Các công nghệ thế hệ tương lai dùng cho các hệ thống cung cấp điện

Lưới điện cần nâng cấp và cập nhật nhiều hơn cho sự tiến hóa công nghệ ngày nay

Hệ thống cung cấp điện đang bị thách thức từ mọi phía và có phần quá sức. Theo dự kiến, nhu cầu phụ tải ​​sẽ tăng hơn 10% vào năm 2030 trong khi phải đối mặt với những tác động cực đoan của thời tiết. Các trung tâm dữ liệu siêu lớn có nhu cầu năng lượng ngày càng tăng. Ngành công nghiệp chuyển đổi từ sản xuất nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng sạch càng làm trầm trọng thêm vấn đề. Ngoài ra, công suất truyền tải không đủ để cung cấp điện của khách hàng.

Ngành công nghiệp điện đã và đang làm mọi thứ có thể để cân bằng cung và cầu. Mọi dấu hiệu đều cho thấy các công nghệ truyền thống đã đạt đến giới hạn của chúng khi nói đến việc sử dụng hiệu quả cơ sở hạ tầng của hệ thống cung cấp điện. Có vẻ như đã đến lúc tập trung vào nhiều phương pháp phi truyền thống hơn. Một trong những phương pháp phổ biến nhất trong số đó là trí tuệ nhân tạo (AI) và các công cụ tích hợp AI. Chúng đã có tác động tích cực, nhưng việc sử dụng chúng đã làm tăng mức tiêu thụ điện của các trung tâm dữ liệu, gây ra nhiều vấn đề khác.

Theo Công ty Nghiên cứu ResearchAndMarkets (Ireland), thị trường trung tâm dữ liệu quy mô toàn cầu sẽ tăng từ 162,79 tỷ USD vào năm 2024 lên 608,54 tỷ USD vào năm 2030. Đó là tỉ lệ tăng trưởng kép hàng năm lên tới 24,6%! Họ cho rằng sự tăng trưởng này là do "Các doanh nghiệp ngày càng áp dụng điện toán đám mây". Nói cách khác, việc sử dụng các công nghệ liên quan đến AI sẽ tiếp tục, đòi hỏi một hệ thống điện dẻo dai.

Công nghệ thế hệ tương lai

Các công nghệ mới lạ ngày nay đại diện cho cả cơ hội và thách thức kinh doanh, tuy nhiên nhiều người vẫn xem chúng là các công nghệ của tương lai.

Một nhóm các ứng dụng thế hệ tương lai có vẻ “quá tốt đến mức khó tin” nằm ở các công nghệ tăng cường lưới điện (GET) đang nổi lên. Thành thật mà nói, các ứng dụng GET không phải là khoa học viễn tưởng. Chúng là các công cụ lưới điện có sẵn ngoài thị trường từ nhiều nhà cung cấp trên thị trường cạnh tranh.

Công nghệ DLR có thể tăng thêm 20% đến 30% công suất cho đường dây điện có sẵn (Ảnh st)

Các dây dẫn tiên tiến và công nghệ đánh giá động đường dây (DLR) đã có sẵn trong nhiều năm. Chúng là một công nghệ thương mại và đang tạo ra những tác động to lớn ở nơi sử dụng chúng. Tuy chúng vẫn gặp phải sự phản kháng khi triển khai, nhưng các nghiên cứu đã chỉ ra rằng DLR có thể tăng thêm 20% đến 30% công suất cho đường dây điện có sẵn. Các dây dẫn tiên tiến có thể truyền tải lượng công suất điện gấp hai đến ba lần so với các dây dẫn truyền thống có cùng kích thước. Việc sử dụng cả hai công nghệ này sẽ gây ảnh hưởng lớn đến mục tiêu khử phát thải cacbon vào năm 2030 nhằm bổ sung thêm công suất truyền tải của lưới điện.

Tư duy cũ, cùng với sự khăng khăng của mỗi công ty điện lực trong việc thực hiện phân tích của riêng họ, là một rào cản đáng kể khi áp dụng các phương pháp mới. Đã bao lần những ý tưởng mới bị đáp trả bằng câu nói cũ rích "Chúng tôi chưa bao giờ làm theo cách đó"? Trong vài năm qua, Ủy ban quản lý năng lượng liên bang đã ban hành một loạt các lệnh khuyến khích các công ty điện lực và các nhà điều hành lưới điện đưa GET vào các nghiên cứu lập kế hoạch của họ. May mắn thay, điều đó sẽ giúp các công ty điện lực vượt qua sự phản kháng này.

Sự thay đổi đang đến

Hàng trăm nhà máy điện đã hoặc sẽ ngừng hoạt động có thể chuyển đổi thành nguồn năng lượng sạch bằng cách sử dụng SMR (Ảnh st)

Tại sao lại có sự phản kháng đối với sự đổi mới như vậy? Thật phức tạp; sự thay đổi khiến chúng ta không thoải mái. Các công nghệ mới đòi hỏi phải có kiến ​​thức về các ứng dụng trước khi chúng ta tin tưởng vào chúng. Ngoài ra, những công nghệ tiên tiến này diễn ra với tốc độ chóng mặt cũng không giúp ích gì. Đôi khi, chính các yếu tố bên ngoài lại thúc đẩy sự đổi mới như các trung tâm dữ liệu siêu lớn hút một lượng lớn điện năng từ lưới điện 24/7.

Chúng ta hãy thảo luận một chút về công nghệ lò phản ứng nhỏ dạng môđun (SMR). Nhiều năm trước, người ta giới thiệu các SMR như một lò phản ứng di động để sử dụng với các lưới điện siêu nhỏ. Hiện nay, đây là công nghệ cần cập nhật thêm vì nó đang tiến gần hơn đến giai đoạn sẵn sàng bày bán. SMR đang chuyển sang trạng thái “triển khai trong thời gian ngắn” như IAEA (Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế) đã nói.

Theo báo cáo của IAEA, trên toàn cầu hiện có hơn 80 thiết kế SMR. Phần lớn trong số này đang ở các giai đoạn phát triển khác nhau, nhưng có “một số được cho là có thể triển khai trong ngắn hạn.” Ngoài ra, Đại học Nông nghiệp và Cơ khí bang Texas (Texas A&M) đã thông báo sẽ dành đất cho bốn công ty hạt nhân để thúc đẩy nhanh việc triển khai các lò SMR của họ. A&M gọi dự án này là “Khu thử nghiệm năng lượng” (The Energy Proving Ground) ⁽¹⁾.

Một chút thông tin cơ bản - tờ New York Times gần đây đã đưa tin rằng khoảng 780 nhà máy nhiệt điện than lớn đã ngừng hoạt động kể từ năm 2000, chỉ còn chưa đến 400 nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch này đang hoạt động. Nhiều tổ máy trong số này cũng đã nằm trong chỉ định ngừng hoạt động, điều này đã gây chú ý vì sự mất quán tính mà các nhà máy này gây ra. Đó là một vấn đề đã thu hút sự quan tâm ngày càng tăng từ các bên liên quan đến lưới điện khác. DOE (Bộ Năng lượng Mỹ) gần đây đã công bố một hướng dẫn thông tin chuyển đổi từ than sang hạt nhân chứa đầy dữ liệu.

DOE giải thích rằng hàng trăm nhà máy điện đã hoặc sẽ ngừng hoạt động này có thể sẽ chuyển đổi thành các nguồn năng lượng sạch bằng cách sử dụng các SMR. Việc này không chỉ tiết kiệm chi phí xây dựng mà còn giúp các máy điện quay tạo ra quán tính trong dịch vụ. Thêm vào đó, chúng đã kết nối với lưới điện thông qua các đường dây truyền tải hiện có. Các bên liên quan đang đánh giá về tính khả thi của ứng dụng khác biệt này. Có rất nhiều lợi ích dành cho SMR và lưới điện, vì vậy đây là một xu hướng đáng để theo dõi.

Mới mẻ và cải tiến

Trong khi tìm hiểu về công nghệ SMR, một công nghệ năng lượng sạch khác đã xuất hiện và có tiềm năng. Đó là biến thể mới nhất của công nghệ năng lượng địa nhiệt, gọi là "hệ thống điện địa nhiệt nâng cao"⁽²⁾. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) rất hào hứng với các dự án địa nhiệt nâng cao này. IEA tiên đoán chúng có thể chiếm tới 15% năng lượng toàn cầu, tăng từ 1% hiện nay. Giống như công nghệ SMR, các nhà máy điện địa nhiệt nâng cao có thể hoạt động liên tục ở công suất tối đa.

Hệ thống điện địa nhiệt nâng cao (Ảnh st)

Những tiến bộ trong công nghệ rất đa dạng. Một lĩnh vực đầy hứa hẹn là "các khối đá siêu nóng nằm sâu trong lòng đất". Người ta đã chứng minh khoan giếng sâu là một quy trình từ ngành dầu khí. Các giếng này có độ sâu trung bình là 3,1km, nhưng đó không phải là một hạn chế. Các giếng sâu hơn giúp các hệ thống điện địa nhiệt cải thiện hoạt động ở bất kỳ đâu trên Trái đất. Giống như các ứng dụng SMR, có thể khoan các giếng sâu hơn tại các nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch đã hoặc sắp ngừng hoạt động và cung cấp một phương pháp khác để cung cấp năng lượng sạch cho chúng.

Đây không phải là công nghệ tiên tiến duy nhất mà các nhà khoa học đang nghiên cứu để ứng dụng điện địa nhiệt nâng cao. Một số nhà phát triển địa nhiệt đang phát huy lợi thế AI, khoan theo phương ngang, cảm biến sợi quang phân tán (DFOS) và nhiều công nghệ khác. Khoan theo phương ngang cho phép tạo ra các vòng mạng mắt lưới thu nhiệt sẽ lắp đặt trong các tầng đá ngầm nóng. DFOS sử dụng cáp quang để cung cấp khả năng theo dõi thời gian thực các điều kiện ngầm dưới lòng đất. AI có nhiều ứng dụng từ việc hiểu dữ liệu tạo ra dưới lòng đất đến việc xác định những vị trí tốt nhất để xây dựng các dự án địa nhiệt mới.

Bạn còn nhớ câu nói vị trí, vị trí, vị trí không? Nó vẫn đúng ngay cả với ứng dụng điện địa nhiệt nâng cao. DOE đã báo cáo một quy trình mang tính đột phá có tên là "Giếng cơ hội (WOO)" và đây là một chủ đề nóng. Khi các giếng dầu và khí ngừng sản xuất, chúng sẽ bị bịt kín, bỏ hoang hoặc trong một số trường hợp, bị các nhà phát triển bỏ rơi. Cả giếng bị bỏ hoang và mồ côi ⁽³⁾ đều là một vấn đề lớn trong lĩnh vực khai thác dầu. Theo ước tính, có khoảng 3,5 triệu giếng bị bỏ hoang ở Mỹ với gần 120.000 giếng mồ côi. DOE có một gợi ý, tại sao không biến chúng thành các nhà máy điện địa nhiệt khả thi về mặt thương mại? Công nghệ để chuyển đổi chúng thành nhà máy điện đã có sẵn. DOE muốn kết nối chúng lại với nhau.

Lưới điện thông minh đã trở nên thông minh hơn khi ngành công nghiệp của chúng ta bước sang thế kỷ 21. Các bộ công cụ thông minh mất hàng thập kỷ để phát triển hiện đã có trên thị trường ngày nay. Như chúng ta đã thảo luận, có nhiều trường hợp chúng vẫn chưa được triển khai vì vô số lý do. Việc lắp đặt chúng không hề rẻ và quá trình chuyển đổi đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu rất lớn. Có một sự không chắc chắn từ phía các bên liên quan do thiếu hiểu biết về các ứng dụng mới, và đó chỉ là một phần nhỏ trong sự do dự.

Các công nghệ cũ đã cập nhật và nâng cấp, nhưng đó chỉ là giải pháp tạm thời và hiện nay chúng đã chạm đến giới hạn. Chúng tôi thấy rằng cần phải hiện đại hóa hệ thống cung cấp điện nhiều hơn nữa. Khi chúng ta đã quen sống cùng những công nghệ thế hệ tương lai này, chúng ta sẽ tự hỏi làm sao mình từng sống thiếu chúng trước đây. Chưa kể đến việc tại sao lại mất nhiều thời gian để thực hiện quá trình chuyển đổi? Tương lai là ở đây, vì vậy hãy giữ chặt!

“Khu thử nghiệm năng lượng” (The Energy Proving Ground) ⁽¹⁾: là tên của một sáng kiến do Đại học Texas A&M khởi xướng. Đây là một khu vực dành riêng cho các công ty năng lượng hạt nhân, đặc biệt là những công ty phát triển SMR nhằm thử nghiệm và đẩy nhanh việc triển khai công nghệ của họ trong môi trường thực tế.

"Hệ thống điện địa nhiệt nâng cao"⁽²⁾: Khác với các hệ thống địa nhiệt truyền thống, hệ thống điện địa nhiệt nâng cao có thể tạo ra các nguồn nhiệt từ các lớp đá khô và không thấm nước bằng cách tạo ra các vết nứt nhân tạo để tăng khả năng truyền dẫn nhiệt. Điều này giúp mở rộng tiềm năng khai thác năng lượng địa nhiệt trên khắp các khu vực không có nguồn tài nguyên địa nhiệt tự nhiên mạnh mẽ.

Giếng bị bỏ hoang và mồ côi ⁽³⁾: Giếng bỏ hoang là những giếng đã ngừng hoạt động nhưng vẫn chưa bịt kín và xử lý theo các quy định. Giếng mồ côi là những giếng khoan không có chủ sở hữu hiện tại, thường là do chủ sở hữu cũ không còn tồn tại hoặc không thể chi trả cho việc xử lý, cải tạo giếng.

Biên dịch: Chu Thanh Hải

Theo “T&D world”, số tháng 04/2025