Tác động của kỹ thuật số đối với ngành năng lượng

Năng lượng là một trong những ngành áp dụng sớm các công nghệ kỹ thuật vào hoạt động nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng. Trong những năm 1970, các công ty điện lực tiên phong về kỹ thuật số khi sử dụng các công nghệ mới để thúc đẩy các điều kiện thuận lợi trong quản lý và vận hành lưới điện. Bên cạnh đó, các công ty dầu khí từ lâu đã sử dụng công nghệ kỹ thuật số để cải thiện việc ra quyết định đối với các tài sản thăm dò và sản xuất, bao gồm các bồn chứa và đường ống. Ngành  công nghiệp đã sử dụng các biện pháp kiểm soát quá trình sản xuất và tự động hóa trong nhiều thập kỷ, đặc biệt trong ngành công nghiệp nặng, để tối đa hóa chất lượng và sản lượng, đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng. Hệ thống giao thông thông minh đang sử dụng công nghệ số trong tất cả các phương thức vận tải để nâng cao tính an toàn, độ tin cậy và hiệu quả.

Có thể thấy, tốc độ số hóa trong lĩnh vực năng lượng ngày càng tăng. Các công ty năng lượng đã đẩy mạnh đầu tư vào công nghệ số trong vài năm qua. Ví dụ, ở quy mô toàn cầu, đầu tư cơ sở hạ tầng điện kỹ thuật số và phần mềm đã tăng trên 20% hàng năm kể từ năm 2014, đạt 47 tỷ USD vào năm 2016. Khoản đầu tư này vào năm 2016 cao hơn gần 40% so với đầu tư vào sản xuất điện bằng khí đốt trên toàn thế giới (34 USD tỷ) và gần bằng tổng vốn đầu tư vào lĩnh vực điện của Ấn Độ (55 tỷ USD)

Tác động của số hóa đối với nhu cầu năng lượng trong giao thông, tòa nhà và công nghiệp

- Giao thông, vận tải

Giao thông vận tải hiện chiếm 28% nhu cầu năng lượng trên toàn cầu và 23% lượng khí thải CO₂ từ việc đốt nhiên liệu. Trong Kịch bản Trung tâm của IEA (In the IEA Central Scenario), mức tiêu thụ năng lượng cho giao thông tăng gần một nửa, lên 165 exajoules vào năm 2060, với phần lớn nhu cầu đến từ các phương tiện vận tải đường bộ (36%) và xe chở khách hạng nhẹ (28%).

Đối với tất cả các phương thức vận tải, công nghệ số đang giúp cải thiện hiệu quả năng lượng và giảm chi phí bảo trì. Trong ngành hàng không, các máy bay thương mại mới nhất được trang bị hàng nghìn cảm biến, tạo ra trung bình gần một terabyte dữ liệu trên một chuyến bay. Phân tích dữ liệu lớn sẽ giúp tối ưu hóa quá trình lập kế hoạch bay và giúp phi công dễ dàng đưa ra quyết định, từ đó giảm mức sử dụng nhiên liệu. Các tàu thuyền lớn cũng đang được trang bị nhiều cảm biến hơn, giúp thủy thủ đoàn thực hiện các biện pháp tối ưu hóa các tuyến đường, đồng thời những tiến bộ trong liên lạc vệ tinh cho phép khả năng kết nối được nâng cao hơn rất nhiều.

Những thay đổi mang tính cách mạng nhất từ số hóa đến từ vận tải đường bộ, nơi các công nghệ tự động hóa và kết nối mọi lúc mọi nơi làm thay đổi cơ bản cách di chuyển của con người và hàng hóa. Sự tương tác trong vận tải đường bộ bao gồm việc sử dụng phương tiện di chuyển tự động, kết nối, pin điện và chia sẻ (automated, connected, electric and shared - ACES), đóng vai trò quan trọng trong việc định hình tương lai của ngành năng lượng và kiểm soát khí thải.

Công nghệ xe tự lái có thể cải thiện độ an toàn, thuận tiện khi lái xe thông qua hệ thống cảm biến tiên tiến và khả năng hỗ trợ ra quyết định tự động hoặc thay thế sự kiểm soát của con người. Mức độ hiệu quả của các phương tiện ACES thực sự chưa rõ ràng. Điều này phụ thuộc vào các tác động kết hợp của những sự thay đổi trong hành vi của người dùng, sự can thiệp của các chính sách, tiến bộ công nghệ và mức độ phát triển của công nghệ phương tiện. Các nghiên cứu gần đây ước tính một loạt các kết quả có thể xảy ra. Ví dụ, về lâu dài, trong trường hợp tốt nhất là cải thiện hiệu quả thông qua tự động hóa và chia sẻ xe. Khi đó, năng lượng cần dùng có thể giảm một nửa so với mức hiện tại. Ngược lại, nếu các cải tiến về hiệu suất không đạt được và các tác động phụ từ tự động hóa dẫn đến việc đi lại nhiều hơn đáng kể, thì việc sử dụng năng lượng có thể tăng gấp đôi.

Theo báo cáo gần đây của IEA, tương lai của xe tải cho thấy việc áp dụng các giải pháp kỹ thuật cho vận hành xe và hậu cần có thể giảm mức sử dụng năng lượng của vận tải đường bộ xuống 20-25%. Ví dụ về các giải pháp như vậy bao gồm GPS kết hợp với thông tin giao thông thời gian thực nhằm tối ưu hóa tuyến đường, giám sát trong quá trình di chuyển và phản hồi để nâng cao hiệu suất lái xe; kết nối giữa các phương tiện với nhau tạo điều kiện các đoàn xe đi sát nhau, từ đó cải thiện hiệu suất nhiên liệu và chia sẻ dữ liệu giữa các công ty trong chuỗi cung ứng để vận chuyển nhiều hàng hóa hơn với ít chuyến đi hơn.

- Các tòa nhà

Các tòa nhà chiếm gần một phần ba lượng tiêu thụ năng lượng trên toàn cầu và 55% nhu cầu điện toàn cầu. Nhu cầu điện trong các tòa nhà tăng trưởng đặc biệt nhanh trong 25 năm qua, chiếm gần 60% tổng mức tăng trưởng tiêu thụ điện toàn cầu. Ở một số nền kinh tế mới nổi, bao gồm Trung Quốc và Ấn Độ, nhu cầu điện trong các tòa nhà tăng trung bình hơn 8% mỗi năm trong thập kỷ qua.

Trong Kịch bản Trung tâm của IEA, việc sử dụng điện trong các tòa nhà được tăng gần gấp đôi từ 11 petawatt giờ (PWh) vào năm 2014 lên khoảng 20 PWh vào năm 2040, dẫn đến tăng nhu cầu về nguồn cung điện và khả năng truyền tải điện. Kỹ thuật số, bao gồm thiết bị điều nhiệt thông minh và hệ thống chiếu sáng thông minh, có thể cắt giảm tổng mức sử dụng năng lượng trong các tòa nhà dân cư và thương mại từ năm 2017 đến năm 2040 tới 10% so với Kịch bản IEA đã đưa ra. Tổng năng lượng tiết kiệm tích lũy trong giai đoạn đến năm 2040 sẽ lên tới 65 PWh - bằng tổng năng lượng được tiêu thụ ở các nước không thuộc Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (Organisation for Economic Co-operation and Development - OECD) vào năm 2015.

Việc cải thiện khả năng đáp ứng của các dịch vụ năng lượng (ví dụ: sử dụng cảm biến chiếu sáng) và dự đoán hành vi của người dùng (ví dụ: thông qua các thuật toán, lập trình tự động các dịch vụ sưởi ấm và làm mát) cũng là những phương án giúp đảm bảo việc tiết kiệm nguồn năng lượng.

Dự đoán, đo lường và giám sát trong thời gian thực hiệu suất năng lượng của các tòa nhà, cho phép người tiêu dùng, người quản lý tòa nhà, nhà điều hành mạng và các bên liên quan khác xác định địa điểm và thời điểm cần bảo trì. Tất cả những lợi ích này có thể được thực hiện với chi phí năng lượng hạn chế, vì các biện pháp kiểm soát tích cực dự kiến chỉ tiêu thụ 275 TWh vào năm 2040; ít hơn nhiều so với 4650 TWh có thể tiết kiệm được trong cùng năm đó.

- Ngành công nghiệp

Ngành công nghiệp chiếm khoảng 38% mức tiêu thụ năng lượng trên toàn cầu và thải ra 24% tổng lượng khí thải CO₂. Quy mô sản xuất công nghiệp dự kiến sẽ tiếp tục mở rộng trong những thập kỷ tới, đặc biệt là ở các nền kinh tế mới nổi, giá trị của số hóa trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và nguyên liệu sẽ tăng lên đáng kể.

Dự kiến quá trình số hóa trong ngành công nghiệp sẽ tiếp tục gia tăng trong thời gian tới, cả bên trong các nhà máy riêng lẻ cũng như bên ngoài nhà máy. Một số công nghệ số khi được áp dụng kết hợp có những tác động sâu rộng đến việc sử dụng năng lượng ở một số khu vực nhất định.

Trong ngành công nghiệp, nhiều công ty có lịch sử lâu đời trong việc sử dụng công nghệ số để cải thiện độ an toàn và tăng sản lượng, có thể tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn nữa thông qua các quy trình điều khiển tiên tiến, bằng cách kết hợp các cảm biến thông minh và phân tích dữ liệu để dự đoán lỗi thiết bị.

Công nghệ số cũng tác động đến quy trình sản xuất sản phẩm. Các công nghệ như robot công nghiệp và in 3D đang trở thành thông lệ tiêu chuẩn trong các ứng dụng công nghiệp nhất định. Những công nghệ này có thể giúp tăng độ chính xác và giảm lượng phế thải công nghiệp.

Việc triển khai robot công nghiệp dự kiến sẽ tiếp tục tăng trưởng nhanh chóng, với tổng lượng robot tăng từ khoảng 1,6 triệu đơn vị vào cuối năm 2015 lên tới 2,6 triệu vào cuối năm 2019.

In 3D có thể tạo ra các sản phẩm theo thời trang từng lớp, theo yêu cầu và trực tiếp từ các tệp 3D kỹ thuật số. Những lợi thế so với sản xuất thông thường bao gồm:

- Giảm thời gian chế tạo.

- Giảm phế thải.

- Giảm chi phí tồn kho.

- Sản xuất đơn giản hơn

- Giảm diện tích sàn.

- Cung cấp được các sản phẩm với hình dạng phức tạp.

- Tiết kiệm đáng kể năng lượng và tài nguyên trong điều kiện thích hợp.

Tác động tiềm tàng của kỹ thuật số hóa đối với dầu khí, than và điện

- Dầu khí

Ngành dầu khí có lịch sử tương đối lâu dài với các công nghệ số, đặc biệt là ở khâu đầu (hoạt động tìm kiếm, thăm dò và khai thác), và việc số hóa để tăng cường hoạt động vẫn rất cần thiết trong thời điểm hiện nay. Đẩy mạnh quá trình số hóa trong ngành dầu khí ở khâu đầu sẽ tập trung vào việc mở rộng và điều chỉnh phạm vi các ứng dụng kỹ thuật số hiện đang được sử dụng.

Ví dụ, các cảm biến thu nhỏ và cảm biến sợi quang trong hệ thống sản xuất được sử dụng để thúc đẩy sản xuất hoặc tăng khả năng hồi phục của các giếng dầu, hay việc sử dụng các giàn khoan tự động và robot để kiểm tra, sửa chữa cơ sở hạ tầng dưới biển, giám sát các đường ống dẫn dầu và bể chứa. Máy bay không người lái cũng có thể được sử dụng để kiểm tra các đường ống (thường nằm rải rác trên các khu vực rộng lớn) và các thiết bị khó tiếp cận như tháp đuốc và các phương tiện xa bờ không người lái.

Về lâu dài, các kỹ thuật số hóa giúp cải thiện tốc độ phân tích và xử lý dữ liệu như các bộ dữ liệu lớn phi cấu trúc được tạo ra bởi các nghiên cứu địa chấn. Hơn nữa, ngành công nghiệp dầu khí sẽ được trang bị nhiều thiết bị đeo, robot và ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong hoạt động của họ.

Việc sử dụng rộng rãi các công nghệ số có thể làm giảm chi phí sản xuất từ 10% đến 20%, bao gồm xử lý nâng cao dữ liệu địa chấn, sử dụng cảm biến và mô hình hồ chứa nâng cao. Các nguồn tài nguyên dầu khí có thể phục hồi về mặt kỹ thuật và tăng khoảng 5% trên toàn cầu, với lợi nhuận lớn nhất được kỳ vọng là dầu khí đá phiến

- Than đá

Công nghệ số đang được sử dụng trong toàn bộ chuỗi cung ứng than để giảm chi phí sản xuất và bảo trì, đồng thời tăng cường an toàn cho người lao động. Ví dụ bao gồm các hệ thống bán tự động hoặc tự động hoàn toàn, khai thác bằng robot, khai thác từ xa, tự động hóa hoạt động, mô hình hóa và mô phỏng mỏ cũng như sử dụng các công cụ của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và hệ thống thông tin địa lý (GIS).

Các loại cảm biến chi phí thấp kết nối với máy tính ngày càng trở nên đa dạng, dễ tiếp cận và chi phí thấp sẽ mang lại cơ hội mới cho các hoạt động khai thác than. Công nghệ số, phân tích dữ liệu và tự động hóa sẽ ngày càng được áp dụng để cải thiện năng suất, đồng thời tăng cường hiệu suất an toàn và bảo vệ môi trường thông qua nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, tác động tổng thể của số hóa với ngành than đá có thể hạn chế hơn so với các lĩnh vực khác.

- Năng lượng điện

Dữ liệu số và phân tích có thể làm giảm chi phí hệ thống điện theo ít nhất bốn cách: giảm chi phí vận hành và bảo trì; nâng cao hiệu suất nhà máy điện và mạng lưới truyền tải; giảm thời gian ngừng hoạt động trong và ngoài kế hoạch; kéo dài thời gian hoạt động của tài sản. Tổng tiết kiệm từ các biện pháp kỹ thuật số này có thể lên tới 80 tỷ USD mỗi năm trong giai đoạn 2016-2040, hoặc khoảng 5% tổng chi phí phát điện hàng năm dựa trên việc tăng cường triển khai các công nghệ kỹ thuật số sẵn có cho tất cả các nhà máy điện và mạng lưới cơ sở hạ tầng trên toàn cầu.

Dữ liệu số và phân tích có thể giảm chi phí dịch vụ vận hành và bảo dưỡng, cho phép dự đoán thời gian bảo trì, giúp giảm chi phí cho chủ sở hữu nhà máy, cho mạng lưới và cuối cùng là giá điện cho người dùng cuối. Trong giai đoạn đến năm 2040, việc giảm 5% chi phí dịch vụ vận hành và bảo dưỡng đạt được thông qua số hóa có thể tiết kiệm cho các công ty và người tiêu dùng, trung bình gần 20 tỷ USD mỗi năm.

Dữ liệu số và phân tích có thể giúp đạt được hiệu quả cao hơn thông qua cải thiện quá trình lập kế hoạch, cải thiện hiệu suất đốt trong các nhà máy điện và giảm lượng điện năng tiêu hao trong truyền tải, cũng như thiết kế dự án tốt hơn trong toàn bộ hệ thống điện tổng thể. Trong mạng lưới điện, có thể đạt được trạng thái tăng hiệu quả bằng cách giảm tỷ lệ tổn thất trong quá trình cung cấp điện cho người tiêu dùng. Ví dụ thông qua giám sát từ xa cho phép thiết bị được vận hành hiệu quả hơn và gần với điều kiện tối ưu hơn, đồng thời điều chỉnh dòng điện và xử lý các sự cố tắc nghẽn, giúp thuận tiện hơn cho đơn vị vận hành lưới điện quản lý.

Dữ liệu số và phân tích cũng có thể làm giảm tần suất mất điện ngoài kế hoạch thông qua việc giám sát và dự đoán tốt hơn kế hoạch bảo trì, cũng như hạn chế thời gian ngừng hoạt động bằng cách nhanh chóng xác định điểm hỏng. Điều này làm giảm chi phí, tăng khả năng phục hồi và độ tin cậy của nguồn cung cấp. Về lâu dài, một trong những lợi ích tiềm năng quan trọng nhất của số hóa trong lĩnh vực điện là khả năng kéo dài tuổi thọ hoạt động của các nhà máy điện và các thành phần lưới điện, thông qua việc cải tiến bảo trì và giảm áp lực vật lý trên thiết bị. Ví dụ, nếu thời gian tồn tại của tất cả các tài sản điện năng trên thế giới được kéo dài thêm 5 năm, khoản đầu tư tích lũy gần 1,3 nghìn tỷ USD có thể được hoãn lại trong giai đoạn 2016-40. Trung bình, đầu tư vào các nhà máy điện sẽ giảm 34 tỷ USD mỗi năm và vào mạng lưới giảm 20 tỷ USD mỗi năm.

Hình 1 Tác động của chuyển đổi số trong lĩnh vực năng lượng

Kết luận

Có thể thấy số hóa ngày càng trở nên quan trọng đối với nhiều lĩnh vực của ngành năng lượng. Hơn nữa, việc công nghệ số thay đổi nhanh chóng, với nhiều tiềm năng về công nghệ, kỹ thuật và những lợi ích to lớn đi kèm sẽ tác động to lớn tới cả hệ thống năng lượng trong tương lai. Do đó mỗi quốc gia cần có chính sách phù hợp, nhất quán và thiết kế thị trường đầu ra hợp lý để góp phần thúc đẩy các hệ thống năng lượng ngày càng nâng cao về mặt kỹ thuật, tiến xa trong tương lai, mang lại giá trị hiệu quả, an toàn, dễ tiếp cận và bền vững với môi trường.

Nguyễn Phương Nhung

Tài liệu tham khảo

[1] Digitalization and Energy – Analysis – IEA

[2]https://www.smart-energy.com/news/why-digitalisation-is-a-key-enabler-of-the-energy-transition/

[3] https://www.dnvgl.com/power-renewables/themes/digitalization/index.html