Năng lượng gió: Giải pháp cho vấn đề gió thất thường

13/09/2011

Sử dụng năng lượng gió để nén không khí có thể đem lại sự thay đổi mang tính cách mạng khái niệm trại gió bằng cách mở rộng phạm vi tập trung, từ triển vọng tương đối hẹp về nâng cao hiệu suất tuabin sang tầm nhìn rộng hơn, đó là hiệu quả của toàn bộ hệ thống

Bang Texas của Mỹ ngày càng phụ thuộc nhiều vào nguồn điện gió, nên việc mất điện lưới trên qui mô rộng hầu như không thể tránh khỏi. Hội đồng Độ tin cậy cung cấp điện bang Texas (Electric Reliability Council of Texas – ERCOT) buộc phải cắt điện một số hộ tiêu thụ lớn ở khu vực Houston sau khi mất 1.400 MW công suất điện gió trong vòng ba tiếng đồng hồ trước đó. Trong vòng mấy giờ đó, công suất điện gió sụt giảm từ 1.700 MW xuống còn 300 MW. Vụ tụt giảm mạnh này lại trùng với nhu cầu phụ tải tăng cao bởi vì trời sắp tối và một đợt gió lạnh đang tràn từ phía Bắc xuống bang này.

Mặc dù tình hình gió đã bớt căng thẳng, ERCOT đã phát động kế hoạch khẩn cấp, cắt điện các hộ tiêu thụ để tiết giảm điện năng, nhờ đó đã sa thải được 1.100 MW chỉ trong vòng 10 phút. Không có thêm khách hàng nào nữa bị mất điện trong thời gian công bố khẩn cấp, và sau khoảng 90 phút, các hộ tiêu thụ bị cắt điện để tiết giảm đã được cấp điện trở lại.

Việc bổ sung thêm hàng mấy trăm mêgaoát điện gió cho hàng mấy ngàn mêgaoát đã được lắp đặt ở bang Texas và rất nhiều nơi khác đang buộc các nhà lập kế hoạch lưới điện tìm ra các phương cách bù cho lượng công suất thất thường đang ngày càng gia tăng. Cụ thể là chỉ vài tuần lễ trước khi xảy ra sự kiện lặng gió ở bang Texas, người ta đã công bố kế hoạch lắp đặt 24 động cơ đốt trong Wartsila 20V34SG chạy bằng khí tự nhiên tại một địa điểm cách thành phố San Antonio 80 km về phía tây nam. Nhà máy điện Pearsall này sẽ giúp bù ảnh hưởng của gió thất thường. Ngoài việc cung cấp công suất đỉnh cho tám đơn vị thành viên của South Texas Electric Cooperative, công trình 202,5 MW đã lên kế hoạch này sẽ hỗ trợ và cung cấp các dịch vụ lưới điện khác cho ERCOT.

Để giúp đánh giá mức nhu cầu dịch vụ hỗ trợ bổ sung từ các tổ máy nhiệt điện khí nhằm giúp lựa chiều theo tính đành hanh của gió, mới đây ERCOT đã thuê GE Energy lập báo cáo về mức độ thâm nhập sâu của gió trong hệ thống điện của họ. Theo ông William O. Bojorquez, Phó chủ tịch về lập kế hoạch hệ thống của ERCOT thì các chỉ số cho thấy lưới điện sẽ cần phải tăng công suất điều chỉnh bằng nhiệt điện tuabin khí từ 20 đến 23%. Ông nói: “Nếu gió lặng vào buổi sáng và phụ tải tăng thì có thể yêu cầu điều chỉnh tăng công suất lên đáng kể”. Vào buổi tối, một lần nữa có thể lại phải cần đến các nhà máy nhiệt điện khí để điều chỉnh lưới điện bởi vì gió mạnh lên và phụ tải giảm xuống.

Nhưng ông Bojorquez cho rằng mất dần 1.400 MW trong vòng 3 tiếng đồng hồ không giống với mất một tổ máy nhiệt điện than hoặc một tổ máy điện hạt nhân do nhảy máy cắt. Sự kiện xảy ra ở bang Texas tháng 3/2008 kéo dài trong nhiều giờ và với nhịp độ chậm, nên người vận hành lưới điện có thể xử lý các điều kiện thay đổi. Ông nói: “Loại sự kiện này không gây sốc lớn đến sự ổn định lưới điện.”

Tích trữ gió

Mỗi dạng nguồn năng lượng đều có những ưu nhược điểm của nó, riêng đối với gió thì điểm yếu cố hữu rất phiền hà của nó là không thể khởi động hoặc tắt khi ta muốn. Giờ đây, khi mà tài nguyên này đã hoà nhập tới gần xu thế chủ đạo, mục tiêu phấn đấu đối với nhiều người ủng hộ năng lượng gió là tìm ra một phương cách thông thường, với chi phí thấp, để tích trữ điện năng. Đạt được các mục tiêu này sẽ giúp san bằng các trở ngại cố hữu của tài nguyên năng lượng gió.

Công nghệ tiên tiến tích trữ năng lượng của không khí nén đoạn nhiệt

Để thấy được tương lai sẽ ra sao, bạn hãy đi một chuyến dài 1.600 km, từ miền Tây bang Texas tới thành phố McIntosh, bang Alabama. Ở đây có hệ thống khí nén tích trữ năng lượng (compressed air energy storage – CAES) đã vận hành hơn 17 năm nay, giúp PowerSouth Cooperative đáp ứng nhu cầu phụ tải đỉnh và trung gian. McIntosh 1 đi vào hoạt động từ năm 1991. Tổ máy CAES công suất 110 MW này nén không khí và tích trữ trong hầm ngầm vào giờ phụ tải thấp để rồi khi cần, nhả không khí nén ra và trộn với khí tự nhiên để đốt trong tuabin gia nhiệt lại ở áp suất cao và giãn nở ở áp suất thấp để phát điện. McIntosh 1 là nhà máy CAES chạy bằng khí đốt vận hành thương mại lớn thứ hai trên thế giới, đứng sau nhà máy công suất 290 MW ở Đức đã hoạt động kể từ năm 1978 cho đến nay.

Trong tuabin khí truyền thống, không khí khí quyển được nén tới áp suất cao hơn, nhiên liệu được đưa vào buồng đốt, kết quả thu được là khói nóng ở áp suất cao, sau đó giãn nở trong tuabin. Hơn 60% năng lượng được sử dụng để làm quay máy nén khí. Gần 40% là cơ năng để làm quay máy phát điện.

Ngược lại, trong chu trình CAES/tuabin khí, chu trình nén được tách ra khỏi các chu trình đốt và phát điện, nhờ sử dụng điện năng giá rẻ vào thời gian phụ tải thấp hoặc điện năng dư thừa. Các máy nén khí làm mát trung gian do động cơ kéo cung cấp không khí nén và tích trữ trong hầm chứa để rồi khi cần thiết, được nhả ra tăng cường công suất cho một tuabin hơi để phát điện. Không khí nén được gia nhiệt trong thiết bị thu hồi nhiệt (heat recovery unit – HRU) sử dụng khói xả ra từ tuabin khí. Nhờ đó có thể nâng cao tính kinh tế trong vận hành tuabin khí CAES bởi vì đầu vào nhiên liệu có thể chưa đến 4.000 Btu cho 1 kWh điện năng tung lên lưới.

Theo ông Septimus van der Linden, chủ tịch của Brulin, công ty tư vấn chuyên về sử dụng tuabin khí cho các công nghệ mới thì “Không có phụ tải ký sinh, bộ giãn nở không khí (khói) nóng sẽ cung cấp thêm khoảng hai phần ba công suất mà không tiêu thụ thêm nhiên liệu”. Ông nói rằng không khí nén cần thiết được cung cấp với chi phí thấp hơn nhiều, điều này cho phép phát điện năng với chi phí thấp hơn vào giờ nhu cầu phụ tải cao. Như vậy giảm được nhu cầu từ các hệ thống phụ tải trung gian khác như các nhà máy nhiệt điện khí, nhà máy chu trình hỗn hợp hoặc thậm chí cả từ các tổ máy tuabin khí chu trình đơn có vốn đầu tư thấp.

Bây giờ, hãy hình dung việc sử dụng năng lượng gió để nén không khí thay vì lấy điện năng từ các nhà máy chạy bằng nhiên liệu hoá thạch trong giờ phụ tải thấp. Khi đó, ta cũng đạt được những lợi ích như tại các nhà máy ở Alabama và ở Đức, nhưng lại không cần đến nhiên liệu hoá thạch. Tuabin gió nối với máy nén khí, thay vì nối với máy phát điện, có thể tạo ra và tích trữ không khí nén mỗi khi gió thổi, hơn nữa lại không cần phải biến cơ năng thành điện năng sau đó lại dùng điện để chạy máy nén khí để tích trữ không khí nén.

Hơn nữa, 75% lãnh thổ nước Mỹ lại có địa chất thích hợp để tích trữ không khí trong hầm ngầm, cụ thể như tầng hầm mỏ muối, tầng khí đốt đã khai thác cạn kiệt, mỏ đã khai thác cạn kiệt, hầm địa chất đá cứng và tầng chứa nước mặn sâu trong lòng đất. Lưu ý rằng dung tích yêu cầu để tích trữ không khí nén chỉ bằng 1/25 dung tích cần thiết đối với thuỷ điện tích năng có cùng công suất và thời gian phát điện.

Các nhà máy điện gió có khả năng điều độ về cơ bản đã trở thành các dự án nguồn điện kết hợp (hybrid), sử dụng năng lượng gió và tích trữ kết hợp với nhiệt năng. Những người ủng hộ công nghệ này cho rằng các nhà máy điện kết hợp này sẽ có giá thành xây dựng cao hơn chút ít so với các nhà máy điện gió hoặc nhà máy điện nhiên liệu hoá thạch truyền thống, nhưng chi phí vận hành lại thấp hơn nhiều so với các nhà máy điện này do mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn và hệ số dung lượng cao hơn.

Cũng có thể cấu hình các nhà máy điện kết hợp ở dạng nhà máy chạy phụ tải đáy, phụ tải đỉnh hoặc phụ tải trung gian, thậm chí cả để điều hoà công suất nhằm sử dụng hiệu quả hơn đường dây tải điện từ các trại phát điện gió hiện có.

Có thể xây dựng các nhà máy điện kết hợp công suất lớn. Các dự án CAES cỡ 1.000 MW có thể khả thi ở những vùng nhiều gió. Cũng có thể chọn công suất thích hợp cho các nhà máy này để có thể truyền tải công suất đi xa, mỗi ngày vài giờ hoặc suốt ngày. Hơn thế nữa, chúng sử dụng tương đối ít nhiên liệu (có khi không cần nhiên liệu, như đối với trường hợp nguồn nhiệt thải hoặc các nguồn năng lượng tái tạo khác), có nghĩa là các nhà máy này có thể cung cấp nguồn công suất mới cho các thị trường mà ở đó khó hoặc không thể xây dựng các nhà máy điện gió và nhiên liệu hoá thạch truyền thống hoặc các nhà máy điện hạt nhân.

Giải pháp kinh tế đối với năng lượng gió

Ông Michel Marcus, người sáng lập và chủ tịch của công ty General Compression nói: “Nỗi đau của ngành năng lượng gió là giá điện không cao bởi vì các công ty điện lực mua chỉ vì để đáp ứng chỉ tiêu bắt buộc về năng lượng tái tạo.”

Theo ông Marcus thì cái hay của việc sử dụng kết hợp CAES với gió là nó vận hành tốt với cơ sở hạ tầng ngành điện, lưới điện hoặc thị trường điện hiện có, không đòi hỏi có sự cải tiến nào đặc biệt. “Đúng là vừa khớp.”

Tính kinh tế của việc kết hợp gió với CAES có thể rất hấp dẫn. Cụ thể, như ông Marcus nói, đối với phần lớn các nhà máy nhiệt điện khí chạy phụ tải đỉnh hiện nay, chi phí lắp đặt khoảng từ 800 USD tới 1.000 USD/kW. Một nhà máy điện gió có khả năng điều độ theo cấu hình chạy phủ đỉnh kết hợp khí tự nhiên (ví dụ như tuabin gió 180 MW có phần tích trữ và thiết bị giãn nở tuabin khí tự nhiên 400 MW, điều độ được 400 MW đến 8 giờ mỗi ngày) giá thành tính theo 1 kW có thể cao hơn chút ít so với nhà máy tuabin khí chạy phủ đỉnh, nhưng nhiên liệu đốt chỉ bằng một phần ba. Nhà máy kết hợp năng lượng gió CAES/khí đốt có tỉ suất nhiệt (tính bằng Btu tiêu hao để phát ra 1 kWh) là khoảng 4.000 Btu/kWh. Trong khi đó, tỉ suất nhiệt đối với phần lớn các tuabin khí chu kỳ đơn là khoảng 9.000 đến 10.500 Btu/kWh. Cấu hình tuabin khí chu trình hỗn hợp có tỉ suất nhiệt thấp hơn, có thể là 7.500 Btu/kWh.

Ông Marcus nói: “Như vậy, tuỳ thuộc vào loại nhà máy, các bạn chỉ sử dụng từ 1/3 đến 2/3 nhiên liệu bởi vì nhiên liệu dùng để nén là miễn phí.”

Tuabin gió của công ty General Compression (có tích hợp máy nén khí bên trong vỏ tuabin)

Theo ông Septimus van der Linden, mục tiêu tích trữ 50 GW năng lượng ở Mỹ, chủ yếu thông qua công nghệ CAES là hoàn toàn hiện thực. Độ ổn định lưới điện sẽ được cải thiện và năng lượng tái tạo sẽ đóng góp về kinh tế mà không đòi hỏi các hình thức khuyến khích về thuế khoá.

Sử dụng năng lượng gió để nén không khí có thể đem lại sự thay đổi mang tính cách mạng khái niệm trại gió bằng cách mở rộng phạm vi tập trung, từ triển vọng tương đối hẹp về nâng cao hiệu suất tuabin sang tầm nhìn rộng hơn, đó là hiệu quả của toàn bộ hệ thống. Theo ông Marcus, nén không khí nâng cao đáng kể giá trị của điện năng sản xuất ra. Ông nói: “Tại phần lớn các vùng mà chúng tôi đã lập mô hình cho các dự án của chúng tôi, tỉ suất lợi nhuận sau thuế đều lớn hơn khoảng gấp đôi so với các dự án năng lượng gió truyền thống.”

Cho đến nay, ngành năng lượng gió đã làm được công việc tốt, đó là biến gió thành điện, mặc dầu tính thất thường của nguồn năng lượng này cho đến nay vẫn là trở ngại khó vượt qua. Xây dựng đường dây truyền tải đường dài để đưa nguồn năng lượng này lên thị trường cũng gặp khó khăn do hệ số dung lượng tương đối thấp, chỉ cỡ 28%. Một mục tiêu chính của việc xây dựng CAES là giúp sử dụng đường dây truyền tải hiệu quả hơn điện năng từ gió, điều này sẽ thúc đẩy đầu tư nhiều hơn vào truyền tải điện đi xa. Như ông Marcus đã nói, thông qua CAES, “chúng ta đang tạo ra một sản phẩm có thể tích trữ, điều độ được”.

Theo Thông tin QLNĐ

Năng lượng gió: Giải pháp cho vấn đề gió thất thường

LOTTE Mart Nam Sài Gòn tiết kiệm 24% điện năng mỗi năm nhờ nền tảng AI BEMS

National Energy Efficiency Programme - Ministry of Industry and Trade