Thủy điện tích năng – Tương lai ngành thủy điện và chuyển dịch năng lượng

Cho đến nay các dự án thủy điện lớn có công suất trên 100MW hầu như đã được khai thác hết. Các dự án có vị trí thuận lợi, có chi phí đầu tư thấp cũng đã được triển khai thi công.

Như vậy, để tiến tới Net Zero 2050 cần phát triển các nguồn năng lượng tái tạo khác. Thủy điện tích năng là một trong tiềm năng lớn để phát triển điện tái tạo và an toàn cung ứng điện.

Thủy điện tích năng làm tăng tính hiệu quả của hệ thống điện, tận dụng được điện năng dư thừa từ các nguồn điện gió, điện mặt trời hay từ các nhà máy nhiệt điện (điện than, điện khí..) trong giờ thấp điểm, mà còn có thể phản ứng rất nhanh khi nhu cầu điện tăng đột ngột, giúp đảm bảo an toàn cung cấp điện.

Tiềm năng phát triển thủy điện tích năng ở Việt Nam hiện nay có thể đạt tới 12.500 MW

1. Mô tả công nghệ thủy điện tích năng

Nhà máy thủy điện tích năng (PSP) sử dụng nước bơm từ hồ dưới lên hồ trên để tích trữ năng lượng. Khi sử dụng nguồn năng lượng tích trữ này, nước sẽ được xả từ hồ trên xuống hồ dưới qua tuabin để phát điện.

Nhà máy thủy điện tích năng lấy điện năng từ lưới điện để bơm nước lên, rồi trả lại lưới điện phần lớn lượng năng lượng này (hiệu suất của quá trình hai chiều này là từ 70% đến 85%). Do đó, nhà máy thủy điện tích năng là đơn vị tiêu thụ điện thực nhưng là một giải pháp lưu trữ điện năng hiệu quả. Thủy điện tích năng hiện nay chiếm phần lớn hệ thống tích điện năng trên lưới điện của thế giới.

Một dự án thủy điện tích năng điển hình được thiết kế với hồ lưu trữ nước cho vận hành nhà máy từ 6 giờ đến 20 giờ. Khi tăng quy mô công suất và số lượng tổ máy, nguồn thủy điện tích năng có thể sản xuất điện tập trung và được điều chỉnh để đáp ứng các khoảng thời gian có nhu cầu điện cao nhất, khi đó nó đem lại giá trị cao nhất.

Cả thủy điện hồ chứa và thủy điện tích năng đều là những nguồn điện linh hoạt có thể giúp các đơn vị vận hành hệ thống điện giải quyết vấn đề công suất không ổn định của các nguồn điện năng lượng tái tạo như điện gió và điện mặt trời.

Có ba loại thủy điện tích năng:

• Vòng hở: là hệ thống được phát triển từ một nhà máy thủy điện hiện có bằng cách xây dựng thêm hồ trên hoặc hồ dưới. Chúng thường nằm ngoài dòng chảy.
• Bơm lại: là hệ thống sử dụng hai hồ nối tiếp. Bơm nước từ hồ dưới trong thời gian thấp điểm để bổ sung nước sử dụng cho phát điện trong giờ cao điểm.
• Vòng kín: là hệ thống hoàn toàn không phụ thuộc vào các dòng nước hiện có – cả hai hồ đều là ngoài dòng chảy.

Thủy điện tích năng và thủy điện thông thường có hồ chứa là các phương án tích điện duy nhất có công suất lớn và chi phí vận hành thấp được khai thác hiện nay. Giải pháp nhà máy thủy điện tích năng là cách lưu trữ điện năng rẻ ở quy mô lớn.

Tuy nhiên, nhà máy thủy điện tích năng nhìn chung còn đắt hơn nhà máy thủy điện với hồ chứa thông thường và thường rất khó tìm được địa điểm tốt để phát triển hệ thống thủy điện tích năng. Sự quan tâm đến thủy điện tích năng ngày càng tăng lên, đặc biệt tại những khu vực và các nước mà ở đó điện mặt trời và điện gió chiếm tỷ lệ tương đối cao hoặc đang tăng nhanh .

Phần lớn công suất thủy điện tích năng hiện nay là ở Châu Âu, Nhật Bản và Hoa Kỳ. Công suất thủy điện tích năng trên toàn thế giới là khoảng 140 GW. Ở Liên minh Châu Âu, công suất thủy điện tích năng là 45 GW. Ở Châu Á, dẫn đầu về thủy điện tích năng là Nhật Bản (30 GW) và Trung Quốc (24 GW). Hoa Kỳ cũng có công suất đáng kể về thủy điện tích năng (20 GW).

Việt Nam có 12.5 GW tiềm năng nguồn thủy điện tích năng tập trung ở khu vực miền Bắc và Nam Trung Bộ như bản đồ sau:

Theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021 – 2030, tầm nhìn đến năm 2050 (QHĐ VIII), Việt Nam sẽ phát triển khoảng 3,6 GW nguồn thủy điện tích năng (TĐTN), bao gồm các dự án: TĐTN Bác Ái (1200 MW – giai đoạn 2026-2030), TĐTN Phước Hòa (1200 MW – giai đoạn 2026-2030), TĐTN Đông Phù Yên (900 MW – giai đoạn 2031-2035), TĐTN Đơn Dương (300 MW – giai đoạn 2031-2035).

Bên cạnh đó, một số địa phương đề xuất thêm các dự án thuỷ điện tích năng: Điện Biên, Lai Châu, Quảng Trị, Kon Tum, Khánh Hoà, Đắk Nông… Tuy nhiên, số lượng các dự án, công suất, vị trí, sự cần thiết phải được tiếp tục đánh giá dựa trên nhu cầu hệ thống.

Xem thêm: Các phương pháp và công nghệ lưu trữ năng lượng

2. Công suất nhà máy thủy điện tích năng

Công suất tổ máy từ 50 đến 500 MW.

Cấu hình tăng giảm công suất

Các nhà máy thủy điện tích năng có khả năng điều chỉnh phụ tải nhanh (là tốc độ thay đổi công suất danh định trong một khung thời gian cho trước) vì chúng có khả năng điều chỉnh công suất lên hoặc xuống lớn hơn 40% công suất danh định trong vòng một phút.

Thủy điện tích năng và thủy điện có hồ chứa phát công suất đỉnh có khả năng ứng phó với những biến động lớn về sản lượng phát và có thể cung cấp công suất tác dụng trong thời gian ngắn.

Ưu điểm/nhược điểm thủy điện tích năng

Ưu điểm:

• Có thể tái sử dụng nước nhiều lần và như vậy các hồ nhỏ hơn là phù hợp.
• Quá trình phát điện không có phát thải.
• Nước là nguồn năng lượng tái tạo.
• Các hồ có thể được sử dụng cho các mục đích phụ như cấp nước, câu cá và giải trí.

Nhược điểm:

• Các địa điểm rất hạn chế.
• Thời gian xây dựng dài hơn các phương án tích trữ năng lượng khác.
• Xây dựng các đập trên sông luôn luôn có ảnh hưởng nhất định đến môi trường.
• Chi phí đầu tư cao.

3. Ảnh hưởng thủy điện tích năng đến môi trường

Những ảnh hưởng môi trường có thể có của nhà máy thủy điện tích năng chưa được đánh giá một cách có hệ thống, nhưng dự kiến là nhỏ. Phần lớn lượng nước được tái sử dụng, làm hạn chế đến mức tối thiểu việc phải lấy nước từ nguồn ở bên ngoài. Việc sử dụng các đập hiện có làm thủy điện tích năng có thể tạo ra các cơ hội và cấp vốn cho các thiết bị cải tạo và các quy định vận hành mới làm giảm các tác động sinh thái và xã hội của dự án trước đó.

Các dự án thủy điện tích năng đòi hỏi diện tích đất nhỏ vì các hồ chứa của chúng trong hầu hết các trường hợp có thể được thiết kế để chỉ chứa nước đủ đảm bảo công suất phát của nhà máy trong vài giờ hoặc vài ngày.

4. Nghiên cứu và phát triển thủy điện tích năng

Thủy điện tích năng, giống như thủy điện có hồ chứa, là công nghệ đã chín muồi và được biết đến rộng rãi và có thể xếp vào nhóm công nghệ số 4.

Trong điều kiện vận hành bình thường, các tuabin thủy điện được tối ưu hóa cho một điểm vận hành được xác định bởi tốc độ, chiều cao cột nước và lưu lượng nước. Chiều cao cột nước là mức chênh lệch giữa các mực nước tại cửa vào và cửa xả. Đó là chiều cao theo phương thẳng đứng, đo bằng đơn vị mét.

Ở chế độ vận hành có tốc độ cố định thì bất kỳ sự thay đổi nào của cột nước và lưu lượng đều làm giảm phần nào hiệu suất. Tổ máy tuabin-bơm có tốc độ thay đổi vận hành trong một dải thông số rộng về chiều cao cột nước và lưu lượng, nhờ đó cải thiện tính kinh tế đối với thủy điện tích năng.

Hơn nữa, các tổ máy có tốc độ thay đổi có thể đáp ứng những biến động của phụ tải và điều chỉnh tần số trong chế độ bơm (mà tổ máy tuabin bơm thuận nghịch có tốc độ cố định chỉ có thể thực hiện ở chế độ phát điện). Tổ máy có tốc độ thay đổi có thể tiếp tục hoạt động ngay cả ở mức năng lượng thấp hơn, đảm bảo nạp nước hồ chứa đều đặn trong khi vẫn hỗ trợ ổn định lưới.

Nhà máy thủy điện tích năng 300 MW sử dụng nước biển ở Chile

Thủy điện tích năng có thể vận hành với nước biển, mặc dù có thêm nhiều khó khăn so với sử dụng nước ngọt

5. Dự án thủy điện tích năng

Nhà máy thủy điện tích năng Bác Ái

Bác Ái là nhà máy thủy điện tích năng đầu tiên của Việt Nam nằm trên địa bàn các xã Phước Hòa, Phước Tân, huyện Bác Ái, tỉnh Ninh Thuận và hiện đang trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật. Tổng công suất của nhà máy là 1.200 MW, với 4 tổ máy công suất 300 MW.

Theo Điều chỉnh Quy hoạch điện 8, nhà máy thủy điện tích năng Bác Ái sẽ được đưa vào vận hành trong giai đoạn 2028-2030. Hồ trên sẽ được xây dựng trên đỉnh núi Đá Đen, với chiều cao đập là 72m, mực nước dâng bình thường là 603m và thể tích hữu ích là 9 triệu m3. Hồ dưới sẽ sử dụng nước từ hồ Sông Cái thuộc hệ thống tưới tiêu Tân Mỹ với chiều cao đập là 38,4m, mực nước bình thường là 193m và thể tích hữu ích là 200 triệu m3, trong đó thể tích sử dụng cho nhà máy thủy điện tích năng Bác Ái là 10 triệu m3.

Cột nước thiết kế là 403m và lưu lượng xả tối đa là 248 m3/s. Nhà máy sẽ sử dụng tuabin Francis và hiệu suất của chu kỳ bơm-phát điện là 70%. Tổng giá trị đầu tư dự kiến của nhà máy Bác Ái là 918 triệu USD (giá năm 2019, không bao gồm chi phí quản trị, tư vấn, quản lý dự án, chuẩn bị mặt bằng, thuế và lãi suất) tương đương với suất đầu tư 0,77 triệu USD/MWe. Tổng vốn đầu tư (bao gồm các chi phí trên) là 1,019 tỷ USD, tương ứng với suất đầu tư 0,848 triệu USD/MW.

Những nhà máy thủy điện tích năng, như nhà máy điện Grand Maison ở Pháp có thể điều chỉnh công suất lên đến 1800 MW chỉ trong vòng ba phút. Tốc độ này tương đương 600 MW/phút.

Nhà máy thủy điện tích năng Phong Ninh có vị trí cách Thừa Đức của tỉnh Hà Bắc, Trung Quốc 145 km (90 dặm) về phía tây bắc, ở huyện tự trị dân tộc Mãn-Phong Ninh. Nhà máy này được khởi công xây dựng vào tháng 6/2013 và tổ máy đầu tiên đã được vận hành thử vào năm 2019, tổ máy cuối cùng vào năm 2021. Chi phí đầu tư của dự án là 1,87 tỷ USD.

Năm 2014, Tập đoàn Gezhouba đã được trao hợp đồng là nhà thầu chính xây dựng nhà máy điện này. Đây là nhà máy thủy điện tích năng lớn nhất trên thế giới có công suất đặt là 3.600 MW gồm 12 tổ máy công suất mỗi tổ máy là 300 MW, tuabin – bơm là loại Francis.

6. Kết luận

Với công suất, dung lượng dự trữ lớn, thời gian khai thác lên đến 70-80 năm nên thủy điện tích năng được xem là phương án tối ưu về mặt kinh tế cho việc lưu trữ điện.

Cũng chính vì thế, trong các dạng hệ thống lưu trữ năng lượng (thủy điện tích năng, pin tích năng, siêu tụ điện, bánh đà, bình nén khí…), thủy điện tích năng đang là giải pháp được nhiều quốc gia trên thế giới lựa chọn, hiện chiếm tới hơn 90% tổng lượng điện lưu trữ trên toàn cầu. Thủy điện tích năng còn được đánh giá là tương lai của ngành thủy điện Việt Nam.

• Thủy điện tích năng – Tương lai ngành thủy điện và chuyển dịch năng lượng
• Lưu trữ năng lượng khí nén (CAES)
• Pin oxy hóa khử vanadium (pin dòng chảy vanadi)