Với mục tiêu lớn là trung hòa carbon, ngành công nghiệp điện toàn cầu đang trải qua một sự chuyển đổi mô hình cơ bản từ hệ thống cung cấp tập trung sang hệ thống năng lượng phân tán, nơi năng lượng được sản xuất và tiêu thụ gần các khu vực tiêu thụ. Trọng tâm của sự chuyển đổi này nằm ở việc đảm bảo các "nguồn lực linh hoạt" để khắc phục tính không ổn định của năng lượng tái tạo và duy trì sự ổn định của lưới điện; trong số đó, các hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) thế hệ mới đáp ứng đồng thời yêu cầu về sản lượng cao và tuổi thọ dài đang nổi lên như chìa khóa để kích hoạt năng lượng phân tán. 

Đặc biệt, “Luật đặc biệt về thúc đẩy năng lượng phân tán” của Hàn Quốc, có hiệu lực từ tháng 6 năm 2024, đang đóng vai trò là chất xúc tác vượt ra ngoài những thay đổi thể chế đơn thuần và đẩy nhanh quá trình thương mại hóa các công nghệ lưu trữ tiên tiến như siêu tụ điện và hệ thống lưu trữ năng lượng lai (Hybrid ESS), cùng với việc tái cấu trúc thị trường điện lực.  

1. Bối cảnh ngành công nghiệp toàn cầu và phân tích chính sách theo các quốc gia chính

Sự phát triển của ngành năng lượng phân tán đã trở thành một xu hướng tất yếu khi hai yếu tố đan xen nhau: sự mở rộng năng lượng tái tạo để giải quyết khủng hoảng khí hậu và những hạn chế vật lý của lưới điện. Trong bối cảnh sự đồng thuận xã hội đối với việc xây dựng mạng lưới truyền tải ngày càng giảm sút, cùng với những rủi ro về mất điện và mất ổn định hệ thống do truyền tải đường dài, nhiều quốc gia đang quyết liệt thực thi các chính sách nhằm nâng cao tỷ trọng nguồn điện phân tán.

Luật đặc biệt của Hàn Quốc về thúc đẩy năng lượng phân tán và môi trường thể chế

Hàn Quốc đã ban hành "Luật đặc biệt về thúc đẩy năng lượng phân tán" vào ngày 13 tháng 6 năm 2023 và chính thức thực thi vào ngày 14 tháng 6 năm 2024, sau thời gian ân hạn một năm. Luật này đề cập đến những điều khoản đột phá được thiết kế để bổ sung những hạn chế của hệ thống điện tập trung và thúc đẩy phát triển khu vực cân bằng. Các điều khoản chính bao gồm cho phép giao dịch điện trực tiếp tại địa phương thông qua việc chỉ định các Khu vực đặc biệt về năng lượng phân tán, tiến hành đánh giá tác động hệ thống điện và bắt buộc lắp đặt hệ thống năng lượng phân tán trong các tòa nhà có diện tích nhất định. Đặc biệt, "Đánh giá tác động hệ thống điện" nhằm mục đích phân tán nhu cầu điện bằng cách xem xét trước tải trọng mà các cơ sở tiêu thụ điện quy mô lớn đặt lên lưới điện; điều này được kỳ vọng sẽ đóng vai trò là cơ chế mạnh mẽ để hạn chế sự tập trung của các trung tâm dữ liệu và nhà máy quy mô lớn tại khu vực đô thị Seoul.   

• Hàn Quốc: Đã ban hành Luật vào tháng 6/2023 và chính thức thực thi từ 14/06/2024. Nội dung cốt lõi bao gồm: cho phép giao dịch điện trực tiếp trong các đặc khu năng lượng phân tán, thực hiện đánh giá tác động hệ thống điện và bắt buộc lắp đặt năng lượng phân tán cho các công trình quy mô lớn. Điều này sẽ giúp hạn chế tình trạng các trung tâm dữ liệu hay nhà máy lớn tập trung quá mức tại vùng thủ đô.
• Mỹ và Châu Âu: Mỹ thông qua Lệnh số 2222 của FERC, tạo cơ sở cho các nguồn năng lượng phân tán (DER) tham gia thị trường điện bán buôn dưới dạng Nhà máy điện ảo (VPP). EU với kế hoạch REPowerEU đặt mục tiêu nâng tỷ trọng năng lượng tái tạo lên 45% vào năm 2030, đồng thời siết chặt quy định về pin (EU Battery Regulation) để xây dựng chuỗi cung ứng ESS bền vững.

2. Các loại năng lượng phân tán và sự tiến hóa công nghệ

Năng lượng phân tán không chỉ đơn thuần đề cập đến các nhà máy điện quy mô nhỏ mà còn bao gồm tất cả các nguồn năng lượng có khả năng đáp ứng linh hoạt gần các địa điểm tiêu thụ năng lượng. Khi sự kết nối giữa các lĩnh vực tăng tốc cùng với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng tái tạo, các loại hình và phạm vi công nghệ của năng lượng phân tán cũng đang mở rộng.   

Nguồn năng lượng tái tạo (Năng lượng mặt trời, năng lượng gió)

Các nguồn năng lượng phân tán tiêu biểu nhất là năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Tính đến nửa đầu năm 2025, năng lượng mặt trời đang phát triển đủ nhanh để đáp ứng khoảng 83% nhu cầu điện năng toàn cầu ngày càng tăng. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng tái tạo này lại gặp phải vấn đề gián đoạn, gây ra sự biến động nhanh chóng về sản lượng tùy thuộc vào điều kiện thời tiết do sự thay đổi đáng kể trong sản lượng điện dựa trên các yếu tố tự nhiên. Để khắc phục điều này, việc kết hợp các thiết bị lưu trữ công suất cao có khả năng kiểm soát sản lượng từng giây là rất cần thiết.   

Năng lượng phân tán thế hệ tiếp theo: Mô-đun hạt siêu nhỏ (SMR) và pin nhiên liệu

Bên cạnh các nguồn năng lượng tái tạo truyền thống, các lò phản ứng hạt nhân mô-đun nhỏ (SMR) và pin nhiên liệu hydro đang thu hút sự chú ý như những nguồn điện phân tán thế hệ tiếp theo. So với các nhà máy điện hạt nhân lớn, SMR mang lại sự linh hoạt hơn trong việc lựa chọn địa điểm và cho phép vận hành theo tải, giúp chúng xử lý tải cơ bản ở những khu vực có tải trọng lưới truyền tải cao. Pin nhiên liệu được sử dụng làm các cơ sở năng lượng khu vực để cung cấp đồng thời nhiệt và điện cho các tòa nhà đô thị lớn hoặc các khu phức hợp công nghiệp; chúng đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường sự ổn định của năng lượng phân tán nhờ lượng khí thải carbon thấp và hiệu suất năng lượng cao.   

3. Cấu trúc đa chiều của Hệ thống Quản lý Năng lượng Phân tán (DEMS)

Để hệ thống năng lượng phân tán hoạt động ổn định và hài hòa với lưới điện trung tâm, ba trụ cột: : Cung ứng (Supply) – Quản lý (Management) – Nhu cầu (Demand) phải được tích hợp qua các nền tảng thông minh.

- Cung ứng: Đảm bảo đa dạng hóa và tính linh hoạt của nguồn lực

• Về phía nguồn cung, một danh mục đầu tư được hình thành bao gồm các cơ sở sản xuất điện quy mô nhỏ (năng lượng mặt trời, năng lượng gió), hệ thống năng lượng khu vực, lò phản ứng hạt nhân mô-đun nhỏ (SMR) và pin nhiên liệu hydro. Ở đây, việc sử dụng "năng lượng nhiệt" cũng đóng vai trò quan trọng; công nghệ chuyển đổi điện năng thành nhiệt (Power-to-Heat - P2H), lưu trữ điện năng dư thừa dưới dạng nhiệt trong thời gian nhu cầu thấp, là một phương tiện quan trọng để tăng mật độ lưu trữ năng lượng và đảm bảo tính linh hoạt của lưới điện.   

- Quản lý: Trung tâm Điều khiển ổn định hệ thống

Công nghệ quản lý để vận hành hiệu quả các nguồn tài nguyên phân tán là sự hội tụ của công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) và công nghệ năng lượng.

• Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS): Giải quyết sự chênh lệch năng lượng theo không gian và thời gian, đồng thời cung cấp các dịch vụ phụ trợ cho lưới điện như điều chỉnh tần số (FR).   

• Nhà máy điện ảo (VPP): Tích hợp và điều khiển các nguồn điện nhỏ lẻ phân tán thành một nhà máy điện duy nhất thông qua phần mềm dựa trên điện toán đám mây và tham gia đấu thầu trên thị trường điện bán buôn.   

• Lưới điện vi mô: Một lưới điện cục bộ có khả năng cung cấp điện độc lập với lưới điện quốc gia, rất cần thiết cho các vùng đảo, vùng núi hoặc các cơ sở ứng phó thiên tai.   

• AMI & DR: Dữ liệu về nhu cầu được thu thập theo thời gian thực thông qua Cơ sở hạ tầng đo lường tiên tiến (AMI), và người tiêu dùng được khuyến khích tự nguyện giảm tải đỉnh điểm thông qua các chương trình Phản ứng nhu cầu (DR).   

-Nhu cầu: Người tiêu thụ trở thành "Prosumer" (người vừa sản xuất vừa tiêu thụ)

Lĩnh vực tiêu thụ năng lượng đang chuyển mình từ vai trò người tiêu dùng năng lượng đơn thuần thành "người tiêu dùng kiêm nhà sản xuất" (prosumer), vừa sản xuất, lưu trữ năng lượng, vừa cung cấp sự linh hoạt cho lưới điện. Đặc biệt, các khu công nghiệp, cơ sở thương mại và khu dân cư đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái năng lượng phân tán dựa trên đặc điểm phụ tải riêng biệt của chúng.

1) Khu phức hợp công nghiệp: Trung tâm thu hút nhu cầu quy mô lớn và nâng cao hiệu quả lưới điện.

Khu phức hợp công nghiệp này là trung tâm của mô hình 'thu hút nhu cầu' mạnh mẽ nhất trong khu vực đặc biệt về năng lượng phân tán.

• Ứng dụng thí điểm lưới điện siêu nhỏ: Các công ty trong khu công nghiệp cùng nhau thiết lập một lưới điện siêu nhỏ để giải quyết tình trạng thiếu hụt kết nối năng lượng tái tạo và nâng cao hiệu quả của mạng lưới phân phối điện.

• Hệ thống lưu trữ năng lượng giảm tải giờ cao điểm: Giảm tải trong giờ cao điểm thông qua hệ thống lưu trữ năng lượng được lắp đặt tại các nhà máy và trung tâm phân phối, đồng thời nhận được các ưu đãi giảm giá cước cơ bản dựa trên mức sử dụng.   

• Giao dịch điện năng trực tiếp: Bằng cách mua điện trực tiếp từ các nhà cung cấp năng lượng phân tán, chi phí truyền tải được giảm thiểu và khả năng đáp ứng mục tiêu trung hòa carbon (RE100) được tăng cường.

2) Các cơ sở thương mại và công cộng: Dẫn đầu trong việc lắp đặt bắt buộc và độc lập về năng lượng

Các tòa nhà thương mại và các tổ chức công cộng tạo ra nhu cầu ban đầu trong thị trường năng lượng phân tán bằng cách thực hiện các nghĩa vụ chính sách.

• Lắp đặt hệ thống năng lượng phân tán là bắt buộc: Các tòa nhà có mức tiêu thụ năng lượng nhất định (200.000 MWh trở lên mỗi năm) hoặc các nhà điều hành phát triển đô thị quy mô lớn phải đáp ứng một tỷ lệ nhất định trong tổng mức tiêu thụ năng lượng của họ bằng năng lượng phân tán, và sẽ bị phạt nếu vi phạm.

• Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) bắt buộc đối với các cơ quan công cộng: Các tòa nhà thuộc cơ quan công cộng có công suất hợp đồng từ 1.000kW trở lên phải lắp đặt hệ thống ESS với quy mô ít nhất 5% công suất hợp đồng để góp phần ổn định lưới điện.   

• Hệ thống HVAC thông minh và khả năng điều chỉnh tải: Tham gia vào thị trường điều chỉnh tải dân dụng và thương mại bằng cách kiểm soát tải nhiệt và làm mát của các tòa nhà thương mại thông qua các hệ thống điều khiển nhiệt độ thông minh.   

3) Kết nối các lĩnh vực: Ngăn ngừa lãng phí điện năng dư thừa và tối đa hóa hiệu quả năng lượng.

Lượng điện dư thừa được tạo ra từ các nguồn điện phân tán không chỉ được tiêu thụ dưới dạng điện năng mà còn được chuyển đổi thành nhiệt năng, hydro, nhiên liệu, v.v., thông qua công nghệ P2X (Power to X) và được sử dụng trong các lĩnh vực khác.

• V2G (Xe-đến-lưới điện): Pin xe điện được sử dụng như thiết bị lưu trữ trong các khu dân cư để tích trữ điện năng dư thừa hoặc cung cấp vào lưới điện khi cần thiết. Các khu vực như California ở Hoa Kỳ đang dẫn đầu việc tiêu chuẩn hóa công nghệ này, bao gồm cả việc bắt buộc lắp đặt khả năng sạc hai chiều vào năm 2027.   

• P2G (Power-to-Gas): Công nghệ chuyển đổi năng lượng thành dạng khí, chẳng hạn như hydro hoặc metan, thông qua quá trình điện phân nước để lưu trữ và vận chuyển, cung cấp khả năng lưu trữ năng lượng dài hạn, cho phép tích hợp ổn định vào lưới điện năng lượng tái tạo biến đổi.

• P2H (Power-to-Heat): Giải quyết vấn đề dư thừa nguồn cung điện bằng cách vận hành máy bơm nhiệt sử dụng năng lượng tái tạo dư thừa để sản xuất và lưu trữ năng lượng nhiệt phục vụ cho việc cung cấp nước nóng và sưởi ấm.

 

4. So sánh và phân tích chuyên sâu các công nghệ hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) thế hệ tiếp theo

Đối với "ổn định lưới điện", chức năng cốt lõi của năng lượng phân tán, điều quan trọng không chỉ là lưu trữ một lượng lớn năng lượng, mà là tốc độ (Công suất cao) và khả năng giải phóng năng lượng lặp đi lặp lại (Tuổi thọ cao) khi cần thiết.   

So sánh giữa tụ điện ion liti (NMC), tụ điện LFP và siêu tụ điện

Pin lithium-ion (NMC), hiện đang chiếm ưu thế trên thị trường, được sử dụng rộng rãi trong mọi thiết bị từ gia dụng nhỏ đến xe điện nhờ mật độ năng lượng cao; tuy nhiên, vấn đề an toàn cháy nổ và tuổi thọ chu kỳ sạc/xả ngắn (2.000 đến 3.000 chu kỳ) được coi là những trở ngại đối với hoạt động của hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Như một giải pháp thay thế, pin lithium sắt photphat (LFP) đang nổi lên; mặc dù LFP có mật độ năng lượng tương đối thấp hơn, nhưng giá cả cạnh tranh và độ ổn định nhiệt tuyệt vời, do đó thị phần của nó đang nhanh chóng tăng lên trong thị trường hệ thống lưu trữ năng lượng cố định.   

Mặt khác, siêu tụ điện sử dụng nguyên lý hấp phụ vật lý thay vì phản ứng hóa học, thể hiện những đặc điểm hoàn toàn khác với pin lithium. Mặc dù dung lượng lưu trữ năng lượng của chúng nhỏ, nhưng đầu ra lại cực kỳ cao, và với tuổi thọ hơn 500.000 chu kỳ, chúng gần như là vĩnh cửu.

Cơ chế kỹ thuật và công thức tính toán mật độ năng lượng

Khả năng lưu trữ năng lượng (E) và công suất đầu ra (P) của siêu tụ điện được xác định bởi các định luật vật lý sau. 

Ở đây, C là điện dung, V là điện áp và ESR là điện trở nối tiếp tương đương. Siêu tụ điện có điện trở (ESR) cực thấp, cho phép chúng tạo ra công suất tức thời cao hơn hàng chục lần so với pin, đây là cơ sở cho khả năng phản ứng với sự sụt giảm điện áp hoặc dao động tần số trong lưới điện ở mức mili giây (ms).   

5. Các ứng dụng chiến lược và trường hợp đổi mới của siêu tụ điện

Giá trị của siêu tụ điện được tối đa hóa khi chúng được sử dụng như một thành phần cốt lõi của hệ thống lưu trữ năng lượng lai (hybrid ESS) tạo ra sự cộng hưởng "hiệu suất cao - tuổi thọ cao" bằng cách kết hợp với pin lithium, thay vì được sử dụng riêng lẻ.   

Điều chỉnh tần số và ổn định chất lượng điện năng (FR-ESS)

Việc duy trì tần số của hệ thống điện là rất quan trọng đối với chất lượng điện năng. Khi tỷ lệ năng lượng tái tạo tăng lên, sự dao động tần số trở nên thường xuyên hơn; việc sử dụng pin lithium cho mỗi lần dao động như vậy sẽ làm giảm đáng kể tuổi thọ pin. Siêu tụ điện xử lý các dao động nhỏ và thường xuyên, chiếm khoảng 80% nhiệm vụ điều chỉnh tần số. Theo dữ liệu thử nghiệm từ Viện Nghiên cứu Điện lực Hàn Quốc (KEPRI), việc vận hành siêu tụ điện song song có thể làm giảm đáng kể tần số phản ứng của pin lithium, kéo dài tuổi thọ tổng thể của hệ thống hơn 1,5 lần và đảm bảo độ tin cậy lâu dài hơn 15 năm.   

Cơ sở hạ tầng đo lường tiên tiến (AMI) và nguồn điện dự phòng tuổi thọ cao

Công tơ điện thông minh (AMI) yêu cầu dòng điện cao tức thời để truyền dữ liệu. Trong khi hiệu suất pin giảm nhanh ở nhiệt độ dưới 0°C hoặc môi trường ngoài trời khắc nghiệt, tụ điện siêu cấp hoạt động ổn định từ -40°C đến 65°C, cung cấp độ tin cậy không cần bảo trì trong hơn 15 năm mà không cần thay thế thiết bị. Điều này giúp giảm đáng kể chi phí bảo trì tại hiện trường cho các công ty điện lực.   

Thiết bị điện và các ứng dụng công nghiệp đặc biệt (thiết bị đóng cắt, UPS, E-STATCOM)

• Công tắc điện: Các công tắc, cần phải nhanh chóng ngắt đường dây trong trường hợp xảy ra sự cố lưới điện, đòi hỏi nguồn điện hoạt động có độ tin cậy cao. Siêu tụ điện, có độ tự phóng điện thấp và cho phép giám sát điện áp liên tục, đang dần thay thế pin làm nguồn điện cho các công tắc này.   

• UPS (Hệ thống nguồn dự phòng): Các trung tâm dữ liệu và dây chuyền sản xuất chất bán dẫn có thể chịu tổn thất nghiêm trọng ngay cả khi điện áp giảm chỉ vài mili giây. Siêu tụ điện giải phóng năng lượng ngay lập tức khi mất điện, lấp đầy khoảng trống một cách hoàn hảo cho đến khi máy phát điện hoặc pin được khởi động.   

• E-STATCOM: Một công nghệ điều khiển công suất hiệu quả bằng cách kết hợp siêu tụ điện với thiết bị bù công suất phản kháng thông thường (STATCOM). Điều này cung cấp quán tính ảo cho hệ thống, tăng cường sự ổn định của lưới điện với tỷ lệ năng lượng tái tạo cao.

Ghép nối và ổn định các lĩnh vực công nghệ điện phân nước

Các thiết bị điện phân nước dùng để sản xuất hydro xanh đối mặt với nguy cơ hư hỏng chất xúc tác điện cực cao nếu nguồn điện không ổn định. Siêu tụ điện giúp giảm thiểu sự biến động của năng lượng tái tạo để cung cấp điện năng ổn định cho cụm điện phân, từ đó tăng hiệu quả sản xuất hydro và bảo vệ tuổi thọ thiết bị. Chúng cũng đang được chú ý vì khả năng giảm chi phí gia cố lưới điện bằng cách triệt tiêu các đỉnh công suất tức thời tại các trạm sạc nhanh xe điện.

6. Năng lượng phân tán và các thiết bị lưu trữ năng lượng

Với việc thực thi Luật đặc biệt về thúc đẩy năng lượng phân tán, trọng tâm cạnh tranh trong thị trường hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) đang chuyển từ "lưu trữ đơn giản" sang "kiểm soát chất lượng tiên tiến".

Hơn nữa, việc chuyển đổi sang kỷ nguyên năng lượng phân tán không còn là vấn đề lựa chọn mà là vấn đề sống còn. Việc thực thi Luật đặc biệt về năng lượng phân tán của Hàn Quốc là một bước tiến quan trọng hướng tới đảm bảo an toàn và cân bằng nguồn cung điện khu vực, và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) công suất cao/tuổi thọ dài hỗ trợ về mặt kỹ thuật sẽ trở thành thước đo năng lực cạnh tranh của ngành công nghiệp.   

Siêu tụ điện là giải pháp  thiết yếu bổ sung cho những hạn chế của pin lithium, hoàn thiện hiệu quả kinh tế và độ an toàn của toàn bộ hệ thống. Từ việc điều chỉnh tần số giúp ổn định những biến động nhỏ trong lưới điện đến các nguồn điện AMI chịu được môi trường khắc nghiệt, và thậm chí cả công nghệ đệm điện phân nước làm nền tảng cho nền kinh tế hydro trong tương lai, giá trị chiến lược của siêu tụ điện đang ngày càng tăng lên. 

Do đó, các công ty liên quan phải chủ động đảm bảo các giải pháp công nghệ hội tụ và nắm bắt cơ hội của thị trường năng lượng phân tán khổng lồ thông qua các chiến lược nội dung tinh vi, truyền tải chúng bằng ngôn ngữ của thị trường.

※ Các ý kiến, suy nghĩ và quan điểm được thể hiện trên trang web này là của biên tập viên và không liên quan đến các quan điểm hoặc chính sách chính thức của VINATech.