Thủy điện tích năng - Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động | Cộng đồng Kỹ thuật cơ điện Việt Nam EBOOKBKMT

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 (PSH - Pumped-storage hydroelectricity), hay lưu trữ năng lượng thủy điện được bơm (PHES - pumped hydroelectric energy storage), là một loại lưu trữ năng lượng thủy điện được sử dụng bởi các hệ thống điện để cân bằng phụ tải. Phương pháp này lưu trữ năng lượng dưới dạng thế năng hấp dẫn của nước, được bơm từ bể chứa có độ cao thấp hơn lên độ cao cao hơn, 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.

Thời gian tích năng lượng thích hợp là khi phụ tải ở thấp điểm (vào ban đêm - khi nhu cầu phụ tải thấp nhất, hoặc lúc thấp điểm trưa - khi bức xạ mặt trời lớn nhất).

Nhà máy thủy điện tích năng không sản xuất thêm điện năng mà chỉ góp phần điều hòa lượng điện theo sự thay đổi nhu cầu sử dụng điện (phụ tải) trong ngày giữa lúc cao điểm (thường là ban ngày và buổi tối) và lúc thấp điểm (thường là ban đêm, hoặc cuối tuần khi nhu cầu điện thấp hơn), khi có điện mặt trời nối lưới thì hiện tượng thừa điện lại xảy ra vào khoảng 10-14 giờ trong ngày lúc lượng bức xạ mặt trời lớn nhất.

Nguyên lý hoạt động của thủy điện tích năng

Nhà máy thủy điện kiểu tích năng là nhà máy thủy điện không sử dụng năng lượng dòng sông mà chỉ biến đổi 2 chiều điện năng thành cơ năng của nước và ngược lại. Nhà máy thủy điện kiểu tích năng có sơ đồ gần giống với nhà máy thủy điện kiểu hỗn hợp. Sự khác biệt chủ yếu là trong nhà máy vừa có turbine nước vừa có bơm và phải có 2 hồ chứa trên thượng lưu và hồ chứa dưới hạ lưu. Turbine để quay máy phát điện khi cần phát điện năng lên hệ thống điện, còn bơm sử dụng điện lưới để bơm nước lên hồ. Người ta cũng chế tạo kiểu turbine nước đặc biệt, có thể làm việc ở cả chế độ bơm nhằm giảm chi phí tổ máy.

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.

Các loại sơ đồ nhà máy thủy điện tích năng

Sơ đồ 4 máy

Sơ đồ 4 máy bao gồm turbine, máy phát, máy bơm, động cơ điện bố trí thành các tổ máy độc lập. Trong sơ đồ này mỗi tổ máy (bơm hoặc turbine) được thiết kế theo chế độ làm việc tối ưu của mình, không phụ thuộc vào nhau ví dụ như ở nhà máy thủy điện tích năng Raysek Kraysek của Áo có cột nước cao 1772m, sử dụng turbine gáo và máy bơm đa cấp. Sơ đồ này có vốn đầu tư lớn nên không được sử dụng phổ biến.

Sơ đồ 3 máy

Sơ đồ 3 máy bao gồm turbine, máy bơm, động cơ điện thuận nghịch động cơ-máy phát) bố trí kết hợp vào một tổ máy. Sơ đồ này được sử dụng ở các nước Tây Âu. Trong sơ đồ này thì máy bơm bao giờ cũng bố trí phía dưới turbine vì độ cao hút Hs của máy bơm thường nhỏ hơn so với turbine. Trục nối từ turbine tới máy mơi xuyên qua ống hút turbine.

Giữa turbine và máy bơm có bố trí khớp ly hợp 4 để tách rời nhau khi tổ máy làm việc ở chế độ máy phát điện, làm như vậy tránh được việc hút nước ra khỏi máy bơm ở chế độ này và tổn thất quạt gió khi máy bơm quay cùng chiều turbine. Sơ đồ thường sử dụng ở các nhà máy có cột nước cao, có turbine gáo (H>300m) và máy bơm nhiều cấp. Với sơ đồ này turbine gáo đặt cao hơn mực nước hạ lưu lớn nhất khi tổ máy làm việc ở chế độ bơm không phải hút nước ra khỏi buồng xoắn và turbine tránh tổn thất năng lượng.

Sơ đồ 2 máy thuận nghịch

Sơ đồ 2 máy thuận nghịch turbine- bơm, động cơ - máy phát bố trí trong một tổ máy. Các lại turbine này có thể làm việc theo hai chức năng máy bơm hoặc turbine khi đổi chiều và máy phát cũng có thể làm việc ở chế độ động cơ. Những tổ máy như vậy thường gọi là tổ máy thuận nghịch. Do chiều quay của hai chế độ ngược nhau nên quá trình chuyển tiếp khá phức tạp. Nhưng giảm được một máy thủy lực, khớp li hợp và một số van. Do đó, có thể giảm được 30% vốn đầu tư thiết bị so với sơ đồ ba máy, đồng thời rút ngắn chiều cao nhà máy khoảng 30-35%, giảm được chi phí xây dựng. Về kết cầu thì không khác nhà máy thủy điện thông thường. Điểm khác là khi làm việc chế độ bơm có hệ số khí thực cao, độ sâu Hs nhỏ nên turbine phải để thấp hơn hạ lưu từ 9÷15% cột nước công tác. Kiểu sơ đồ 2 máy thuận nghịch thường sử dụng với các nhà máy có cột nước H<150m.

Hiện tại trên thế giới thường sử dụng sơ đồ 2 máy hoặc 3 máy. Do phạm vi sử dụng cột nước của nhà máy thủy điện tích năng tương đối rộng, nên có thể áp dụng được các loại turbine hướng trục, tâm trục, cánh chéo. Hiệu quả hoạt động của nhà máy thủy điện tích năng này rất lớn, nhờ khả năng điều chỉnh công suất nhanh trong phạm vi rộng, có tác dụng san bằng đồ thị phụ tải do đó giảm được tổn thất công suất, nâng cao hiệu quả cho nhà máy làm việc kinh tế hơn, và hiệu quả kinh tế lớn hơn rất nhiều so với tổn thất năng lượng do hai lần biến đổi, tức là khả năng cắt đỉnh và bù đáy của biểu đồ phụ tải tổng hệ thống. Với cột nước càng cao thì tổn thất năng lượng càng thấp, do đó vị trí có thể xây dựng hồ nước cao là tiêu chuẩn ưu tiên cho xây dựng nhà máy thủy điện tích năng.

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.

NGUỒN THAM KHẢO: (https://vrenergy.vn/) & (Internet)

ĐẶT MUA SÁCH GIÁO TRÌNH THỦY ĐIỆN NGAY TẠI ĐÂY > > >

LINK 1 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 2 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 3 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 4 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

Xây dựng cơ sở dữ liệu và mô hình 3D địa chất công trình dự án thủy điện tích năng Bác Ái

LINK DOWNLOAD

BÀI GIẢNG - Chương 2 - Nhà máy thủy điện tích năng (Nguyễn Tiến Dũng)

LINK DOWNLOAD

Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhà máy thủy điện tích năng đến hiệu quả vận hành của hệ thống điện - Dương Minh Hải (Full)

LINK DOWNLOAD

SLIDE THUYẾT TRÌNH - Nhà máy thủy điện tích năng (Lê Văn Vinh)

LINK DOWNLOAD

Tìm hiểu nguyên lý làm việc, hoạt động và xây dựng mô hình vào điều khiển hoạt động của nhà máy thủy điện tích năng dựa vào sự thay đổi công suất của hệ thống

LINK DOWNLOAD

Pumped Storage Hydropower - A Technical Review (Brandi A. Antal)

LINK DOWNLOAD

Pumped Storage Hydropower (Atle Harby)

LINK DOWNLOAD

VIDEO THAM KHẢO: