Cáp động lực: mở khóa tiềm năng cho điện gió ngoài khơi

Nhu cầu phát triển cơ sở hạ tầng và phát triển năng lượng tái tạo chưa bao giờ cao hơn. Năng lượng điện gió ngoài khơi là một phần quan trọng nằm trong mục tiêu phát thải ròng bằng không và thật sự có tiềm năng to lớn. Khi ngày càng có nhiều trang trại điện gió quy mô lớn hơn được xây dựng khắp thế giới thì việc triển khai các tuabin gió công suất lớn đã đưa lĩnh vực điện gió ngoài khơi nói riêng trở thành ông lớn trong ngành năng lượng nói chung.

Ngành công nghiệp gió ngoài khơi và đại dương đã trải qua sự phát triển đầy ấn tượng ở Châu Âu và Hoa Kỳ cũng sẵn sàng cho sự tăng trưởng đáng kể này. Cáp động lực, hay còn được biết đến như dây rốn là một thành phần thiết yếu trong việc truyền tải điện dưới nước, dẫn năng lượng từ các tuabin gió ngoài khơi và đại dương đến nơi có nhu cầu trên đất liền, đây được xem là công nghệ then chốt đưa đến sự thành công của ngành công nghiệp này.

Có tới 80% nguồn tài nguyên tốt nhất trên thế giới là ở những nơi nước sâu hơn nhiều. Các thiết kế tuabin gió nổi đang giúp ngành điện tiếp cận với các nguồn tài nguyên này. Nguồn Nexans.jpg

Ở Châu Âu, trong khi Vương quốc Anh và Đức tiếp tục dẫn đầu với các thị trường điện gió ngoài khơi lớn nhất thì Trung Quốc và Hoa Kỳ cũng đang chạy đua mạnh mẽ trong lĩnh vực này. Diễn đàn thế giới về điện gió ngoài khơi gần đây cho biết Trung Quốc hiện đang dẫn đầu thị trường với 4.4 GW điện gió đang được lắp đặt và hơn 7 GW đang vận hành.

Theo American Clean Power, có hơn 9 GW nhà máy điện gió ngoài khơi mới được xây dựng nằm trong kế hoạch bờ biển quốc gia trong 5 năm tới. Cuối tháng 8 năm 2021, phòng thí nghiệm Cục Năng lượng tái tạo quốc gia cho biết, đường ống dẫn của các dự án năng lượng gió ngoài khơi của Hoa Kỳ tăng hơn 35 GW trong năm 2021, vượt 24% so với năm trước.

Trong khi đó, Vương quốc Anh đặt mục tiêu lắp đặt 40 GW nhà máy điện gió ngoài khơi vào năm 2030, tăng 10.5 GW so với tổng số hiện tại. Đức có khoảng 8 GW công suất đã được lắp đặt dù theo lời các quan chức, sẽ không có công trình lắp đặt ngoài khơi nào được xây dựng vào năm 2021.

Hầu hết các trại điện gió hiện tại được phát triển tại các vị trí nước nông với độ sâu 50 đến 60 mét. Đáy tuabin gió cố định neo dưới đáy biển dùng trong các dự án này sử dụng công nghệ thiết lập tiên tiến.

Tuy nhiên, có tới khoảng 80% nguồn gió tốt nhất thế giới có thể tìm thấy ở các khu vực nơi có mực nước sâu hơn, tức một phần lớn tiềm năng điện gió còn lại vẫn chưa được khai thác. Nhưng điều này đang dần thay đổi nhờ vào sự tiến bộ của công nghệ điện gió nổi, bao gồm cả cáp động lực.

Trang trại điện gió nổi và công nghệ truyền tải đi cùng cho phép ngành công nghiệp năng lượng mở rộng ở các cùng nước sâu hơn, nơi gió mạnh và ổn định hơn, chẳng hạn như ở Mediterranean, bờ biển phía Tây Hoa Kỳ, ngoài khơi Nhật Bản và Hàn Quốc, vùng biển Bắc Na Uy. Quá trình lắp đặt nền móng cho các nhà máy điện gió ngoài khơi ở vùng nước sâu không phải là vấn đề dễ dàng, ngược lại rất khó khăn vì chi phí đắt đỏ và cả tính phi thực tế. Ngoài ra, tuabin gió cần được dựng lên trên cấu trúc nổi buộc vào các vị trí. Việc loại bỏ các hạn chế về độ sâu sẽ mở rộng lớn hơn quy mô phát điện từ các vùng nước sâu.

Cáp điện ngầm qua biển

Tuabin gió nổi có ích lợi đáng kể trong việc giảm thiểu chi phí lắp đặt và bảo trì do phần lớn các tuabin có thể lắp ráp trên đất liền rồi kéo ra điểm neo thay vì được xây dựng tại chỗ. Ngoài ra, còn có thể kéo tuabin nổi về gần bờ, dễ dàng và tiết kiệm chi phí hơn cho việc bảo dưỡng.

Tương tự như những trang trại gió ngoài khơi thông thường, việc xuất khẩu năng lượng từ trại gió nổi yêu cầu hệ thống cáp ngầm dưới biển phải đạt công suất cao. Tuy nhiên, khác với các trang trại cố đinh, trang trại nổi đòi hỏi cáp động lực. Loại cáp này cần có khả năng chịu đựng những thay đổi như chuyển động của bệ nổi, sức căng tải trọng do độ sâu mực nước, thủy động lực học tạo ra bởi sóng và dòng chảy. Trong khi những loại cáp ngầm thông thường thường được lắp đặt hoặc buộc chặt dưới đáy biển thì công nghệ truyền tải năng lượng từ tuabin gió nổi ngoài khơi về đất liền yêu cầu cáp động lực bởi đặc trưng độ bền cơ học xuất sắc.

Việc thu thập năng lượng từ trại điện gió nổi đòi hỏi sự phát triển của cáp thế hệ mới có khả năng xử lý mức năng lượng đang ngày càng tăng. Trong khi các tuabin riêng lẻ hiện đang sản xuất từ 7 MW đến 10 MW thì tuabin khổng lồ thế hệ mới đang trên đà phát triển, sẵn sàng cho công suất 15 MW và thậm chí sau này có thể nâng lên mức 20 MW hoặc cao hơn nữa.

Giống như cáp tĩnh, cáp động lực cũng cần có màng chắn nước. Tuy nhiên, các màng chắn thông thường được thiết kế bằng cách đùn vỏ bọc chì trên cáp lại không thể uốn cong theo chuyển động của sóng nên không phù hợp để áp dụng cho các trang trại điện gió nổi.

Một thách thức khác khi lắp đặt cáp ở vùng nước sâu chính là trọng lượng của cáp. Những thử thách này đặt ra vấn đề về thiết kế thay thế, chẳng hạn như sử dụng lá hợp kim kim loại hoặc chất polymer cấu trúc bánh sandwich giữa lớp cách điện của cáp. Màng chắn này vừa phải đủ mỏng để có thể di chuyển và uốn cong theo chuyển động của cáp, vừa đủ dày để đảm bảo kín nước và bảo vệ dọc theo vài ki-lo-met cáp. Thêm vào đó, việc tích hợp các phần tử sợi quang trong cáp là điều cần làm để cho phép giao tiếp end-to-end, đóng vai trò như cảm biến cảnh báo người vận hành khi cáp bị tăng nhiệt đột ngột hoặc quá tải.

Công nghệ ngày càng phát triển nhanh chóng nên việc mở rộng kích thước và công suất phát của tuabin đã trở thành vai trò then chốt, giúp các trang trại gió ngoài khơi tiết kiệm chi phí và vận hành dễ dàng hơn mở ra thị trường tiềm năng giúp nhiều quốc gia nhận thức một cách hiệu quả về chi phí và cân bằng carbon để giải quyết nhu cầu về năng lượng đang tăng cao.

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), bằng cách di chuyển vào các vùng nước sâu hơn, các công trình lắp đặt ngoài khơi sử dụng tuabin gió nổi có tiềm năng lớn đáp ứng gấp nhiều lần nhu cầu điện của thế giới vào năm 2040. Trong một báo cáo gần đây của Carbon Trust- nhóm đo lường tác động carbon có trụ sở tại Anh cho biết khát vọng toàn cầu về điện gió nổi có thể đạt 10,7 GW vào năm 2030 và lên đến 34 GW vào năm 2035.

Chi phí công nghệ cho các trang trại gió nổi ngoài khơi dự kiến sẽ giảm nhanh chóng, cho phép khai thác năng lượng gió ở những khu vực từng được cho là không thể tiếp cận. Cuối cùng, các trang trại gió nổi được thiết lập để trở thành một phần quan trọng trong hỗn hợp năng lượng của thế giới.

Võ Việt