Bùng nổ thị trường lưới điện siêu nhỏ

Tính đến năm 2020, thị trường của các lưới điện siêu nhỏ dự kiến đạt doanh thu hàng năm khoảng 40 tỷ USD. Có thể nói thị trường này đã phát triển từ các nghiên cứu mang tính thử nghiệm và hiện nay đã dần đạt đến quy mô thương mại. Các nhà nghiên cứu về năng lượng cho rằng thị trường này sắp tới sẽ có hiện tượng bùng nổ, đồng thời sẽ mang đến nhiều điều lý thú cho các nhà đầu tư muốn đầu tư vào lĩnh vực này.

Khi siêu bão Sandy đổ bộ vào nước Mỹ trong tháng 10 năm ngoài, nó đã gây ra thiết hại rất lớn, ước tính lên đến 71 tỷ USD, trong đó có thiệt hại nặng nề của toàn bộ lưới điện trong khu vực mà cơn bão đi qua, gây mất điện trên diện rộng đối với 3,5 triệu hộ khách hàng sử dụng điện. Một hiệu ứng khác của siêu bão Sandy là từ thời gian đó đến nay đã diễn ra một cuộc tranh luận về hiệu quả của lưới điện phân tán so với lưới điện tập trung, đặc biệt là việc khai thác các lưới điện siêu nhỏ sẽ giảm thiểu thiệt hại của toàn bộ hệ thống điện, đồng thời giảm thiệt hại cho khách hàng sử dụng điện trong trường hợp xảy ra thiên tai.

Minh chứng cho nhận định trên là một nghiên cứu của Viện Perfect Power tại Hoa Kỳ: nếu 24 tiểu bang của Hoa Kỳ bị ảnh hưởng của siêu bão Sandy sử dụng khoảng 2.000 lưới điệu siêu nhỏ tại các cơ quan thiết yếu của xã hội như cảnh sát, cứu hỏa, y tế, trường học, trạm xăng, khách sạn v…v thì các tiểu bang đều có thể đảm bảo các sinh hoạt thiết yếu cho cộng đồng trong vòng một tháng mà không phải kết nối với lưới điện phân phối tập trung vốn đã bị thiệt hại nghiêm trọng do siêu bão Sandy gây ra.

Nghiên cứu này rất phù hợp với các nghiên cứu trước đây về lưới điện siêu nhỏ do hãng Navigant Research thực hiện. Navigan Research dự đoán rằng, thị trường của lưới điện siêu nhỏ sẽ đạt doanh thu khoảng 40 tỷ USD/năm vào năm 2020. Và vào tháng Ba năm nay, Diễn đàn toàn cầu về lưới điện siêu nhỏ được tổ chức tại California một lần nữa đã khẳng định sự quan tâm rất lớn đối với lưới điện siêu nhỏ nhờ vào đặc tính đảm bảo sự ổn định và độc lập về năng lượng cho các khách hàng sử dụng điện.

Vậy thì lưới điện siêu nhỏ là gì? Có thể có nhiều định nghĩa cho khái niệm này, nhưng một định nghĩa tương đối đầy đủ là của Navigan Research: “Lưới điện siêu nhỏ là một hệ thống năng lượng tích hợp bao gồm các nguồn năng lượng phân tán (DER - distributed energy resources), một số phụ tải và hệ thống đo đếm, hệ thống này có thể hoạt động như một lưới điện độc lập, tách khỏi lưới điện phân phối hiện hành”. Chính tính năng hoạt động độc lập đã tạo cho lưới điện siêu nhỏ sự quan tâm đặc biệt tại Châu Mỹ và một số thị trường khác.

Ngoài ra, khái niệm lưới điện siêu nhỏ được nhắc đến khi tại các quốc gia phát triển đã xuất hiện nhu cầu thay thế các lưới điện già cỗi bằng các hệ thống linh hoạt và thông minh hơn. Theo trang điện tử SBI Energy đánh giá thì lưới điện siêu nhỏ có thể được sử dụng như những khối cấu thành lưới điện thông minh.

Thị phần của lưới điện siêu nhỏ

Trong 2 năm qua, phát triển quan trọng nhất của thị trường lưới điện siêu nhỏ non trẻ là sự hình thành quy mô thương mại từ những nghiên cứu mang tính lý thuyết. Theo các nhà nghiên cứu năng lượng chính nhu cầu rất lớn về các hệ thống phát và phân phối năng lượng có thể hoạt động độc lập với lưới điện tập trung đã thúc đẩy sự phát triển của thị trường lưới điện siêu nhỏ.

Các nghiên cứu mở rộng của hãng Navigant Research thì có 5 phân khúc thị trường cơ bản về năng lượng đang được hưởng lợi từ sự phát triển của thị trường lưới điện siêu nhỏ, đó là:

Thương mại/Công nghiệp (5,6%).

Cộng đồng dân cư/Các ngành phục vụ (31,7%).

Các tổ chức/Ngành giáo dục (44,6 %).

Quân đội (6,3%).

Vùng sâu, vùng xa/Khu vực chưa có điện (11,8%).

(Tỷ lệ % thống kê của năm 2011).

Nếu chúng ta xem xét tỷ trọng của thị trường lưới điện siêu nhỏ theo khu vực địa lý thì sẽ thấy khu vực Bắc Mỹ chiếm tỷ trọng lớn nhất, đạt đến 2.088MW cho tất cả các dự án tiền khả thi, khả thi, đang xây dựng và đã đi vào hoạt động.

Các khu vực còn lại của thế giới chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ của thị trường lưới điện siêu nhỏ từ 0,1% vào giữa năm 2011 lên đến 12,7%, tương đương 404MW vào cuối năm 2012.

Khu vực Châu Á – Thái Bình Dương có giảm sút về tỷ trọng, trong khi Châu Âu duy trì thị phần vào khoảng 12%. Theo một số nhà nghiên cứu thì Châu Âu có vẻ đang tập trung nghiên cứu các ý tưởng về cơ sở năng lượng ảo hơn là phát triển lưới điện siêu nhỏ.

Mặc dù có một số lưới điện siêu nhỏ đã và đang được khai thác nhưng chủ yếu vẫn là các thế hệ đầu tiên được vận hành nhân công và chạy bằng máy phát diesel. Trong khi đó thế hệ kế tiếp của lưới điện siêu nhỏ đang được nghiên cứu tích hợp các hệ thống quản lý bằng công nghệ thông tin, các phần mềm phức tạp và các bộ chuyển đổi mới phù hợp với các nguồn điện khác nhau, tất cả tạo nên một hệ thống có độ ổn định và tin cậy cao.

Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ theo dõi một số dự án tiêu biểu về lưới điện siêu nhỏ.

Lưới điện siêu nhỏ 42MW tại San Diego, Hoa Kỳ

Với công suất 42MW, lưới điện siêu nhỏ tại Đại học California, thành phố San Diego đang dẫn đầu trong lĩnh vực này.

Lưới điện siêu nhỏ tại đây gồm: một pin nhiên liệu có công suất 2,8MW sử dụng khí sinh học từ nhà máy xử lý nước thải của thành phố; một pin quang năng có công suất 1,2MW với 2 bộ tập trung quang năng; một hệ thống tồn trữ quang năng tích hợp công suất 30kWh; cộng với một nhà máy điện công suất 27MW có hệ thống làm mát và một hệ thống tồn trữ nhiệt năng có dung tích 15 triệu lít.

Lưới điện siêu nhỏ tại Đại học California còn có một trạm biến áp trung gian 69kV, 96 mạch feeder 12kV đi ngầm và 4 trạm biến áp phân phối phân bổ trên một diện tích khoảng 500 hecta. Theo đánh giá của Đại học California thì lưới điện siêu nhỏ này có hiệu suất rất ấn tượng, đáp ứng đến 92% nhu cầu về điện hàng năm của trường đại học này, bên cạnh đó cũng đảm bảo đáp ứng đến 95% nhu cầu sưởi ấm và làm mát của toàn bộ các khu nhà của trường Đại học California trong mùa Đông và mùa Hè..

Tuy nhiên, lợi ích ấn tượng nhất của việc triển khai lưới điện siêu nhỏ tại Đại học California với một cộng đồng lên đến 45.000 ngàn người là hàng tháng Trường đại học này đã tiết kiệm được một khoản tiền lên đến 850.000 USD nếu so với việc sử dụng điện trực tiếp từ lưới điện tập trung.

Đầu năm 2013, Đại học California đã nhận được một khoản tài trợ khoảng 1,6 triệu USD từ Ủy ban Năng lượng của tiểu bang California để hỗ trợ cho việc phát triển hệ thống lưới điện siêu nhỏ mang tính tiên phong tại đây. Và Đại học California cũng bỏ ra một khoản đối ứng là 1,5 triệu bảng Anh cho khoản tài trợ nói trên. Khoản tiền tài trợ sẽ được đầu tư từng phần vào việc phân tích các công nghệ tồn trữ năng lượng độc lập nhằm gia tăng hiệu suất hoạt động của hệ thống lưới điện siêu nhỏ.

Lưới điện siêu nhỏ của quân đội Mỹ tại Afghanistan

Quân đội Mỹ đã triển khai thử nghiệm dự án Năng lượng điện đi động (PM MEP) gồm hệ thống lưới điện siêu nhỏ tại Afghanistan. Việc làm này được coi là một phần của dự án đột phá, có tác dụng làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu trên chiến trường Afghanistan. Năng lượng là mối quan tâm chính ở các khu vực triển khai quân của Mỹ, vì việc triển khai quân kéo theo các vấn đề về máy phát điện, sử dụng năng lượng và các nguồn năng lượng tái chế.

Giảm nhu cầu về năng lượng trên các chiến trường được xem như là một thách thức quân sự quan trọng của bộ phận cung ứng DOD (thuộc bộ quốc phòng Mỹ). DOD gần đây cũng đưa ra Chiến lược năng lượng hoạt động lần đầu tiên, với mục đích làm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng, hạn chế rủi ro quân đội phải đối mặt khi sử dụng, vận chuyển và dự trữ nguồn năng lượng, giảm thiểu chi tiêu quốc phòng trong vấn đề năng lượng.

Với công suất 1MW, lưới điện siêu nhỏ của quân đội Mỹ tại Afghanistan sẽ thay thế 22 bộ phát điện phức tạp bằng bốn bộ phát điện lớn hơn, đơn giản hóa bảo trì cũng như cắt giảm tiêu thụ nhiên liệu. Lợi ích của lưới điện siêu nhỏ là sự điều chỉnh và khả năng mở rộng các máy phát điện với chất lượng khác nhau. Ví dụ: hệ thống lưới điện siêu nhỏ cung cấp điện cho các thiết bị liên lạc chiến thuật lẫn sinh hoạt của binh lính, nhưng khi gặp sự cố về điện thì không gây ra ảnh hưởng nào đối các hoạt động quân sự trong thời gian thử nghiệm. Cụ thể là lưới điện siêu nhỏ cung cấp điện năng cho nhà bếp, phòng giặt, nhà vệ sinh và lều ngủ. Nếu gặp sự cố về điện, thì các thiết bị radio, radar hoặc các thiết bị quân sự khác không bị cắt theo.

Sự thông minh của hệ thống lưới điện siêu nhỏ còn thể hiện ở khả năng linh hoạt trong quản lý điện, cung cấp nhiệt độ phù hợp với con người và môi trường. Nếu nhiệt độ bên ngoài quá cao, điều hòa cần lạnh hơn thì bộ xử lý của hệ thống sẽ báo số liệu đến các máy phát điện để các máy phát điện tự kết nối với nhau và điều chỉnh nguồn điện cung cấp cho phù hợp. Bên cạnh đó, việc lắp mới các thiết bị vào hệ thống lưới điện siêu nhỏ cũng dễ dàng hơn nhiều so với hệ thống điện hiện nay.

Các nhà quản lý nhà máy năng lượng thông minh hybrid (HI Power) thuộc Cơ quan Nghiên cứu và Phát triển quân đội Mỹ (RDECOM) cho rằng, một người lính có thể đến bất cứ máy phát điện nào thuộc hệ thống lưới điện siêu nhỏ vào bất cứ lúc nào và cắm những thứ cần thiết mà không cần phải lo lắng liệu có quá tải không, không cần phải tính toán, phân tích trước khi cắm. Bởi vì các máy phát điện khi đó sẽ tự động liên lạc với nhau để kiểm soát nhau, nhằm điều chỉnh lượng tải điện phù hợp.

Từ mô hình này, các nhà nghiên cứu quân đội Mỹ đang tiến hành nghiên cứu hộp chuyển đổi năng lượng một cách phổ biến, cho phép các nguồn năng lượng tương tác với nhau. Nghiên cứu này đã qua giai đoạn thử nghiệm và đang được triển khai rộng rãi trong năm 2013.

Trung tâm TARDEC của Quân đội Hoa Kỳ

Trung tâm công nghệ, nghiên cứu và phát triển xe tăng TARDEC (Tank Automotive Research, Development and Engineering Center) tại tiểu bang Michigan cũng là một trong những cơ sở của quân đội Hoa Kỳ được lắp đặt lưới điện siêu nhỏ có tích hợp hệ thống quang năng, được thiết kế và lắp đặt với mục đích đảm bảo an toàn về năng lượng cho 2 phòng thí nghiệm tại đây, cho phép toàn bộ trung tâm hoạt động bình thường trong trường hợp bị ngắt khỏi lưới điện tập trung.

Lưới điện siêu nhỏ tại TARDEC bao gồm một hệ thống điện gió, các pin nhiên liệu, một số nguồn cấp điện, một hệ thống quang năng động và một trạm sạc điện cho các xe ô tô chạy điện của trung tâm này. Các nhà thiết kế lưới điện siêu nhỏ cho TARDEC tính toán rằng công suất dư thừa của lưới điện siêu nhỏ trong một số thời điểm còn có thể được đáp ứng được nhu cầu sử dụng điện tại các khu phức hợp khác của TARDEC ngoài 2 phòng thí nghiệm nói trên.

Việc lắp đặt lưới điện siêu nhỏ tại TARDEC là một bước tiến của quân đội Mỹ trong việc thực hiện kế hoạch ‘Net Zero’ với mục tiêu cho phép các cơ sở của họ chỉ sử dụng lượng điện được sản xuất ngay tại mỗi cơ sở mà không cần điện cung cấp từ lưới điện tập trung. Các kết quả thử nghiệm của ‘Net Zero’ trong môi trương quân đội cũng sẽ được chia xẻ cho lĩnh vực dân sự, thông qua đó giúp thương mại hóa các dự án lưới điện siêu nhỏ trên thị trường, giúp các cộng đồng dân cư từng bước phát triển một hệ thống điện độc lập của riêng họ.

Dự án "Perfect Power" tại Viện Công nghệ Illinois

Dự án "Perfect Power" tại Viện Công nghệ Illinois – Hoa Kỳ (IIT) có thời hạn 5 năm có mục tiêu là tổng kiểm tra toàn bộ hệ thống cung cấp điện năng của cơ sở khoa học này. Và điểm nổi bật của dự án là triển khai một lưới điện siêu nhỏ tại đây. Tính trung bình, hàng năm IIT bị mất điện khoảng 3 lần, gây ảnh hưởng không nhỏ đến hoạt động nghiên cứu và giảng dạy của Viện. Do đó lãnh đạo ở đây mong muốn cải thiện tình hình này. Vào năm 2008, IIT hợp tác với Ủy ban năng lượng quốc gia Hoa Kỳ và công ty điện lực khu vực để triển khai dự án "Perfect Power" với số tiền tài trợ từ Ủy ban năng lượng quốc gia Hoa Kỳ là 7 triệu USD.

Dự án "Perfect Power" được phát triển với 2 trạm biến áp phân phối và 7 mạch vòng cấp điện cho các tòa nhà của IIT. Lượng điện này được cung cấp bởi một số nguồn phát xây dựng ngay trong khuôn viên của IIT, bao gồm các hệ thống quang năng và điện gió.

Lưới điện siêu nhỏ tại IIT được vận hành bởi một bộ điều khiển trung tâm. Nó sẽ phân tích toàn bộ hoạt động của lưới điện siêu nhỏ theo thời gian thực, sau đó sẽ ra lệnh điều tiết hoạt động của từng bộ phận để đảm bảo hiệu quả hoạt động cao nhất. Bộ điều khiển này được lập trình để tập trung nhiều điện năng hơn cho các khu vực quan trọng cũng như giảm lượng điện cung cấp cho các khu vực không được ưu tiên, đồng thời tính toán giá điện cho lượng điện cần mua từ lưới điện tập trung để bổ sung cho tổng lượng điện cần thiết. Từng mạch vòng trong tổng số 7 mạch sẽ được giám sát chặt chẽ, mọi hiện tượng phát sinh đều được cập nhật kịp thời. Tổng vốn đầu tư cho toàn bộ dự án vào khoảng 14 triệu USD, nhưng dựa trên cơ sở số tiền tiết kiệm được khoảng 1,3 triệu USD/năm từ việc giảm mua điện từ lưới điện tập trung sẽ giúp cho IIT nhanh chóng hoàn vốn.

Một số dự án lưới điện siêu nhỏ khác

Tập đoàn Toshiba của Nhật Bản đang triển khai một lưới điện siêu nhỏ tại đảo Miyako với sự phối hợp của Công ty Điện lực Okinawa. Sau khi hoàn thành, dự án này sẽ là dự án lưới điện siêu nhỏ có quy mô lớn nhất tại Nhật Bản.

Nhà tù khổng lồ Santa Rita tại California – Hoa Kỳ cũng đang vận hành một lưới điện siêu nhỏ với số tiền tiết kiệm được là 100.000 USD mỗi năm. Lưới điện này được xây dựng và vận hành bởi Công ty các giải pháp năng lượng Chevron, bao gồm một pin nhiên liệu 1MW, 2 hệ thống quang năng 1,2MW, 5 tuabin gió với công suất 2,3kW/tuabin và một hệ thống tồn trữ năng lượng 2MW.

Về nhà máy điện ảo (VPP - Virtual Power Plant)

Như đã nêu ở trên, Châu Âu không dành cho lưới điện siêu nhỏ sự quan tâm to lớn như ở Hoa Kỳ, thay vào đó họ dành nhiều thời gian nghiên cứu về nhà máy điện ảo (VPP). Trên thực tế VPP là một nhóm các nhà máy điện có công suất nhỏ (hoạt động chủ yếu nhờ nguồn năng lượng tái tạo) vận hành cùng một lúc và được điều khiển bởi một phần mềm phức tạp nhằm tránh sự biến động bất thường về công suất phát của các hệ thống điện gió và quang năng.

Một trong những dự án VPP thú vị nhất hiện đang được triển khai tại đảo Bornholm thuộc Đan Mạch, nơi đây có một cộng đồng dân cư khoảng 42.000 người sinh sống bằng nghề trồng trọt và đánh bắt hải sản trên biển Baltic. Cộng đồng này đang được hưởng lợi từ một dự án VPP lớn nhất thế giới có tên là EcoGrid. Trong vòng 4 năm, một khoản tiền 28 triệu USD được giải ngân để triển khai EcoGrid nhằm kết nối 2.000 hộ dân trên đảo với lưới điện trải dài dọc hòn đảo, lưới điện này giúp các hộ dùng điện tiết giảm lượng điện sử dụng vào giờ cao điểm, đồng thời bán lại lượng điện dư thừa vào giờ thấp điểm cho công ty điện lực.

Như tên gọi của nó, VPP thực sự không tồn tại về mặt vật lý. Trong thực tế VPP sử dụng một cấu trúc lưới điện thông minh nhằm liên kết một cách chặt chẽ nhiều nguồn phát điện độc lập với nhau thành một nguồn phát thống nhất. Một đặc điểm của VPP là nó cho phép liên kết nhiều chủng loại nguồn phát, ví dụ như dự án EcoGrid trên đảo Bornholm bao gồm một nhà máy điện gió công suất 36MW và một nhà máy điện sử dụng nhiên liệu sinh khối công suất 16MW, để vận hành các nhà máy này cần có một hệ thống quản lý trung tâm với phần mềm khá phức tạp.

Những dự án VPP đầu tiên đã phát điện khoảng 10 năm trước đây nhưng mang tính nghiên cứu là chủ yếu. Trong một vài năm gần đây, các nhà đầu tư trên thị trường năng lượng, đặc biệt tại Châu Âu đã từng bước coi VPP là một yếu tố thay thế mang tính thương mại để bổ sung thêm điện năng cho thị trường, cũng như là một công cụ để tăng cường khai thác các nguồn năng lượng tái tạo.

Hãng nghiên cứu Navigant Research ước lượng sản lượng về VPP toàn cầu có thể lên đến 107GW vào năm 2017, mang đến doanh thu khoảng 6,5 tỷ USD. Mặc dù các nghiên cứu về lưới điện siêu nhỏ vẫn vấp phải một số khó khăn về chi phí và khả năng tích hợp hệ thống nhưng lĩnh vực này vẫn sẽ được thúc đẩy phát triển bởi các yếu tố: độ tin cậy của hệ thống, nhiên liệu tăng giá, chi phí khai thác các nguồn năng lượng tái tạo có xu hướng giảm. Và như vậy, chúng ta có thể hy vọng vào một tương lai tươi sáng cho lĩnh vực lưới điện siêu nhỏ.