cao hơn, nước sẽ được xả trở lại hồ chứa thấp hơn thông qua tuabin, tạo ra điện. Các tổ hợp tua-bin/máy phát điện đảo ngược hoạt động như một tổ hợp máy bơm và máy phát tua- bin kết hợp (thường là thiết kế tua-bin Francis). Vận hành với tốc độ thay đổi giúp tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất khứ hồi trong các nhà máy thủy điện được bơm.

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG Trong các ứng dụng micro-PSH, một nhóm máy bơm và Máy bơm như tuabin (PAT) có thể được triển khai tương ứng cho các giai đoạn bơm và tạo ra. Có thể sử dụng cùng một máy bơm ở cả hai chế độ bằng cách thay đổi hướng và tốc độ quay: điểm vận hành khi bơm thường khác với điểm vận hành ở chế độ PAT. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG Phân phối điện trong một ngày của một cơ sở thủy điện tích năng. Màu xanh lá cây tượng trưng cho công suất tiêu thụ khi bơm; màu đỏ là năng lượng được tạo ra.

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG Loại hồ chứa: hồ chứa tự nhiên hoặc nhân tạo Trong các hệ thống vòng hở, các nhà máy bơm tích năng thuần túy lưu trữ nước ở hồ chứa phía trên không có dòng chảy tự nhiên vào, trong khi các nhà máy bơm ngược sử dụng sự kết hợp giữa bơm tích năng và các nhà máy thủy điện thông thường với hồ chứa phía trên được bổ sung một phần bằng dòng chảy tự nhiên từ một dòng suối hoặc một dòng sông. Nhà máy không sử dụng bơm tích năng được gọi là nhà máy thủy điện truyền thống. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG Hiệu quả kinh tế Có tính đến tổn thất bay hơi từ bề mặt nước tiếp xúc và tổn thất chuyển đổi, có thể đạt được mức thu hồi năng lượng từ 70–80% trở lên. Kỹ thuật này hiện là phương tiện tiết kiệm chi phí nhất để lưu trữ lượng lớn năng lượng điện, nhưng chi phí vốn và sự hiện diện của vị trí địa lý thích hợp là những yếu tố quyết định quan trọng trong việc lựa chọn địa điểm nhà máy bơm lưu trữ.

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG Mật độ năng lượng tương đối thấp của hệ thống bơm tích năng đòi hỏi dòng chảy lớn và/hoặc chênh lệch lớn về độ cao giữa các hồ chứa. Cách duy nhất để lưu trữ một lượng năng lượng đáng kể là có một khối nước lớn nằm tương đối gần, nhưng càng cao càng tốt, khối nước thứ hai. Ở một số nơi điều này xảy ra một cách tự nhiên, ở những nơi khác, một hoặc cả hai khối nước đều do con người tạo ra. Các dự án trong đó cả hai hồ chứa đều là nhân tạo và trong đó không có dòng chảy tự nhiên nào liên quan đến một trong hai hồ chứa được gọi là hệ thống "vòng khép kín".

Các hệ thống này có thể tiết kiệm vì chúng làm phẳng các biến đổi phụ tải trên lưới điện, cho phép các nhà máy nhiệt điện như nhà máy đốt than và nhà máy điện hạt nhân cung cấp điện phụ tải tiếp tục hoạt động ở hiệu suất cao nhất, đồng thời giảm nhu cầu "đỉnh điểm". " Các nhà máy điện sử dụng cùng loại nhiên liệu như nhiều nhà máy nhiệt điện, khí đốt và dầu phụ tải cơ bản, nhưng được thiết kế để linh hoạt hơn là đạt hiệu suất tối đa. Do đó, hệ thống bơm tích năng rất quan trọng khi phối hợp các nhóm lớn máy phát điện không đồng nhất. Chi phí vốn cho các nhà máy bơm tích năng tương đối cao, mặc dù điều này phần nào được giảm bớt nhờ thời gian phục vụ lâu dài đã được chứng minh trong nhiều thập kỷ - và trong một số trường hợp là hơn một thế kỷ,[22] [23] dài hơn ba đến năm lần so với quy mô tiện ích.