Lưới điện Mỹ trước cuộc "đại phẫu" nghìn tỷ đô la
Tháng 2/2021, cả bang Texas chỉ còn cách một sự cố mất điện toàn diện vỏn vẹn 4 phút 37 giây. Một trận bão tuyết đã làm tê liệt 40% công suất lưới điện của bang chỉ trong vòng bốn giờ, khiến hàng triệu người dân không có điện và lò sưởi giữa thời tiết âm độ.
Đó là một lời cảnh tỉnh đanh thép: Lưới điện của Mỹ đang già cỗi, quá tải và hoàn toàn chưa sẵn sàng để đáp ứng những đòi hỏi của thế kỷ 21.
Những đòi hỏi đó đang tăng lên nhanh chóng. Mức tiêu thụ điện của Mỹ đang tăng trưởng đều đặn 3% mỗi năm, được thúc đẩy bởi mọi thứ, từ xe điện, máy bơm nhiệt cho đến các trung tâm dữ liệu vận hành bằng AI – vốn là những "kẻ ngốn" năng lượng khiến nhu cầu tại nhiều địa phương tăng vọt.
Trong khi đó, năng lượng tái tạo vẫn chỉ là giải pháp “lúc được lúc không”. Năng lượng mặt trời tràn ngập lưới điện vào giữa trưa, rồi đột ngột giảm mạnh vào ban đêm.
Hầu hết mạng lưới truyền tải và phân phối của Mỹ đã có từ nhiều thập kỷ trước, với nhiều máy biến áp và trạm biến áp còn "già" hơn cả các kỹ sư đang bảo trì chúng.
Gần đây, Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng Hoa Kỳ đã xếp hạng cơ sở hạ tầng năng lượng của quốc gia này ở mức D+.
Việc sửa chữa sẽ không hề rẻ. Thay thế toàn bộ lưới điện của Mỹ sẽ tiêu tốn gần 5 nghìn tỷ USD. Ngay cả việc hiện đại hóa có mục tiêu cũng đòi hỏi một khoản đầu tư chưa từng có. Tuy nhiên, quá trình này đã và đang diễn ra.
Tại Arizona, các kỹ sư đang lắp đặt một đường dây điện một chiều cao thế (HVDC) mới, có khả năng vận chuyển năng lượng mặt trời đi xa gần 885 km. Tại New York, một hệ thống AI đang được phát triển cho mô hình dự báo sự cố mất điện. Và trên khắp vùng Trung Tây, những máy biến áp có tuổi đời còn lớn hơn cả thời kỳ nhạc disco cuối cùng cũng đang được thay thế.
Đây là cuộc chuyển đổi cơ sở hạ tầng điện lực lớn nhất trong lịch sử Mỹ.
Tại sao lưới điện cần một cuộc đại tu?
Lưới điện của Mỹ không được xây dựng cho thế giới mà chúng ta đang sống ngày nay.
Phần lớn hệ thống này được định hình trong thời kỳ bùng nổ sau Thế chiến thứ hai, được thiết kế theo một mô hình đơn giản: một vài nhà máy điện than và hạt nhân khổng lồ tạo ra nguồn điện ổn định, có thể dự đoán, và chỉ chảy theo một chiều – từ nhà máy đến người tiêu dùng. Đó là một hệ thống ổn định, dễ kiểm soát và thay đổi chậm chạp.
Thiết kế đó không còn hiệu quả nữa. Năng lượng tái tạo tuy sạch nhưng lại khó dự đoán. Các tấm pin mặt trời tạo ra một lượng điện khổng lồ vào những buổi chiều nắng đẹp, nhưng lại biến mất khỏi đường cong cung ứng khi mặt trời lặn. Năng lượng gió thì trồi sụt theo thời tiết. Kết quả là một bài toán cân bằng diễn ra hàng ngày, đòi hỏi phải tăng giảm công suất của các máy phát điện khác với tốc độ cao, một điều mà lưới điện ban đầu chưa bao giờ được thiết kế để xử lý.
Mô hình này về cơ bản là không tương thích với bối cảnh năng lượng ngày nay. Nhu cầu điện thì đang tăng vọt từ nhiều phía.
Xe điện đang bổ sung hàng triệu điểm sạc mới vào lưới điện. Máy bơm nhiệt đang thay thế các lò sưởi gas trong các hộ gia đình trên khắp đất nước. Các trung tâm dữ liệu vận hành những ứng dụng AI đang tiêu thụ một lượng điện chưa từng có – đẩy nhu cầu điện ở một số khu vực tăng đến 160%.
Biến đổi khí hậu đã biến thời tiết từ một rủi ro có thể kiểm soát thành một mối đe dọa hiện hữu. Trận bão tuyết năm 2021 ở Texas đã cho thấy cơ sở hạ tầng của Mỹ dễ bị tổn thương đến mức nào. 40% công suất của lưới điện đã ngừng hoạt động trong vòng bốn giờ, và toàn hệ thống chỉ còn cách bờ vực sụp đổ hoàn toàn 4 phút 37 giây.
Để đối phó, các khoản đầu tư khổng lồ đã được đổ vào.
Đạo luật Cơ sở hạ tầng Lưỡng đảng phân bổ 73 tỷ USD đặc biệt để cải tổ chính sách năng lượng của Mỹ, trong đó 11 tỷ USD dành riêng cho việc tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện.
Các công ty tiện ích tư nhân cũng đang vào cuộc. Theo Báo cáo Tài chính năm 2024 của Viện Điện Edison, các công ty điện do nhà đầu tư sở hữu đã đầu tư một con số kỷ lục là 178,2 tỷ USD vào năm 2023 – đánh dấu năm thứ 13 liên tiếp chi tiêu cho lưới điện đạt mức kỷ lục. Các công ty này dự kiến sẽ đầu tư thêm 1,1 nghìn tỷ USD từ năm 2025 đến 2029.
Quy mô đầu tư phản ánh quy mô của thách thức: xây dựng một loại lưới điện hoàn toàn mới có thể xử lý những thách thức mới này mà vẫn duy trì độ tin cậy 24/7.
Các giải pháp kỹ thuật cho quá trình chuyển đổi
Truyền tải điện một chiều cao thế (HVDC) là một trong những tiến bộ quan trọng nhất trong việc truyền tải điện. Không giống như các đường dây xoay chiều (AC) truyền thống, HVDC có thể truyền tải điện đi những khoảng cách rất xa với mức tổn thất thấp hơn tới 50% trên các quãng đường dài.
Điều này có ý nghĩa vô cùng lớn đối với năng lượng tái tạo.
Các trang trại gió ở New Mexico giờ đây có thể truyền tải điện một cách hiệu quả đến các thành phố ở Arizona thông qua các dự án như SunZia, vận chuyển năng lượng gió trên quãng đường gần 1000km giữa hai tiểu bang. Các nhà máy điện mặt trời cũng có thể cung cấp điện cho các trung tâm dân cư cách xa hàng trăm dặm.
Theo Bộ Năng lượng Mỹ, truyền tải HVDC có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển một lưới điện không carbon, đáng tin cậy với chi phí thấp nhất.
Thách thức là gì? Hiện tại, chỉ có năm đường dây HVDC tồn tại ở Mỹ, với các trạm biến đổi đắt đỏ tạo ra điểm hòa vốn ở khoảng 200 km đối với đường dây trên không.