a16z: Lưới điện phân tán

Tác giả: Ryan McEnrush, đối tác của a16z; Bản dịch: 0xjs@金财经

Lưới điện là một hệ thống dây dẫn và nhà máy điện lớn và phức tạp, rất quan trọng đối với nền kinh tế của chúng ta và là nền tảng cho sự phát triển của chúng ta. Sức mạnh công nghiệp. Hiện tại, Hoa Kỳ phải đối mặt với một thách thức nghiêm trọng: Nhu cầu điện của Hoa Kỳ dự kiến ​​sẽ tăng gần gấp đôivào năm 2040 do các yếu tố như điện toán trí tuệ nhân tạo, chuyển sản xuất về nước và “điện khí hóa”, nhưng cơ sở hạ tầng và hoạt động lưới điện của chúng ta đang phải vật lộn để theo kịp . Tiến lên.

Để nắm bắt một tương lai giàu năng lượng, chúng ta phải đơn giản hóa việc sản xuất, truyền tải và tiêu thụ điện; điều này đòi hỏi một lưới điện phi tập trung.  Việc xây dựng các nhà máy điện lớn và đường dây truyền tải đường dài rất cồng kềnh, nhưng các công nghệ như năng lượng mặt trời, pin và lò phản ứng hạt nhân tiên tiến mang đến những khả năng mới. Chính những công nghệ này và các công nghệ "cục bộ" khác có thể tránh việc đi cáp đường dài tốn kém và được triển khai trực tiếp tại chỗ, điều nàysẽ giúp hỗ trợ tăng trưởng tải đáng kểtrong những thập kỷ tới.

Trong khi quá trình mở rộng công nghiệp trước đây phụ thuộc vào các nhà máy điện tập trung, lớn thì thế kỷ 21 đánh dấu sự chuyển đổi sang năng lượng phi tập trung và không liên tục, từ mô hình "trung tâm và nan hoa" sang mạng lưới phân tán. Tất nhiên, sự phát triển này sẽ mang đến những thách thức mới và chúng ta sẽ cần sự đổi mới để thu hẹp khoảng cách.

Nỗi đau ngày càng tăng

Mạng lưới điện của Hoa Kỳ bao gồm ba kết nối chính: Đông, Tây và Texas và có 17 điều phối viên NERC Quản lý, ISO (Nhà điều hành hệ thống độc lập) và RTO (Nhà điều hành truyền tải khu vực) giám sát nền kinh tế và cơ sở hạ tầng khu vực. Tuy nhiên, việc sản xuất và phân phối thực tế được thực hiện bởi các công ty điện lực hoặc hợp tác xã địa phương. Cấu trúc này đã phát huy tác dụng trong những thời điểm phụ tải tăng trưởng thấp, nhưng việc mở rộng cơ sở hạ tầng lưới điện để đáp ứng nhu cầu ngày nay đang trở nênngày càng trở nên thách thức vàđắt đỏ.

Kết nối Các vấn đề về đầu vào

Các nhà vận hành lưới điện sử dụng Hàng đợi tiếp nhận để quản lý việc đầu vào của các tài sản mới và đánh giá xem liệu lưới điện có thể hỗ trợ các tài sản mới tại vị trí đó mà không mất cân bằng hay không. xác định chi phí nâng cấp cần thiết.  Ngày nay, hơn2000 GW đang chờ được kết nối vào lưới điện, với hơn 700 GW dự án sẽ được đưa vào danh sách chờ cho riêng năm 2022. Đóa một con số lớn: Toàn bộ lưới điện của Hoa Kỳ chỉ có 1.200 GW công suất phát điện lắp đặt.

Nhưng trên thực tế, Nhiều dự án phải rút lui do chi phí nối lưới. Trong lịch sử, chỉ có 10-20% dự án xếp hàng thành hiện thực, thường mất hơn 5 năm sau khi đăng ký kết nối cuối cùng – và thời gian này ngày càng dài hơn. Các nghiên cứu khả thi rất phức tạp do các nhà phát triển thường gửi nhiều đề xuất mang tính suy đoán để xác định các điểm truy cập rẻ nhất và sau đó rút lại các đề xuất bất lợi khi biết chi phí. Nhà điều hành lưới điện California CAISO đã buộc phải ngừng chấp nhận bất kỳ yêu cầu mới nào vào năm 2022 do số lượng đơn đăng ký tăng vọt và có kế hoạch thực hiện lại vào năm 2024.

Đây là yếu tố chính hạn chế tỷ lệ và chi phí trong quá trình chuyển đổi năng lượng của chúng ta. Một báo cáo gần đây của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho thấy để đáp ứng mức tăng trưởng phụ tải cao đến năm 2035, truyền tải nội vùng tích hợp các tài sản mới phải tăng 128% và truyền tải liên vùng phải tăng 412%. Những dự báo lạc quan hơn dự đoán tốc độ tăng trưởng lần lượt là 64% và 34%.

Những cải cách được đề xuất có thể giúp giảm bớt tình trạng tồn đọng phát triển này. Ủy ban Điều tiết Năng lượng Liên bang (FERC) đang theo đuổi chính sách “chuẩn bị trước, phục vụ trước”, bổ sung phí để lọc các đề xuất và đẩy nhanh quá trình xem xét. Hội đồng Độ tin cậy Điện Texas (ERCOT) áp dụng phương pháp “cắm và quản lý” cho phép kết nối nhanh hơn nhưng sẽ ngắt kết nối các dự án nếu chúng đe dọa độ tin cậy của lưới điện — một bước bổ sung nhanh chóng thành công mới đã đạt được với tài sản lưới điện. Mặc dù các chính sách này đánh dấu sự tiến bộ nhưng việc hợp lý hóa các quy định khác như NEPA cũng rất quan trọng để đẩy nhanh tiến độ xây dựng.

Nhưng ngay cả khi được phê duyệt, việc xây dựng lưới điện vẫn phải đối mặt với những trở ngại trong chuỗi cung ứng, bao gồm thời gian thực hiện hơn 12 tháng, giá máy biến áp lớn tăng 400% và tình trạng thiếu thép đặc biệt. Việc đáp ứng các mục tiêu liên bang về phát triển sản xuất máy biến áp cũng phụ thuộc vào sự hỗ trợ cho ngành thép điện, đặc biệt là các tiêu chuẩn tiết kiệm năng lượng sắp tới vào năm 2027. Tất cả những điều này xảy ra khi tình trạng mất điện lưới, chủ yếu liên quan đến thời tiết, đang ở mức cao nhất trong 20 năm, đòi hỏi phải thay thế phần cứng.

Cái này Và điều đó không bao gồm truyền tải

Cuối cùng, việc cải tổ chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng lưới điện thể hiện ở mức giá cao hơn cho người tiêu dùng. "Giá bán lẻ" mà người tiêu dùng phải trả là sự kết hợp giữa giá bán buôn (chi phí phát điện) và phí giao hàng (chi phí cơ sở hạ tầng cần thiết để cung cấp điện cho bạn). Điều quan trọng là trong khi giá sản xuất khí đốt tự nhiên và tái tạo giá rẻ đã giảm thì giá cung cấp chúng lại tăng mạnh.

Sự việc này xảy ra do nhiều nguyên nhân. Các tiện ích sử dụng phí phân phối để bù đắp tổn thất trong việc tạo ra khách hàng, được thiết kế để đảm bảo doanh thu lợi nhuận cố định cho các khoản đầu tư cơ sở hạ tầng (giống như hợp đồng quốc phòng cộng thêm chi phí). Sự phát triển của năng lượng tái tạo đòi hỏi phải mở rộng đường dây điện đến những vùng sâu vùng xa ít được sử dụng do tính chất không liên tục của chúng. Ngoài ra, khi điện khí hóa và khả năng tự phát tăng lên, phụ tải trở nên biến động hơn và cơ sở hạ tầng được thiết kế cho nhu cầu cao điểm trở nên kém hiệu quả và tốn kém.

Các điều chỉnh về chính sách và thị trường đang ứng phó với những chi phí vận chuyển ngày càng tăng này, trong đó việc California áp dụng rộng rãi các hệ thống điện phân tán như năng lượng mặt trời trên mái nhà là một ví dụ đáng chú ý.

Chương trình Đo năng lượng ròng (NEM) của California ban đầu cho phép chủ nhà bán năng lượng mặt trời dư thừa trở lại lưới điện với giá bán lẻ, bỏ qua chi phí phân phối của các công ty tiện ích. Những thay đổi gần đây về cơ bản là mua lại điện với giá bán buôn thay đổi, làm giảm thu nhập của chủ sở hữu tấm pin mặt trời trong thời kỳ phát điện cao điểm, thường trùng với thời điểm giá điện thấp nhất. Việc điều chỉnh này kéo dài thời gian hoàn vốn cho việc lắp đặt năng lượng mặt trời, khiến các chủ nhà và doanh nghiệp phải đầu tư vào kho lưu trữ điện để bán năng lượng khi có lợi hơn.

California Utilities cũng đề xuất một mô hình thanh toán trong đó phí cố định sẽ dựa trên mức thu nhập và phí sử dụng sẽ dựa trên mức tiêu dùng. Động thái này nhằm mục đích khiến những khách hàng giàu có hơn phải chịu nhiều chi phí hơn về cơ sở hạ tầng lưới điện và bảo vệ những người có thu nhập thấp khỏi giá điện bán lẻ tăng cao. Mặc dù chính sách cụ thể này gần đây đã bị gác lại để nhường chỗ cho một phiên bản tương tự nhưng ít cực đoan hơn, nhưng ý tưởng như vậy có thể khiến những khách hàng giàu có hoàn toàn rời khỏi mạng lưới điện. Việc đào thoát có thể dẫn đến chi phí cao hơn cho những người dùng còn lại và gây ra “vòng xoáy tử thần”. Một số người tin rằng điều này đã xảy ra ở thị trường điện Hawaii, với một số khu vực nhanh chóng chuyển sang sử dụng máy bơm nhiệt điện.

Luôn bật đèn

Điện không phải là phép thuật; lưới điện rất phức tạp. Tại bất kỳ thời điểm nào, điện năng được sản xuất phải phù hợp với nhu cầu điện, hay "tải"; đây là ý nghĩa của việc "cân bằng lưới điện". Ở mức độ cao, độ ổn định của lưới điện phụ thuộc vào việc duy trì tần số không đổi—60 Hz ở Hoa Kỳ.  

Sự tắc nghẽn do dư thừa công suất trên đường dây điện (đổ điện vào lưới điện) có thể dẫn đến cắt giảm điện năng và chênh lệch giá tại địa phương. Bất kỳ độ lệch tần số nào cũng có thể gây hư hỏng cho máy phát điện và thiết bị động cơ. Gió, mặt trời và pin – những nguồn tài nguyên đảo ngược thiếu quán tính – cũng làm phức tạp thêm việc ổn định tần số khi chúng sinh sôi nảy nở. Trong trường hợp nghiêm trọng, sai lệch có thể gây mất điện hoặc thậm chí làm hỏng thiết bị nối lưới.

Do tính chất mong manh vốn có của lưới điện, các tài sản kết nối với nó phải được xem xét cẩn thận để điều chỉnh nguồn cung đáng tin cậy với nhu cầu dự báo. Sự tăng trưởng của nguồn điện không liên tục (nguồn cung cấp không đáng tin cậy) kết hợp với sự gia tăng của "điện khí hóa" (nhu cầu tăng vọt) đang tạo ra nghiêm trọngthách thức mạnh mẽ >.

Khi nào là đủ, đủ?

Khoảng 2/3 phụ tải được cân bằng bởi thị trường bán buôn thông qua (hầu hết) các cuộc đấu giá trước ngày, trong đó giá được xác định bởi chi phí của đơn vị điện năng cuối cùng cần thiết. Năng lượng tái tạo không có chi phí cận biên và thường trả giá cao hơn các nguồn năng lượng khác khi hoạt động, dẫn đến biến động giá - giá cực kỳ thấp khi năng lượng tái tạo đáp ứng nhu cầu và tăng vọt khi cần năng lượng đắt hơn (lưu ý: giá thầu khác với < mạnh>Chi phí năng lượng được quy dẫn LCOE.)

Tính không thể đoán trước của năng lượng mặt trời và năng lượng gió, cũng như việc đóng cửa các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã cũ, gây áp lực lên sự ổn định của lưới điện. Điều này dẫn đến tình trạng mất điện (sản xuất kém) và cắt giảm (sản xuất thừa), chẳng hạn như bang California, nơi sẽ tạo ra 2.400 GWh chất thải vào năm 2022. Để giải quyết vấn đề này sẽ cần đầu tư vào cải tiến việc lưu trữ và truyền tải năng lượng (được thảo luận bên dưới).

Ngoài ra, khi nguồn cung cấp điện trở nên khó lường hơn, khí đốt tự nhiên đóng vai trò ngày càng quan trọng do tính hiệu quả về chi phí và tính linh hoạt của nó. Khí tự nhiên thường hỗ trợ năng lượng tái tạo thông qua các "nhà máy cao điểm" chỉ hoạt động khi cần thiết. Nói chung, tính không ổn định của năng lượng mặt trời và năng lượng gió khiến các nhà máy điện khí tự nhiên và các loại nhà máy điện khác không liên tục có lãi, thậm chí đôi khi còn thua lỗ liên tục vì lý do kỹ thuật. Vì vậy, khi "đỉnh" đặt giá bán buôn trong thời gian ngừng hoạt động của năng lượng tái tạo, nó sẽ khiến chi phí tăng cao, tạo ra sự bất ổn cho người tiêu dùng.

Nhu cầu về điện cũng đang thay đổi. Các công nghệ như máy bơm nhiệt tuy tiết kiệm năng lượng nhưng có thể gây ra tải trọng cao nhất vào mùa đông khi năng lượng tái tạo được sản xuất ở mức thấp. Điều này đòi hỏi các nhà vận hành lưới điện phải giữ lại một lượng tài sản điện nhất định và các nguồn năng lượng tái tạo thường bị bỏ qua trong quy hoạch an toàn tài nguyên. Các nhà vận hành lưới điện thường tuân theo quy tắc “1 trên 10”, chấp nhận thiếu điện mỗi thập kỷ một lần, nhưng việc tính toán thực tế phức tạp hơn. Ở ERCOT, thiếu thị trường công suất truyền thống để thay thế các biện pháp khuyến khích tăng giá, chúng tôi đã thấy "dự trữ khẩn cấp" tăng lên khi năng lượng tái tạo đi vào lưới điện.

Các khu vực có mức độ thâm nhập năng lượng mặt trời cao như California cũng phải đối mặt với "đường cong con vịt", đòi hỏi các nhà vận hành lưới điện phải nhanh chóng bổ sung hơn 20 gigawatt điện khi ánh sáng ban ngày mờ dần và nhu cầu tăng lên. Đây là thách thức cả về mặt kỹ thuật và kinh tế đối với một nhà máy được thiết kế để sản xuất sản phẩm liên tục.

Năng lượng tái tạo Sự gián đoạn tạo ra chi phí ẩn, buộc các nhà vận hành lưới điện phải chấp nhận rủi ro hoặc đầu tư vào tài sản mới. Mặc dù chi phí năng lượng quy dẫn đánh giá khả năng tồn tại về mặt kinh tế của dự án nhưng nó lại đơn giản hóa quá mức giá trị thực của tài sản đối với lưới điện rộng hơn. Tuy nhiên, LCOE nhấn mạnh những thách thức kinh tế của việc xây dựng các tài sản mới như nhà máy điện hạt nhân. Mặc dù đắt hơn khí đốt tự nhiên ngày nay, năng lượng hạt nhân mang đến một con đường hấp dẫn để khử cacbon cho nguồn điện đáng tin cậy. Chúng ta chỉ cần mở rộng quy mô xây dựng lò phản ứng.

Nhưng chúng ta không thể chỉ dựa vào năng lượng hạt nhân. Chỉ dựa vào một nguồn năng lượng duy nhất là rất rủi ro, như thách thức hạt nhân của Pháp trong bối cảnh các lệnh trừng phạt năng lượng của Nga và các vấn đề về khí đốt tự nhiên trong bối cảnh thời tiết lạnh giá ở miền Nam Hoa Kỳ đã cho thấy, chưa kể đến giá cả hàng hóa biến động. Các khu vực có lượng năng lượng tái tạo lớn, chẳng hạn như California, cũng phải đối mặt với tình trạng bất ổn do hàng ngày phải phụ thuộc vào nhập khẩu. Ngay cả những nơi như Iceland hay Scandinavia sử dụng gần như 100% năng lượng sạch cũng sẽ duy trì các phương án dự phòng hoặc nhập khẩu đáng tin cậy trong thời kỳ khủng hoảng.

Trở nên thông minh

Khi nhu cầu điện tăng lên, lưới điện phải vật lộn để đối phó với sự phức tạp ngày càng tăng của các nguồn năng lượng tái tạo phi tập trung và không liên tục. Chúng ta không thể ép buộc sự chuyển đổi này bằng vũ lực; nếu định làm điều này,chúng ta thực sự cần phải thông minh.

Lưới điện hiện tại đã cũ và “ngu ngốc”, phải dựa vào các nhà máy điện để điều chỉnh sản xuất dựa trên nhu cầu dự báo đồng thời thực hiện những điều chỉnh nhỏ theo thời gian thực để đảm bảo sự ổn định.  Lưới điện ban đầu được thiết kế cho dòng điện một chiều từ các nhà máy điện lớn, nhưng nó đã bị thách thức bởi khái niệm nhiều nguồn nhỏ hơn cung cấp điện theo mọi hướng, chẳng hạn như năng lượng mặt trời trên mái nhà của bạn đang sạc cho ô tô điện của hàng xóm. Hơn nữa, việc thiếu tầm nhìn thực sự về dòng điện theo thời gian thực đặt ra những vấn đề cấp bách, đặc biệt là ở cấp độ phân phối.

Năng lượng mặt trời, pin dân dụng, năng lượng hạt nhân tiên tiến và (có thể) địa nhiệt cung cấp năng lượng phi tập trung, giảm nhu cầu về cơ sở hạ tầng. Tuy nhiên, việc tích hợp một lưới điện luôn thay đổi và không ổn định vẫn đòi hỏi những giải pháp sáng tạo. Ngoài ra, việc sử dụng hiệu quả các hệ thống điện quy mô tiện ích thậm chí có thể được cải thiện đáng kể thông qua việc lưu trữ cục bộ và phản ứng từ phía nhu cầu (chẳng hạn như tắt bộ điều nhiệt khi lưới điện bị quá tải), từ đó giảm nhu cầu xây dựng các tài sản không được sử dụng đúng mức chỉ hoạt động trực tuyến. ngắn hạn trong thời gian cao điểm của nhu cầu.

"Lưới điện thông minh" nhằm đạt được tất cả các mục tiêu này và hơn thế nữa, đồng thời có thể được chia thành ba nhóm công nghệ chính:

• Mặt trước đồng hồ

• Định mức đường dây động, máy biến áp trạng thái rắn, hệ thống quản lý điện áp và dòng điện, dây dẫn tốt hơn, giám sát cơ sở hạ tầng, tạo quy mô lưới, lưu trữ quy mô lưới, v.v.

• Phần phụ trợ thiết bị

• Máy bơm nhiệt, thiết bị, năng lượng mặt trời dân dụng, bộ lưu trữ năng lượng gia đình, bộ sạc xe điện, bộ điều nhiệt thông minh, đồng hồ đo thông minh, lò phản ứng vi mô và lò phản ứng mô-đun nhỏ, lưới điện siêu nhỏ, v.v.

• Phần mềm lưới điện

• Nhà máy điện ảo, dự báo tốt hơn, quản lý thiết bị, cơ sở hạ tầng dữ liệu năng lượng, an ninh mạng, ADMS, quy hoạch kết nối, công cụ tài chính năng lượng, tự động hóa các thỏa thuận song phương, v.v.

Đặc biệt, có hai xu hướng chính có tính quyết định đối với tương lai của “lưới điện thông minh”.

Trước hết, chúng ta cần xây dựng một số lượng lớn các cơ sở lưu trữ năng lượng để đáp ứng nhu cầu phụ tải cao điểm cục bộ và ổn định nguồn điện gián đoạn của toàn bộ lưới điện. Pin lưu trữ năng lượng vốn rất quan trọng đối với những đợt bùng phát điện nhỏ và khi giá tiếp tục giảm, thậm chí có thể sử dụng được trong thời gian dài hơn. Nhưng việc tăng quy mô pin lên hàng trăm gigawatt giờ cũng đòi hỏi phải mở rộng chuỗi cung ứng. May mắn thay, điều kiện kinh tế mạnh mẽ có thể sẽ tiếp tục đẩy nhanh quá trình triển khai; các doanh nhân nên tìm cách cắm pin bất cứ khi nào có thể.

Thứ hai là đẩy nhanh việc triển khai và tích hợp các mạng lưới tài sản năng lượng phân tán. Bất cứ thứ gì có thể tạo ra điện đều sẽ trở thành điện. Việc cho phép các hệ thống này tương tác với hệ thống năng lượng gia đình và quy mô lưới điện sẽ đòi hỏi nhiều giải pháp mới. Bộ sưu tập các thiết bị “thông minh” như xe điện hoặc máy điều nhiệt thậm chí có thể tạo thành các nhà máy điện ảo bắt chước hoạt động của các tài sản năng lượng lớn hơn.

Tương lai là gì?

Thách thức cốt lõi trong việc mở rộng lưới điện là cân bằng cẩn thận quá trình chuyển đổi giữa hệ thống tập trung và phi tập trung, có tính đến các vấn đề kinh tế và độ tin cậy. Các lưới điện tập trung, tuy đơn giản và (thường) đáng tin cậy, cũng phải đối mặt với những biến động nhu cầu phức tạp và chi phí cố định cao - ví dụ, hầu hết các nhà máy điện hạt nhân lớn trên thế giới đều được chính phủ tài trợ và các lưới điện phi tập trung vẫn đang được triển khai. nhưng rẻ, không tự động đảm bảo nguồn điện đáng tin cậy, như sở thích của một số cộng đồng nông thôn ở Ấn Độ cho thấy.

Nói rõ hơn, mạng lưới tập trung mà chúng ta có ngày nay chắc chắn sẽ không biến mất—trên thực tế, nó cần phải mở rộng quy mô—nhưng nó sẽ đượcbao quanh bởi số lượng tài sản phi tập trung ngày càng tăng được mạng lưới tiêu thụ . Những người trả giá sẽ ngày càng áp dụng hệ thống sản xuất và lưu trữ của riêng họ, thách thức sự độc quyền về năng lượng truyền thống và thúc đẩy cải cách thị trường và quy định. Xu hướng tự sản xuất này sẽ đạt đến đỉnh cao trong các ngành sử dụng nhiều năng lượng đặt ưu tiên về độ tin cậy—Amazon và Microsoft đãtheo đuổi các trung tâm dữ liệu chạy bằng năng lượng hạt nhân—và cần thực hiện mọi nỗ lực để đẩy nhanh quá trình phát triển và triển khai các lò phản ứng mới.

Nói rộng hơn, người trả giá cần nguồn điện đáng tin cậy, giá cả phải chăng và sạch sẽ, thường theo thứ tự đó. ERCOT, với vị trí độc đáo, thị trường “năng lượng thuần túy” dễ đổi mới và các chính sách kết nối thoải mái, sẽ là chìa khóa cần theo dõi để hiểu liệu, khi nào và làm thế nào điều này có thể đạt được với lưới điện phi tập trung. Không còn nghi ngờ gì nữa, việc điều hướng thành công quá trình chuyển đổi này sẽ mang lại tăng trưởng kinh tế đáng kể.

Điều quan trọng là việc xây dựng mạng lưới phi tập trung này sẽ cần đến các doanh nhân và kỹ sư tài năng nhất của chúng tôi:Chúng tôi cần người có chuyên môn nghiêm túc về công nghệ phần mềm lưới trước, sau người dùng và lưới điện "Smart Grid"  Các xu hướng chính sách và kinh tế sẽ đẩy nhanh sự phát triển nguồn điện này, nhưng trách nhiệm đảm bảo lưới điện phi tập trung này hoạt động tốt hơn lưới điện cũ sẽ thuộc về khu vực tư nhân.

Tương lai của lưới điện Hoa Kỳ nằm ở việc tận dụng các công nghệ mới và tận dụng thị trường tự do để vượt qua những thách thức của quốc gia chúng ta và mở đường cho một bối cảnh năng lượng năng động và hiệu quả hơn. Đây là một trong những nhiệm vụ vĩ đại của thế kỷ 21, nhưng chúng ta phải vượt qua thử thách.

Thế giới đang thay đổi nhanh chóng và lưới điện cũng phải thay đổi theo.