Các trang trại gió ngoài khơi được kết nối bằng lưới điện dưới nước để truyền tải có thể cách mạng hóa năng lượng Bờ Đông
Cách xương sống truyền tải ngoài khơi có thể giảm số lượng đường dây truyền tải và giao cắt trên đất liền. Nguồn: Minh họa của Billy Roberts, NREL
Gió ngoài khơi mạnh có khả năng cung cấp cho các bờ biển dòng điện sạch lớn và ổn định. Một nghiên cứu ước tính các trang trại gió ngoài khơi có thể đáp ứng nhu cầu điện toàn cầu dự kiến gấp 11 lần vào năm 2040.
Bờ biển phía Đông Hoa Kỳ là địa điểm lý tưởng để khai thác nguồn điện này, nhưng có một vấn đề: đưa điện từ các trang trại gió đại dương đến các thành phố và thị trấn cần điện.
Mặc dù mọi người đều muốn có nguồn điện đáng tin cậy trong nhà và doanh nghiệp của mình, nhưng ít người ủng hộ việc xây dựng các đường dây truyền tải cần thiết để đưa điện đến đó. Đây luôn là một vấn đề, cả ở Hoa Kỳ và quốc tế, nhưng nó đang trở thành một thách thức thậm chí còn lớn hơn khi các quốc gia đang nhanh chóng hướng tới các hệ thống năng lượng carbon ròng bằng không, sử dụng nhiều điện hơn.
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và 10 tiểu bang trong Nhóm hợp tác truyền tải liên vùng các tiểu bang Đông Bắc đang nghiên cứu một giải pháp có khả năng biến đổi: các kế hoạch cho một lưới điện ngoài khơi.
Cốt lõi của lưới điện này sẽ là các đường dây truyền tải xương sống ngoài khơi Bờ biển phía Đông, từ Bắc Carolina đến Maine, nơi hàng chục dự án điện gió ngoài khơi đã và đang được triển khai.
Các kế hoạch hình dung rằng nó sẽ hỗ trợ ít nhất 85 gigawatt điện gió ngoài khơi vào năm 2050—gần với mục tiêu của Hoa Kỳ là 110 GW điện gió đã lắp đặt vào giữa thế kỷ, đủ để cung cấp điện cho 40 triệu hộ gia đình và tăng từ 0,2 GW hiện nay. Bộ Năng lượng và Northeast States Collaborative đã chính thức hóa các mục tiêu của họ vào tháng 7 năm 2024 thông qua biên bản ghi nhớ đa tiểu bang.
Nghiên cứu mới nổi từ Bộ Năng lượng, công ty nghiên cứu Brattle và các nhóm khác cho thấy rằng lưới điện ngoài khơi có thể giảm bớt những thách thức chính trong việc xây dựng đường dây truyền tải mới trên đất liền và giảm chi phí điện gió ngoài khơi.
Việc cắt giảm chi phí sẽ là tin đáng mừng - chi phí dự án điện gió ngoài khơi đã tăng tới 50% từ năm 2021 đến năm 2023. Mặc dù một số nguyên nhân cơ bản đã lắng xuống, chẳng hạn như lạm phát và gián đoạn chuỗi cung ứng toàn cầu, lãi suất vẫn ở mức cao và ngành công nghiệp này vẫn đang cố gắng tìm chỗ đứng tại Hoa Kỳ.
Lưới điện ngoài khơi là gì?
Các dự án điện gió ngoài khơi hiện nay sử dụng thiết kế điểm-đến-điểm hoặc thiết kế xuyên tâm, trong đó mỗi trang trại điện gió ngoài khơi được kết nối riêng lẻ với lưới điện trên bờ.
Phương pháp này hiệu quả nếu một khu vực chỉ có một vài dự án, nhưng nó nhanh chóng trở nên tốn kém hơn do hệ thống cáp và cơ sở hạ tầng khác. Các đường dây của nó cũng gây gián đoạn cho cộng đồng và sinh vật biển. Và nó đòi hỏi phải nâng cấp lưới điện trên bờ tốn kém hơn.
Truyền tải ngoài khơi được phối hợp có thể tránh được nhiều chi phí đó với những gì Bộ Năng lượng gọi là thiết kế "mạng lưới" hoặc "xương sống".
Thay vì kết nối riêng lẻ với đất liền, nhiều trang trại điện gió ngoài khơi sẽ được kết nối với một đường dây truyền tải chung, sẽ kết nối với lưới điện trên bờ thông qua các "điểm kết nối" được bố trí chiến lược. Theo cách này, điện do một trang trại điện gió ngoài khơi sản xuất sẽ được truyền đến nơi cần thiết nhất, dọc theo Bờ biển phía Đông.
Một số khu vực dọc theo thềm lục địa Đại Tây Dương đã được cho thuê để phát triển điện gió. Nguồn: Bộ Nội vụ Hoa Kỳ, 2024
Thậm chí còn tốt hơn, điện được tạo ra trên bờ cũng có thể được truyền qua các đường dây chung này để chuyển năng lượng đến nơi cần thiết. Điều này có thể cải thiện khả năng phục hồi của lưới điện và giảm nhu cầu về các đường dây truyền tải mới trên đất liền, vốn nổi tiếng là khó được chấp thuận, đặc biệt là ở Bờ Đông.
Truyền tải ngoài khơi phối hợp là một phần trong các cuộc thảo luận ban đầu của Hoa Kỳ về quy hoạch và phát triển điện gió ngoài khơi. Vào cuối những năm 2000, khi Google và các đối tác lần đầu tiên đề xuất Atlantic Wind Connection, một dự án truyền tải ngoài khơi, những lợi ích ở cả năng lượng tái tạo ngoài khơi và toàn bộ hệ thống năng lượng đều rất hấp dẫn. Vào thời điểm đó, Hoa Kỳ chỉ có một dự án điện gió ngoài khơi quy mô tiện ích đang được triển khai và cuối cùng đã thất bại.
Ngày nay, Hoa Kỳ có 53 GW dự án điện gió ngoài khơi đang được quy hoạch hoặc phát triển. Là những nhà nghiên cứu năng lượng, chúng tôi tin rằng truyền tải ngoài khơi phối hợp rất quan trọng để ngành công nghiệp này thành công ở quy mô lớn.
Lưới điện ngoài khơi có thể tiết kiệm tiền, giảm tác động
Bằng cách cho phép điện từ các trang trại gió ngoài khơi và máy phát điện trên bờ đi đến nhiều nơi hơn, việc truyền tải phối hợp có thể nâng cao độ tin cậy của lưới điện và cho phép điện đến nơi cần nhất. Điều này làm giảm nhu cầu về các nhà máy điện đắt tiền hơn và thường gây ô nhiễm hơn.
Một báo cáo năm 2024 từ Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia cho thấy lợi ích của thiết kế phối hợp cao hơn gần ba lần so với chi phí khi so sánh với điểm đến điểm tiêu chuẩn
thiết kế.
Các nghiên cứu từ Châu Âu, Vương quốc Anh và Brattle đã chỉ ra những lợi ích bổ sung, bao gồm giảm lượng khí thải carbon làm nóng hành tinh, cắt giảm số lượng các điểm giao cắt bãi biển xuống một phần ba và giảm số dặm cáp truyền tải cần thiết từ 35% đến 60%.
Một số khu vực dọc theo thềm lục địa Đại Tây Dương đã được cho thuê để phát triển điện gió. Nguồn: Bộ Nội vụ Hoa Kỳ, 2024
Tại Hoa Kỳ, các đường dây truyền tải ngoài khơi sẽ gần như hoàn toàn nằm trong vùng biển liên bang, có khả năng tránh được nhiều xung đột liên quan đến các dự án trên bờ, mặc dù vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức.
Những thách thức và bước tiếp theo
Việc xây dựng một lưới điện ngoài khơi sẽ đòi hỏi một số thay đổi quan trọng.
Đầu tiên là thay đổi các ưu đãi của chính phủ. Khoản tín dụng thuế đầu tư liên bang cho điện gió ngoài khơi, bao gồm ít nhất 30% chi phí vốn trả trước của một dự án, hiện không giúp thanh toán cho các thiết kế truyền tải được phối hợp.
Thứ hai, việc lập kế hoạch cần phải tính đến mối quan tâm của mọi người ngay từ đầu. Mặc dù lợi ích chung của các thiết kế truyền tải phối hợp lớn hơn tổng chi phí, nhưng ai nhận được lợi ích và ai chịu chi phí là vấn đề quan trọng. Ví dụ, các máy phát điện đắt tiền hơn có thể kiếm được ít tiền hơn và một số cộng đồng cảm thấy bị đe dọa bởi sự phát triển ngoài khơi.
Thứ ba, cần có sự phối hợp chặt chẽ hơn giữa tất cả những người liên quan để phân phối điện đến và đi từ các lưới điện khu vực. Sắc lệnh 1920 gần đây của Ủy ban quản lý năng lượng liên bang, yêu cầu các nhà cung cấp điện phải lập kế hoạch cho nhu cầu trong tương lai, có thể đóng vai trò là bản thiết kế, nhưng không áp dụng cho các dự án liên vùng, chẳng hạn như xương sống truyền tải ngoài khơi kết nối hơn một chục tiểu bang trên ba khu vực.
Hoa Kỳ đã đạt được một cột mốc quan trọng vào tháng 3 năm 2024 với việc hoàn thành South Fork Wind, trang trại gió quy mô tiện ích đầu tiên của đất nước, đưa công suất điện gió ngoài khơi của Hoa Kỳ lên gần 200 megawatt. Tám dự án khác đang được xây dựng hoặc được phê duyệt để xây dựng. Sau khi hoàn thành, chúng sẽ đưa công suất lắp đặt lên hơn 13 gigawatt, tương đương với ba chục nhà máy điện chạy bằng than.
Đường truyền điện xương sống ngoài khơi có thể hỗ trợ phát triển điện gió ngoài khơi và nhu cầu năng lượng của Bờ Đông cho nhiều thế hệ mai sau.
