Quán tính - Yếu tố sống còn của lưới điện ngày nay

Ngày nay, nhiều hệ thống điện lớn trên thế giới đang phải đối mặt với thách thức về tiêu chuẩn độ tin cậy cung cấp điện. Ngoài những thách thức về kỹ thuật để duy trì độ tin cậy vật lý của hệ thống lưới điện, các nhà quản lý còn phải đối mặt với những thách thức về tư duy và chính sách điều hành để đảm bảo sự ổn định lâu dài của hệ thống điện trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng.

Trước đây, vấn đề độ tin cậy thường chỉ xoay quanh câu hỏi điều gì xảy ra nếu một nhà máy điện hoặc đường dây điện quan trọng bất ngờ bị hỏng. 

Đến nay, khi tỷ lệ cung cấp điện từ các nguồn tái tạo như nhà máy điện gió và mặt trời ngày càng tăng nhanh, cũng như việc xây dựng các kết nối liên vùng, liên quốc gia, thậm chí liên lục địa bằng cách sử dụng cáp điện áp cao một chiều (HVDC) khiến chúng ta cần phải lưu ý đến những cân nhắc mới về độ tin cậy liên quan đến điều kiện thời tiết, hay là các lỗi trong phần mềm điều khiển kỹ thuật số.

Trong thế kỷ qua, gần như mọi lưới điện hiện đại đều phụ thuộc vào các nhà máy điện lớn và tập trung, có các tuabin quay chạy bằng nhiên liệu hóa thạch và trong một số trường hợp là các nhà máy thủy điện và nhà máy điện hạt nhân lớn. Những tuabin đó tạo ra lượng điện cực lớn cùng với lượng quán tính khổng lồ, giúp lưới điện hoạt động ổn định. Lượng điện được cung cấp từ các nguồn đó càng lớn thì quán tính càng lớn. Vì lưới điện có quán tính lớn nên có thể dễ dàng vượt qua những cú sốc, gián đoạn hoặc sự cố, nên chúng đáng tin cậy hơn rất nhiều so với những lưới điện có ít tuabin quay hơn.

(Ảnh minh họa)

Hiện nay, nhiều quốc gia đang có những áp lực về chính sách và công nghệ nhằm tái cấu trúc lưới điện theo hướng giảm bớt vai trò của các tuabin quay lớn, phân cấp nguồn cung cấp điện nhiều hơn—chẳng hạn như chuyển đổi sang việc sử dụng hệ thống điện mặt trời mái nhà và lưới điện siêu nhỏ hoạt động cục bộ tại địa phương. 

Những nguồn điện gió và mặt trời thường không cung cấp quán tính. Mặc dù vẫn đang quay nhưng tuabin gió hiếm khi được đồng bộ hóa với lưới điện, cho nên không tạo ra quán tính giúp ổn định lưới điện. Hệ thống điện mặt trời cung cấp điện thông qua các quy trình điện tử không cần tuabin và cũng không tạo ra quán tính. 

Hai xu hướng này (phân cấp nguồn cung cấp điện và tăng cường vai trò của năng lượng tái tạo) cũng đã khiến nhiều nhà vận hành lưới điện phải lắp đặt ngày càng nhiều hệ thống pin tích trữ, vốn là những thiết bị điện tử, nhưng về bản chất cũng không cung cấp quán tính.

Các công nghệ và quy trình mới đang nổi lên nhằm thay thế một số dịch vụ mà quán tính tuabin từng cung cấp. Ví dụ, các thiết bị điện tử có thể giúp ổn định điện áp và tần số lưới điện, nhưng hiệu quả hoạt động của các hệ thống điện tử mới này trên quy mô lớn vẫn còn cần phải nghiên cứu thêm. Vì vậy, việc đảm bảo độ tin cậy vẫn là mục tiêu quan trọng nhất cần được các nhà vận hành lưới điện hiện đại hướng tới

Nhiều nhà vận hành lưới điện trên khắp thế giới hiện đang đau đầu xử lý hậu quả của việc quán tính giảm. 

Lưới điện của nước Anh được đặc biệt chú ý vì là một trong những nước chuyển đổi nhanh nhất sang mô hình lưới điện phân tán hơn, tăng cường sử dụng nhiều nguồn năng lượng tái tạo không liên tục như điện gió và điện mặt trời. Bên cạnh đó, nước Anh cũng có nhiều đường dây liên kết quốc tế nhưng lại không bổ sung thêm các nhà máy điện mới có turbine quay đồng bộ. Những điều này đã làm suy giảm quán tính của hệ thống điện Anh.

Đây là tác dộng phụ có phần bất ngờ và không lường trước được của các chính sách mới vốn nhằm mục đích giảm ô nhiễm từ nhiên liệu hóa thạch.

Trường hợp của Anh là bài học quý giá cho các nước khác trong việc cân nhắc các chính sách năng lượng, đảm bảo chú trọng cả đến tính ổn định của lưới điện trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng sạch. Quán tính vẫn luôn đóng vai trò then chốt và cần có chiến lược bù đắp phù hợp khi chuyển dịch cơ cấu nguồn điện.

Nhiều nhà vận hành lưới điện khác (ở các quốc gia Bắc Âu, một số vùng của Hoa Kỳ như California và những nơi khác) cũng đang phải đối mặt với những thách thức tương tự. 

Trong lưới điện Bắc Âu (bao gồm Thụy Điển, Na Uy, Phần Lan và một nửa Đan Mạch), việc ngừng hoạt động sớm của các tổ máy hạt nhân cùng với việc đẩy mạnh phát triển các nguồn điện gió đã làm giảm quán tính của hệ thống. Do đó buộc các nhà vận hành lưới điện phải tìm cách bù đắp lại quán tính bị mất đi, bằng cách phát triển và tài trợ cho các thị trường/chính sách hỗ trợ mới nhằm khuyến khích các nhà cung cấp điện duy trì hoặc tạo ra quán tính cho hệ thống. Mục tiêu là có được ít nhất một giải pháp tạm thời để giảm thiểu tác động xấu do mất quán tính gây ra trong thời gian ngắn hạn.

Kinh nghiệm từ các nước Bắc Âu cũng cho thấy cần phải nâng cao nhận thức toàn diện hơn về cách các thiết bị kỹ thuật số trong hệ thống điện có thể gặp sự cố hoặc tác động tiêu cực đến độ tin cậy của lưới điện, nhằm có thể dự báo, ứng phó tốt hơn và đảm bảo độ tin cậy cao.

Như vậy, nhiều quốc gia khác cũng có thể sắp phải đối mặt với thách thức tương tự liên quan tới tình trạng suy giảm quán tính trong hệ thống lưới điện do chuyển đổi sang nguồn năng lượng tái tạo. Do đó, các nhà quản lý hệ thống cần có chiến lược ứng phó phù hợp, bao gồm nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của việc duy trì quán tính, đồng thời đưa ra các biện pháp khuyến khích các nhà cung cấp điện giữ lại hoặc tăng cường năng lực sản xuất quán tính cho lưới điện


  • 18/09/2023 05:06
  • Mạnh Tiến (Lược dịch theo oxfordenergy.org)
  • 3626