Những công nghệ có bước đột phá trong năm 2014 – Phần 3

Năng lượng mặt trời và năng lượng gió thông minh

Việc thu thập và tổng hợp khối lượng dữ liệu khổng lồ về thời tiết song song cùng sự phát triển vượt bậc của trí tuệ nhân tạo đã xây dựng cho chúng ta hệ thống dự báo với độ chính xác rất cao và điều này đã hiện thực hóa khả năng hòa mạng lưới điện đối với những nguồn năng lượng tái tạo.

Turbine gió

Turbine gió

Năng lượng gió đang phát triển rực rỡ tại đồng bằng phía đông Colorado, USA, từ thị trấn Limon đi về phía Bắc 7 dặm trên quốc lộ 71, sau đó hướng về phía đông theo đường County 3p, chỉ trong một vài phút, chúng ta sẽ bị bao vây bởi từng dãy tháp turbine gió trải dài hàng dặm. 3 “trang trại gió – wind farm” lớn đã được xây dựng tại khu vực này từ năm 2011 và 1 trang trại nữa dự kiến sẽ được đưa vào sử dụng trong năm nay.

Trong từng giây, từng turbine trong số hàng trăm chiếc thu thập dữ liệu về tốc độ gió và năng lượng do chính nó sản sinh. Và trong từng 5 phút, mỗi turbine tự “gói ghém” dữ liệu và chuyển về một máy tính mạnh đặt cách đó hơn 100 dặm tại NCAR – Trung tâm nghiên cứu khí tượng quốc gia thuộc thành phố Boulder. Những phần mềm được xây dựng trên nền tảng trí tuệ nhân tạo tại trung tâm này sẽ thực hiện việc xử lý số liệu nhận được, cùng với những thông tin được cung cấp từ vệ tinh thời tiết, các trạm khí tượng, và những trang trại gió khác của bang, để đưa ra những dự báo năng lượng gió với độ chính xác rất cao – điều mà cách đây không lâu là không thể thực hiện được. Chính những dự báo này, cùng với độ chính xác của chúng, là chìa khóa để bang Colorado có thể sử dụng năng lượng tái tạo với giá thành thấp và sản lượng cao hơn rất nhiều so với trước đây.

Sản lượng điện gió của Mỹ đã tăng hơn gấp đôi kể từ năm 2009

Sản lượng điện gió của Mỹ đã tăng hơn gấp đôi kể từ năm 2009

Những dự báo này đã giúp các công ty sản xuất năng lượng gió đối mặt với thách thức lớn nhất: sự gián đoạn của gió. Việc sử dụng năng lượng gió với lượng nhỏ không gặp phải khó khăn nhưng khi đưa năng lượng gió vào sử dụng phổ biến, yếu tố thời tiết là rất quan trọng, lượng gió thay đổi theo từng mùa trong năm và thậm chí, thay đổi qua từng phút. Vì vậy, các công ty khai thác năng lượng gió phải có hệ thống điện dự phòng trong trường hợp những cơn gió đột ngột biến mất. Những nhà máy điện dự phòng chủ yếu sản xuất điện bằng hình thức đốt nhiên liệu hóa thạch – công nghệ cũ, đắt đỏ và không thân thiện với môi trường. Nhưng bằng việc phát triển dự báo chính xác, các công ty sản xuất năng lượng gió có thể tính toán và cắt ra phần năng lượng dự trữ phù hợp, đồng nghĩa với việc giảm thiểu sử dụng hệ thống điện dự phòng.

Trước khi hệ thống dự báo được phát triển, Công ty Năng lượng Xcel Energy – nhà cung cấp điện chính cho bang Colorado đã phản đối việc sử dụng ít nhất 10% điện năng có nguồn gốc từ năng lượng tái tạo / tổng số điện năng của công ty với lí do là chi phí sản xuất điện có thể tăng thêm tới 1,5 tỷ USD trong vòng 20 năm. Tuy nhiên, với sự phát triển vượt bậc của hệ thộng dự báo, Xcel đã cho thấy một bộ mặt của ngày hôm nay – hoàn toàn khác. Xcel đã triển khai xây dựng nhiều hệ thống năng lượng gió hơn bất kỳ công ty năng lượng nào ở Mỹ và lên tiếng ủng hộ việc sử dụng ít nhất 30% điện năng có nguồn gốc từ năng lượng tái tạo / tổng số điện năng . Và Xcel công bố rằng việc này hoàn toàn nằm trong khả năng của mình.

Phiên bản cũ của hệ thống dự báo NCAR được phát hành vào năm 2009 nhưng vào năm 2013, hệ thống này đã đạt được bước đột phá quan trọng –  tăng cao độ chính xác và điều này đã giúp chi phí tiết kiệm được của Xcel trong năm 2013 bằng tổng số chi phí tiết kiệm được của cả 3 năm từ 2010 – 2012. Trong năm nay, NCAR sẽ phát triển hệ thống dự báo của mình đối với năng lượng mặt trời.

Việc khai thác khả năng dự báo phục vụ cho mục đích xây dựng một hệ thống điện linh hoạt và hiệu quả hơn, từ đó giảm giá thành điện năng và hướng tới mục tiêu toàn cầu là giảm lượng khí thải chứa carbon, bảo vệ môi trường. Ông Bryan Hannegan – giám đốc một cơ sở trị giá 135 triệu USD tại Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia (National Renewable Energy Laboratory – NREL) thuộc thành phố Golden, bang Colorado, Mỹ, đã phát biểu “Chúng ta đã có một lộ trình rõ ràng cho năng lượng và môi trường – điều mà trước đây chúng ta chưa thể khẳng định”

Theo chân ngọn gió

Cánh đồng turbine gió

Cánh đồng turbine gió

Có lẽ không ai thấu hiểu những thử thách trong việc hòa mạng năng lượng gió với hệ thống điện hơn Dayton Jones – kỹ sư của Công ty Năng lượng Xcel. Trên tầng 10 tòa nhà Xcel tại khu kinh doanh (downtown) của thành phố Denver, Colorado, Jones chịu trách nhiệm vận hành cho cả hệ thống điện Colorado. Công việc này là đóng, ngắt và điều khiển công suất các nhà máy điện sao cho lượng điện năng sản xuất ra phù hợp với lượng điện năng tiêu thụ. Lượng điện phát ra quá nhiều hoặc quá ít sẽ ảnh hương nghiêm trọng tới các thiết bị điện và có khả năng khiến cho cả lưới điện rộng lớn gặp sự cố. Và năng lượng gió, với đặc điểm dao động đột ngột của mình, khiến cho công việc của Jones khó khăn hơn.

Một vài năm trước, kỹ sư vận hành như Jones không thể tin tưởng các dự báo về số lượng năng lượng gió sẽ hòa mạng vào một thời điểm ấn định. Những dự báo này có sai số lên đến 20% và thi thoảng, năng lượng gió hoàn toàn biến mất mặc dù đã được thông báo là có. BIện pháp dự phòng sử dụng hệ thống điện bằng chất đốt hóa thạch khi đó đủ để thay thế toàn bộ năng lượng gió trong vòng một vài phút. Nhưng phương pháp này đắt tiền vì đi kèm với năng lượng gió là cả một hệ thống dự phòng đồ sộ, hơn nữa, sử dụng năng lượng hóa thạch tức là “Thả thêm carbon vào bầu trời” theo lời của William Mahoney – phó Giám đốc Phòng thí nghiệm thiết bị tại NCAR “Công nghệ này có giá thành cao và làm tổn hại môi trường”

Biểu đồ dự báo năng lượng trong 3 ngày Sản lượng điện thực tế - đường màu xanh   Sản lượng điện dự báo - đường màu đỏ  Diện tích màu vàng càng lớn thì sự sai lệch của dự báo càng cao

Biểu đồ dự báo năng lượng trong 3 ngày
Sản lượng điện thực tế – đường màu xanh
Sản lượng điện dự báo – đường màu đỏ
Diện tích màu vàng càng lớn thì sự sai lệch của dự báo càng cao

Hệ thống dự báo mới của NCAR giúp Jones đủ tự tin vào năng lượng gió để ngắt các nhà máy điện dự phòng và số lượng nhà máy điện dự phòng bị ngắt được tính toán chính xác dựa trên các dự báo này. Nếu thời tiết lạnh và ẩm ướt, các turbine gió có thể bị đóng băng khiến chúng hoạt động chậm lại hoặc ngừng quay, Jones có thể phải cần đủ số điện dự phòng bằng chất đốt hóa thạch để thay thế.

Nếu vào một ngày đẹp trời và lộng gió, Jones có thể ngắt toàn bộ hệ thống điện dự phòng. Và trong trường hợp này, Jones sử dụng các trang trại gió để chắc chắn lượng điện cung cấp đủ cho nhu cầu tiêu thụ như sau: sản lượng điện năng từ turbine gió có thể thay đổi ngay lập tức nhờ vào việc thay đổi góc của các cánh quạt gió turbine để chúng giữ được nhiều hoặc ít gió hơn. Các máy tính tại tòa nhà Xcel, thành phố Denver sẽ gửi thông tin tới các trang trại gió về sản lượng điện cần thiết và tự động điều khiển tọa độ của hàng trăm turbine – điều khiển sản lượng điện sản xuất được trong từng phút.

Phương pháp dự báo cũ của Xcel sử dụng dữ liệu từ 1 hoặc 2 trạm khí tượng tại mỗi trang trại gió. Hệ thống dự báo NCAR hiện nay thu thập thông tin từ từng turbine gió, những dữ liệu này được chuyển tới một model thời tiết phân giải cao (high-resolution weather model) và kết hợp với dữ liệu từ 5 trạm dự báo gió bổ sung. Phần mềm của NCAR sử dụng những dữ liệu lịch sử (historical data) và tìm ra những dự báo chuẩn xác nhất cho từng trang trại gió, đồng thời phân bổ các sản lượng khác nhau cho từng trang trại. Sau đó, dựa trên dữ liệu về sản lượng điện năng của từng turbine đối với từng tốc độ gió khác nhau, NCAR chuyển thông tin tới Xcel về tổng sản lượng điện năng gia tăng sau mỗi 15 phút và cho tới 7 ngày tiếp theo.

Hệ thống dự báo năng lượng mặt trời sẽ là bước tiếp theo của NCAR và Xcel nhưng việc này thậm chí còn phức tạp hơn so với dự báo năng lượng gió. Bởi vì Xcel không thể có được thông tin về sản lượng điện năng sản xuất bởi các tấm pin mặt trời do cá nhân sở hữu, vì vậy, rất khó để dự báo về tổng số lượng điện cần bù đắp khi bầu trời phủ mây. Hệ thống dự báo năng lượng mặt trời mới của NCAR sẽ sử dụng dữ liệu của vệ tinh, những hệ thống chụp ảnh bầu trời, hệ thống kiểm tra ô nhiễm và số liệu về những tấm pin mặt trời công cộng để giải quyết vấn đề tính toán tổng số năng lượng mặt trời.

Năng lượng ảo

Pin mặt trời

Pin mặt trời

Việc dự báo chính xác năng lượng gió và năng lượng mặt trời sẽ giúp chúng ta sử dụng năng lượng tái tạo với mục tiêu giảm thiểu khí thải độc hại carbon dioxide như thế nào? Các nghiên cứu tại Tổ hợp tích hợp năng lượng thuộc Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia NREL đang xem xét việc hỗ trợ lẫn nhau giữa năng lượng gió và năng lượng mặt trời như một bước phát triển công nghệ. Ví dụ như là việc sử dụng gió để bù đắp cho việc thiếu ánh nắng mặt trời vào ban đêm. Không chỉ có vậy, các nghiên cứu này còn xem xét khả năng ghép việc dự báo nên trên với các thiết bị như máy rửa bát đĩa, bếp đun nước thông minh, máy đổi điện năng mặt trời, nhà máy xử lý nước, và bộ sạc của xe ô tô điện … để vượt qua những khoảng thời gian dài trời lặng gió, hay nhiều tuần lễ với thời tiết mây mù không có ánh sáng mặt trời mà không cần sử dụng năng lượng điện từ chất đốt hóa thạch để thay thế.

Chúng ta hãy lấy ví dụ với ô tô điện. Một chiếc xe ô tô điện có thể đủ điện năng cung cấp cho một căn nhà tại bất cứ đâu với khoảng thời gian nửa ngày hoặc vài ngày tùy theo lượng pin mà chiếc xe mang theo. Chiếc xe sẽ được trang bị một thiết bị điện tinh vi để điều khiển thời gian và thay đổi tốc độ sạc dựa trên sự kết hợp thông tin về gió và nhu cầu tiêu thụ điện của căn nhà. Với những sự cải hoán nhỏ, bộ pin của chiếc ô tô có thể cấp điện cho căn nhà và cũng có thể hòa vào lưới điện chung. Thời điểm hiện tại không có nhiều ô tô điện hoạt động nhưng việc này sẽ thay đổi nhiều qua vài thập niên, và dự kiến năng lượng tái tạo sẽ được sử dụng với tỷ lệ lên tới 30 – 40% / tổng số năng lượng điện thay vì 4% đối với năng lượng gió và nhỏ hơn 1% đối với năng lượng mặt trời vào thời điểm hiện tại.

Tại NREL, các chuyên viên nghiên cứu đã gắn 30 xe ô tô điện vào một thiết bị để chúng kết nối với một chương trình giả lập hệ thống điện chạy trên một siêu máy tính, và chương trình này sẽ đưa ra một bức tranh hoạt động của hệ thống điện khi kết nối với hàng nghìn chiếc xe như vậy. Ý tưởng ở đây là một chiếc xe điện có bộ pin tích trữ năng lượng mặt trời để phát điện cho căn nhà vào buổi tối – thời điểm nhu cầu điện năng tăng cao nhất và sau đó tự sạc lại pin bằng những cơn gió của buổi bình minh.

Và hệ thống dự báo nêu trên của NCAR sẽ là tối cần thiết, nó xác định thời điểm mà bộ pin của chiếc xe cần được sạc sao cho việc cung cấp điện năng cho lưới điện là nhiều nhất mà không làm cho chiếc xe thiếu điện để hoạt động.

Mặc dù viễn cảnh trên vẫn cần nhiều thời gian để trở thành hiện thực, hệ thống dự báo của NCAR, hiện tại, đang phát huy hiệu quả rất lớn. Vào năm 2013, trong một tuần nhiều gió, Công ty Năng lượng Xcel đã hoàn thành một kỷ lục: cung cấp 60% năng lượng điện phục vụ cho bang Colorado bằng năng lượng gió trong vòng 1 tiếng. “Vài năm về trước, việc thực hiện kỷ lục này có thể gây cho chuyên viên vận hành hệ thống điện một cơn nhồi máu cơ tim bởi vì nguồn điện đầu vào sẽ bị mất đột ngột mà họ không thể kiểm soát được” Drake  Bartlett – người đứng đầu kế hoạch tích hợp năng lượng tái tạo của Công ty Xcel phát biểu, “nhưng chúng tôi đang tiến những bước dài về phía trước, và kỷ lục này sẽ sớm bị phá vỡ”.

Nguồn : technologyreview
Shadowsong @ Khoa học 247., Biên dịch

Authors

Related posts

Top