Trước hết, nếu xét về điều kiện địa lý - tự nhiên, đất nước ta kéo dài theo trục Bắc - Nam, giải pháp truyền tải điện bằng đường dây cao áp một chiều (HVDC) đã có thể được áp dụng từ ngay sau khi đã có đường dây cao áp xoay chiều (HVAC) 500 kV Bắc - Nam. Công nghệ này không quá phức tạp và cũng không quá đắt tiền. So với HVAC, tổng chi phí của HVDC cũng phụ thuộc vào khoảng cách truyền tải theo hàm bậc nhất, nhưng với góc dốc hơn (tăng nhanh hơn), trong đó, chi phí về trạm lớn hơn, khoảng cách hòa vốn (breakeven distance) khoảng 400 km (xem các hình dưới).
Hình 1: Sơ đồ công nghệ truyền tải điện bằng công nghệ HVDC.
Hình 2: So sánh chi phí giữa HVAC và HVDC.
So sánh công nghệ HVDC với công nghệ HVAC có thể tóm tắt như sau [17]:
Công nghệ HVDC hiệu quả hơn trong việc truyền tải điện trên khoảng cách xa, vì chúng mất ít năng lượng hơn so với công nghệ HVAC tương đương.
Do không có yêu cầu bù công suất phản kháng dọc theo đường dây truyền tải nên các đường dây HVDC hoạt động hiệu quả hơn HVAC nhờ giảm chi phí truyền tải (do giảm suất đầu tư và giảm tổn thất điện năng), góp phần nâng cao khả năng cạnh tranh kinh tế của các nguồn năng lượng xanh trên thị trường điện.
Các hệ thống truyền tải DC điện áp cao cũng làm tăng tính ổn định của hệ thống điện, cho phép các đơn vị vận hành điều chỉnh hoàn toàn dòng điện và cho phép tích hợp với các nguồn năng lượng gió.
Đường dây cao thế HVDC chiếm ít không gian hơn so với đường dây truyền tải HVAC. Không giống như dòng điện xoay chiều, dòng điện một chiều không thay đổi hướng nhiều lần trong một giây và dòng điện chạy khắp dây dẫn chứ không chỉ trên bề mặt của dây.
Cần lưu ý rằng: Các hệ thống truyền tải hiện tại chủ yếu là hệ thống AC và hiện đang có những nỗ lực để mở rộng, nâng cấp các hệ thống này thành hệ thống DC.
Các hệ thống truyền tải HVDC đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng khi đường dây của hệ thống điện trải trên một khoảng cách dài. Hiện nay, đường dây truyền tải HVDC được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống dưới biển - nơi chúng kết nối đất liền với các trang trại gió ngoài khơi, hoặc truyền tải điện đến những khu vực không thể đặt đường dây truyền tải trên không.
Khả năng sử dụng cáp DC điện áp cao để truyền tải điện trong hệ thống mặt đất cũng đã được xem xét để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng.
Ưu điểm chính của hệ thống truyền tải HVDC là chi phí vốn thấp hơn và khả năng truyền tải lượng điện năng đáng kể trên một khoảng cách dài. Tổn thất năng lượng chỉ khoảng 3% trên 1.000 km (tùy thuộc vào thiết kế hệ thống và mức điện áp). Các nguồn phát điện được xây dựng ở các địa điểm xa xôi cũng có thể tận dụng hệ thống truyền tải HVDC.
Các lĩnh vực chính mà hệ thống truyền dẫn HVDC đã được chứng minh là vượt trội so với hệ thống truyền dẫn HVAC gồm:
1/ Truyền tải điện trên một khoảng cách dài từ điểm cuối đến điểm cuối (chẳng hạn như ở vùng sâu vùng xa, không có các điểm trung gian).
2/ Cáp truyền tải điện trên biển thường có được đặc trưng bởi các giá trị điện dung lớn dẫn đến tổn thất nguồn AC bổ sung.
3/ Việc tăng cường mạng đường dây truyền tải trong các hệ thống điện đi qua biển, nối giữa các quốc gia và trong trường hợp khó bổ sung thêm dây dẫn, hoặc có thể khá tốn kém để xây dựng các hệ thống truyền tải mới và ổn định các hệ thống phân phối điện AC không đồng bộ như vậy.
4/ Tạo sự kết nối giữa các nhà máy điện đặt tại vùng sâu, vùng xa với các trung tâm tiêu thụ điện, hoặc hệ thống phân phối điện.
Các hệ thống truyền tải HVDC có thể giúp ổn định hệ thống điện xoay chiều quy mô lớn mà không làm tăng khả năng dòng điện ngắn mạch. Hệ thống HVDC không có nhiều pha như hệ thống HVAC và cần ít dây dẫn hơn.
Các hệ thống HVDC không có hiện tượng hiệu ứng bề mặt gây bất lợi cho các mạng HVAC. Hệ thống HVAC dòng điện trong dây dẫn được phân phối sao cho mật độ dòng điện lớn nhất ở gần bề mặt của dây dẫn và giảm dần theo cấp số nhân ở các lớp gần trung tâm của dây dẫn hơn. Do đó, các dây dẫn mỏng hơn có thể được sử dụng trong các hệ thống HVDC và các hệ thống như vậy có thể hỗ trợ truyền tải điện năng giữa các quốc gia có hệ thống điện khác nhau, hoạt động ở các tần số và điện áp khác nhau.
Chiều dài của các đường dây ngầm HVAC bị hạn chế do toàn bộ công suất của các dây dẫn mang dòng điện hoàn toàn có thể được sử dụng để cung cấp dòng điện nạp. Tuy nhiên, không có những hạn chế như vậy trong trường hợp cáp truyền tải DC, loại cáp này cũng có khả năng truyền tải nhiều điện năng hơn trong từng đường dây riêng lẻ. Bởi vì ở một định mức công suất nhất định, điện áp đường dây DC nhỏ hơn điện áp tối đa của đường dây AC.
Điện áp DC liên tục cao hơn, vì vậy, các cáp truyền tải điện có thể có cùng kích thước lõi. Bọc cách điện của cáp điện đường dây HVDC ở những khu vực tiêu thụ lượng điện năng lớn cho phép truyền tải điện năng nhiều hơn 100% so với AC, đồng thời giúp giảm chi phí truyền tải.
Các hệ thống truyền tải HVDC cung cấp sự ổn định của hệ thống điện được cải thiện bằng cách ngăn chặn các sự cố lan truyền từ một phần này sang một phần khác của hệ thống điện lớn (sự cố thác/cascading accidents) và hỗ trợ tích cực cho việc truyền tải điện năng trong các hệ thống phân phối điện AC không đồng bộ.
Một ưu điểm đáng kể khác của hệ thống HVDC là những thay đổi của phụ tải sẽ không ảnh hưởng xấu đến tính đồng bộ. Bố cục và quy mô của dòng điện theo các hệ thống kết nối HVDC có thể được thay đổi trực tiếp theo hướng có lợi cho các hệ thống AC ở cả hai đầu của hệ thống kết nối đó. Hiện đã có nhiều công ty đang xem xét việc sử dụng rộng rãi các hệ thống chỉ có HVDC do lợi ích ổn định của chúng.
Còn những nhược điểm của hệ thống truyền tải HVDC chủ yếu liên quan đến điều khiển, chuyển mạch, chuyển đổi, bảo trì chung. Chúng yêu cầu các bộ chuyển đổi tĩnh, khá đắt tiền và có khả năng quá tải hạn chế. Khi truyền điện trong khoảng cách ngắn, tổn thất năng lượng trong các bộ chuyển đổi như vậy có thể lớn hơn trong các hệ thống HVAC.
Ngoài ra, chi phí của những bộ chuyển đổi này không thể bù đắp bằng tổn thất điện năng thấp hơn và bằng giảm chi phí thiết kế đường dây truyền tải./.
Các từ khóa:
Chuyển đổi năng lượng, khử cacbon, công nghệ hydro, phát thải carbon, lợi ích về môi trường, HVDC, HVAC.
Tài liệu tham khảo:
1. IRENA. Global energy transformation: A roadmap to 2050 (2019 edition), 2019 - 52 p. [Electronic resource] - Access mode - URL: https://www.irena.org/publications/2019/Apr/Global-energytransformation-A-roadmap-to-2050-2019Edition
2. A program for the development of hydrogen energy will appear in Russia. [Electronic resource] - Access mode - URL: https://www.vedomosti.ru/business/articles/2019/09/01/8101 61-minenergo-razrabotaet-programmu
3. Hydrogen energy is a trend of the 21st century. [Electronic resource] - Access mode - URL: http://atomicexpert.com/hydrogen_energy
4. Hydrogen economy - even for low-carbon development // Center for Energy, Moscow School of Management SKOLKOVO. - M., 2019 .-- 62 p. [Electronic resource] - Access mode - URL: https://energy.skolkovo.ru/downloads/documents/SEneC/Re search/SKOLKOVO_EneC_Hydrogen-economy_Rus.pdf
5. Popadko N.V., Polaeva GB, Popadko A.M. Transition to lowcarbon energy in Germany: problems and prospects // Innovations and Investments. - 2018. - No. 6. - S. 113-116.
6. Hydrogen as an energy carrier. An evaluation of emerging hydrogen value chains / DNV GL, 2018. [Electronic resource] - Access mode - URL: https://www.dnvgl.com/publications/hydrogen-as-an-energycarrier-134607
7. IEA. World Energy Outlook 2018. [Electronic resource] - Access mode - URL: https://www.iea.org/reports/world-energyoutlook-2018
8. Gas Dialogue 2030 // Dialogprozess Gas 2030 - Erste Bilanz. [Electronic resource] - Access mode - URL: https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Downloads/CD/dialogprozess-gas-2030-erstebilanz.pdf?__blob=publicationFile&v=4
9. Popadko A.M. The place of natural gas in the energy strategy of Germany until 2030. [Electronic resource] - Access mode - https://www.imemo.ru/files/File/ru/conf/2019/13122019/05- Popadyko-02.pdf
10. Hydrogen energy. [Electronic resource] - Access mode - URL: https://energy.hse.ru/hydrenergy
11. Official EnergyNet website: [Electronic resource] - Access mode - URL: https://energynet.ru
12. https://cyberleninka.ru/article/n/vodorodnaya-energetika-etapy-razvitiya-problemy-i-perspektivy
13.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0
14. https://zn.ua/science/vodorod_iz_vody_prosto_i_deshevo.html
15. https://e-b.com.ua/vodorodnye-perspektivy-409
16. https://hi-news.ru/eto-interesno/morskaya-voda-mozhet-stat-beskonechnym-istochnikom-vodoroda.html
17. https://www.electrical4u.com/high-voltage-direct-current-transmission/