Vật lý của khối lượng quay không còn có thể xác định lưới điện

Vật lý của khối lượng quay không còn có thể xác định lưới điện

    Đằng sau một chiếc xe chở tiền mặt ở ngoại ô Liverpool là một xi lanh thép nặng 40 tấn quay 1.500 lần một phút. 500 megajoules động năng của nó tương đương với năng lượng hóa học được lưu trữ trong 100kg (220lb) tnt. Để giữ tiền mặt và mang theo và những người hàng xóm khác an toàn, toàn bộ thiết bị được kén trong bê tông cốt thép; Ở một bên của xi lanh, một hố thép cao su chờ đợi để bắt nó nếu nhiều hệ thống an toàn dự phòng bị hỏng.

    Tại sao phải lưu trữ những gì, về mặt lưới, một lượng năng lượng tương đối nhỏ (140 kilowatt-giờ) theo cách nguy hiểm tiềm tàng như vậy? Bởi vì sự cân bằng cung và cầu không phải là điều duy nhất cần thiết để giữ cho lưới điện hoạt động. Đảm bảo tần số vẫn ổn định, và do đó phần còn lại của chương trình vẫn trên đường, phụ thuộc vào các yếu tố khác — những thứ được cung cấp miễn phí khi bạn kết nối một cục kim loại quay nhanh lớn với lưới điện, nhưng không phải khi bạn thêm năng lượng tái tạo. "Bình ngưng đồng bộ" tại Lister Drive Greener Grid Park cung cấp một số mojo kim loại kéo sợi mà lưới điện ngày càng nặng về năng lượng tái tạo thiếu. Tuy nhiên, trong tương lai, sẽ cần có những cách tiếp cận kỹ lưỡng hơn, những cách tiếp cận loại bỏ nhu cầu về bất kỳ kim loại kéo sợi nào và cho phép cả lưới điện và những người kết nối với chúng được hưởng những quyền tự do mà trước đây họ chưa bao giờ được hưởng.

    Sự đồng bộ hóa giữa các tuabin hơi nước quay của các nhà máy than, khí đốt, hydro và hạt nhân và lưới điện mà chúng cung cấp là một con đường hai chiều: các trường điện từ kết hợp chúng có nghĩa là các điều kiện trên lưới điện tiếp cận với hoạt động của máy phát điện và ngược lại. Điều này có nghĩa là các tính chất của kim loại kéo sợi và các kết nối của nó lan truyền ra lưới điện. Một tính chất như vậy là quán tính; Mong muốn bẩm sinh của tuabin là tiếp tục quay giới hạn sự dễ dàng mà tần số của lưới điện có thể dao động. Một cách khác là "công suất phản kháng", một lực cản mà bản chất của dòng điện xoay chiều áp đặt lên dòng năng lượng qua hệ thống và "dòng điện ngắn mạch". Công suất phản kháng có thể được sử dụng để đối phó với dao động điện áp. Dòng điện ngắn mạch tiết lộ lỗi và có thể được sử dụng để xóa chúng. Bởi vì các khía cạnh này của lưới điện như nó rất hữu ích cho hoạt động của nó, chúng được gọi là các dịch vụ phụ trợ.

    Tenets và cửa quay

    Các tấm pin mặt trời, tuabin gió và pin được kết nối với lưới điện thông qua các thiết bị điện tử được kiểm soát cẩn thận, thay vì thông qua lực lượng vũ phu của điện từ. Nguồn điện một chiều,  mà  các  tấm pin mặt trời và pin cung cấp được biến thành ac bởi bộ biến tần, chủ yếu sử dụng công nghệ như được tìm thấy trong các phòng van ở cuối  kết nối hvdc. Ac tần số thấp và thay đổi  được  tạo ra bởi tuabin gió được xử lý theo những cách tương tự. Do đó, pin và các trang trại gió và mặt trời đều được gọi là "tài nguyên dựa trên biến tần" (irbs) trong thương mại.

    Vấn đề với điều này là, hiện tại, các lưới điện trong đó IRB cung cấp hơn 60% năng lượng điện bắt đầu trở nên không ổn định nghiêm trọng nếu không có sự trợ giúp, theo Ben Koproski thuộc Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia của Mỹ ở Colorado. Phần lớn các biến tần ngày nay là những bộ biến tần "theo lưới", phun ra dòng điện với các đặc tính phù hợp với những gì mà các bộ biến tần nhìn thấy trên lưới. Điều này có nghĩa là không giống như tuabin, chúng không cung cấp cách nào để đẩy lưới điện theo hướng ưa thích. Thật vậy, chúng có thể làm trầm trọng thêm các điều kiện bằng cách khuếch đại sự mất cân bằng hiện có.

    Một cách để giải quyết vấn đề này là thông qua "dự trữ kéo sợi": các trạm đốt khí trong đó các tuabin được giữ quay trong khi tạo ra rất ít năng lượng. Nhưng điều này rất tốn vốn và đốt khí đốt tự nhiên theo cách đặc biệt không hiệu quả. Vì vậy, các nhà khai thác lưới điện ngày càng sẵn sàng trả tiền cho các lựa chọn thay thế. Các tuabin tại Drax kiếm tiền theo cách này, cũng như của Cruachan, một cơ sở thủy điện bơm của Scotland mà Drax đã mua vào năm 2018. Máy ngưng tụ đồng bộ tại Lister Drive cũng vậy, một cơ sở được thiết lập bởi Statkraft, một tiện ích của Na Uy. Và pin 100mw  mà Zenobe, một công ty pin của Anh, đã cắm vào lưới điện không xa Lister Drive cũng vậy. (Việc đóng cửa Fiddler's Ferry, một nhà máy nhiệt điện than lớn, dẫn đến sự thiếu hụt đáng lo ngại của các dịch vụ phụ trợ trong khu vực Liverpool, do đó đã trở thành một nơi mà các phương pháp mới đang được thử nghiệm.)

    Cài đặt này đặc biệt không phải vì pin của nó, mà vì bộ biến tần của nó; Thay vì theo lưới, chúng đang hình thành lưới. Điều này có nghĩa là chúng có thể được lập trình để cung cấp năng lượng cho lưới điện chính xác ở dạng và tần số mà các nhà khai thác lưới điện yêu cầu, bù đắp cho việc mất các dịch vụ phụ trợ. Biến tần tạo lưới cung cấp một bước thay đổi ra khỏi thế giới điện từ tức thời và vào một lĩnh vực mã và điện tử.

    Phần cứng chạy các hệ thống tạo lưới, phần lớn, ít khác biệt so với phần cứng trong các hệ thống theo lưới - nhưng các thuật toán định hình dòng điện chạy qua chúng tinh vi hơn nhiều. Và cách tiếp cận không phải giới hạn ở pin. Theo thời gian, tất cả các biến tần ở phía trước các trang trại gió và nhà máy năng lượng mặt trời đều có thể hình thành lưới; trong một số trường hợp, theo ông Koproski, sự thay đổi có thể không yêu cầu gì khác ngoài việc cập nhật phần mềm. Về mặt ổn định lưới điện, điều này sẽ  biến irb s từ một vấn đề thành một giải pháp. Ông Koproski coi điều này như biến một cái nhìn cũ về năng lượng tái tạo lên đầu. Với các thiết bị điện tử phù hợp, việc thêm năng lượng tái tạo và lưu trữ đi kèm với chúng vào lưới điện có thể làm cho nó ổn định hơn chứ không phải ít hơn.

    Lưới điện với các dịch vụ phụ trợ được cung cấp bởi các bộ biến tần trước các nguồn tái tạo cuối cùng, sẽ dễ dàng hơn và rẻ hơn để chạy so với những ngày đã qua. Dễ dàng hơn, bởi vì người vận hành lưới điện được cung cấp điện hoàn toàn thông qua các bộ biến tần hình thành lưới sẽ không cần phải nỗ lực quá nhiều để giữ tần số và điện áp lưới ổn định trên toàn hệ thống. Với tất cả các kết nối có khả năng điều chỉnh dễ dàng, hậu quả của tần số lang thang có thể được giải quyết. Để sử dụng sự tương tự của xe đạp bánh răng cố định, các thuật toán trong bộ biến tần tạo lưới sẽ chỉ cần nhìn vào bàn đạp của hệ thống truyền động quay dưới chân chúng và nhẹ nhàng, với thời gian hoàn hảo của máy tính, bắt đầu đạp lại theo bất kỳ cách nào phù hợp với chúng.

    Giới hạn nào cho sự tăng trưởng?

    Làm cho mọi thứ dễ dàng hơn có ý nghĩa đối với tốc độ mà lưới có thể được mở rộng. Bỏ qua sự quan liêu, đầu cơ và cho phép, việc bổ sung nhiều nguồn cung mới cho lưới điện ngày nay vẫn là một thủ tục thường khó khăn. Nếu tất cả các tài nguyên mới đều đi kèm với các thiết bị điện tử hình thành lưới, mọi thứ sẽ trở nên tốt hơn một chút plug-and-play; Các bổ sung mới sẽ có thể kết hợp chặt chẽ hơn với những gì lưới điện cần tại vị trí đó, thay vì yêu cầu lưới điện tự thích ứng với chúng.

    Thực tế là họ đã cung cấp các khả năng tương tự là một trong những yếu tố đằng sau sự lan rộng của các liên kết hvdc . Tiềm năng hình thành lưới của các phòng kết nối trên liên kết Caithness-Moray của sse đã khiến công ty xem xét trang bị chúng cho hành động cuối cùng của sự hình thành lưới điện: một "khởi đầu đen". Khởi động lại một lưới điện đã sụp đổ là một công việc khó khăn. Các máy phát điện gắn liền với tuabin hơi cần được quay bằng năng lượng diesel phụ trợ để quản lý nó; Biến tần theo lưới không tốt chút nào khi không có lưới điện để theo dõi. Các dịch vụ hình thành lưới điện làm cho mọi thứ dễ dàng hơn nhiều, đặc biệt là khi được kết nối với các tuabin gió tạo ra một lượng lớn năng lượng, như ở Caithness.

    Sự hấp dẫn bổ sung như vậy sẽ làm tăng sức hấp dẫn của hvdc, và khi nhu cầu tăng lên, công nghệ sẽ trở nên rẻ hơn. Điều đó sẽ tiếp tục thúc đẩy nhu cầu. Nó cũng sẽ làm cho các kết nối tham vọng hơn bao giờ hết có thể hình dung được.

    Có thể đi trước đường cong về điều này. Sun Cable, một công ty có kế hoạch xây dựng tuyến cáp dài 4.200km cung cấp năng lượng từ năng lượng tái tạo cho Singapore, gần đây đã phá sản. XLinks, một công ty khởi nghiệp, đang thúc đẩy một kế hoạch mang lại cho Anh 3,6GW  điện liên tục từ các nguồn tái tạo và pin dự phòng ở Morocco; chi phí của nó được đặt ở mức 18 tỷ bảng Anh (22 tỷ đô la), với 3.800km cáp được đề xuất chiếm một phần lớn trong tổng số. Nếu XLinks thịnh vượng, nhiều dự án như vậy chắc chắn sẽ theo sau.

    Lưới điện từ lâu đã là mục tiêu trong thời chiến: Ukraine đã bị tên lửa và đạn pháo của Nga tấn công

    Điều đó nói rằng, các gigalinks như vậy mang lại cho họ những lo ngại ngoài chi phí tài chính. Ngay cả trước khi xảy ra vụ đánh bom đường ống Nordstream 2 ở Baltic, ý tưởng nhận được một phần đáng kể năng lượng của bạn từ một nhà cung cấp duy nhất thông qua một chiếc rốn dài như vậy đã đặt ra câu hỏi về rủi ro chính trị vượt quá sức mạnh của công nghệ để giải quyết. Kết nối trực tiếp có thể mang lại cho họ sự phụ thuộc và dễ bị tổn thương.

    Lưới điện từ lâu đã là mục tiêu trong thời chiến: Ukraine đã bị tên lửa và đạn pháo của Nga tấn công. Chúng cũng là mục tiêu hấp dẫn cho các cuộc tấn công mạng. Nhu cầu cân bằng lưới có nghĩa là tấn công một thành phần tương đối nhỏ có thể tạo ra kết quả tàn phá khi các hiệu ứng gợn sóng thông qua hệ thống. Một mạng lưới càng gắn chặt với những người bên ngoài có an ninh nằm ngoài tầm kiểm soát của bạn, bạn càng có thể lo lắng hơn.

    Một lưới điện tử, với nhu cầu tính toán và giao tiếp nhiều hơn, có thể làm cho các lỗ hổng như vậy trở nên tồi tệ hơn. Và khi điện trở thành nguồn năng lượng chính cho ngày càng nhiều ứng dụng, các cuộc tấn công vào lưới điện có thể trở nên đáng sợ hơn. Mất điện tắt đèn và điều hòa không khí ngày nay cũng có thể làm tê liệt hệ thống sưởi và giao thông trong vài thập kỷ. Điều đó nói rằng, khả năng một cuộc tấn công vào một điểm yếu duy nhất gây ra sự cố xếp tầng trên lưới điện nên được giảm bằng các thiết bị điện tử mạnh mẽ. Làm cho lưới điện lớn hơn cũng có lợi ích, nếu các bộ phận xa hơn của chúng có thể được bảo vệ mạnh mẽ. Việc đồng bộ hóa lưới điện Ukraine với cesa ngay sau khi Nga xâm lược đã giúp ích cho nước này rất nhiều.

    Những lợi ích tiềm năng này đều là thứ yếu đối với thực tế là lưới điện thế giới phải thay đổi nếu thế giới muốn khử cacbon với tốc độ mà các chính sách khí hậu yêu cầu. Sự thay đổi đó nhất thiết sẽ phức tạp và tốn kém, bất kể công nghệ nào, với khoản đầu tư được tính bằng hàng chục nghìn tỷ đô la. Nhưng điều đáng chú ý là, nếu được thực hiện đúng cách, sự thay đổi to lớn và cần thiết này sẽ không chỉ đơn giản cho phép thế giới tiếp tục như khi đốt nhiên liệu hóa thạch. Bằng cách làm cho năng lượng dễ dàng di chuyển hơn bao giờ hết và cho phép thế hệ tiết kiệm chi phí nhất chiếm được nhiều thị trường hơn, theo thời gian, nó sẽ làm cho năng lượng đó rẻ hơn. Lưới điện mạnh mẽ mà thế hệ giá rẻ có thể được thêm vào dễ dàng sẽ có thể cung cấp năng lượng dồi dào mà nhiên liệu ngày nay không bao giờ có thể.

    Một trong những lợi thế lớn nhất là một lượng đáng kể sự đối kháng giữa những người ủng hộ lưới điện cơ bắp hơn bao giờ hết và các hệ thống phi tập trung hơn có thể tàn lụi. Biến tần tạo lưới cho phép các lưới điện siêu nhỏ và lưới vĩ mô được nối với nhau dễ dàng hơn nhiều. Chúng cũng giúp người tiêu dùng gắn liền với lưới điện xây dựng hệ thống phát điện và lưu trữ của riêng họ theo cách mà lưới điện có thể sử dụng. Miễn là một số tiêu chuẩn được tuân thủ, những gì xảy ra phía sau biến tần có thể ở phía sau biến tần. Nhưng sức mạnh có thể vào và ra.

    Một vòng tròn đạo đức trong đó sự phát triển của lưới điện giúp các nguồn điện dễ dàng phát triển hơn nữa sẽ không phải là chưa từng có. Cũng có một vòng phản hồi tích cực tương tự trong hệ thống năng lượng cũ. Động cơ và máy phát điện tốt hơn làm cho việc khai thác, phân phối và tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch rẻ hơn, giúp có thể cung cấp cho nhiều động cơ và máy phát điện hơn bao giờ hết. Nhưng sự tăng trưởng đó phải đối mặt với hai bộ giới hạn. Một nhóm được áp đặt bởi những hạn chế về kinh tế và chính trị đối với việc cung cấp nhiên liệu, nhóm còn lại theo mức độ mà môi trường có thể hấp thụ chất thải không thể tránh khỏi. Sự khéo léo, đầu tư và nghệ thuật nhà nước có thể được sử dụng để di chuyển các giới hạn đầu tiên trở lại; Thiển cận, lợi ích được trao và phạm vi tuyệt đối của vấn đề đã cố gắng bỏ qua bộ giới hạn thứ hai. Nhưng cả hai ràng buộc đều không bị bãi bỏ. Và cả hai đều không áp dụng theo cách tương tự cho một hệ thống thống trị điện được cung cấp bởi năng lượng tái tạo và năng lượng hạt nhân, được hỗ trợ bởi lưu trữ đầy đủ và được kết nối bởi một lưới điện linh hoạt, ổn định, hỗ trợ điện tử.

    Không có gì có thể trở nên tốt hơn mãi mãi. Hệ thống năng lượng không sử dụng nhiên liệu hóa thạch mà các lưới điện mới sẽ cho phép chắc chắn sẽ phải đối mặt với những hạn chế của riêng nó. Nhưng chúng sẽ không ở dạng giới hạn nhiên liệu của nó, và chúng sẽ không được tìm thấy trong thiệt hại gây ra khi các chu kỳ cơ bản của Trái đất bị cố tình phá vỡ. Chi phí trả trước của việc xây dựng lưới điện là rất lớn. Thách thức trong việc đáp ứng các mục tiêu cung cấp điện không hóa thạch cần thiết nếu khí hậu được ổn định là vô cùng khó khăn. Nhưng một khi sự thay đổi được tiến hành tốt và chi phí bắt đầu giảm, không thể nói trước mọi thứ sẽ dừng lại ở đâu. 

    Bài viết này xuất hiện trong phần Technology Quarterly của ấn bản in dưới tiêu đề "Back in black"

     

    Zalo
    Hotline