Lưới điện thông minh

Cấu tạo thì phức tạp nhưng nguyên tắc hoạt động của lưới điện này rất đơn giản: Điện từ các nhà máy điện sản xuất ra được nâng lên điện thế cao để truyền dẫn đi xa theo các đường dây cao thế cho ít bị tổn hao. Theo đường dây cao thế điện được dẫn đến các biến áp hạ thế gần nơi tiêu thụ điện như nhà máy sản xuất, khu vực dân cư v.v… Từ các biến áp hạ thế điện được trực tiếp đưa đến các nơi tiêu thụ điện thông qua các đồng hồ đo điện.

Thông thường ban đầu nhu cầu điện ít, mỗi vùng dân đông có một nhà máy điện phục vụ cho tiêu dùng điện ở vùng đó, chủ yếu là để thắp sáng. Càng ngày nhu cầu điện càng tăng lên, thiết bị dùng điện đa dạng nhiều loại nhà máy điện lớn nhỏ được xây dựng, hệ thống lưới điện cao thế được nối với nhau trở thành lưới điện quốc gia. Điện từ nhà máy điện ở vùng này có thể điều độ đưa sang vùng khác, nơi thừa bổ sung cho nơi thiếu, nơi bị sự cố v.v… Có cả những đường điện cao thế ra khỏi biên giới để thực hiện việc mua điện, bán điện với nước ngoài. Tuy đã hoạt động hàng trăm năm, ngày càng được bổ sung nhiều thiết bị đo lường, tự động hiện đại nhưng lưới điện này thể hiện nhiều nhược điểm không khắc phục được. Sau đây là một số nhược điểm dễ thấy.

Trước hết là lưới điện này luôn cho điện đi theo một chiều từ nơi sản xuất tới nơi tiêu thụ. Người dùng điện có được thông tin chính nhờ đồng hồ, đó là điện lượng mà mình đã dùng (thường là sau một tháng). Nơi sản xuất ra điện căn cứ vào đồng hồ để thu tiền bán điện. Cả bên bán và bên mua điện đều không thể biết chính xác lượng điện đã tiêu thụ là thuộc vào những khoảng thời gian nào trong ngày, có tiêu thụ điện nhiều vào giờ cao điểm hay không chẳng hạn. Cách tính giá điện cào bằng cho mọi giờ trong ngày không khuyến khích việc sử dụng điện hợp lý tiết kiệm. Tình trạng nước nào cũng gặp phải là rất khó đảm bảo cho đủ điện để sử dụng vào những giờ cao điểm, nhưng lại có nhiều khoảng thời gian trong ngày điện lại ít được sử dụng, thí dụ nửa đêm về sáng. Đặc điểm của điện là đã sản xuất ra phải dùng ngay, dùng cho hết vì việc lưu trữ điện một lượng lớn là rất khó khăn cồng kềnh và tốn kém. Bố trí sản xuất điện cho đủ vào giờ cao điểm thì phải đầu tư nhiều để có công suất lớn nhưng giờ thông thường điện sản xuất ra lại thừa không biết để làm gì. Cách ứng phó hiệu quả nhất là vào giờ cao điểm chỉ dùng những thiết bị điện mà giờ đó phải dùng (thí dụ buổi tối phải có đèn thắp sáng) còn những thiết bị không nhất thiết phải dùng vào giờ cao điểm (thí dụ máy giặt, máy rửa bát…) thì chuyển sang dùng vào những giờ khác. Việc này ai cũng biết nhưng chỉ hô hào kêu gọi, thực tế cho thấy chưa có nước nào thực hiện có hiệu quả vì chỉ dựa vào tự giác. Nếu cái đồng hồ điện cho biết thêm tiêu thụ điện vào những giờ nào, giờ cao điểm giá tiền điện thu cao hơn hẳn giờ thường thì tức khắc người tiêu dùng sẽ “tự giác” không dùng nhiều điện vào giờ cao điểm.

- Lưới điện hiện nay chỉ làm nhiệm vụ đưa điện từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ. Khác với thời xưa, ở thời đại này việc sản xuất ra điện theo những nguồn năng lượng mới như điện mặt trời, điện gió, thuỷ điện nhỏ v.v… là rất dễ thực hiện, giá thành không cao quá. Tuy nhiên điện từ các nguồn năng lượng mới thường là không thật ổn định, lúc lên lúc xuống, phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Thí dụ một trạm điện mặt trời, ngày nắng thì thừa công suất để cung cấp điện cho một khu vực nhưng ngày mưa hoặc ban đêm thì không sản xuất ra điện được. Giải pháp dùng phổ biến hiện nay là phải chứa điện, thường là dùng các bình accu để có thể điều hoà dùng điện trong cả ngày đêm hay cả lúc mưa. Tấm pin mặt trời sản xuất ra điện đến nay giá không phải là cao quá nhưng chi phí cho việc chứa điện, biến đổi điện là rất cao vì vậy điện mặt trời còn hạn chế chưa cạnh tranh được. Tương tự điện gió cũng vậy, khá thất thường lúc gió mạnh lúc gió yếu và cũng phải dùng bình ăcquy chứa điện để điều hoà.

Xu hướng hiện thực nhất để mở rộng sử dụng năng lượng mặt trời cũng như năng lượng gió là phối hợp với điện mạng. Lúc điện tự sản xuất ra từ năng lượng tái tạo thừa thãi cho mình sử dụng thì đưa phần điện thừa thãi đó lên mạng để “bán”, lúc điện tự sản xuất ra thiếu thì có biện pháp “mua” điện mạng để dùng. Nếu thực hiện được biện pháp này thì lưới điện quốc gia không phải chỉ trông chờ vào các nguồn điện tập trung từ các nhà máy lớn mà các nguồn điện nhỏ của năng lượng tái tạo cũng đóng góp vào một phần đáng kể, có khi ngang bằng với các nguồn điện chính thống.

Một nhược điểm thứ ba tương đối dễ thấy là lưới điện hiện nay chưa đảm bảo an ninh điện. Do việc cung cấp điện chủ yếu là dựa vào các nhà máy điện lớn, tập trung nên một khi có sự cố ở nhà máy điện hoặc ở đường dây của lưới điện phải có sự điều chỉnh phân bố lại kịp thời. Tuy đã có nhiều cách trang bị tự động nhưng thực tế là phải có các trạm điều độ do người điều khiển chưa tự động hoàn toàn được. Càng cải tạo, càng hiện đại hoá trên cơ sở mở rộng lưới điện cũ thì có lúc không điều khiển nổi. Một thí dụ là ngày 4/11/2006 lúc hơn 10 giờ tối bỗng nhiên xảy ra mất điện diện rộng trên toàn lãnh thổ châu Âu đặc biệt là Pháp. Cả 10 triệu người châu Âu trong đó có 5 triệu người Pháp bất ngờ thấy chung quanh mình tối đen, mọi hoạt động đều đình trệ. Đã gần 30 năm, châu Âu mới bị sự cố nghiêm trọng như vậy.

Sau đấy được biết sự mất điện diễn ra rất lạ kỳ. Liên quan đến việc trên sông Ems ở miền Bắc nước Đức có một chiếc tàu thuỷ đặc biệt khá cao người ta muốn cho chạy dọc theo sông nên nhà quản lý điện ở đó quyết định tạm thời cắt đường dây 400kV bắc ngang qua sông lúc tàu thuỷ sắp chạy qua. Nhưng khi vừa chủ động cắt điện ở đoạn nhỏ thì lập tức hai tuyến tải điện cao thế ở miền Bắc nước Đức tự động ngắt hết điện. Rồi như thác lũ hết tuyến này đến tuyến khác của lưới điện châu âu bị cắt điện không kiểm soát được, gây nên thảm hoạ mất điện cho cả một vùng rộng lớn của châu Âu.

Phân tích ra thì nguyên nhân của việc mất điện này không phải là vì thiếu điện mà là vì thừa điện. Lúc cắt điện ở đường dây 400kV qua sông, các trạm tự động phản ứng như là bỗng nhiên thừa điện dẫn đến tình huống điều khiển sai rồi làm loạn cả các hệ thống tự động điều khiển tiếp theo, kịch bản không lường được khi các nhà thiết kế lưới điện bố trí các máy móc đảm bảo an toàn điện theo kiểu khác.

Còn nhiều nhược điểm khác rất quan trọng của lưới điện hiện nay, đặc biệt là đảm bảo an ninh chống phá hoại. Người ta tính rằng nếu kẻ phá hoại bí mật đưa lên lưới điện hiện nay một lượng điện không lớn nhưng có tính chất làm rối loạn hệ thống điều khiển tự động thì toàn bộ lưới điện sẽ bị tê liệt, khắc phục nhanh không phải là dễ.

Vì nhiều lẽ mà trên đây chỉ nêu lên một số làm thí dụ, hiện nay trên thế giới có xu hướng làm lưới điện thông minh gọi là Smart Grid thay thế lưới điện đang dùng, đã lạc hậu.

Lưới điện thông minh (LĐTM) được xây dựng trên cơ sở những tiến bộ có tính đột phá của công nghệ thông tin hiện đại, tuy chưa có định nghĩa thật rõ ràng chi tiết nhưng có thể thấy một số tiêu chí mà nhiều nhà khoa học thống nhất như sau:

·Phải hoạt động tin cậy: LĐTM phải cung cấp điện cho người tiêu dùng vào bất cứ lúc nào, bất cứ nơi nào mà người tiêu dùng cần.

·Phải đảm bảo an ninh hơn: LĐTM phải đứng vững đối với mọi tấn công về mặt vật lý hoặc tấn công ảo, không để mất điện diện rộng. LĐTM cũng phải đảm bảo an ninh cấp điện khi có thiên tai, phải được phục hồi nhanh chóng.

·Phải đảm bảo tiết kiệm, kinh tế. LĐTM hoạt động trên cơ sở những định luật cơ bản về cung và cầu, thể hiện ở giá cả hợp lý và cung cấp điện đầy đủ.

·Phải đảm bảo hiệu quả. LĐTM vận dụng những chiến lược dẫn đến kiểm soát giá điện, ít hao tổn khi truyền dẫn và phân phối điện, có hiệu quả tốt khi sản xuất điện, làm cho người tiêu dùng tự biết được cách dùng điện tối ưu.

·Phải thân thiện với môi trường. LĐTM thân thiện với môi trường ở chỗ từ sản xuất điện đến phân phối điện cho tiêu dùng ít ảnh hưởng đến môi trường, trong đó nhiều nguồn điện tái tạo được dễ dàng triển khai sử dụng hợp lý.

·Phải đảm bảo an toàn. LĐTM không gây hại cho nhân dân, trái lại trợ giúp đắc lực cho nhân dân khi có những nhu cầu về y tế.

Vậy những đặc điểm của lưới điện thông minh là gì?

·Một là làm cho người tiêu dùng có khả năng tham gia tích cực. LĐTM cung cấp cho người tiêu dùng những thông tin đầy đủ để người tiêu dùng biết, cân đối việc tiêu dùng với số tiền phải thanh toán, tiết kiệm cho người tiêu dùng đồng thời tạo thuận lợi cho người sản xuất điện.

·Hai là phù hợp với mọi cách sản xuất điện và chứa điện.

Mọi cách sản xuất ra điện, đặc biệt là từ năng lượng tái tạo có thể kết hợp với LĐTM để bán điện, mua thêm điện, gửi điện sản xuất ra vào LĐTM. LĐTM cũng dễ dàng cung cấp điện cho phương tiện thông thường như ôtô điện lấy điện trên các trạm dọc đường.

·Ba là tạo ra một khả năng chế tạo ra sản phẩm mới, dịch vụ mới, thị trường mới.

LĐTM liên kết giữa người mua điện và người bán điện để tạo ra nhiều sản phẩm mới dùng để tiêu thụ điện, để bán điện khi có LĐTM. Đây là một thị trường sản phẩm rất rộng rãi, xuất phát từ những cơ quan nghiên cứu thiết kế phục vụ LĐTM và bán ra cho đến từng hộ gia đình.

·Bốn là cho phép cả người sử dụng lẫn người sản xuất đề ra được quy trình sản xuất – tiêu thụ điện.

Người tiêu dùng tham khảo những thông tin như giá điện theo giờ tiêu dùng để đưa ra kế hoạch sử dụng điện trong ngày, trong tuần và có chương trình chỉ thị cho các máy móc hoạt động theo kế hoạch. Nhà sản xuất căn cứ theo các chương trình kiểu này để có chương trình sản xuất, phân phối điện.

·Năm là LĐTM biết cách tự phân tích các tình huống xảy ra để xử lý hoặc cục bộ hoặc toàn thể để đảm bảo cho điện được cung cấp liên tục.

·Cuối cùng là LĐTM có phương án hoạt động thích nghi khi có phá hoại hoặc thiên tai. Nhờ phát triển công nghệ thông tin nên LĐTM có một giải pháp hệ thống rất đa năng để hạn chế tác hại của những phá hoại ảo, phục hồi nhanh chóng nhất những gián đoạn nếu có xảy ra.

Đó chỉ là những hướng chung, những tiêu chuẩn chung còn thật cụ thể như thế nào nhiều nước hiện nay đang trong quá trình xây dựng.

Thật ra những nhược điểm của lưới điện cổ điển ở ta và nhiều nước đang dùng đã được biết và nói đến từ lâu. Nhưng ý tưởng phải đổi mới, thay thế hoàn toàn lưới điện cũ bằng lưới điện thông minh là mới bắt đầu từ năm 2005 từ bài báo “Tiến đến lưới điện thông minh” công bố ở một tạp chí có tên tuổi của ngành điện. Các nước đã có lưới điện theo kiểu cũ khá hoàn chỉnh như Mỹ, các nước Tây Âu, các nước châu á kinh tế mới nổi lên như Hàn Quốc, Trung Quốc, các nước đông dân, rộng lớn như ấn Độ đều thấy là cần nhanh chóng chuyển sang lưới điện thông minh. Tuy nhiên đó không phải là dễ làm, phải tiến hành đầu tư, nghiên cứu cẩn thận.

Nước Mỹ đã căn cứ vào những đạo luật về năng lượng chi mỗi năm 100 triệu đô la từ 2008 đến 2012 để đưa ra được chương trình kế hoạch làm lưới điện thông minh cho nước Mỹ và theo một đạo luật về đầu tư năm 2009 đã dự toán 11 tỷ đô la cho việc làm lưới điện thông minh.

Chính phủ úc đã quyết định đầu tư 100 triệu đô cho lưới điện thông minh. Ngành năng lượng úc dự kiến sẽ xây dựng lưới điện thông minh ở năm vùng thuộc bang New South Wales có hợp tác với các cơ quan năng lượng ở Mỹ trong đó có 50.000 đồng hồ điện thông minh và 15.000 máy móc ở gia đình làm việc theo chương trình trong kế hoạch lưới điện thông minh.

Chính quyền ở Ontario thuộc Canada đã quyết định năm 2010 bắt đầu lắp đồng hồ điện thông minh cho các gia đình.

Ở Trung Quốc, trong kế hoạch 5 năm đã có chương trình đến năm 2012 tất cả các máy phát điện 300MW trở lên và các đường dây 500kV trở lên sẽ được điều khiển theo kiểu lưới điện thông minh do nhà nước tổ chức.

Chính phủ Hàn Quốc đã đưa ra chương trình thăm dò, chi 65 triệu đô cho việc xây dựng lưới điện thông minh trên đảo Jeju, cấp điện cho 6000 hộ trên đảo. ở đây có kết hợp dùng điện gió. Kế hoạch của Hàn Quốc lại là dùng lưới điện thông minh để giảm tiêu thụ điện 10% trước năm 2030.

Tháng 1 năm 2010 Hàn Quốc đã hợp tác với Mỹ (bảng Illinois và Chicago) nhằm phát triển những kỹ thuật, làm những thiết bị cho lưới điện thông minh trong ba năm tới và dự kiến đến năm 2030 toàn bộ lưới điện của Hàn Quốc là lưới điện thông minh.

Như vậy theo xu hướng hiện đại, không phải chỉ lo phát triển các nhà máy điện để sản xuất điện ngày càng nhiều hơn mà rất cần chú ý thay đổi lưới điện sao cho thông minh hơn lưới điện hiện có, đảm bảo an toàn về điện nhưng lại tiết kiệm điện hơn nhiều.