Siêu lưới điện và toàn cầu hóa mạng điện thế giới

Mô hình lưới điện liên tỉnh: Các thợ điện đang làm việc trên đường dây cao áp một chiều dài 1.680 kilomet, từ nhà máy thủy điện Xiloudu tới tỉnh Chiết Giang (Trung Quốc)

Điều này thực sự có ý nghĩa khi mà tại nơi họ sống giá điện và dịch vụ cao ngất ngưởng. Tuy nhiên, một phương án ngược lại tưởng chừng vô lý nhưng lại giải quyết một cách vô cùng hiệu quả những khó khăn này, đó là: Kết nối các lưới điện khu vực để tạo thành một siêu lưới điện bao phủ toàn thế giới.

Nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng cao tại các quốc gia đang phát triển, việc đưa vào ứng dụng ngày càng nhiều các nguồn năng lượng sạch như gió và mặt trời và nhu cầu bảo vệ lưới điện khỏi các tác động điện và vật lý đã làm cho phương án này trở thành xu hướng chính của lưới điện ngày nay. Bên cạnh đó, việc chia nhỏ và cách ly một lưới điện khó khăn hơn nhiều so với việc duy trì sự cân bằng gần như tức thời giữa nhu cầu sử dụng và cung cấp điện.

Tuy nhiên, với công nghệ hiện nay, chúng ta có thể truyền một lượng lớn điện năng với khoảng cách xa mà tổn hao không đáng kể; điều đó cho phép các nhà máy điện cân bằng giữa điện năng phát và tiêu thụ trên toàn bộ lục địa hay toàn cầu. Nếu xảy ra mất điện tại một đất nước, sự thay đổi đột ngột về điện áp và tần số trên đường dây có thể kích hoạt một máy phát điện ở cách đó hàng ngàn kilomet để bù đắp cho sự thiếu hụt về điện này. Tương tự như thế, nếu gió tại những vùng dùng năng lượng gió mất đi thì điện từ những vùng xung quanh có thể nhanh chóng bù đắp vào. Một trường hợp khác nữa là nếu một khu vực đang trải qua mưa lớn, các đập thủy điện có thể tận dụng năng lượng để truyền đi những nơi khác khi cần. Siêu lưới điện sẽ đảm bảo tất cả hoặc gần như tất cả điện năng được phát ra sẽ được tiêu thụ, do đó tránh được lãng phí do phải trả tiền cho các nhà máy điện dùng năng lượng gió để tắt tuabin (theo tờ Telegraph tháng một năm 2015, 53 triệu Bảng đã phải trả cho các nhà máy điện dùng năng lượng gió năm 2014 để giữ cho tuabin tắt nhằm điều chỉnh điện cung cấp cho lưới điện quốc gia tại Anh) hoặc bán phá giá điện năng dư thừa. (Việc lưu trữ năng lượng dư thừa cũng giúp tránh được những vấn đề như vậy, tuy nhiên những kho lưu trữ năng lượng quy mô lớn vẫn chưa phổ biến).

Ngoài ra, siêu lưới điện toàn cầu cho phép điện năng được tạo ra ở xa khu vực dân cư. Ví dụ các vùng dân cư thưa thớt ở phía Nam Darwin (Úc) là nơi có nhiều ánh sáng mặt trời nhất thế giới và theo ước tính, một nhà máy điện năng lượng mặt trời với kích thước bằng một trại chăn nuôi gia súc có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng cho cả nước Úc. Và chỉ cần một đường dây dưới biển kết nối với Đông Nam Á, điện năng tạo ra tại nhà máy này cũng có thể được truyền đến các nước như Indonesia, Papua New Guinea và Singapore. Và nếu thay thế nhà máy điện này bằng siêu lưới điện, các nhà vận hành còn có thể lưu trữ dự phòng điện năng cho những trường hợp đặc biệt như là nhu cầu về điện tăng đột biến.

Vậy ta cần những gì để xây dựng một siêu lưới điện toàn cầu? Về mặt công nghệ, đó là việc xây dựng một mạng lưới khép kín những hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều (High Voltage Direct Current - HVDC) dựa trên những nút mạng có sẵn. Ngoài ra, các nhà điều hành điện của các quốc gia cũng phải đặt ra các thoả thuận chung về biểu giá bán điện, các chuẩn cũng như các quy tắc kĩ thuật để siêu lưới điện có thể vận hành một cách trơn tru, an toàn và tin cậy.

Cáp xuyên âm được xây dựng vào năm 2002

Nguồn gốc của siêu lưới điện toàn cầu khởi phát từ thời kỳ đầu của công nghiệp năng lượng, khi mà “cuộc chiến dòng điện” (war of the currents) nổ ra giữa hai nhà phát mình vĩ đại: Thomas Edison và Nikola Tesla. Năm 1882, Edison đã mở nhà máy điện thương mại đầu tiên (Pearl Power Station Street) hoạt động dựa trên dòng điện một chiều. Tuy nhiên, năm 1884, Tesla đã phát minh ra máy phát điện xoay chiều và cho đến nay dòng điện xoay chiều vẫn đang thống trị các hệ thống điện. Năm 1895, ước mơ của Tesla về việc phát điện từ thác Niagara đã được thực hiện và trong vòng vài năm, năng lượng đã truyền được tới thành phố New York với quãng đường 700 kilomet, qua đó chứng minh tính ưu việt của dòng điện xoay chiều. Các hệ thống điện trên thế giới trong thế kỷ hai mươi đều hoạt động dựa trên dòng điện xoay chiều.

Chìa khóa dẫn tới thành công của dòng điện xoay chiều là năng lượng điện có thể được biến đổi lên điện áp cao hơn theo nguyên lý cảm ứng điện từ và sau đó được truyền trên khoảng cách xa với dòng điện thấp để giảm thiểu mất mát do trở khảng của đường dây; tại điểm cuối của đường dây, hệ thống sẽ được hạ áp để phân phối cho tiêu dùng. Tại thời điểm đó, không có cách nào để thực hiện tương tự với dòng điện một chiều. Tuy nhiên, các kỹ sư điện cũng biết rằng hệ thống dòng điện một chiều hoạt động ở điện áp cao sẽ tốt hơn dòng điện xoay chiều do lượng điện năng mất mát trong quá trình truyền tải điện một chiều ít hơn rất nhiều so với điện xoay chiều.

Thực tế truyền tải một chiều ít hơn xoay chiều là bao nhiêu? Với một lượng điện năng được truyền đi bằng điện cao áp một chiều: Nếu điện áp được nhân đôi lên thì dòng điện tương ứng sẽ được giảm đi một nửa so với hệ thống xoay chiều, do đó giảm được bốn lần công suất tiêu hao trên đường dây. Hơn nữa, số lượng và chiều dài dây cũng được giảm đi vì dòng một chiều sẽ chạy trên toàn bộ dây dẫn, trong khi dòng xoay chiều chỉ chạy ở bề mặt của dây dẫn. Nói cách khác, cùng một kích thước dây dẫn, trở kháng với dòng xoay chiều là cao hơn và năng lượng thất thoát ở dạng nhiệt sẽ nhiều hơn. Trong thực tế, điều đó có nghĩa là toàn bộ cơ sở hạ tầng truyền dẫn cho hệ thống xoay chiều vượt hơn nhiều so với hệ thống một chiều. Ví dụ để truyền 6000 MW sử dụng hệ thống áp xoay chiều 765 KV, bạn sẽ cần ba đường truyền riêng biệt với kích thước mỗi đường truyền khoảng 180 mét trong khi với hệ thống áp một chiều 800 KV thỉ chỉ cần một đường truyền 80 mét.

Hệ thống điện cao áp một chiều cũng cho phép truyền năng lượng một cách dễ dàng giữa các lưới hoạt động ở tần số khác nhau. Tuy nhiên, các bộ chỉnh lưu, dây cáp, cầu dao và các thành phần khác của hệ điện cao áp một chiều đều đắt hơn của hệ xoay chiều, vì thế, hệ này chỉ có lợi về mặt kinh tế với khoảng cách ít nhất 500 kilomet. Tuy nhiên, khi mà lợi nhuận của các công ty (có thể do cạnh tranh) tiếp tục đi xuống thì giá thành các thành phần của hệ một chiều cũng giảm theo. Với tư tưởng này, các kỹ sư điện đã thử nghiệm công nghệ truyền tải điện một chiều trong suốt thế kỷ hai mươi. Thành phần mấu chốt của hệ thống một chiều vẫn là các bộ biến đổi nằm ở hai đầu của đường dây. Chúng đóng vai trò chuyển đổi từ điện cao áp xoay chiều sang điện cao áp một chiều và ngược lại. Trong suốt những năm sáu mươi của thế kỷ 20, các bộ biến đổi như vậy được chế tạo dựa trên các van hồ quang thủy ngân (mercury-arc valves), một thiết bị chuyển mạch cơ bản chỉ có thể bật lên mà không thể tắt đi, do đó chức năng bị hạn chế và gây ra thiệt hại đáng kể.

Những năm 70 của thế kỷ 20 đã trở thành giai đoạn phát triển tiếp theo của công nghệ dòng một chiều: Thyristor làm lạnh bằng nước, một loại van chuyển mạch ở trạng thái rắn có thể bật tắt được và lần đầu tiên được thử nghiệm vào năm 1978 ở hệ thống một chiều trên sông Nelson để truyền điện từ thủy điện bắc Manitoba tới phía bắc Canada. Từ đó đến nay, hệ thống một chiều chưa thực sự phổ biến ở Bắc Mỹ, nhưng nó đã phát triển ở nhiều nới khác trên thế giới, đặc biệt là Brazil, Trung Quốc, Ấn Độ và Tây Âu. Từ cuối những năm 1990 đã có thêm những đợt triển khai các hệ một chiều thế hệ mới dựa trên các phần tử transistor lưỡng cực cổng cách ly (Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT), loại transistor đặc biệt có khả năng chuyển mạch nhiều lần trong một chu kỳ. Các loại IGBT mới nhất có thể đóng mở trong thời gian ngắn hơn một phần tỷ giây.

Các bộ chuyển đổi cho hệ thống một chiều hiện nay được biết đến là các bộ đổi nguồn (Voltage-Source Converters - VSC). Mặc dù các bộ biến đổi truyền thống vẫn được sử dụng cho việc truyền công suất cao và điện áp cao, nhưng các bộ VSC giúp cho việc tích hợp các đường truyền tải một chiều vào lưới điện dễ dàng hơn. Khái niệm VSC được đưa ra đầu tiên vào tháng 3 năm 1997 giữa Hellsjön and Grängesberg, Thụy Điển, đã được thử nghiệm ở 3 megawatt và 10kiloVolt. Năm năm sau đó bộ VSC cỡ lớn đầu tiên được cài đặt: Dự án Cross Sound Cable trên đảo Long Island, giữa New York và Connecticut. Dự án đó có mức truyền tải khá cao, 330 megawatt, nhưng mất mát công suất do chuyển đổi cũng cao theo, ở mức 2.5%. Với các bộ VSC mới nhất thì tỉ lệ mất mát đã được giảm xuống chỉ còn 1%. Hiện nay có thể có nhiều thiết bị đầu cuối dọc theo một đường dây cao áp một chiều, do đó bạn có thể lấy điện áp tại các điểm trung gian thay vì chỉ lấy tại cuối đường dây. Vượt ra khỏi đường truyền cao áp điểm - điểm, chúng ta phải kết nối các đường dây thành một mạng lưới, đương nhiên sẽ phức tạp hơn nhưng tầm kiểm soát sẽ mạnh mẽ hơn.