Hệ thống điện, xu thế phát triển và các thách thức

Ngày nay, sự phát triển của khoa học công nghệ đã mang đến nhiều thay đổi lớn trong các ngành công nghiệp, trong đó phải kể đến ngành Điện lực. Các thay đổi lớn gồm có sự thay đổi cơ cấu phát điện, nâng cao tỉ trọng của điện năng sản xuất từ năng lượng tái tạo, các thay đổi trong phụ tải điện, ứng dụng ngày càng nhiều của những thành tựu công nghệ thông tin và truyền thông. Đứng trên góc nhìn của người đào tạo ngành Điện nói chung và đặc biệt là lĩnh vực Hệ thống điện, các thay đổi này đang và sẽ tạo ra những thay đổi mới trong nhu cầu nhân lực, dẫn đến các yêu cầu về thay đổi chương trình đào tạo. Chúng tôi xin giới thiệu với các độc giả sê ri bài viết về các xu hướng thay đổi trong ngành Điện lực và yêu cầu đào tạo. Bài viết đầu tiên này sẽ giới thiệu về các xu thế phát triển mới của các hệ thống sản xuất, tiêu thụ, truyền tải điện.

Điện năng, một dạng hàng hoá đặc biệt

Mỗi gia đình đều bỏ ra một số tiền nhất định để trả cho lượng điện năng tiêu thụ trong tháng. Tuy nhiên, khác với thực phẩm, xăng dầu,… điện năng không thể được sản xuất trước, tiêu thụsau ở quy mô lớn. Hệ thống điện truyền thống dựa trên năng lượng thuỷ điện, nhiệt điện – nơi các nguồn năng lượng sơ cấp thường ở xa nơi tiêu thụ. Vì thế hình ảnh thường thấy khi chúng ta nói đến hệ thống điện là các đường dây truyền tải. Mỗi khi phụ tải có thay đổi, các máy phát điện ở cách hàng trăm, hàng ngàn cây số sẽ tự động điều chỉnh để cân bằng công suất.

Đặc điểm trên dẫn đến các vấn đề kinh điển trong vận hành hệ thống điện truyền thống: nếu được quản lý thống nhất bởi một thực thể (nhà nước), hệ thống điện sẽ đảm bảo tốt hơn việc điều phối cân bằng cung cầu, đảm bảo ổn định năng lượng cho quốc gia. Vì thế, khi các quốc gia tiến hành tư nhân hóa, tư nhân hoá ngành điện thường diễn ra sau cùng sau các ngành công nghiệp lớn khác như dầu khí, khai khoáng, giao thông vận tải,…

Tuy nhiên, việc tư nhân hoá để tạo thêm các nguồn lực cho ngành điện là một lộ trình không thể tránh được, đặc biệt với những quốc gia có tốc độ tăng trưởng kinh tế và nhu cầu điện năng ở mức cao như Việt Nam (xem Hình 1).

H.1 Nhu cầu điện năng của Việt Nam đến 2030, phương án cao và phương án cơ sở. Nguồn: Viện Năng lượng – Bộ Công thương.

Trên lý thuyết, việc tạo ra thị trường cạnh tranh sẽ giúp giảm chi phí chung cho xã hội. Tuy vậy do đặc thù về cách thức vận hành, thị trường điện chỉ có thể thực hiện được khi có đủ hạ tầng công nghệ thông tin, hệ thống pháp luật chặt chẽ để đảm bảo cung cấp điện ổn định và liên tục, do phải điều phối giữa rất nhiều người tham gia, từ khâu phát điện, truyền tải đến khâu tiêu thụ. Ngày nay, nền tảng khoa học công nghệđã cho phép vận hành thị trường điện cạnh tranh ở các quy mô khác nhau. Thị trường mua bán điện có thể diễn ra theo hợp đồng dài hạn, thị trường điện ngày tới (24h), thị trường điện giờ tới, và thị trường thời gian thực, với nhiều giao dịch song phương và hình thức thanh toán.

H.2 Biểu đồ công suất phát, phụ tải và giá điện của nước Đức trong ngày 28.10.2017. Nguồn: https://www.agora-energiewende.de/en/

Hình 2 minh hoạ biểu đồ công suất phát, công suất phụ tải, và giá bán điện (Euro/MWh) của nước Đức trong ngày 28.10.2017. Trong ngày này, nước Đức có dư thừa nhiều năng lượng gióvà mặt trời, dẫn đến lượng xuất khẩu điện trong ngày sang các nước xung quanh tăng cao, đồng thời giá điện trong ngày có nhiều thời điểm xuống âm. Tạm gác lại sự thú vị của các con số, chỉ nói trên quan điểm vận hành, cần có hạ tầng thông tin, truyền thông phát triển và các công cụ phần mềm hỗ trợđủ mạnh mới có thể đảm bảo vận hành hệ thống với sự biến động lớn như vậy chỉ trong phạm vi 24 giờ.

Năng lượng mới và tái tạo

Với sự cạn kiệt của năng lượng hoá thạch, việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo (NLTT): Điện gió, điện mặt trời, địa nhiệt,… là xu thế tất yếu nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững cho mỗi quốc gia. Chi phí đầu tư cho các nguồn năng lượng tái tạo đang ngày càng trở nên cạnh tranh, và mỗi quốc gia đều cần xác định cho mình một lộ trình phát triển các nguồn năng lượng bền vững này.

Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa, do đó tiềm năng phát triển các nguồn điện NLTT như điện gió, điện mặt trời tương đối dồi dào. Tổng tiềm năng điện gió có thể khai thác được của Việt Nam, (theo Wind Resource Atlas of Vietnam) là 26763MW. Về điện mặt trời, theo thống kêcủa Cục Điện lực và Năng lượng tái tạo đến 10/6/2018, thì đã có 286 dự án điện mặt trời đềxuất bổ sung quy hoạch với tổng công suất vào khoảng 19.300MW.

Một số nước trên thế giới như Costa Rica, Iceland, NLTT đã chiếm gần 100% cơ cấu cơ cấu nguồn điện. Tuy rằng các nước kể trên đều có những đặc trưng như dân số nhỏ, nguồn năng lượng sơ cấp dồi dào, nhưng không thể phủ nhận rằng đó là những thành tựu đáng khâm phục về phát triển năng lượng sạch.

Xu thế phát triển các nguồn NLTT thay cho các nguồn năng lượng truyền thống cũng được ghi nhận tại nhiều quốc gia khác. Hình 3 trình bày cơ cấu nguồn của bang California (Mỹ) đến 2050, theo đó điện mặt trời và điện gió sẽ chiếm tỉ trọng lớn, nguồn nhiệt điện than và điện hạt nhân sẽ được dừng hoàn toàn.

H. 3 Cơ cấu nguồn điện của bang California (Mỹ) đến 2050. Tạp chí Power and Energy số tháng 7-8/2018.

Tuy nhiên, việc phát triển các nguồn NLTT cũng đặt ra những thách thức không nhỏ cho bài toán quy hoạch, vận hành hệ thống điện và thị trường điện:

• Nguồn NLTT có đặc tính thay đổi ngẫu nhiên, do vậy việc điều độ vận hành trở nên rất phức tạp, do phương thức vận hành khó dự báo trước. Ví dụ dự phòng công suất là bài toán đơn giản với nguồn điện truyền thống, thì lại rất khó thực hiện với hệ thống có nhiều NLTT vì sự thay đổi liên tục của năng lượng gió và mặt trời.
• Công nghệ phát điện của các nguồn NLTT không sử dụng máy phát điện đồng bộ như các nhà máy điện truyền thống, tạo nên các bài toán mới cho vận hành và điều khiển. Các vấn đề đang có tính thời sự rất nóng hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam, đó là tăng cường ổn định cho hệ thống điện với sự tăng trưởng của các nguồn năng lượng gió và mặt trời, duy trì kết nối lưới của nhà máy điện gió và mặt trời khi có biến động điện áp, phối hợp các hệ thống bảo vệ rơ le giữa nhà máy điện gió/mặt trời và hệ thống bảo vệ rơ le trên lưới điện,…
• Các bài toán quy hoạch nguồn và quy hoạch lưới điện cũng trở nên rất phức tạp do môhình tính toán được chuyển đổi từ mô hình xác định (deterministic) sang mô hình tối ưu ngẫu nhiên (stochastic).

Phụ tải điện thông minh, xe điện và thiết bị lưu trữ

Một công việc có ý nghĩa quan trọng trong vận hành hệ thống điện là điều khiển nhu cầu phụ tải (DSM – Demand Side Management). Dịch chuyển các phụ tải tiêu thụ khỏi giờ cao điểm giúp giảm gánh nặng cho hệ thống, giảm bớt áp lực đầu tư phát triển nguồn. Trước đây, DSM thực hiện chủ yếu thông qua công tác tuyên truyền vận động, các phụ tải công nghiệp và các nhàmáy thuỷ điện tích năng. Trong thời đại của Internet vạn vật hiện nay, phụ tải điện ở khu vực dân dụng có thể tham gia rất tích cực vào DSM. Nhờ vào hạ tầng công nghệ thông tin, phụ tải sẽ điều chỉnh công suất, thời điểm tiêu thụ đáp ứng theo tín hiệu của lưới điện đồng thời giảm thiểu chi phí sử dụng điện.

H.4 Cơ cấu phụ tải điện của bang California đến 2050. Tạp chí Power and Energy số tháng 7-8/2018.

Không những các phụ tải điện trở nên “thông minh” hơn, cơ cấu phụ tải cũng sẽ có những thay đổi mạnh. Trong tương lai, hầu hết các lưới điện đều sẽ có thêm nhu cầu phụ tải từ các xe điện (transportation electrification), hệ thống sưởi gas chuyển sang sưởi điện, sản xuất hydrogenphục vụ pin lưu trữ năng lượng (xem ví dụ Hình 4 của lưới điện California). Quá trình dịch chuyển cơ cấu tiêu thụ năng lượng từ các nguồn hoá thạch sang sử dụng điện sẽ tạo nên những áp lực mới cho lưới điện và càng thúc đẩy các cơ chế chính sách, các thiết bị thông minh nhằm thực hiện DSM một cách hiệu quả nhất.

Do cải tiến công nghệ, chi phí thiết bị lưu trữ điện năng giảm rất nhanh trong giai đoạn gần đây càng thúc đẩy sự có mặt của các thiết bị này trong hệ thống điện. Pin Lithium-ion được sử dụng phổ biến nhất do công nghệ tốt và giá cả đang dần hợp lý. Thiết bị lưu trữ cũng là một bổ sung cần thiết cho sự gia tăng số lượng các xe điện và nguồn NLTT. Điện năng từ các nguồn NLTT sẽ được lưu trữ dưới dạng năng lượng hydrogen (H2), sau đó cung cấp cho các xe điện dựa trên pin nhiên liệu và các máy phát pin nhiên liệu. Mô hình xã hội H2 cũng đang được khá nhiều nước theo đuổi, đặc biệt là Nhật Bản.

Nhờ các thiết bị lưu trữ điện năng, việc vận hành của hệ thống điện trở nên dễ dàng, linh hoạt và ổn định hơn. Sự tích hợp của NLTT cùng thiết bị lưu trữ điện đang dần trở thành các yếu tốkhông tách rời trong các khái niệm về hệ thống điện thông minh (smart grid).

Nền công nghiệp thế hệ 4.0, trí tuệ nhân tạo, tính toán khoa học và phân tích số liệu

Hiện nay, các nghiên cứu về nền công nghiệp thế hệ 4, trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence), công cụ phân tích số liệu (Data Analytics), máy học (Machine Learning) đang rất phát triển. Vậy các lĩnh vực này cóứng dụng gì trong ngành công nghiệp sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng? Dưới đây là một vài thông tin điển hình:

• Các bài toán lập kế hoạch ngắn hạn và dài hạn cho hệ thống điện vẫn luôn là các bài toán quy hoạch toán học có quy mô lớn. Việc tính toán lịch phát điện ngày tới cho thị trường điện dẫn đến một bài toán quy hoạch nguyên có hàng trăm ngàn biến. Các bài toán này cần đến phần mềm tính toán hiện đại (IBM CPLEX, Gurobi,…) và hệ thống máy tính mạnh để có thể đưa ra lời giải đáp ứng nhu cầu lập kế hoạch vận hành.
• Mạng trí tuệ nhân tạo đã được ứng dụng từ khá lâu trong dự báo nhu cầu phụ tải, dự giá điện. Các mạng trí tuệ nhân tạo cũng đang được ứng dụng mạnh mẽ trong lĩnh vực chẩn đoán sự cố và lên kế hoạch sửa chữa (predictive maintenance) đối với các thiết bị điện quan trọng như máy biến áp lực.
• Sự phát triển của phần cứng và nhu cầu thực tế dẫn đến hướng nghiên cứu mới trong ngành Hệ thống điện, trong đó mô phỏng quá trình vật lý, hệ thống thông tin truyền thông, người vận hành/sử dụng, và sự tương tác giữa các đối tượng nói trên (Cyberphysical Simulation). Phương pháp mô phỏng này cho phép đánh giá một cách hiệu quả sự vận hành của lưới điện với các thiết bị điều chỉnh, điều khiển, với sự tương tác của người sửdụng, đánh giá khả năng can thiệp của hacker và hoạt động của hệ thống.
• Sự đa dạng của cấu trúc hệ thống và các phụ tải thông minh sẽ thúc đẩy các nghiên cứu về mô hình thị trường điện mới cho phép tương tác giữa các phụ tải điện như P2P trading, thanh toán bằng công nghệ blockchain.