Nguồn: Internet 

Chuyển dịch năng lượng và các thách thức với nhà máy điện TBKHH

Chuyển dịch năng lượng toàn cầu được thúc đẩy bởi yêu cầu phải giảm phát thải khí nhà kính về giá trị ròng bằng 0 vào năm 2050 nhằm giữ mức tăng nhiệt độ toàn cầu ở 1,5 độ C (so với thời kỳ tiền công nghiệp).

Đáp ứng mục tiêu đó, quá trình chuyển dịch năng lượng đã và đang diễn ra theo các xu hướng chính như sau:

Khử cacbon (Decarbonization) với các giải pháp: loại bỏ điện than, tiếp tục phát triển nhà máy điện TBKHH đốt khí thiên nhiên trong giai đoạn chuyển tiếp, tăng tốc khai thác năng lượng tái tạo, phát triển các hệ thống lưu trữ năng lượng, thúc đẩy sản xuất và sử dụng hydro xanh …

Phân tán hay phi tập trung hệ thống điện (Decentralization): dịch chuyển từ lưới điện lớn, tập trung sang phân tán thành các lưới điện nhỏ nhằm bảo đảm năng lượng được tạo ra sẽ được tiêu dùng tại các hộ tiêu thụ lân cận.

Khai thác cơ hội số (Digitalization): đẩy mạnh ứng dụng các công nghệ số, dữ liệu và các nền tảng số nhằm quản lý và sử dụng năng lượng hiệu quả. Thúc đẩy phát triển và ứng dụng song sinh số (Digital Twin).

Phù hợp với các xu thế đó của quá trình chuyển dịch năng lượng, các nhà chế tạo OEM chú trọng nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp nhằm giải quyết các vấn đề thách thức chính sau đây khi phát triển các nhà máy điện TBKHH mới:

• Nâng cao hiệu suất vận hành phát điện;
• Khả năng tương thích với tỷ trọng tăng cao của các nguồn năng lượng tái tạo;
• Thích ứng với dải nhiên liệu vận hành mở rộng;
• Giảm phát thải khí CO₂;
• Thúc đẩy ứng dụng công nghệ số;
• Giảm chi phí sản xuất điện quy đổi.    

Nâng cao hiệu suất vận hành phát điện

Lợi ích của việc nâng cao hiệu suất là đáp ứng các mục tiêu giảm phát thải khí CO₂ và đồng thời giảm chi phí sản xuất điện quy đổi nhờ giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ. Vì vậy, 20 năm vừa qua chứng kiến “cuộc đua” về hiệu suất của tổ máy tuabin khí và nhà máy điện TBKHH của các nhà chế tạo OEM, như minh họa tại hình 1.

Hiện nay, có tổ máy tuabin khí đã đạt được hiệu suất khoảng 44% khi vận hành ở chu trình đơn và khoảng 64% khi vận hành ở chu trình hỗn hợp (bảng 1). Không dừng lại ở đó, các nhà chế tạo OEM tiếp tục nghiên cứu phát triển giải pháp nhằm hướng tới mục tiêu đạt hiệu suất nhà máy điện TBKHH tiệm cận 70% và hiệu suất chu trình đơn vượt 50%.

Hình 1. Lịch sử quá trình nâng cao hiệu suất tổ máy tuabin khí [1]

Bảng 1. Các thông số vận hành chính của các tổ máy tuabin khí và nhà máy điện TBKHH (cấu hình 1-1-1) được công bố năm 2022 [2]

Các nhà chế tạo OEM công bố các thông số ở bảng trên đều dựa theo các điều kiện tham chiếu chuẩn (điều kiện ISO). Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phạm vi cung cấp có thể khác nhau (chỉ bao gồm khối nhà máy chính (Power Block) hay gồm cả khối nhà máy chính và các hệ thống phụ trợ (BOP)); ngoài ra, các giả định/giải pháp thiết kế chu trình hơi – nước (Bottoming Cycle) cũng khác nhau tùy thuộc vào từng nhà chế tạo OEM.

Cần lưu ý thêm rằng các thông số vận hành tại các nhà máy thực tế có trị số thấp hơn các số liệu công bố nêu trên. Vì vậy, các số liệu công bố đó chỉ sử dụng cho mục đích tham khảo và các nhà đầu tư/phát triển dự án cần phải xem xét, đánh giá cẩn trọng các thông số vận hành khi lựa chọn nhà cung cấp tuabin khí, trên cơ sở phạm vi cung cấp, các giải pháp thiết kế chu trình hơi – nước, các giải pháp thiết kế các hệ thống phụ trợ BOP và các điều kiện địa điểm đặc thù tại vị trí đặt nhà máy.

Khả năng tương thích với tỷ trọng tăng cao của các nguồn năng lượng tái tạo

Vận hành trong hệ thống điện có tỷ trọng cao của các nguồn điện mặt trời và điện gió, nhà máy điện TBKHH cần được thiết kế có độ linh hoạt vận hành cao như: đạt hiệu suất cao khi vận hành ở chế độ tải lưng, thời gian khởi động và tốc độ thay đổi tải nhanh hơn, số lần lên, xuống máy nhiều hơn.

Các nhà máy điện TBKHH hiện nay có thời gian khởi động nóng khoảng 15 - 30 phút, khởi động ấm khoảng 60 phút, tốc độ thay đổi tải khoảng 40 – 50 MW/phút.

Về mặt hiệu suất, do các nhà máy điện TBKHH dự kiến sẽ vận hành chủ yếu ở chế độ tải lưng (trong hệ thống điện có tỷ trọng năng lượng tái tạo cao) dẫn đến xu hướng chú trọng vào việc đạt được hiệu suất cao ở tải lưng thay vì hiệu suất cao ở tải danh định, như minh họa ở hình 2. 

Hình 2. Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa hiệu suất và tải [3]

Một hướng nghiên cứu phát triển khác hiện nay là tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng (hệ thống lưu trữ năng lượng khí nén, hệ thống lưu trữ không khí lỏng, hệ thống lưu trữ muối nóng chảy …) vào trong nhà máy điện TBKHH (hình 3), nhằm mục đích cải thiện độ linh hoạt, nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy, đồng thời giảm số lần phải dừng máy hoàn toàn và nhờ đó, giảm thiểu tác động đến tuổi thọ thiết bị.

Hình 3. Minh họa ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng trong nhà máy điện

Các nhà đầu tư/phát triển dự án cần nghiên cứu, phân tích và dự báo chế độ vận hành để xác định chế độ phù hợp cho nhà máy điện TBKHH ngay từ giai đoạn chuẩn bị đầu tư, từ đó đưa ra các tiêu chí đánh giá tương ứng nhằm lựa chọn được tổ máy tuabin khí và nhà máy điện TBKHH hiệu quả và đáp ứng tuổi thọ yêu cầu. Tránh trường hợp như ở một số nhà máy điện TBKHH hiện hữu được thiết kế chạy nền nhưng thực tế phải vận hành ở chế độ tải lưng và lên xuống máy thường xuyên hơn theo yêu cầu của hệ thống, làm ảnh hưởng không nhỏ đến tuổi thọ thiết bị.  

Thích ứng với dải nhiên liệu vận hành mở rộng

Các tổ máy tuabin khí cỡ lớn hiện nay chủ yếu đốt khí thiên nhiên hoặc khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG). Tuy nhiên, với sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo và tiềm năng phát triển ngành công nghiệp hydro xanh trong tương lai, các nhà chế tạo OEM đề ra lộ trình phát triển để đốt hỗn hợp hydro với khí thiên nhiên theo tỷ lệ tăng dần và tiến tới đốt nhiên liệu 100% hydro.

Thách thức chính đối với khả năng vận hành ở dải nhiên liệu mở rộng là sự ổn định ngọn lửa (của quá trình cháy) và giảm lượng phát thải NOx.

Giảm phát thải khí CO₂

Việc nâng cao hiệu suất góp phần làm giảm lượng phát thải CO₂ từ nhà máy điện TBKHH. Tuy nhiên, để đáp ứng mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050, cần nhiều giải pháp khác, đặc biệt là các giải pháp khử cacbon như:

• Tích hợp tổ máy tuabin khí với công nghệ thu giữ CO₂ sau quá trình cháy;
• Vận hành tổ máy tuabin khí với nhiên liệu hydro hoặc khí từ nhiên liệu sinh khối hay các khí có hàm lượng cacbon thấp;
• Ứng dụng các chu trình tiên tiến, hiệu suất cao sử dụng các tổ máy tuabin khí đốt nhiên liệu với oxy gần tinh khiết.

Công nghệ thu giữ CO₂ đang áp dụng hiện nay là sử dụng dung dịch amin để thu giữ CO₂ trong các tháp hấp thụ. Một số dự án thí điểm cho các nhà máy điện sử dụng công nghệ này đã và đang triển khai trên thế giới. Tuy nhiên, có rất nhiều rào cản và thách thức đối với việc đưa vào ứng dụng thương mại, đặc biệt là do chi phí đầu tư cao (làm tăng gấp đôi chi phí đầu tư nhà máy điện TBKHH), chiếm mặt bằng lớn (nhà máy thu giữ cacbon có diện tích gần bằng nhà máy điện TBKHH), làm giảm đáng kể hiệu suất và công suất nhà máy điện TBKHH (giảm hiệu suất khoảng 9%, giảm công suất khoảng 10-15%) [2].

Hình 4. Mặt bằng bố trí nhà máy điện TBKHH và nhà máy thu giữ cacbon [2]

Hiện nay, các công nghệ giảm phát thải CO₂ vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu và phát triển trên thế giới với kỳ vọng sẽ có được giải pháp hiệu quả về mặt kỹ thuật và kinh tế được đưa vào vận hành thương mại trong tương lai gần.

Thúc đẩy ứng dụng công nghệ số

Khai thác năng lực vận hành tối đa của nhà máy điện TBKHH (vận hành ở công suất và hiệu suất tối ưu, mở rộng ranh giới vận hành, dự báo, lên kế hoạch vận hành và chào giá phù hợp …) là ưu tiên hàng đầu của các nhà đầu tư/phát triển dự án. Với sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ 4.0, các giải pháp số (Digital solutions) sẽ giúp khai thác hiệu quả nhà máy điện TBKHH. Một số ứng dụng giải pháp số điển hình được trình bày sau đây.

Ứng dụng AI để mở rộng ranh giới vận hành ổn định của nhà máy

Các nhà máy điện được trang bị với hệ thống điều khiển được thiết kế theo một bộ các điều kiện vận hành xác định vùng vận hành ổn định của nhà máy. Vùng vận hành ổn định đó bị giới hạn bởi các hạn mức phát thải, các giới hạn về mặt cơ khí, về mặt nhiệt, về quá trình cháy và giới hạn về mức độ linh hoạt như minh họa ở hình 5a. 

Ứng dụng công cụ AI giúp tối ưu hóa liên tục hiệu suất của nhà máy ở bất kỳ điểm vận hành nào, thay vì bị giới hạn trong một điểm thiết kế cố định, nhờ đó mở rộng vùng vận hành ổn định của nhà máy để bao hàm các kịch bản vận hành tối ưu mới, như thể hiện ở hình 5b.

Hình 5. Mở rộng vùng vận hành ổn định nhờ ứng dụng AI (Nguồn: adexcop.com)

Ứng dụng song sinh số (Digital Twin)

Song sinh số là bản trình diễn ảo của các thực thể và quá trình của thế giới thực, được đồng bộ hóa theo tần suất ấn định và có độ xác thực.

Hình 6. Minh họa về song sinh số (Nguồn: GE Power Digital Solutions)

Hiện nay, có nhiều cách phân loại song sinh số, chẳng hạn phân loại của Siemens như thể hiện tại hình 7.

Hình 7. Các loại song sinh số và ứng dụng (Nguồn: Siemens Energy)

Nhiều nhà phát triển công nghệ đang cung cấp các nền tảng được sử dụng để tạo song sinh số cho công trình năng lượng ngay từ giai đoạn phát triển thiết kế cho đến giai đoạn vận hành và bảo trì công trình.

Các lợi ích chính khi ứng dụng song sinh số như:

• Hỗ trợ đào tạo vận hành nhà máy;
• Theo dõi và tối ưu hóa thông số vận hành;
• Khởi động và thay đổi tải nhanh hơn;
• Vận hành kinh tế nhờ lập kế hoạch trước trên cơ sở đánh giá các giới hạn vận hành, tuổi thọ thiết bị và các điều kiện thị trường vận hành;
• Chủ động theo dõi và quản lý tuổi thọ các tài sản, thiết bị, giảm thời gian ngừng bảo trì, nâng cao độ tin cậy và độ khả dụng.

Giảm chi phí sản xuất điện quy đổi (LCOE)

Các nhà thiết kế, nhà chế tạo OEM đặt mục tiêu tiếp tục giảm chi phí sản xuất điện quy đổi của nhà máy điện TBKHH để duy trì tính cạnh tranh trong dài hạn với các nguồn điện mặt trời, điện gió.

Chi phí sản xuất điện quy đổi (LCOE) được xác định bao gồm tổng chi phí đầu tư ban đầu, chi phí vận hành và bảo trì, chi phí nhiên liệu, chi phí tháo dỡ nhà máy (sau giai đoạn hoạt động), được tính cho toàn bộ vòng đời nhà máy, quy đổi về giá trị hiện tại rồi chia cho sản lượng điện phát ra của nhà máy.

Thách thức lớn nhất đối với các nhà chế tạo OEM là vừa nâng cao hiệu suất, công suất, vừa tăng độ linh hoạt vận hành nhưng phải duy trì được tính cạnh tranh của nhà máy điện TBKHH.

Việc áp dụng các giải pháp thiết kế, vật liệu và chế tạo tiên tiến để nâng cao hiệu suất, công suất, tăng độ linh hoạt vận hành, sẽ làm tăng đáng kể chi phí thiết bị. Tuy nhiên, nhờ hiệu ứng quy mô công suất mà các chi phí tăng thêm này được “bù đắp” đáng kể và suất đầu tư của nhà máy điện TBKHH vẫn tương đối cạnh tranh.

Hình 8 thể hiện suất đầu tư (theo mức giá 2022) của nhà máy điện TBKHH theo quy mô công suất nhà máy. 

Hình 8. Suất đầu tư nhà máy điện TBKHH theo quy mô công suất [2]

Ngoài chi phí đầu tư, chi phí sản xuất điện quy đổi còn phụ thuộc vào các chi phí như: chi phí vận hành và bảo trì, chi phí nhiên liệu và các chi phí khác liên quan đến địa điểm cụ thể xây dựng nhà máy.

Nhờ ứng dụng các công nghệ mới như: năng lực điện toán (mô phỏng) quy mô lớn, hệ thống tự động hóa cao, công nghệ chế tạo đắp dần (hay công nghệ in 3D), trí tuệ nhân tạo (AI) và song sinh số, các nhà chế tạo OEM có thể giảm chi phí chế tạo, chi phí vận hành và bảo trì, chi phí nhiên liệu và nhờ đó, làm giảm chi phí sản xuất điện quy đổi của nhà máy điện TBKHH.

Để tiếp tục củng cố vai trò của nhà máy điện TBKHH trong bối cảnh chuyển dịch năng lượng, các nhà chế tạo OEM tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ và giải pháp số nhằm vượt qua các thách thức chính nêu trên.

Tuy vậy, cuộc đua phát triển công nghệ tuabin khí cũng có những rủi ro nhất định. Chẳng hạn, có một số loại tổ máy tuabin khí mới được nhà chế tạo OEM “trình làng” trong thập niên 2010 nhưng vài năm sau đó đã không còn chào trên thị trường nữa mà không rõ các lý do.

Vì vậy, về phía các nhà đầu tư/phát triển dự án nhà máy điện TBKHH cần nắm rõ các thách thức nêu trên cũng như các giải pháp kỹ thuật và công nghệ được nhà chế tạo OEM áp dụng, để đề ra các tiêu chí đánh giá phù hợp nhằm lựa chọn được nhà chế tạo OEM và nhà máy điện TBKHH tương ứng, đáp ứng yêu cầu về kiểm chứng vận hành thương mại và đem lại nhà máy có độ tin cậy và linh hoạt vận hành cao với giá thành sản xuất điện quy đổi thấp nhất.

Thực hiện: Trương Văn Thiện

Tài liệu tham khảo:

[1] National Academies Consensus Study Report. Advanced Technologies for Gas Turbines, 2020.

[2] Gas Turbine World. 2022 GTW Handbook, Volume 37.

[3] ETN Global. ETN R&D Recommendation Report, 2021 Edition.