Ngành công nghiệp điện và năng lượng vẫn luôn tìm kiếm những giải pháp để cân bằng các yếu tố trong hệ sinh thái điện và hệ thống tích trữ là một trong số đó. Nhưng chỉ mãi gần đây, họ mới phát triển được một giải pháp tích trữ vừa túi tiền là hệ thống Reservoir nhiều ưu điểm, giá phải chăng của GE.

 

Ảnh: GE Power.

 

Gấu xám Bắc Mỹ là một trong những biểu tượng đáng yêu và dễ gặp nhất ở bang California, Hoa Kỳ. Chúng thậm chí còn vinh dự xuất hiện trên cờ và huy hiệu của bang. Nhưng giờ đây, một sinh vật khác đang đe doạ vị trí của loài Gấu này ngay tại California; đó là Vịt.

 

Điều đáng nói là từ “Vịt” ở đây không phải dùng để chỉ loài gia cầm ta thường thấy trong ao, mà là một đường cong có hình dạng giống con vịt để diễn tả thời điểm điện mặt trời đạt đỉnh và chạm đáy trong cơ cấu lưới điện California. Đồ thị này chạm đỉnh vào buổi sáng và chạm đáy vào buổi tối sau khi mặt trời lặn, còn khoảng giữa là phần “bụng vịt chảy xệ” thể hiện sản lượng điện tái tạo dồi dào từ hàng triệu tấm pin mặt trời đặt trên mái nhà và những cánh đồng trải khắp California. Vào một ngày Chủ Nhật nắng nóng, lượng điện dư thừa còn dẫn đến tình trạng cung vượt quá cầu nên giá bán buôn điện giảm mạnh đến mức nhà máy phải trả tiền cho công ty điện lực để bán được điện.

 

Tuy nhiên, khi mặt trời lặn, tình thế lại đổi chiều. Doanh nghiệp sản xuất điện phải nhanh chóng tối ưu công suất của những nhà máy nhiệt điện sử dụng than và khí đốt để thay thế cho 11 GW điện mặt trời và đảm bảo cung cấp đủ điện cho người tiêu dùng ở California.

 

“Sản lượng điện mặt trời chạm đỉnh vào buổi trưa,” Eric Gebhardt, Phó Chủ tịch Công nghệ chiến lược của GE Power, nói. “Nếu như ta có thể tích trữ sản lượng dư thừa này và sử dụng vào 6 tiếng sau đó, khi trời tối và mọi người về nhà sinh hoạt, thì điều gì sẽ xảy ra?” Gebhardt đặt câu hỏi.

 

Lời giải chính là Reservoir, một hệ thống tích trữ điện ở quy mô mạng lưới mới được GE công bố đầu tháng Ba năm nay. Về cơ bản, lưới điện phải được cân bằng một cách hoàn hảo, tức là cung – cầu phải cân bằng, tránh tình trạng sập lưới điện. Reservoir cho phép công ty sản xuất điện có thể “tách riêng thời điểm sản xuất và tiêu thụ điện,” Gebhardt cho hay. “Nếu không có giải pháp này, khi sản lượng điện mặt trời tăng vượt mức vào ban ngày, các công ty chỉ còn cách tạm dừng sản xuất”.

 

Bên cạnh công dụng chính, Reservoir còn có những lợi ích khác. Thay vì để nhà máy hoạt động trong chế độ chờ, hệ thống tích trữ này đủ mạnh để có thể khởi động lại toàn bộ nhà máy, kịp bù đắp cho sản lượng điện mặt trời khi trời tắt nắng. GE đã chứng minh điều này qua một sự kiện mà giới chuyên môn gọi là “khởi động đen”, khi công ty này dùng một hệ thống tương tự để khởi động lại một trạm điện sử dụng khí đốt tại Thung lũng Hoàng gia ở California. Ngoài ra, Reservoir cũng giúp các công ty ổn định lưới điện. “Chúng tôi muốn giảm lượng cacbon, giảm chi phí và tăng tính ổn định của toàn bộ lưới điện,” Gebhardt nói. “Đây là một bước tiến lớn”.

 

Những bang nhiều nắng như Arizona, California và Hawaii đang tuyên truyền việc sử dụng các giải pháp lưu trữ và những biện pháp mới để tích trữ nhiều điện vào ban ngày và sử dụng vào buổi tối. Ví dụ, Arizona dự kiến sẽ tăng công suất tích trữ thêm 3.000 MW vào năm 2030. Mùa thu năm ngoái, California cũng đã thông qua một đạo luật cho phép tăng tốc các dự án tích trữ điện. Đạo luật sẽ giúp cho bang này đạt được mục tiêu 50% điện tái tạo trong cơ cấu điện lưới trước năm 2030. Hãng Navigant Consulting dự báo, thị trường cho hệ thống tích trữ năng lượng sẽ đạt giá trị 16,2 tỷ đô la Mỹ vào năm 2025.

DRONEWEEK: The Wind Network

Visit a wind farm that’s using digital tools to connect 60+ GE Renewable Energy turbines and increase its power capacity. #DRONEWEEK

Posted by GE on Tuesday, 10 October 2017

Gebhardt đã “rất sẵn sàng” để đáp ứng thách thức này. Bắt đầu công tác tại GE từ 27 năm trước, ông đã tận mắt chứng kiến sự lột xác của ngành điện và năng lượng, từ lúc nhà máy khí đốt thiên nhiên và nhà máy điện chu trình kết hợp trở nên phổ biến, cho đến khi GE lấn sân sang phong điện và lưới điện thông minh. “Đó là một hành trình dài, nhưng đều có một sợi dây liên kết là hệ sinh thái ngành điện,” Gebhardt nói. “Lưới điện là một hệ sinh thái gồm nhiều mảnh ghép, trong đó giải pháp tích trữ là mảnh ghép vẫn còn thiếu vắng bấy lâu nay”.

 

Trong quá khứ, nguồn cung điện thường dễ tính toán vì đó thường là tổng các nguồn điện ổn định như nhiệt điện và điện hạt nhân; còn thứ thường xuyên thay đổi lại là cầu điện. Nhưng khi xuất hiện những nguồn điện tái tạo phụ thuộc nhiều vào thời tiết như phong điện và điện mặt trời, hệ sinh thái điện phức tạp hơn rất nhiều. Nhờ có hệ thống tích trữ, chúng ta có thể cân đối những thay đổi này từ đầu sản xuất và “bắt đầu thu lợi từ sự bất thường đó”, Gebhardt cho biết.

 

Từ khi hơn một thế kỷ trước, người ta vẫn luôn tìm kiếm những cách hiệu quả để tích trữ sản lượng điện lớn. Họ đã thành công với những thiết kế như bơm tích năng – một giải pháp sử dụng hai hồ chứa ở độ cao khác nhau để lưu và giải phóng năng lượng theo nhu cầu. Nhưng chỉ mãi gần đây mới tìm được một giải pháp giá phải chăng cho tích trữ lưới điện.

 

Reservoir của GE có tuổi thọ dài hơn 15% và hiệu suất cao hơn 5% so với công nghệ hiện có, tiết kiệm 70% thời gian lắp đặt. Ảnh: GE Power.

 

Xe điện trở nên phổ biến đã thúc đẩy nhiều sáng tạo kỹ thuật trong lĩnh vực pin lưu trữ, trong khi đó, điện mặt trời được ứng dụng rộng khắp đã giúp cắt giảm 50% chi phí trong 4 năm qua, Keith Longtin, trưởng nhóm sản phẩm đột phá tại Trung tâm Nghiên cứu Toàn cầu của GE (GEGR) ở Niskayuna, New York, cho biết. “Ta đang tiến dần đến thời điểm các giải pháp pin lưu trữ ngày càng được đón nhận,” ông nói.

 

Công việc của Longtin là giúp đỡ các công ty của GE phát hiện và phát triển những sản phẩm mới có tiềm năng “đột phá theo cấp số nhân”. Reservoir là một trong số đó.

 

“Ta có giải pháp tích trữ, ta có điện mặt trời và cơ chế chính sách đang thay đổi nhanh chóng, tiến bộ hơn,” ông nói. “Nếu hệ thống sản xuất điện mặt trời có giá đầu tư US$1/W và hệ thống lưu trữ năng lượng với giá US$250/kW/giờ, ta có thể bắt tay xây dựng một hệ thống tích điện vào ban ngày để dùng vào buổi tối. Đây sẽ là một công nghệ rất đột phá”.

 

Hệ thống GE Reservoir gồm những cục pin dạng mô-đun cho lưới điện, có khả năng xếp chồng lên nhau như các khối lego. Mỗi hệ thống 1,25 MW này chứa 16.000 cục pin lithium-ion và có thể phát 4 MW/giờ.

 

GE Power mua pin cho GE Reservoir từ Samsung, LG và tự chế tạo những linh kiện bên trong hệ thống. Cụ thể, GE Reservoir được trang bị những cảm biến thu thập thông tin về tình trạng sạc, nhiệt độ, điện áp, dòng điện và nhiều yếu tố khác. Dữ liệu được phân tích trực tiếp tại chỗ bằng công nghệ điện toán ranh giới hoặc được chuyển lên đám mây để xử lý sâu hơn.

 

Nhóm kỹ sư của Longtin đã phát triển các ứng dụng có thể tận dụng Predix, nền tảng Internet công nghiệp của GE, đồng thời cho phép công ty điện giám sát tình trạng pin, quản lý hoạt động của pin và thậm chí tối đa doanh thu bằng cách tối ưu hóa tuổi thọ của pin trong tương quan với lợi nhuận. “Chúng tôi muốn quan sát sâu vào trong hệ thống,” Gebhardt cho biết. “Chúng tôi muốn hiểu điều gì đang thay đổi trong chu kỳ sạc-phát điện và phát hiện tình trạng xuống cấp. Cách thiết kế hệ thống như vậy giúp chúng tôi có thêm nhiều cơ hội hơn so với đối thủ”.

Công ty điện lực Southern California Edison có hơn 15 triệu khách hàng đã thành lập nhà máy điện lai đầu tiên trên thế giới tại Los Angeles với một tua-bin khí kèm một hệ thống pin tích trữ. Ảnh: GE Power.

 

Hệ thống quản lý pin cũng bao gồm nhiều thiết bị điện tử làm từ silic cacbua (cacborundum) – loại vật liệu kết hợp những tính chất của kim cương và silicon. Chất liệu này nổi tiếng là khó xử lý, nhưng các nhà khoa học tại GEGR đã tìm ra cách thương mại hoá nó. Họ đưa chip làm từ silic cacbua vào hệ thống để bảo vệ và quản lý các mô-đun pin riêng và tăng tuổi thọ pin thêm 15%. “Nó cho thấy giá trị khổng lồ,” Longtin nói.

 

Các kỹ sư cũng tìm ra cách truyền trực tiếp dòng điện một chiều từ tấm pin mặt trời vào hệ thống mà không cần phải chuyển đổi sang dòng xoay chiều và ngược lại để tránh thất thoát điện. “Về cơ bản, một đầu là ổ cắm dùng điện một chiều, đầu còn lại sẽ có một ổ cắm dùng điện một chiều hoặc xoay chiều tuỳ theo địa điểm sử dụng,” Longtin cho biết. “Tính năng này giúp hệ thống đạt hiệu suất cao hơn 5% so với cách làm hiện tại trong ngành”.

 

Cuối cùng, do lắp ráp và thử nghiệm các bộ phận của hệ thống ngay trong nhà máy nên GE cắt giảm được thời gian cài đặt xuống 70% so với thông thường. “Ban đầu hệ thống giống như một container dài hơn 6 mét được lắp ráp ở từng phân xưởng và chuyển sang nơi khác cho đến khi hoàn thiện,” Gebhardt mô tả.

 

Trong một diễn biến khác, nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm biện pháp để chuyển dữ liệu của tất cả các cục pin về một trung tâm giám sát kỹ thuật số duy nhất, giống như cách GE Power đang giúp theo dõi những nhà máy điện từ trụ sở tại Atlanta. Mục đích của các kỹ sư là sử dụng dữ liệu để tối ưu tất cả các hệ thống tích trữ. “Thực tế là các giải pháp lưu trữ đang tăng trưởng theo cấp số nhân,” Longtin nói. “Nó sẽ mang đến cho doanh nghiệp sản xuất điện và công ty vận hành lưới điện sự thoải mái, tự do chưa từng có trước đây. Một trong những kỹ sư của tôi còn đùa rằng biện pháp lưu trữ giống như thịt lợn sấy vậy, vì nó khiến mọi thứ trở nên tốt hơn”.

 

Theo Tomas Kellner

 

BÌNH LUẬN CỦA BẠN