Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, nhu cầu về điện sẽ gần như bùng nổ với mức tăng trưởng dự kiến hơn 25% trong tổng nhu cầu năng lượng vào năm 2040, đặc biệt là ở Ấn Độ và các nước đang phát triển. Điều này sẽ đòi hỏi một khoản đầu tư lớn vào việc cung cấp điện, do nhu cầu năng lượng điện của thế giới được dự đoán sẽ chiếm gần 25% tổng nhu cầu năng lượng.
Hơn nữa, bản thân thị trường điện đang trải qua sự thay đổi, được thúc đẩy bởi việc tăng cường chuyển đổi sang các nguồn năng lượng tái tạo. Về vấn đề này, một trong những mục tiêu sẽ là tìm giải pháp tối ưu để vận chuyển năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng tái tạo khác đến các trung tâm/ khu vực nhu cầu lớn thường nằm cách xa hàng nghìn km.
Thiết kế hệ thống truyền tải và phân phối điện ngày nay bao gồm số lượng ngày càng tăng của cáp điện và chiều dài ngày càng lớn hơn. Đặc tính nội tại của các loại cáp cách điện ngầm và chủ yếu bằng polyme này đang thúc đẩy sự tăng trưởng công suất tải trên mỗi km (A/km) cao hơn nhiều so với phương án thay thế là đường dây trên không.
Hơn nữa, truyền tải điện HVDC được lựa chọn cho khoảng cách xa với tổn thất tối thiểu và trong một số trường hợp thậm chí còn thay thế các mạng HVAC hiện có. Trên thực tế, người ta ước tính rằng sẽ cần ít nhất 60 tỷ euro đầu tư vào HVDC trong thời gian ngắn để bắt kịp với sự phát triển toàn cầu về năng lượng tái tạo.
Ví dụ, chỉ trong 3 năm từ 2017 – 2019, tổng chiều dài mạng lưới tải điện đã tăng gấp 2 so với tổng chiều dài được lắp đặt trong 50 năm trước đó. Đồng thời, thị trường thế giới cho cáp ngầm HV trong thập kỷ tới được dự đoán là 25 tỷ USD, với khoảng 3/4 trong số các dự án này nằm ở châu Âu, nơi các kết nối khác nhau hiện đang được xây dựng hoặc đang trong giai đoạn lập kế hoạch và tính khả thi.
Ví dụ, ở Bắc Âu, những khoản đầu tư này chủ yếu liên quan đến các dự án điện gió ngoài khơi. Ở khu vực Địa Trung Hải, nhu cầu về các liên kết kết nối nhiều hơn nhằm thúc đẩy tích hợp và quản lý tốt hơn các nguồn tái tạo không liên tục cũng như tăng cường an ninh nguồn cung.
Sự thay đổi thị trường điện ở châu Âu
Châu Âu sẽ cần nhiều lưới điện hơn cũng như kết nối nhiều hơn giữa các quốc gia khác. Điều bắt buộc là 10% tổng công suất lắp đặt phải được kết nối với nhau vào cuối năm 2020 và 15% vào năm 2030, đạt được thông qua Dự án vì lợi ích chung (PCI). Ví dụ, Vương quốc Anh đã có các kết nối với Pháp và Bỉ và trong thời gian tới là cả Đan Mạch và Na Uy. Ý có 25 kết nối, đạt 9% công suất kết nối.
Điểm đáng chú ý của Kế hoạch Phát triển Mạng lưới 10 Năm (TYNDP) được thành lập vào năm 2016 bởi ENSTO-E là:
- Khoảng 40.000 km đường dây điện EHV sẽ phải được xây dựng hoặc tân trang lại vào năm 2030;
- Khoảng 150 tỷ Euro sẽ được đầu tư vào năm 2030;
- 48% tổng chiều dài đường dây là cáp ngầm và cáp ngầm EHV.
Những thử nghiệm gần đây ở cáp HVDC
Tại một Hội nghị chuyên đề vào tháng 9 năm 2014, các TSO quốc tế khác nhau đã nhấn mạnh việc thiếu kinh nghiệm nhiều năm với công nghệ HVDC, đặc biệt là trong lĩnh vực cáp. Điều này khiến cho việc xác minh các giải pháp cáp trong các điều kiện vận hành khắc nghiệt trở nên cần thiết.
Từ quan điểm này, các cơ sở phòng thí nghiệm mới có quy mô 25x60x21m đã sẵn sàng tại Mannheim, Đức với các khu vực thử nghiệm độc lập, mỗi khu vực được trang bị một máy phát điện DC chuyên dụng. Các cơ sở thử nghiệm này sẽ giúp tiến hành các thử nghiệm bổ sung nhằm tăng độ tin cậy của lưới điện HVDC.
Ví dụ, để cho phép hiệu suất điện và nhiệt lớn hơn (nghĩa là nhiệt độ hoạt động cao hơn và công suất có thể phân phối), TSO đang tìm kiếm một loại cáp ép đùn mới. Theo xu hướng thị trường, công nghệ cách điện cáp ép đùn đã trở thành giải pháp ưa thích vì nó có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, thiết kế cáp nhẹ hơn, dễ xử lý hơn đồng thời cũng thân thiện với môi trường hơn.
Đặc biệt, như 1 phần trong khuôn khổ quốc gia của họ, các TSO của Đức đã cùng nhau bắt đầu tìm kiếm các nhà sản xuất đủ điều kiện cung cấp ít nhất 3000 km hệ thống cáp điện DC 525 kV dạng ép đùn.
Để đáp ứng nhu cầu này, một quy trình kiểm định đặc biệt đã được thiết lập bao gồm Kiểm tra loại (Type test) và Kiểm tra sơ bộ (PQT), với 4 vòng cáp được kiểm tra tại Phòng thí nghiệm FGH ở Mannheim vào tháng 8 năm 2017.
Đối với độ tin cậy, người dùng sẽ cần hiểu rõ về hiệu suất của hệ thống cáp liên quan đến lão hóa nhiệt và điện trước khi đưa chúng vào sử dụng như một phần của dự án lớn như vậy.
Đặc biệt đáng chú ý là chương trình này lần đầu tiên đại diện cho hệ thống cáp HVDC, các vòng cáp cho PQT không được thử nghiệm trên sàn phòng thí nghiệm (theo CIGRE TB 496) mà chủ yếu là dưới lòng đất, do đó thể hiện sát thực tế hơn (bao gồm trong đường hầm đô thị, đường ống và hầm đấu nối).
Tổng cộng có 4 nhà sản xuất khác nhau đã đủ điều kiện sau khi lần đầu tiên vượt qua thử nghiệm điển hình bắt buộc, dưới sự chứng kiến của các bên độc lập. Tổng cộng có 5 hệ thống lắp đặt cáp, mỗi hệ thống bao gồm >100m cáp, hai mối nối và hai đầu cuối ngoài trời được cách điện bằng composite, đã trải qua Thử nghiệm trong thời gian dài (LDT=PQT) với điều kiện là một trong các nhà sản xuất cáp tham gia với 2 thiết kế cáp và cách điện khác nhau vật liệu.
Tiết diện dây dẫn cáp để thử nghiệm được chọn càng lớn càng tốt nhưng không nhỏ hơn 2500 mm2 và ruột dẫn tốt nhất là bằng đồng. Tuy nhiên, dựa trên sự chấp thuận của TSO Đức, dây dẫn nhôm cũng có thể được sử dụng.
Theo yêu cầu từ TSO của Đức, việc lắp đặt bản sao được coi là cần thiết để cung cấp bố cục mạng ngầm thực sự cho cáp. Tương tự như PQT AC, hệ thống quy trình kiểm tra cụ thể đã được thiết lập cho các hệ thống cáp dạng đùn 525 kV DC, loại điện áp cao nhất cho đến năm 2020. Điều này làm tăng đáng kể mức độ phức tạp của các bài kiểm tra dài hạn về phương thức kiểm tra và cũng liên quan đến việc quản lý các bài kiểm tra.
Ví dụ: trong AC PQT, mỗi chu kỳ gia nhiệt riêng lẻ bằng nhau và được lặp lại 180 lần trong trường hợp gián đoạn không lường trước được, cho dù là mất điện, bảo trì mạch thử nghiệm, v.v. Bất kỳ chu kỳ bị mất nào sau đó có thể được thêm vào cuối thử nghiệm trước khi phần xử lý xung chiếu sáng.
Tuy nhiên, trong trường hợp Thử nghiệm LDT DC, sự khác biệt giữa các cực và ứng dụng tải ngăn cản việc sử dụng quy trình trên và khiến việc thử nghiệm trở nên khó khăn hơn.
Kết luận
Trong những năm gần đây, các giải pháp HVDC đã phát triển thành công nghệ được ưa chuộng không chỉ cho cáp ngầm dưới biển mà còn ngầm dưới đất, đặc biệt là những ứng dụng liên quan đến khoảng cách tải điện xa. Để đạt được hiệu suất nhiệt và điện cao hơn, TSO ngày nay đang tìm kiếm một loại cáp ép đùn mới.
Ví dụ, các TSO ở Đức đã bắt đầu đánh giá nhóm nhà sản xuất đầu tiên có thể cung cấp hệ thống cáp DC 525 kV dạng ép đùn. Ngoài ra, các TSO này đang yêu cầu thử nghiệm không chỉ được thực hiện trên sàn phòng thí nghiệm mà còn bằng cách tạo bản sao của bố cục mạng ngầm trong thực tế. Mục tiêu là các cáp và phụ kiện của cáp 525 kV DC mới được thử nghiệm có thể đảm bảo khả năng chống chịu lại đặc điểm lắp đặt và môi trường cụ thể.
Các thử nghiệm PQT này đã bắt đầu vào tháng 8 năm 2017 và hầu hết đều đã hoàn thành hoặc sắp được hoàn thiện. Mặc dù kết quả thử nghiệm tất nhiên là bí mật, nhưng rõ ràng là việc vượt qua thành công sẽ giúp người dùng tin tưởng vào cấp điện áp mới này của hệ thống cáp HVDC có cách điện dạng ép đùn cùng với các phụ kiện khác nhau.
Đặc biệt, các hệ thống và phụ kiện như vậy hiện đã đủ tiêu chuẩn cho các dự án truyền tải 525 kV DC không chỉ cho TSO ở Đức mà còn cho các nhà khai thác lưới điện trên toàn thế giới. Có thể dự đoán một cách chắc chắn rằng các quy trình thẩm định được thiết lập thay mặt cho TSO của Đức sẽ là một cột mốc quan trọng đối với cáp HVDC cũng như hệ thống được lắp đặt ở Berlin vào đầu những năm 1990 đối với hệ thống cáp HVAC.
