Thuỷ điện tích năng: Nguyên lý hoạt động, Ưu – Nhược điểm, Hiệu quả vận hành

VREnergy15/05/2023

Năng lượng điện đóng vai trò vô cùng quan trọng không chỉ trong sinh hoạt hằng ngày của con người mà còn quyết định đến quá trình sản xuất của toàn thế giới. Bởi điều đó cũng thấy rõ nhất khi nhìn vào lịch sử cuối thế kỷ 19 khi năng lượng điện được người Pháp đưa vào sản xuất và kinh doanh ở Việt Nam. 

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ mà ngành điện nói chung và thủy điện nói riêng cũng ngày càng trở nên đa dạng. Và hiện tại, thuật ngữ thủy điện tích năng đang được quan tâm và trở thành đề tài “nóng” khi nói về ngành điện nước ta. Vậy thủy điện tích năng là gì? Các vấn đề liên quan đến thủy điện tích năng sẽ được giải đáp ngay trong bài viết dưới đây.

Thủy điện tích năng là gì?

Thủy điện tích năng là một dạng thủy điện, có tác dụng dự trữ năng lượng, với công dụng chính là tích lũy điện năng để bổ sung cho hệ thống vào những lúc cần thiết. Nó là giải pháp nhằm cân bằng phụ tải hỗ trợ cho các nhà máy điện khác hoạt động được hiệu quả hơn. 

Thủy điện tích năng được phát minh như một bình ắc quy của hệ thống điện, có thể bổ sung nguồn năng lượng điện bất cứ lúc nào khi đã được dự trữ đầy. Đây là một giải pháp vô cùng cấp thiết nhất là trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng điện ngày nay chưa có dấu hiệu chuyển biến tích cực. Đồng thời mục tiêu của Net Zero đang đến rất gần.

Nguyên lý hoạt động của thủy điện tích năng

Mô hình của thủy điện tích năng là hai hồ chứa nước ở hai cao độ khác nhau và một nhà máy thủy điện. Nhà máy thủy điện sẽ có tuabin thuận nghịch nằm ở gần hồ chứa bên dưới, nối bằng đường ống áp lực với hồ chứa bên trên. Nguyên tắc vận hành thủy điện tích năng dựa trên sự cân bằng nhu cầu phụ tải của hệ thống điện.

Trong giờ cao điểm, khi nhu cầu dùng điện cao, nước được xả qua đường ống áp lực từ hồ chứa bên trên, làm quay tuabin để phát điện lên hệ thống, nước xả được trữ trong hồ bên dưới. 

Trong giờ thấp điểm, khi nhu cầu dùng điện thấp, nhà máy lấy điện từ hệ thống để bơm ngược nước từ hồ chứa bên dưới lên hồ chứa bên trên thông qua tuabin hai chiều, lúc này vận hành như một máy bơm. 

Thủy điện tích năng không chỉ là một đơn vị sản xuất điện, mà còn vừa là một đơn vị tiêu thụ điện. Cơ sở thực tiễn cho phương thức vận hành này là sự chênh lệch giá điện giữa giờ cao điểm và giờ thấp điểm.

Ưu – nhược điểm của thủy điện tích năng

Vai trò quan trọng của thủy điện tích năng là phát điện phủ đỉnh – điền đáy biểu đồ phụ tải hàng ngày. Thực tế cho thấy, thủy điện tích năng sẽ giúp ổn định hệ thống, dự phòng nguồn năng lượng điện cần thiết khi nhà máy bị thiếu hụt điện trong quá trình vận hành, từ đó điều chỉnh tần số. 

Đặc biệt giúp ổn định dòng điện trong giờ cao điểm và trong bối cảnh hệ thống công suất lắp đặt của các nhà máy điện mặt trời đang tăng rất cao.

Ưu điểm

Thủy điện tích năng là một giải pháp làm tăng tính hiệu quả của hệ thống phụ tải. Nó có lợi thế khi tận dụng tối đa điện năng dư thừa từ các nhà máy nhiệt điện (điện than, điện khí, điện nguyên tử…) trong giờ thấp điểm. Từ đó giúp làm tăng sự ổn định cho các nhà máy khác.

Là một bình chứa dự phòng khi nhu cầu sử dụng điện tăng đột ngột thì các nhà máy điện sẽ không bị quá tải và thiếu hụt nguồn điện. Đây thực sự là một phương pháp tối ưu trong việc sử dụng nguồn năng lượng tự nhiên, vừa kịp thời vừa an toàn và đặc biệt rất thân thiện với môi trường.

Thêm nữa, phương pháp này không cần nhiều tới hồ chưa, không bị ảnh hưởng và phụ thuộc nhiều vào chế độ thủy văn hàng năm.

Nhược điểm 

Nhược điểm chủ yếu của thủy điện tích năng là hiệu suất vận hành chưa cao (đạt khoảng 70-85%).

Không giống như một nhà máy điện độc lập, thủy điện tích năng gặp hạn chế khi chỉ có thể phát huy tác dụng như một bình chứa năng lượng dự phòng trong một hệ thống điện công suất tương đối lớn.

Để thiết lập mô hình thủy điện tích năng cần được xây dựng trên một địa hình đặc biệt, đó là những khu vực có chênh lệch độ cao lớn nhưng phải ở gần nguồn nước để bố trí hai hồ chứa. Chính vì đặc điểm này nên phương pháp này cũng gặp khó khăn trong việc chọn địa điểm địa hình để thực hiện sao cho phù hợp nhất.

5 yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả vận hành thủy điện tích năng

Trong một số trường hợp, thủy điện tích năng còn được xây dựng dựa trên việc lấy biển, đại dương làm hồ chứa bên dưới.

• Điều kiện tự nhiên: Vì các thủy điện tích năng cần vận hành theo nguyên tắc sự chênh lệch độ cao giữa hồ trên hồ dưới, điều kiện xây dựng hồ trên, hồ dưới. Chính vì vậy địa hình là một vấn đề quan trọng trong sự lựa chọn xây dựng vì nó quyết định đến sức chưa cũng như khả năng vận hành của chúng. 
• Vị trí: Thủy điện tích năng sinh ra là để giúp hỗ trợ cho nhà máy nên cần lựa chọn vị trí càng gần phụ tải điện càng giúp giảm thiểu chi phí truyền tải.
• Giá điện: Hiệu quả kinh tế của thủy điện tích năng sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp từ việc chênh lệch giá mua điện lúc thấp điểm và cao điểm. Sự chênh lệch này sẽ tỷ lệ thuận cực đến phát triển của nhà máy dạng này. Chính vì vậy, đây là vấn đề lớn mà bất cứ nhà máy thủy điện tích năng đặc biệt quan tâm.
• Sự phát triển của công nghệ: Một nhà máy vận hành hiệu quả khi có chi phí thấp, điều này được quyết định bởi công nghệ áp dụng của chúng. Công nghệ càng hiện đại thì sẽ tối ưu được chi phí vận hành và đồng thời cũng nâng cao được chất lượng của nhà máy.
• Các yêu cầu về môi trường, bảo vệ sinh thái: Sự phát triển của thủy điện tích năng liên quan đến môi trường. Bởi các yêu cầu ngày càng cao về môi trường sinh thái  sẽ nâng cao giải pháp khai thác điện sạch, đem lại hiệu quả cao.

Thủy điện tích năng ở Việt Nam

Tập đoàn điện lực Việt Nam đã và đang nghiên cứu dự án thủy điện tích năng tiềm năng dưới sự tư vấn của các chuyên gia Nhật Bản (JICA). 

Thủ tướng chính phủ đã phê duyệt cho Dự án thủy điện tích năng Bác Ái tỉnh Ninh Thuận (công suất 1200MW) đã được EVN chính thức phê duyệt  báo cáo tiền khả thi (tháng 5/2015) và đang tiến hành các công tác khảo sát, thiết kế (do công ty CP TVXD Điện 4 thực hiện).

Vào đầu năm 2020, đánh dấu công trình nhà máy thủy điện tích năng đầu tiên tại Việt Nam được xây dựng ở tỉnh Ninh Thuận và có tên là thủy điện tích năng Bác Ái. Dự án gồm 4 tổ máy, với công suất 1.200 MW với tổng mức đầu tư khoảng 21.100 tỷ đồng. 

Hồ dưới của công trình này được sử dụng từ nguồn nước từ hồ Sông Cái thuộc hệ thống thủy lợi Tân Mỹ. Nước được bơm lên hồ trên tích nước để phát điện thông qua 2 đường ống song song có đường kính thay đổi từ 5,5 đến 7,5 m, dài 2,7 km. Nhà máy được trang bị nhiều thiết bị hiện đại như bơm, tuabin đảo chiều và động cơ, máy phát đảo. Dự án vẫn đang được triển khai và dự kiến sẽ hoàn thiện vào năm 2028.

Thủy điện Tích năng Bác Ái có vai trò quan trọng trong hệ thống điện quốc gia, có nhiệm vụ phát điện phủ đỉnh – điền đáy biểu đồ phụ tải hàng ngày. Công trình không chỉ giúp dự phòng công suất phát, giúp ổn định hệ thống mà còn giúp điều chỉnh tần số, là công cụ giúp điều độ hệ thống điện quốc gia vận hành ổn định, an toàn tin cậy.

Người viết: Đỗ Việt Hùng – Phòng kỹ thuật.