Mạng lưới điện hiện đại, an toàn, tiết kiệm

Năm 2003, một nhà máy điện ở bang Ohido bị hỏng đột xuất, chính quyền Bang đã phải lấy điện từ các nơi khác để đảm bảo nhu cầu của người dân. Khi đó, dòng điện trên đường dây cao thế bị tăng lên, dây điện bị nóng và chùng xuống, làm chập mạch điện. Tương tự như Đôminô, lần lượt hơn 200 nhà máy điện bị hỏng, khiến hơn 50 triệu dân không có điện để dùng.

Theo nhận định chung, mạng lưới điện của Mỹ hiện nay được thừa hưởng công nghệ của thế kỷ XX, đã không còn phù hợp cho thế kỷ XXI, khi mà yêu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao và xu hướng chuyển sang dùng các dạng năng lượng sạch thay thế cho xăng dầu cũng gia tăng không ngừng.

Sau sự cố đó, Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đã tổ chức nhiều cuộc thảo luận, tập hợp ý kiến các nhà khoa học... để xây dựng một đề án nhằm tìm ra giải pháp tối ưu cho mạng lưới điện trong thời gian tới. Đề án có tên là Continental SuperGrid (có nghĩa là siêu mạng lưới cho lục địa, gọi tắt là SuperGrid). Mục tiêu của Đề án là thêm vào mạng lưới điện đang có để có được mạng lưới cấp điện mạnh hơn, an toàn hơn, không những đáp ứng nhu cầu ngày càng gia tăng mà còn đáp ứng nhu cầu sử dụng hyđrô (hoá năng) thay thế dần cho xăng dầu trong hoạt động giao thông, đảm bảo xanh, sạch và rẻ. Những nét chính của Đề án là:

- Làm thêm những đường dây siêu dẫn để dẫn dòng điện cực lớn nhưng không bị tổn hao.

- Dùng các nhà máy điện hạt nhân thế hệ 4, không làm lạnh bằng nước mà bằng khí, có thể đặt xa khu dân cư. Dùng dây siêu dẫn để tải điện cũng như tải hyđrô từ các nhà máy điện hạt nhân.

- Kết hợp làm đường dây siêu dẫn với đường tải khí hyđrô. Hyđrô vừa dùng để làm lạnh dây siêu dẫn, vừa để dự trữ năng lượng.

- Kết hợp sử dụng năng lượng điện và năng lượng hyđrô, giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ.

Dẫn điện bằng dây siêu dẫn

Ý tưởng dùng dây siêu dẫn để dẫn điện đã được các nhà khoa học ở IBM đề xuất từ những năm 60 của thế kỷ XX. Theo tính toán thời đó thì có thể làm dây siêu dẫn thiếc - niôbi, làm lạnh bằng hyđrô lỏng, có thể tải được 100 gigawatt điện, bằng sản lượng của 50 nhà máy điện hạt nhân loại vừa, quãng đường tải điện là 1.000 km mà tổn hao không đáng kể.

Ở Mỹ (New York, Brookhaven) và ở Áo (Graz), người ta đã làm thử đường dây siêu dẫn ở khoảng cách ngắn và thấy rằng chúng có thể hoạt động tốt. Sau khi chế tạo thành công vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (năm 1986), các nhà khoa học đã đi đến kết luận, đường dây siêu dẫn làm lạnh bằng nitơ lỏng dẫn điện một chiều dài 800 km, công suất là 5 gigawatt là cạnh tranh được về mặt kinh tế. Tuy nhiên ở Đề án này, chủ trương làm dây siêu dẫn nhưng làm bằng hyđrô để đường dây vừa tải được điện vừa tải được hyđrô, tức là đồng thời cung cấp nguồn điện năng và hoá năng.

Bên cạnh việc làm thêm các đường dây siêu dẫn để tải hàng trăm gigawatt điện đi xa, những đường dây cao thế hiện nay có thể cải tiến bằng cách thay dây đồng bằng dây nhôm lõi sợi cacbon. Loại dây này dẫn điện tốt nhưng nhẹ, khi dòng điện lớn chạy qua ít bị chùng xuống như dây đồng. Tuy nhiên, nếu tải điện đột xuất tăng lên thì phải sử dụng đường dây siêu dẫn.

Nhà máy điện hạt nhân thế hệ mới

Theo Đề án SuperGrid, việc bổ sung nguồn điện có thể là từ các nguồn năng lượng gió, mặt trời... cho đến điện từ các nhà máy điện hạt nhân.

Năm 2005, Mỹ đã bắt đầu phát triển “nhà máy điện hạt nhân thế hệ 4” - lò phản ứng nhiệt độ cao, làm lạnh bằng khí. Các nhà máy điện hạt nhân thế hệ trước đều làm lạnh bằng nước và đặt gần khu dân cư, do vậy dễ gây tranh cãi và phản đối. Với nhà máy điện hạt nhân thế hệ mới, rất dễ xây dựng thành những cụm nhà máy đặt ở nơi xa khu dân cư, tổng công suất mỗi cụm nhà máy này khoảng 10 gigawatt. Điện của các nhà máy điện hạt nhân này không nhất thiết phải chuyển đi hết mà có thể dùng để chế tạo hyđrô làm hoá năng, vừa để dự trữ, vừa để chuyển đi theo các đường dây siêu dẫn. Như vậy, việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân là một biện pháp quan trọng để thay thế dần và giảm bớt sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu dầu mỏ.

Siêu cáp

Để tải nhiều gigawatt điện đi xa, yêu cầu của Đề án đặt ra là dây dẫn phải hoàn chỉnh, không làm tiêu hao năng lượng. Do đó, đã có nhiều mô hình thử nghiệm về dây siêu dẫn, biến thế siêu dẫn, thiết bị báo hiệu quá tải của dây siêu dẫn... Với siêu dẫn nhiệt độ cao, đã có thử nghiệm về dây siêu dẫn được chế tạo trên cơ sở oxit đồng làm lạnh bằng nitơ ở 77 độ Kelvin (-196 ^oC), nhưng dùng nitơ lỏng có thể làm lạnh đến 20 độ Kelvin và có thể chuyển sang dùng hợp kim siêu dẫn magiê điborit (MgB ₂).

Theo tính toán của các nhà khoa học, việc dùng dây siêu dẫn để tải dòng điện xoay chiều cỡ như ở mạng điện hiện nay thì tổn hao bằng 1/200 tổn hao năng lượng ở dây dẫn thường. Nhưng dùng dây siêu dẫn để tải dòng điện một chiều (DC) thì hầu như không bị tổn hao năng lượng. Đề án SuperGrid cho thấy, nếu làm 4 đường cáp siêu dẫn thì có thể chuyển hết toàn bộ lượng điện do một nhà máy như Nhà máy điện Tam Hiệp (Trung Quốc). Theo thiết kế của Đề án thì siêu cáp là ống dây siêu dẫn có đường kính 40 cm, ống dày 3,8 cm, bên ngoài có lớp vỏ bọc cách nhiệt đường kính 75 cm, vỏ bảo vệ lớp cách nhiệt dày 3 cm. Bên trong ống siêu dẫn là đường dẫn khí hyđrô (dẫn được 0,6 m3 khí hyđrô trong 1 giây), dòng điện trong ống là 50.000 ampe, chuyển tải được 5.000 megawatt điện (xem hình 1). Nếu dùng siêu cáp để dẫn dòng điện một chiều thì chỉ cần một đôi, để gần nhau và dùng kỹ thuật đào đường ngầm tiên tiến hiện nay thì có thể dễ dàng cho đi dưới mặt đất mà ít bị ảnh hưởng của việc giải phóng mặt bằng.

Năng lượng điện và năng lượng hyđrô

Đề án SuperGrid với cốt lõi là bố trí các đường cáp siêu dẫn, bớt sử dụng xăng dầu mà sử dụng phối hợp năng lượng điện và năng lượng hyđrô. Máy móc, thiết bị, phương tiện vận tải... hiện nay đã quá lệ thuộc vào dầu mỏ, dần dần cần phải chuyển sang dùng động cơ kiểu lai, chạy bằng điện sinh ra từ hyđrô, dùng pin nhiên liệu với khí hyđrô sẽ tiết kiệm được rất nhiều. Ví dụ, ô tô chạy bằng xăng chỉ có khả năng chuyển đổi 30-35% xăng thành năng lượng chuyển động. Trong khi đó, xe động cơ lai chạy bằng pin nhiên liệu có khả năng chuyển đổi tới 50%, thậm chí 60-65% nhiên liệu thành năng lượng chuyển động.

Vấn đề nan giải đối với ngành điện là điều kiện thời tiết và nhu cầu sử dụng của người dân luôn có sự biến đổi. Lúc thì nhu cầu dùng điện tăng lên rất mạnh, khiến cung không đủ cầu; lúc thì nhu cầu giảm xuống nhanh, điện sản xuất ra bị thừa, không tích trữ được và cũng không thể phân phối đi đâu. Việc kết hợp chuyển tải điện và chuyển tải hyđrô có thể điều tiết dễ dàng lúc chuyển tải trực tiếp năng lượng điện đi, lúc dùng năng lượng điện để chế tạo hyđrô (vừa để sử dụng, vừa để dự trữ).

Bộ Năng lượng Mỹ đã tổ chức nhiều cuộc thảo luận góp ý và triển khai thí điểm Đề án SuperGrid. Hiện nay, Bộ này đang có ý định làm thí điểm 1 km siêu cáp để tải cỡ vài trăm megawatt. Từ đó rút kinh nghiệm để làm siêu cáp dài 30-80 km nhằm giải quyết nhu cầu về truyền tải điện năng của mạng lưới điện hiện nay ở Mỹ. Dự kiến, để thực hiện được Đề án này, phải kêu gọi đầu tư nhiều tỷ USD.

Hình 2 giới thiệu quang cảnh lưới điện mới sau 10 năm thực hiện Đề án SuperGrid so sánh với mạng lưới điện hiện nay.

Nguồn: Tạp chí Hoạt động khoa học, số 08/2006