Một đề xuất táo bạo về việc sử dụng cáp cách điện bằng kính để tạo ra lưới điện toàn cầu đã thu hút sự chú ý của cộng đồng kỹ thuật, mặc dù các chuyên gia đang đặt ra những câu hỏi nghiêm túc về khả năng triển khai thực tế của nó. Khái niệm này tập trung vào việc sử dụng kính silica nóng chảy làm vật liệu cách điện cho cáp dòng điện một chiều cao áp ( HVDC ), có thể cho phép truyền tải điện liên lục địa rẻ hơn nhiều.
Đề xuất này gợi ý việc sản xuất cáp trên tàu bằng quy trình tạo kính liên tục, đặt trực tiếp chúng xuống đáy đại dương mà không cần các lớp bảo vệ truyền thống. Thay vì chôn lấp, các cáp sẽ dựa vào kỹ thuật làm cứng bề mặt tương tự như giọt nước Prince Rupert - những cấu trúc kính nổi tiếng với độ bền cực cao dưới áp suất nén nhưng có thể bị phá hủy thảm khốc khi bị hư hại.
Yêu cầu điện áp vượt qua ranh giới kỹ thuật
Khía cạnh gây tranh cãi nhất liên quan đến việc vận hành ở mức 14 megavolt - cao gấp khoảng 13 lần so với các hệ thống HVDC tiên tiến nhất hiện nay. Các dự án thương mại hiện tại thường hoạt động ở khoảng 1,1 megavolt, và để đạt được ngay cả mức đó cũng cần nhiều năm phát triển từ các hệ thống 0,6 megavolt trước đó. Các kỹ sư trong cuộc thảo luận chỉ ra rằng việc xây dựng các bộ ngắt mạch có khả năng xử lý 14 megavolt đặt ra những thách thức to lớn.
14MV sẽ có khả năng duy trì một vòng cung dài 1400 feet trong khí quyển bình thường. Tôi khó có thể tưởng tượng làm thế nào bạn có thể xây dựng một thứ như vậy.
Yêu cầu điện áp cực cao này xuất phát từ việc tối ưu hóa sự cân bằng giữa độ dày của dây dẫn và chi phí cách điện. Mặc dù toán học có thể hoạt động trên giấy, cơ sở hạ tầng thực tế cần thiết để hỗ trợ điện áp như vậy vẫn chủ yếu mang tính lý thuyết.
So sánh điện áp
- Hệ thống được đề xuất: 14 megavolt
- Mức tối đa HVDC hiện tại: 1,1 megavolt
- Thế hệ trước đó: 0,6 megavolt
- Hệ số tăng điện áp: ~13 lần so với công nghệ hiện tại
Tính chất vật liệu tạo ra những khó khăn kỹ thuật
Kính có tính chất cách điện tuyệt vời - có thể đạt 500 megavolt trên mét so với 150 megavolt trên milimét của vật liệu cách điện nhựa hiện tại. Tuy nhiên, cuộc thảo luận cộng đồng tiết lộ những lo ngại cơ bản về việc sử dụng kính trong môi trường biển. Tính giòn của kính tạo ra một nghịch lý: mặc dù nó có thể đủ mạnh để nghiền nát đá trên đáy đại dương, bất kỳ hư hại nào cũng có thể lan truyền thảm khốc dọc theo toàn bộ chiều dài cáp.
Sự không khớp về giãn nở nhiệt giữa dây dẫn nhôm và vật liệu cách điện kính đặt ra một thách thức đáng kể khác. Nhiệt độ đại dương thay đổi đáng kể, và các tỷ lệ giãn nở khác nhau có thể tạo ra ứng suất bên trong làm tổn hại tính toàn vẹn của cáp theo thời gian.
Tính chất cách điện
- Thủy tinh silica nóng chảy: 500 MV/m
- Nhựa XLPE (tiêu chuẩn hiện tại): 150 MV/mm
- Ưu thế của thủy tinh: Có khả năng vượt trội về độ bền điện môi
Thách thức sản xuất và lắp đặt
Quy trình sản xuất được đề xuất bao gồm việc vận hành lò nung kính nhiệt độ cao trên tàu trong khi điều hướng trong điều kiện đại dương. Điều này đặt ra nhiều rào cản kỹ thuật, từ việc duy trì nhiệt độ chính xác trong bão đến đảm bảo đường kính cáp nhất quán trong khi tàu di chuyển qua sóng. Tàu sản xuất sẽ cần chở khoảng 40.000 tấn cát cho một cáp xuyên Đại Tây Dương, đòi hỏi các hoạt động tiếp tế thường xuyên.
Quy trình lắp đặt giả định rằng cáp có thể bắc qua các khe nứt dưới nước lên đến 64 mét mà không bị đứt. Mặc dù điều này có thể hoạt động về mặt lý thuyết, đáy đại dương thực tế chứa địa hình không đều có thể vượt quá những giới hạn này, có khả năng gây ra sự cố cáp trong quá trình lắp đặt.
Thông số kỹ thuật cáp
- Đường kính: 80mm
- Công suất: 10 gigawatt
- Tốc độ sản xuất: 2 km/giờ
- Thời gian vượt qua Đại Tây Dương: 4 tháng
- Yêu cầu nguyên liệu: 40.000 tấn cát
Triển vọng kinh tế gặp thực tế kỹ thuật
Bất chấp những thách thức kỹ thuật, các dự báo kinh tế rất hấp dẫn. Đề xuất ước tính chi phí cáp xuyên Đại Tây Dương chỉ 23 triệu đô la Mỹ cho vật liệu và lắp đặt - rẻ hơn đáng kể so với các giải pháp thay thế thông thường. Tuy nhiên, con số này không bao gồm chi phí nghiên cứu và phát triển, trạm chuyển đổi, và cơ sở hạ tầng đáng kể cần thiết để xử lý các hệ thống 14 megavolt.
Cộng đồng kỹ thuật vẫn hoài nghi về tính khả thi tổng thể, đặc biệt là do chưa có nguyên mẫu nào được xây dựng để chứng minh các nguyên lý cơ bản. Mặc dù khái niệm này thể hiện tư duy sáng tạo về truyền tải điện, khoảng cách giữa tính toán lý thuyết và triển khai thực tế có vẻ đáng kể.
Cuộc thảo luận làm nổi bật một câu hỏi rộng hơn về nhu cầu truyền tải điện toàn cầu. Mặc dù công nghệ có thể về mặt lý thuyết cho phép chia sẻ điện trên toàn thế giới, những thách thức cơ sở hạ tầng lưới điện hiện tại trong từng lục địa cho thấy rằng các giải pháp địa phương và khu vực có thể chứng minh thực tế hơn so với cáp liên lục địa.
Tham khảo: Worldwide power grid with glass insulated HVDC cables.