Thách thức và cơ hội của số hóa trong năng lượng

- Tính hiệu quả là cốt lõi của hệ thống năng lượng: đạt được mức hiệu quả năng lượng cao phải là yếu tố cơ bản cho một chiến lược rộng hơn nhằm giải quyết các thách thức liên quan tới chính sách. Những đổi mới kỹ thuật số gần đây đang đưa ra nhiều cách nhìn mới về các thách thức hiệu quả năng lượng hiện có và tìm ra những cách đặc biệt để giải quyết. Ngoài ra, việc này cũng mang đến cơ hội hoàn toàn mới để nâng cao hiệu quả năng lượng lên cấp độ tiếp theo bằng cách cải thiện môi trường chính sách, quy định, phân tích dữ liệu và cải thiện liên kết giữa các bên liên quan trong tất cả phân đoạn của ngành năng lượng - từ sản xuất đến tiêu thụ.

- Công nghệ tạo điều kiện cho thị trường mới: đổi mới kỹ thuật số: công cụ, công nghệ và quy trình, chẳng hạn như Trí tuệ nhân tạo (AI), Blockchain, Học máy, Phân tích dữ liệu nâng cao, Internet-of-Things (IoT), Dữ liệu lớn, Điện toán đám mây, Cảm biến, Tự động hóa , In 3D, Robotics, v.v. đang truyền cảm hứng cho các nhà cung cấp năng lượng, các công ty truyền tải và phân phối cũng như các lĩnh vực có nhu cầu (tòa nhà, công nghiệp, vận tải và các lĩnh vực khác) để thiết lập các mô hình kinh doanh mới cho phép tạo ra, phân phối và tiêu thụ năng lượng theo cách bền vững hơn. Những công nghệ tiên tiến này đang mang lại các cơ hội tạo ra doanh thu mới cho các doanh nghiệp bằng cách thay đổi cách thức tương tác diễn ra, tối ưu hóa các quy trình, nâng cao tính linh hoạt và cải thiện hiệu quả.

- Tạo điều kiện cho các quyết định chính sách và môi trường pháp lý tốt hơn: thông tin không đầy đủ hoặc không đúng có thể dẫn đến các quyết định sai sót. Những đổi mới kỹ thuật số có tiềm năng đáng kể để giúp các nhà hoạch định chính sách đạt được mục tiêu thông qua những tiến bộ về dữ liệu, khả năng phân tích và kết nối tốt hơn. Những đổi mới này không chỉ làm cho công nghệ trở nên thông minh mà còn có thể cải thiện đáng kể cách thức các chính sách được phát triển, điều phối và thực hiện bằng cách tăng cường khả năng tiếp cận, nâng cao trách nhiệm giải trình và tăng tính minh bạch trong toàn bộ chuỗi giá trị. Các yếu tố chính của tích hợp kỹ thuật số vào cảnh quan năng lượng như sau:

(a) Đề xuất giá trị:

+  Tăng hiệu quả hệ thống;

+ Các mô hình kinh doanh sáng tạo;

+ Hoạch định và thực hiện chính sách hiệu quả.

(b) Các lợi ích chính:

+ Khả năng truy cập và sử dụng dữ liệu;

+ Tự động hóa và kết nối;

+ Người tiêu dùng được trao quyền và các bên liên quan khác.

(c) Các nguồn lực chính:

+ Các công nghệ và nền tảng kỹ thuật số;

+ Chuyên môn  liên quan của các phân khúc khác nhau;

+ Khả năng lãnh đạo và giao tiếp rõ ràng.

Hình 1: Các yếu tố chính của tích hợp kỹ thuật số vào cảnh quan năng lượng

- “Quá trình số hóa” và “Chuyển đổi số”: Quá trình số hóa là hoạt động chuyển đổi thông tin trên giấy và các quy trình thủ công thành định dạng số. Chuyển đổi số là quá trình thực tế tận dụng số hóa để đưa ra các quyết định kinh doanh hoặc chính sách mới hoặc cải tiến nhằm nâng cao năng suất, chi phí, an toàn và tính bền vững tổng thể. Chuyển đổi số cung cấp cơ sở hạ tầng và giao diện cần thiết để hoạt động một cách thông minh và hiệu quả giữa các đơn vị vận hành và người vận hành.

- Tác dụng phụ của chuyển đổi số: không nên coi chuyển đổi số hệ thống năng lượng là mối đe dọa đối với cơ sở hạ tầng hiện có; trên thực tế, chuyển đổi số đang mang lại cơ hội to lớn để giải quyết những thách thức lớn nhất mà ngành năng lượng đang phải đối mặt. Đồng thời, việc tham gia và đưa chuyển đổi số trở thành một điều bình thường mới từ góc độ cơ sở hạ tầng hoàn chỉnh là vấn đề phức tạp. Chuyển đổi số giúp cải thiện an ninh năng lượng, công bằng năng lượng và bền vững môi trường. Tuy nhiên, kéo theo đó là các yêu cầu bảo mật hệ thống mới và rủi ro về quyền riêng tư của cá nhân cùng với một số gián đoạn kinh tế tiềm ẩn. Các biện pháp phòng ngừa mạnh mẽ và khắc phục phải được xây dựng, phân tích, thử nghiệm và thực hiện để tận dụng tối đa quá trình chuyển đổi số.

- Sự đồng thuận giữa các bên liên quan: tốc độ nhanh chóng của các đổi mới kỹ thuật số và các ứng dụng trong ngành năng lượng đang tạo điều kiện cho sự tham gia ngày càng nhiều của các bên liên quan khác nhau. Các công ty Công nghệ thông tin và truyền thông (ICT), chẳng hạn như nhà sản xuất phần cứng, nhà phát triển phần mềm, công ty hỗ trợ truyền thông và các nhà cung cấp dịch vụ liên quan có trách nhiệm ngày càng cao trong việc nâng cao độ tin cậy, khả năng phục hồi, khả năng tương tác và hiệu quả của hệ thống năng lượng. Mặt khác, các đổi mới ICT cũng đang mở ra một thị trường hoàn toàn mới và các cơ hội kinh doanh dẫn đến một nhóm các tác nhân thị trường mới khác, được gọi là các doanh nhân tổ chức hoặc những người phá vỡ, hoạt động trên giao điểm của ngành năng lượng và ICT. Các doanh nghiệp mới này đang phát triển các cách thức để người tiêu dùng tham gia tích cực và trao quyền cho họ trở thành những người tiêu dùng thành công trong hệ thống năng lượng mới. Sự hỗ trợ của các bên liên quan là điều kiện cần thiết cho sự thành công của bất kỳ chiến lược nào. Do đó, đồng thuận giữa các bên liên quan truyền thống và đổi mới về tương lai số hóa trong ngành năng lượng sẽ rất quan trọng.

Mở ra cơ hội trong các lĩnh vực

- Số hóa giúp mở ra các cơ hội theo phân ngành như dự đoán, đo lường, giám sát và cải thiện. Cụ thể hơn:

Hình 2: Số hóa mở ra cơ hội trong các lĩnh vực

(a) Dự đoán: một trong những thách thức chính của hội nhập năng lượng tái tạo là thiết lập cân bằng tối ưu giữa cung và cầu. Điều này có thể được kích hoạt bằng cách sử dụng các thuật toán máy học tiên tiến và các công nghệ AI nhằm tạo điều kiện và tăng tốc độ tích hợp bằng cách cải thiện dự báo thời tiết, cung cấp xu hướng tiêu dùng đáng tin cậy và dự đoán hiệu suất của công nghệ, v.v. Bằng cách thực hiện phân tích dự đoán cho cấp độ tiếp theo, các hệ thống năng lượng có thể được quản lý theo cách hiệu quả hơn.

(b) Đo lường: hiệu quả hoạt động tổng thể của hệ thống năng lượng có thể được cải thiện đáng kể bằng cách áp dụng các kỹ thuật đo thời gian thực. Hệ thống năng lượng cung cấp nhiều thông số đo lường được phân tích trong thời gian thực để đưa ra quyết định ngay lập tức hoặc thu thập và lưu trữ phân tích cho các hành động trong tương lai. Ví dụ: công tơ điện thông minh có thể được lắp đặt tại nhà để cung cấp thông tin tự động về mức tiêu thụ năng lượng của các hộ gia đình cho nhà cung cấp năng lượng và dựa trên đó, việc cung cấp năng lượng có thể được tối ưu hóa.

(c) Giám sát: ngành năng lượng ngày càng tạo ra dữ liệu, do đó theo dõi mô hình và kiểm soát các thành phần lưới cho phù hợp có thể góp phần tăng cường tối ưu hóa, hiệu quả và sự lựa chọn của người tiêu dùng. Số hóa có thể cho phép giám sát từ xa đối với các công nghệ nhạy cảm và do đó, khả năng vận hành lưới điện tốt hơn, hiệu quả hơn. Trong lĩnh vực bảo trì và bảo mật, máy học có thể sử dụng và giám sát dữ liệu hiện có từ tuổi thọ của thành phần chi phí khi hệ thống ngừng hoạt động để phát triển lịch trình thay thế và bảo trì.

(d) Cải thiện: dự đoán, đo lường và giám sát là cơ bản để cải thiện hệ thống năng lượng. Số hóa có thể tăng khả năng kết nối giữa các công nghệ và nhà khai thác công nghệ, đồng thời cung cấp các phép đo thời gian thực, dự báo và thông tin chi tiết tốt hơn bằng cách theo dõi xu hướng trong thời gian dài hơn với khối lượng lớn, tốc độ cao hoặc nhiều loại dữ liệu có thể hỗ trợ xử lý các quyết định và cải tiến quá trình ra quyết định. Nhìn chung, số hóa có thể giúp cải thiện việc đo lường, phân tích, xử lý và dự báo dữ liệu có thể mang lại năng suất cao hơn, cải thiện an toàn, tăng tính bền vững và giảm chi phí cho người tiêu dùng và công ty.

- Cơ hội từ phía nguồn cung: số hóa có tiềm năng đáng kể để cải thiện năng suất và giảm chi phí từ phía nguồn cung của ngành năng lượng. Bằng cách số hóa bên cung cấp, các cơ hội mới cũng có thể xuất hiện để tích hợp chặt chẽ hơn, tự động hóa và tối ưu hóa giữa bên cung và bên cầu. Một số ứng dụng chính:

(a) Than, dầu và khí đốt: các lĩnh vực này hoạt động trong môi trường sử dụng nhiều phần cứng và có mức độ tích hợp kỹ thuật số tương đối thấp trong quá khứ trên toàn cầu so với các lĩnh vực khác. Khi các ngành công nghiệp này số hóa hệ thống của họ bằng cách kết hợp các cảm biến, tự động hóa quy trình, giám sát và điều khiển từ xa, robot và IoT công nghiệp, họ có thể đo lường và thực hiện quản lý tài sản từ xa theo thời gian thực và bảo trì dự đoán để cải thiện hiệu quả hoạt động tài sản, giảm chi phí sản xuất và bảo trì tổng thể.

(b) Sinh khối, năng lượng tái tạo và năng lượng chất thải: việc sử dụng ổn định và đồng đều các nguồn năng lượng sinh khối, năng lượng tái tạo và chất thải đã bắt đầu hình thành theo cấp số nhân trong những năm gần đây, tạo cơ hội đáng kể cho việc cải thiện hiệu quả năng lượng. Số hóa có tiềm năng tối ưu hóa toàn bộ quy trình bằng cách cung cấp hiểu biết tốt hơn về các mẫu/xu hướng, truy cập thông tin, kết nối, thông tin thời gian thực, phân tích tốt hơn và sự tham gia của các bên liên quan trong toàn bộ chuỗi giá trị.

(c) Sản xuất, truyền tải và phân phối điện: việc sử dụng ngày càng nhiều các nguồn năng lượng tái tạo có khả năng phân cấp nguồn cung cấp năng lượng và thách thức các mô hình kinh doanh truyền thống của các công ty tiện ích. Số hóa là một thành phần thiết yếu trong cơ hội đó để phân cấp hệ thống năng lượng, tạo điều kiện tích hợp hài hòa năng lượng tái tạo vào hệ thống năng lượng tập trung hiện có. Tạo cơ hội để các công ty cung cấp các giải pháp năng lượng hiệu quả, đáng tin cậy, bền vững và linh hoạt. AI, học máy và học sâu có thể tạo ra các khả năng chưa từng có để thu thập và phân tích dữ liệu, đồng thời hỗ trợ các nhà cung cấp năng lượng dự đoán và cân bằng lưới điện tốt hơn. AI cũng có thể giúp các nhà phát triển hệ thống điện tạo ra các hoạt động lưới điện thông minh để phát hiện lỗi, tự chữa lành bằng các thuật toán học máy được đào tạo. Nhìn chung, việc chuyển đổi số có thể cải thiện đáng kể hiệu quả của việc sản xuất, truyền tải, phân phối năng lượng và hệ thống sưởi/làm mát khu vực. Giúp tăng độ tin cậy, an ninh của lưới điện, giảm chi phí tạo, truyền tải và cung cấp điện hoặc sưởi ấm/làm mát cho người dùng cuối.

(d) Cung cấp năng lượng hỗn hợp: cung cấp năng lượng hỗn hợp có thể trở thành câu trả lời cho nhu cầu về năng lượng linh hoạt trong thế giới năng lượng tái tạo. Việc cung cấp các quy trình sản xuất với một số nguồn năng lượng cạnh tranh (ví dụ: điện mặt trời và gió, nhiệt mặt trời và sinh khối, điện mặt trời và thủy lực, v.v.) được bổ sung bởi các hệ thống lưu trữ mang lại sự linh hoạt cần thiết để phản ứng với việc sản xuất năng lượng biến động của năng lượng tái tạo. Bằng cách thay đổi nguồn năng lượng, sự ổn định của lưới điện có thể được hỗ trợ, biến động giá điện được khai thác và chuyển thành lợi thế về chi phí, bảo đảm an ninh quy trình và cung cấp, tăng tính linh hoạt trong sản xuất và giảm lượng khí thải cacbon.

(đ) Các nhà sản xuất và cung cấp năng lượng mới - ‘prosumers’: trong lĩnh vực năng lượng số, người tiêu dùng năng lượng truyền thống cũng có thể trở thành nhà sản xuất năng lượng, được gọi là ‘prosumer’. Ví dụ, Đức và Vương quốc Anh có biểu giá nhập vào (FiT) là mức giá cố định mà một nhà cung cấp dịch vụ nhận được đối với năng lượng tái tạo mà họ không sử dụng và cấp vào lưới điện. Những hình thức khuyến khích này trao quyền cho người tiêu dùng tham gia tích cực vào hệ thống năng lượng mới, cho phép tăng nhanh tỷ trọng năng lượng tái tạo vào hệ thống năng lượng tổng thể và giảm bớt thách thức phát triển lưới điện theo nhu cầu điện ngày càng tăng. Điều này chỉ có thể thực hiện được ở quy mô lớn với các thiết bị năng lượng thông minh và được kết nối.

Người tiêu dùng cũng có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển đô thị vì họ có thể là nhà cung cấp tiềm năng cho cơ sở sản xuất và giúp tối ưu hóa sự cân bằng năng lượng, thông qua việc bán năng lượng dư thừa của thế hệ sản xuất tại địa phương hoặc dự trữ năng lượng của họ. Mặt khác, công nghệ số cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc tận dụng nhiệt thải từ các ngành công nghiệp và cung cấp cho các hộ gia đình hoặc sử dụng cho sản xuất riêng. Toàn bộ các khu công nghiệp có thể hoạt động như những đầu mối trong mạng lưới năng lượng địa phương và giúp đạt được sự cộng sinh năng lượng của các quy trình sản xuất và hệ thống cung cấp địa phương.

- Cơ hội từ phía cầu: số hóa mang lại cơ hội lớn nhằm tối đa hóa lợi ích trong tất cả các lĩnh vực tiêu thụ năng lượng, giải quyết những thách thức về việc thiếu dữ liệu hoặc thông tin dẫn đến việc ra quyết định kém. Ba lĩnh vực chính có thể được số hóa gồm:

(a) Tòa nhà: số hóa có tiềm năng giảm mức sử dụng năng lượng của các tòa nhà dân cư và thương mại trên toàn cầu khoảng 10% vào năm 2040. Điều này có thể đạt được bằng cách triển khai các cảm biến IoT, bộ điều nhiệt thông minh hoạt động tự động từ xa để bật/tắt/điều chỉnh hệ thống sưởi/làm mát đến một nhiệt độ cụ thể, đèn thông minh hoặc các thiết bị thông minh khác có thể tối ưu hóa mức tiêu thụ dựa trên yêu cầu và thói quen sử dụng. Việc sử dụng năng lượng trong quá trình xây dựng các tòa nhà có thể được giảm thiểu đáng kể bằng cách áp dụng các công cụ, công nghệ số và cung cấp thông tin chính xác, kịp thời hơn trên toàn bộ chuỗi giá trị. Đây được gọi là quản lý xây dựng theo thời gian thực, tập hợp tất cả thông tin tại chỗ vào một nền tảng, cải thiện năng suất và giảm chi phí.

(b) Công nghiệp: công nghệ số đã và đang thay đổi hoạt động của các ngành sản xuất, chế biến và cung cấp sản phẩm. Ngành công nghiệp chịu trách nhiệm cho khoảng 38% mức tiêu thụ năng lượng cuối cùng trên toàn cầu và 24% tổng lượng khí thải carbon dioxide, và ước tính rằng việc tối ưu hóa được thực hiện bằng số hóa có thể giúp tiết kiệm ít nhất 10 - 20% năng lượng. Các công nghệ như IoT công nghiệp, thực tế ảo và tăng cường, tự động hóa và phân tích tiên tiến, rô bốt công nghiệp và in 3D có thể được áp dụng độc quyền trong các quy trình khác nhau của các ngành công nghiệp, giúp tăng hiệu quả năng lượng và vật liệu tổng thể, giảm sự gia tăng thời gian và giảm chi phí năng lượng. Hơn nữa, tích hợp sâu rộng các công nghệ số trong sản xuất cho phép tăng hiệu quả hoạt động, tính linh hoạt và khả năng phục hồi thông qua bảo trì dự đoán, điều chỉnh các quy trình một cách linh hoạt với nguồn năng lượng, giá cả và quy trình để ngăn ngừa hoặc giảm tác động thường xuyên nghiêm trọng của việc mất điện.

(c) Giao thông vận tải: lĩnh vực giao thông vận tải đã được thay đổi hoàn toàn bằng cả Quá trình số hóa và Chuyển đổi số. Việc thu thập, lưu trữ, xử lý và phân tích dữ liệu trong tất cả các loại hình vận tải - đường bộ, đường sắt, hàng không và hàng hải giúp cải thiện hoạt động, an toàn dịch vụ và mang lại hiệu quả cao hơn. IoT kết hợp với các cảm biến thông minh được tích hợp trong cơ sở hạ tầng và nền tảng đô thị có thể nâng cao đáng kể hiệu suất, hiệu quả của việc vận chuyển hàng hóa từ điểm xuất phát đến điểm tiêu thụ, tối ưu hóa luồng giao thông, do đó tạo ra nhiều năng lực vận tải hơn trên đường bộ, đường sắt, đường hàng không hiện có - và cơ sở hạ tầng đường thủy. Hệ thống giao thông thông minh (ITS) có thể giảm sử dụng năng lượng 25% thông qua việc di chuyển ít hơn, chuyển đổi phương thức và giảm mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi km.

- Cơ hội trên toàn hệ thống: chuyển đổi số của hệ thống năng lượng mang lại khả năng thu hẹp nhiều khoảng cách ở cấp hệ thống đồng thời tạo ra một số cơ hội mới thông qua việc chuyển đổi sâu hơn về cách các thiết bị, hệ thống và những người tham gia kết nối và giao tiếp với nhau. Một số lợi ích và tác động chính có thể là:

(a) Kết nối, tin cậy và minh bạch tốt hơn: số hóa hệ thống năng lượng có thể cung cấp kết nối tốt hơn với khách hàng, nhà cung cấp và các đối tác khác để đạt được kết quả cao hơn. Mặc dù nó có thể cải thiện đáng kể lòng tin giữa những người tham gia khác nhau, nó cũng có thể tạo ra một thị trường năng lượng mở, minh bạch, cạnh tranh, linh hoạt hơn và không phân biệt đối xử, mang lại nhiều lợi ích cho nền kinh tế và xã hội. Khái niệm dữ liệu mở trên toàn hệ thống cũng có thể cho phép ra quyết định tốt hơn cho các doanh nghiệp và các nhà hoạch định chính sách cùng với việc khơi mào cho các đổi mới và phát minh cho xã hội.

(b) Quản lý chuỗi cung ứng hiệu quả: các giải pháp công nghệ số có tiềm năng mang lại giá trị đáng kể cho những người tham gia trong ngành trên toàn bộ chuỗi cung ứng năng lượng. Chuỗi cung ứng của công nghệ năng lượng tái tạo cần phải mạnh mẽ để tận dụng hết tiềm năng của nó và dữ liệu lớn, máy học và phân tích dữ liệu tiên tiến có thể cho phép quản lý các nguồn năng lượng tái tạo khác nhau với tính linh hoạt và tối ưu hóa tối đa. Số hóa có thể hợp lý hóa các quy trình khác nhau trên toàn bộ chuỗi giá trị năng lượng và cải thiện đáng kể tốc độ, cũng như chi phí, đồng thời cung cấp khả năng hiển thị được cải thiện và thông tin chi tiết theo thời gian thực về chuỗi cung ứng.

(c) Đề xuất giá trị mới: áp dụng công nghệ số trong hệ thống năng lượng cũng có thể cung cấp đề xuất giá trị mới và cơ hội kinh doanh, chẳng hạn như đáp ứng nhu cầu tự động, sạc pin thông minh và cơ sở hạ tầng phương tiện, dịch vụ xe nối lưới và nỗ lực tối ưu hóa thông qua khớp nối ngành , v.v. Những cơ hội mới này có thể tạo cơ hội cho người tiêu dùng đóng vai trò tích cực và thu được lợi ích tài chính đồng thời tạo ra các dòng doanh thu mới cho các công ty tiện ích.

(d) Dự đoán kết quả tin cậy và dự báo tương lai: những tiến bộ kỹ thuật số như máy học và AI có thể là nền tảng của một hệ thống năng lượng đáng tin cậy. Những công nghệ này không chỉ giúp dự đoán kết quả của dữ liệu không nhìn thấy mà còn có thể giúp đưa ra dự đoán về tương lai. Dự báo tốt hơn về dữ liệu nhu cầu, mô hình thời tiết và hành vi của người tiêu dùng có thể làm tăng đáng kể sự ổn định của lưới điện và an ninh nguồn cung cấp cũng như tính bền vững của hệ thống năng lượng tổng thể.

Kết luận

Số hóa hệ thống năng lượng mang lại tiềm năng to lớn để đẩy nhanh nỗ lực gia tăng hiệu quả năng lượng, cải thiện cơ sở hạ tầng và tiết kiệm đáng kể chi phí sử dụng năng lượng. Để đạt được mục tiêu đó, trách nhiệm đối với các bên liên quan rất quan trọng để nhận ra những cơ hội và xây dựng chiến lược phù hợp để thu được lợi ích tối đa từ những cơ hội này. Đồng thời các chính sách, hướng dẫn của Chính phủ và môi trường pháp lý về số hóa hệ thống năng lượng đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển một tương lai năng lượng an toàn, bền vững và thông minh hơn.

Nguyễn Phương Nhung

Tài liệu tham khảo

[1] Digitalization for Energy Efficiency in Energy Intensive Industries

[2] Digitalization: enabling the new phase of energy efficiency