Tài liệu Sử dụng hiệu quả năng lượng điện pdf

Sử dụng hiệu quả năng lượng điện
Cục Năng lượng Hoa Kỳ ước tính rằng tăng hiệu suất sử dụng năng lượng có
thể làm giảm lượng điện năng tiêu thụ quốc gia từ 10% trở lên vào năm
2010, và lên tới hơn 20% vào năm 2020, với lợi ích kinh tế cho người tiêu
dùng và các doanh nghi
ệp.
Khái niệm về sử dụng hiệu quả năng lượng
đ
ã được đưa ra và ủng hộ bởi công chúng
qua nhiều năm, nhưng gần đây đã đạt được
những đổi mới với sự ủng hộ rộng rãi. Sự
hợp lưu của kinh tế, môi trường và địa
chính trị về việc sử dụng hiệu quả năng
lượng càng tăng lên xung quanh mối quan
tâm về những ảnh hưởng của Mỹ khi xảy
ra gián đoạn cung cấp năng lượng. Kết quả
là, một số sáng kiến đang được tiến hành
để cải thiện hiệu suất sử dụng trong nhiều
lĩnh vực, nhưng vẫn cần nhiều hành động
hơn nữa.
Hoa Kỳ cũng không một mình trong những nỗ lực này. Trung Quốc hiện nay
có mười chương tr
ình hiệu quả nhằm nâng cường độ năng lượng của đất
nước
- lượng năng lượng được sử dụng trên một đơn vị GDP - để theo kịp
các đối thủ như
Mỹ và Liên minh châu Âu. EU đã có những bước đi tương
tự để cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng tại các nước thành viên lên 20%
trong 15năm tới.
Hiệu quả là một khái niệm đơn giản mà có lẽ tốt nhất có thể được tóm tắt với
các từ, "làm nhiều hơn và nói ít đi. "Có lẽ được biết đến là chương trình sử

dụng hiệu quả năng lượng tốt nhất trong số các chương trình tại Mỹ là
Energy Star giúp người dùng sử dụng các thiết bị như máy rửa chén và tủ
lạnh sử dụng với ít năng lượng hơn các mô hình tương tự. Thực vậy, thuật
ngữ "hiệu quả " thường gắn liền với cách năng lượng được tiêu thụ tại các
điểm sử dụng cuối cùng, nhưng khái niệm về hiệu quả cũng có thể được áp
dụng cho cách năng lượng được sản xuất và
Phân phối.
Bài báo này tập trung chủ
yếu vào hệ thống điện, nơi
hầu hết các ứng dụng đầu
cuối sử dụng năng lượng là
h
ệ thống giao thông vận tải
và sưởi. Chúng tôi đầu ti
ên
s
ẽ trình bày một định nghĩa
rộng về hiệu quả và sau đó
khám phá nhiều cách lưới
điện có thể được thực hiện hiệu quả hơn.
Máy phát
Để có thể đánh giá các tác động mà việc tăng hiệu quả sử dụng có thể mang
lại - điều này rất hữu ích để kiểm tra cái giá mà chúng ta phải trả cho sự lãng
phí - không cách nào chi ti
ết hơn là đánh giá các thế hệ năng lượng điện.
Thông thường, đó l
à quá trình chuyển đổi năng lượng tiềm ẩn trong một
phần nhiên liệu (than, khí đốt, uranium) thành năng lượng cơ khí trong một
máy phát điện v
à cuối cùng là năng lượng điện. Tuy nhiên, các thế hệ năng

lượng nguồn khác như gió và thủy điện sử dụng năng lượng cơ học của
chúng di chuyển của không khí hoặc nước để sản xuất năng lượng điện. Một
số thiết bị khác, chẳng hạn như tế bào nhiên liệu, sử dụng phản ứng hóa học
để tạo ra năng lượng điện. Trong mọi trường hợp n
ày, một phần năng lượng
đầu v
ào là bị mất trong quá trình này. Hiệu quả của thế hệ máy phát rất khác
nhau tùy theo công nghệ được sử dụng. Ví dụ trong một nhà máy sử dụng
than truyền thống, chỉ có khoảng 30-35% năng lượng trong than kết thúc lên
là điện ở đầu bên kia của máy phát điện. Cao hơn nữa được gọi là "siêu tới
hạn"- mức mà nhà máy than đá có thể đạt hiệu quả trong giữa những năm
40, và mới nhất của công nghệ than đá là 60% được gọi là chu trình hỗn hợp
khí hoá tích hợp hoặc IGCC, có khả năng mức độ hiệu quả trên 60%. Hầu
hết các máy phát điện khí đốt đạt hiệu quả ở một mức độ tương tự. Rõ ràng,
ngay c
ả ở hiệu quả 60% vẫn có một số lượng lớn tiền năng lượng bị bỏ lại
phía sau trong các thế hệ. Điều đó đại diện cho chi phí sản xuất cao hơn cho
máy phát điện, cũng như là l
ãng phí lượng tài nguyên giới hạn một cách
đáng kể. Do đó, sẽ thu được hiệu quả về kinh tế v
à sinh thái to lớn khi cải
thiện hiệu quả phát điện so sánh trên lượng năng lượng của nhiên liệu đầu
vào và sản lượng điện sản xuất. Có rất nhiều cách để nâng cao hiệu quả phát
điện, như đốt tối ưu hóa bằng cách sử dụng hệ thống điều khiển hiện đại,
nhưng mục đích của b
ài báo này của chúng tôi là tập trung vào những gì xảy
ra sau quá trình phát.
Truyền tải và phân phối
Sau khi năng lượng điện được tạo
ra, nó phải được chuyển đến nơi

mà nó sẽ được sử dụng. Điều này
được gọi là truyền tải - truyền một
lượng lớn năng lượng tr
ên khoảng
cách đôi khi rất d
ài và tách biệt.
Còn phân phối là quá trình cung
c
ấp năng lượng điện từ lưới điện
truyền tải điện áp cao đến các địa
điểm cụ thể như một đường phố hoặc khu dân cư, khu thương mại… Phân
phối thường bao gồm các trạm biến áp và đường dây tải (feeder) mà lấy điện
từ lưới điện áp cao và hạ áp dần dần từng bước, cuối cùng đến mức 120V
hay 240V mà ở đó điện được đưa đến từng hộ gia đình.
Vi
ệc truyền tải và phân phối hay còn gọi là hệ thống "T & D", bao gồm mọi
thứ từ một nhà máy phát và đầu cuối sử dụng. Trên đường đi, một số năng
lượng được cung cấp bởi máy phát điện bị mất do trở kháng của dây dẫn,
thiết bị điện đi qua. Hầu hết năng lượng này được chuyển đổi thành nhiệt.
Lượng năng lượng tổn thất trong hệ thống T & D phụ thuộc nhiều v
ào cấu
trúc, đặc điểm của hệ thống cũng như câu hỏi cách nó được điều hành. Nói
chung, T & D th
ất thoát từ 6% và 8% được xem là bình thường.
Có thể tính toán được những điều này có nghĩa theo đồng đô la bằng cách
nhìn vào sự khác biệt giữa số lượng năng lượng điện được tạo ra và số tiền
thực tế bán ở cấp độ bán lẻ. Theo dữ liệu từ Ủy ban Thông tin năng lượng,
Hoa Kỳ đã sản xuất đến trên 3.900.000.000 megawatt giờ (MWh) trong năm
2005 trong khi doanh số bán hàng điện bán lẻ trong năm đã được về
3.600.000.000 MWh. T&D tổn thất lượng đến 239.000.000 MWh hay 6,1%

lượng điện sản xuất. Nhân con số n
ày với giá thành bán lẻ trung bình của
Mỹ năm 2005, chúng tôi có thể ước tính thiệt hại đến mức chi phí cho nền
kinh tế Hoa Kỳ gần 19.500.000.000 USD.
Phí t
ắc nghẽn là một đại diện khác cho việc sử dụng kém hiệu quả trong hệ
thống T & D, nhưng chỉ được xác định một phần bởi các đặc tính vật lý của
Đầu tư kinh doanh truyền so với bán lẻ
điện. Nguồn: IEEE
lưới điện. Tắc nghẽn xảy ra khi theo lưu lượng hoặc dòng chảy thực tế của
điện bị hạn chế bởi dung năng vật lý thực tế của thiết bị sử dụng hoặc các
thiết bị ràng buộc an toàn cho hoạt động truyền tải để bảo độ tin cậy lưới
điện. Để đáp ứng nhu cầu, các nhà điều h
ành hệ thống phải tìm một nguồn
năng lượng thay thế tránh các hiện tượng nút cổ chai. Việc thay thế máy phát
điện sẽ ít ki
nh tế, và do đó kém hiệu quả từ một viễn cảnh thị trường. Một hệ
thống T & D mạnh mẽ hơn có thể cung cấp khả năng tránh tắc nghẽn mạng
có thể cạnh tranh với các máy phát.
Tắc nghẽn là kết quả của một số yếu tố, đặc biệt là thiếu đầu tư truyền dẫn
đầy đủ
và sự gia tăng tăng trong giao dịch điện số lượng lớn trong cạnh
tranh trên thị trường năng lượng. Gần đây con số trên tắc nghẽn cấp quốc gia
tại Mỹ rất khó để xác định, tuy nhiên kinh nghiệm của hai trong số những
quốc gia lớn nhất trên thị trường điện sẽ phục vụ để minh họa phạm vi vấn
đề.
Hệ thống điều hành độc lập California báo cáo chi phí tắc nghẽn là
1.100.000.000 USD trong 2004, 670.000.000 trong năm 2005, và
476.000.000 USD trong năm 2006. Điều đáng chú ý l
à các thuộc tính ISO

phần lớn giảm trong thời kỳ 2004 –
2005 cho đến khi có sự mở rộng "Đường dẫn 15" hướng Bắc ở phía Nam
hành lang bang. Tương tự, PJM
- tập đoàn truyền tải lớn nhất ở Mỹ, báo cáo
chi phí tắc nghẽn là 750.000.000 USD trong năm 2004, 2 tỷ USD năm 2005,
và 1.600.000.000 USD trong năm 2006. PJM lưu ý rằng kể từ năm 2002,
chi phí tắc nghẽn có trong 7-10% tổng số hóa đơn hàng năm.
Theo những số liệu này, rõ ràng, chi phí không hiệu quả trong hệ thống T &
D là đáng kể. Tuy nhiên, tác động
của ùn tắc là không giới hạn ở những chi
phí liên quan đến việc các yếu tố kinh tế. Thường th
ì tình hình thực tế đòi
h
ỏi phải vận hành lưới điện để cắt giảm các dịch vụ cho người dùng ở một
số vùng để bảo vệ sự toàn vẹn của lưới điện. Các hành động "truyền tải cứu
trợ" (TLRs) đã tăng lên đáng kể trong những năm gần đây, tăng gần 150%
chỉ trong giai đoạn 2001-2005.
Quá rõ ràng r
ằng, có một suy luận được rút ra từ những con số về mối quan
hệ giữa hiệu quả trong hệ thống T & D và độ tin cậy của hệ thống. Trong tất
cả các vùng của Mỹ, ví dụ, có nhà máy phát được kiểm soát bởi các nhà điều
hành lưới điện địa phương theo phương châm "phải tin cậy, phải chạy" hay
RMR. Các đơn vị này đang chạy bất kể vấn đề kinh tế v
ì sản lượng của họ là
c
ần thiết để duy trì mức điện áp. RMR thường cũ hơn, bẩn và ít hiệu quả
hơn các nhà máy hiện đại, do thực tế rằng họ có xu hướng được đặt tại khu
vực đô thị nơi chọn địa điểm cho một nhà máy mới là không thể.
Có những lựa chọn thay thế cho máy phát điện RMR (ví dụ các thiết bị
FACTS, được mô tả trong phần sau), nhưng sự p

hụ thuộc hiện tại của chúng
ta vào chúng có thể được xem như là một sản phẩm phụ của một hệ thống T
& D ít tối ưu hơn.
Nhu cầu năng lượng hiệu quả
Những người có mức sống trung bình sẽ phải xét đến vấn đề tiêu thụ năng
lượng v
à "hiệu quả" các biện pháp tiết kiệm có thể đem lại, và tập trung của
chúng tôi ở đây chủ yếu là ở phía bên cung cấp, nó có giá trị xem xét với
một vài ví dụ để minh họa tác động mặt hiệu quả những nỗ lực theo yêu cầu.
Hầu hết mọi người có thể đã quen với chương trình Energy Star được đề cập
trước đó, hoặc với sự gia tăng của các thiết bị tiết kiệm điện như những bóng
đèn huỳnh quang compact
tiêu thụ ít điện hơn những bóng đèn thông thường
trong khi sản xuất cùng một lượng ánh sáng. Tuy nhiên, tiêu dùng lớn nhất
duy nhất của năng lượng điện là công nghiệp động cơ, được sử dụng để chạy
mọi thứ, từ dây chuyền lắp ráp cho máy nén cho đến những thứ như quạt
thổi không khí buồng đốt của một máy phát điện dùng than.
Người ta ước tính rằng 65% năng lượng điện sử dụng trong công nghiệp là
cho các động cơ kích cỡ khác nhau, hầu hết đều chạy ở tốc độ lớn nhất bất
cứ khi nào họ được bật lên, ngay cả khi không cần thiết. Điều này là do phần
lớn các công nghiệp chủ đạo động cơ được điều khiển bởi các thiết bị không
hỗ trợ sự thay đổi tốc độ. Các thiết bị có thể thay đổi tốc độ, còn được biết
đến như ổ đĩa biến tần, cho phép tăng tốc độ động cơ lên hoặc xuống để đáp