Những tiến bộ trong công nghệ năng lượng đang làm cho lưới điện mạnh mẽ hơn, hiệu quả hơn và sạch hơn. Khi những đổi mới đầy hứa hẹn này phát triển trong các cộng đồng của chúng ta, điều quan trọng là cơ sở hạ tầng quốc gia của chúng ta cũng phải trở nên chống chịu tốt hơn. Thiên tai, tấn công mạng, lỗi người dùng và khí hậu đang thay đổi đều là những rủi ro có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng.
Các tình huống khẩn cấp riêng lẻ là khác nhau, nhưng việc lập kế hoạch toàn diện và áp dụng các biện pháp chủ động có thể củng cố lưới điện và giúp dự đoán và ứng phó với nhiều mối đe dọa. Phòng Thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) đang đi đầu trong quá trình chuyển đổi này, thiết lập một tầm nhìn cho các hệ thống năng lượng chống chịu – hiện tại và trong tương lai.
Khả năng chống chịu là gì?
Khả năng dự đoán, chuẩn bị và thích nghi với các điều kiện thay đổi và chịu đựng, ứng phó và phục hồi nhanh chóng sau gián đoạn thông qua việc lập kế hoạch toàn diện và các giải pháp kỹ thuật linh hoạt.
Năng lực tiên phong:
Những Hướng Nghiên Cứu Mới
Các xu hướng trong thế kỷ tới cho thấy sự gia tăng theo cấp số nhân các thiết bị kết nối với lưới, phát điện phân tán và nhu cầu tiêu thụ điện do xu hướng điện khí hóa. Tận dụng chuyên môn kỹ thuật sâu về mô hình hóa năng lượng và kỹ thuật hệ thống, NREL hình dung những thay đổi này theo các kịch bản khác nhau và dự báo kết quả.
Các nhà nghiên cứu đổi mới các cách tiếp cận khả năng chống chịu lưới điện bằng cách sử dụng phần cứng năng lượng công suất hàng megawatt, hệ thống quản lý lưới và máy tính hiệu suất cao trong các phòng thí nghiệm đẳng cấp thế giới của NREL. Đánh giá phần cứng trong vòng lặp và các chương trình mô phỏng đồng thời mô phỏng gián đoạn điện năng, thông qua mô hình tổng quát hoặc bản sao kỹ thuật số của một tòa nhà, khuôn viên, cộng đồng hoặc microgrid thực tế.
Hỗ trợ chuyên gia:
Đánh Giá Khả Năng Chống Chịu
NREL đã phát triển một phương pháp hiệu quả (như hình minh họa bên trên) để hỗ trợ ra quyết định cho các cơ quan liên bang, bang, chính quyền địa phương và quốc tế, cùng các bên liên quan khác.
Để thực hiện đánh giá điểm dễ bị tổn thương, nhân viên ban đầu thu thập dữ liệu về các tải quan trọng, mối đe dọa, nguồn năng lượng và cơ sở hạ tầng hệ thống năng lượng cũng như mối liên hệ giữa chúng. Sau khi đánh giá các mối đe dọa có khả năng xảy ra cao nhất hoặc nghiêm trọng nhất, các nhà phân tích xác định và ưu tiên các giải pháp khả thi có thể tích hợp vào cơ sở hạ tầng hiện tại hoặc kế hoạch phát triển.
Các giải pháp có thể bao gồm việc lắp đặt hệ thống điện mặt trời (PV) để đa dạng hóa nguồn cung cấp điện, phát triển microgrid cho các hệ thống quan trọng, bổ sung tính dự phòng cho các hệ thống dễ bị tổn thương nhất, và/hoặc quản lý nhu cầu và nâng cao hiệu quả năng lượng.
Tính khoa học nghiêm ngặt:
Định lượng Giá trị của Khả năng Chống chịu
Các khoản đầu tư vào khả năng chống chịu thường có dạng một quyết định phân tích chi phí – lợi ích, trong đó chi phí được so sánh với giá trị hoặc lợi ích mà khoản đầu tư đó mang lại.
NREL đã phát triển các chỉ số để giúp các cộng đồng và công ty tiện ích định lượng lợi ích của việc đầu tư vào các chiến lược tăng cường khả năng chống chịu cho lưới điện và các hệ thống liên kết.
Các chỉ số có thể bao gồm số giờ khách hàng mất điện, tổn thất doanh thu, tổn thất kinh doanh và mất doanh thu từ dịch vụ tiện ích. Vì các tình huống gián đoạn là khác nhau, khung phân tích này cung cấp một phương pháp để xác định chi phí của việc không hành động và giá trị của các chỉ số chống chịu theo thời gian và ở nhiều cấp độ.
Lập kế hoạch cấp cộng đồng:
Chuẩn bị và Phục hồi sau Thảm họa
NREL có kinh nghiệm và nguồn lực phong phú để hỗ trợ lập kế hoạch năng lượng cấp cộng đồng, tập trung vào hiệu quả năng lượng và các công nghệ cùng chiến lược năng lượng tái tạo.
Việc cải thiện tích hợp lưới điện — dù là trước hay sau khi xảy ra thảm họa — sẽ làm giảm mức độ dễ bị tổn thương lâu dài và mang lại các khoản tiết kiệm đáng kể nhờ giảm số lần mất điện, độc lập với nhiên liệu hóa thạch, giảm lãng phí và giảm chi phí điện năng.
Giải pháp dựa trên dữ liệu:
Thúc đẩy Chuyển đổi Thị trường
Các khung phân tích đã được chứng minh của NREL giúp ngăn ngừa gián đoạn điện, nhanh chóng khôi phục điện nếu sự cố xảy ra và giảm thiểu thiệt hại.
Các công cụ thực tiễn tối ưu hóa cho chi phí, khí hậu hoặc các điều kiện khác sẽ loại bỏ các rào cản phổ biến trong hành động và mở đường cho việc áp dụng các nguồn năng lượng bền vững, phát thải thấp, có khả năng chống chịu và đáng tin cậy.
Các nhà hoạch định chính sách có thể chứng minh tác động rõ ràng đến xã hội thông qua y tế, an toàn và kinh tế.
NREL sử dụng phân tích chuyên sâu để trả lời các câu hỏi khó như:
- Xác suất xảy ra của một sự kiện gián đoạn là bao nhiêu?
- Hệ thống có thể phục hồi nhanh như thế nào?
- Các hệ thống có tự động hóa và khả năng tự phục hồi không?
- Những hậu quả có thể phát sinh từ sự liên kết giữa năng lượng với nước, giao thông hoặc các hệ thống thông tin là gì?
- Làm thế nào để chuyển hóa khoản đầu tư vào khả năng chống chịu thành giá trị kinh tế?
Các nghiên cứu điển hình về Khả năng Chống chịu Năng lượng
The Quinault Indian Nation
Bộ tộc Quinault tại bán đảo Olympic ở bang Washington đã phải đối mặt với tình trạng lũ lụt ven biển lặp đi lặp lại và xói mòn ảnh hưởng đến đường bờ biển, cũng như hiện tượng lở đất và băng tan đe dọa nguồn nước của bộ tộc.
Khi quốc gia chuẩn bị di dời vào sâu trong đất liền, NREL đã cung cấp hội thảo và thông tin kỹ thuật về hiệu quả năng lượng và các lựa chọn năng lượng tái tạo để giúp tăng cường khả năng chống chịu kinh tế và đảm bảo cung cấp điện và nước liên tục cho khu vực xa trong thời gian gián đoạn.
The Tyndall Air Force Base
Căn cứ Không quân Tyndall tại Florida đã hợp tác với NREL để thực hiện phân tích dẫn đến một đánh giá toàn diện về các mối nguy và hỗ trợ đưa ra các quyết định đầu tư vào khả năng chống chịu.
Phương pháp có thể lặp lại được nhóm nghiên cứu phát triển để chấm điểm mối đe dọa và mức độ dễ tổn thương, từ đó đánh giá các rủi ro cao nhất và dự báo xác suất xảy ra.
Các hệ thống liên kết được mô hình hóa để phân tích sự đánh đổi giữa chi phí, độ khó và tác động của các giải pháp khả thi nhằm tăng khả năng chống chịu.
The U.S. Department of Energy’s Buildings Technologies Office
Văn phòng Công nghệ Tòa nhà thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã tài trợ nghiên cứu để lượng hóa cách các thiết kế hiệu quả năng lượng giúp nâng cao khả năng chống chịu của các tòa nhà trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
NREL đã điều chỉnh công cụ phân tích ResStock™ để mô hình hóa nhiều tòa nhà dân cư trên toàn quốc và chạy các mô phỏng trên máy tính hiệu suất cao của phòng thí nghiệm.
Kết quả là một phương pháp chuẩn hóa để định lượng tác động của các kịch bản thời tiết cực đoan khác nhau và đánh giá định tính hiệu quả của các biện pháp thiết kế giảm thiểu.