Công nghệ số hóa đã sớm được sử dụng trong ngành năng lượng

Các công nghệ số hóa đã được áp dụng khá sớm trong ngành năng lượng, so với nhiều ngành khác. Chẳng hạn như hệ thống SCADA (1), WAMs (hệ thống đo lường diện rộng) (2) trong lĩnh vực điện năng, hay việc thu thập dữ liệu (3) trong lĩnh vực dầu khí những năm 1980 để phục vụ việc thăm dò các mỏ dầu cũng như tăng hiệu suất vận hành mỏ.

Tuy vậy, những thay đổi đáng kinh ngạc của các công nghệ số hóa gần đây – nhất là các công nghệ nghệ cảm biến, lưu trữ, phân tích dữ liệu và mạng thông tin – cùng với sự vận dụng các kỹ thuật tự động hóa tương thích đã mở ra công cuộc chuyển đổi số trong ngành năng lượng với các kết quả vượt trội so với những tiến bộ từng có trước kia.

Một số công nghệ then chốt (màu đậm) liên quan đến nguồn dữ liệu và xử lý dữ liệu trong chuyển đổi số ngành năng lượng - Ủy ban Châu Âu (5)

Những tác động riêng lẻ của chuyển đổi số trong ngành năng lượng

Để thuận tiện cho việc xem xét các tác động riêng lẻ, có thể xem xét ngành năng lượng từ hai thành phần chính của nó là phía cung ứng và phía tiêu thụ. Phía tiêu thụ năng lượng gồm có các phương tiện giao thông vận tải, các tòa nhà dân dụng và các hoạt động sản xuất công nghiệp. Các công nghệ số hóa đã khiến các phương tiện giao thông vận tải được kết nối nhiều hơn với nhau và với con người, đồng thời cũng tăng tính tự động hóa của chúng và thông qua đó góp phần làm giảm năng lượng chúng tiêu thụ. Công nghệ số hóa giúp tối ưu hóa vận hành năng lượng ở các tòa nhà thông qua thu thập, phân tích dữ liệu tiêu thụ năng lượng kết hợp dự báo thời tiết. Tối ưu hóa năng lượng trong hoạt động sản xuất công nghiệp cũng đạt được nhờ các tiến bộ của kỹ thuật điều khiển quá trình, cùng với hệ thống cảm biến thông minh và các kỹ thuật phân tích dữ liệu.

Ở phía cung ứng năng lượng, các lĩnh vực dầu khí, than và điện năng cũng nhận được những thay đổi to lớn nhờ vào chuyển đổi số. Nền công nghiệp dầu khí có thể cắt giảm chi phí lên đến 20% (4) nhờ sự tiến bộ trong kỹ thuật phân tích dữ liệu địa chấn, việc sử dụng cảm biến thông minh và nâng cấp mô hình kho chứa. Các ứng dụng số hóa trong ngành than đã giúp xây dựng mô hình địa chất tốt hơn, giúp tối ưu và tự động hóa quá trình khai thác than cũng như dự báo bảo trì, nhờ đó mà cải thiện sức khỏe và sự an toàn của các công nhân mỏ.

Trong lĩnh vực điện năng, các công nghệ số hóa, chẳng hạn như song sinh số, có thể giúp giảm chi phí vận hành và bảo trì, nâng cao hiệu suất truyền tải và phát điện, giảm thời gian mất điện và tăng tuổi thọ của các thiết bị điện.

Song sinh số, một công nghệ số hóa đầy tiềm năng trong ngành điện – Nguồn hình: Internet

Trên kia đã nói về các tác động của các công nghệ số hóa đối với các lĩnh vực khác nhau trong ngành năng lượng. Tự thân các công nghệ nói trên có thể giúp cải thiện hiệu suất và tiết kiệm chi phí của hệ thống năng lượng một cách cục bộ, tuy nhiên, chúng chưa thay đổi được cấu trúc và các chức năng của toàn hệ thống, như được minh họa một cách đơn giản ở hình dưới đây.

Hệ thống năng lượng truyền thống với các cải tiến cục bộ nhờ các công nghệ số hóa (4)

Tác động của chuyển đối số trên bình diện hệ thống khi kết hợp với các phát triển đặc thù của ngành năng lượng

Song hành với sự ứng dụng của các công nghệ số hóa, ngành năng lượng, mà đặc biệt là điện năng, cũng đã và đang có những phát triển khác có tính đặc thù như:

• Sự phát triển của các nguồn điện tái tạo, các nguồn điện phân tán, thiết bị lưu trữ năng lượng
• Sự phát triển của các công nghệ điện tử công suất và phát triển lưới điện DC ở các quy mô khác nhau
• Sự hình thành các lưới điện nhỏ và phân tán
• Sự phát triển của công nghệ sản xuất hydrogen
• Sự phát triển của các công nghệ tua bin khí
• Sự phát triển của các thiết bị phát năng lượng kết hợp điện – nhiệt (Fuel cell, Combined Heat and Power Generation)
• Sự điện khí hóa các phương tiện giao thông vận tải (Xe điện, xe lai v.v…)

Những phát triển đặc thù trên đem lại cho ngành năng lượng nhiều lợi ích to lớn, thông qua việc tận dụng được nguồn năng lượng tái tạo, nguồn năng lượng tại chỗ, giảm thiểu khí nhà kính v.v…song một số trong chúng cũng tạo ra không ít thách thức đối với hệ thống năng lượng, đặc biệt là hệ thống điện, chẳng hạn như các thách thức ở các khâu ổn định hệ thống và cân bằng cung cầu hệ thống điện. Những thách thức này có thể được góp phần giải quyết bởi quá trình chuyển đổi số hệ thống năng lượng - mà cốt lõi trong đó là SCADA, WAMS, IoT, phân tích dữ liệu, công nghệ chuỗi khối và hệ thống thông tin liên lạc kết nối toàn hệ thống với nhau - khiến cho lợi thế mà các phát triển đặc thù của ngành năng lượng mang lại trở nên trọn vẹn hơn. Hơn thế nữa, việc kết hợp, ứng dụng các công nghệ số hóa vào hệ thống năng lượng với các phát triển mới đặc thù nói trên sẽ dẫn đến sự hình thành cấu trúc hệ thống năng lượng mới, mà ở đó tính phân tán, tính kết nối, sự linh hoạt, độ tin cậy và hiệu quả cung cấp năng lượng là các yếu tố nổi bật, như được phân tích sau đây.

Cấu trúc hệ thống năng lượng mới, nhờ sự phát triển của các nguồn tái tạo, phân tán, sự điện khí hóa phương tiện vận tải và ứng dụng các công nghệ số hóa (4)

Trong cấu trúc hệ thống năng lượng mới, nhờ sự hỗ trợ của hệ thống cảm biến, IoT và phân tích dữ liệu, kỹ thuật tối ưu hóa mà các hình thức năng lượng (điện, nhiệt...) sẽ được song hành với nhau và trao đổi với nhau chặt chẽ hơn (6), thông qua hệ thống các thiết bị, máy phát điện – nhiệt hỗn hợp, lưu trữ năng lượng và việc sản xuất hydrogen.

Ví dụ về một mô hình song hành năng lượng điện – nhiệt đơn giản (6)

Ranh giới vốn có giữa phía cung cấp và phía tiêu thụ năng lượng cũng được xóa nhòa, với sự hình thành khái niệm nhà cung cấp – tiêu thụ năng lượng (Prosumer, kết hợp giữa “Producer” và “Consumer”), nhờ hệ thống IoT, phân tích dữ liệu và việc kết nối thông tin để kết hợp tối ưu vận hành giữa nguồn năng lượng tái tạo, thiết bị lưu trữ năng lượng, xe điện và các tải linh hoạt. Khái niệm Prosumer là một đại diện điển hình cho sự tham gia tích cực của phía người dùng năng lượng vào hệ thống năng lượng (Demand Response), thể hiện vai trò ngày càng quan trọng của người dùng đầu cuối trong hệ thống, làm thay đổi bản chất mô hình kinh doanh trong hệ thống năng lượng mới.

Một mô hình nhà cung cấp – tiêu thụ (Prosumer) ở cấp độ hộ dân cư – Nguồn hình: Internet

Sự có mặt của các nguồn năng lượng tái tạo với đầu ra thay đổi liên tục cũng đòi hỏi chu kỳ điều khiển hệ thống ngày càng phải nhỏ hơn, và điều này có thể được đáp ứng với sự phát triển của các công nghệ cảm biến, đo đạc tích hợp trong các hệ thống WAMS và IoT, cùng với các tiến bộ trong kỹ thuật dự báo, phân tích dữ liệu và các thiết bị điện tử công suất đáp ứng nhanh. Tính phân tán cao của các nguồn điện mới tạo ra nhu cầu trao đổi năng lượng tại chỗ nhiều hơn, và với sự phát triển của IoT, kỹ thuật tính toán phân tán, công nghệ chuỗi khối, việc này mở đường hướng đến mô hình mua bán điện p2p (giữa khách hàng và khách hàng). Mô hình mua bán điện mới này, cũng như sự hình thành của các lưới điện nhỏ phân tán, tạo ra các nhu cầu về các dịch vụ điều khiển các hệ thống năng lượng tại chỗ, phân tán, mở ra loại hình dịch vụ và kinh doanh mới trong hệ thống năng lượng. Tuy nhiên, các dịch vụ này chỉ có thể được hiện thực hóa với các công nghệ chuyển đổi số, tức là với các năng lực đo đếm, thu thập, phân tích dữ liệu và kết nối thông tin giữa các phần tử.

Một minh họa về mô hình mua bán điện p2p – Nguồn hình: Internet

Với cấu trúc hệ thống năng lượng mới như vậy, cách thức vận hành, mô hình kinh doanh và việc làm trong ngành năng lượng trở nên rất khác biệt so với trong cấu trúc cũ. Đây chính là tác động trên bình diện hệ thống của quá trình chuyển đổi số trong ngành năng lượng, khi kết hợp với các phát triển đặc thù khác của ngành. Chúng đòi hỏi sự nhận thức, đáp ứng, thích nghi của chủ thể trung tâm là con người, thông qua những quy tắc mới, chính sách mới dành cho hệ thống năng lượng. Ngoài ra, vai trò trụ cột của dữ liệu và hệ thống thông tin liên lạc trong cấu trúc mới cũng khiến cho việc cung cấp điện cho các trung tâm dữ liệu và hệ thống mạng, việc bảo mật dữ liệu, trong đó có dữ liệu cá nhân, và an ninh mạng thông tin trở thành những vấn đề kỹ thuật quan trọng cần được quan tâm chặt chẽ.

Thực hiện: Trần Huỳnh Ngọc

Tài liệu tham khảo:

(1) F. F. Wu, K. Moslehi and A. Bose, “Power System Control Centers: Past, Present, and Future,” in Proceedings of the IEEE, vol. 93, no. 11, pp. 1890-1908, Nov. 2005, DOI: 10.1109/JPROC.2005.857499.

(2) Phadke Arun and BI Tianshu, “Phasor measurement units, WAMS, and their applications in protection and control of power systems,” Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, vol 6, no.2, 2018, DOI: 10.1007/s40565-018-0423-3.

(3) World Economic Forum and Accenture, “Digital Information Initiative Oil and Gas Industry,” White paper, 2017. [Online]. Available: https://reports.weforum.org/digital-transformation/wp-content/blogs.dir/94/mp/files/pages/files/dti-oil-and-gas-industry-white-paper.pdf

(4) Dave Turk et al., “Digitalization and Energy,” International Energy Agency, Report. Nov 2017. [Online]. Available: https://www.iea.org/reports/digitalisation-and-energy

(5) Simona Benedettini et al., “Assessment and roadmap for the digital transformation of the energy sector towards an innovative internal energy market,” European Commission, Final Report. Oct. 2019. [Online]. Available: https://ec.europa.eu/energy/studies/assessment-and-roadmap-digital-transformation-energy-sector-towards-innovative-internal_en

(6) Huynh Ngoc Tran, Tatsuo Narikiyo, Michihiro Kawanishi, Satoshi Kikuchi, Shozo Takaba, “Whole-day optimal operation of multiple combined heat and power systems by alternating direction method of multipliers and consensus theory,” Energy Conversion and Management, Volume 174, 2018, Pages 475-488.