Một phần mười tổng lượng điện bị thất thoát trong lưới điện—cáp siêu dẫn có thể giúp
Những cơn bão chưa từng có vào đầu năm 2020 đã đánh sập sáu tháp truyền tải ở phía tây Victoria. Ảnh: Ausnet, CC BY
Đối với hầu hết chúng ta, truyền tải điện là một phần vô hình của cuộc sống hiện đại. Bạn bật công tắc và đèn sáng.
Nhưng cách chúng ta vận chuyển điện là rất quan trọng. Để chúng ta bỏ nhiên liệu hóa thạch, chúng ta sẽ cần một mạng lưới tốt hơn, kết nối năng lượng tái tạo ở các khu vực với các thành phố.
Lưới điện là hệ thống lớn, phức tạp. Việc xây dựng các đường dây truyền tải điện cao thế mới thường gây ra phản ứng dữ dội từ các cộng đồng lo lắng về tác động trực quan của các tòa tháp. Và lưới điện thế kỷ 20 của chúng ta mất khoảng 10% năng lượng được tạo ra dưới dạng nhiệt.
Một cách giải quyết? Sử dụng cáp siêu dẫn cho các phần chính của lưới điện. Một sợi cáp dài 17 cm có thể mang toàn bộ sản lượng của một số nhà máy hạt nhân. Các thành phố và khu vực trên khắp thế giới đã làm điều này để cắt giảm khí thải, tăng hiệu quả, bảo vệ cơ sở hạ tầng quan trọng trước thảm họa và chạy ngầm đường dây điện. Khi Úc chuẩn bị hiện đại hóa lưới điện của mình, nó sẽ làm theo. Đó là cơ hội ngàn năm có một.
Có vấn đề gì xảy ra với công nghệ đã được chứng minh là đúng của chúng tôi?
Nhiều.
Ưu điểm chính của đường dây truyền tải điện áp cao là chúng tương đối rẻ.
Nhưng giá rẻ để xây dựng đi kèm với chi phí ẩn sau này. Một cuộc khảo sát trên 140 quốc gia cho thấy lượng điện hiện đang bị lãng phí trong quá trình truyền tải tạo ra nửa tỷ tấn carbon dioxide đáng kinh ngạc—mỗi năm.
Lượng khí thải không cần thiết này cao hơn lượng khí thải từ tất cả các xe tải trên thế giới hoặc từ tất cả khí mê-tan bị đốt cháy tại các giàn khoan dầu.
Truyền tải điện không hiệu quả cũng có nghĩa là các quốc gia phải xây dựng thêm các nhà máy điện để bù đắp tổn thất trên lưới điện.
Lao động đã cam kết 20 tỷ đô la Úc để giúp lưới điện sẵn sàng cho năng lượng sạch. Điều này bao gồm thêm 10.000 km đường truyền. Nhưng những loại dòng? Hiện tại, các kế hoạch là dành cho cáp cao thế thông thường trên không mà bạn thấy rải rác ở vùng nông thôn.
Quy hoạch hệ thống do nhà điều hành thị trường năng lượng của Úc cho thấy nhiều dự án hiện đại hóa lưới điện sẽ sử dụng công nghệ của thế kỷ trước, cáp điện cao thế thông thường trên không. Nếu những kế hoạch này được tiến hành mà không xét đến chất siêu dẫn, thì đó sẽ là một cơ hội bị bỏ lỡ rất lớn.
Làm thế nào cáp siêu dẫn có thể giúp đỡ?
Siêu dẫn là nơi các electron có thể di chuyển mà không có điện trở hoặc mất mát. Được tích hợp vào dây cáp điện, nó hứa hẹn truyền tải điện năng không mất dữ liệu, trên cả khoảng cách dài và ngắn. Điều đó rất quan trọng, do các nguồn năng lượng mặt trời và gió đáng chú ý của Úc thường nằm cách xa những người sử dụng năng lượng trong các thành phố.
Chất siêu dẫn nhiệt độ cao có thể được làm mát chỉ bằng nitơ lỏng. Tín dụng: Shutterstock
Cáp siêu dẫn điện áp cao sẽ cho phép chúng ta cung cấp năng lượng với tổn thất tối thiểu do nhiệt hoặc điện trở và với diện tích nhỏ hơn ít nhất 100 lần so với cáp đồng thông thường cho cùng một sản lượng điện.
Và chúng kiên cường hơn rất nhiều trước thảm họa và thời tiết khắc nghiệt, vì chúng được đặt dưới lòng đất.
Quan trọng hơn nữa, một loại cáp siêu dẫn điển hình có thể cung cấp năng lượng bằng hoặc lớn hơn ở điện áp thấp hơn nhiều so với cáp truyền dẫn thông thường. Điều đó có nghĩa là không gian cần thiết cho máy biến áp và kết nối lưới giảm từ kích thước của một phòng tập thể dục lớn xuống chỉ bằng một nhà để xe đôi.
Đưa những công nghệ này vào lưới điện của chúng ta mang lại lợi ích xã hội, môi trường, thương mại và hiệu quả.
Thật không may, mặc dù các chất siêu dẫn đã phổ biến trong cộng đồng y tế của Úc (nơi chúng được sử dụng thường xuyên trong các máy chụp cộng hưởng từ và dụng cụ chẩn đoán), nhưng chúng vẫn chưa tìm thấy chỗ đứng trong lĩnh vực năng lượng của chúng ta.
Một lý do là chất siêu dẫn phải được làm mát để hoạt động. Nhưng tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ đông lạnh có nghĩa là bạn không còn phải giảm nhiệt độ của chúng gần như xuống độ không tuyệt đối (-273℃). Các chất siêu dẫn "nhiệt độ cao" hiện đại chỉ cần được làm lạnh đến -200℃, điều này có thể được thực hiện bằng nitơ lỏng—một chất rẻ tiền, sẵn có.
Tuy nhiên, ở nước ngoài, họ đang chứng tỏ bản thân hàng ngày. Có lẽ ví dụ nổi tiếng nhất cho đến nay là ở thành phố Essen của Đức. Vào năm 2014, các kỹ sư đã lắp đặt cáp siêu dẫn 10 kilovolt (kV) ở trung tâm thành phố đông đúc. Mặc dù chỉ dài một km, nhưng nó tránh được chi phí cao hơn khi xây dựng trạm biến áp thứ ba trong khu vực có không gian rất hạn chế cho cơ sở hạ tầng. Cáp của Essen kín đáo trong không gian rộng một mét và chỉ cách mặt đất 70 cm.
Cáp siêu dẫn có thể được đặt dưới lòng đất với diện tích tối thiểu và tiết kiệm chi phí. Họ cần ít đất hơn rất nhiều.
Một đường cáp điện áp cao trên không thông thường yêu cầu chiều rộng khoảng 130 mét, với các giá treo cao tới 80 mét để đảm bảo an toàn. Ngược lại, một dây cáp siêu dẫn ngầm sẽ có diện tích rộng 6 mét và sâu tới 2 mét.
Điều này có một lợi ích khác: khắc phục sự hoài nghi của cộng đồng. Hiện nay, nhiều người dân địa phương lo ngại về tính dễ bị tổn thương của dây cáp điện cao thế trên không ở các khu vực dễ xảy ra cháy rừng và nhạy cảm với môi trường, cũng như tác động trực quan của các tháp và đường dây lớn. Cộng đồng và nông dân ở một số vùng đang lên tiếng phản đối kế hoạch xây dựng các tòa tháp cao 85 mét mới và đường dây điện chạy qua hoặc gần vùng đất của họ.
Khí hậu cực đoan, bão gió chưa từng có, lượng mưa quá lớn và sét đánh có thể làm gián đoạn mạng lưới cung cấp điện, như thị trấn Moorabool ở Victoria đã phát hiện ra vào năm 2021.
Còn chi phí thì sao? Điều này rất khó xác định, vì nó phụ thuộc vào quy mô, tính chất và mức độ phức tạp của nhiệm vụ. Nhưng hãy cân nhắc điều này—cáp Essen có giá khoảng 20 triệu đô la vào năm 2014. Việc thay thế sáu tháp 500kV bị bão phá hủy gần Moorabool vào tháng 1 năm 2020 có giá 26 triệu đô la.
Mặc dù cáp siêu dẫn sẽ có chi phí ban đầu cao hơn, nhưng bạn tiết kiệm được bằng cách tránh các công trình phụ lớn, yêu cầu ít trạm biến áp hơn (vì nguồn điện ở điện áp thấp hơn) và hợp lý hóa các phê duyệt.
Chất siêu dẫn sẽ có tác dụng nhất ở đâu?
Queensland. Bang đầy nắng đang lập kế hoạch bốn dự án truyền tải điện cao thế mới, sẽ được xây dựng vào giữa những năm 2030. Mục tiêu là liên kết sản xuất năng lượng sạch ở phía bắc của tiểu bang với các trung tâm dân cư ở phía nam.
Ngay bây giờ, có những vấn đề tắc nghẽn nghiêm trọng giữa miền nam và miền trung Queensland. Vị trí chiến lược của các dây cáp siêu dẫn ở đây sẽ là vị trí tốt nhất, phục vụ cho cơ sở hạ tầng phù hợp với tương lai, giảm khí thải và tránh tổn thất điện năng.
