Công nghệ tiên tiến tích trữ năng lượng của không khí nén đoạn nhiệt
Để thấy được tương lai sẽ ra sao, bạn hãy đi một chuyến dài 1.600 km, từ miền Tây bang Texas tới thành phố McIntosh, bang Alabama của Mỹ. Ở đây có hệ thống khí nén tích trữ năng lượng (compressed air energy storage – CAES) đã vận hành hơn 20 năm nay, giúp PowerSouth Cooperative đáp ứng nhu cầu phụ tải đỉnh và trung gian. Nhà máy McIntosh 1 đi vào hoạt động từ năm 1991. Tổ máy CAES công suất 110 MW này nén không khí và tích trữ trong hầm ngầm vào giờ phụ tải thấp để rồi khi cần, nhả không khí nén ra và trộn với khí tự nhiên để đốt trong tuabin gia nhiệt lại ở áp suất cao và giãn nở ở áp suất thấp để phát điện. McIntosh 1 là nhà máy CAES chạy bằng khí đốt vận hành thương mại lớn thứ hai trên thế giới, đứng sau nhà máy công suất 290 MW ở Đức đã hoạt động kể từ năm 1978 cho đến nay.
Trong tuabin khí truyền thống, không khí khí quyển được nén tới áp suất cao hơn, nhiên liệu được đưa vào buồng đốt, kết quả thu được là khói nóng ở áp suất cao, sau đó giãn nở trong tuabin. Hơn 60% năng lượng được sử dụng để làm quay máy nén khí. Gần 40% là cơ năng để làm quay máy phát điện.
Ngược lại, trong chu trình CAES/tuabin khí, chu trình nén được tách ra khỏi các chu trình đốt và phát điện, nhờ sử dụng điện năng giá rẻ vào thời gian phụ tải thấp hoặc điện năng dư thừa. Các máy nén khí làm mát trung gian do động cơ kéo cung cấp không khí nén và tích trữ trong hầm chứa để rồi khi cần thiết, được nhả ra tăng cường công suất cho một tuabin hơi để phát điện. Không khí nén được gia nhiệt trong thiết bị thu hồi nhiệt (heat recovery unit – HRU) sử dụng khói xả ra từ tuabin khí. Nhờ đó có thể nâng cao tính kinh tế trong vận hành tuabin khí CAES bởi vì đầu vào nhiên liệu có thể chưa đến 4.000 Btu (đơn vị nhiệt Anh là một đơn vị năng lượng được sử dụng ở Mỹ) cho 1 kWh điện năng tung lên lưới.
Theo ông Septimus van der Linden, chủ tịch của Brulin, công ty tư vấn chuyên về sử dụng tuabin khí cho các công nghệ mới thì “Không có phụ tải ký sinh, bộ giãn nở không khí (khói) nóng sẽ cung cấp thêm khoảng hai phần ba công suất mà không tiêu thụ thêm nhiên liệu”. Ông nói rằng không khí nén cần thiết được cung cấp với chi phí thấp hơn nhiều, điều này cho phép phát điện năng với chi phí thấp hơn vào giờ nhu cầu phụ tải cao. Như vậy giảm được nhu cầu từ các hệ thống phụ tải trung gian khác như các nhà máy nhiệt điện khí, nhà máy chu trình hỗn hợp hoặc thậm chí cả từ các tổ máy tuabin khí chu trình đơn có vốn đầu tư thấp.
Bây giờ, hãy hình dung việc sử dụng năng lượng gió để nén không khí thay vì lấy điện năng từ các nhà máy chạy bằng nhiên liệu hoá thạch trong giờ phụ tải thấp. Khi đó, ta cũng đạt được những lợi ích như tại các nhà máy ở Alabama và ở Đức, nhưng lại không cần đến nhiên liệu hoá thạch. Tuabin gió nối với máy nén khí, thay vì nối với máy phát điện, có thể tạo ra và tích trữ không khí nén mỗi khi gió thổi, hơn nữa lại không cần phải biến cơ năng thành điện năng sau đó lại dùng điện để chạy máy nén khí để tích trữ không khí nén.
Đối với các nước có địa chất thích hợp để tích trữ không khí trong hầm ngầm, cụ thể như tầng hầm mỏ muối, tầng khí đốt đã khai thác cạn kiệt, mỏ đã khai thác cạn kiệt, hầm địa chất đá cứng và tầng chứa nước mặn sâu trong lòng đất thì mô hình này rất thích hợp. Lưu ý rằng dung tích yêu cầu để tích trữ không khí nén chỉ bằng 1/25 dung tích cần thiết đối với thủy điện tích năng có cùng công suất và thời gian phát điện.
Nhà máy điện kết hợp này sẽ có giá thành xây dựng cao hơn chút ít so với các nhà máy điện gió hoặc nhà máy điện nhiên liệu hoá thạch truyền thống, nhưng chi phí vận hành lại thấp hơn nhiều do mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn và hệ số dung lượng cao hơn.
Có thể xây dựng các nhà máy điện kết hợp công suất lớn. Các dự án CAES cỡ 1.000 MW có thể khả thi ở những vùng nhiều gió. Cũng có thể chọn công suất thích hợp cho các nhà máy này để có thể truyền tải công suất đi xa, mỗi ngày vài giờ hoặc suốt ngày. Hơn thế nữa, chúng sử dụng tương đối ít nhiên liệu (có khi không cần nhiên liệu, như đối với trường hợp nguồn nhiệt thải hoặc các nguồn năng lượng tái tạo khác), có nghĩa là các nhà máy này có thể cung cấp nguồn công suất mới cho các thị trường mà ở đó khó hoặc không thể xây dựng các nhà máy điện gió và nhiên liệu hoá thạch truyền thống hoặc các nhà máy điện hạt nhân.
Giải pháp kinh tế
Tính kinh tế của việc kết hợp gió với CAES có thể rất hấp dẫn. Cụ thể, đối với phần lớn các nhà máy nhiệt điện khí chạy phụ tải đỉnh hiện nay, chi phí lắp đặt khoảng từ 800 USD tới 1.000 USD/kW. Một nhà máy điện gió có khả năng điều độ theo cấu hình chạy phủ đỉnh kết hợp khí tự nhiên (ví dụ như tuabin gió 180 MW có phần tích trữ và thiết bị giãn nở tuabin khí tự nhiên 400 MW, điều độ được 400 MW đến 8 giờ mỗi ngày) giá thành tính theo 1 kW có thể cao hơn chút ít so với nhà máy tuabin khí chạy phủ đỉnh, nhưng nhiên liệu đốt chỉ bằng một phần ba. Nhà máy kết hợp năng lượng gió CAES/khí đốt có tỉ suất nhiệt (tính bằng Btu tiêu hao để phát ra 1 kWh) là khoảng 4.000 Btu/kWh. Trong khi đó, tỉ suất nhiệt đối với phần lớn các tuabin khí chu kỳ đơn là khoảng 9.000 đến 10.500 Btu/kWh. Cấu hình tuabin khí chu trình hỗn hợp có tỉ suất nhiệt thấp hơn, có thể là 7.500 Btu/kWh.
Như vậy, tuỳ thuộc vào loại nhà máy, các bạn chỉ sử dụng từ 1/3 đến 2/3 nhiên liệu bởi vì nhiên liệu dùng để nén là miễn phí.
Nguồn: www.vinamain.com
