Sử dụng hiệu quả năng lượng điện

Sử dụng hiệu quả năng lượng điện Cục Năng lượng Hoa Kỳ ước tính rằng tăng hiệu suất sử dụng năng lượng có thể làm giảm lượng điện năng tiêu thụ quốc gia từ 10% trở lên vào năm 2010, và lên tới hơn 20% vào năm 2020, với lợi ích kinh tế cho người tiêu dùng và các doanh nghiệp. Khái niệm về sử dụng hiệu quả năng lượng đã được đưa ra và ủng hộ bởi công chúng qua nhiều năm, nhưng gần đây đã đạt được những đổi mới với sự ủng hộ rộng rãi. Sự hợp lưu của kinh tế, môi trường và địa chính trị về việc sử dụng hiệu quả năng lượng càng tăng lên xung quanh mối quan tâm về những ảnh hưởng của Mỹ khi xảy ra gián đoạn cung cấp năng lượng. Kết quả là, một số sáng kiến đang được tiến hành để cải thiện hiệu suất sử dụng trong nhiều lĩnh vực, nhưng vẫn cần nhiều hành động hơn nữa. Hoa Kỳ cũng không một mình trong những nỗ lực này. Trung Quốc hiện nay có mười chương trình hiệu quả nhằm nâng cường độ năng lượng của đất nước - lượng năng lượng được sử dụng trên một đơn vị GDP - để theo kịp các đối thủ như Mỹ và Liên minh châu Âu. EU đã có những bước đi tương tự để cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng tại các nước thành viên lên 20% trong 15năm tới. Hiệu quả là một khái niệm đơn giản mà có lẽ tốt nhất có thể được tóm tắt với các từ, "làm nhiều hơn và nói ít đi. "Có lẽ được biết đến là chương trình sử dụng hiệu quả năng lượng tốt nhất trong số các chương trình tại Mỹ là Energy Star giúp người dùng sử dụng các thiết bị như máy rửa chén và tủ lạnh sử dụng với ít năng lượng hơn các mô hình tương tự. Thực vậy, thuật ngữ "hiệu quả " thường gắn liền với cách năng lượng được tiêu thụ tại các điểm sử dụng cuối cùng, nhưng khái niệm về hiệu quả cũng có thể được áp dụng cho cách năng lượng được sản xuất và Phân phối. Bài báo này tập trung chủ yếu vào hệ thống điện, nơi hầu hết các ứng dụng đầu cuối sử dụng năng lượng là hệ thống giao thông vận tải và sưởi. Chúng tôi đầu tiên sẽ trình bày một định nghĩa rộng về hiệu quả và sau đó khám phá nhiều cách lưới điện có thể được thực hiện hiệu quả hơn. Máy phát Để có thể đánh giá các tác động mà việc tăng hiệu quả sử dụng có thể mang lại - điều này rất hữu ích để kiểm tra cái giá mà chúng ta phải trả cho sự lãng phí - không cách nào chi tiết hơn là đánh giá các thế hệ năng lượng điện. Thông thường, đó là quá trình chuyển đổi năng lượng tiềm ẩn trong một phần nhiên liệu (than, khí đốt, uranium) thành năng lượng cơ khí trong một máy phát điện và cuối cùng là năng lượng điện. Tuy nhiên, các thế hệ năng lượng nguồn khác như gió và thủy điện sử dụng năng lượng cơ học của chúng di chuyển của không khí hoặc nước để sản xuất năng lượng điện. Một số thiết bị khác, chẳng hạn như tế bào nhiên liệu, sử dụng phản ứng hóa học để tạo ra năng lượng điện. Trong mọi trường hợp này, một phần năng lượng đầu vào là bị mất trong quá trình này. Hiệu quả của thế hệ máy phát rất khác nhau tùy theo công nghệ được sử dụng. Ví dụ trong một nhà máy sử dụng than truyền thống, chỉ có khoảng 30-35% năng lượng trong than kết thúc lên là điện ở đầu bên kia của máy phát điện. Cao hơn nữa được gọi là "siêu tới hạn"- mức mà nhà máy than đá có thể đạt hiệu quả trong giữa những năm 40, và mới nhất của công nghệ than đá là 60% được gọi là chu trình hỗn hợp khí hoá tích hợp hoặc IGCC, có khả năng mức độ hiệu quả trên 60%. Hầu hết các máy phát điện khí đốt đạt hiệu quả ở một mức độ tương tự. Rõ ràng, ngay cả ở hiệu quả 60% vẫn có một số lượng lớn tiền năng lượng bị bỏ lại phía sau trong các thế hệ. Điều đó đại diện cho chi phí sản xuất cao hơn cho máy phát điện, cũng như là lãng phí lượng tài nguyên giới hạn một cách đáng kể. Do đó, sẽ thu được hiệu quả về kinh tế và sinh thái to lớn khi cải thiện hiệu quả phát điện so sánh trên lượng năng lượng của nhiên liệu đầu vào và sản lượng điện sản xuất. Có rất nhiều cách để nâng cao hiệu quả phát điện, như đốt tối ưu hóa bằng cách sử dụng hệ thống điều khiển hiện đại, nhưng mục đích của bài báo này của chúng tôi là tập trung vào những gì xảy ra sau quá trình phát. Truyền tải và phân phối Sau khi năng lượng điện được tạo ra, nó phải được chuyển đến nơi mà nó sẽ được sử dụng. Điều này được gọi là truyền tải - truyền một lượng lớn năng lượng trên khoảng cách đôi khi rất dài và tách biệt. Còn phân phối là quá trình cung cấp năng lượng điện từ lưới điện truyền tải điện áp cao đến các địa điểm cụ thể như một đường phố hoặc khu dân cư, khu thương mại… Phân phối thường bao gồm các trạm biến áp và đường dây tải (feeder) mà lấy điện từ lưới điện áp cao và hạ áp dần dần từng bước, cuối cùng đến mức 120V hay 240V mà ở đó điện được đưa đến từng hộ gia đình. Việc truyền tải và phân phối hay còn gọi là hệ thống "T & D", bao gồm mọi thứ từ một nhà máy phát và đầu cuối sử dụng. Trên đường đi, một số năng lượng được cung cấp bởi máy phát điện bị mất do trở kháng của dây dẫn, thiết bị điện đi qua. Hầu hết năng lượng này được chuyển đổi thành nhiệt. Lượng năng lượng tổn thất trong hệ thống T & D phụ thuộc nhiều vào cấu trúc, đặc điểm của hệ thống cũng như câu hỏi cách nó được điều hành. Nói chung, T & D thất thoát từ 6% và 8% được xem là bình thường. Có thể tính toán được những điều này có nghĩa theo đồng đô la bằng cách nhìn vào sự khác biệt giữa số lượng năng lượng điện được tạo ra và số tiền thực tế bán ở cấp độ bán lẻ. Theo dữ liệu từ Ủy ban Thông tin năng lượng, Hoa Kỳ đã sản xuất đến trên 3.900.000.000 megawatt giờ (MWh) trong năm 2005 trong khi doanh số bán hàng điện bán lẻ trong năm đã được về 3.600.000.000 MWh. T&D tổn thất lượng đến 239.000.000 MWh hay 6,1% lượng điện sản xuất. Nhân con số này với giá thành bán lẻ trung bình của Mỹ năm 2005, chúng tôi có thể ước tính thiệt hại đến mức chi phí cho nền kinh tế Hoa Kỳ gần 19.500.000.000 USD. Phí tắc nghẽn là một đại diện khác cho việc sử dụng kém hiệu quả trong hệ thống T & D, nhưng chỉ được xác định một phần bởi các đặc tính vật lý của Đầu tư kinh doanh truyền so với bán lẻ điện. Nguồn: IEEE lưới điện. Tắc nghẽn xảy ra khi theo lưu lượng hoặc dòng chảy thực tế của điện bị hạn chế bởi dung năng vật lý thực tế của thiết bị sử dụng hoặc các thiết bị ràng buộc an toàn cho hoạt động truyền tải để bảo độ tin cậy lưới điện. Để đáp ứng nhu cầu, các nhà điều hành hệ thống phải tìm một nguồn năng lượng thay thế tránh các hiện tượng nút cổ chai. Việc thay thế máy phát điện sẽ ít kinh tế, và do đó kém hiệu quả từ một viễn cảnh thị trường. Một hệ thống T & D mạnh mẽ hơn có thể cung cấp khả năng tránh tắc nghẽn mạng có thể cạnh tranh với các máy phát. Tắc nghẽn là kết quả của một số yếu tố, đặc biệt là thiếu đầu tư truyền dẫn đầy đủ và sự gia tăng tăng trong giao dịch điện số lượng lớn trong cạnh tranh trên thị trường năng lượng. Gần đây con số trên tắc nghẽn cấp quốc gia tại Mỹ rất khó để xác định, tuy nhiên kinh nghiệm của hai trong số những quốc gia lớn nhất trên thị trường điện sẽ phục vụ để minh họa phạm vi vấn đề. Hệ thống điều hành độc lập California báo cáo chi phí tắc nghẽn là 1.100.000.000 USD trong 2004, 670.000.000 trong năm 2005, và 476.000.000 USD trong năm 2006. Điều đáng chú ý là các thuộc tính ISO phần lớn giảm trong thời kỳ 2004 – 2005 cho đến khi có sự mở rộng "Đường dẫn 15" hướng Bắc ở phía Nam hành lang bang. Tương tự, PJM - tập đoàn truyền tải lớn nhất ở Mỹ, báo cáo chi phí tắc nghẽn là 750.000.000 USD trong năm 2004, 2 tỷ USD năm 2005, và 1.600.000.000 USD trong năm 2006. PJM lưu ý rằng kể từ năm 2002, chi phí tắc nghẽn có trong 7-10% tổng số hóa đơn hàng năm. Theo những số liệu này, rõ ràng, chi phí không hiệu quả trong hệ thống T & D là đáng kể. Tuy nhiên, tác động của ùn tắc là không giới hạn ở những chi phí liên quan đến việc các yếu tố kinh tế. Thường thì tình hình thực tế đòi hỏi phải vận hành lưới điện để cắt giảm các dịch vụ cho người dùng ở một số vùng để bảo vệ sự toàn vẹn của lưới điện. Các hành động "truyền tải cứu trợ" (TLRs) đã tăng lên đáng kể trong những năm gần đây, tăng gần 150% chỉ trong giai đoạn 2001-2005. Quá rõ ràng rằng, có một suy luận được rút ra từ những con số về mối quan hệ giữa hiệu quả trong hệ thống T & D và độ tin cậy của hệ thống. Trong tất cả các vùng của Mỹ, ví dụ, có nhà máy phát được kiểm soát bởi các nhà điều hành lưới điện địa phương theo phương châm "phải tin cậy, phải chạy" hay RMR. Các đơn vị này đang chạy bất kể vấn đề kinh tế vì sản lượng của họ là cần thiết để duy trì mức điện áp. RMR thường cũ hơn, bẩn và ít hiệu quả hơn các nhà máy hiện đại, do thực tế rằng họ có xu hướng được đặt tại khu vực đô thị nơi chọn địa điểm cho một nhà máy mới là không thể. Có những lựa chọn thay thế cho máy phát điện RMR (ví dụ các thiết bị FACTS, được mô tả trong phần sau), nhưng sự phụ thuộc hiện tại của chúng ta vào chúng có thể được xem như là một sản phẩm phụ của một hệ thống T & D ít tối ưu hơn. Nhu cầu năng lượng hiệu quả Những người có mức sống trung bình sẽ phải xét đến vấn đề tiêu thụ năng lượng và "hiệu quả" các biện pháp tiết kiệm có thể đem lại, và tập trung của chúng tôi ở đây chủ yếu là ở phía bên cung cấp, nó có giá trị xem xét với một vài ví dụ để minh họa tác động mặt hiệu quả những nỗ lực theo yêu cầu. Hầu hết mọi người có thể đã quen với chương trình Energy Star được đề cập trước đó, hoặc với sự gia tăng của các thiết bị tiết kiệm điện như những bóng đèn huỳnh quang compact tiêu thụ ít điện hơn những bóng đèn thông thường trong khi sản xuất cùng một lượng ánh sáng. Tuy nhiên, tiêu dùng lớn nhất duy nhất của năng lượng điện là công nghiệp động cơ, được sử dụng để chạy mọi thứ, từ dây chuyền lắp ráp cho máy nén cho đến những thứ như quạt thổi không khí buồng đốt của một máy phát điện dùng than. Người ta ước tính rằng 65% năng lượng điện sử dụng trong công nghiệp là cho các động cơ kích cỡ khác nhau, hầu hết đều chạy ở tốc độ lớn nhất bất cứ khi nào họ được bật lên, ngay cả khi không cần thiết. Điều này là do phần lớn các công nghiệp chủ đạo động cơ được điều khiển bởi các thiết bị không hỗ trợ sự thay đổi tốc độ. Các thiết bị có thể thay đổi tốc độ, còn được biết đến như ổ đĩa biến tần, cho phép tăng tốc độ động cơ lên hoặc xuống để đáp ứng các yêu cầu tại một thời điểm nhất định. Các khoản tiết kiệm năng lượng có thể được kết quả rất lớn.VSDs có thể giảm tiêu thụ tới hơn 60%, tương đương với hàng triệu USD một năm trong chi phí năng lượng. Điều quan trọng cần lưu ý ở đây là hiệu ứng đòn bẩy khi mà sử dụng hiệu quả năng lượng có thể đem lại, nhiều tác động một số lượng nhỏ của người tiêu dùng năng lượng nhân với số người tiêu dùng cho kết quả hơn nhiều so với chỉ sử dụng các bóng đèn compact. Rõ ràng, trường hợp thứ hai có vẻ là tốt hơn nếu xét trên một lượng nhỏ người dùng dân sự. Tuy nhiên, nếu xét trên toàn bộ hệ thống sử dụng năng lượng điện thì không khó để thuyết phục mọi người. Điều đó, xét về bản chất, là nơi tập trung của các công nghệ cần xử lý. Nâng cao hiệu quả trong hệ thống T & D Một ví dụ về các biện pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng thông qua nâng cao hiệu quả của hệ thống T & D là sáng kiến tiến hành tại Bộ Năng lượng Mỹ xây dựng tiêu chuẩn mới cho máy biến áp phân phối. Đây là những ống sứ màu xám mà bạn nhìn thấy trên đỉnh cột điện trong khu dân cư, và các dây kim loại đặt trên bệ xi măng ở phía mặt đất. Hiện có hơn 40.000.000 máy biến áp phân phối tại Mỹ. Chúng nằm ở hầu hết mọi nơi, và mọi phần tiêu chuẩn hóa của thiết bị điện, và lý do chính là mục tiêu cải tiến hiệu quả sử dụng năng lượng mà sau có thể nhân bản trên khu vực lớn. Các tiêu chuẩn được đề xuất sẽ có một tác động tương đối khiêm tốn về hiệu quả của giá trị sử dụng, hiện là xung quanh 4% so với mô hình hiện tại. Tuy nhiên điều này sẽ trở nên ấn tượng khi mà số người dùng tăng lên. Dự kiến một tiêu chuẩn về hệ thống mới sẽ được thông qua vào năm 2010. Có những sáng kiến khác ở cấp độ phân phối, nhưng nếu chúng tôi tập trung sự chú ý về các biện pháp có tiềm năng lớn nhất để nâng cao hiệu quả, chắc chắn phải xem xét vấn đề truyền tải điện. Có nhiều công nghệ đã được áp dụng để tăng hiệu quả trong truyền tải, và vẫn còn nhiều công nghệ khác vẫn chưa thương mại hóa. Trong các phần tiếp sau, chúng tôi khám phá một số công nghệ này. HVDC Hầu hết các đường dây truyền tải mà tạo thành lưới điện truyền tải khu vực Bắc Mỹ là cao áp xoay chiều (HVAC). Truyền tải dòng một chiều (DC) cung cấp nhiều lợi thế hơn trong AC, ví dụ như: giảm 25% dòng mất mát, hai đến năm lần công suất so với dòng AC tại cùng điện áp, cộng với khả năng kiểm soát chính xác dòng điện. Trong lịch sử, chi phí tương đối cao của các trạm đầu cuối công nghệ HVDC chỉ được sử dụng trong các ứng dụng đường dài như Pacific Intertie DC- kết nối các nguồn tài nguyên thủy điện của sông Columbia với các trung tâm dân số miền Nam California. Với sự ra đời của một loại mới của HVDC, phát minh của ABB và được đặt tên là HVDC Light®. Các lợi ích của truyền tải DC hiện đang được thực hiện trên khoảng cách ngắn. Tuyến kết nối Cross-Sound giữa Long Island and Connecticut là một ví dụ của công nghệ này. Các thiết bị FACTS Một họ các thiết bị điện được biết đến như là Hệ thống truyền tải AC linh hoạt (Flexible AC Transmission Systems hay FACTS), cung cấp nhiều lợi ích cho việc tăng hiệu quả truyền tải điện. Có lẽ khả năng nhìn thấy trước mắt nhất của họ là cho phép dòng AC hiện có để cung cấp cho nhiều tải hơn mà không làm tăng nguy cơ rối loạn trên hệ thống. Kết quả thực tế với cá đặc tính khác nhau được kiểm tra, tuy nhiên kinh nghiệm cho thấy các thiết bị FACTS cho phép nâng cao năng lực truyền bằng 20-40%. Thiết bị FACTS ổn định điện áp, và từ đó loại bỏ một số hạn chế do yêu cầu hoạt động an toàn mà ngăn chặn khai thác tải của một số ngành. Ngoài việc tăng, các thiết bị này cũng cung cấp một độ tin cậy rõ ràng. Biến áp cách điện Gas Hầu hết các trạm biến áp lớn được thiết kế theo những tiêu chuẩn nhất định. Tuy nhiên, mỗi lần điện chảy qua các trạm biến áp để hạ áp, năng lượng bị mất nhiều hơn so với các thiết bị chuyển mạch khác. Hiệu suất của các dòng điện áp thấp hơn ra khỏi trạm biến áp thì thấp hơn so với các dòng điện áp cao. Nếu điện năng được truyền đi ở điện áp cao tới một trạm biến áp gần nơi tiêu thụ thì sẽ cải tiến được hiệu quả sử dụng một cách đáng kể. Trạm biến áp cách điện khí chủ yếu bao gồm các thiết bị mà bạn không thể nhìn thấy ngoài trời- nó gói gọn nó bên trong một hộp kim loại. Không khí bên trong được thay thế bằng một loại khí trơ đặc biệt, cho phép tất cả các thành phần có thể đặt gần nhau mà không có nhiều nguy cơ cháy nổ một. Kết quả là cho phép một trạm biến áp có thể đặt bên trong một tòa nhà hay một không gian hạn chế sao cho có thể sử dụng truyền dẫn áp cao để khai thác tối đa khả năng truyền dẫn. Chất siêu dẫn Vật liệu siêu dẫn tại hay gần nhiệt độ nitơ lỏng có khả năng dẫn điện với trở kháng gần như bằng 0. Hiện nay, các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao đang được phát triển, tuy nhiên vẫn còn bao gồm một số yêu cầu về nhiệt độ nhất định, với khả năng thực hiện truyền tải gấp 3-5 lần so với các loại dây dẫn thông thường. Sự suy giảm trong HTS cũng thấp hơn đáng kể tổn thất trong các dây vật liệu thông thường bao gồm cả chi phí làm lạnh. Một nhà cung cấp chính của cáp siêu dẫn tuyên bố rằng cáp HTS tổn thất chỉ 0,5% điện truyền qua so với 5-8% đối với cáp điện truyền thống. Vật liệu siêu dẫn cũng có thể được sử dụng để thay thế các cuộn dây đồng của biến áp để giảm thiểu thiệt hại tới hơn 70% so với thiết kế hiện hành. Hệ thống Giám sát diện rộng Phần lớn cá hệ thống truyền tải cho phép phục vụ với các tải cao hơn nếu không cần xem xét đến độ ổn định hệ thống. Tuy nhiên, nếu mọi khai thác được giám sát thì có thể cho phép quản lý điều kiện điện lưới chính xác hơn trong thời gian thực. Một ví dụ liên quan đến một thực tế đơn giản rằng khi đường dây nóng lên, kim loại làm dây dân sẽ dễ uốn và gây ra đoản mạch nếu tiếp xúc với một đối tượng khác như cây cối (hệ thống dây cột) hoặc đất (hệ thống dây ngầm). Hệ thống giám sát diện rộng (WAMS) có nhiều khả năng hứa hẹn. Một trong số đó là giám sát nhiệt độ đường truyền. Với chức năng này, đường truyền có thể được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo hệ thống luôn ở mức độ ổn định nhất định, tránh các tình trạng gây lỗi như vượt quá giới hạn nhiệt cho phép của hệ thống. Các biện pháp cải thiện hiệu quả sử dụng điện Các công nghệ nêu trên chỉ là một vài trong số các tùy chọn có sẵn rất nhiều cho việc cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng trong hệ thống T & D. Hội nghị bàn tròn của các nhà kinh doanh điện mà ABB là chủ tịch gần đây đã công bố một danh sách các biện pháp nâng cao hiệu quả hoạt động và công nghệ, một số trong đó bao gồm: • Phát điện phân bố / Microgrids • Ngầm hóa đường dây phân phối • Thiết kế lưới điện thông minh (lưới điện thông minh thông qua tự động hóa) • Giảm tổng thể của T & D và biến áp MVA • Thiết bị lưu trữ năng lượng • Ba giai đoạn thiết kế để phân phối • Kỹ thuật giảm tổn thất dùng dây đất • Truyền tải hoạt động điện áp cao hơn • Điện áp tối ưu hóa thông qua phản ứng điện năng bồi thường • Phân phối, giảm tổn thất thông qua phân phối tự động hóa •Cải tiến hệ số công suất cải tiến • Quản lý tải • Biến áp điện tử Các tùy chọn khác nhau về chi phí và những thay đổi dành cho mua sắm thiết bị hoặc hoạt động thực tế. Chúng tôi đưa ra danh sách tất cả chúng ở đây chỉ đơn giản để minh họa cho nhiều cách khác nhau, mà có thể áp dụng để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng điện. Lợi ích của việc tăng hiệu quả sử dụng Hiệu quả của việc tiết kiệm năng lượng khá đơn giản: sử dụng ít hơn có nghĩa là phải trả ít hơn cho năng lượng. Nhưng lợi ích về giá thành không phải chỉ là lợi ích duy nhất ở đây. Một điều ta có thể thấy ngay đó là các hiệu quả về môi trường. Không nghi ngờ gì về một quy định về dioxide carbon sắp tới, mà ngành điện sẽ là một trong những mục tiêu chính. Các công nghệ khác nhau đã được phát triển để đạt được mục tiêu này. Tuy nhiên nếu xét về hiệu quả sử dụng năng lượng thì dù có áp dụng công nghệ nào đi nữa thì cũng chỉ giải quyết tại khâu sản xuất. Nếu quá trình truyền tải và phân phối vẫn giữ hiệu suất như hiện nay thì lượng CO2 tiết kiệm trong khâu sản xuất chẳng bù nổi lượng CO2 do lãng phí năng lượng. Một lợi ích nữa được xét đến là việc giảm tải sự phụ thuộc của quốc gia vào các nguồn tài nguyên ngoại nhập. Điều này không chỉ về kinh tế mà còn cả về chính trị, quốc phòng. Cuối cùng, việc áp dụng các công nghệ mới không chỉ đơn giản là tăng hiệu quả sử dụng mà đồng thời cũng tăng khả năng phục vụ, khả năng ổn định của lưới điện… như các biện pháp/thiết bị đã nói ở trên.