Ở một số thời điểm nhất định, nguồn cung điện có thể vượt nhu cầu sử dụng, đặc biệt khi sản lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo tăng cao, trong khi ở những khung giờ khác, nhu cầu điện tăng nhanh lại tạo áp lực lớn lên khả năng cân bằng cung – cầu của hệ thống. Sự chênh lệch theo thời gian này không chỉ dẫn đến việc phải cắt giảm sản lượng phát trong một số trường hợp, mà còn làm gia tăng yêu cầu điều độ (dispatch) (1) và vận hành linh hoạt của hệ thống điện. (1) Điều độ (dispatch) là quá trình quyết định nhà máy điện nào phát bao nhiêu công suất, vào thời điểm nào, nhằm đảm bảo cân bằng cung – cầu điện năng và vận hành hệ thống ổn định.
Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) được xem là một giải pháp trực tiếp cho bài toán này, nhờ khả năng hấp thụ và cung cấp điện một cách linh hoạt theo thời gian. Không giống như các nhà máy điện truyền thống vốn có độ trễ trong vận hành, BESS có thể phản ứng gần như tức thời và chuyển đổi linh hoạt giữa trạng thái sạc và xả. Nhờ đó, BESS không chỉ đóng vai trò lưu trữ, mà còn trở thành một công cụ giúp dịch chuyển năng lượng theo thời gian, góp phần tối ưu hóa vận hành hệ thống điện cả về mặt kỹ thuật lẫn hiệu quả kinh tế.
Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ một số thông tin về ứng dụng dịch chuyển năng lượng và dịch vụ công suất (Energy Shifting & Capacity Services) của hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin.
Kinh doanh chênh lệch giá điện Kinh doanh chênh lệch giá điện (Energy arbitrage) là một trong những ứng dụng cơ bản và dễ hiểu nhất của BESS, dựa trên nguyên lý tận dụng sự chênh lệch giá điện theo thời gian. Trong thực tế, giá điện không cố định mà biến động theo cung – cầu, với mức giá thấp vào giờ thấp điểm và tăng cao vào giờ cao điểm. BESS có thể sạc điện vào thời điểm giá thấp và xả điện khi giá cao, từ đó tạo ra lợi nhuận cho nhà vận hành.
Mức chênh lệch giá đủ lớn để hình thành một mô hình kinh doanh chênh lệch giá hiệu quả thường chỉ xuất hiện tại các thị trường điện đã được tự do hóa, nơi giá điện được xác lập theo cơ chế thị trường và biến động theo thời gian thực. Tại các thị trường này, sự dao động của giá điện phản ánh trực tiếp trạng thái cung – cầu của hệ thống, đặc biệt trong bối cảnh tỷ trọng năng lượng tái tạo cao làm gia tăng mức độ biến động theo thời gian.
Ví dụ, tại các thị trường điện như California Independent System Operator (CAISO) (2), giá điện vào buổi trưa thường giảm mạnh do sản lượng điện mặt trời dồi dào, trong khi giá tăng cao vào buổi tối khi nhu cầu tiêu thụ tăng nhưng sản lượng mặt trời giảm. Các hệ thống BESS tại đây thường sạc điện vào buổi trưa và xả vào buổi tối, tận dụng chênh lệch giá này để tối ưu doanh thu. Đồng thời, hoạt động này cũng giúp giảm biên độ dao động giá điện, góp phần ổn định thị trường. (2) California Independent System Operator (CAISO) là tổ chức vận hành hệ thống điện và thị trường điện của bang California (Mỹ), chịu trách nhiệm cân bằng cung – cầu điện theo thời gian thực và điều hành thị trường điện tại bang này.
Dịch chuyển phụ tải theo thời gian (Load shifting) Dịch chuyển phụ tải mở rộng khái niệm kinh doanh chênh lệch giá điện từ góc độ kinh tế sang góc độ vận hành hệ thống. Thay vì chỉ tập trung vào chênh lệch giá, dịch chuyển phụ tải hướng đến việc điều chỉnh hình dạng của đường cong phụ tải (3), giảm sự chênh lệch giữa các thời điểm tiêu thụ điện. (3) Phụ tải (load demand) là đại lượng biểu thị mức công suất điện được tiêu thụ tại một thời điểm nhất định, thường được đo bằng kW, MW hoặc GW. Phụ tải không cố định mà biến đổi liên tục theo thời gian, phản ánh nhu cầu sử dụng điện của các hộ tiêu thụ trong hệ thống. Sự biến thiên này được thể hiện thông qua đường cong phụ tải (load curve), mô tả sự thay đổi của phụ tải theo thời gian trong ngày, tuần hoặc năm. Đường cong phụ tải thường cho thấy các giai đoạn thấp điểm và cao điểm rõ rệt, là cơ sở quan trọng cho việc điều độ hệ thống điện và triển khai các giải pháp như lưu trữ năng lượng hay dịch chuyển phụ tải.
Trong nhiều hệ thống điện, phụ tải thường tăng mạnh vào các khung giờ cao điểm, đặc biệt vào buổi tối khi nhu cầu sinh hoạt và sản xuất đạt mức cao, trong khi các thời điểm khác trong ngày có mức tiêu thụ thấp hơn. BESS cho phép lưu trữ điện năng vào các thời điểm phụ tải thấp và cung cấp lại vào giờ cao điểm, qua đó góp phần giảm đỉnh và nâng mức phụ tải ở các giai đoạn thấp, giúp làm phẳng đường cong phụ tải.
Một ví dụ điển hình có thể thấy tại Australia, nơi điện mặt trời áp mái phát triển mạnh. Vào giữa trưa, sản lượng điện mặt trời cao khiến phụ tải thuần (net load) giảm sâu, nhưng đến buổi tối, nhu cầu tăng nhanh trong khi nguồn mặt trời gần như không còn. BESS được sử dụng để lưu trữ điện vào ban ngày và cung cấp lại vào buổi tối, giúp giảm mức tăng đột ngột của phụ tải và cải thiện độ ổn định của hệ thống.
Ở quy mô hệ thống, dịch chuyển phụ tải không chỉ giúp làm phẳng đường cong phụ tải mà còn cải thiện hiệu quả vận hành của toàn bộ danh mục nguồn điện. Khi phụ tải được phân bổ đều hơn theo thời gian, hệ thống có thể giảm phụ thuộc vào các nguồn phát có chi phí cao và thời gian khởi động nhanh, đồng thời tăng khả năng khai thác các nguồn phát nền (baseload) (4) và năng lượng tái tạo. (4) Nguồn phát nền (baseload) là các nhà máy điện được vận hành liên tục với công suất ổn định trong thời gian dài, nhằm đáp ứng phần nhu cầu điện tối thiểu luôn tồn tại của hệ thống.
Trong bối cảnh tỷ trọng năng lượng tái tạo ngày càng tăng, load shifting còn đóng vai trò như một công cụ hỗ trợ cân bằng giữa các nguồn phát biến thiên và nhu cầu tiêu thụ. Thay vì điều chỉnh nguồn phát theo phụ tải như truyền thống, hệ thống dần chuyển sang điều chỉnh phụ tải và lưu trữ để phù hợp với đặc tính của nguồn năng lượng.
Giảm công suất đỉnh và áp lực hạ tầng Giảm đỉnh phụ tải (Peak shaving) là một ứng dụng tập trung vào việc giảm công suất đỉnh – yếu tố có ảnh hưởng lớn đến chi phí vận hành và đầu tư của hệ thống điện. Trong những thời điểm nhu cầu đạt mức cao nhất, hệ thống thường phải huy động các nguồn phát có chi phí cao hoặc thậm chí đầu tư thêm hạ tầng để đáp ứng tải đỉnh, dù những thời điểm này chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng thời gian vận hành.
BESS có thể xả điện đúng vào những thời điểm này để giảm mức công suất cực đại mà hệ thống phải đáp ứng. Ví dụ, tại các khu công nghiệp hoặc trung tâm dữ liệu, chi phí điện thường bao gồm cả thành phần “demand charge” (5) dựa trên công suất đỉnh. Khi triển khai BESS, doanh nghiệp có thể sử dụng điện từ pin trong giờ cao điểm để giảm mức công suất ghi nhận, từ đó giảm chi phí điện đáng kể. (5) Demand charge (chi phí công suất đỉnh) là khoản chi phí được xác định dựa trên mức công suất tiêu thụ cao nhất (kW hoặc MW) trong một khoảng thời gian nhất định, thường là theo tháng.
Không chỉ dừng lại ở việc giảm chi phí điện cho người sử dụng, giảm đỉnh phụ tải còn mang ý nghĩa quan trọng ở cấp độ quy hoạch hạ tầng điện. Công suất đỉnh thường chỉ xảy ra trong một số thời điểm ngắn trong năm, nhưng lại là cơ sở để thiết kế và đầu tư hệ thống truyền tải và phân phối. Việc sử dụng BESS để giảm đỉnh giúp nâng cao hệ số sử dụng của hạ tầng hiện hữu, qua đó trì hoãn hoặc thậm chí tránh được các khoản đầu tư lớn vào mở rộng lưới điện.
Trong nhiều trường hợp, chi phí đầu tư cho hệ thống lưu trữ có thể thấp hơn đáng kể so với chi phí nâng cấp đường dây hoặc trạm biến áp, đặc biệt tại các khu vực đô thị hoặc khu công nghiệp nơi quỹ đất và điều kiện xây dựng bị hạn chế. Điều này khiến BESS trở thành một giải pháp thay thế hạ tầng (non-wires alternative) ngày càng được quan tâm trong quy hoạch hệ thống điện hiện đại.
Ổn định nguồn năng lượng tái tạo Một trong những thách thức lớn nhất của điện gió và điện mặt trời là tính biến động và khó dự báo chính xác theo thời gian ngắn. Sản lượng điện có thể thay đổi nhanh chóng do sự thay đổi của thời tiết, gây ra dao động công suất và ảnh hưởng đến ổn định hệ thống.
BESS đóng vai trò quan trọng trong việc “firming”, tức là biến nguồn điện biến thiên thành một nguồn điện có đặc tính ổn định hơn. Khi sản lượng điện tái tạo tăng cao đột ngột, BESS sẽ hấp thụ phần dư thừa; ngược lại, khi sản lượng giảm, BESS sẽ xả điện nhằm duy trì mức công suất đầu ra theo kế hoạch hoặc trong giới hạn cho phép.
Bên cạnh khái niệm firming, một chức năng liên quan là smoothing – tập trung vào việc giảm các dao động công suất ngắn hạn do biến động thời tiết. Trong khi smoothing chủ yếu xử lý các biến thiên nhanh trong khoảng thời gian từ giây đến phút nhằm làm mượt tín hiệu đầu ra, thì firming đi xa hơn bằng cách đảm bảo nguồn điện có thể đáp ứng một mức công suất xác định theo thời gian, thường theo các khung giờ đã được lập kế hoạch hoặc cam kết trên thị trường điện.
Một ví dụ tiêu biểu là hệ thống Hornsdale Power Reserve tại Nam Úc, nơi BESS được kết hợp với các nguồn điện gió để ổn định đầu ra và hỗ trợ hệ thống điện khu vực. Nhờ đó, năng lượng tái tạo không chỉ được khai thác hiệu quả hơn mà còn có thể tham gia vào hệ thống điện với mức độ tin cậy cao hơn.
Xu hướng gia tăng giá trị của BESS Trong bối cảnh chuyển dịch năng lượng toàn cầu, vai trò của BESS đang ngày càng trở nên rõ nét. Khi tỷ trọng năng lượng tái tạo tăng cao, sự chênh lệch giữa các thời điểm dư thừa và thiếu hụt điện ngày càng lớn, làm gia tăng nhu cầu lưu trữ và dịch chuyển năng lượng.
Một hiện tượng điển hình là “duck curve” (6) tại các khu vực có tỷ trọng điện mặt trời cao, nơi phụ tải thuần giảm mạnh vào ban ngày và tăng nhanh vào buổi tối. BESS được xem là một trong những giải pháp hiệu quả nhất để xử lý hiện tượng này, bằng cách hấp thụ điện dư vào ban ngày và cung cấp lại vào buổi tối. (6) Duck curve là đường cong phụ tải sau khi đã trừ đi sản lượng điện mặt trời, có hình giống con vịt với “bụng thấp” vào buổi trưa – khi năng lượng mặt trời được sản xuất mạnh và phụ tải ròng giảm thấp và “cổ cao” vào buổi tối – khi sản lượng điện mặt trời giảm và phụ tải ròng tăng.
Bên cạnh đó, trong các thị trường điện cạnh tranh với cơ chế giá theo thời gian thực, BESS không chỉ là một tài sản kỹ thuật mà còn trở thành một công cụ tối ưu tài chính. Nhà đầu tư có thể khai thác đồng thời nhiều nguồn doanh thu từ chênh lệch giá điện, giảm chi phí phụ tải đỉnh và hỗ trợ tích hợp năng lượng tái tạo, qua đó nâng cao hiệu quả đầu tư của hệ thống.
Một đặc điểm đáng chú ý của BESS là khả năng khai thác đồng thời nhiều ứng dụng khác nhau, thay vì chỉ thực hiện một chức năng đơn lẻ. Trong thực tế, cùng một hệ thống có thể vừa tham gia kinh doanh chênh lệch giá điện, vừa giảm công suất đỉnh, đồng thời cung cấp các dịch vụ hỗ trợ như ổn định tần số hoặc tích hợp năng lượng tái tạo. Cách tiếp cận này thường được gọi là “stacking value streams”, và là yếu tố then chốt giúp cải thiện hiệu quả tài chính của các dự án lưu trữ năng lượng.
Tuy nhiên, việc khai thác đa mục tiêu cũng đặt ra bài toán tối ưu phức tạp, khi các dịch vụ khác nhau có thể cạnh tranh về tài nguyên vận hành như dung lượng pin hoặc số chu kỳ sạc – xả. Do đó, vai trò của các hệ thống quản lý năng lượng (EMS) và các thuật toán tối ưu ngày càng trở nên quan trọng trong việc đảm bảo hệ thống đạt được hiệu quả vận hành và kinh tế cao nhất.
Kết luận Các ứng dụng nêu trên cho thấy BESS không chỉ là một hệ thống lưu trữ năng lượng đơn thuần, mà là một tài sản linh hoạt có thể tham gia trực tiếp vào việc điều phối cung – cầu theo thời gian. Từ tối ưu chi phí thông qua chênh lệch giá điện, làm phẳng phụ tải, giảm công suất đỉnh cho đến ổn định nguồn năng lượng tái tạo, BESS đang dần trở thành một thành phần quan trọng trong cấu trúc vận hành của hệ thống điện hiện đại.
Điểm chung của các ứng dụng trên là khả năng dịch chuyển năng lượng theo thời gian – một yếu tố ngày càng trở nên quan trọng trong hệ thống điện hiện đại. Khi cấu trúc nguồn điện chuyển dịch từ các nguồn phát có thể điều khiển sang các nguồn phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, vai trò của các công nghệ lưu trữ như BESS không chỉ dừng lại ở việc lưu trữ năng lượng đơn thuần, mà còn trở thành cầu nối giúp đồng bộ hóa giữa sản xuất và tiêu thụ điện năng.
Để xem các tin bài khác về “BESS”, hãy nhấn vào đây.
