chương 2 nhà máy thủy điện tích năng

Thủy điện tích năng PSH - Pumped-storage hydroelectricity, hay lưu trữ năng lượng thủy điện được bơm PHES - pumped hydroelectric energy storage, là một loại lưu trữ năng lượng thủy điện

Vinh, 2023

NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TÍCH NĂNG

PGS.TS Nguyễn Tiến Dũng

1.2 Hiểu được thiết kế thủy điện tích năng

1.3 Hiểu được Ưu và nhược điểm của nhà máy thủy điện tích năng

1.4 Nắm được lịch sử phát triển của thủy điện tích năng

1.5 Nắm được quy hoạch thủy điện tích năng tại Việt Nam

Hiện nay các quốc gia đang chạy đua phát triển

điện nhiều công ty, tập đoàn đã đầu tư nghiên cứuđể tìm ra các phương pháp có thể lưu trữ lượngđiện lớn hơn, hiệu quả hơn.

khoảng 16.500 MWac - chiếm gần 24% tổng công suất nguồn điện Toàn bộ sản lượng điện phát từ điện mặt trời trên toàn quốc trong cả năm 2020 là 10,6 tỉ kWh, chiếm khoảng 4,3% tổng sản lượng điện toàn quốc.

Năng lượng chứa trong khối nước W

Thủy điện tích năng (PSH - Pumped-storage hydroelectricity), hay lưu trữ năng lượng thủy điện được bơm (PHES - pumped hydroelectric energy storage), là một loại lưu trữ năng lượng thủy điện được sử dụng bởi các hệ thống điện để cân bằng phụ tải Phương pháp này lưu trữ năng lượng dưới dạng thế năng hấp dẫn của nước, được bơm từ bể chứa có độ cao thấp hơn lên độ cao cao hơn

được ví như “bình ắc quy” của hệ thống điện, được “xạc đầy” ở khoảng thời gian nhu cầu điện thấp, và mang ra dùng vào các thời điểm có nhu cầu điện cao

Thời gian tích năng lượng thích hợp là khi phụ tải ở thấp điểm (vào ban đêm - khi nhu cầu phụ tải thấp nhất, hoặc lúc thấp điểm trưa - khi bức xạ mặt trời lớn nhất).

được sử dụng để chạy máy bơm Trong thời gian có nhu cầu điện cao, nước dự trữ sẽ được giải phóng qua các tua-bin để sản xuất điện

Mặc dù tổn thất trong quá trình bơm khiến nhà máy trở thành nơi tiêu thụ năng lượng ròng về tổng thể, nhưng hệ thống vẫn tăng doanh thu bằng cách bán nhiều điện hơn trong thời kỳ nhu cầu cao điểm, khi giá điện cao nhất

Nếu hồ phía trên thu được lượng mưa đáng kể hoặc được cung cấp nước từ một con sông thì nhà máy có thể là nhà sản xuất năng lượng ròng theo cách của một nhà máy thủy điện truyền thống.

Nhà máy thủy điện tích năng không sản xuất thêm điện năng mà chỉ góp phần điều hòa lượng điện theo sự thay đổi nhu cầu sử dụng điện (phụ tải) trong ngày giữa lúc cao điểm (thường là ban ngày và buổi tối) và lúc thấp điểm (thường là ban đêm, hoặc cuối tuần khi nhu cầu điện thấp hơn), khi có điện mặt trời nối lưới thì hiện tượng thừa điện lại xảy ra vào khoảng 10-14 giờ trong ngày lúc lượng bức xạ mặt trời lớn nhất

Hình 4 Mô hình hoạt động thủy điện tích năng.

Bản đồ địa hình mờ của nhà máy bơm tích năng Taum Sauk ở Missouri, Hoa Kỳ Hồ trên núi được xây dựng trên một mặt phẳng nên cần có một con đập bao quanh toàn bộ chu vi.

Hồ chứa phía trên được xây dựng lại của nhà máy Taum Sauk, sắp hoàn thành trong bức ảnh này, là đập bê tông đầm lăn lớn nhất ở Bắc Mỹ.

Hai máy phát điện mỗi máy có thể sản xuất công suất lên tới 225 MW

Thủy điện tích năng cho phép tiết kiệm năng lượng từ các nguồn không liên tục (như năng lượng mặt trời, gió) và các nguồn năng lượng tái tạo khác hoặc lượng điện dư thừa từ các nguồn tải cơ sở liên tục (như than đá hoặc hạt nhân) cho những giai đoạn có nhu cầu cao hơn

Các hồ chứa được sử dụng với hệ thống tích năng có kích thước khá nhỏ so với các đập thủy điện thông thường có công suất điện tương tự và thời gian phát điện thường ít hơn nửa ngày.

tính đến năm 2020.

Cơ sở dữ liệu lưu trữ năng lượng toàn cầu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ báo cáo rằng PSH chiếm khoảng 95% tổng số hệ thống lưu trữ được theo dõi đang hoạt động trên toàn thế giới, với một tổng công suất thông lượng lắp đặt trên 181 GW, trong đó khoảng 29 GW ở Hoa Kỳ và tổng công suất lưu trữ lắp đặt trên 1,6 TWh, trong đó khoảng 250 GWh ở Hoa Kỳ

Hiệu suất năng lượng khứ hồi của PSH dao động trong khoảng 70%–80%, với một số nguồn tuyên bố lên tới 87%.

Yêu cầu về nước đối với PSH rất nhỏ: khoảng 1 Gigalit nước cấp ban đầu cho mỗi Gigawatt giờ lưu trữ Nước này được tái chế lên dốc và xuống dốc trong nhiều thập kỷ Yêu cầu về đất đai cũng nhỏ: khoảng 10 ha cho mỗi Gigawatt giờ lưu trữ, nhỏ hơn nhiều so với diện tích đất dành cho các trang trại năng lượng mặt trời và gió mà kho lưu trữ hỗ trợ Hệ thống lưu trữ thủy điện được bơm vòng kín (ngoài sông) có lượng khí thải carbon nhỏ nhất trên mỗi đơn vị lưu trữ so với tất cả các ứng cử viên cho việc lưu trữ năng lượng quy mô lớn.

suất phát điện dư thừa được sử dụng để bơm nước lên hồ chứa phía trên Khi có nhu cầu cao hơn, nước sẽ được xả trở lại hồ chứa thấp hơn thông qua tuabin, tạo ra điện Các tổ hợp tua-bin/máy phát điện đảo ngược hoạt động như một tổ hợp máy bơm và máy phát tua-bin kết hợp (thường là thiết kế tua-bin Francis)

Vận hành với tốc độ thay đổi giúp tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất khứ hồi trong các nhà máy thủy điện được bơm

Trong các ứng dụng micro-PSH, một nhóm máy bơm và Máy bơm như tuabin (PAT) có thể được triển khai tương ứng cho các giai đoạn bơm và tạo ra Có thể sử dụng cùng một máy bơm ở cả hai chế độ bằng cách thay đổi hướng và tốc độ quay: điểm vận hành khi bơm thường khác với điểm vận hành ở chế độ PAT.

Phân phối điện trong một ngày của một cơ sở thủy điện tích năng Màuxanh lá cây tượng trưng cho công suất tiêu thụ khi bơm; màu đỏ là nănglượng được tạo ra.

Loại hồ chứa: hồ chứa tự nhiên hoặc nhân tạo

Trong các hệ thống vòng hở, các nhà máy bơm tích năng thuần túy lưu trữ nước ở hồ chứa phía trên không có dòng chảy tự nhiên vào, trong khi các nhà máy bơm ngược sử dụng sự kết hợp giữa bơm tích năng và các nhà máy thủy điện thông thường với hồ chứa phía trên được bổ sung một phần bằng dòng chảy tự nhiên từ một dòng suối hoặc một dòng sông

Nhà máy không sử dụng bơm tích năng được gọi là nhà máy thủy điện truyền thống.

Có tính đến tổn thất bay hơi từ bề mặt nước tiếp xúc và tổn thất chuyển đổi, có thể đạt được mức thu hồi năng lượng từ 70–80% trở lên

Kỹ thuật này hiện là phương tiện tiết kiệm chi phí nhất để lưu trữ lượng lớn năng lượng điện, nhưng chi phí vốn và sự hiện diện của vị trí địa lý thích hợp là những yếu tố quyết định quan trọng trong việc lựa chọn địa điểm nhà máy bơm lưu trữ.

Mật độ năng lượng tương đối thấp của hệ thống bơm tích năng đòi hỏi dòng chảy lớn và/hoặc chênh lệch lớn về độ cao giữa các hồ chứa Cách duy nhất để lưu trữ một lượng năng lượng đáng kể là có một khối nước lớn nằm tương đối gần, nhưng càng cao càng tốt, khối nước thứ hai

Ở một số nơi điều này xảy ra một cách tự nhiên, ở những nơi khác, một hoặc cả hai khối nước đều do con người tạo ra Các dự án trong đó cả hai hồ chứa đều là nhân tạo và trong đó không có dòng chảy tự nhiên nào liên quan đến một trong hai hồ chứa được gọi là hệ thống "vòng khép kín".

máy nhiệt điện, khí đốt và dầu phụ tải cơ bản, nhưng được thiết kế để linh hoạt hơn là đạt hiệu suất tối đa Do đó, hệ thống bơm tích năng rất quan trọng khi phối hợp các nhóm lớn máy phát điện không đồng nhất Chi phí vốn cho các nhà máy bơm tích năng tương đối cao, mặc dù điều này phần nào được giảm bớt nhờ thời gian phục vụ lâu dài đã được chứng minh trong nhiều thập kỷ - và trong một số trường hợp là hơn một thế kỷ,[22] [23] dài hơn ba đến năm lần so với quy mô tiện ích pin Khi giá điện trở về âm, những người vận hành thủy điện đã bơm có thể kiếm được gấp đôi - khi “mua” điện để bơm nước lên hồ chứa phía trên với giá giao ngay âm và lần nữa khi bán điện vào thời điểm sau khi giá cao.

điện áp Nhà máy thủy điện tích năng, giống như các nhà máy thủy điện khác, có thể phản ứng với sự thay đổi phụ tải trong vòng vài giây.

một số khu vực pháp lý nhất định, giá điện có thể gần bằng 0 hoặc đôi khi âm trong trường hợp lượng điện phát ra nhiều hơn lượng tải sẵn có để tiêu thụ; mặc dù hiện tại điều này hiếm khi chỉ do năng lượng gió hoặc năng lượng mặt trời, nhưng việc sản xuất năng lượng gió và mặt trời tăng lên sẽ làm tăng khả năng xảy ra những sự cố như vậy [cần dẫn nguồn] Điều đặc biệt là hệ thống bơm tích năng sẽ trở nên đặc biệt quan trọng như một sự cân bằng cho quang điện quy mô rất lớn và tạo gió.[24] Công suất truyền tải đường dài tăng lên kết hợp với lượng lưu trữ năng lượng đáng kể sẽ là một phần quan trọng trong việc điều chỉnh bất kỳ hoạt động triển khai quy mô lớn nào đối với các nguồn năng lượng tái tạo không liên tục.[25] Tỷ lệ thâm nhập điện tái tạo không ổn định cao ở một số khu vực cung cấp 40% sản lượng hàng năm, nhưng có thể đạt được 60% trước khi cần lưu trữ bổ sung.

Các nhà máy thủy điện tích năng nhỏ hơn không thể đạt được hiệu quả kinh tế nhờ quy mô như các nhà máy lớn hơn, nhưng một số vẫn tồn tại, bao gồm cả dự án 13 MW gần đây ở Đức Shell Energy đã đề xuất một dự án 5 MW ở Bang Washington Một số người đã đề xuất xây dựng các trạm tích năng bơm nhỏ trong các tòa nhà, mặc dù chúng chưa mang tính kinh tế.[29] Ngoài ra, rất khó để lắp đặt các hồ chứa lớn vào cảnh quan đô thị.[29] Tuy nhiên, một số tác giả bảo vệ tính đơn giản về mặt công nghệ và an ninh cấp nước như là những yếu tố bên ngoài quan trọng.

định ở Tasmania để lắp đặt thủy điện tích năng, với tiềm năng bổ sung 4,8GW vào lưới điện quốc gia nếu đường kết nối thứ hai bên dưới eo biển Bass được xây dựng.

Dự án Snowy 2.0 sẽ liên kết hai con đập hiện có ở Dãy núi Snowy ở New South Wales để cung cấp công suất 2.000 MW và dung lượng lưu trữ 350.000 MWh.[53]

Vào tháng 9 năm 2022, kế hoạch lưu trữ thủy điện bằng bơm (PHES) đã được công bố tại Pioneer-Burdekin ở miền trung Queensland, nơi có tiềm năng trở thành PHES lớn nhất thế giới với công suất 5GW.

• Quá trình tích năng nhờ bơm rồi phát điện trở lại sẽ gây tổn thất năng lượng, hiệu suất thông thường đạt chừng 70% đầu vào • Theo tính toán về kinh tế thì giá điện năng vào giờ thấp điểm rẻ và giá điện năng đắt hơn vào cao điểm nên đem lại hiệu quả kinh tế.

• Tác dụng việc điều hòa nguồn điện mang lại lợi ích lớn.

• Hình 5 Minh họa các

khoảng thời gian phát điện và bơm nước tích năng của TĐTN trong biểu đồ phụ tải hàng ngày.

• Với thủy điện tích năng, các hồ chứa chỉ cần tích nước đủ cho việc sử dụng trong 5 - 7 giờ/ngày, nên chỉ cần diện tích lưu vực nhỏ (trên dưới 1 km2) và nếu chọn được nơi có địa hình thích hợp, mức chênh lệch độ cao giữa hai hồ càng lớn (ví dụ Hmax=500-1000m) thì dung tích hồ chứa không cần lớn, giảm thiểu tác động đến môi trường tự nhiên và sinh thái trong xây dựng nhà máy.

• Sau khi chứa đủ nước rồi thì lượng nước đó cứ lên xuống tuần hoàn giữa hai hồ, dòng chảy của sông sau đó vẫn bình thường như trước khi có nhà máy

• Hợp lý nhất là ưu tiên chọn xây dựng TĐTN gần những trung tâm tiêu thụ điện lớn, vì sẽ giảm khối lượng xây dựng các đường dây truyền tải đến TĐTN để sử dụng điện năng của chúng trong thời gian ngắn.

• Yêu cầu chính đối với PSH là vùng đồi núi Bản đồ thủy điện được bơm trên cánh đồng xanh toàn cầu liệt kê hơn 600.000 địa điểm tiềm năng trên khắp thế giới, gấp khoảng 100 lần mức cần thiết để hỗ trợ 100% điện tái tạo Hầu hết là các hệ thống khép kín cách xa sông Ví dụ, Hoa Kỳ có khoảng 35.000 địa điểm tiềm năng

• Một số dự án sử dụng các hồ chứa hiện có chẳng hạn như chương trình Snowy 2.0 công suất 350 Gigawatt giờ đang được xây dựng ở Úc Một số dự án được đề xuất gần đây đề xuất tận dụng lợi thế của các địa điểm "bỏ hoang" như các mỏ bỏ hoang như dự án Kidsto đang được xây dựng ở Úc.

• TĐTN đầu tiên trên thế giới được xây tại Zurich - Thụy sĩ năm 1882 có công suất 515 kW, cho đến nay đã có trên 139 năm lịch sử, nhưng phải đến những năm 60 của thế kỷ XX mới bắt đầu phát triển nhanh chóng công nghệ này

• Ở Hoa Kỳ và châu Âu bắt đầu từ những năm 1920,theo thống kê của Hội liên hiệp Dự trữ Năng lượng (Energy Storage Association), thì 43 nhà máy TĐTN đang hoạt động ở Hoa Kỳ cung cấp khoảng 23 GW (tính đến năm 2017), tương đương gần 2%, công suất của hệ thống cung cấp điện

2.5 Lịch sử phát triển nhà máy thủy điện tích năng

những quốc gia như: Nhật Bản, Trung Quốc, Đài Loan, Hàn Quốc, Ấn Độ… Nhật Bản là quốc gia có tốc độ phát triển thủy điện tích năng rất cao, hiện đã vượt qua Mỹ, trở thành quốc gia có sản lượng điện sản xuất từ thủy điện tích năng lớn nhất thế giới, với tổng công suất 25,5 GW, tương đương 10% công suất của HTĐ.

• Nhà máy thủy điện tích năng công suất lớn nhất thế giới hiện nay là nhà máy Phong Ninh ở tỉnh Hồ Bắc, Trung Quốc với 12 tổ máy, tổng công suất 3.600 MW đã được khởi công xây dựng vào năm 2013, phát điện tổ máy 1 vào năm 2019 và hoàn thành toàn bộ nhà máy vào năm 2021.

Sử dụng trên toàn thế giới

tích năng trên thế giới là 104 GW, trong khi các nguồn khác khẳng

định là 127 GW, bao gồm phần lớn tất cả các loại lưu trữ điện cấp hạ áp EU có 38,3 GW công suất ròng (36,8% công suất thế giới) trong tổng số 140 GW thủy điện và

chiếm 5% tổng công suất điện

ròng ở EU Nhật Bản có công suất ròng 25,5 GW (24,5% công suất thế giới)

2.5 Lịch sử phát triển nhà máy thủy điện tích năng

tại Hoa Kỳ, nhưng -5.321 GWh (ròng) vì năng lượng tiêu thụ trong quá trình bơm nhiều hơn năng lượng được tạo ra

• Công suất lưu trữ bơm trên bảng tên đã tăng lên 21,6 GW vào năm 2014, với lưu trữ bơm chiếm 97% lưu trữ năng lượng trên quy mô lưới điện ở Hoa Kỳ

• Tính đến cuối năm 2014, đã có 51 đề xuất dự án đang triển khai với tổng công suất 39 GW trên

bảng tên mới trong tất cả các giai đoạn của quy trình cấp phép FERC cho các nhà máy thủy điện tích năng mới ở Hoa Kỳ, nhưng hiện tại không có nhà máy mới nào được xây dựng ở Hoa Kỳ Hoa Kỳ vào thời điểm đó.

Lưu ý: bảng này thể hiện công suất phát điện tính bằng megawatt như thông thường đối với các nhà máy điện Tuy nhiên, công suất lưu trữ năng lượng tổng thể tính bằng megawatt-giờ (MWh) là một thuộc tính nội tại khác và không thể suy ra từ các số liệu đã cho ở trên.

năm 2017

Tuy không phải là một mô hình sản xuất điện năng mới mẻ, nhưng TĐTN chỉ thực

sự phát triển khoảng vài chục năm gần đây Trong quá trình phát triển, thủy điện tích năng luôn được cải tiến về mặt

kỹ thuật và cập nhật nhiều xu hướng công nghệ mới để ngày càng nâng cao

hiệu ích.

Về mặt kỹ thuật, trung tâm của các cải tiến nằm ở thiết kế tuabin thuận nghịch, khi các hãng chế tạo tua bin lớn trên thế

giới như: Alstom, Voith, Andritz đều dành nhiều công sức nghiên cứu để ngày

càng hoàn thiện thiết bị quan trọng này, giúp nó vận hành ổn định hơn ở cả hai chế độ làm việc và việc chuyển đổi chế

độ diễn ra trơn tru, nhanh chóng.

xu hướng phát triển nhà máy thủy điện tích năng

giữa đường kính cửa vào, cửa ra tua bin, các cánh hướng nước của bánh xe công tác bố trí thưa hơn, dài hơn, góc mở cánh hướng nước lớn hơn… cùng việc áp dụng các công nghệ tiên tiến càng hoàn thiện và đáng tin cậy hơn rất nhiều.

thủy điện tích năng

• Một xu hướng phát triển cũng rất táo bạo là thủy điện tích năng sử dụng nước biển - nghĩa là xây dựng các nhà máy thủy điện tích năng bên bờ biển, dùng nước biển để chạy tua bin phát điện và tận dụng chính các biển, đại dương làm hồ chứa bên dưới Đây có thể nói là xu hướng có tiềm năng vô tận, bởi ¾ bề mặt trái đất là biển và đại dương.