Thuỷ điện tích năng là gì: cục pin nước của lưới điện hoạt động ra sao

Thuỷ điện tích năng là nhà máy có hai hồ chứa ở hai độ cao khác nhau: lúc lưới thừa điện, nó dùng điện bơm nước từ hồ dưới lên hồ trên; lúc lưới thiếu, nó xả nước từ hồ trên xuống qua tuabin để phát điện trở lại. Nó không tạo thêm năng lượng mà còn tiêu hao một phần, khoảng một phần tư, nhưng giúp dời điện từ giờ thừa sang giờ thiếu. Vì thế người ta hay gọi nó là "cục pin nước" của hệ thống điện, và tới nay nó vẫn là hình thức lưu trữ điện quy mô lớn phổ biến nhất thế giới.

Cách một nhà máy tích năng làm việc

Nguyên lý đơn giản như việc gánh nước lên đồi rồi đổ xuống quay cối xay. Phần kỹ thuật nằm ở chỗ làm cho việc đó nhanh, lớn và lặp lại hàng nghìn lần mà không hỏng.

• Hồ trên: thường nằm trên đỉnh hoặc sườn núi, có thể là hồ tự nhiên được đắp cao thêm hoặc hồ đào mới.
• Hồ dưới: có thể là một hồ thuỷ điện sẵn có, một dòng sông, một mỏ đá cũ, thậm chí là biển.
• Đường ống áp lực và giếng đứng: nối hai hồ, thường xuyên qua lòng núi.
• Tổ máy thuận nghịch: ở các nhà máy hiện đại, cùng một cỗ máy vừa làm bơm (quay một chiều, dùng điện), vừa làm tuabin – máy phát (quay chiều ngược lại, sinh điện).

Độ chênh giữa hai hồ (cột nước) càng cao thì cùng một lượng nước tích được càng nhiều năng lượng. Vì thế các vị trí tốt thường có cột nước vài trăm mét, với hai hồ nằm gần nhau theo phương ngang.

Một vòng tích – xả trong ngày

1. Đêm khuya, phụ tải thấp: các nhà máy nền vẫn chạy, có khi thừa điện. Điều độ ra lệnh cho nhà máy tích năng chạy chế độ bơm.
2. Trưa nắng (ở lưới nhiều điện mặt trời): có thể bơm thêm một đợt để hấp thụ điện mặt trời dư.
3. Cao điểm tối: chuyển sang chế độ phát, xả nước xuống cung cấp công suất đúng lúc lưới cần nhất.
4. Bất kỳ lúc nào có sự cố: nếu đang đứng chờ, nhà máy có thể vào phát rất nhanh để đỡ tần số.

Mất một phần tư, vì sao vẫn đáng làm

Mỗi lần bơm lên rồi phát xuống, một phần năng lượng mất vào ma sát, tổn thất trong máy và bốc hơi. Hiệu suất cả vòng (round-trip) của các nhà máy hiện đại thường vào khoảng 70–80%. Tức là bơm lên bằng 100 kWh, lấy lại được 70–80 kWh.

Nghe có vẻ phí, nhưng phép tính của người điều độ khác phép tính của người bán điện lẻ:

• Điện ban đêm thừa có giá trị thấp, có khi gần như bằng không nếu không dùng thì nhà máy nền phải giảm sâu hoặc điện gió, điện mặt trời phải bị cắt bỏ.
• Điện giờ cao điểm thay thế cho tuabin khí chạy dầu, loại nguồn đắt nhất.
• Nhà máy nền không phải tăng giảm nhiều, chạy ổn định hơn, ít hao mòn và đỡ tốn nhiên liệu.
• Ngoài năng lượng, tích năng còn bán "dịch vụ phụ trợ": dự phòng quay, điều tần, giữ điện áp, khởi động đen. Các dịch vụ này nhiều khi đáng giá hơn chính phần chênh lệch giá điện.

Vài mốc lịch sử

• Cuối thế kỷ 19: những nhà máy bơm tích năng đầu tiên xuất hiện ở vùng núi Ý và Thuỵ Sĩ, ban đầu chủ yếu để trữ nước cho mùa khô.
• Đầu thế kỷ 20: Đức và các nước Alps xây thêm nhiều nhà máy để cân bằng lưới điện ngày càng lớn.
• Thập niên 1960–1980: làn sóng xây dựng lớn ở Mỹ, Nhật, châu Âu, gắn với điện hạt nhân: lò hạt nhân chạy đều đặn suốt ngày đêm, tích năng hút điện ban đêm và trả lại ban ngày.
• Từ thập niên 2010: Trung Quốc trở thành nước xây nhiều nhất, với những nhà máy công suất hàng nghìn MW để phục vụ lưới có tỷ trọng điện gió, điện mặt trời tăng nhanh.

Dinorwig: ngọn núi điện ở xứ Wales

Ví dụ hay được nhắc nhất là nhà máy Dinorwig ở xứ Wales, Anh, vận hành từ năm 1984. Toàn bộ gian máy được đặt trong lòng một ngọn núi đá phiến, chỗ trước kia là mỏ khai thác đá. Hồ trên là hồ Marchlyn Mawr trên cao, hồ dưới là hồ Llyn Peris dưới thung lũng. Nhà máy có sáu tổ máy, tổng công suất khoảng 1.700 MW.

Điều làm Dinorwig nổi tiếng không phải là năng lượng tích được, mà là tốc độ. Khi đang ở chế độ chờ, các tổ máy có thể lên công suất lớn trong khoảng mười mấy giây. Chính nhà máy này được dùng để đón những cú nhảy phụ tải bất ngờ của lưới Anh, như cảnh hàng triệu ấm nước cùng bật sau một chương trình truyền hình lớn. Người địa phương gọi nó là "Electric Mountain", ngọn núi điện.

Thuỷ điện tích năng ở Việt Nam

Việt Nam có nhiều thuỷ điện thông thường nhưng tới nay chưa có nhà máy tích năng nào vận hành. Dự án được nhắc nhiều nhất là thuỷ điện tích năng Bác Ái, do Tập đoàn Điện lực Việt Nam làm chủ đầu tư, nằm ở vùng núi Bác Ái thuộc tỉnh Ninh Thuận cũ, nay thuộc tỉnh Khánh Hoà. Công suất thiết kế là 1.200 MW, gồm bốn tổ máy.

Lý do vùng này được chọn khá rõ: đây là nơi tập trung dày đặc điện mặt trời và điện gió, lại có địa hình núi gần hồ chứa lớn. Một nhà máy tích năng ở đúng chỗ có thể hút phần điện mặt trời dư buổi trưa và trả lại vào cao điểm tối, giảm tình trạng phải cắt bớt công suất năng lượng tái tạo. Tiến độ cụ thể của dự án nên tra theo thông tin mới nhất của chủ đầu tư.

So với pin lưu trữ

Những năm gần đây, hệ thống pin lithium cỡ lớn (BESS) phát triển rất nhanh, và nhiều người hỏi liệu tích năng có lỗi thời. Hai loại này hợp với những việc khác nhau:

Nhiều lưới hiện đại dùng cả hai: pin lo những dao động nhanh và ngắn, tích năng lo việc dời năng lượng nhiều giờ.

Góc nhìn hôm nay: đi xem và tìm hiểu thêm

• Nhiều nhà máy tích năng ở châu Âu và Nhật có trung tâm thông tin hoặc tổ chức tham quan theo đoàn. Ở xứ Wales, khu vực Llanberis quanh Dinorwig là điểm du lịch núi đồi; trung tâm khách tham quan của nhà máy từng mở cửa nhiều năm, nên kiểm tra tình trạng trước khi đi.
• Ở Việt Nam, có thể tham quan các nhà máy thuỷ điện thông thường như Hoà Bình qua các chương trình đoàn của địa phương và nhà máy, để hình dung gian máy, đường ống, đập. Nguyên lý tích năng chỉ khác ở chỗ máy chạy được hai chiều.
• Muốn hiểu trực quan, hãy so với hai bình nước nối bằng ống và một máy bơm cá cảnh: đó chính là mô hình thu nhỏ.