Đức đi tiên phong trong công nghệ HVDC – Phần 1: Lưới điện

Stuttgart là một trong những nơi sau cùng mà bạn sẽ nghĩ đến nếu muốn tìm thấy tình trạng thiếu điện. Các nhà máy ô-tô ở thành phố miền nam nước Đức này chạy 24/7 mà không hề bị gián đoạn. Các tiêu chuẩn về hiệu suất đã giữ mức tiêu thụ điện trong lĩnh vực công nghiệp không thay đổi. Đồng thời các tấm pin mặt trời phản chiếu ánh nắng từ trên đỉnh các toà nhà chính của thành phố. Nhưng bây giờ tất cả những điều đó đang gặp vấn đề. Việc nước này chuyển dịch ngày càng nhanh từ điện nguyên tử và năng lượng hoá thạch sang các nguồn năng lượng có khả năng tái tạo, như gió và mặt trời, đã làm lộ ra một sự thiếu hụt lớn trong khả năng truyền tải. Để tồn tại, các nhà máy ở Stuttgart—và các khách hàng sử dụng điện năng ở toàn miền nam nước Đức—sẽ phải nhập khẩu rất nhiều điện từ phía bắc. Trong khi đó mạng lưới truyền tải của Đức đã vận hành hết công suất. Nhằm đáp ứng nhu cầu, Đức đang xem xét một kế hoạch đầy tham vọng để đưa điện cao áp một chiều, hay HVDC, từ vị trí thường thấy là ở ngoại vi của mạng lưới truyền tải điện xoay chiều vào vị trí trung tâm của lưới điện. Lý do chính khá đơn giản: lần đầu tiên, HVDC có vẻ như rẻ hơn so với việc nâng cấp mạng lưới điện xoay chiều. Tuy nhiên, các nhà hoạch định kế hoạch của Đức cũng có một chủ ý khác: họ muốn cung cấp khả năng hoạt động cũng như độ tin cậy cao nhất cho mạng lưới điện xoay chiều vốn đã bị quá tải bởi lượng điện gió quá lớn. Do vậy, họ đang cân nhắc việc chế tạo các thiết bị điện tử công suất có thể làm một điều trước giờ chưa hề đạt được trên các tuyến truyền tải thực tế: ngắt dòng điện DC trong vòng vài phần ngàn giây.

Khi tạp chí IEEE Spectrum này được in ấn vào đầu tháng 4/2010, dự án trị giá 10 tỷ Euro này vẫn còn đang được quốc hội Đức thảo luận, nhưng sơ đồ đường truyền tải HVDC đầu tiên đã được ấn định. Dự án sẽ bắt đầu với phần đường dẫn ở phía nam của một tuyến truyền tải có công suất 1000 megawatt trên một quãng đường dài 660 km có tên là Hành lang A (Corridor A). Tuyến truyền tải bắt đầu từ cảng Emden ở Biển Bắc (North Sea), điểm kết nối của các nhà máy điện gió ngoài khơi đang trong quá trình xây dựng quanh đảo Borkum của Đức. Nó sẽ kết thúc tại một đầu mối của mạng lưới truyền tải xoay chiều gần nhà máy năng lượng hạt nhân ở Philippsburg, khoảng 70km theo hướng tây bắc của Stuttgart.

Nếu Đức tiến hành xây dựng các đường đây HVDC thì nó có thể đặt nền tảng cho một hệ thống lớn hơn nhiều: một “siêu lưới điện” gồm nhiều đường dây DC kết nối với nhau có khả năng truyền tải điện trên toàn châu lục, đưa điện từ các tuốc-bin ở Biển Bắc, các con đập ở các nước Bắc u, hay các tổ hợp pin mặt trời ở quanh Địa Trung Hải đến bất cứ nơi đâu có nhu cầu lớn nhất ở thời điểm đó. Ủy ban Châu u hy vọng tính linh động này sẽ giúp họ đạt được mục tiêu 80% điện năng cung cấp là năng lượng tái tạo vào năm 2050. Hành lang A có thể sẽ là bước khởi đầu.

Ý tưởng về các đường dây HVDC bắt đầu thu hút được sự chú ý từ cách đây 2 năm, khi thảm hoạ hạt nhân Fukushima ở Nhật Bản đã dẫn đến việc thủ tướng Đức, bà Angela Merkel, đóng cửa 8 trong số 17 lò phản ứng hạt nhân của nước này và tái lập kế hoạch loại bỏ những lò phản ứng còn lại trước năm 2022. Mặc dù điều này chỉ làm mất đi 16% tổng sản lượng điện năng hàng năm của Đức, nó lại làm mất đi một nửa lượng điện năng của các bang miền nam như Bavaria và Baden-Württemberg, với thủ phủ là Stuttgart. Stuttgart sẽ phải bù đắp sự hao hụt này bằng các nguồn điện gió xa xôi và các nhà máy nhiệt điện. Như đã nói, khoảng 10 gigawatts sẽ phải được chuyển từ miền bắc xuống miền nam nước Đức một khi nhà máy điện hạt nhân cuối cùng đóng cửa. Nhưng mạng lưới truyền tải chưa sẵn sàng với thử thách này. Năng lượng tái tạo hiện tại đã phải bị bỏ đi vì lý do này. Ví dụ như năm 2010, các nhà máy điện gió của Đức bỏ đi khoảng 127 gigawatt-giờ, đủ để cung cấp cho 30 ngàn căn hộ trong một năm. Mạng lưới truyền tải không còn đủ khả năng truyền tải thêm chừng đó công suất. Mạng lưới quá tải đến mức mà Bundesnetzagentur (BNetzA), cơ quan điều độ điện của liên bang Đức, mới đây đã phải từ bỏ kiểu dùng từ trung dung thường thấy trong báo cáo hàng năm của mình để cảnh báo việc gia tăng thay đổi từ năng lượng hạt nhân sang năng lượng tái tạo đã “đưa hệ thống truyền tải đến bên bờ vực”.

Giống như các thành phố khác ở Đức, Stuttgart có một hồ sơ năng lượng phức tạp. Một phần tám lượng điện năng của thành phố được sản xuất tại chỗ và hầu hết phần còn lại được lấy từ những nơi khác trong bang Baden-Württemberg. Điện mặt trời là nguồn cung phát triển nhanh nhất trong thành phố cũng như trong bang nhờ vào chính sách hỗ trợ giá của chính quyền liên bang. Riêng điện mặt trời có thể chiếm 18% lượng điện năng được tạo ra ở Baden-Württemberg cho đến năm 2020. Tuy nhiên, công suất điện mặt trời rất thấp vào mùa đông, và bằng không vào ban đêm. Nhưng đồng thời, điện mặt trời cũng làm giá điện giờ cao điểm không tăng, đe doạ lợi nhuận của các nhà máy điện sử dụng khí đốt hay than. Tháng 11 vừa rồi, công ty điện E.ON ở Düsseldorf đóng cửa hai nhà máy điện sử dụng khí tự nhiên và xếp xó các dự án xây dựng nhà máy điện hiện đại sử dụng than, tất cả đều ở phía nam, với lý do thị trường suy giảm.

Sơ lược về lưới điện: Các công ty truyền tải điện của Đức đề nghị xây dựng bốn đường dây HVDC (dọc theo ba hành lang) băng qua mạng lưới điện xoay chiều để giúp chuyển điện từ phía bắc vốn nhiều gió xuống phía nam vốn phụ thuộc nhiều vào năng lượng nguyên tử. Trong năm 2011, Đức đóng cửa 8 lò phản ứng hạt nhân (các vị trí đánh dấu đỏ). Chín lò phản ứng còn lại (các vị trí đánh dấu xanh) được dự kiến sẽ ngừng hoạt động trước năm 2022. Minh hoạ: Bryan Christie Design. Nguồn: www.entsoe.eu


Sơ lược về lưới điện: Các công ty truyền tải điện của Đức đề nghị xây dựng bốn đường dây HVDC (dọc theo ba hành lang) băng qua mạng lưới điện xoay chiều để giúp chuyển điện từ phía bắc vốn nhiều gió xuống phía nam vốn phụ thuộc nhiều vào năng lượng nguyên tử. Trong năm 2011, Đức đóng cửa 8 lò phản ứng hạt nhân (các vị trí đánh dấu đỏ). Chín lò phản ứng còn lại (các vị trí đánh dấu xanh) được dự kiến sẽ ngừng hoạt động trước năm 2022. Minh hoạ: Bryan Christie Design. Nguồn: http://www.entsoe.eu

Giảm sử dụng than và khí tự nhiên là đối sách chính của Đức cho vấn đề biến đổi khí hậu. Nhưng tiến độ của sự thay đổi lại gây bối rối cho BNetzA do cơ quan này chịu trách nhiệm giám sát mạng lưới điện và đang phải dựa vào các nhà máy điện chạy bằng năng lượng hoá thạch có khả năng cung cấp điện tuỳ theo nhu cầu để đảm bảo tính ổn định. BNetzA lo ngại đến mức mà trong hai mùa đông mới đây họ phải chi tiền cho chủ sở hữu cùa nhiều nhà máy điện cũ chạy gas ở miền nam nước Đức và ở Áo để họ giữ nhà máy vận hành.

Về nguyên tắc, điện gió ở miền nam có thể bù trừ phần nào sự thiếu hụt—nhưng không nhiều. Gió nhìn chung là yếu ở phía nam. Việc xây dựng các tuốc-bin để khai thác gió cần phải có không gian và đường sá, trong khi vùng Black Forest nổi tiếng của Đức thì được các cộng đồng cư dân địa phương bảo vệ bằng mọi giá. Mở rộng khả năng lưu trữ điện cho phương nam bằng các đập chứa cũng vấp phải sự phản đối từ các nhóm bảo vệ môi trường với lập luận rằng việc xây dựng các hồ chứa thuỷ điện sẽ phá huỷ môi trường sống.

Tất cả những điều này làm cho dường như không có giải pháp hiện tại nào có thể đáp ứng nhu cầu điện của phía nam hơn là truyền nhiều điện hơn từ phía bắc xuống. Trong đó bao gồm một lượng lớn điện gió, vốn đã đáp ứng 8% tổng điện năng tiêu thụ cả nước và được kỳ vọng là sẽ tăng lên gần gấp đôi vào năm 2022.

Các công ty truyền tải điện, chịu trách nhiệm điều hành các lưới điện khu vực, đã muốn có các đợt nâng cấp lớn cho lưới điện xoay chiều từ năm 2005. Đó là khi Cục Năng lượng Đức (German Energy Agency) công bố một khảo sát cho thấy sự biến động của dòng điện từ năng lượng tái tạo có nguy cơ gây quá tải cho lưới điện quốc gia. Trong khi các nhà máy điện thông thường tạo ra điện năng ở gần nơi cần điện, hệ thống lưới điện ngày càng phải truyền tải nhiều năng lượng tái tạo từ nơi dư thừa đến nơi cần dùng. Để tăng khả năng tải điện, Cục Năng Lượng Đức đề xuất một kế hoạch mở rộng chỉ 5%: thêm 850 km đường truyền siêu cao áp xoay chiều cho đến năm 2015. Thực tế thì không như dự định. Năm 2010, Cục Năng Lượng Đức thấy rằng cả nước cần phải có thêm 3600 km đường dây tải điện xoay chiều cho đến năm 2020 để đáp ứng sự gia tăng của điện gió và điện mặt trời. Đó là một con số đáng lo ngại nếu biết rằng sự phản đối quyết liệt của các địa phương đã cản trở quá trình xây dựng 850 km đường dây đặt ra năm 2005 và chỉ có 214 km được hoàn thành. Việc dịch chuyển ngày càng nhanh sang năng lượng tái tạo chỉ là một trong các lý do dẫn đến sự gia tăng trong các ước lượng. Vấn đề trở nên trầm trọng hơn do đặc tính vật lý của mạng lưới điện xoay chiều. Lưới điện của Đức, cũng giống như trên toàn thế giới, về cơ bản là một mạch điện hình thành bởi nhiều đường dây cao thế nối với nhau thành một mạng lưới. Dòng điện chạy một cách tự do trên toàn lưới điện theo một đường dẫn có điện trở thấp nhất, mà đường dẫn này thay đổi liên tục khi các nhà máy điện trên toàn nước Đức (và Châu u) tăng hay giảm công suất cũng như khi hàng triệu hộ gia đình, công sở, và nhà máy sử dụng các thiết bị và máy móc.

Truyền nhiều công suất hơn từ điểm A đến điểm B trên lưới điện xoay chiều thường yêu cầu xây dựng nhiều đường dây để đảm bảo dòng điện không gây quá tải cho các nhánh yếu nhất trên lưới điện. Mặc dù vài công nghệ mới có thể ép điện năng xoay chiều chạy theo một đường dây cụ thể [xem bài “Flexible AC Transmission: The FACTS Machine,” Spectrum, 01/2011], chúng khá tốn kém khi triển khai trên diện rộng.

Tuốc-bin điện đang được xây dựng ngoài khơi Biển Bắc của Đức. Tổ hợp điện gió Bard Offshore 1 sẽ có 80 tuốc-bin. Trong hình là một tuốc-bin bên cạnh một giàn chuyển đổi HVDC. Ảnh: Bard Engineering.

Tuốc-bin điện đang được xây dựng ngoài khơi Biển Bắc của Đức. Tổ hợp điện gió Bard Offshore 1 sẽ có 80 tuốc-bin. Trong hình là một tuốc-bin bên cạnh một giàn chuyển đổi HVDC. Ảnh: Bard Engineering.

HVDC là một giải pháp tinh tế hơn. Nhờ các thiết bị điện tử công suất đặt ở mỗi đầu, một đường dây HVDC có thể hoạt động như một đường truyền tải điện dung lượng cao, lấy điện từ một nơi gần với nơi điện được tạo ra và đưa điện vào mạng điện xoay chiều ở một nơi cách xa hàng trăm hay hàng ngàn cây số. Hướng truyền và công suất được truyền tải trên một đường dây có thể được điều khiển một cách chính xác, điều không thể thực hiện được trên một đường dây xoay chiều bên trong mạng điện. Các thiết bị điện tử công suất cần có để thực hiện điều này có thể đẩy giá thành của một đường dây HVDC lên cao hơn hẳn so với giá thành của đường dây xoay chiều. Tuy nhiên khi các công ty truyền tải điện của Đức xem xét chi phí tổng cộng, họ thấy rằng một hệ thống điện một chiều sẽ là cách rẻ hơn để giúp cả nước chuyển sang sử dụng năng lượng tái tạo vì lý do chính là họ phải xây dựng hay nâng cấp ít đường dây hơn.

Một yếu tố làm cho HVDC trở nên hấp dẫn là những cải tiến trên các bộ chuyển đổi—thiết bị nằm ở mỗi đầu của đường dây để chuyển dòng điện xoay chiều thành một chiều, và ngược lại. Các đường dây HVDC kiểu cũ sử dụng các bộ chuyển đổi hoạt động bằng các thyristors vốn hiệu quả nhưng tính năng lại bị giới hạn. Chúng phụ thuộc vào hệ thống điện xoay chiều để hoạt động. Do vậy, ngày nay các đường dây HVDC kiểu cũ thường được chọn cho các tuyến truyền tải dài, chuyển tải công suất từ các nguồn ổn định, như thuỷ điện, mà mạng điện xoay chiều có thể hấp thụ khá dễ dàng.

(xem tiếp Phần 2: Bộ chuyển đổi HVDC)


Advertisements

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Đăng xuất / Thay đổi )

Connecting to %s

%d bloggers like this: