Ảnh hưởng của điện mặt trời mái nhà đối với vận hành hệ thống điện

(Xây dựng) – “Nguồn điện mặt trời mái nhà chỉ nên được phát triển gắn với nhu cầu sử dụng điện. Nếu ồ ạt phát triển ở quy mô lớn sẽ ảnh hưởng lớn đến cân bằng cung - cầu của hệ thống điện” - Bộ Công Thương đánh giá.

Tính bất định của nguồn ĐMTMN, ĐMTMN là nguồn điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời, do đó chỉ có tác dụng vào những giờ có ánh nắng mặt trời (ảnh minh họa).

Tình hình phát triển điện mặt trời mái nhà (ĐMTMN) hiện nay

Tính đến thời điểm hiện tại, công suất đặt của điện mặt trời mái nhà (ĐMTMN) là ~7660 MWAC, chiếm hơn ~9% tổng công suất đặt, sản lượng ĐMTMN chiếm gần ~4% sản lượng điện hệ thống điện quốc gia.

Loại hình này hiện đã chiếm tỷ trọng đáng kể trong hệ thống điện quốc gia. Xét về công suất lắp đặt, nguồn ĐMTMN có tỉ trọng cao hơn nhiều loại hình nguồn điện năng lượng tái tạo khác như: Điện gió, điện sinh khối. Thậm chí, công suất lắp đặt của ĐMTMN còn vượt qua công suất thủy điện nhỏ và tua-bin khí là những loại nguồn điện đã từng chiếm tỷ trọng lớn trong cơ cấu nguồn điện của Việt Nam trước đây.

Trong những thời điểm tiềm năng bức xạ tăng cao, công suất ĐMTMN có nguy cơ vượt quá khả năng hấp thụ của lưới điện khu vực.

Việc phát triển ĐMTMN đáp ứng nhu cầu phát triển điện sạch, sử dụng được nguồn năng lượng tái tạo (mặt trời) mà Việt Nam có nhiều tiềm năng. Tuy nhiên, ĐMTMN có những đặc điểm riêng biệt, cần được lưu ý trong quá trình phát triển, đặc biệt là trong quá trình xây dựng các chính sách, chiến lược về năng lượng nói chung. Trong đó, ảnh hưởng của ĐMTMN đối với vận hành hệ thống điện là những vấn đề cần sự đánh giá sát sao, do nó trực tiếp ảnh hưởng đến việc vận hành an toàn của hệ thống điện.

Ảnh hưởng của ĐMTMN đối với vận hành hệ thống điện

Từ góc độ những nhà đầu tư ĐMTMN, hẳn nhiên là đều nhìn thấy những ưu điểm của ĐMTMN, trực tiếp nhất là chỉ đầu tư một lần mà sẽ giảm được chi phí mua điện hàng tháng từ công ty điện lực. Bên cạnh đó là việc đóng góp được vào mục tiêu phát triển xanh, góp phần bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, để việc cung cấp điện cho các hộ sử dụng điện có đầu tư ĐMTMN ổn định, thì phải tính đến hoạt động của ĐMTMN trong hoạt động chung của toàn hệ thống điện, do hệ thống điện quốc gia là hệ thống kết nối toàn quốc, được chỉ huy, điều độ, vận hành thống nhất trong phạm vi toàn quốc.

Từ góc độ toàn quốc thì ĐMTMN có những đặc điểm sau:

Thứ nhất là, tính bất định của nguồn ĐMTMN, ĐMTMN là nguồn điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời, do đó chỉ có tác dụng vào những giờ có ánh nắng mặt trời. Vào buổi đêm, hay vào những giờ có mây, mưa ban ngày, nguồn điện từ năng lượng mặt trời suy giảm về mức thấp hoặc về 0. Do đó, để ổn định nguồn cung cấp điện, sẽ phải đầu tư các nguồn lưu trữ phù hợp. Ở quy mô nhỏ là các bộ pin lưu trữ (hiện nay giá thành đang giảm nhưng vẫn còn khá cao). Ở quy mô lớn là các nguồn thủy điện tích năng hoặc phải huy động các nguồn điện truyền thống (thủy điện, nhiệt điện than, tuabin khí) điều chỉnh tăng giảm theo độ khả dụng của nguồn điện mặt trời.

Tỉ trọng công suất đặt các nguồn năng lượng tái tạo trong hệ thống điện.

Đối với các hộ gia đình, công xưởng đã đầu tư ĐMTMN thì sẽ thấy tính bất định của ĐMTMN thể hiện rất rõ. Vào những ngày âm u, mưa gió, công suất ĐMTMN giảm hẳn và phải mua điện từ lưới điện. Vào buổi đêm khi nhu cầu sử dụng điện cao thì chắc chắn phải mua điện từ công ty điện lực nếu như không có phương pháp dự trữ điện.

Ngược lại, vào những thời điểm bức xạ mặt trời cao, các nguồn ĐMTMN sẽ phát được công suất cao, có lợi cho các chủ đầu tư ĐMTMN. Tuy vậy, nếu thời điểm này mà công suất sử dụng của toàn hệ thống thấp, sẽ dẫn tới dư thừa, phải cắt giảm công suất phát điện. Đơn vị điều độ hệ thống điện lúc này có hai lựa chọn: Hoặc cắt giảm công suất các nhà máy điện truyền thống, hoặc cắt giảm công suất các nguồn phát năng lượng tái tạo. Dễ thấy là việc lựa chọn phương án đầu tiên là rất nguy hiểm vì khi các nguồn điện truyền thống có thể điều khiển được bị cắt giảm thì hệ thống không còn gì để đáp ứng nhu cầu khi có biến động từ nguồn ĐMTMN. Do đó lựa chọn phổ biến và tất yếu là phải cắt giảm nguồn năng lượng tái tạo.

Tại một số quốc gia, vùng lãnh thổ có sự phát triển cao của điện mặt trời (như Đức, bang California…), tình trạng dư thừa dẫn đến cắt giảm nguồn điện tái tạo xảy ra thường xuyên, làm tăng chi phí vận hành hệ thống điện và lãng phí nguồn lực xã hội. Lưu ý rằng việc dư thừa công suất trong một số giờ không đồng nghĩa với việc hệ thống điện dư thừa công suất nói chung do có thể rơi vào tình huống: Lúc phụ tải hệ thống cần (ví dụ chiều tối phụ tải cao) thì vẫn thiếu, mà lúc phụ tải hệ thống không cần (như buổi trưa) thì lại thừa phải cắt giảm.

Đặc điểm này của ĐMTMN (tương tự đối với điện gió, điện mặt trời nối lưới) dẫn tới hậu quả như sau: Đối với nguồn năng lượng tái tạo (gồm ĐMTMN): Nếu việc phát triển quá mức sẽ dẫn tới cắt giảm công suất trong những thời điểm dư thừa. Đối với các nguồn điện truyền thống: Tính bất định của ĐMTMN khiến cho hệ thống điện sẽ phải huy động thường xuyên các nguồn điện truyền thống có khả năng điều khiển (thủy điện, nhiệt điện) hoạt động ở trạng thái không liên tục (lên-xuống theo khả dụng của ĐMTMN). Điều này vừa làm giảm sản lượng các nguồn điện này (do không được chạy ở mức tải cao liên tục), vừa gây hại cho thiết bị (do liên tục phải điều chỉnh lên xuống hoặc phải khởi động – dừng nhiều lần).

Thứ hai là, tính phân tán của nguồn ĐMTMN, nguồn ĐMTMN có tính phân tán ở quy mô nhỏ và rất nhỏ. Điều này có lợi vì nguồn điện sẽ ở sát với phụ tải. Lý tưởng nhất là nguồn điện này được sử dụng ngay tại phụ tải và không truyền ra hệ thống. Tuy vậy, với đặc điểm bất định của nguồn ĐMTMN đã nói ở trên, nếu không có hệ thống lưu trữ phù hợp, bản thân ĐMTMN không đủ khả năng cung cấp cho nhu cầu sử dụng của hộ gia đình thông thường dù có đầu tư với công suất bao nhiêu đi chăng nữa. Một hộ gia đình thông thường sẽ có nhu cầu sử dụng điện cả ngày và đêm. Trong đó vào thời điểm ban đêm, khi mặt trời lặn, nhu cầu sử dụng điện cho sinh hoạt lại càng lớn. Trong điều kiện khí hậu ngày càng khắc nghiệt, kể cả thời gian nắng nóng của mùa hè hay lạnh giá của mùa đông thì càng làm nhu cầu sử dụng điện ban đêm cao hơn.

Tính phân tán của ĐMTMN cũng có nhược điểm. Đó là khả năng thu thập dữ liệu, điều khiển phục vụ công tác vận hành hệ thống điện rất khó khăn. Như chúng ta đều biết, hệ thống điện quốc gia là hệ thống được điều độ, chỉ huy tập trung, từ những nguồn điện lớn như thủy điện Sơn La 2.400MW cho đến nguồn ĐMTMN chỉ vài chục kWp thì đều được vận hành trong một hệ thống thống nhất. Mỗi một hành động, dù chỉ là bật tắt bóng đèn, cho đến khởi động thiết bị công nghiệp lớn... đều tác động đến cân bằng cung – cầu công suất điện. Để có thể cân bằng công suất hệ thống điện quốc gia, đơn vị điều độ phải có hệ thống thu thập dữ liệu công suất từ tất cả các nguồn điện. Đối với ĐMTMN, điều này chỉ có thể thực hiện được với các nguồn ĐMTMN quy mô đủ lớn, như là các nguồn ĐMTMN tại các khu công nghiệp, công xưởng lớn. Còn đối với nguồn ĐMTMN quy mô nhỏ cấp hộ gia đình thì không thể thực hiện được. Cơ quan điều độ sẽ chỉ có thể đánh giá, dự báo lượng công suất này. Dĩ nhiên việc dự báo không thể hoàn toàn chính xác, dẫn đến khó khăn trong công tác vận hành hệ thống điện nói chung. Đó là chưa nói đến việc tuy có thể thu thập hoặc dự báo công suất ĐMTMN, nhưng để kịp ứng phó với sự thay đổi của các nguồn năng lượng tái tạo này thì cần phải có hệ thống hết sức linh hoạt và phải tốn chi phí cho hệ thống đó.

Thứ ba là, chi phí cân bằng công suất của hệ thống điện do ĐMTMN gây ra, các nhà đầu tư ĐMTMN sẽ chỉ quan tâm đến chi phí đầu tư, lắp đặt của hệ thống ĐMTMN cụ thể như: Công suất tấm pin là bao nhiêu, inverter (bộ chuyển đổi từ điện một chiều của tấm pin sang điện xoay chiều của hệ thống điện) có công suất bao nhiêu, hệ khung đỡ thế nào, kết cấu chịu lực của mái có đủ điều kiện không, điều kiện phòng cháy chữa cháy có đảm bảo không, có nên đầu tư hệ thống pin lưu trữ hay không?... Nhưng từ góc độ của Cơ quan điều độ hệ thống điện và chủ đầu tư của các nhà máy điện truyền thống (thủy điện, nhiệt điện than, tuabin khí) thì sự phát triển của ĐMTMN lại mang đến nỗi lo lớn về chi phí chung của hệ thống.

Chi phí này đến từ nhu cầu sẵn sàng của các nguồn điện truyền thống để đáp ứng tính bất định của các nguồn ĐMTMN. Đơn vị điều độ sẽ phải duy trì một lượng nguồn điện truyền thống vận hành ở trạng thái chờ hoặc công suất thấp liên tục trong các giờ có ĐMTMN. Do đó phải trả chi phí cho các nguồn điện duy trì ở trạng thái này thay vì trả cho điện năng phát ra. Trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, việc duy trì trạng thái sẵn sàng này được coi là một loại dịch vụ: dịch vụ phụ trợ hệ thống điện. Chi phí này cũng được gọi là chi phí dịch vụ phụ trợ hệ thống điện và phụ thuộc vào mức độ biến động của nguồn năng lượng tái tạo như ĐMTMN.

Nguồn năng lượng tái tạo biến động càng nhiều, quy mô chi phí càng lớn. Nếu theo quan điểm tính toán là chi phí do nguyên nhân nào gây ra thì phải tính cho nguyên nhân đó thì chủ đầu tư các nguồn ĐMTMN thực chất phải trả chi phí cho hệ thống để duy trì hoạt động bình thường của nguồn ĐMTMN trong khi vẫn được duy trì cấp điện ổn định.

Biểu đồ xếp chồng công suất phát các nguồn năng lượng tái tạo cho ngày vận hành điển hình.

Bên cạnh chi phí dịch vụ phụ trợ đã nêu trên, hệ thống điện còn bị ảnh hưởng đến chi phí cơ hội đối với nguồn điện và lưới điện: Với nguồn điện: Việc xuất hiện các nguồn điện như ĐMTMN vừa chia sẻ áp lực cấp điện cho các nhà máy điện truyền thống, nhưng lại làm giảm sản lượng từ các nhà máy điện này. Với lưới điện: Chi phí cơ hội là khi vẫn phải đầu tư lưới điện cấp điện cho khách hàng (vào ban đêm hoặc khi trời xầm xì) nhưng lại không được bán điện vào ban ngày. Tuy đây là điều khó tránh khỏi, nhưng do sản lượng cấp điện của công ty điện lực giảm đi trong khi đầu tư không đổi, suất đầu tư lưới điện sẽ tăng thêm và vẫn phải được tính cho toàn bộ khách hàng.

Các đặc điểm nêu trên của ĐMTMN dẫn đến việc phải có sự thận trọng trong quá trình phát triển ĐMTMN để có thể phát huy ưu điểm và giảm thiểu nhược điểm của ĐMTMN. Các nguồn ĐMTMN chỉ nên phát triển ở mức sẵn sàng tiêu thụ tại phụ tải. Nếu ồ ạt phát triển ở quy mô lớn sẽ ảnh hưởng lớn đến cân bằng cung – cầu của hệ thống điện, gây ra những phí tổn không cần thiết.

Mỗi một chính sách đều có tính hai mặt và phụ thuộc vào điều kiện cụ thể ở thời điểm ban hành. Từ bản chất và đặc điểm của ĐMTMN với những điều kiện hiện nay, đối với những nguồn ĐMTMN có nối lưới, chỉ nên khuyến khích ĐMTMN tự sản - tự tiêu, không nên khuyến khích (thậm chí nên hạn chế) việc ĐMTMN phát vào hệ thống. ĐMTMN phát vào hệ thống không những không phù hợp với tiêu chí “tự sản - tự tiêu” mà còn gây phát sinh chi phí cho vận hành hệ thống điện như đã phân tích trên đây.