HydroXS: Giải pháp thúc đẩy thủy điện phân tán

15/09/2025 16:40 Số lượt xem: 15

Giải pháp quản lý áp suất và thu hồi năng lượng HydroXS có thể mở rộng quy mô của InPipe Energy giúp thu hồi áp suất trong cơ sở hạ tầng nước.

Hệ thống quản lý áp suất và thu hồi năng lượng HydroXS của InPipe Energy (Ảnh st)

Các kỹ sư thủy điện hiểu rõ hơn ai hết rằng nước không chỉ duy trì sự sống mà còn bảo vệ và tạo ra sự an toàn cho lưới điện. Tuy nhiên, bất chấp những đổi mới trong công nghệ tuabin, tích trữ và tối ưu hóa đập, vẫn còn một cơ hội lớn chưa được khai thác: năng lượng khổng lồ tồn tại trong các đường ống nước áp lực.

Gregg Semler, CEO và nhà sáng lập Công ty InPipe Energy (Mỹ), đang thay đổi điều đó để các công ty điện lực có thể giảm chi phí năng lượng và phát thải cacbon. Kể từ khi Semler ra mắt InPipe Energy vào năm 2016, ông đã dẫn dắt quá trình phát triển HydroXS, một hệ thống thu hồi năng lượng trong ống dẫn dạng mođun, phát ra điện kết nối lưới điện bằng cách khai thác chênh lệch áp suất trong các đường ống nước mà không chịu các cản trở về cấp phép môi trường liên quan đến thủy điện truyền thống.

Semler cho biết: “Vào thời điểm nhu cầu năng lượng đang tăng lên trên toàn cầu và cơ sở hạ tầng đang lão hóa, chúng tôi đã chứng minh được rằng việc cải tạo cơ sở hạ tầng đường ống nước để phát ra nguồn năng lượng tái tạo mới dễ dàng như thế nào”. “Nó có tất cả các lợi ích của thủy điện nhưng lại từ đường ống hiện có, do đó không tác động đến môi trường.”

Cách tiếp cận mới để quản lý áp suất

HydroXS có thiết kế để sao chép chức năng giảm áp suất của van điều áp (Ảnh st)

Về cốt lõi, công nghệ HydroXS của InPipe thay thế các van điều áp truyền thống bằng một tuabin thủy điện nhỏ và một máy phát điện có thiết kế để thu hồi năng lượng từ hiện tượng sụt áp suất trong khi vẫn duy trì điều tiết lưu lượng. HydroXS có thiết kế để sao chép chức năng giảm áp suất của van điều khiển, tích hợp liền mạch vào cơ sở hạ tầng đường ống đô thị, công nghiệp hoặc nông nghiệp.

Semler giải thích rằng “Van điều khiển trong các hệ thống nước làm giảm áp suất bằng cách sử dụng màng ngăn hoặc một cơ chế tương tự để đốt cháy áp suất thông qua ma sát”. “Chúng tôi coi đó là lãng phí năng lượng tiềm năng. Chúng tôi đã thiết kế HydroXS để lấy chính xác cùng một lượng giảm áp đó để quay một tuabin thủy điện siêu nhỏ và phát ra điện với giá rẻ - lên đến 2MW cho một tổ máy, tùy thuộc vào các điều kiện thủy lực.”

HydroXS có bảy cấu hình tiêu chuẩn, phù hợp với các đường kính ống từ 5cm đến 2,8m và lưu lượng từ 75 đến 2.500 lít trong một giây, với mức sụt áp suất vận hành từ 1,6bar trở lên. Các phạm vi này khiến HydroXS khả thi cho cả cơ sở hạ tầng công nghiệp công suất lớn và các hệ thống đô thị quy mô nhỏ hơn.

Mỗi tổ máy HydroXS bao gồm:

Một tuabin thủy điện và một máy phát điện nam châm vĩnh cửu đặt trong một vỏ bọc chịu áp suất.
Một van điều khiển lưu lượng tự động có thiết kế để đáp ứng các tiêu chuẩn thủy lực giống như thiết bị điều áp hiện có.
Một hệ thống điều khiển thông minh với dữ liệu đo từ xa theo thời gian thực về lưu lượng, áp suất, sản lượng điện phát ra và bù đắp lượng cacbon⁽¹⁾ cắt giảm.
Một bảng điện kết nối với lưới điện giao diện với các hệ thống của nhà cung cấp thông qua các giao thức đo đếm điện hai chiều theo tiêu chuẩn ngành.

Để giảm thiểu mọi tác động bất lợi, công ty thường bố trí HydroXS cùng với các van có sẵn, cho phép chuyển đổi thủ công hoặc tự động giữa hoạt động quản lý áp suất truyền thống và hoạt động phát điện.

Điều rất quan trọng là, các hệ thống của InPipe có thiết kế cho các công trình dân dụng tối thiểu. Trong nhiều trường hợp, người ta cải tạo chúng để lắp vào các hầm hiện có hoặc lắp đặt trong các buồng liền kề nhỏ gọn, không cần cơ sở hạ tầng trên mặt đất. Cách tiếp cận này không chỉ hợp lý hóa việc cấp phép mà còn giảm thời gian lắp đặt và chi phí vốn (CAPEX).

Tính năng và độ tin cậy

HydroXS đã chứng minh được tính khả dụng lớn hơn 99% (Ảnh st)

Với hơn 10 năm hoạt động tại nhiều cơ sở lắp đặt tại Mỹ, HydroXS đã chứng minh được tính khả dụng lớn hơn 99% và yêu cầu O&M (bảo trì và vận hành) ở mức tối thiểu. Các quy trình bảo trì thường xuyên phản ánh các hệ thống van và bơm tiêu chuẩn - thanh tra hàng quý, bôi trơn cơ bản và thay đổi bộ lọc - cho phép các công ty điện lực dựa vào nguồn nhân lực nội bộ.

Các nghiên cứu điển hình từ các bang Oregon và Washington minh họa cả độ tin cậy và tính linh hoạt của hệ thống này:

Tại Hillsboro (bang Oregon), một thiết bị HydroXS lắp đặt cải tạo vào đường ống của thành phố đã phát ra 200.000kWh điện hàng năm trong hơn 05 năm mà không xảy ra vụ mất điện nào. Năng lượng bù đắp nhu cầu điện lưới từ một khu liên hợp thể thao liền kề, bao gồm cả sạc EV, nhượng quyền và các hệ thống chiếu sáng.
Tại Hạt Skagit, bang Washington, một công trình lắp đặt khác cung cấp 104.000kWh mỗi năm, cung cấp điện trở lại bản thân trạm bơm để giảm chi phí điện vận hành từ hoạt động bơm.

InPipe cung cấp nhiều mô hình triển khai. Khách hàng có thể mua ngay toàn bộ hệ thống hoặc lựa chọn thỏa thuận mua bán điện (PPA) theo đó InPipe sẽ lắp đặt, vận hành và bảo trì thiết bị và bán điện với mức giá cố định trong 15-20 năm.

Semler cho biết: “Cấu trúc này rất quen thuộc trong lĩnh vực năng lượng mặt trời, nhưng lại có lợi thế kinh tế hấp dẫn hơn nhiều so với điện mặt trời - đặc biệt là đối với các công ty điện lực hoặc thành phố có ngân sách vốn eo hẹp.”

Tùy thuộc vào lưu lượng dòng chảy và giá năng lượng, thời gian hoàn vốn trung bình từ 03 đến 05 năm, với chi phí điện qui dẫn⁽²⁾ (LCOE) từ 0,05 đến 0,06USD cho một kWh và có khả năng thấp hơn đối với các địa điểm quy mô lớn. Một thiết bị HydroXS phát sản lượng điện tương đương về năng lượng với khoảng 4.000m² tấm pin năng lượng mặt trời.

Điều quan trọng là, bản chất dạng mođun của HydroXS cho phép triển khai trên toàn hệ thống. Bất kỳ điểm nào trong một đường ống mà áp suất giảm xuống có chủ ý - thông qua thay đổi độ cao, các điểm kết nối hoặc tiêu tán cuối đường ống - đều trở thành một ứng viên để thu hồi năng lượng. Nhiều thiết bị có thể phân tán trên toàn hệ thống để xây dựng một công suất có ý nghĩa và tăng lợi ích.

Bổ sung cho năng lượng tái tạo

Mặc dù thủy điện trong đường ống vẫn đang chờ được công nhận, nhưng đường cong vận hành của nó bổ trợ cho đường cong năng lượng tái tạo truyền thống. Không giống như năng lượng mặt trời hoặc gió, việc thu hồi áp suất từ đường ống nước không bị gián đoạn. Nếu nước chảy thì sẽ phát ra điện - ngày hay đêm, không phụ thuộc vào thời tiết.

Sự nhất quán đó đã mở ra cánh cửa cho việc tích hợp lưới điện siêu nhỏ. Các thiết bị HydroXS có thể đóng vai trò là nguồn phụ tải nền chủ lực⁽³⁾ trong các hệ thống năng lượng phân tán, đặc biệt là khi kết hợp với tích trữ bằng pin. Điều này có thể chứng minh là đặc biệt hấp dẫn ở những khu vực phụ thuộc vào máy phát điện dự phòng diesel, vốn tốn kém để vận hành và bảo trì và phát thải nhiều cacbon.

Semler giải thích: "Chúng tôi đang nghiên cứu thay thế hoặc bổ sung các tổ máy phát điện diesel bằng HydroXS và tích trữ. Điều đó rất quan trọng đối với mục tiêu độ dẻo dai và an ninh.”

Các hệ thống của InPipe tương thích với lưới điện, bằng cách sử dụng các giao thức kết nối chuẩn hóa mô phỏng theo các giao thức phát triển cho năng lượng mặt trời phân tán. Điện bán ra theo cơ chế đo đếm điện hai chiều (net metering) và dữ liệu phát điện có thể truy vết theo thời gian thực thông qua hệ thống đo lường tích hợp. Điều này bao gồm lưu lượng, áp suất, sản lượng (kWh) và lượng phát thải cacbon tiết kiệm được, cung cấp cho khách hàng một giải pháp đo lường hướng tới các số liệu về tính bền vững.

Những cân nhắc về môi trường

Về mặt quản lý, thủy điện trong ống dẫn có lợi thế là có dấu chân cacbon nhỏ hơn so với các dự án thủy điện truyền thống - nhưng vẫn phải chịu sự giám sát.

Tại Mỹ, các hệ thống phải tuân thủ các quy tắc kết nối của công ty điện lực cũng như các tiêu chuẩn về nước uống trong trường hợp có liên quan đến nước uống được.

HydroXS tránh được những thách thức chung về môi trường của thủy điện truyền thống: không có đập, không chuyển hướng, không phá vỡ môi trường sống dưới nước. Do đó, HydroXS phải đối mặt với ít rào cản cấp phép hơn và con đường triển khai rõ ràng hơn.

Semler cho biết: “Các nhà môi trường thực sự thích HydroXS. Đây là nguồn điện duy nhất mà họ thấy không gây tác động đến môi trường.”

Từ Mỹ đến cơ hội toàn cầu

Cho đến nay, InPipe chủ yếu tập trung vào thị trường Mỹ, nơi có hơn 3,52 triệu kilômet đường ống nước uống và nước thải và là một nguồn năng lượng khổng lồ, chưa khai thác đầy đủ. Tuy nhiên, nhu cầu quốc tế đang tăng trưởng nhanh chóng.

Semler cho biết: “Chúng tôi hiện đang xây dựng hệ thống HydroXS đầu tiên hướng ra thị trường quốc tế cho một khách hàng công nghiệp lớn sử dụng nước tại Bangkok”. “Điều đó sẽ dẫn đến việc mở rộng hơn nữa sang Đông Nam Á và các thị trường mới nổi khác.”

Tại châu Âu, sự quan tâm xuất phát từ các quy định liên quan đến tính toán lượng cacbon và yêu cầu linh hoạt của lưới điện, những yếu tố này đang thúc đẩy nhu cầu phát triển năng lượng tái tạo phân tán. InPipe nhận thấy sự hài hòa mạnh mẽ với các công ty cấp nước và người dùng công nghiệp tại châu Âu đang tìm cách khử phát thải cacbon mà không cần cải tổ lớn về hạ tầng.

Semler đặc biệt muốn khai thác các lĩnh vực nông nghiệp, khai khoáng và làm mát công nghiệp, tất cả đều phụ thuộc rất nhiều vào các hệ thống nước áp lực có tiềm năng thu hồi năng lượng. Đây thường là các dòng chảy trọng lực, khối lượng lớn - những điều kiện lý tưởng để triển khai HydroXS.

Ông nói: “Chúng tôi đã thấy những địa điểm tuyệt vời từ khai thác mỏ, nông nghiệp và các trung tâm dữ liệu, nơi sử dụng những lượng nước lớn trong các đường ống. Trong những trường hợp đó, thời gian hoàn vốn thậm chí còn nhanh hơn.”

Khai mở tiềm năng của hạ tầng chưa khai thác

Ngoài các đường ống áp lực, Semler hiện đang đánh giá cơ hội sử dụng HydroXS tại các đập và đường ống chưa khai thác điện, đặc biệt là ở Mỹ, nơi có hơn 90.000 đập - trong đó chỉ có 3% sản xuất điện.

“Thủy điện trong ống dẫn có thể là một con đường nâng cấp cải tạo các địa điểm này”, ông nói. “Chúng tôi không yêu cầu xây dựng một công trình quy mô toàn phần với một nhà máy điện - chỉ cần thả HydroXS vào các công trình đầu ra, các cống hoặc các mạch nối tắt ở những nơi có áp suất.”

Ông thừa nhận rằng làm việc với bộ máy hành chính liên bang vẫn luôn là một thách thức - đặc biệt là với các cơ quan như Cục Cải tạo và Quân đoàn Công binh - nhưng ông tin rằng sự chú ý ngày càng tăng đối với an ninh năng lượng, độ dẻo dai của lưới điện và nhu cầu năng lượng sẽ thúc đẩy các thay đổi chính sách trong tương lai.

Ông khẳng định: “Không có lý do gì ngăn cấm các tài sản này phát ra điện. HydroXS gây ít tác động và đã sẵn sàng.”

Con đường phía trước

Nhìn về tương lai, Semler hình dung HydroXS đang tiến hóa thành một thành phần cốt lõi của mạng lưới phân tán và tích trữ năng lượng, nơi cơ sở hạ tầng nước có thể trở thành một tài sản quan trọng để đảm bảo sự ổn định và sự dẻo dai.

“Hãy nghĩ về HydroXS như một hệ thống thủy điện tích năng phân tán”, ông nói. “Mỗi lần xả nước ra từ một hồ chứa hoặc bể chứa, bạn có thể thu hồi một phần năng lượng đó. Với dòng chảy hai chiều và tích hợp tích trữ, cùng hệ thống có thể hoạt động như một phụ tải và một máy phát điện. Cho nên, hãy tăng lượng nước chảy ra khỏi hồ chứa khi bạn cần để cân bằng lưới điện.”

Điều này có thể đặc biệt hữu ích đối với các công ty điện lực đô thị, nơi mà nếu chỉ tích trữ bằng pin thôi có thể không đáp ứng đủ yêu cầu dự phòng, hoặc đối với các cơ sở hạ tầng nhạy cảm với khí hậu đang tìm kiếm giải pháp dư thừa bổ sung trong các sự kiện thời tiết cực đoan.

Với nhu cầu điện ngày càng tăng từ quá trình điện khí hóa, đặc biệt là trong giao thông và dữ liệu, các kỹ sư ngày càng cần tìm ra các lựa chọn sáng tạo, ít tác động đến môi trường. HydroXS cung cấp một giải pháp “cắm và chạy” cho chính xác nhu cầu đó: tích hợp trực tiếp điện năng sạch, có thể điều độ vào cơ sở hạ tầng hiện có.

Semler nhấn mạnh: “Chúng ta đã đốt cháy áp suất trong các đường ống trong nhiều thế kỷ. Tại sao không biến nó thành điện?”

Bảo trì dễ dàng với HydroXS của InPipe (Ảnh st)

Thông số kỹ thuật chính của hệ thống HydroXS

Công suất điện: 10kW đến 2MW
Phạm vi lưu lượng: 75–2.500l/s
Tụt áp vận hành: ≥1,6bar
Đường kính ống hỗ trợ: 5cm đến 2,8m
Kết nối lưới điện: Đo đếm điện năng hai chiều, tuân thủ lưới điện thông qua kết nối tiêu chuẩn
Bảo trì: Hàng quý, tương tự như máy bơm/van
Chi phí năng lượng: 0,05–0,06USD/kWh