Tính toán hiệu quả kinh tế hệ lưu trữ năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời (NLMT) là công nghệ tất yếu, bắt buộc phải đồng hành với phát triển năng lượng tái tạo khi con người hạn chế xây dựng các nguồn năng lượng hóa thạch, nhằm giảm phát thải khí nhà kính. Tính toán hiệu quả kinh tế của hệ lưu trữ năng lượng (điện năng) là việc cần thiết khi triển khai NLMT.

• Tính toán tổn thất công suất hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới
• Kiểm tra lựa chọn thiết bị bảo vệ cho điện mặt trời mái nhà

Tuy nhiên, ở Việt Nam, công việc này có vẻ như “chưa bắt đầu” trong mọi mặt. Trước yêu cầu thực tế chúng tôi đã nghiên cứu mở rộng hệ trữ năng lượng từ nguồn (NLMT) nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và và phát triển bền vững.

Trong bài báo này sẽ mô phỏng hệ thống lưu trữ của nhà máy điện NLMT và tính toán hiệu quả kinh tế của hệ lưu trữ năng lượng (điện năng)

Tình hình chung BESS trên thế giới và trong nước

Theo báo cáo Triển vọng thị trường dự trữ năng lượng 2019 của Bloomberg gần đây báo cáo một số ví dụ về các quy định mới sẽ khuyến khích BESS (Battery Energy Storage System/hay ESS – hệ thống lưu trữ năng lượng) ở các nước đang phát triển:

• Trung Quốc, nơi có hàng trăm MW dung lượng lưu trữ sẽ trực tuyến vào cuối năm 2019. Nhưng một bước lùi là bị ảnh hưởng vào tháng 5 năm 2019 khi cơ quan quản lý ra phán quyết rằng các nhà khai thác T&D không được bao gồm tài sản lưu trữ trong cơ sở tỷ giá.
• Quảng Đông và Tây Nội Mông đã ra mắt thị trường điều tiết tần số.
• Điện lực miền Nam Trung Quốc và lưới điện Nhà nước Trung Quốc đã ban hành hướng dẫn đầu tiên về lưu trữ năng lượng chiến lược kinh doanh.
• Chile đã soạn thảo “Luật linh hoạt”. Đề xuất coi lưu trữ là một phần của chiến lược tăng tính linh hoạt của lưới của nó. Một Ủy ban Kỹ thuật đang phát triển các đề xuất để thay đổi quy định hiện hành đến cuối năm 2019.
• Tại Việt Nam, 4,5GW năng lượng mặt trời được đưa vào hoạt động trong nửa đầu năm 2019. GE đã được trao một nghiên cứu để đánh giá việc triển khai lưu trữ để tích hợp tỷ trọng năng lượng tái tạo lớn hơn. (Ở Việt Nam, chương trình hạt nhân đã bị hủy bỏ, không có thêm các nhà máy than mới được lên kế hoạch, và nguồn khí đốt trong nước bị hạn chế, làm tăng NLMT hội nhập khẩn cấp hơn).
• Tại Philipin tấm quang điện es, Bộ Năng lượng đã xuất bản một dự thảo thông tư bao gồm các quy định và vận hành hệ thống lưu trữ năng lượng (có thể khuyến khích phía sau tầng thượng đồng hồ + kho lưu trữ trong các ứng dụng thương mại và công nghiệp).

Hệ thống lưu trữ

Tiềm năng của BESS để tạo điều kiện tích hợp VRE được minh họa trong Hình 1. mô tả một hệ thống nhiệt với sự thâm nhập cao của PV mặt trời. Nếu một số phần của sản lượng mặt trời có thể được lưu trữ bởi BESS hai hệ quả có lợi sau đây (như thể hiện trong hình): một tránh cắt giảm trong giờ cao điểm sản lượng mặt trời (khi không thể giảm tải nhiệt nữa), và tránh mất tải (hoặc đầu tư liên quan đến việc thêm các đơn vị nhiệt bổ sung vào cung cấp năng lượng cực đại trong vài giờ vào buổi tối) [10].

Chênh lệch giá và dịch chuyển phụ tải cao điểm – lưu trữ điện vào những thời điểm khi nó có giá trị thấp hơn, và thải ra khi nó có giá trị kinh tế cao hơn. Điều này có thể ở lưới điện, truyền tải, mức độ phân phối hoặc người tiêu dùng, với khung thời gian điển hình là vài giờ trở lên mỗi ngày.

Nó ngày càng được triển khai tại các dự án của VRE, nơi nó cũng có thể giúp giảm thiểu việc cắt giảm, và đưa ra các hợp đồng năng lượng chắc chắn hơn. Trong ứng dụng thông thường, thường có một lần sạc và một chu kỳ xả mỗi ngày.

Một trong những lợi ích chính của BESS là khả năng hệ thống xử lý những thay đổi đáng kể trong tải mà không làm giảm hiệu suất hệ thống. Đầu ra điện áp của BESS vẫn còn nhất quán độc lập với tải mà nó đang phục vụ. Bằng cách sử dụng BESS kết hợp với năng lượng mặt trời, BESS có thể lưu trữ một phần tải được xuất ra từ thế hệ năng lượng mặt trời và sau đó cung cấp phụ tải vào những thời điểm khi có mây bao phủ và mất nguồn NLMT. Qua bằng cách sử dụng BESS để bù đắp cho sự mất mát ngắn ngủi trong quá trình phát điện mặt trời, hệ thống tiện ích nhận thấy tải nhất quán hơn được minh họa trong Hình 3.

Tính hiệu quả kinh tế

Bảng 1: Bảng tính hiệu quả kinh tế

Bảng 2: Bảng chi phí cho hệ thống điện mặt trời 1MWp

Số năm hoàn vốn được tính:

Trong đó:

• Đầu tư: chính là suất đầu tư dự án, có thể bằng vốn tự có hoặc vốn vay ngân hàng.
• Tỷ lệ chiết khấu: thể hiện giá trị thời gian của tiền (ví dụ thay vì đầu tư điện mặt trời thì gởi ngân hàng sẽ sinh ra lãi)
• Chi phí lãi vay 10%/năm
• Tổng tiết kiệm thể hiện chi phí tiêu dùng tránh được (nhờ có hệ thống điện mặt trời) và cộng thêm bất kỳ doanh thu nào nhận được từ FiT.
• (1 + CPI)^t: CPI trong công thức là tỷ lệ tăng giá điện hàng năm. Trong bài này để đơn giản hóa phép tính, chúng tôi bỏ qua yếu tố tăng giá điện, tỷ lệ suy thoái hệ thống, chi phí bảo trì hàng năm vì chúng tôi giả thuyết các chi phí này bù trừ nhau.
• Xuất: là điện bán ta lưới, trong bài này không bán ra lưới điện vì vậy Xuất = 0.

Vì vậy chúng ta có công thức rút gọn như sau:

i) Tính tổng tiền đầu tư:

• Suất đầu tư hệ thống này là: 18,000,000,000 VNĐ
• Tỷ lệ chiết khấu hay lãi vay khoảng 10% trên năm
• Tổng mức đầu tư = 18,000,000,000 x 1.1 = 19,800,000,000 VNĐ.

Trong đó:

+ Suất đầu tư 19,800,000,000 đồng

+ Hệ số 1.1 chi phí lãi vay/lãi suất ngân hàng.

ii) Tính tổng tiền tiết kiệm (trong 1 năm):

Ta có 5500 kWh (khoảng 1100 kWp) mà hệ thống tạo ra mỗi ngày, sử dụng 3500 kWh (khoảng 700kWp) cung cấp trực tiếp cho phụ tải và 2000 kWh (khoảng 400kWp) được sạc vào hệ thống pin tích trữ Lithium, hệ thống quản lý điện thông minh thông qua BMS cho phép sử dung điện mặt trời dư thừa lúc buổi trưa để sạc và xả ra để sử dụng vào thời gian cao điểm buổi tối (thí dụ 17h00 đến 20h00).

Bảng 3: Bảng tính chi phí tiết kiệm từ hệ thống điện năng lượng mặt trời

Tiền tiết kiệm được từ PV: 1,916,250,000 VND ⁽¹⁾

Tiền tiết kiệm được từ lưu trữ: 2,117,000,000 VND ⁽²⁾

Tuy nhiên đối với phương pháp quản lý năng lượng như trên chưa khai thác hết khả năng của pin lưu trữ Lithium, vì thế mạnh của pin Lithium chính là chu kỳ nạp xả nhiều lần, trong suốt vòng đời của nó có thể cho phép 6,000 đến 10,000 chu kỳ. Như vậy chúng ta cần khai thác điểm mạnh này, bằng cách ngoài nạp ban ngày và xả để tự dùng buổi tối. Chúng ta lập trình cho pin sạc tự động từ lưới điện ở thời điểm nửa khuya từ 22h00 đến 4h00 (giá 1,000 đ/KWh) và xả sử dụng lúc 9h30 đến 11h30 ngày hôm sau.

Bảng 4: Bảng tính chi phí tiết kiệm từ Battery

Tiền tiết kiệm từ Battery: 1,387,000,000 vnd ⁽³⁾

Tổng tiền tiết kiệm: (1) + (2) + (3) = 5,420,250,000 vnđ ⁽⁴⁾

Chi phí bảo trì bảo dưỡng mỗi năm và các chi phí khác 20%/năm của tổng tiền tiết kiệm: 1,084,050,000 vnđ ⁽⁵⁾

Tổng thu nhập: (4) – (5) = 4,336,200,000 vnđ

Thời gian hoàn vốn: 19,800,000,000/4,336,200,000 = 4,56 (4 năm 7 tháng)

Bảng 5: Bảng tổng thu nhập sau 20 năm

iii) So sánh với gửi ngân hàng:

T_t = N*[(1+x)^t – 1]

T_t: tiền lãi sau t năm

N: vốn đầu tư ban đầu (18,000,000,000 VND)

x: lãi xuất gửi ngân hàng (6,5%/năm)

t: số năm (20 năm)

Vậy: T₂₀ = 18,000,000,000 * [(1+0,065)²⁰ – 1] = 45,425,611,143 VNĐ

Với lãi suất vay ngân hàng: 10%/năm. Thời gian hoàn vốn sẽ được tính theo công thức sau:

A: số tiền lãi phải trả mỗi năm: khoảng 90% tiền tiết kiệm = 3,960,000,000 VND

r: lãi suất vay ngân hàng: 10%/năm

N: vốn ban đầu

=> t = 7,27 (năm)

Vậy nếu phải lấy vốn từ vay ngân hàng, thì khoảng 7 năm 3 tháng thì sẽ thu hồi vốn.

Kết luận: Thời gian hoàn vốn của hệ thống 1MW là khoảng 4 năm 7 tháng. Bên cạnh đó BESS giải quyết được bài toán thiếu điện trong những giờ cao điểm cũng như trong giai đoạn thiếu điện trong nước. Ngoài ra đầu tư vào BESS cũng là bài toán đầu tư kinh tế sinh lợi cho chủ đầu tư (khoảng 68,5 tỷ VND), so với gửi ngân hàng với lãi suất kép (khoảng 45,4 tỷ vnđ) thì đầu tư vào điện mặt trời thu lãi nhiều hơn gấp 1,5 lần sau 20 năm.

Tài liệu tham khảo

1. Nguyễn Thị Ngọc Anh, Nguyễn Thị Ngọc Anh, Đoàn Thị Bằng, Nguyễn Thùy Dung, Đỗ Quang Đông, Nguyễn Anh Thư, “Tính toán thiết kế và phân tích hiệu quả đầu tư Mái nhà điện mặt trời hoà lưới tại viện công nghệ Cao hutech shtp q.9”, Thư viện trường HUTECH, 2016.
2. Phạm Lê Thế Anh, Nguyễn Minh Hiếu, Dương Cao Thế, “Hệ thống năng lượng mặt trời cung cấp điện cho máy bơm nước nông nghiệp”, Thư viện trường HUTECH, 2021.
3. Quy hoạch điện VII điều chỉnh, 2016. https://vietnamnet.vn/vn/tuanvietnam/tam-diem/toan-van-quy-hoach-dien-vii-dieu-chinh-683795.html
4. Phan Tiến Dũng, “Nghiên cứu giảm thiểu sóng hài lưới điện nhà máy thép trên địa bàn Thành phố hồ chí minh”, Thư viện trường HUTECH, 2016.
5. Lê Thành Long, “Nghiên cứu các giải pháp giảm sóng hài nâng cao chất lượng điện năng lưới điện phân phối huyện châu thành”, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật HCM, 2018.
6. V. C. Le, T. L. Nguyen, A. T. Bui, and N. Q. Dinh, “Proposal of the solution of hybrid compensation device in a harmonic filter in the distribution power system,” (in Vietnamese), Journal of Science &Technology – Hanoi University of Industry, vol. 56, no. 2, pp. 15-21, 2020.
7. Lê Đức Tùng, Nguyễn Quốc Minh, “Phân tích, đánh giá và giảm thiểu sóng hài trong lưới điện khi có kết nối hệ thống pin năng lượng mặt trời”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 67, 6 – 2020.
8. Võ Hoàng Lan Khuê, “Mô hình hóa và mô phỏng bộ lọc tích cực ba pha ba dây”, Trường Đại Học Sư Phạm Kỷ Thuật, 4-2106.
9. Advanced configuration of hybrid passive filter for reactive power and harmonic compensation, O. Fatih Kececioglu , Hakan Acikgoz and Mustafa Sekkeli, Kececioglu et al. SpringerPlus, 2016. https://springerplus.springeropen.com/articles/10.1186/s40064-016-2917-7
10. Economic Analysis of battery energy storage systems, Clearn Energy Global Solution Group Energy & Extractives Gobal Pratice, May 2020

    Ngô Đăng Lưu (Công ty Anh Minh Global)
    Nguyễn Đình Long (Trường Đại học Đồng Nai)
    Nguyễn Hùng, Nguyễn Anh Tâm, Nguyễn Duy Phước, Nguyễn Minh Quân, Nguyễn Long Hồ, (Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh)