Thủy điện tích năng là công nghệ được sử dụng rộng rãi và hoàn thiện nhất trong lưu trữ năng lượng quy mô lớn, với công suất lắp đặt có thể đạt đến hàng gigawatt. Hiện nay, thủy điện tích năng là hệ thống lưu trữ năng lượng hoàn thiện nhất và có công suất lắp đặt lớn nhất trên thế giới.
Công nghệ tích năng thủy điện đã trưởng thành và ổn định, mang lại lợi ích tổng hợp cao, thường được sử dụng để điều tiết nhu cầu điện năng vào giờ cao điểm và dự phòng. Tích năng thủy điện là công nghệ được sử dụng rộng rãi và hoàn thiện nhất trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng quy mô lớn, với công suất lắp đặt có thể đạt đến hàng gigawatt.
Theo số liệu thống kê chưa đầy đủ của Ủy ban chuyên môn về lưu trữ năng lượng thuộc Hiệp hội nghiên cứu năng lượng Trung Quốc, thủy điện tích năng hiện là hệ thống lưu trữ năng lượng phát triển nhất và có công suất lắp đặt lớn nhất trên thế giới. Tính đến năm 2019, công suất lưu trữ năng lượng đang hoạt động trên toàn thế giới đạt 180 triệu kilowatt, và công suất lắp đặt của thủy điện tích năng vượt quá 170 triệu kilowatt, chiếm 94% tổng công suất lưu trữ năng lượng toàn cầu.
Các nhà máy thủy điện tích năng sử dụng điện năng được tạo ra trong thời kỳ tải thấp của hệ thống điện để bơm nước lên nơi cao để trữ, và xả nước để phát điện trong thời kỳ tải cao điểm. Khi tải thấp, nhà máy thủy điện tích năng là người sử dụng; khi tải cao điểm, nó là nhà máy phát điện.
Nhà máy tích năng thủy điện có hai chức năng cơ bản: bơm nước và phát điện. Khi tải của hệ thống điện đạt đỉnh, nhà máy hoạt động như một tuabin nước. Độ mở của cánh dẫn hướng tuabin nước được điều chỉnh thông qua hệ thống điều tốc, và thế năng của nước được chuyển hóa thành năng lượng cơ học của sự quay của nhà máy, sau đó năng lượng cơ học được chuyển hóa thành năng lượng điện thông qua máy phát điện;
Khi tải của hệ thống điện thấp, máy bơm nước được sử dụng để bơm nước từ bể chứa thấp hơn lên bể chứa cao hơn. Thông qua sự điều chỉnh tự động của hệ thống điều tốc, độ mở của cánh dẫn hướng được tự động điều chỉnh theo cột nước bơm, và năng lượng điện được chuyển hóa thành năng lượng tiềm năng của nước và được lưu trữ.
Các nhà máy thủy điện tích năng chủ yếu chịu trách nhiệm điều chỉnh tải đỉnh, điều chỉnh tần số, dự phòng khẩn cấp và khởi động lại hệ thống điện, giúp cải thiện và cân bằng tải của hệ thống điện, nâng cao chất lượng cung cấp điện và lợi ích kinh tế của hệ thống điện, đồng thời là xương sống đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả kinh tế và ổn định của lưới điện. Các nhà máy thủy điện tích năng được biết đến như là "bộ ổn định", "bộ điều chỉnh" và "bộ cân bằng" trong vận hành an toàn của lưới điện.
Xu hướng phát triển của các nhà máy thủy điện tích năng trên thế giới là cột nước cao, công suất lớn và tốc độ cao. Cột nước cao có nghĩa là tổ máy được nâng cấp lên cột nước cao hơn, công suất lớn có nghĩa là công suất của một tổ máy liên tục tăng lên, và tốc độ cao có nghĩa là tổ máy sử dụng tốc độ riêng cao hơn.
Cấu trúc và đặc điểm của nhà máy điện
Các công trình chính của nhà máy thủy điện tích năng thường bao gồm: bể chứa thượng lưu, bể chứa hạ lưu, hệ thống cấp nước, xưởng và các công trình chuyên dụng khác. So với các nhà máy thủy điện thông thường, kết cấu thủy lực của nhà máy thủy điện tích năng có những đặc điểm chính sau:
Có hồ chứa thượng lưu và hạ lưu. So với các nhà máy thủy điện thông thường có cùng công suất lắp đặt, dung tích hồ chứa của các nhà máy thủy điện tích năng thường tương đối nhỏ.
Mực nước hồ chứa biến động rất lớn, thường xuyên dâng lên và hạ xuống. Để thực hiện nhiệm vụ giảm tải đỉnh và bù tải đáy trong lưới điện, sự thay đổi mực nước hồ chứa hàng ngày của các nhà máy thủy điện tích năng thường khá lớn, nói chung vượt quá 10-20 mét, và một số nhà máy đạt đến 30-40 mét, và tốc độ thay đổi mực nước hồ chứa tương đối nhanh, thường đạt 5-8m/giờ, thậm chí 8-10m/giờ.
Yêu cầu về phòng chống rò rỉ hồ chứa rất cao. Nếu nhà máy thủy điện tích năng gây ra tổn thất nước lớn do rò rỉ từ thượng nguồn, sản lượng điện của nhà máy sẽ bị giảm. Đồng thời, để ngăn ngừa hiện tượng rò rỉ nước làm xấu đi điều kiện thủy văn địa chất trong khu vực dự án, dẫn đến thiệt hại do rò rỉ và rò rỉ tập trung, các yêu cầu cao hơn cũng được đặt ra đối với công tác phòng chống rò rỉ hồ chứa.
Cột nước cao. Cột nước của các nhà máy thủy điện tích năng thường cao, chủ yếu từ 200 đến 800 mét. Nhà máy thủy điện tích năng Jixi với tổng công suất lắp đặt 1,8 triệu kilowatt là dự án có đoạn cột nước cao 650 mét đầu tiên ở nước ta, và nhà máy thủy điện tích năng Dunhua với tổng công suất lắp đặt 1,4 triệu kilowatt là dự án có đoạn cột nước cao 700 mét đầu tiên ở nước ta. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ thủy điện tích năng, số lượng các nhà máy thủy điện công suất lớn, cột nước cao ở nước ta sẽ ngày càng tăng.
Tổ máy được lắp đặt ở độ cao thấp. Để khắc phục ảnh hưởng của lực nổi và sự thấm nước lên nhà máy thủy điện, các nhà máy thủy điện tích năng quy mô lớn được xây dựng trong và ngoài nước những năm gần đây chủ yếu áp dụng hình thức nhà máy thủy điện ngầm.
Nhà máy thủy điện tích năng lâu đời nhất thế giới là nhà máy thủy điện tích năng Netra ở Zurich, Thụy Sĩ, được xây dựng năm 1882. Việc xây dựng các nhà máy thủy điện tích năng ở Trung Quốc bắt đầu tương đối muộn. Tổ máy thủy điện tích năng dòng chảy xiên thuận nghịch đầu tiên được lắp đặt tại hồ chứa Gangnan năm 1968. Sau đó, với sự phát triển nhanh chóng của ngành năng lượng trong nước, công suất lắp đặt của điện hạt nhân và nhiệt điện tăng nhanh, đòi hỏi hệ thống điện phải được trang bị các tổ máy thủy điện tích năng tương ứng.
Từ những năm 1980, Trung Quốc đã bắt đầu đẩy mạnh xây dựng các nhà máy thủy điện tích năng quy mô lớn. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và ngành điện lực nước nhà, Trung Quốc đã đạt được nhiều thành tựu khoa học và công nghệ đáng kể trong lĩnh vực tự chủ trang thiết bị của các tổ máy thủy điện tích năng quy mô lớn.
Tính đến cuối năm 2020, công suất lắp đặt thủy điện tích năng của nước ta đạt 31,49 triệu kilowatt, tăng 4,0% so với năm trước. Trong năm 2020, tổng công suất thủy điện tích năng quốc gia đạt 33,5 tỷ kWh, tăng 5,0% so với năm trước; công suất thủy điện tích năng mới được bổ sung là 1,2 triệu kWh. Các nhà máy thủy điện tích năng đang hoạt động và đang xây dựng của nước ta đều đứng đầu thế giới.
Tập đoàn Lưới điện Quốc gia Trung Quốc luôn coi trọng việc phát triển thủy điện tích năng. Hiện nay, Tập đoàn này có 22 nhà máy thủy điện tích năng đang hoạt động và 30 nhà máy khác đang được xây dựng.
Năm 2016, việc xây dựng 5 nhà máy thủy điện tích năng ở Trấn An, Thiểm Tây, Jurong, Giang Tô, Thanh Nguyên, Liêu Ninh, Hạ Môn, Phúc Kiến và Fukang, Tân Cương đã bắt đầu;
Năm 2017, việc xây dựng sáu nhà máy thủy điện tích năng ở huyện Yi của Hà Bắc, Zhirui của Nội Mông, Ninghai của Chiết Giang, Jinyun của Chiết Giang, Luoning của Hà Nam và Pingjiang của Hồ Nam đã bắt đầu;
Năm 2019, việc xây dựng năm nhà máy thủy điện tích năng ở Funing ở Hà Bắc, Jiaohe ở Cát Lâm, Qujiang ở Chiết Giang, Duy Phường ở Sơn Đông và Hami ở Tân Cương đã bắt đầu;
Vào năm 2020, bốn nhà máy thủy điện tích năng ở Shanxi Yuanqu, Shanxi Hunyuan, Chiết Giang Pan'an và Shandong Tai'an Giai đoạn II sẽ khởi công xây dựng.
Đây là nhà máy thủy điện tích năng đầu tiên của nước ta với thiết bị vận hành hoàn toàn tự động. Vào tháng 10 năm 2011, nhà máy đã được hoàn thành thành công, đánh dấu việc nước ta đã nắm vững công nghệ cốt lõi trong phát triển thiết bị vận hành nhà máy thủy điện tích năng.
Tháng 4 năm 2013, Nhà máy thủy điện tích năng Phúc Kiến Tiên Du chính thức đi vào hoạt động phát điện; tháng 4 năm 2016, Nhà máy thủy điện tích năng Chiết Giang Tiên Cầu với công suất 375.000 kilowatt đã được kết nối thành công với lưới điện. Việc ứng dụng và sử dụng rộng rãi các tổ máy thủy điện tích năng tự vận hành quy mô lớn ở nước ta đã được phổ biến và triển khai liên tục.
Đây là nhà máy thủy điện tích năng cột nước cao 700 mét đầu tiên của nước ta. Tổng công suất lắp đặt là 1,4 triệu kilowatt. Vào ngày 4 tháng 6 năm 2021, Tổ máy số 1 đã được đưa vào vận hành để phát điện.
Nhà máy thủy điện tích năng có công suất lắp đặt lớn nhất thế giới hiện đang được xây dựng. Tổng công suất lắp đặt là 3,6 triệu kilowatt.
Hệ thống tích năng thủy điện có đặc điểm cơ bản, toàn diện và phục vụ cộng đồng. Nó có thể tham gia vào các dịch vụ điều tiết của hệ thống điện mới, bao gồm nguồn điện, mạng lưới, phụ tải và khâu lưu trữ, mang lại lợi ích toàn diện đáng kể. Nó đảm nhiệm các chức năng quan trọng như ổn định nguồn điện an toàn, cân bằng năng lượng sạch, ít phát thải carbon và điều tiết hiệu quả cao cho hệ thống điện.
Thứ nhất là giải quyết hiệu quả vấn đề thiếu công suất dự trữ đáng tin cậy của hệ thống điện trong bối cảnh tỷ lệ năng lượng mới thâm nhập cao. Với lợi thế điều chỉnh đỉnh công suất kép, chúng ta có thể nâng cao khả năng điều chỉnh đỉnh công suất lớn của hệ thống điện, và giảm thiểu vấn đề cung cấp phụ tải đỉnh do sự không ổn định của năng lượng mới và phụ tải đỉnh do sự suy giảm sản lượng gây ra. Những khó khăn về tiêu thụ do sự phát triển quy mô lớn của năng lượng mới trong giai đoạn này có thể thúc đẩy tốt hơn việc tiêu thụ năng lượng mới.
Thứ hai là xử lý hiệu quả sự không phù hợp giữa đặc tính đầu ra của năng lượng mới và nhu cầu tải, dựa vào khả năng điều chỉnh linh hoạt và phản ứng nhanh, để thích ứng tốt hơn với tính ngẫu nhiên và biến động của năng lượng mới, và đáp ứng nhu cầu điều chỉnh linh hoạt do năng lượng mới “phụ thuộc vào thời tiết” mang lại.
Thứ ba là giải quyết hiệu quả vấn đề mômen quán tính không đủ của hệ thống điện năng lượng mới tỷ lệ cao. Với ưu điểm mômen quán tính cao của máy phát đồng bộ, nó có thể tăng cường hiệu quả khả năng chống nhiễu của hệ thống và duy trì sự ổn định tần số của hệ thống.
Thứ tư là xử lý hiệu quả tác động tiềm tàng đến an toàn của dạng “cao kép” đối với hệ thống điện mới, đảm nhận chức năng dự phòng khẩn cấp và đáp ứng các nhu cầu điều chỉnh đột ngột bất cứ lúc nào với khả năng khởi động/dừng nhanh và tăng công suất nhanh. Đồng thời, với tư cách là một tải có thể ngắt, nó có thể loại bỏ an toàn tải định mức của tổ máy bơm với thời gian phản hồi mili giây và cải thiện hoạt động an toàn và ổn định của hệ thống.
Thứ năm là xử lý hiệu quả chi phí điều chỉnh cao do việc kết nối lưới điện năng lượng mới quy mô lớn gây ra. Thông qua các phương pháp vận hành hợp lý, kết hợp với nhiệt điện để giảm lượng khí thải carbon và tăng hiệu quả, giảm thiểu việc bỏ hoang năng lượng gió và mặt trời, thúc đẩy phân bổ công suất và cải thiện hiệu quả kinh tế tổng thể cũng như hoạt động sạch của toàn hệ thống.
Tăng cường tối ưu hóa và tích hợp các nguồn lực hạ tầng, phối hợp quản lý an toàn, chất lượng và tiến độ của 30 dự án đang thi công, đẩy mạnh việc cơ giới hóa thi công, điều khiển thông minh và tiêu chuẩn hóa thi công, tối ưu hóa thời gian thi công, đảm bảo công suất thủy điện tích năng sẽ vượt quá 20 triệu kilowatt trong thời kỳ “Kế hoạch 5 năm lần thứ 14”, và công suất lắp đặt vận hành sẽ vượt quá 70 triệu kilowatt vào năm 2030.
Thứ hai là tập trung vào quản lý tinh gọn. Tăng cường hướng dẫn lập kế hoạch, tập trung vào mục tiêu “giảm phát thải carbon kép” và thực hiện chiến lược của công ty, chuẩn bị kỹ lưỡng kế hoạch phát triển “Kế hoạch 5 năm lần thứ 14” cho thủy điện tích năng. Tối ưu hóa khoa học các quy trình công việc sơ bộ của dự án, đẩy nhanh tiến độ nghiên cứu khả thi và phê duyệt dự án một cách có trật tự. Tập trung vào an toàn, chất lượng, thời gian thi công và chi phí, tích cực thúc đẩy quản lý và kiểm soát thông minh, cơ giới hóa thi công và xây dựng xanh trong các công trình kỹ thuật để đảm bảo các dự án đang thi công có thể thu được lợi nhuận trong thời gian sớm nhất.
Tăng cường quản lý vòng đời thiết bị, nghiên cứu sâu hơn về dịch vụ lưới điện của các tổ máy, tối ưu hóa chiến lược vận hành của các tổ máy, và phục vụ đầy đủ cho hoạt động an toàn và ổn định của lưới điện. Tăng cường quản lý tinh gọn đa chiều, đẩy nhanh việc xây dựng chuỗi cung ứng thông minh hiện đại, cải thiện hệ thống quản lý vật tư, phân bổ vốn, nguồn lực, công nghệ, dữ liệu và các yếu tố sản xuất khác một cách khoa học, tích cực nâng cao chất lượng và hiệu quả, và nâng cao toàn diện hiệu quả quản lý và hiệu quả hoạt động.
Thứ ba là tìm kiếm những đột phá trong đổi mới công nghệ. Thực hiện sâu rộng “Kế hoạch hành động bước nhảy vọt mới” về đổi mới khoa học và công nghệ, tăng cường đầu tư vào nghiên cứu khoa học và nâng cao khả năng đổi mới độc lập. Tăng cường ứng dụng công nghệ tổ máy điều tốc, đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển công nghệ tổ máy công suất lớn 400 megawatt, đẩy nhanh việc xây dựng các phòng thí nghiệm mô hình bơm-tuabin và phòng thí nghiệm mô phỏng, và nỗ lực hết sức để xây dựng một nền tảng đổi mới khoa học và công nghệ độc lập.
Tối ưu hóa bố cục nghiên cứu khoa học và phân bổ nguồn lực, tăng cường nghiên cứu công nghệ cốt lõi của thủy điện tích năng, và nỗ lực khắc phục vấn đề kỹ thuật “bế tắc”. Nghiên cứu sâu hơn về ứng dụng các công nghệ mới như “Chuỗi thông minh IoT đám mây lớn”, triển khai toàn diện việc xây dựng các nhà máy điện thông minh số hóa, và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi số của doanh nghiệp.
Thời gian đăng bài: 07/03/2022
