Đi tìm 'thuốc' giải cứu các trang trại điện gió, điện mặt trời thừa công suất

Từ Colorado đến Washington, từ Ohio đến Pennsylvania, các nhà máy điện đốt than đang ngừng hoạt động. Nước Mỹ đang trên đà cắt giảm một nửa công suất điện sản xuất từ than vào năm 2026. Đó là mức giảm nhanh đáng kể so với mức đỉnh của điện than vào năm 2011, và là một bước quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch và công cuộc chống biến đổi khí hậu.

Nhưng có một nhược điểm đáng ngạc nhiên khi ngừng hoạt động các nhà máy điện lớn và lâu đời. Những nhà máy này giúp duy trì sự ổn định của lưới điện. Khi nhiều nhà máy trong số chúng bị ngắt khỏi lưới điện, cần phải có thứ gì đó khác thay thế để thực hiện công việc đó.

Lưới điện là một mạng lưới phức tạp bao gồm các hệ thống sản xuất điện, như nhà máy điện hạt nhân hoặc tua bin gió, cũng như các hệ thống lưu trữ và truyền tải điện, như pin và đường dây truyền tải. Lưới điện có thể ngừng hoạt động vì bất kỳ lý do nào, chẳng hạn như cây đổ trên đường dây điện hoặc đợt nắng nóng vượt quá công suất của hệ thống (gọi nôm na là quá tải). Ở Mỹ, dòng điện chạy qua lưới điện giống như nhịp tim ở tần số tiêu chuẩn 60 hertz. Tần số đó có thể thay đổi nếu nhu cầu tăng vượt quá công suất nguồn hoặc nếu thứ gì đó trong hệ thống như máy phát điện lớn không hoạt động. Ngay cả một sự gián đoạn nhỏ trong hệ thống 60 hertz đó cũng có thể gây ra hiệu ứng gợn sóng mà lưới điện phải vật lộn để phục hồi sự ổn định.

Các nhà máy điện lớn được thiết kế để giúp lưới điện có khả năng phục hồi trước những hiệu ứng gợn sóng này. Quán tính của máy phát điện giúp kéo dài thời gian trong trường hợp mất điện đột ngột và chúng liên tục điều chỉnh công suất đầu ra dựa trên tần số trong lưới điện, giữ cho mọi thứ ổn định.

Nhưng một lưới điện tích hợp đầu vào là một nguồn năng lượng tái tạo, chẳng hạn từ tua bin gió và tấm pin mặt trời, thì nó lại hoạt động rất khác. Nó kết nối trên các thiết bị được gọi là bộ biến tần để chuyển đổi dòng điện 1 chiều hoặc DC được tạo ra bởi các cơ sở gió và mặt trời thành dòng điện xoay chiều hoặc AC, rồi hòa vào lưới điện. Và các hệ thống năng lượng tái tạo liên quan đến bộ biến tần lại không hoạt động giống như ở nhà máy điện truyền thống. Patricia Hidalgo-Gonzalez, kỹ sư điện tại Đại học California, San Diego cho biết: “Đó là một hệ thống vật lý hoàn toàn khác".

Vì vậy, các nhà nghiên cứu đang tìm cách giữ cho lưới điện ổn định khi nhiều nhà máy điện lớn ngừng hoạt động và năng lượng tái tạo chiếm tỷ lệ lớn hơn trong sản lượng điện của nước Mỹ. Câu trả lời có thể nằm ở một loại biến tần đặc biệt, được gọi là bộ biến tần tạo lưới điện hay gọi tắt là biến tần tạo lưới (grid-forming inverter). Những thiết bị điện này, có kích thước từ nhỏ hơn lò vi sóng đến lớn như thùng container, được lập trình đặc biệt để hoạt động “giao dịch” giữa thứ tạo ra hoặc lưu trữ năng lượng như tua bin gió, tấm pin mặt trời hay pin với lưới điện. Điều quan trọng là chúng có thể kiểm soát dòng năng lượng tái tạo vào lưới điện một cách nhanh chóng và đáp ứng thông số kỹ thuật, theo cách bắt chước phương thức điều khiển từ các nhà máy điện lớn.

Bằng cách bổ sung một số bộ biến tần tạo lưới vào hệ thống điện hiện có, các kỹ sư có thể giúp thay thế những chức năng bị khuyết khi các nhà máy lớn ngừng hoạt động. Bộ biến tần tạo lưới cũng có những ưu điểm khác, chẳng hạn như tự động khởi động lại lưới điện đã bị ngắt. Điều đó có thể giúp ứng phó tốt hơn trước tình trạng mất điện do thời tiết khắc nghiệt gây ra bởi biến đổi khí hậu, chẳng hạn như sóng nhiệt và bão.

Biến tần tạo lưới là gì?

Dominic Gross, kỹ sư điện tại Đại học Wisconsin - Madison so sánh hãy coi biến tần tạo thành lưới giống như một con vịt mẹ với một đàn vịt con theo sau. Bộ biến tần tạo lưới có thể đưa điện áp vào lưới và sau đó điều chỉnh tần số của nó tùy theo lượng điện năng chạy qua hệ thống. Các nguồn điện khác chạy vào lưới điện, những chú vịt con, sau đó có thể đồng bộ hóa tần số với bộ biến tần tạo lưới đó, giống như chúng đã làm với dòng điện phát ra từ các nhà máy điện.

Điều đó mang lại cho các bộ biến tần tạo lưới một vai trò quan trọng trong việc đưa thêm năng lượng tái tạo vào lưới điện. Các nhà sản xuất như General Electric, Siemens, Tesla và Hitachi đã chế tạo những thiết bị này và chúng đã được sử dụng trong nhiều thập niên ở các lưới điện biệt lập, chẳng hạn như trên những hòn đảo nhỏ. Ngày nay, việc sử dụng chúng đang mở rộng nhanh chóng trên toàn thế giới khi các công ty điện lực lớn chuyển sang sử dụng loại thiết bị này để xử lý những vấn đề nảy sinh khi bùng nổ về năng lượng tái tạo.

Julia Matevosyan, kỹ sư trưởng của Nhóm tích hợp hệ thống năng lượng ở Austin, Texas cho biết việc bổ sung biến tần tạo lưới vào các hệ thống năng lượng tái tạo là bước đầu tiên dễ dàng và có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể trong việc xây dựng một mạng lưới mạnh mẽ cho tương lai, đồng thời khẳng định “Bây giờ chúng ta thực sự có cơ hội này”.

Nếu bạn có các tấm pin mặt trời trong nhà, chắc chắn bạn cũng có một bộ biến tần trong gara của mình. Các công ty năng lượng sử dụng dạng bộ biến tần tương tự tại trang trại điện gió và điện mặt trời để chuyển đổi một lượng lớn điện DC thành điện xoay chiều trước khi hòa vào lưới điện. Nhưng hầu hết trong số đó được gọi là bộ biến tần bám lưới (grid-following inverter) chứ không phải tạo lưới. Chúng giống như những chú vịt con theo mẹ, chúng có thể tự mình làm một số việc nhưng không có khả năng vận hành hệ thống như một con vịt trưởng thành.

Hiện đại hơn, bộ biến tần tạo lưới có thể cảm nhận được những thay đổi trong lưới và phản hồi theo thời gian thực để điều chỉnh tần số của nó, giúp bổ sung năng lượng cần thiết để ổn định lưới. Florian Dorfler, một kỹ sư điện tại ETH Zurich, so sánh một nhóm bộ biến tần tạo lưới trong hệ thống điện với một loạt bánh xe đạp quay được nối với nhau bằng dây thun. Nếu một trong các bánh xe bắt đầu chậm lại một chút vì lý do nào đó, dây thun sẽ truyền động lượng từ những bánh xe khác và đưa nó trở lại đồng bộ với nhóm. Có thể coi biến tần tạo lưới chính là chìa khóa để đưa năng lượng tái tạo đến gần cuộc sống hơn, giúp con người giảm bớt phụ thuộc vào điện than hay thủy điện hơn...