"Gót chân Achilles" của quá trình chuyển đổi năng lượng

Lòng sông Rhine đoạn chảy qua Duesseldorf, miền Tây Đức, bị khô cạn một phần do hạn hán ngày 25/7/2022. Ảnh: AFP/TTXVN

Nhật báo Le Figaro của Pháp cho rằng đây là một thách thức lớn ở quy mô toàn cầu. Các dự án xây dựng hệ thống đường dây tải điện mới đang tăng nhanh tại Pháp, châu Âu và trên toàn thế giới. Cuối tháng 11, Ủy ban châu Âu đã công bố một kế hoạch hành động để đẩy nhanh quá trình triển khai mạng lưới điện và tháo gỡ rào cản đối với việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo ở cấp địa phương.

Họ ước tính rằng cần đầu tư 584 tỷ euro trong Liên minh châu Âu (EU) trong vòng 10 năm để đối mặt với ba thách thức, bao gồm quá trình điện hóa các hoạt động, sự tăng trưởng của năng lượng Mặt Trời và gió, và biến đổi khí hậu.

Tại Mỹ, Đạo luật về Đầu tư cơ sở hạ tầng và việc làm, được thông qua vào cuối năm 2021, dự kiến cung cấp 65 tỷ USD để hiện đại hóa và mở rộng hạ tầng điện quốc gia của nước này. Tại Vương quốc Anh, National Grid dự định đầu tư hơn 16 tỷ bảng Anh (tương đương 19 tỷ euro) vào việc cải thiện mạng lưới điện, một bước tiến lớn sau nhiều thập kỷ.

Rystad, công ty tư vấn năng lượng độc lập lớn nhất ở Na Uy đứng đầu thế giới trong việc nghiên cứu và phân tích về nhu cầu năng lượng, đã tính toán rằng để hạn chế sự nóng lên toàn cầu ở mức 1,8°C (giới hạn được coi là thực tế hơn mức 1,5°C của Thỏa thuận Paris), mạng lưới điện toàn cầu cần đầu tư 3.100 tỷ USD (tương đương 2.857 tỷ euro) đến năm 2030.

Rystad có cơ sở để đưa ra dự báo này. Sự phát triển của các trang trại điện Mặt Trời và gió "tiếp tục diễn ra với tốc độ chóng mặt, với 644 tỷ USD được dành cho việc mở rộng công suất vào năm 2024", Rystad cho biết. Sự bùng nổ của chúng đang gây ra một cuộc biến động cấu trúc hoàn toàn mới trong hệ thống lưới điện. Ban đầu được thiết kế để cung cấp điện từ các nhà máy điện lớn đến người tiêu dùng, giờ đây các hệ thống phải kết nối một số lượng lớn và ngày càng tăng các điểm sản xuất, đồng thời trở thành hệ thống lưới điện hai chiều. Khi một cá nhân hoặc một doanh nghiệp đặt các tấm pin Mặt Trời trên mái nhà của họ, họ vẫn tiêu thụ điện nhưng đồng thời trở thành nhà sản xuất.

* Những thách thức quy mô toàn cầu

Trên quy mô toàn cầu, những thách thức này còn lớn hơn. Hiện có hơn 80 triệu km đường dây truyền tải điện, bao gồm 6 triệu km đường dây điện cao thế. Chiều dài đó đủ để đi vòng quanh hành tinh hơn 2.000 lần. Đến năm 2030, tổng chiều dài này dự kiến sẽ đạt 104 triệu km và vào năm 2050 là 140 triệu km. Châu Á, đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ, sẽ đóng góp hơn một nửa sự phát triển này. Mức tiêu thụ điện năng của riêng châu Âu vào năm 2030 dự kiến cũng tăng 60%.

Xu hướng điện hóa các hoạt động, ví dụ như sự gia tăng của xe điện, đang tạo ra các nhu cầu mới. Thực tế, để sạc pin cho ô tô, cần có các trạm sạc và do đó, một hệ thống lưới điện phải được điều chỉnh. Sự phát triển của các trung tâm lưu trữ dữ liệu máy tính, nhu cầu ngày càng tăng tăng về công suất tính toán với trí tuệ nhân tạo, các căng thẳng địa chính trị và sự chú trọng ngày càng tăng đối với việc đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng quốc gia đáng tin cậy cũng đang thúc đẩy những nhu cầu khổng lồ này.

Hiện nay, mọi nỗ lực đang được triển khai nhưng chi phí để nâng cấp và mở rộng hệ thống phân phối điện không phải là vấn đề duy nhất. Việc xây dựng thêm 18 triệu km đường dây trên toàn thế giới đòi hỏi gần 30 triệu tấn đồng, một loại dây dẫn được ưa chuộng trong các cáp dẫn dưới lòng đất. Đối với các quy trình cấp phép, đôi khi rất rối rắm, chúng gây ra sự chậm trễ ở nhiều quốc gia. Kadri Simson, ủy viên của Liên minh châu Âu về Năng lượng, đã lên án cách đây vài tháng rằng việc có được giấy phép cho các đường dây truyền tải điện cao thế có thể mất tới 10 năm ở châu Âu.

Trường hợp của Pháp minh họa rõ ràng sự cần thiết phải phát triển lưới điện này. Chi nhánh của Cơ quan điện lực Pháp (EDF) Enedis, dự kiến chi khoảng 96 tỷ euro đến năm 2040 để hiện đại hóa các đường dây trung thế và hạ thế.  Bà Marianne Laigneau, Chủ tịch Hội đồng Quản trị của Enedis, nhận xét: ‘‘Chúng ta đang chứng kiến quá trình điện hóa thứ hai của Pháp’’.

Tình huống trở nên phức tạp hơn với sự cần thiết cải thiện khả năng ứng phó của cơ sở hạ tầng lưới điện hiện nay trước biến đổi khí hậu. Bà Chloé Latour, Trưởng nhóm chiến lược công nghiệp thuộc phòng chiến lược của RTE, cho biết: ‘‘RTE đã đầu tư 2,5 tỷ euro trong 15 năm để bảo vệ lưới điện tránh ảnh hưởng của bão, với các cột chống bão có khả năng chịu được tốc độ gió từ 170 đến 198 km/h ở bờ biển và 150 km/h ở trong đất liền’’.

‘‘Những hiện tượng khí hậu cực đoan có nguy cơ tăng gấp ba lần vào năm 2035. Nhiệm vụ của chúng tôi là xây dựng một mạng lưới vững chắc và phù hợp với sự phát triển của hỗn hợp năng lượng", Luc Rémont, Giám đốc điều hành của EDF, giải thích thêm. Để tránh việc cây đổ vào dây điện, 98% các đường dây mới do Enedis xây dựng đều được chôn dưới đất. Tuy nhiên, biến đổi khí hậu lại đặt ra một vấn đề mới khi nguy cơ tăng nhiệt quá mức của các đường dây bị chôn dưới đất ở khu vực đô thị. Dưới lớp nhựa đường, nhiệt độ có thể lên đến 80°C và thậm chí làm tan chảy một số thành phần. Hơn nữa, việc sửa chữa cáp chôn dưới đất tốn kém gấp năm lần so với cáp treo.

Nhân viên kỹ thuật làm việc tại nhà máy năng lượng Mặt trời nổi đầu tiên tại thành phố miền Đông Nam Piolenc, Pháp. Ảnh: AFP/TTXVN

* Triển khai nhiều giải pháp

Tại Pháp, cũng như ở nơi khác trên thế giới, việc mở rộng mạng lưới là cần thiết để hỗ trợ sản xuất năng lượng tái tạo không liên tục. Việc tăng cường mật độ của mạng lưới đồng nghĩa với việc tối ưu hóa chia sẻ nguồn sản xuất. Tuy nhiên, những nhà quản lý mạng lưới cũng dựa vào việc triển khai các giải pháp khác.

Trước hết, đó là quản lý các nguồn lực một cách thông minh, đặc biệt là triển khai các giải pháp giảm mức tiêu thụ năng lượng của các thiết bị hoặc hệ thống vào thời điểm cần thiết, nhằm điều chỉnh sự cân bằng cung cầu. Khách hàng có thể tự nguyện giảm tiêu thụ năng lượng của họ một cách tạm thời để điều chỉnh cho phù hợp với sản xuất.

Sau đó, cần phát triển hệ thống lưu trữ điện để giúp khắc phục một phần những khó khăn do tính không liên tục của nguồn năng lượng tái tạo gây ra. Mặc dù việc lưu trữ điện bằng cách trữ nước ở thượng nguồn của các đập thủy điện là cách đơn giản nhất và phổ biến nhất, nhưng các công ty điện không ngừng tìm kiếm và triển khai các giải pháp lưu trữ khác nhau, bao gồm việc lắp đặt các thiết bị sạc pin tại chân các cây quạt gió hoặc trong các trang trại năng lượng Mặt Trời.

Tại hộ gia đình hoặc trong các doanh nghiệp, pin của các phương tiện cũng có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các tòa nhà trong thời gian tiêu thụ cao điểm và được sạc trong thời gian thấp điểm. Tại Pháp, có khoảng nửa tá xe điện đã có tính năng này. Nói chung, việc quản lý "thông minh" lưới điện, dựa vào việc số hóa hệ thống, dự kiến sẽ góp phần cải thiện việc tối ưu hóa các phương tiện sản xuất và phân phối điện năng.

Ủy ban châu Âu khẳng định phần lớn các khoản đầu tư từ nay đến năm 2030 sẽ đổ vào các mạng phân phối địa phương để biến chúng thành “kỹ thuật số, được giám sát theo thời gian thực, có thể điều khiển từ xa và đảm bảo an toàn mạng lưới”. EU chỉ rõ: ‘‘Các mạng lưới phải điều chỉnh để phù hợp với một hệ thống phân phối không tập trung, được số hóa và linh hoạt hơn, với sự chia sẻ nguồn lực của hàng triệu tấm pin Mặt Trời trên mái nhà và các cộng đồng năng lượng địa phương’’.

Một hệ thống phân phối điện hiệu quả có thể tạo ra sự tiết kiệm đáng kinh ngạc cho các nhà máy điện. Một báo cáo từ Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng và Không khí Sạch (Crea) cho biết, ở Trung Quốc có khả năng sản xuất vượt quá nhu cầu tiêu thụ gần một nửa, nhưng do mạng lưới điện của nước này ‘‘không hiệu quả’’ nên vẫn phải đẩy mạnh việc xây dựng các nhà máy điện mới.

* Tăng cường kết nối giữa các mạng lưới điện

Mạng lưới điện không chỉ áp dụng ở quy mô quốc gia. Càng nhiều hệ thống được kết nối với nhau thì càng có khả năng phục hồi tốt hơn. Ngược lại, việc thiếu kết nối có thể gây hậu quả nghiêm trọng. Ví dụ, Mỹ có tám mạng lưới không được kết nối với nhau khiến Texas trở thành một ‘‘hòn đảo’’ thực sự, ngày càng phải chịu các tình trạng cắt giảm điện thường xuyên do mạng lưới điện bị cô lập, không có sự kết nối với các mạng khác.

Mạng lưới châu Âu là hệ thống kết nối lớn nhất thế giới với hơn 400 điểm, liên kết gần 600 triệu công dân. Tuy nhiên, Szymon Kardas, giáo sư Đại học Warsaw, cho rằng sự kết nối này vẫn “quá nhỏ, lỗi thời, mang tính tập trung và thiếu kết nối”.

Tại Đức, công ty quản lý mạng lưới truyền tải điện Amprion cho biết vào năm 2022 rằng khoảng 10% lưu lượng trao đổi điện của họ đã bị hạn chế do khả năng kết nối hạn hẹp. Chuyên gia Giles Dickson, Giám đốc điều hành của WindEurope, khẳng định châu Âu cần phải tăng gấp đôi đầu tư vào các mạng lưới và đưa chúng lên mức 80 tỷ euro mỗi năm.

Do đó, Liên minh châu Âu cần thiết lập thêm nhiều điểm kết nối hơn giữa các thành viên, vốn được coi là giải pháp quan trọng để tăng cường an ninh năng lượng và tránh việc phải triển khai thêm năng lực sản xuất. Khi nhiệt độ tăng cao trong mùa Hè năm 2022, dẫn đến việc giảm sản xuất năng lượng hạt nhân, Pháp đã đánh giá cao khả năng tăng nhập khẩu điện từ Vương quốc Anh, Tây Ban Nha hoặc Đức.

RTE đang triển khai một dự án liên kết mới với Tây Ban Nha, nhằm tăng ‘‘gấp đôi lượng trao đổi điện giữa hai quốc gia lên 5 TWh, tương đương với lượng tiêu thụ điện của 5 triệu hộ gia đình’’. Dự án này đã nhận được sự tài trợ 578 triệu euro từ Liên minh châu Âu, trên tổng chi phí 1,75 tỷ euro. Dự án này bao gồm một phần dưới biển dài 300 km và một phần dưới lòng đất dài 100 km để vòng qua mỏ sâu dưới biển Capbreton.

Nhìn chung, Ủy ban châu Âu mong muốn các cơ sở hạ tầng xuyên biên giới giữa các quốc gia thành viên tăng gấp đôi trong vòng 7 năm tới. Cùng với kế hoạch hành động của mình về các mạng lưới, Ủy ban đã công bố một danh sách mới các dự án đa quốc gia trong lĩnh vực năng lượng, được coi là có ý nghĩa chung cho châu Âu, có đủ điều kiện để nhận tài trợ từ Liên minh châu Âu. Trong số 166 dự án được lựa chọn, có 85 dự án liên quan đến lưới điện ngoài khơi và lưới điện thông minh. Nhưng tiến độ vẫn còn chậm.

Sự mở rộng của mạng lưới điện có thể gặp khó khăn trong việc đối phó với sự tăng đột ngột của các trạm sản xuất năng lượng tái tạo đang cố gắng kết nối vào đó. Theo WindEurope, hơn 100 gigawatt (GW) dự án năng lượng tái tạo đang chờ kết nối ở Tây Ban Nha, hơn 50 GW ở Romania.

Chuyên gia Leonhard Birnbaum, Giám đốc điều hành của tập đoàn năng lượng Đức E.ON, kết luận: “Các hạn chế về cơ sở hạ tầng là rào cản lớn nhất đối với sự chuyển đổi xanh tại châu Âu”.