Là nguồn năng lượng tái tạo lâu đời nhất, thủy điện đã khẳng định vị thế là nguồn năng lượng đáng tin cậy có thể điều độ. Tuy nhiên, thủy điện nhiều khi bị bỏ qua và được coi là tồn tại hiển nhiên. Tiềm năng thủy điện ở Mỹ thường bị coi là đã cạn kiệt, nhưng vẫn còn có nhiều cơ hội để bổ sung công suất tại các đập chưa phát điện và tại các dự án tái phát điện.

Các công trình thủy điện trên toàn thế giới ngày càng bị ảnh hưởng bởi tình trạng hạn hán. Trong một báo cáo gần đây, Diễn đàn Kinh tế Thế giới đã lưu ý rằng mặc dù thủy điện trong nhiều năm nay vẫn cung cấp hầu hết năng lượng tái tạo của toàn cầu, nhưng sản lượng của nó đã giảm đi do tác động của thay đổi khí hậu, bao gồm cả những gì mà Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) gọi là lượng mưa "thất thường". IEA cho biết đầu tư toàn cầu vào công suất phát điện thủy điện đã giảm sút trong vài năm qua và IEA dự kiến xu hướng đó sẽ tiếp tục.

Hình 1: Thủy điện Bạch Hạc Than, nhà máy thủy điện lớn thứ hai thế giới với công suất phát điện 16GW (Ảnh st)

Mặc dù vậy, nhiều dự án mới - bao gồm nhiều công trình lắp đặt lớn - đang được xây dựng. Trong những năm gần đây, Trung Quốc và Mỹ đã chứng kiến sự sụt giảm về tỷ lệ phần trăm thủy điện trong cân bằng nguồn điện quốc gia, nhưng về phần mình, Trung Quốc vẫn tiếp tục đầu tư vào thủy điện như một phần trong chiến lược của quốc gia này nhằm tăng mọi hình thức phát điện. Trung Quốc là nơi xây dựng hầu hết các nhà máy thủy điện lớn nhất thế giới, dẫn đầu là Thủy điện Tam Hiệp, con đập khổng lồ công suất 22,5GW đã phát điện từ năm 2003. Tiếp theo là Thủy điện Bạch Hạc Than (Hình 1), với công suất 16GW đã đi vào hoạt động toàn phần vào năm 2021.

Biến đổi khí hậu tác động đến thủy điện

Tuy nhiên, vào đầu năm nay, các quan chức Trung Quốc cho biết sản lượng thủy điện của nước này về cơ bản là không đổi trong ba năm qua mặc dù có một số nhà máy điện lớn mới đi vào hoạt động, kể cả Thủy điện Lý Gia Hiệp số 5, một trong những nhà máy thủy điện lớn nhất thế giới với các tuabin bố trí thành hai hàng, đã hoạt động vào tháng 10/2023. Các quan chức Trung Quốc đã thừa nhận nhu cầu tiếp tục hỗ trợ thủy điện, ngay cả khi hạn hán kéo dài đã làm giảm đáng kể lưu lượng các dòng sông ở miền tây nam Trung Quốc.

Sản lượng thủy điện phụ thuộc rất nhiều vào lượng nước chảy trong các con sông và do đó phụ thuộc vào các điều kiện khí hậu thủy văn. Trong những thập kỷ tới, nhiều khả năng sẽ có nhiều trận hạn hán thường xuyên hơn và nghiêm trọng hơn trên toàn cầu, đe dọa việc vận hành và xây dựng các công trình thủy điện bền vững. Để giải quyết thách thức này, các hình thức năng lượng tái tạo khác như năng lượng mặt trời xứng đáng được cân nhắc nhiều hơn bao giờ hết, đặc biệt là đối với những nơi đã thường xuyên bị thiếu nước. Trung Quốc chắc chắn đã nhận ra điều này; theo Cục Năng lượng Quốc gia, Trung Quốc đã bổ sung 226GW công suất phát điện mới vào năm 2023, trong đó có 129GW điện mặt trời, 39GW nhiệt điện, 33GW điện gió và 8GW thủy điện.

Thủy điện chiếm hơn 25% sản lượng điện tái tạo tại Mỹ. Rủi ro mà thủy điện đang phải đối mặt nhấn mạnh sự cần thiết phải suy nghĩ lại, thích nghi và biến đổi. Trong khi hạn hán là mối đe dọa đối với các công trình thủy điện thì biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng cao có liên quan đến việc có thể mở ra cơ hội để thích ứng các công nghệ hiện có với môi trường biển ngoài khơi, khai thác các dòng thủy triều, dòng hải lưu hoặc thậm chí là sóng. Mặc dù khai thác ngoài khơi vẫn còn đang trong giai đoạn đầu, nhưng nó có khả năng bù đắp hoặc vượt quá nguồn cung từ thủy điện hiện tại.

Năm 2023, Ember, một nhóm nghiên cứu năng lượng có trụ sở tại Vương quốc Anh, báo cáo rằng sản lượng thủy điện toàn cầu đã giảm kỷ lục trong nửa đầu năm 2023. Nhóm này cho biết tình trạng hạn hán đã khiến sản lượng thủy điện toàn cầu giảm 8,5% trong thời kỳ đó; Trung Quốc chiếm khoảng 75% mức giảm trên toàn thế giới. IEA nói rằng thủy điện cuối cùng sẽ bị năng lượng mặt trời và gió vượt qua, mặc dù cơ quan này không kỳ vọng điều đó xảy ra trong ít nhất một thập kỷ nữa. Nhóm này cho biết sự chậm lại trong tăng trưởng của ngành này khiến các mục tiêu phát thải ròng bằng không toàn cầu bị đe dọa. Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế đã báo cáo rằng công suất phát điện thủy điện phải tăng gấp đôi vào năm 2050 để thế giới có thể tiếp tục đi đúng hướng nhằm hạn chế tình trạng ấm lên toàn cầu ở mức 1,5^oC vào giữa thế kỷ.

Biến động thời tiết tăng cao do biến đổi khí hậu, với hạn hán và lũ lụt thường xuyên hơn, sẽ làm tăng mức độ không chắc chắn cho các hoạt động thủy điện. Chủ yếu là việc đánh giá nước theo tuần, theo tháng và theo mùa - dẫn đến việc tối ưu hóa khó khăn hơn và giảm hiệu quả của hệ thống. Các nhà máy thủy điện tích nước lập kế hoạch cho hành vi của mình trước nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm, ước tính khi nào các nhà máy cần đóng góp bao nhiêu cho thị trường điện và vào những giờ nào trong ngày và giai đoạn nào trong năm, khi hệ thống hưởng lợi nhiều nhất. Nếu các kiểu thời tiết và dòng chảy vào thủy điện tương ứng trở nên khó tiên đoán hơn, điều đó có thể dẫn đến thay đổi hành vi đấu thầu trên thị trường, có khả năng làm tăng chênh lệch giá hàng tuần hoặc biến động giá.

Đầu tư vào các dự án thủy điện

Trong báo cáo thị trường năm 2023, Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) cho biết các ưu đãi mà Luật Cơ sở hạ tầng Lưỡng đảng và Đạo luật Giảm lạm phát (IRA) ủy quyền, bao gồm cả tín dụng thuế, "dự kiến sẽ kích thích đầu tư vào việc nâng cấp các nhà máy điện hiện có tại Mỹ và xây dựng các dự án thủy điện và PSH (thủy điện tích năng) mới trong những năm tới. Tuy nhiên, chúng có thể góp phần làm giảm hoạt động trong giai đoạn 2021–2022 do chủ sở hữu nhà máy đang chờ hướng dẫn đầy đủ về việc thực hiện các ưu đãi này (ví dụ như loại dự án nào đủ điều kiện, thông tin chi tiết về tiền lương, học nghề và các yêu cầu về nội dung trong nước) để đưa ra bất kỳ quyết định đầu tư vốn mới nào."

Don Erpenbeck, Phó Chủ tịch kiêm Giám đốc toàn cầu của Công ty Hydropower & Dams tại Tập đoàn dịch vụ kỹ thuật Stantec (Canađa), trong cuộc phỏng vấn với Tạp chí POWER đã cho biết: “Thị trường thủy điện của Mỹ vẫn rất mạnh mẽ đối với công tác kỹ thuật và các dự án vốn. Tuy nhiên, nó hơi khác so với những gì mọi người nghĩ… 90% chi phí vốn ở Mỹ là dành cho việc cải tạo thủy điện, đập và các dự án môi trường, là kết quả của việc phù hợp với giấy phép của Ủy ban Điều tiết Năng lượng Liên bang đang diễn ra hoặc các cải thiện môi trường khác.”

Erpenbeck cho biết Stantec hiện đang làm việc để tái phát điện hơn 20GW chỉ riêng tại Mỹ. “Đó chủ yếu là ở các nhà máy điện và thiết bị truyền động, nhưng cũng bao gồm cả việc nâng cấp đập, đập tràn và các yếu tố cơ sở hạ tầng dân dụng lớn khác. Nhìn chung, đây là một thị trường xây dựng lớn, trị giá hàng tỷ USD. Nhìn chung, các nhà máy điện của Mỹ đang hiện đại hóa để tăng tính linh hoạt trong vận hành với tất cả các nguồn năng lượng tái tạo khác nhau được đưa vào lưới điện. Các nhà máy thủy điện nói chung đã chuyển từ hoạt động ở công suất không đổi - có thể là khởi động/dừng máy hai lần một tuần - sang khởi động và dừng máy đôi khi 08 đến 10 lần mỗi ngày trên mỗi tổ máy. Và trong những lần khởi động và dừng máy đó, các nhà máy đang chạy từ mức công suất tối đa sang mức tối thiểu để điều tiết lưới điện. Khả năng điều tiết lưới điện thông qua các hoạt động linh hoạt của nhà máy thủy điện hoàn toàn bị coi là điều hiển nhiên. Nhưng hãy nói chuyện với bất kỳ người vận hành nào trong trung tâm kiểm soát cân bằng và họ sẽ cho bạn biết các tổ máy thủy điện có giá trị như thế nào. Nhưng điều đó đang đẩy nhanh quá trình lão hóa của các nhà máy điện hiện có cũ hơn.”

Lizzie Bonahoom, cộng sự nghiên cứu tại Aurora Energy Research cho biết, việc xây dựng các nguồn năng lượng tái tạo vẫn cần coi trọng thủy điện. Các công nghệ thủy điện chỉ chiếm 28% công suất năng lượng tái tạo lắp đặt tại Mỹ hiện nay, giảm so với mức 54% của một thập kỷ trước, tham chiếu tổng công suất thủy điện là 99GW và tổng công suất phát điện năng lượng tái tạo là 184GW của Mỹ vào năm 2014, các mức này giờ đây lần lượt là 101GW và 360GW.

Các dự án thủy điện này có xu hướng trở nên cũ hơn, với chỉ 3% công suất đi vào hoạt động kể từ năm 2000. Ba loại thủy điện quy mô lớn khác nhau trên khắp nước Mỹ là thủy điện thông thường (tích nước) ở mức 79GW, thuỷ điện tích năng ở mức 22GW và thủy điện dòng chảy (thủy động lực hoặc chuyển hướng) ở mức chỉ dưới 1GW. Hơn một nửa (50GW/79GW) thủy điện thông thường hiện có nằm ở miền Tây, đặc biệt là ở các bang Washington, California và Oregon, trong khi đó, hầu hết thuỷ điện tích năng nằm ở miền Nam (10GW).

Các dòng doanh thu và cơ cấu trợ cấp khác nhau có sẵn cho các dự án thủy điện mới xây dựng trên khắp nước Mỹ. Tất cả đều do các khoản tín dụng thuế đầu tư của liên bang hỗ trợ, mà theo các điều khoản của IRA có thể giảm tới 50% tổng CAPEX (chi phí vốn) của dự án. Thủy điện thông thường và thủy điện dòng chảy cũng đủ điều kiện để hưởng khoản tín dụng thuế sản xuất, một khoản trợ cấp thay đổi dựa trên sản lượng điện. Việc hỗ trợ thêm cho thủy điện trong Luật cơ sở hạ tầng lưỡng đảng nhằm mục đích cải thiện các tiêu chuẩn môi trường và hoạt động của các cơ sở hiện có, mà không mở rộng hỗ trợ cho các cơ sở mới.

Các thị trường và công nghệ cạnh tranh thay đổi tùy theo vị trí

Có những khác biệt theo vùng khi nói đến thủy điện ở Mỹ. Ở cấp độ chi tiết hơn, tất cả các thị trường tại Mỹ đều có những thiết kế khác nhau và chịu ảnh hưởng của các chính sách địa phương và bang ngoài chính sách liên bang. Ví dụ, thủy điện có xu hướng hưởng lợi từ các khoản thanh toán thị trường công suất tại các thị trường có thanh toán công suất, chẳng hạn như Xứng đáng về Nguồn lực của CAISO (Nhà vận hành hệ thống độc lập bang California) hoặc Mô hình Định giá Độ tin cậy của PJM (đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện trong phạm vi Washington D.C và 13 bang khác). Tại thị trường bang Texas, ERCOT (Hội đồng độ tin cậy điện bang Texas) của bang Texas, nơi không có thị trường công suất, thủy điện đủ điều kiện để tham gia vào các dịch vụ phụ trợ nhỏ hơn, chẳng hạn như dự phòng quay.

Tác động của hạn hán đối với thị trường thủy điện và cách thức hạn hán có thể hạn chế đầu tư. Bonahoom cho biết, mặc dù có các khoản tín dụng thuế liên bang và nhiều nguồn thu khác khác nhau, nhưng mới chỉ có 3,3GW thủy điện đi vào vận hành kể từ năm 2010 (tất cả đều là thủy điện thông thường), con số này nhỏ so với các dự án điện gió trên bờ (116GW), điện mặt trời PV (97GW) và tích trữ bằng pin (17GW) trong cùng khung thời gian.

Ngoài chi phí cao, rủi ro hạn hán còn là rào cản đáng kể đối với việc phát triển thêm thủy điện trong hệ thống: Ví dụ như, thị trường điện của bang California đặc biệt dễ bị hạn hán và một năm thiếu nước có thể làm giảm khoảng 10TWh sản lượng thủy điện, xấp xỉ 5% nhu cầu của ISO vào năm 2023. Chi phí trả trước cao để phát triển thủy điện đã góp phần cản trở việc phát triển. Điều này được phản ánh trong lợi ích của nhà đầu tư trên khắp các ISO cạnh tranh; hiện chỉ có 3,1GW thuỷ điện tích năng mới và 1,7GW thủy điện thông thường đang phát triển, trái ngược với 586GW tích trữ bằng pin, 584GW điện mặt trời và 213GW điện gió trên bờ.

Mặc dù thiếu lợi ích của nhà đầu tư, nhu cầu về phát điện sạch có thể điều độ tại Mỹ đang ngày càng tăng để bổ sung cho phát điện tái tạo gián đoạn đang gia tăng. Đặc biệt thủy điện tích năng có vị thế tốt để cung cấp giá trị, “sạc” khi giá điện thấp và có đủ điện phát ra trên hệ thống, và phóng điện khi lưới điện căng thẳng hơn, thường trùng với thời điểm mặt trời lặn.

Hình 2: Thủy điện Grand Coulee là công trình thủy điện lớn nhất và là nhà máy điện lớn nhất ở Mỹ, với công suất phát điện hơn 6,8GW. Nhà máy điện này nằm trên Sông Columbia, cách thành phố Spokane, bang Washington khoảng 145km về phía tây (Ảnh st)

Việc bổ sung công suất thủy điện mới có thể khó khăn

Thực tế là Mỹ đã cạn kiệt phần lớn các nguồn thủy điện sẵn có, với các đề xuất xây đập mới thường phải đối mặt với sự phản đối của các nhóm môi trường. Sự phản đối này một phần thúc đẩy các nhà đầu tư đổ tiền vào các giải pháp truyền tải. Ví dụ như, ở vùng Đông Bắc, đường dây truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC) Champlain Hudson Power Express đã sẵn sàng truyền tải những lượng lớn đáng kể năng lượng sạch (thủy điện) từ tỉnh Quebec (Canađa) phục vụ trung tâm phụ tải là Thành phố New York (Mỹ). Dự án này đã phát triển trong hơn 20 năm. Tuy nhiên, một đường dây khác nhằm đưa thủy điện đến vùng New England (Đông Bắc nước Mỹ) gần đây đã bị hủy bỏ mặc dù nhận được sự ủng hộ của liên bang. Thách thức nằm ở việc tìm ra cách tiếp cận nguồn điện sạch, ổn định ở những nơi mà chỉ có điện mặt trời và điện gió là không đủ.

Theo Global Data, dự án thủy điện lớn nhất hiện đang được lên kế hoạch tại Mỹ là công trình thuỷ điện tích năng Leslie D. Thatcher. Dự án PSH Thatcher, sẽ đặt tại bang Michigan, đang trong quá trình thiết kế với tổng công suất gần 3,5GW. Hydropower Highway là đơn vị phát triển dự án này.

Ở Mỹ, thị trường thủy điện mới sẽ tập trung vào thủy điện tích năng. Trong quá trình chuyển dịch năng lượng, giá trị của tích trữ điện và đặc biệt là tích trữ dài hạn, thuỷ điện tích năng chiếm ưu thế, trong đó hơn 90% công suất tích trữ điện của Mỹ hiện đang nằm trong các nhà máy điện tích năng hiện có. Nhưng sẽ cần phải tăng công suất này lên và thậm chí có khả năng phải tăng gấp đôi để hỗ trợ tất cả các dự án điện mặt trời và điện gió mới. Thuỷ điện tích năng rất dễ điều độ, nhưng không giống như pin, vốn là nguồn điện một chiều (DC) với các bộ nghịch lưu, đây là những cỗ máy đồng bộ lớn có quán tính lớn và tăng thêm độ ổn định và độ tin cậy cho lưới điện khi so sánh với các nguồn lực dựa trên các bộ nghịch lưu. Thuỷ điện tích năng cũng có thể hoạt động như một máy bù đồng bộ theo yêu cầu của lưới điện.

Trong một báo cáo vào tháng 3, DOE đã viết: “Danh tiếng lâu đời của thủy điện như một nguồn năng lượng và tích trữ năng lượng đáng tin cậy trớ trêu thay lại có thể là một trong những lý do khiến người ta nhiều khi cho rằng nó đã “ngốn” hết các cơ hội đầu tư, nhưng thực tế không phải vậy. Thủy điện, bao gồm cả thủy điện tích năng, còn lâu mới bị khai thác hết. Tiềm năng tăng trưởng của nó vẫn còn rất lớn, đặc biệt là đối với các dự án nhỏ và vừa (các dự án sản xuất tới 30MW điện).”

DOE lưu ý rằng chưa đến 3% trong số hơn 90.000 đập ở Mỹ phát điện, và cho biết có "hàng nghìn đập không phát điện đang mang lại cơ hội đầu tư tuyệt vời. Ngoài ra, các đập hiện đang phát điện nhiều khi có thể nâng cấp để tăng công suất. Ngoài ra còn có hàng triệu kilômét đường thủy, bao gồm cả sông và kênh, có thể sử dụng cho thủy điện dòng chảy."

Chắc chắn Mỹ cần đầu tư nhiều hơn vào phát triển thủy điện tái tạo mới cũng như các nhà máy thủy điện hiện có. Đối với các nhà máy điện hiện có, các nhà máy lớn hơn đã và đang được đầu tư vì chúng có giá trị rất lớn. Nhưng các dự án nhỏ hơn đang gặp khó khăn. Nhiều trong số này là các dự án rất cũ - hơn 80 năm tuổi - vốn là một phần của một khu phức hợp công nghiệp, ví dụ như một nhà máy giấy và bột giấy, nơi mà số megawatt công suất không phải là tất cả đối với công trình này. Tuy nhiên, bản thân công trình và các con đập cung cấp các hồ dành cho vui chơi giải trí và kiểm soát lũ lụt, và về cơ bản, điện năng chi trả cho tất cả các lợi ích công cộng đó. Đây là những dự án đã bị bỏ bê một cách đáng tiếc và đang phải vật lộn để tìm nguồn vốn thích hợp để đầu tư trở lại vào các dự án đó. Về các dự án mới, thực tế là nhiều địa điểm dự án thủy điện thông thường tốt nhất đã được xây dựng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều đập ở Mỹ vẫn chưa có thủy điện, hơn 80.000 đập và một số trong số này có thể phát triển nếu chúng ta có thể tìm thấy các địa điểm tác động tối thiểu đến việc các đập phát điện.

Mọi dự án thủy điện đều là điểm thu hút khách du lịch địa phương, khu vực vui chơi giải trí, thiên đường tàu thuyền và câu cá, cũng như là công cụ kiểm soát lũ lụt, điều hướng hoặc cung cấp nước - tất cả những điều đó ngoài việc là một dự án năng lượng tái tạo.

Ngoài tuổi thọ cao và lợi ích du lịch địa phương, nhiều dự án trong số này có hiệu suất trên 90%. Và khi thiết kế đúng cách, chúng có thể là động lực tích cực cho môi trường trong cộng đồng. Đúng vậy, thủy điện là một công nghệ cũ hơn đã được chứng minh - nhưng cũng là nguồn lực tái tạo đầu tiên phát triển tại Mỹ. Công nghệ này đã nâng cấp qua nhiều năm tháng, nhiều đến mức các dự án mới rất khác so với các dự án lịch sử cũ. Nhưng, tuy nhiên, chúng được coi là điều hiển nhiên vì chúng là tài sản kế thừa. Chúng ta cần nhìn vào tương lai và đưa vào những gì hiệu quả. Với tư cách là ngành công nghiệp điện, chúng ta cần quay lại suy nghĩ về nhiều quyết định cuối cùng và có tầm nhìn dài hạn hơn là 05 năm tới. Thay vào đó, hãy nghĩ về 50 năm tới và trong trường hợp của thủy điện, là 100 năm tiếp theo nữa.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “powermag”, tháng 7/2024

Về trang trước Lên đầu trang In bài viết