Lưới điện thông minh - giải pháp truyền tải, phân phối điện của tương lai

Lưới điện thông minh được nói đến thường xuyên trong nhiều năm qua, nhưng chúng ta đã đi được bao xa trên con đường đó và đích đến của con đường đó nằm ở đâu vẫn là những câu hỏi chưa có câu trả lời. Phát triển lưới điện thông minh giống như phát triển sự hiểu biết của loài người. Chưa ai có thể chạm đến đỉnh cao tuyệt đối về hiểu biết và tri thức, trong khi thực tế lại luôn thay đổi một cách nhanh chóng. Điều này cũng giống như ví von của một nhà khoa học tại công ty General Motor về lưới điện thông minh: “Ý nghĩa của lưới điện thông minh luôn nằm ở con đường hơn là đích đến của nó. Vì chúng ta đã làm được càng nhiều thì chúng ta lại nhận thức được rằng chúng ta cần làm nhiều hơn nữa cho hệ thống điện có tính chất giống như mạng Internet này”.

Lưới điện thông minh được nói đến thường xuyên trong nhiều năm qua, nhưng chúng ta đã đi được bao xa trên con đường đó và đích đến của con đường đó nằm ở đâu vẫn là những câu hỏi chưa có câu trả lời. Phát triển lưới điện thông minh giống như phát triển sự hiểu biết của loài người. Chưa ai có thể chạm đến đỉnh cao tuyệt đối về hiểu biết và tri thức, trong khi thực tế lại luôn thay đổi một cách nhanh chóng. Điều này cũng giống như ví von của một nhà khoa học tại công ty General Motor về lưới điện thông minh: “Ý nghĩa của lưới điện thông minh luôn nằm ở con đường hơn là đích đến của nó. Vì chúng ta đã làm được càng nhiều thì chúng ta lại nhận thức được rằng chúng ta cần làm nhiều hơn nữa cho hệ thống điện có tính chất giống như mạng Internet này”.

Rõ ràng là có rất nhiều quốc gia, tổ chức và cá nhân đang bỏ công nghiên cứu xây dựng một hệ thống điện với một bộ não hiện đại của thế kỷ 21 - một hệ thống mà trong đó các bộ phận cấu thành của hệ thống có thể tương tác với nhau, hoạt động một cách tự động, tự điều khiển và vận hành, làm cho khách hàng sử dụng điện trở thành những người quản lý năng lượng thông minh, và đặc điểm chính của hệ thống này là nó có tốc độ biến đổi nhanh đến chóng mặt trong tất cả các lĩnh vực liên quan. Điều này thể hiện ở tổng vốn đầu tư của toàn thế giới cho lưới điện thông minh vào năm 2010 là 16,2 tỷ USD, nhưng 2 năm sau đã tăng gấp đôi: 36,5 tỷ USD vào năm 2012.

Con số nói trên thực sự cũng không đáng ngạc nhiên, bởi vì lưới điện thông minh hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích to lớn như giảm thiểu chi phí, nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện có khả năng tích hợp với năng lượng tái tạo, giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường v.v... Với ưu điểm vượt trội là có thể tự quản lý dữ liệu, lưới điện thông minh có khả năng giải quyết nhiều vấn đề gai góc nhất trong quá trình vận hành một lưới điện thông thường. Chính vì vậy ý tưởng về lưới điện thông minh đã lan truyền đến mọi ngóc ngách của ngành công nghiệp điện, biến những bản vẽ, phác thảo thành những khoản đầu tư khổng lồ trên toàn cầu từ Châu Âu, Châu Á đến Bắc Mỹ.

Ở Anh quốc, lưới điện truyền tải đã được xây dựng một cách tương đối thông minh với hệ thống tự động, giám sát từ xa và các nút mạng quản lý lưới điện. Hiện nay quốc gia này đang tập trung thông minh hóa lưới điện phân phối. Nhưng những vấn đề cơ bản của kế hoạch xây dựng lưới điện thông minh tại đây có vẻ vẫn chưa hoàn chỉnh cho đến năm 2020 khi khoảng 30 triệu khách hàng sử dụng điện (hộ gia đình và công ty) được lắp đặt công tơ điện tử thông minh. Kế hoạch này sẽ được triển khai từ năm 2014 và dự kiến hoàn thành vào năm 2019. Nhìn chung toàn Châu Âu sẽ đầu tư khoảng 1,4 tỷ USD và có thể còn cao hơn nữa vào năm 2014 khi Pháp và Anh đẩy mạnh việc lắp đặt công tơ điện tử thông minh.

Lưới điện thông minh đang được phát triển theo nhiều cách khác nhau, một số quốc gia tập trung vào các hệ thống công nghệ mới, các quốc gia khác lại đầu tư cho các thiết bị chuyên dụng. Dưới đây là tóm lược vê công tác phát triển và khai thác lưới điện thông minh tại một số quốc gia trên thế giới:

Hoa Kỳ

Tháng 4 vừa qua, công ty FPL (Florida Power & Light) đã hoàn thành một kế hoạch xây dựng lưới điện thông minh được coi là lớn nhất từ trước đến nay tại bang Florida và kéo dài trong 4 năm. Cùng hợp tác với Công ty General Motor, công ty này đã triển khai lắp đặt 4,5 triệu công tơ điện tử thông minh và nâng cấp cho khoảng 145 máy biến áp phân phối tại 35 hạt của bang Florida, công tác này chỉ là một phần trong kế hoạch thông minh hóa lưới điện phân phối tại bang này.

Hệ thống thiết bị mới sẽ giúp vận hành lưới điện phân phối một cách ổn định hơn, hạn chế sự cố và nhanh chóng phục hồi cấp điện trong trường hợp hệ thống bị sự cố tại Florida - một bang rất thường xuyên bị ảnh hưởng bởi các cơn bão nhiệt đới. Thiết bị của hệ thống lưới điện thông minh vừa được lắp đặt có thể chẩn đoán điều kiện vận hành của hệ thống từ xa, nhanh chóng phát hiện nguy cơ xảy ra sự cố và sửa chữa trước khi sự cố xảy ra.

Về nguồn tài chính, công ty FPL đã tiếp nhận 200 triệu USD từ ngân sách Liên bang để phát triển dự án. Số tiền này là số tiền tối đa có thể được tài trợ cho các dự án về công nghệ - thiết bị theo Đạo luật Phục hồi và Tái đầu tư năm 2009, đạo luật này trước đây cũng đã tài trợ cho một số dự án liên quan đến lưới điện thông minh của Hoa Kỳ. Tổng cộng Hoa Kỳ đã đầu tư khoảng 4,3 tỷ USD vào lưới điện thông minh trong năm 2012.

Trung Quốc

Công ty Honeywell đã hoàn thành lắp đặt lưới điện thông minh đầu tiên tại Thiên Tân - Trung Quốc, hệ thống này bao gồm các thiết bị đáp ứng phụ tải (Demand Response) được triển khai tại các hộ sử dụng điện thuộc các khu vực thương nghiệp, công nghiệp và hành chính sự nghiệp. Đây là biện pháp hỗ trợ điều tiết nhu cầu sử dụng điện trên lưới phân phối giữa các giờ thấp điểm và cao điểm, giúp tiết giảm chi phí và phát thải gây ô nhiễm môi trường. Công nghệ của Honeywell giúp khách hàng sử dụng điện tạo ra kế hoạch tự điều tiết nhu cầu sử dụng điện một cách hợp lý trong trường hợp hệ thống bị quá tải.

Dự án này là một phần trong kế hoạch hợp tác về năng lượng giữa Hoa Kỳ và Trung Quốc nhằm giúp Trung Quốc đạt được mục tiêu trong dài hạn về xây dựng lưới điện thông minh cho đến năm 2020. Tạo cơ sở cho mục tiêu này là chi tiêu cho lưới điện thông minh của Trung Quốc đã tăng 14%, đạt 3,2 tỷ USD vào năm 2012.

Hà Lan

Tại thành phố Hoogkerk của Hà Lan đã triển khai một dự án gọi là PowerMatching City, dự án này được coi là cộng động đầu tiên trên thế giới sử dụng lưới điện thông minh một cách thực sự.

Trên thực tế thì dự án này là một phòng thí nghiệm kết nối lưới và cung cấp điện năng cho khoảng 20 hộ sử dụng điện. Những hộ tham gia dự án này được sử dụng rất nhiều loại thiết bị tương thích với hệ thống lưới điện thông minh được lắp đặt trong từng ngôi nhà: hệ thống kết hợp điện và sưởi siêu nhỏ, máy bơm lai ghép, công tơ điện tử thông minh, pano năng lượng mặt trời, xe điện và trạm sạc điện, máy phát điện gió, thiết bị gia dụng thông minh... Ngôi nhà của từng hộ dân sẽ được sử dụng để trình diễn phương thức sử dụng điện cho năm 2030.

Thụy Điển

Tại Thụy Điển cũng có một dự án tương tự như dự án PowerMatching City của Hà Lan. Dự án này được triển khai tại khu Royal Seaport của Stockholm với mục tiêu trở thành khu dân cư sử dụng lưới điện thông minh đầu tiên trên thế giới trong tương lai. Mục tiêu thứ hai không kém phần quan trọng là giúp giảm lượng khí thải bình quân đầu người trong khu dân cư từ 4,5 tấn xuống còn 1,5 tấn vào năm 2030 khi mạng điện thông minh sẽ thành hiện thực ở nơi đây vào năm 2030.

Dự án bao gồm nhiều phát minh mới về năng lượng như nạp điện cho các loại tàu thay vì nạp xăng dầu, giúp các hộ dân cư trong khu vực giảm 30 lượng điện từ lưới điện phân phối bằng nguồn điện mặt trời và điện gió, đồng thời tồn trữ lượng điện dôi dư trong xe ô tô của họ. Dự án tập trung vào một số công nghệ mới nhằm giúp các hộ dân cư vừa là nhà sản xuất điện, và là người sử dụng điện. Các nhà đầu tư cũng đã xây dựng một trung tâm điều hành thông minh để quản lý toàn bộ các công nghệ mới của dự án.

Úc

Ausgrid là lưới điện lớn nhất nước Úc đang triển khai một dự án trị giá khoảng 100 triệu USD liên quan đến lưới điện thông minh. Dự án này tên là Smart Grid, Smart City và được tiến hành ở Newcastle và vùng Upper Hunter của tiểu bang New South Wales. Dự án có thời hạn 3 năm này sẽ kiểm tra hoạt động của một số công nghệ mới cũng như phương thức tính tiền điện mới cho khoảng 30.000 hộ dân. Ausgrid cũng sẽ thử nghiệm một số thiết bị phục vụ cho lưới điện thông minh như thiết bị cô lập khu vực có sự cố lưới điện, thiết bị giám sát các máy móc sử dụng điện từ xa...

Xu hướng phát triển lưới điện thông minh

Sự phát triển của lưới điện thông minh nhìn chung là tương đối khác nhau đối với từng châu lục. Châu Mỹ tập trung vào việc quản lý sản lượng điện trong thời gian cao điểm một cách có hiệu quả, điều chỉnh giá bán điện một cách linh hoạt, thực hiện tự động hóa và tin học hóa công tác đo đếm điện năng, trong khi đó Châu Âu lại quan tâm đến việc nâng cao hiệu suất của lưới phân phối, giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, tích hợp nguồn phát điện từ các nguồn năng lượng tái tạo.

Châu Á - Thái Bình Dương có vẻ hơi chậm hơn so với 2 châu lục nói trên trong việc triển khai lưới điện thông minh, và ở mỗi nước động cơ triển khai lưới điện thông minh cũng khác nhau. Trung Quốc đã có những bước quan trọng trong kế hoạch triển khai lưới điện thông minh của họ, đất nước đông dân nhất thế giới này quan tâm đến việc hiện đại hóa lưới điện hiện có và nâng cao độ tin cậy của toàn hệ thống. Trong khi đó thì Úc và New Zealand thì theo đuổi việc triển khai hệ thống quản lý sản lượng điện một cách hiệu quả. Các văn bản pháp quy về lưới điện thông minh cũng đã được ban hành tại Úc, New Zealand, Singapore, Hàn Quốc và Nhật Bản.

Mới đầu châu Âu và Hoa Kỳ có vẻ đi theo 2 con đường khác nhau về phát triển lưới điện thông minh, tuy nhiên đến nay Châu Âu và Hoa Kỳ đã dần dần tiến đến gần nhau hơn với những mục đích tương tự như nhau. Trước đây Hoa Kỳ tập trung nghiên cứu về hệ thống DR (Demand Response – đáp ứng nhu cầu) có thể điều tiết sản lượng điện tiêu dùng trong giờ cao điểm, lý do là lưới điện Hoa Kỳ thường quá tải vào mùa hè khi máy điều hòa được sử dụng rộng rãi. Các nhà phân phối điện đã hỗ trợ khách hàng một số ứng dụng có thể giúp họ tự điều tiết sản lượng điện của gia đình trong giờ cao điểm để giảm tải cho toàn hệ thống. Trong khi đó các nước Châu Âu lại chú trọng nghiên cứu và triển khai các công nghệ cho phép cân đối sản lượng của lưới điện phân phối khi đấu vào một số nguồn phát không liên tục từ các nguồn năng lượng tái tạo.

Hiện nay Hoa Kỳ cũng đang gặp phải vấn đề tương tự như ở Châu Âu do một số nguồn phát điện từ năng lượng tái tạo đã và đang được triển khai tại một số tiểu bang miền Trung Hoa Kỳ, đặc biệt là tại Maryland, New Jersey và New York. Tương tự như vậy, Châu Âu bắt đầu quan tâm đến hệ thống DR do người dân sử dụng rất nhiều máy điều hòa. Lưới điện một số nước như Ba Lan đã có hiện tượng quá tải trong mùa hè, tuy nhiên trong thời gian cao điểm thì lại không đủ nguồn cung cấp nên nước này đang phải chú trọng nghiên cứu triển khai lưới điện thông minh để tối ưu hóa công suất của toàn mạng trong giờ cao điểm.

Hệ thống DR trước đây thường được gắn với việc điều tiết cho các khách hàng có sản lượng điện tiêu thụ lớn. Nhưng gần đây khái niệm DR bắt đầu được hiểu là áp dụng cho các hộ sử dụng điện có sản lượng trung bình và thấp. Tiêu biểu cho việc triển khai DR một cách linh hoạt và rộng rãi là tiểu bang California của Hoa Kỳ, nơi mà các đối tượng khách hàng đều được triển khai DR.

Tính năng dự đoán của lưới điện thông minh

Một lưới điện thông minh không chỉ thông minh mà nó còn có thể dự đoán trước những vấn đề có thể xảy ra trên hệ thống nhờ vào các bộ cảm biến và các bộ xử lý tập trung. Lưới điện thông minh có thể dự đoán và cảnh bảo cho những người quản lý hệ thống về những vấn đề trên lưới điện ngay khi nó xảy ra, hoặc thậm chí là trước khi nó xảy ra. Một khi sự cố xảy ra, lưới điện thông minh có thể biết trước khi khách hàng gọi đến để thông báo về sự cố nhờ vào các công tơ thông minh.

Ngoài việc các công tơ thông minh, các thiết bị giám sát hoạt động của các máy biến áp cũng có hiệu quả rất lớn trong việc thu thập thông tin về các sự cố có thể xảy ra. Việc này khá quan trọng vì các máy biến áp có thởi gian sử dụng lâu năm thì càng có khả năng xảy ra sự cố, và sự cố của máy biến áp thường gây ảnh hưởng tiêu cực trong phạm vi rộng lớn. Vì vậy mà công ty điện lực tại tiểu bang Florida – Hoa Kỳ đã lắp đặt đến 10.000 thiết bị giám sát hoạt động của hệ thống máy biến áp đã sử dụng trên 40 năm của họ để phòng tránh sự cố.

Ngoài ra, trên hệ thống điện phân phối, lưới điện thông minh còn có khả năng dò tìm sự cố và duy trì hoạt động cấp điện một cách tự động. Khi khách hàng gọi đến để báo về sự cố thì đa phần là sự cố xảy ra trên mạng điện trong nhà của họ. Hàng năm, nhờ vào lưới điện thông minh mà công ty điện lực tại tiểu bang Florida – Hoa Kỳ đã giúp giải quyết từ xa 32.000 sự cố của khách hàng, giúp giảm 5.3 triệu phút mất điện do sự cố gây ra. Hiệu quả là rất lớn do khách hàng có điện sử dụng liên tục, còn công ty điện lực thì duy trì được sản lượng và doanh thu bán điện.

Con đường dài phía trước

Mặc dù đã có nhiều tiến triển trong việc triển khai lưới điện thông minh thi vẫn còn khá nhiều việc phải làm. Triển khai công nghệ phù hợp là một trong những yếu tố dẫn đến thành công. Thông thường các thiết bị của lưới điện thông minh sẽ được sản xuất ra với các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế. Như vậy yêu cầu đặt ra là công nghệ và các thành phần cấu thành lưới điện thông minh phải tương thích với nhau. Kinh doanh (mua bán điện) và các mô hình tài chính liên quan cũng cần phải được hòa hợp và có tương tác với mối quan hệ mà lưới điện thông minh tạo ra giữa khách hàng và các ứng dụng mà lưới điện thông minh mang lại. Có thể nói lưới điện thông minh sẽ tạo ra một hệ sinh thái mới trong đó lưới điện thông minh sẽ điều tiết và tận dụng được sản lượng điện tại các hộ sử dụng điện cho các công ty phân phối, đồng thời lưới điện thông minh lại giúp các hộ sử dụng điện sử dụng điện hiệu quả để tiết kiệm chi phí, như vậy cả hai bên đều cộng sinh với nhau và đều có lợi nhờ lưới điện thông minh.

Các ứng dụng mới cần có sự đảm bảo để hoạt động ổn định. Các nhà xây dựng chính sách về năng lượng cần có cái nhìn và hành động rõ ràng về việc áp dụng công nghệ mới, về việc xây dựng các khoản thuế mới cũng như các chính sách ưu đãi trong phát triển năng lượng nhằm giúp các nhà đầu tư yên tâm về các khoản đầu tư mà họ bỏ ra, trên cơ sở đó có thể đảm bảo thu hồi vốn và có lãi khi triển khai các công nghệ và thiết bị của lưới điện thông minh. Một khi có chính sách phù hợp và ổn định thì lứoi điện thông minh sẽ được triển khai rộng rãi.

Năm 2013 chứng kiến sự phát triển của lưới điện thông minh trên thế giới với nhiều qui mô khác nhau, với nhiều công nghệ phong phú và hiện đại, bên cạnh đó cũng nổi lên một xu hướng là mục đích triển khai lưới điện thông minh của các quốc gia đã dần dần trở nên giống nhau. Tất cả đều phấn đấu cho một mục tiêu mà có lẽ nhiều năm nữa mới đạt được, đó là tạo ra một lưới điện thông minh hoàn chỉnh, đáp ứng yêu cầu tối ưu hóa hiệu suất của lưới điện hiện hành. Và khi nào mà người ra không còn bàn nhiều đến sự khác biệt giữa lưới điện và lưới điện thông minh thì lúc đó lưới điện thông minh sẽ thực sự tồn tại.

(theo: THÁI SƠN (CPC/Hitachi Power))