chương 1 tổng quan về các phương pháp lưu trữ điện năng

Hệ thống điện Việt Nam là một trong những hệ thốngđiện có tốc độ tăng trưởng cao trên thế giới, đạt 9,6% tronggiai đoạn 2011 - 2020, tuy năm 2020 có giảm do đại dịchCovid-19.Cuối năm 202

Chương 1 Tổng quan về các phương pháp lưu trữ điện năng

1.1 Nắm được cấu trúc của một hệ thống điện 1.2 Các loại nguồn điện

1.3 Nắm được tổng quan các phương pháp lưu trữ năng lượng điện

1.4 Hiểu được thiết kế thủy điện tích năng

1.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

3

Mạch điện xoay chiều đơn giản

– Nguồn (máy phát đồng bộ đơn)

– Đường dây (dây dẫn)

– Phụ tải (bóng đèn)

– Điều khiển (công tắc, đồng hồ đo)

Điện năng trong quá trình sản xuất và phân phối có một

số đặc điểm chủ yếu sau:

• Điện năng sản xuất ra, nói chung, không tích trữ được.

• Các quá trình điện cơ trong hệ thống điện xảy ra rất nhanh,đòi hỏi phải sử dụng rộng rãi các thiết bị tự động trong côngtác vận hành, điều độ hệ thống điện nhằm đảm bảo hệ thốnglàm việc tin cậy và kinh tế

• Công nghiệp điện lực là một trong những động lực củanhiều ngành kinh tế quốc dân

• Việc sản xuất, truyền tải và cung cấp điện năng luôn luônđược thực hiện theo một kế hoạch chung trong khuôn khổ hệthống điện

1.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

Hệ thống điện ngày nay là một mạng lưới liên kết phức tạp (hình 1.2) và có thể chia ra làm 4 phần:

Hệ thống điện tương lai:

▪ Sử dụng các nhà máy vừa và nhỏ

▪ Sử dụng năng lượng tái tạo

▪ Hệ thống điện thông minh

1.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

Phương pháp truyền thống

▪ Nhà máy thủy điện, là các nhà máy biển đổi năng lượng

của dòng nước thành điện năng

▪ Nhà máy nhiệt điện, nhiệt năng thu được khi đốt các

nhiên liệu (than, dầu, khí đốt) được chuyển hóa thànhđiện năng

Phương pháp khác

▪ Năng lượng tái tạo

- Năng lượng gió

- Pin mặt trời

▪ Năng lượng hạt nhân

- Các phản ứng hạt nhân

Loại hình nguồn

điện Công suất, MW

Điện lượng, triệu MWh

Bảng 1: Thống kê công suất và điện lượng hệ thống điện quốc gia năm 2021:

Nguồn: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia - A0 (cập nhật đến tháng 11/2021).

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

Nhà máy nhiệt điện

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

Các dạng Nhà máy nhiệt điện:

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

Ưu nhược điểm nhà máy nhiệt điện:

▪ Vốn đầu tư thấp, hiệu quả thu hồi vốn nhanh

- Giá thành điện năng cao do hiệu suất thấp (nhà máy nhiệtđiện ngưng hơi có hiệu suất 30 ÷ 40% ; nhà máy nhiệt điệntrích hơi có hiệu suất cao hơn với hiệu suất là 60 ÷ 70%)

- Nhiên liệu đầu vào là loại nhiên liệu không tái tạo được

- Gây ô nhiễm môi trường do khói, bụi ảnh hưởng tới mộtvùng khá rộng

- Tỉ lệ điện tự dùng cao

- Khả năng huy động công suất chậm, từ 4h đến 8h

- Dải điều chỉnh công suất bị giới hạn bởi Pmin do kỹ thuật

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

Nhà máy nhiệt điện

Nguyên lý hoạt động Nhà máy thủy điện

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

Công suất Nhà máy thủy điện

▪ Công suất của nhà máy thủy điện

▪ Phân loại

- Nhà máy thủy điện kiểu đập

- Nhà máy thủy điện tích năng

- Nhà máy thủy điện kiểu ống dẫn

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

Nhà máy thủy điện

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

Ưu điểm Nhà máy thủy điện:

▪ Chi phí vận hành thấp, vận hành đơn giản, khả năng tựđộng hóa cao, không cần nhiều nhân công nên giá thànhđiện năng thấp

▪ Khả năng huy động công suất nhanh (1 ÷ 2ph) => có thểphân cho vài nhà máy thủy điện hoặc vài tổ máy của chúnglàm nhiệm vụ điều tần (gánh phụ tải đỉnh) Hiệu suất cao 85

Ưu điểm Nhà máy thủy điện:

▪ Không gây ô nhiễm

▪ Nhà máy thủy điện kiểu đập còn mang nhiều nguồn lợikhác như điều tiết nước phục vụ thủy lợi, nuôi bắt thủy sản,cải tạo cảnh quan môi trường, du lịch

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

Nhược điểm Nhà máy thủy điện:

▪ Giá thành xây dựng đắt do ngoài chi phí xây dựng nhàmáy còn có chi phí xây dựng các đường dây cao áp đưađiện từ nhà máy vào lưới, chi phí để di dân

▪ Thời gian xây dựng lâu (10 - 20 năm)

▪ Thường phải xây dựng xa vùng phụ tải nên tổn thất trên

hệ thống truyền tải lớn

▪ Nguồn nước cung cấp cho các nhà máy thủy điện (từ cácdòng chảy tự nhiên) thay đổi theo thời gian (phụ thuộc khíhậu, thời tiết) => gặp khó khăn trong việc xây dựngphương án điều tiết tối ưu

▪ Gây ảnh hưởng bất lợi đến môi trường sinh thái

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

Nhà máy thủy điện:

Các dạng nhà máy điện khác:

Nhà máy điện nguyên tử loại lò phản ứng nước áp lực

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

Các dạng nhà máy điện khác:

Nhà máy điện nguyên tử loại lò phản ứng nước sôi

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

Các dạng nhà máy điện khác:

Nhà máy điện nguyên tử có đặc điểm:

▪ Có thể xây dựng gần trung tâm phụ tải

▪ Vốn đầu tư xây lắp ban đầu lớn và thời gian xây dựngkéo dài

▪ Chi phí sản xuất điện năng thấp nên thường làm việc ởđáy đồ thị phụ tải

▪ Thời gian sử dụng công suất cực đại lớn khoảng7000giờ/năm hay cao hơn

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

Các dạng nhà máy điện khác:

Nhà máy năng

lượng thủy triều

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

Các dạng Nhà máy điện khác:

Nhà máy điện dùng sức gió

▪ Năng lượng tái tạo, không

ô nhiễm

▪ Vốn đầu tư lớn (~2USD/W)

▪ Kết nối với lưới khó

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

 Công suất phát phụ thuộc

vào thời tiết

 Đầu tư cao cho dự án nhỏ

(2 - 3 USD), nhưng sẽ tiết

kiệm cho hệ thống lớn

1.2 CÁC DẠNG NGUỒN ĐIỆN

Hệ thống điện Việt Nam là một trong những hệ thốngđiện có tốc độ tăng trưởng cao trên thế giới, đạt 9,6% tronggiai đoạn 2011 - 2020, tuy năm 2020 có giảm do đại dịchCovid-19.

Cuối năm 2020, tổng công suất đặt của hệ thống đạt69.342 MW trong đó điện mặt trời đạt 16.428 MWAc và điệngió đạt 538 MW

Mặc dù công suất lắp đặt tương đối cao so với phụ tảicực đại, nhưng mức độ dự phòng công suất khả dụng của

hệ thống khá thấp do tính chất thay đổi theo mùa của thủyđiện, nhu cầu sửa chữa, bảo dưỡng các nhà máy nhiệt điện

và tính bất định của nguồn điện gió, mặt trời

1.3 VAI TRÒ VIỆC LƯU TRỬ ĐIỆN

Về lưới điện, hệ thống đã có 8.527 km đường dây

500 kV làm trục xương sống lưới quốc gia Một số TBA 500

kV cấp điện cho miền Bắc và miền Nam đang bị đầy hoặcquá tải, liên quan tới việc nhiều nguồn NLTT được đưa vàovận hành trong thời gian ngắn

Lưới điện Việt Nam đã thuộc loại hiện đại với chỉ tiêutổn thất điện năng của toàn hệ thống đạt 6,42% (năm 2020)

1.3 VAI TRÒ VIỆC LƯU TRỬ ĐIỆN

Mỗi năm, một lượng lớn năng lượng bị lãng phí do không có phương pháp hiệu quả trong việc lưu trữ

và sử dụng một cách hiệu quả Nhưng trong nhiều trường hợp, việc tạo ra điện lại phụ thuộc vào các điều kiện thời tiết như năng lượng mặt trời và gió Đôi khi điện được sản xuất ra dư thừa, nhưng đôi khi lại không đủ cho nhu cầu người sử dụng, đó là lúc cần đến các phương pháp lưu trữ tái tạo năng lượng điện.

1.3 VAI TRÒ VIỆC LƯU TRỬ ĐIỆN

Hiện nay các quốc gia đang chạy đua phát triển các phương pháp – công nghệ lưu trữ năng lượng điện nhiều công ty, tập đoàn đã đầu tư nghiên cứu

để tìm ra các phương pháp có thể lưu trữ lượng điện lớn hơn, hiệu quả hơn.

1.3 VAI TRÒ VIỆC LƯU TRỬ ĐIỆN

Hình 3 Biểu đồ phụ tải hệ thống điện quốc gia ngày 30/12/2020 Nguồn: EVN.

Đây là năm mà kỷ lục lắp đặt điện mặt trời được xác lập, tính đến cuối năm 2020, công suất điện mặt trời trên cả nước đã đạt khoảng 19.400 MWp, tương ứng 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.

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN

1.4.1 Thủy điện tích năng

Thủy điện tích năng lưu trữ năng lượng dưới dạng thế năng của nước Vào giờ thấp điểm (phụ tải thừa), điện được dùng để bơm nước từ hồ chứa thấp lên hồ chứa cao hơn để lưu trữ Đến giờ cao điểm, nước sẽ được xả từ hồ chứa cao xuống hồ chứa thấp

đặt ngầm trong núi Nước sẽ làm quay tua-bin trong đường ống và tạo ra điện.

Đây đang chiếm đến hơn 90% tổng lượng điện lưu trữ trên toàn cầu là một trong những dạng lưu trữ điện năng lớn nhất hiện nay.

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN

1.4.1 Thủy điện tích năng

Ưu điểm của thủy điện tích năng là có khả năng lưutrữ điện công suất lớn, thời gian khai thác dài (70-80 năm),tính kinh tế cao

Hạn chế lớn nhất của phương pháp lưu trữ nănglượng này là đòi hỏi phải có địa hình phù hợp để triển khai(lý tưởng nhất là các ngọn núi có đỉnh rộng bên cạnh cáccon sông, suối lớn) nên không phải nơi nào cũng có thể ápdụng

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.2 Công nghệ lưu trữ hệ thống bánh đà và siêu tụ điện

Hệ thống bánh đà và siêu tụ điện là các công nghệ lưu trữ

năng lượng cho tốc độ phản hồi cao, thời gian nạp và xả

đà đóng vai trò như một ắc-quy để lưu trữ năng lượng dư

thừa và như một máy phát điện dự phòng để cung cấp nănglượng khi cần

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.2 Công nghệ lưu trữ hệ thống bánh đà và siêu tụ điện

Một bánh đà 500kW đang được hạ xuống hầm tại cơ sở sản xuất của công ty bánh đà Temporal Power để tiến hành thử nghiệm

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN

1.4.2 Công nghệ lưu trữ hệ thống bánh đà và siêu tụ điện

Các siêu tụ điện lưu giữ nguồn năng lượng dưới dạng thế

năng của tụ điện Nó lưu trữ năng lượng giống như một

điện tích tĩnh nhưng không xảy ra phản ứng hóa học trongquá trình nạp hoặc xả điện như pin thông thường

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN

1.4.2 Công nghệ lưu trữ hệ thống bánh đà và siêu tụ điện

Siêu tụ điện có ưu điểm là chứa được nhiều điệnnăng, rất bền, thời gian sử dụng hàng chục năm, nạp hayphóng điện rất nhanh nhưng có nhược điểm là bị sụt thếnhanh, tích điện không được lâu vì rò điện nội bộ giữa haicực Do đó, khi ứng dụng trong năng lượng tái tạo, nhiềutrường hợp kết hợp sử dụng song song cả siêu tụ điện vàắc-quy

Điện năng tạo ra từ các nguồn năng lượng tái tạo(như điện mặt trời, điện gió) được chứa ngay trong siêu tụđiện, sau đó siêu tụ điện lại từ từ nạp điện cho ắc-quy Nhờ

đó, ắc-quy luôn được nạp điện đầy đủ, vừa sẵn dùng vừatăng tuổi thọ

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN

1.4.3 Công nghệ lưu trữ hydro (hydrogen – H 2 )

Hiện nay, hydro được sử dụng rộng rãi trong ngànhcông nghiệp hóa chất như chế tạo methanol, ammonia, lọcdầu , sản xuất phân bón, mỹ phẩm, chất bán dẫn, …Là mộtnguyên tố hóa học, tạo nên khoảng 75% tổng khối lượng vũtrụ và hơn 90% tổng số nguyên tử

Trong ngành năng lượng, hydro có thể thay thế khithiên nhiên để cung cấp năng lượng phục vụ nhu cầu dândụng hàng ngày, đốt trực tiếp cho động cơ đốt trong, làmnguyên liệu trong quốc phòng

Ngoài ra hydro còn tạo ra điện năng nhờ quá trìnhđiện hóa Pin nhiên liệu hydro được triển vọng trở thànhnguồn nhiên lưu cho các phương tiện đường sắt, đường bộ,đường thủy, hàng không…

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN

1.4.3 Công nghệ lưu trữ hydro (hydrogen – H 2 )

(dùng điện để tách nước thành khí H2 và O2), sử dụng điện năng từ các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió… Phương pháp này không gây phát thải khí CO2, được đánh giá là công nghệ sạch, bền vững,

xu hướng của tương lai Hydro được sản xuất bằng phương pháp này được

gọi là hydro xanh (green hydrogen).…

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.3 Công nghệ lưu trữ hydro (hydrogen – H 2 )

Do điện năng được sử dụng trong quá trình sản xuấthydro (bằng phương pháp điện phân nước), sau đó lạiđược tạo ra nhờ quá trình điện hóa (trong các pin nhiênliệu) hoặc tạo ra từ các tua-bin khí chạy bằng hydro nênhydro chính là một phương pháp lưu trữ năng lượng lâu

dài và hiệu quả

Có thể coi hydro được sản xuất từ năng lượng táitạo như một dạng năng lượng lưu trữ, để sử dụng trongnhững khoảng thời gian ban đêm, không có gió; vậnchuyển đến các khu vực không có lợi thế hay cung cấp chocác phương tiện giao thông… Chính vì thế, sự phát triển

của hydro xanh đồng thời sẽ giúp thúc đẩy sự phát triển

của năng lượng tái tạo và xu hướng chuyển dịch nănglượng, hướng tới nền kinh tế không carbon

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.3 Công nghệ lưu trữ hydro (hydrogen – H 2 )

Do điện năng được sử dụng trong quá trình sản xuấthydro (bằng phương pháp điện phân nước), sau đó lạiđược tạo ra nhờ quá trình điện hóa (trong các pin nhiênliệu) hoặc tạo ra từ các tua-bin khí chạy bằng hydro nênhydro chính là một phương pháp lưu trữ năng lượng lâu

dài và hiệu quả

Có thể coi hydro được sản xuất từ năng lượng táitạo như một dạng năng lượng lưu trữ, để sử dụng trongnhững khoảng thời gian ban đêm, không có gió; vậnchuyển đến các khu vực không có lợi thế hay cung cấp chocác phương tiện giao thông… Chính vì thế, sự phát triển

của hydro xanh đồng thời sẽ giúp thúc đẩy sự phát triển

của năng lượng tái tạo và xu hướng chuyển dịch nănglượng, hướng tới nền kinh tế không carbon

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.3 Công nghệ lưu trữ hydro (hydrogen – H 2 )

Tích hợp hệ thống năng lượng Điện – Khí được áp dụng ở cơ sở sản xuất hydro lớn nhất thế giới FH2R

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN

1.4.4 Pin lưu trữ năng lượng

Có nhiều công nghệ pin đã và đang được sử dụng rộng rãi để lưu trữ năng lượng, có thể kể đến như pin Lithium-ion, pin axit chì (ắc-quy), pin thể rắn, pin oxy hóa – khử Vanadium,Pin nhiên liệu hydro…

Pin axit chì được phát minh từ năm 1859 đến nay vẫn còn được ứng dụng nhiều nhờ giá thành sản xuất rẻ.

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN

1.4.4 Pin lưu trữ năng lượng

Chúng thường được sử dụng trong xe hơi bởi vì có thể cungcấp những dòng điện cao đột biến, cần thiết để khởi độngcho động cơ xe

Tuy nhiên, công nghệ này có nhược điểm là tuổi thọ pinngắn và phải sử dụng các hóa chất độc hại Do đó, pin axitchì chủ yếu được sử dụng để lưu trữ điện ở quy mô nhỏ và

ngày càng ít cạnh tranh được với các công nghệ lưu trữ

năng lượng có thời gian sạc nhanh, lưu trữ điện năng nhiều

hơn, trọng lượng nhẹ hơn như pin Lithium-ion và đặc biệt làpin nhiên liệu hydro được triển vọng trở thành nguồn nhiênlưu cho các phương tiện đường sắt, đường bộ, đường thủy,hàng không…

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.4 Pin lưu trữ năng lượng

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.4 Pin lưu trữ năng lượng

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.4 Pin lưu trữ năng lượng

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.4 Pin lưu trữ năng lượng

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.4 Pin lưu trữ năng lượng

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.4 Pin lưu trữ năng lượng

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.5 Hệ thống khí nén CAES

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.5 Hệ thống khí nén CAES

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.6 Hệ thống V2G

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.6 Hệ thống V2G

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.6 Hệ thống V2G

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.7 Hệ thống khí hóa lỏng

1.4 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP LƯU TRỬ ĐIỆN 1.4.7 Hệ thống khí hóa lỏng

Thông số mạch: Dòng điện