Điện khí hóa mọi thứ: Gió vẫn tiếp tục thổi về phía trước

Tác động của thời tiết khắc nghiệt đối với hệ thống năng lượng ở Texas và các tiểu bang Trung Tây khác ngay bây giờ là chưa từng có, và về nhiều mặt gần như không thể chuẩn bị được. Mặc dù chúng tôi nhận ra rằng cuộc khủng hoảng này không thể được quy cho một nguồn năng lượng duy nhất, nhưng có một điều rất rõ ràng: Đối mặt với các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt do biến đổi khí hậu gây ra – cho dù bạn vận hành gió, khí tự nhiên hay năng lượng mặt trời hoặc hạt nhân – , thiết bị dự phòng là nhiệm vụ tối quan trọng để luôn trực tuyến trong điều kiện nắng, tuyết, mưa đá và mưa đá – hoặc thời tiết cận nhiệt ở Texas, trong tất cả mọi thứ! Tại Energize, chúng tôi rất lạc quan về vai trò của phần mềm trong việc tăng cường khả năng phục hồi và hiệu quả của cơ sở hạ tầng quan trọng. Hôm nay, chúng ta sẽ nói về những gì đặc biệt trông giống như gió.

Điện khí hóa là chủ đề chính trong luận án đầu tư của Energize. Chúng tôi đầu tư vào phần mềm và đổi mới mô hình kinh doanh, nhiều trong số đó trực tiếp đóng góp các giải pháp hướng tới khử cacbon bằng phương pháp điện khí hóa. Trong loạt bài blog này, chúng ta sẽ khám phá sự chuyển đổi quan trọng này và các công nghệ thúc đẩy và kích hoạt nó.

Trong tác phẩm cuối cùng của mình , tôi đã tranh luận tại sao năng lượng mặt trời lại sẵn sàng trở thành vua của nguồn năng lượng không carbon trong những thập kỷ tới. Wind cũng có điều gì đó để nói – và đó là điều tôi đang giải quyết hôm nay.

Gió, giống như năng lượng mặt trời, là một nguồn tài nguyên khổng lồ mà nếu được khai thác đầy đủ, có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu gấp hơn 19 lần . Gió cũng rất bổ sung cho năng lượng mặt trời từ quan điểm địa lý và thời gian – gió thường mạnh nhất dọc theo bờ biển, trên vùng đồng bằng bằng phẳng và vào ban đêm. Ở Mỹ, Great Plains có gió mạnh trên bờ được bổ sung bởi gió ngoài khơi mạnh dọc theo các bờ biển. Mặt khác, năng lượng mặt trời mạnh nhất ở các sa mạc phía Tây Nam và các vùng khác có nhiều ánh sáng mặt trời (shocker) như Hawaii, California, Florida và Georgia.

Các khu vực có sản lượng cao nhất của Hoa Kỳ đối với năng lượng mặt trời và gió

Nhiều năng lượng hơn, chi phí thấp hơn

Ngành công nghiệp gió đã liên tục giảm chi phí mặc dù có nhận định rằng ngành này đã trưởng thành và đạt mức chi phí chạm đáy. Theo Lazard , kể từ năm 2009, chi phí bình đẳng của gió đã giảm 71% . Trong khi chi phí tiếp tục giảm, hiệu quả sản xuất của tuabin gió đã tăng lên khi các nhà sản xuất đổi mới và áp dụng công nghệ mới.

Trong ngành điện, “hệ số công suất” là một thuật ngữ phổ biến thể hiện phần trăm số giờ trong năm mà một nhà máy điện đang sản xuất ở 100% công suất. Trong lịch sử, gió và mặt trời đã bị chỉ trích vì các yếu tố công suất thấp (20 đến 30%) liên quan đến việc tạo ra nhiệt và hạt nhân (60 đến 90+%). Tuy nhiên, nhờ những tiến bộ trong công nghệ, các nhà sản xuất và vận hành tuabin gió đã xác định cách tạo ra năng lượng ổn định trong nhiều điều kiện gió khác nhau, trong hầu hết các giờ mỗi ngày. Các trang trại điện gió có hiệu suất cao nhất hiện đang sản xuất đều đặn 40% hoặc thậm chí gần 50% thời gian, gần bằng hệ số công suất của các công nghệ phát điện truyền thống.

Maggie Pakula, phó chủ tịch chiến lược của Invenergy, một nhà phát triển và vận hành gió hàng đầu và nhà đầu tư Energize, giải thích tại sao điều này lại quan trọng.

Bà nói: “Các trang trại gió đạt đến 50% công suất và cao hơn đang thay đổi cuộc chơi một cách thẳng thắn. “Sản lượng gió đáng tin cậy và bền bỉ có thể được dự báo chính xác gần hơn nhiều so với việc thay thế 1-1 cho các nhà máy than và khí đốt, và khi kết hợp với năng lượng mặt trời bổ sung, bạn bắt đầu tiếp cận một sản phẩm công ty hoạt động suốt ngày đêm. Sự thâm nhập ngày càng tăng của năng lượng mặt trời, cải tiến hơn nữa các quy tắc thị trường bán buôn và cải tiến trong dự báo sẽ chỉ làm tăng giá trị của gió và khuyến khích sự giảm chi phí hơn nữa. ”

Vì vậy, gió đạt được các yếu tố công suất cao hơn là quan trọng – nhưng nó được thực hiện như thế nào? Cho phép tôi giải phóng kỹ sư bên trong của mình để trau dồi thêm. Phương trình dưới đây là những gì các kỹ sư gió thực sự sử dụng để tính toán sản xuất điện gió. Tóm lại, sản xuất điện gió chủ yếu là hàm của hai biến số chính: kích thước cánh tuabin (A) và tốc độ gió (V).

Từ quan điểm tiến bộ, điều này giải thích tại sao chúng ta thấy tập trung nhiều vào việc xây dựng các tuabin gió lớn hơn, cao hơn và xác định vị trí các trang trại gió ngoài khơi . Những tiến bộ trong vật liệu tuabin gió và khí động học cho phép tạo ra các cánh quạt nhẹ hơn, mạnh hơn gần như không thể dài mà không bị gãy – chữ “A.” lớn hơn. Trên bầu trời cao và ngoài đại dương, tốc độ gió mạnh và dai dẳng – nhanh hơn “V”.

Nguồn: New York Times

Các tháp gió cực mạnh cho phép các tuabin đạt đến tầm cao mới, tiếp cận nguồn gió mạnh hơn nữa. Không cần tìm đâu xa hơn tuabin gió mới nhất của GE – Haliade-X 12MW – để xem kết quả của sự đổi mới đáng kinh ngạc xảy ra trong khoa học vật liệu, sản xuất và kỹ thuật thiết bị gió. Những đổi mới này có ý nghĩa gì đối với gió? Nhiều năng lượng hơn và các yếu tố công suất cao hơn với chi phí tương tự hoặc thấp hơn – tất cả đều dẫn đến chi phí bình đẳng cho gió liên tục giảm.

Những sóng gió thách thức ngành công nghiệp gió

Mặc dù ngành công nghiệp gió đã mang lại những làn gió tăng trưởng ổn định trong vài thập kỷ qua, nhưng không phải là không có những thách thức riêng. Theo tôi, đây là những rào cản lớn nhất để năng lượng gió vượt qua:

1. 1. Thiết bị lão hóa : Hiệu suất giảm và chi phí vận hành & bảo trì (O&M) gia tăng đi kèm với đội gió già cỗi. IHS báo cáo tuổi thọ trung bình của tuabin gió vào năm 2020 là 7 năm , vì vậy với tuổi thọ trung bình từ 25 đến 30 năm, đội tàu gió đang tiến đến tuổi trung niên!
   2. Kết nối đường truyền: Kết nối đường truyền (mà tôi sẽ đề cập kỹ hơn trong một bài đăng trong tương lai) có thời gian dẫn đầu lâu và có thể tốn kém.
   3. Bối cảnh pháp lý phức tạp : Các quy tắc thị trường năng lượng và quy trình cấp phép kéo dài làm tăng thêm sự phức tạp cho các dự án gió.
   4. Vận chuyển & hậu cần: Đưa lưỡi dao và thiết bị đến các địa điểm ở xa có thể gây ra thách thức và thậm chí có thể là phần tốn kém nhất của một dự án.

Vận chuyển một lưỡi gió lớn… Nó gần giống như một con kiến ​​mang một chiếc lá!

1. Khai thác dữ liệu và phần mềm ở quy mô lớn
2. Hút công suất gió dư thừa
3. Gió thổi

Các trang trại gió ngày nay được trang bị rất nhiều cảm biến và máy tính siêu bền được nhúng. Người vận hành có thể đo âm thanh, nhiệt độ, độ rung, tốc độ gió, độ ẩm và một loạt các dữ liệu khác. Sau đó, phần mềm có thể phân tích cú pháp thông qua khối lượng dữ liệu khổng lồ này để tối ưu hóa các điểm đặt vận hành và dự đoán các vấn đề tiềm ẩn với các bộ phận cơ khí như hộp số. Hơn nữa, tất cả dữ liệu này đều có thể được xử lý ngay tại chỗ bằng các máy tính “edge” thay vì tải lên đám mây để giảm thiểu chi phí lưu trữ trung tâm dữ liệu và viễn thông.

Công ty danh mục đầu tư năng lượng ZEDEDA là một nền tảng phần mềm điện toán biên giúp các nhà khai thác gió như Invenergy mở khóa giá trị của dữ liệu này thông qua việc điều phối hàng nghìn hoặc thậm chí hàng triệu nút tính toán biên phân tán.

Ông Ouissal cho biết: “Việc giảm thiểu chi phí vận hành và cải thiện thời gian hoạt động của gió có ý nghĩa đòi hỏi quyền truy cập vào khối lượng lớn dữ liệu đa dạng được tạo ra ở cấp độ tài sản. “Bằng cách mở rộng khả năng và sự linh hoạt của điện toán đám mây cho các môi trường tại chỗ như tuabin gió, điện toán biên cho phép xử lý và phân tích dữ liệu ngay tại nguồn – gần với các cảm biến và hoạt động. Nền tảng của ZEDEDA cho phép các khách hàng như Invenergy chạy phần mềm gốc đám mây tiên tiến và phân tích ở rìa, giúp cải thiện khả năng dự đoán về sự cố tuabin và từ đó giảm đáng kể chi phí vận hành và bảo dưỡng ”.

Những tiến bộ trong phần mềm cho phép các nhà khai thác gió có được cái nhìn sâu sắc hơn và giá trị từ dữ liệu đang giúp thúc đẩy ngành công nghiệp phát triển. Các cựu chiến binh năng lượng gió có kinh nghiệm đang hợp tác với các tài năng về khoa học dữ liệu và kỹ thuật phần mềm hàng đầu để xây dựng các công ty đặc biệt tập trung vào phát triển phần mềm gió. Một trong những công ty như vậy là Ensemble Energy , một công ty trí tuệ nhân tạo hàng đầu áp dụng máy học vào gió.

Sandeep Gupta , Giám đốc điều hành của Ensemble cho biết: “Phần mềm của Ensemble có thể tăng sản lượng năng lượng hàng năm của trang trại gió trong khi giảm chi phí bảo trì ngoài kế hoạch từ 10% trở lên . “Các thuật toán tối ưu hóa dựa trên kỹ thuật và vật lý của chúng tôi lấy dữ liệu SCADA, đồng hồ đo, khí tượng, bảo trì và tài chính. Sau đó, chúng tôi đánh giá hiệu suất cấp hạm đội và xác định các tuabin cụ thể bị ảnh hưởng bởi các vấn đề như sức khỏe ổ trục và máy phát điện. Người vận hành đóng vòng lặp bằng cách điều chỉnh từ xa các thông số điều khiển hoặc chỉ đạo đội bảo trì thực hiện hành động phòng ngừa. ”

Bao gồm Ensemble, đây là một số công ty sáng tạo xây dựng phần mềm cho ngành công nghiệp gió:

Hấp thụ lượng gió dư thừa đó

Năng lượng gió cực kỳ rẻ và phổ biến ở một số vùng, như Vành đai gió Hoa Kỳ, hay còn được gọi là Great Plains. Gió cũng là một nguồn tài nguyên có chi phí cận biên bằng không, có nghĩa là các trang trại gió sẽ sản xuất điện bất kể giá điện vì nhiên liệu của trang trại gió – gió – là miễn phí. Giá điện bán buôn ở Wind Belt và Texas đôi khi giảm xuống còn 0 đô la hoặc thậm chí là âm do có quá nhiều năng lượng gió được sản xuất.

Chúng ta làm cái quái gì với quá nhiều điện gió? Những nhà đổi mới hiểu biết đang khai thác các giải pháp sáng tạo theo hai cách:

1. Đưa các quy trình sử dụng nhiều năng lượng vào các trang trại gió
2. Chuyển mức tiêu thụ năng lượng sang sáng sớm và chiều tối khi sản lượng gió thường cao

Các trung tâm dữ liệu linh hoạt, sản xuất hydro xanh bằng điện phân và khai thác tiền điện tử đều có một điểm chung: chúng yêu cầu lượng điện lớn. Trên thực tế, điện thường đại diện cho mục hàng lớn nhất trong chi phí hoạt động của các trung tâm dữ liệu. Một giải pháp đơn giản? Đặt chúng gần các trang trại điện gió để khai thác năng lượng gió chi phí thấp trong khi tránh chi phí truyền tải và phân phối.

Những gã khổng lồ về trung tâm dữ liệu như Google đang bắt kịp và đã bố trí một cách có hệ thống các trung tâm dữ liệu siêu cấp khổng lồ ngay gần các trang trại gió để tận dụng năng lượng gió tái tạo, chi phí thấp. Trên thực tế, vào năm 2020 , Google đã công bố rằng họ đang mở rộng sáng kiến ​​trung tâm dữ liệu tái tạo 24×7 cho toàn bộ nhóm thiết bị điện toán đám mây của họ. Google dự định để các trung tâm dữ liệu của mình chạy bằng không điện carbon mỗi giờ mỗi ngày trong suốt năm, có nghĩa là họ sẽ phải mua một lượng lớn năng lượng gió (và mặt trời). Họ cũng sẽ cố gắng khớp các hoạt động tính toán của trung tâm dữ liệu với cấu hình sản xuất của gió, làm cho các electron gió ở dải tự do đó trở nên có giá trị hơn nhiều.

Pakula đã cân nhắc về lý do tại sao việc tích hợp gió và hydro cuối cùng lại có thể trở nên khác biệt dưới góc độ kinh tế.

“Mọi người gọi Great Plains của Hoa Kỳ là Ả Rập Saudi của gió – nhưng nó cũng có thể trở thành Ả Rập Saudi của Hydrogen tạo ra từ gió!” cô ấy nói. “Tận dụng nguồn cung quá mức từ gió để tạo ra hydro xanh có khả năng cạnh tranh kinh tế với các công nghệ lưu trữ thời gian dài khác có khả năng biến đổi. Điều quan trọng, hydro xanh có thể được phân phối và lưu trữ bằng cách sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có – như đường ống dẫn khí đốt tự nhiên – hoặc chuyển đổi thành amoniac và vận chuyển dưới dạng chất lỏng. Tính linh hoạt hóa học của hydro là một tài sản độc nhất khi kết hợp với gió Great Plains cây nhà lá vườn với chi phí thấp ”.

Thomas Leurent , Giám đốc điều hành của Akselos , một phần mềm mô phỏng kỹ thuật, cũng lạc quan về mối quan hệ của gió và hydro.

Leurent nói: “Về lâu dài, nếu amoniac với hydro trở nên đủ rẻ, các nền kinh tế đang phát triển có thể chuyển đổi các nhà máy than mới xây dựng gần đây thành các nhà máy không phát thải. “Chúng ta có thể khử cacbon nhanh hơn bằng cách ghép ba phương pháp tiếp cận khác nhau nhưng bổ sung. Ví dụ, các trang trại gió nổi hoặc các trang trại năng lượng mặt trời sản xuất amoniac khổng lồ có thể tái sử dụng năng lượng than và các nhà máy hóa dầu, đồng thời vạch ra một lộ trình rõ ràng cho các công ty nhiên liệu hóa thạch truyền thống tham gia quá trình chuyển đổi năng lượng ”.

Thay đổi mức tiêu thụ năng lượng

Trong hầu hết các trường hợp không thể di dời nhu cầu sử dụng điện. Tuy nhiên, công nghệ và thiết bị có thể giúp thay đổi vừa phải khi tiêu thụ điện. Hãy nghĩ về việc sạc EV, làm mát trước các tòa nhà và tủ lạnh, chạy máy nước nóng sớm sau đó trữ nước trong bình cách nhiệt, khởi động chậm trên máy rửa bát và máy giặt… và danh sách tiếp tục. Vấn đề là, bằng cách thay đổi việc sử dụng điện một hoặc hai giờ, người tiêu dùng có thể điều chỉnh mức tiêu thụ của họ với sản xuất gió – và tiết kiệm tiền. Bên cạnh: Phần sau của loạt bài này, tôi sẽ viết toàn bộ một bài về tính linh hoạt của nhu cầu điện và lý do tại sao nó sẽ chứng minh một công cụ thiết yếu để khử cacbon trong một hệ thống năng lượng điện hóa nặng – hãy chú ý theo dõi!

Một số công ty sáng tạo đang giải quyết thách thức của việc hấp thụ gió thừa:

Offshoring đến với gió

Tôi tin rằng giá trị bổ sung của gió ngoài khơi sẽ khiến nó trở thành một bánh răng quan trọng trong hỗn hợp năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, ngành công nghiệp gió ngoài khơi sẽ cần áp dụng công nghệ mới nổi để xây dựng và vận hành trước để đảm bảo thời gian hoạt động cao (doanh thu) và yêu cầu bảo trì thấp (chi phí). Sự phức tạp về hậu cần của việc xây dựng và vận hành một trang trại điện gió ngoài khơi đơn giản là lớn hơn cơ sở hạ tầng trên bờ.

Chúng ta hãy tưởng tượng trong một phút những gì đi vào việc xây dựng và duy trì một trang trại gió ngoài khơi: Tàu và cần cẩu trước đây được sử dụng cho các giàn khoan dầu được sử dụng để xây dựng các tuabin gió. Một số có tháp kéo dài đến tận đáy biển, một số khác thì nổi (bạn có tin được không?) Và được neo vào đáy biển bằng dây cáp cực mạnh. Và bởi vì chúng nằm ở giữa đại dương, việc thực hiện bảo trì tuabin gió ngoài khơi cũng đặt ra những thách thức độc đáo.

Gió ngoài khơi có nhiều hứa hẹn, nhưng trở nên cạnh tranh kinh tế với gió và năng lượng mặt trời trên bờ rẻ hơn sẽ đòi hỏi sự đổi mới về vật liệu . Các nhà phát triển và vận hành gió ngoài khơi phải nắm lấy các công nghệ mới nổi như phần mềm mô phỏng, máy bay không người lái và in 3D có thể giúp giảm chi phí xây dựng và vận hành – và từ đó đẩy nhanh tốc độ tăng trưởng của gió ngoài khơi.

Tôi đặc biệt lạc quan về tiềm năng của phần mềm mô phỏng để biến đổi gió ngoài khơi. Đây là nơi các công ty như Akselos đang tạo ra tác động lớn bằng cách giúp các kỹ sư nước ngoài hợp lý hóa quy trình thiết kế.

“Thiết bị để lắp đặt hoàn chỉnh một tuabin gió ngoài khơi có thể nặng bằng mười chiếc Boeing Dreamliners. Leurent cho biết, quy mô xây dựng và bảo trì đối với gió ngoài khơi tốn kém hơn nhiều so với trên bờ, có nghĩa là mô phỏng hỗ trợ kép kỹ thuật số để vận hành và bảo dưỡng dự đoán thậm chí còn có tác động mạnh hơn – và quan trọng hơn – trên biển, ”Leurent nói. “Điều này cũng để lại nhiều chỗ hơn cho việc tối ưu hóa hệ thống, đó là nơi mà phương pháp mô phỏng dựa trên vật lý của Akselos có thể giúp bằng cách giảm CapEx tới 40%.”

Cùng với Akselos, một số công ty khởi nghiệp khác sẽ theo dõi trong không gian này:

Nhiều cơn gió lớn

Gió và năng lượng mặt trời kết hợp với nhau phần lớn có thể khử cacbon trong nguồn cung cấp điện và thậm chí cả nền kinh tế hiện đại bằng cách điện khí hóa hầu hết mọi thứ theo nhu cầu. Giống như năng lượng mặt trời, ngành công nghiệp gió đã liên tục đổi mới để duy trì sự giảm chi phí, một phần bằng cách xây dựng các trang trại gió lớn hơn và tốt hơn, thực sự là những kỳ công đáng kinh ngạc của kỹ thuật.

Nguồn: New York Times

Ngành công nghiệp gió là một động lực kinh tế lớn cho Hoa Kỳ đã và sẽ chỉ phát triển khi quá trình chuyển đổi năng lượng tăng tốc. Một phần đáng kể các vật liệu cần thiết để xây dựng một trang trại điện gió được sản xuất trong nước. Gió tạo ra các công việc có thu nhập cao tại địa phương trong tất cả các chuỗi giá trị, từ sản xuất đến xây dựng đến tái chế cuối đời.

Cuối cùng, hãy kết thúc bằng một sự ví von thể thao hay. Gió và mặt trời giống như có Lebron James và Dwayne Wade trong cùng một đội – hai siêu sao cạnh tranh, nhưng bổ sung cho nhau, đang đẩy nhau ngày càng xa, và cả hai vẫn chiến thắng. Chỉ riêng gió và mặt trời có thể bù đắp 70 đến 80% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, nhưng để giải quyết 20 đến 30% cuối cùng, chúng sẽ cần đến sự trợ giúp của a) lưu trữ năng lượng, b) truyền tải và c) sản xuất linh hoạt các-bon thấp. Sẽ sớm có thêm nhiều thông tin khác – hãy chú ý đến các bài viết tiếp theo của tôi!

Vina Aspire là nhà tư vấn, cung cấp các giải pháp, dịch vụ CNTT, An ninh mạng, bảo mật & an toàn thông tin tại Việt Nam. Đội ngũ của Vina Aspire gồm những chuyên gia, cộng tác viên giỏi, có trình độ, kinh nghiệm và uy tín cùng các nhà đầu tư, đối tác lớn trong và ngoài nước chung tay xây dựng.