Lịch sử phát triển

Lưới điện nhỏ là hệ thống phát điện và phân phối điện cung cấp điện cho một số ít khách hàng ở vùng xa hoặc cung cấp điện cho hàng trăm nghìn khách hàng trong một thị trấn, thành phố. Chúng có thể được cách ly hoàn toàn khỏi lưới điện chính hoặc được kết nối nhưng có thể tự cách ly với lưới điện một cách có chủ động. Lưới điện nhỏ cung cấp điện cho các hộ gia đình, doanh nghiệp, tổ chức công cộng và các khách hàng khác. Chúng được thiết kế để cung cấp điện năng với chất lượng cao và tin cậy.

Lưới điện nhỏ không phải là một hiện tượng mới: gần như tất cả các hệ thống lưới điện tập trung hiện nay đều bắt đầu bằng các lưới điện nhỏ biệt lập, dần dần kết nối với nhau. Những lưới điện nhỏ đầu tiên này đóng vai trò then chốt cho sự phát triển và công nghiệp hóa ban đầu của hầu hết các nền kinh tế hiện đại. Đây là các hệ thống lưới điện xuất hiện đầu tiên của ngành điện thế giới, đã được vận hành vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, có thể được xem là thế hệ lưới điện nhỏ đầu tiên trên thế giới.

Thế hệ lưới điện nhỏ thứ hai đang phổ biến ở nhiều quốc gia có thu nhập thấp. Các hệ thống này thường nhỏ và biệt lập, chạy bằng dầu diesel hoặc thủy điện, và được xây dựng bởi các cộng đồng địa phương hoặc các doanh nhân để cung cấp điện cho các hộ gia đình, chủ yếu ở các vùng nông thôn chưa có lưới điện chính. Hàng chục nghìn hệ thống như thế này đã được xây dựng từ thập niên 80 của thế kỷ trước và phát triển mạnh mẽ trong thập niên 90 và đầu những năm 2000. Thế hệ thứ hai của lưới điện nhỏ đã mang lại những bài học quan trọng về thiết kế kỹ thuật, sử dụng hiệu quả, quy mô kinh tế, khả năng tài chính và quy định khung, được áp dụng vào thế hệ thứ ba của lưới điện nhỏ kết hợp năng lượng mặt trời (solar-hybrid mini grids) do khu vực tư nhân sở hữu và vận hành.

Thế hệ lưới điện nhỏ thứ ba chỉ mới xuất hiện trong vài năm gần đây. Các lưới điện nhỏ này - hầu hết được kết hợp với hệ thống điện mặt trời - do các công ty tư nhân sở hữu và vận hành, tận dụng các công nghệ chuyển đổi và vận dụng chiến lược đổi mới sáng tạo để xây dựng lưới điện nhỏ thay vì các dự án đơn lẻ. Lưới điện nhỏ thế hệ thứ ba điển hình được thiết kế để sẵn sàng kết nối lưới chính; sử dụng hệ thống quản lý từ xa, thiết bị đo đếm thông minh có tính năng trả trước và kết hợp công nghệ năng lượng mặt trời mới nhất; và sử dụng các thiết bị tiết kiệm năng lượng trong tiêu thụ năng lượng điện.

Hình 1: cấu trúc lưới điện nhỏ thế hệ thứ 3 điển hình

Hiện trạng lưới điện nhỏ toàn cầu và tầm nhìn đến năm 2030

Thị trường lưới điện nhỏ toàn cầu bao gồm hơn 26.000 lưới điện nhỏ đã được lắp đặt và lên kế hoạch tại hơn 130 quốc gia trên thế giới, trong đó 19.163 lưới điện nhỏ chủ yếu là thế hệ thứ 1 và thứ 2 đang vận hành ở 134 quốc gia và vùng lãnh thổ, đáp ứng nhu cầu điện cho gần 47 triệu người. Và 7.507 lưới điện nhỏ được lên kế hoạch phát triển tại 57 quốc gia và vùng lãnh thổ, và hầu hết trong số này là lưới điện nhỏ thế hệ thứ ba với thủy điện và năng lượng mặt trời lần lượt chiếm 46% và 40% công suất.

Về triển vọng phát triển đến năm 2030, theo ESMAP [1], khoảng 213.000 lưới điện nhỏ với chi phí đầu tư 217 tỷ đô la để cấp điện cho 488 triệu người vào năm 2030 sẽ được đầu tư phát triển.

Các điểm nổi bật của lưới điện nhỏ thế hệ thứ 3

Lưới điện nhỏ thế hệ thứ ba bao gồm các thành phần sản xuất, phân phối, đo lường và tiêu thụ điện. Một lưới điện nhỏ thế hệ thứ ba điển hình bao gồm một hệ thống phát điện hỗn hợp năng lượng mặt trời bao gồm các tấm pin mặt trời, bộ tích trữ năng lượng, bộ điều khiển sạc, bộ biến tần và máy phát điện dự phòng diesel. Mạng phân phối bao gồm các cột và dây hạ thế, đôi khi cũng có hệ thống lưới điện trung thế. Lưới điện nhỏ thế hệ thứ ba thường sử dụng đồng hồ thông minh cung cấp cả dịch vụ thanh toán trả trước cho người tiêu dùng, thông tin thời gian thực và các chi tiết về biểu đồ tiêu thụ năng lượng và hiệu suất hệ thống. Chúng cũng sử dụng hệ thống giám sát từ xa, cho phép người vận hành xác định các vấn đề kỹ thuật trước khi chúng ảnh hưởng đến dịch vụ năng lượng và khắc phục sự cố một cách nhanh chóng và ít tốn kém, do đó nâng cao chất lượng dịch vụ khách hàng và  sử dụng các thiết bị hiệu quả cho mục đích gia dụng, cũng như máy móc và thiết bị hiệu quả cho các hoạt động sản xuất tạo thu nhập.

Hệ thống lưới điện nhỏ thế hệ thứ ba bao gồm một tập hợp toàn diện các công nghệ phần cứng và phần mềm mới nhất. Chúng tận dụng các công nghệ chuyển đổi để cung cấp điện chất lượng cao, giá cả phải chăng và tăng trưởng trên quy mô lớn. Các hệ thống này có các đặc trưng sau:

• Sử dụng các công nghệ mới nhất, giúp giảm chi phí;
• Giới thiệu và khuyến khích sử dụng các thiết bị tiết kiệm năng lượng, có thể giảm từ 60% công suất lắp đặt cần thiết trở lên;
• Cho phép sử dụng năng lượng điện tại chỗ cho mục đích sản xuất, làm giảm giá thành điện năng, tăng lợi nhuận và thúc đẩy phát triển kinh tế địa phương;
• Cung cấp điện năng chất lượng vượt trội, thường trên 97% thời gian hoạt động để đáp ứng nhu cầu của khách hàng;
• Sử dụng hệ thống quản lý năng lượng được điều khiển từ xa, nền tảng dữ liệu dựa trên Web và đo đếm thông minh có chức năng trả trước để giảm chi phí vận hành;
• Sử dụng các giải pháp sáng tạo để thu hút sự tham gia các cộng đồng bị phân tán về mặt địa lý;
• Tuân theo các quy định và các thiết kế tiêu chuẩn hóa cho các thiết bị để giảm chi phí sản xuất, lắp đặt và vận hành;
• Được thiết kế để có thể kết nối với lưới điện chính, nhằm giảm thiểu rủi ro đầu tư khi kết nối vào lưới điện chính;
• Được xây dựng như một phần trong kế hoạch đầu tư thay vì là các dự án đơn lẻ, được hỗ trợ bởi phân tích không gian địa lý để đạt được hiệu quả kinh tế theo quy mô.

LCOE (levelized cost of electricity - chi phí năng lượng quy đổi) trong các lưới điện nhỏ được phân tích bởi ESMAP (The Energy Sector Management Assistance Program - Chương trình Hỗ trợ Quản lý Ngành Năng lượng của Ngân hàng Thế giới) dao động từ 0,55 đô la đến 0,85 đô la cho mỗi kWh, với chi phí trung bình là 0,66 đô la khi hệ số phụ tải 22% (năm 2018).

Phân tích của ESMAP chỉ ra rằng sự kết hợp của việc sử dụng điện cho mục đích sản suất và giảm chi phí thiết bị do tính kinh tế theo quy mô và xu hướng chi phí công nghệ trong toàn ngành để có thể làm giảm LCOE xuống 0,22 đô la / kWh vào năm 2030. Nếu thiết kế lưới điện nhỏ có thể được tối ưu hóa để đáp ứng phụ tải sử dụng vào ban ngày với năng suất cao hơn và giảm chi phí thiết bị trong tương lai, thì có thể giảm thêm LCOE. Sự kết hợp giữa giảm chi phí thiết bị kỳ vọng thông qua việc tăng quy mô và nâng cao hệ số phụ tải từ 22% lên 40% với các phụ tải sản xuất có thể làm giảm LCOE tới 60% so với phương án chi phí vốn và vận hành tại thời điểm hiện tại và phương án chỉ có phụ tải dân cư.

Hình 2: Sự thay đổi LCOE và hệ số phụ tải

Chi phí vốn của lưới điện nhỏ kết hợp với năng lượng mặt trời ngày càng giảm. Theo khảo sát của ESMAP với 53 lưới điện nhỏ, chi phí vốn đầu tư (CAPEX) trung bình cho 1 KW đảm bảo khoảng 3900 đô la (năm 2018). Về cấu thành giá của lưới điện nhỏ, các thiết bị để sản xuất điện chiếm 54% tổng chi phí vốn đầu tư. Các thành phần có tỷ lệ lớn nhất trong chi phí vốn đầu tư là ắc quy (15%), lưới điện phân phối (14%), mô-đun PV (11%), bộ biến tần (5-9%), nguồn điện (7%) và thiết bị đo (4%).

Bên cạnh đó, với việc ứng dụng các công nghệ kỹ thuật mới nhất vào vận hành, chi phí thiết bị thay thế giảm, chi phí nhiên liệu giảm do sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời thay vì máy phát diesel, chi phí vận hành (OPEX) các hệ thống điện nhỏ ngày càng giảm.

Tạo một môi trường thuận để phát triển lưới điện nhỏ

Nhiều công ty điện lực quốc gia đã phát triển các dự án lưới điện nhỏ để cấp điện cho các khu vực dân cư. Bên cạnh đó, các nhà đầu tư tư nhân cũng tham gia vào lĩnh vực này. Tuy nhiên, để đạt được mục tiêu cấp điện cho gần nửa tỷ người, cần thiết phải đạt được tốc độ tăng trưởng theo cấp số nhân.

Một số thay đổi quan trọng đối với hệ sinh thái lưới điện nhỏ sẽ cho phép các công ty điện lực và các nhà phát triển tư nhân mở rộng danh mục đầu tư, bao gồm các nội dung sau:

• Sử dụng phân tích không gian địa lý để tạo ra các chiến lược điện khí hóa quốc gia và kế hoạch đầu tư lưới điện nhỏ;
• Các quy định về lưới điện nhỏ phù hợp, khả thi và tạo môi trường kinh doanh dễ dàng hơn đối các công ty lưới điện nhỏ;
• Khuôn khổ thể chế mạnh mẽ hơn;
• Tăng khả năng tiếp cận tài chính từ các nhà đầu tư và đối tác phát triển;
• Các sáng kiến đào tạo và xây dựng kỹ năng cũng như các chiến lược hiệu quả để cộng đồng tham gia.

Biến triển vọng thành hiện thực

Thông qua một quá trình hợp tác chặt chẽ, ESMAP và các nhà lãnh đạo ngành lưới điện nhỏ và các đối tác phát triển đã cùng xác định năm động lực thị trường sẽ cho phép ngành đạt được mục tiêu điện khí hóa toàn cầu:

• Giảm chi phí đầu tư ban đầu của lưới điện nhỏ kết hợp với năng lượng mặt trời;
• Tăng tốc độ triển khai lưới điện nhỏ thông qua cách danh mục đầu tư;
• Cung cấp dịch vụ chất lượng cao;
• Thu hút nguồn vốn của đối tác phát triển, đầu tư của chính phủ và tài chính của khu vực tư nhân;
• Thiết lập môi trường kinh doanh lưới điện nhỏ trong các quốc gia tỷ lệ tiếp cận lưới điện thấp.

Các chính phủ hỗ trợ ngành công nghiệp điện năng bên cạnh sự hỗ trợ từ các đối tác phát triển, bao gồm ESMAP, hướng tới việc đạt được các mục tiêu rõ ràng và có thể đo lường được cho từng động lực trong số năm động lực thị trường giúp ngành này kết nối 490 triệu người vào năm 2030. Các mục tiêu cho năm 2030 bao gồm:

• Giảm LCOE của điện lưới nhỏ xuống $ 0,20 / kWh;
• Xây dựng khoảng 1.500 dự án/năm cho các quốc gia có tỉ lệ tiếp cận lưới điện thấp nhất đến năm 2030 và giảm thời gian xây dựng lưới điện nhỏ xuống còn 5 tuần;
• Cung cấp dịch vụ chất lượng cao với hơn 97% thời gian hoạt động vào năm 2030 và tăng hệ số phụ tải trung bình lên 45%;
• Thu hút gần 220 tỷ đô la đầu tư từ các đối tác phát triển, chính phủ và khu vực tư nhân;
• Nâng điểm RISE (Regulatory Indicators for Sustainable Energy – Chỉ số năng lượng bền vững) trung bình ở 20 quốc gia có tỉ lệ tiếp cận lưới điện thấp nhất lên 80/100.

Kế hoạch cấp điện cho nửa tỷ người đến năm 2030 với các mục tiêu trên đầy tham vọng nhưng có thể đạt được nếu các nhà phát triển lưới điện nhỏ, chính phủ, đối tác phát triển và các bên liên quan khác cùng nỗ lực hướng tới việc mở rộng lưới điện nhỏ. Việc tăng tốc độ triển khai phụ thuộc vào các đổi mới kinh doanh, cũng như nỗ lực phối hợp từ các chính phủ để giúp các nhà phát triển lập kế hoạch, thiết lập và vận hành các doanh nghiệp lưới điện nhỏ dễ dàng hơn. Các nhà phát triển lưới điện nhỏ có thể cung cấp dịch vụ chất lượng cao hơn, nhưng điều này sẽ đòi hỏi sự hỗ trợ từ các đối tác phát triển và chính phủ, đặc biệt trong việc tăng cường sử dụng các thiết bị điện tạo thu nhập. Các đối tác phát triển và chính phủ sẽ cần thu hút đầu tư của khu vực tư nhân và thiết lập môi trường kinh doanh lưới điện nhỏ thuận lợi ở các quốc gia có tỷ lệ tiếp cận lưới điện thấp.

Lược dịch: Lê Thanh Nghị

[1] https://www.worldbank.org/en/topic/energy/publication/mini-grids-for-half-a-billion-people, Worldbank, 2019.