Mô hình năng lượng và thị trường điện Texas (1)

Texas là bang đứng đầu nước Mỹ về sản lượng năng lượng được sản xuất và tiêu thụ (1). Năm 2019, trữ lượng dầu thô, khí tự nhiên và khí tự nhiên hóa lỏng của Texas lần lượt là 18.622 triệu thùng (barrels), 3.220,65 tỉ mét khối và 9.175 triệu thùng, chiếm tỉ lệ tương ứng 42,1%, 24,4% và 42,4% trong tổng trữ lượng quốc gia. Tháng 11 năm 2020, mỗi ngày có 4.653 thùng dầu thô và 263.392,43 tỉ mét khối khí tự nhiên được sản xuất ở Texas, lần lượt chiếm 41,8% và 25,5% sản lượng tương ứng toàn Hoa Kỳ. Sản lượng điện năng sản xuất tại Texas đứng đầu toàn nước Mỹ và gấp đôi sản lượng điện năng của bang Florida, bang có sản lượng điện năng xếp thứ hai. Tổng công suất nguồn điện lắp đặt ở Texas tính đến cuối năm 2020 là 85GW, và sản lượng điện năng sản xuất tháng 11 năm 2020 của Texas xấp xỉ 34,7 triệu MWh. Để dễ hình dung, cần biết rằng sản lượng điện toàn quốc tháng 11 năm 2020 của Việt Nam là 6,21 triệu MWh (2).

Với đặc điểm trữ lượng khí lớn như trên, rất dễ hiểu vì sao nhiệt điện khí có tỉ trọng khá lớn trong cơ cấu nguồn điện của Texas. Tỉ trọng cơ cấu công suất nguồn điện của Texas đầu năm 2021 gồm 51% nhiệt điện khí, 24,8% điện gió, 13,4% nhiệt điện than, 4,9% điện hạt nhân, 3,8% điện mặt trời, 1,9% do các nguồn khác (trong đó có liên kết lưới điện Miền Đông và lưới điện Mexico), và 0,2% của hệ thống lưu trữ.

Hình 1: Tỉ trọng công suất và sản lượng nguồn điện ở Texas (3)

Căn cứ vào cơ cấu nguồn điện Texas, có thể thấy hệ thống điện Texas vận hành khá độc lập và gần như rất ít phụ thuộc vào phần còn lại của hệ thống điện nước Mỹ. Texas cũng đang vận hành thị trường điện tự do, mà ở đó các công ty mua bán điện có thể mua điện từ bất cứ nguồn điện nào trong hệ thống điện Texas. Đặc điểm đáng chú ý là Hội đồng độ tin cậy điện Texas (ERCOT), cơ quan quản lý, vận hành lưới điện Texas, không có chính sách chi trả cho dịch vụ bảo đảm công suất dự trữ (4), dù họ vẫn có quy hoạch tổng công suất nguồn lắp đặt cao hơn dự báo công suất tiêu thụ tối đa khoảng 13,7% năm 2020 và 19,7% năm 2022 (5). Một đặc điểm đáng chú ý khác là giá điện bán buôn ở Texas có phạm vi dao động rất rộng, từ 2 cents/kWh đến 9 USD/kWh, do tính chất của thị trường điện tự do. Texas vào mùa nóng thường có nhu cầu điện cao nhất trong năm, và giá điện thời điểm này có thể bị đẩy lên cao hơn các thời điểm khác, chẳng hạn như thời tiết nóng trong những ngày 12-16/8/2020 đã đẩy giá điện lên đến 9 USD/kWh. Tuy vậy, nếu không xét thời điểm sự cố hoặc tình huống thời tiết cực đoan thì bình quân giá điện ở Texas thường rẻ hơn giá điện trung bình nước Mỹ như trong bảng so sánh sau đây.

Bảng 1 - Giá điện Texas và giá điện bình quân Hoa Kỳ tháng 11/2020 (1)

Chúng ta sẽ quay lại các chi tiết về mô hình lưới điện và giá điện này một lần nữa, khi nhìn vào ý kiến các chuyên gia của cộng đồng lưới điện thông minh IEEE đối với sự cố.

Sự cố mất điện từ ngày 15-18/2/2021 ở Texas (6)

Vào khoảng 11 giờ đêm giờ địa phương vào Chủ nhật 14/2, một số nhà máy điện ở Texas bắt đầu bất ngờ ngưng hoạt động. Sau đó, vào khoảng 1 giờ 25 phút sáng ngày 15/2, dưới tác động của việc mất cân bằng cung cầu công suất đột ngột, tần số lưới điện giảm đột ngột từ 60 Hz xuống 59,3 Hz (6). Các chuyên gia lý giải rằng đây là thời điểm nhu cầu điện đã bắt đầu tăng cao (tương tự như sáng các ngày trước đó), trong khi đó nhiều nhà máy bị ngưng hoạt động bất ngờ và hệ thống nguồn không thể đáp ứng nhu cầu phụ tải kịp thời (3). Lúc này nhiệt độ thấp nhất ở Houston, Texas khoảng -10 độ C. Cùng thời gian này năm trước, nhiệt độ ở Houston là 6,7 độ C.

Bảng 2- Nhiệt độ (độ C) ở Houston các ngày 14-17 tháng 2 của hai năm 2020 và 2021 (3)

Lưu ý rằng theo tiêu chuẩn vận hành lưới điện ở Texas nói riêng và khu vực Bắc Mỹ nói chung, tần số chỉ được phép sai lệch 0,02 Hz (59,98 – 60,02 Hz) để duy trì sự ổn định của lưới điện.

Hình 2: Quan hệ giữa tần số lưới điện và cân bằng cung cầu công suất (nguồn: Internet)

Trong tình huống tần số xuống thấp như vậy, đơn vị quản lý vận hành lưới điện Texas (ERCOT) buộc phải thực hiện sa thải phụ tải (6), với lượng công suất khoảng 10,5GW (3, 6), để đưa tần số hệ thống trở về phạm vi cho phép. Nếu không thực hiện giải pháp trên, rất nhiều nhà máy điện đang vận hành sẽ tự ngắt theo chức năng bảo vệ tần số và khiến lưới điện rơi vào nguy cơ rã lưới, mất điện toàn hệ thống. Trong cùng ngày, một số nhà máy khác tiếp tục ngưng hoạt động hoặc không khỡi động được (nhà máy dự phòng), và ERCOT buộc phải tiếp tục cắt giảm phụ tải để giữ cân bằng hệ thống và đưa tần số hệ thống trở về phạm vi cho phép.

Hình 3: Chênh lệch giữa phụ tải yêu cầu (dự báo) và công suất nguồn tại thời điểm bắt đầu sự cố (3)

Hình 4: Diễn tiến của công suất tiêu thụ, công suất nguồn và tần số trong sự cố mất điện ở Texas (6)

ERCOT đã cố gắng để khôi phục các nhà máy điện để cấp điện cho khách hàng từ cuối ngày thứ hai cho đến thứ tư. Từ mức thấp nhất khoảng 43,21 GW, đến tối thứ tư 17/2/2021 công suất phụ tải đã được khôi phục đạt khoảng 49 GW, mức cao nhất kể từ sáng thứ Hai, một số khách hàng đã có điện trở lại. Tuy vậy, đến thứ tư vẫn còn một lượng lớn nguồn điện với tổng công suất khoảng 43 GW vẫn đang ngưng hoạt động, trong đó gồm 26,5 GW nguồn nhiệt điện khí và than, 2 GW điện hạt nhân và 17 GW nguồn điện gió và mặt trời, và vẫn còn khoảng 1,2 triệu ngôi nhà ở Texas trong tình trạng mất điện (6). Các nguồn nhiệt điện, vốn được thiết kế phù hợp thời tiết nóng của Texas, đã không thể hoạt động khi có nhiều thiết bị phụ trợ cũng như các đường ống nước bị đóng băng, cùng với tình trạng giảm áp suất khí đốt và khan hiếm khí đốt. Điện hạt nhân phải ngưng hoạt động vì các cảm biến không hoạt động chính xác (3). Các tuabin gió cũng không hoạt động được trong thời tiết quá lạnh và bão tuyết, như các nhà vận hành tuabin đã cảnh báo trước đó một tuần, và các tấm pin mặt trời cũng không thể cung cấp điện khi bị tuyết che phủ (6). Nhiệt độ thấp nhất ở Houston, Texas ngày thứ ba và thứ tư lần lượt là -11,7 độ C và -1,1 độ C (3).

Hình 5: So sánh sản lượng khí đốt tự nhiên của 48 bang nước Mỹ giữa các năm – Sản lượng năm 2021 sụt giảm đột ngột gần 30% từ ngày 15/2/2021, theo Reuters (7)

Trong tình hình như vậy, giá năng lượng tiếp tục leo thang. Giá điện bán buôn ở Texas giao dịch ở mức cao nhất, 9 USD/kWh, trong ngày thứ tư 17/2/2021, trong khi giá khí đốt tự nhiên giao ngay vượt mốc 1.000 USD/mmBtu, gấp hơn 100 lần mức giá chỉ một tuần trước đó (6). Cho đến 10:40 sáng giờ địa phương, thứ sáu ngày 19/2/2021, hệ thống điện Texas đã được khôi phục gần như hoàn toàn, và giá điện cũng đã trở lại mức bình thường trước sự cố (3).

Góc nhìn của các chuyên gia Cộng đồng lưới điện thông minh của IEEE (IEEE Smart Grid Community)

Trưa ngày 19/2/2021, cộng đồng lưới điện thông minh IEEE đã tổ chức một cuộc thảo luận online (3) về sự cố Texas, với sự tham gia của các nhà nghiên cứu và chuyên gia giàu kinh nghiệm, gồm GS. Massoud Amin, GS. Wei-jen Lee (chủ tịch Hội Ứng dụng công nghiệp IEEE), TS. Panos Moutis, TS. Doug Houseman (Ủy ban phối hợp lưới điện thông minh của Hội Điện và Năng lượng IEEE), Steve Collier (từng là chủ nhiệm một vài ủy ban thuộc cộng đồng lưới điện thông minh IEEE), và GS. Peter Wung (chủ nhiệm Chương trình lưới điện thông minh IEEE). Các chuyên gia đã đưa ra các nhận định và thảo luận với tinh thần hướng tới việc khắc phục và tránh lặp lại sự cố trong tương lai, bên cạnh việc phân tích các ảnh hưởng tác động của mô hình lưới điện Texas đối với sự cố.

Bên cạnh các nguyên nhân kỹ thuật như đã đề cập ở trên, mô hình thị trường điện Texas với chính sách không chi trả việc bảo đảm công suất dự trữ được cho là đã góp phần làm cho sự cố khó được cứu vãn (3). Chính sách này cộng với việc vận hành thị trường điện theo mô hình tương tự Just-in-Time (chỉ sản xuất đúng, đủ theo nhu cầu, hạn chế tồn kho) có thể đã khiến hệ thống nguồn không được khuyến khích trang bị để đối phó với thời tiết lạnh cực đoan (“winterized”), dẫn đến thiếu hụt công suất trong thời điểm khẩn cấp như trên.

Trả lời cho câu hỏi liệu sự cố có thể tránh được không nếu trước đó ERCOT có đường dây liên kết với liên hệ thống điện miền Tây của Mỹ và tăng công suất các đường dây liên kết hiện hữu, các chuyên gia cho rằng khả năng mất điện luân phiên diện rộng vẫn có thể xảy ra. Tại thời điểm xảy ra sự cố, liên hệ thống điện miền Tây chỉ có 4-6 GW công suất dự trữ, trong khi liên hệ thống điện miền Đông cũng trong tình trạng thiếu nguồn. Trong tình trạng ERCOT có giá bán điện rẻ hơn giá điện trung bình của các hệ thống điện Mỹ (trước sự cố), việc có các đường dây liên kết công suất lớn với các liên hệ thống điện, có thể khiến các liên hệ thống điện có xu hướng mua điện hơn là bán điện cho Texas trước thời điểm sự cố, và điều này có thể khiến sự cố có khả năng lan rộng và trầm trọng hơn.

Hình 6: Tình trạng công suất dự trữ của các hệ thống điện gần Texas ở thời điểm sự cố (3)

Các chuyên gia cũng rất thận trọng đối với quan điểm rằng đây là sự cố hy hữu có tính chất bất thường (Black Swan – Hiện tượng thiên nga đen). TS. Panos Moutis cho rằng cần xem lại cách mà hệ thống chuẩn bị cho các hiện tượng cực đoan. Có thể bài toán tối ưu kinh tế - kỹ thuật khi xem xét các trường hợp này rất phức tạp, bên cạnh đó có những yếu tố phi kỹ thuật không thể bỏ qua, đó là con người, đặc biệt là người già, trẻ em, người ốm và bệnh tật. Yếu tố này cần đặt lên trên hết so với các yếu tố kinh tế - kỹ thuật của lưới điện.

Các giải pháp để tăng cường khả năng ổn định của lưới điện cũng được thảo luận, trong đó có giải pháp tăng cường đường dây HVDC liên kết toàn vùng Bắc Mỹ với chi phí đầu tư dự kiến 84 tỉ USD, hoặc giải pháp tổ chức lại lưới điện bởi các lưới điện nhỏ vận hành bán tự động. Giải pháp tăng công suất nguồn cho Texas cũng được bàn đến, nhưng được cho là vô cùng tốn kém, nếu phải xây dựng đủ số nhà máy để đối phó với tình trạng cực đoan như vừa rồi.

Sự cố lần này có thể lặp lại trong tương lai - các chuyên gia nhắc nhở. Nó là kết quả của một chuỗi các sự kiện cực đoan và hỏng hóc liên tục, và cần được xem xét toàn diện. Việc chỉ xử lý một, hai yếu tố đơn lẻ không thể giúp tránh được sự cố trong tương lai.

Thực hiện: Trần Huỳnh Ngọc

Tham khảo:

1. https://www.eia.gov/state/?sid=TX
2. https://baochinhphu.vn/Utilities/PrintView.aspx?distributionid=416563
3. https://smartgrid.ieee.org/resources/webinars/panel-on-the-texas-electric-power-crisis
4. https://www.nationalreview.com/2021/02/ask-an-engineer/amp/
5. https://electricityplans.com/texas-electricity-trends-2020/
6. https://www.bloomberg.com/news/articles/2021-02-17/texas-s-power-crisis-isn-t-getting-better-it-s-getting-worse
7. https://www.reuters.com/article/us-usa-weather-texas-energy-idINKBN2AI0R3