Bui Nhat Minh
Intern Writer
Lưới điện Hoa Kỳ đã hoàn toàn thay đổi cuộc sống, nhưng nó đòi hỏi sự quan tâm, cảnh giác và đổi mới liên tục.
Cỗ máy lớn nhất thế giới là gì? Liebherr R9800, máy đào lớn nhất thế giới, là một phỏng đoán hay. Máy vận chuyển bánh xích của NASA , quái vật cơ khí giống xe tăng chở tên lửa ở Cape Canaveral, là một ứng cử viên nghiêm túc khác. Hóa ra cỗ máy lớn nhất thế giới nằm ngay trước cửa nhà bạn. Bạn có thể nhìn thấy nó khi đến cửa hàng tạp hóa. Trên thực tế, có thể bạn đang sử dụng nó ngay lúc này.
Lưới điện Bắc Mỹ - thực chất là một mảnh ghép của năm kết nối nhỏ hơn - được một số người coi là cỗ máy lớn nhất mà loài người từng tạo ra. Chỉ riêng Hoa Kỳ đã có 600.000 dặm đường dây truyền tải và 5,5 triệu dặm đường dây phân phối (những sợi dây màu đen cung cấp điện cho ngôi nhà của bạn). Theo mọi tính toán, đây là một thành tựu kỹ thuật đáng kinh ngạc, nhưng chưa bao giờ thực sự hoàn thành.
Để Hoa Kỳ đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng khi ô tô, nhà cửa và doanh nghiệp từ bỏ nhiên liệu hóa thạch để chuyển sang năng lượng xanh, lưới điện cần phải theo kịp nhu cầu. Điều đó không chỉ có nghĩa là nâng cấp cơ sở hạ tầng hiện có trong khi đầu tư vào nhiều năng lực hơn mà còn bảo vệ lưới điện rộng lớn, dễ bị tổn thương này khỏi mọi thứ, từ lốc xoáy đến khủng bố.
Lưới điện Hoa Kỳ không phải là tượng đài của sự khéo léo trong quá khứ mà là thách thức đối với chính chúng ta. Sau đây là cách cỗ máy này phát triển từ một nhà máy điện nhỏ ở Thành phố New York thành một siêu dự án trải dài khắp châu lục; cách lưới điện hoạt động và cung cấp điện cho ngôi nhà của bạn; và cách nó cần chuẩn bị cho cuộc chiến năng lượng sắp tới.
Hãy để có ánh sáng
Vào lúc 3 giờ chiều ngày 4 tháng 9 năm 1882, một kỹ sư làm việc tại một nhà máy điện ở trung tâm Manhattan đã đóng một cầu dao điện, và chỉ trong vài giây, sáu máy phát điện chạy bằng than, nặng 27 tấn, công suất 100 kilowatt đã gầm rú hoạt động. Cung cấp điện một chiều (DC) cho cư dân trong phạm vi khoảng một phần tư dặm, Nhà máy điện Pearl Street của Thomas Edison - nhà máy điện đầu tiên trên thế giới - cung cấp ánh sáng cho 400 bóng đèn thuộc về khoảng 85 khách hàng đầu tiên.
Ngày nay, 400 chiếc đèn có vẻ như là một sự ra mắt không may mắn, nhưng một cái bật công tắc đơn giản đó đã thay đổi cuộc sống trên Trái đất mãi mãi. Khoảnh khắc đó đại diện cho đỉnh cao của nhiều thế kỷ đột phá về điện khi các nhà khoa học bắt đầu hiểu được điện tích tĩnh điện và điện từ, trong khi các kỹ sư chế tạo tụ điện, pin và cuối cùng là toàn bộ các nhà máy điện. Buổi chiều mùa hè đặc biệt này ở Thành phố New York đại diện cho sự khởi đầu của lưới điện Hoa Kỳ.
Chỉ trong vòng 140 năm, 400 chiếc đèn đó đã chuyển đổi thành 4,24 nghìn tỷ kWh điện hàng năm. Làm thế nào mà một nhà máy điện ở New York này lại chuyển đổi thành kỳ quan kỹ thuật giúp cuộc sống hiện đại của chúng ta trở nên khả thi?
Mặc dù Trạm Pearl Street đã bắt đầu một kỷ nguyên mới, tương lai tươi sáng của chiếu sáng nhân tạo trước tiên cần phải tồn tại qua " Cuộc chiến của các dòng điện ". Ở một góc, công nghệ DC của Edison đã chứng minh được giá trị của nó nhưng không thể truyền đi xa vì vào thời điểm đó, các kỹ sư không thể tăng điện áp của nó sau mỗi thế hệ. Do hạn chế về công nghệ này, các nhà máy điện sẽ cần phải có tần suất như các hộp thư trên khắp các thành phố và thị trấn. Ví dụ, trung tâm thành phố New York đã trở thành một khu rừng của các thanh dầm ngang và dây điện, với một nhân chứng đã nói vào thời điểm đó , "có những khu rừng cột điện ở trung tâm thành phố... và lính cứu hỏa gặp khó khăn nhất trong việc nâng thang của họ".
Dây điện treo lơ lửng phía trên công viên ở trung tâm thành phố New York, năm 1879.
Nhưng một nhà phát minh khác và cựu nhân viên của Edison tên là Nikola Tesla - được nhà phát minh và doanh nhân George Westinghouse hậu thuẫn - đã phát minh ra một động cơ cảm ứng sử dụng “dòng điện xoay chiều” hay AC, dễ tạo ra hơn và ít bị mất năng lượng hơn vì điện áp của nó có thể tăng và giảm nhờ máy biến áp . Cuộc chiến diễn ra dữ dội cho đến cuối những năm 1880 - với một vài vụ việc không hay liên quan đến điện giật công khai - nhưng AC dần dần tiến lên phía trước.
Vào những năm 1890, một số nhà máy phát điện AC ở Colorado , Oregon và California bắt đầu cung cấp điện đường dài cho người dân. Năm 1892, Edison Electric đã hợp tác với một đối thủ cạnh tranh về điện AC và thành lập General Electric. Năm sau, Westinghouse Corporation đã giành được sự chấp thuận để cung cấp điện cho Triển lãm Thế giới Columbia bằng dòng điện xoay chiều.
Khi Chiến tranh Dòng điện chuyển từ sôi sang sôi , việc sản xuất điện bùng nổ trên khắp đất nước. Nhiều nhà máy điện rải rác khắp các thành phố trên khắp Hoa Kỳ, cung cấp điện cho những phát minh mới như xe đẩy, nhưng chính tại Chicago, hệ thống điện hiện đại mới bắt đầu hình thành.
Người dẫn dắt lưới điện Hoa Kỳ tiến vào tương lai là doanh nhân và doanh nhân Samuel Insull. Khi Insull đến Chicago vào năm 1892, thành phố này được cung cấp điện bởi 20 công ty điện khác nhau. Sau khi trở thành chủ tịch của công ty Chicago Edison, Insull nhanh chóng tăng hệ số tải, áp dụng các tua-bin hơi hiệu quả hơn, trở thành người ủng hộ điện xoay chiều và nhanh chóng mua lại các công ty khác để biến các nhà máy điện của đối thủ thành trạm biến áp. Trong vòng 15 năm, Insull đã mua hơn một chục công ty điện lực và đổi tên công ty của mình thành Commonwealth Edison - công ty tiện ích tiến bộ nhất và có chi phí thấp nhất trên thế giới.
Nhiều công ty điện lực đã nhanh chóng sao chép thành công của Insull, và khi các công ty này phát triển, họ trở nên đáng sợ vì là những công ty độc quyền khó kiểm soát. Nhưng vì cần phải đầu tư rất nhiều để trở thành một công ty tiện ích, các nhà kinh tế học coi những gã khổng lồ năng lượng đang phát triển này là " những công ty độc quyền tự nhiên", nơi khả năng tận dụng sức mạnh của các tua-bin lớn đòi hỏi lượng vốn lớn. Các chính phủ đã phản ứng bằng cách tạo ra các công ty tiện ích do thành phố hoặc tiểu bang quản lý, và khi Hoa Kỳ ngày càng được điện khí hóa, Tổng thống Franklin Roosevelt đã thông qua một loạt các quy định để thúc đẩy cạnh tranh trong khi mở rộng điện đến các vùng nông thôn nơi các công ty tiện ích thấy ít hoặc không có lợi nhuận.
Công nhân xây dựng đang xây dựng đường dây điện 33.000 watt ở Fort Knox, Kentucky, năm 1942.
Cuối cùng, vào đêm trước Thế chiến II, lưới điện hiện đại của Hoa Kỳ bắt đầu hình thành. Để tránh tình trạng mất điện và thiếu điện, chính phủ liên bang bắt đầu yêu cầu các công ty tiện ích kết nối với nhau. Điều này có nghĩa là nếu Boston thiếu điện, điện được tạo ra ở Ohio có thể bù đắp cho sự thiếu hụt. Đến những năm 1960, các kết nối phía Đông và phía Tây (cùng với Texas Interconnection nhỏ hơn và có động cơ chính trị ) đã cung cấp hầu hết điện năng cho Hoa Kỳ. Mặc dù hai lưới điện chính này được đồng bộ hóa, nhưng chúng chỉ có các kết nối hạn chế giữa chúng (ngoại trừ một khoảng thời gian ngắn 8 năm khi lưới điện của Hoa Kỳ thực sự trải dài từ bờ biển này sang bờ biển kia).
Trong suốt thế kỷ 20, những tiến bộ trong việc tăng và giảm điện áp DC đã được cải thiện đáng kể khi cuối cùng, vào năm 1990 , hệ thống điện một chiều cao áp ( HVDC ) lớn đầu tiên bắt đầu cung cấp điện cho New England. Hệ thống HVDC có thể đắt hơn vì chúng yêu cầu bộ chuyển đổi tại cả nhà máy điện và trạm biến áp địa phương, nhưng điện có thể truyền đi những khoảng cách xa hơn hiệu quả hơn so với hệ thống điện xoay chiều cao áp (HVAC). Ngày nay, HVDC được ưa chuộng khi điện cần truyền đi xa hơn 400 dặm hoặc hơn — một giải thưởng an ủi nhỏ cho Thomas Edison.
Dòng thời gian của những lần đầu tiên về năng lượng
1882 thủy điện
NHÀ MÁY ĐIỆN VULCAN
Appleton, Wisconsin
Chỉ vài tuần sau khi Edison bật công tắc tại Nhà máy điện Pearl Street, một loại máy phát điện khác đã được đưa vào hoạt động tại Appleton, Wisconsin. Cung cấp 12 ½ kilowatt cho ba tòa nhà, Nhà máy điện Vulcan Street được coi là một trong những hình thức thủy điện hiện đại sớm nhất trên thế giới. Nhà máy này rẻ hơn các nhà máy sản xuất hơi nước như Pearl Street, và bốn năm sau khi lần đầu tiên đưa vào hoạt động vào ngày 30 tháng 9 năm 1882, khoảng 50 nhà máy thủy điện tương tự đã được xây dựng trên khắp Hoa Kỳ
1888 tua bin gió
TUABIN GIÓ CỦA BRUSH Cleveland, Ohio
Đường kính năm mươi feet với 144 cánh quạt làm bằng gỗ tuyết tùng, tuabin gió đầu tiên của Hoa Kỳ thực sự là một cảnh tượng đáng chiêm ngưỡng. Được nhà phát minh Charles Brush chế tạo vào mùa đông năm 1888, tuabin nằm sau dinh thự Cleveland của ông và tạo ra khoảng 1.200 watt điện — quá đủ để cung cấp điện cho 100 bóng đèn trong nhà của Brush. Ngày nay, có khoảng 70.800 tuabin trải rộng khắp Hoa Kỳ
1895 năng lượng truyền tải
NHÀ MÁY ĐIỆN FOLSOM Folsom, California
Mặc dù Pearl Street Station đại diện cho những ngày đầu của nguồn điện DC, nhưng nguồn điện AC tương đương không được đưa vào sử dụng cho đến ngày 13 tháng 7 năm 1895. Nhà máy điện Folsom là nhà máy điện đầu tiên truyền dòng điện xoay chiều cao áp ba pha (60 Hz) bằng đường dây truyền tải điện dài (khoảng 21 dặm) đến Sacramento. Nhà máy điện này đã chiếu sáng tòa nhà quốc hội tiểu bang cùng với các doanh nghiệp khác và vẫn là một ví dụ tuyệt vời về lưới điện ngày nay trước khi bước sang thế kỷ 20.
1957 năng lượng hạt nhân
NHÀ MÁY ĐIỆN SHIPPINGPORT Cảng vận chuyển, Pennsylvania
Năm 1942, nhà vật lý Enrico Fermi đã chứng minh rằng việc tạo ra lò phản ứng hạt nhân nhân tạo là khả thi với Chicago Pile-1 của ông, nhưng phải mất thêm 15 năm nữa thì nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên trên thế giới mới đi vào hoạt động. Là một phần trong chương trình “Nguyên tử vì hòa bình” của Tổng thống Eisenhower, nhà máy này nằm trên Sông Ohio, cách Pittsburgh 25 dặm, đã bổ sung năng lượng phân hạch đầu tiên vào lưới điện vào ngày 18 tháng 12 năm 1957.
1983 năng lượng mặt trời
KHU VỰC NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI CARRIZO San Luis Obispo, California
Từ năm 1983 đến năm 1994, Carrizo Plain là nơi có nhà máy quang điện mặt trời quy mô công nghiệp đầu tiên trên thế giới . Lớn nhất cả nước, nếu không muốn nói là lớn nhất thế giới, mảng này có 100.000 tấm pin mặt trời một nhân bốn foot, sản xuất 5,2 megawatt năng lượng ở mức cao nhất. Ngày nay, khoảng chín triệu mô-đun năng lượng mặt trời cadmium telluride chiếm giữ vùng đất này như một phần của Topaz Solar Farm, một trong những cơ sở lắp đặt lớn nhất thế giới.
Thế hệ
Các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng lượng thứ cấp, ban đầu là than đá nhưng ngày càng phổ biến hơn là khí đốt tự nhiên hoặc phân hạch , để tạo ra hơi nước và quay các tua bin tạo ra điện bằng cảm ứng điện từ. Với việc sản xuất điện chiếm 31 phần trăm lượng khí thải carbon của Hoa Kỳ ( nguồn lớn nhất trong cả nước), các chính sách năng lượng xanh thúc đẩy thay thế nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên bằng các giải pháp thay thế sạch như năng lượng mặt trời, gió, thủy điện hoặc hạt nhân.
Các tua bin điện này tạo ra cái được gọi là nguồn điện xoay chiều ba pha . Với sóng sin của dòng điện xoay chiều thường dao động 60 lần (hertz) mỗi giây, năng lượng trải qua các đỉnh và đáy. Điều này tốt cho ngôi nhà của chúng ta và hầu hết các thiết bị đơn giản, nhưng máy móc ngốn điện đòi hỏi nguồn điện xoay chiều ba pha. Bù trừ sóng sin 120 độ đảm bảo rằng công suất luôn đạt đến đỉnh tại bất kỳ thời điểm nào.
Các nhà máy điện sau đó chuyển tiếp nguồn điện xoay chiều ba pha này đến một máy biến áp tại chính nhà máy để tăng điện áp để truyền tải, dao động từ 155.000 đến 500.000 vôn trở lên. Điện áp càng cao thì dòng điện càng thấp, nghĩa là điện trở năng lượng qua dây dẫn càng thấp.
Truyền tải
Với một máy biến áp tăng cường năng lượng, các đường dây truyền tải mang năng lượng điện áp cao đó đến các trạm biến áp trải dài hàng trăm dặm (tốt hơn nhiều so với một phần tư dặm ban đầu của Edison). Các tháp truyền tải này thường mang bốn (hoặc bảy) dây với mỗi bộ ba dây mang một trong ba pha AC, với dây thứ bảy là dây nối đất để chống sét. Cùng với các dây này, các tháp truyền tải cũng có các chất cách điện đĩa sứ hoặc gốm lớn để kết nối các dây dẫn với tháp.
Mặc dù những tòa tháp khổng lồ này thường bị coi là xấu xí ( một số quốc gia thậm chí đã cố gắng phân loại chúng lên một chút ), nhưng kích thước lớn của chúng mang lại nhiều lợi ích về an toàn. Lợi ích rõ ràng nhất là nó bảo vệ mọi người và người lái xe khỏi việc đến quá gần các dây điện và có thể tạo ra hồ quang điện ; hồ quang điện phát ra có thể gây ra hỏa hoạn và thậm chí tử vong. Tương tự như vậy, các dây điện được bố trí rộng rãi cho phép không khí cách điện các dây dẫn, điều này cũng ngăn ngừa hồ quang điện phát ra. Vì các dây dẫn này phải tránh xa mọi mảnh vỡ có thể có, nên các đường dây truyền tải thường được đặt ở các cánh đồng trống hoặc có nhiều không gian thông qua một khu rừng đã được dọn sạch.
Phân phối
Sau khi đi qua các đường dây truyền tải điện cao thế này, điện sẽ đến một trạm biến áp cục bộ. Bạn có thể đã nhìn thấy những khu vực được rào chắn này trông giống như một tập hợp các cột điện điên rồ hoàn hảo cho phòng thí nghiệm của một nhà khoa học điên rồ nào đó. Mặc dù các trạm biến áp này có nhiều chức năng phức tạp , bao gồm cả các cầu dao để ngắt kết nối khỏi lưới điện hoặc khỏi các đường dây phân phối cụ thể, nhưng kết quả cuối cùng là điện cao thế được hạ xuống dưới 10.000 vôn ( thường là khoảng 7.200 vôn ) và được truyền đến một thanh phân phối rồi đến các đường dây phân phối riêng biệt . Đây là những dây điện cuối cùng sẽ đến bên ngoài ngôi nhà của bạn, có thể là trên các cột điện hoặc chôn dưới lòng đất.
Cuối cùng, một dây một pha chạy bên ngoài ngôi nhà của bạn và một máy biến áp phân phối sẽ hạ điện áp xuống một lần cuối từ vài nghìn vôn xuống mức 240 vôn thông thường mà ngôi nhà của bạn cần. Từ đó, cầu dao điện của ngôi nhà sẽ dẫn điện đến các ổ cắm trong khi bảo vệ ngôi nhà khỏi tình trạng quá tải. Một đồng hồ đo thông minh đặt bên ngoài ngôi nhà của bạn sẽ theo dõi lượng năng lượng bạn sử dụng và tính hóa đơn cho bạn hàng tháng theo đó.
Con chim trên dây| Với rất nhiều vôn chạy qua các đường dây truyền tải và phân phối, tại sao chim không thường xuyên bị nướng khi đậu trên các cột điện và dây điện? Nói một cách đơn giản, điện là sự chuyển động của các electron chảy từ điện thế này sang điện thế khác. Vì chim có cùng điện thế với dây điện nên những người bạn lông vũ của chúng ta không bị điện giật vì điện vẫn ở trong dây. Nhưng chỉ vì chim đậu trên dây điện cả ngày không có nghĩa là chúng hoàn toàn an toàn. Đôi khi, một con chim sẽ đậu trên một cột điện trong khi đồng thời chạm vào một sợi dây. Vì cột điện được nối đất với Trái đất nên điện sẽ truyền qua chim xuống đất. Một nghiên cứu năm 2014 ước tính rằng 11,6 triệu con chim chết hàng năm do điện giật ở Hoa Kỳ. Đặt các dây dẫn xa nhau hơn, lắp đặt vật liệu cách điện và xây dựng các phần mở rộng trên đỉnh cột điện để chim đậu an toàn hơn có thể giúp ngăn chim khỏi bị nhiễm điện đồng thời cải thiện độ tin cậy của lưới điện. Vào năm 2022, một con chim đã khiến 10.000 khách hàng ở New Orleans mất điện — một bằng chứng nữa cho thấy lưới điện thân thiện với chim là lưới điện thân thiện với con người.
Một lưới, nhiều thách thức
Lưới điện của Hoa Kỳ là một kỳ quan kỹ thuật hiện đại, nhưng giống như các siêu dự án khác của Hoa Kỳ , hệ thống này đang cho thấy tuổi tác của nó. Chính quyền Biden ước tính rằng 70 phần trăm lưới điện đã hơn 25 năm tuổi và lưới điện cũng cần phải tăng công suất hiện tại vào năm 2050 để theo kịp nhu cầu năng lượng. Quan trọng là, Hoa Kỳ cần bổ sung thêm ít nhất 60 phần trăm đường dây truyền tải để cung cấp một lượng năng lượng sạch ngày càng tăng từ vùng nội địa đầy nắng và gió của Hoa Kỳ đến các cộng đồng dọc theo bờ biển. Bạn có thể xây dựng thế hệ năng lượng sạch nhiều như bạn muốn, nhưng nếu không có đủ cơ sở hạ tầng để truyền tải năng lượng đó, thì nó vô dụng .
Công suất chỉ là một thách thức mà lưới điện phải đối mặt, thách thức còn lại là thực tế là các tiện ích là mục tiêu dễ dàng cho các cuộc tấn công mạng. Lưới điện là mục tiêu hấp dẫn nhất đối với bất kỳ quốc gia nào muốn gây ra sự tàn phá ở Hoa Kỳ do quy mô to lớn và tầm quan trọng của nó đối với cuộc sống hàng ngày. Vấn đề trở nên trầm trọng hơn khi "lưới điện thông minh" và "internet vạn vật công nghiệp" ra đời, giúp tăng hiệu quả và độ tin cậy trong khi kết hợp các hệ thống điều khiển công nghiệp với internet — mở ra cho lưới điện một loạt các lỗ hổng tiềm ẩn.
Một cuộc tấn công mạng vào một công ty tiện ích ở Ukraine đã khiến người dân mất điện vào năm 2015 , trong khi một cuộc tấn công khác đã tác động đến công ty tiện ích nước của Israel vào năm 2020. Năm sau, Bộ trưởng Năng lượng Hoa Kỳ xác nhận rằng các đối thủ của Hoa Kỳ có khả năng đóng cửa lưới điện của Hoa Kỳ. Một báo cáo từ năm 2021 nêu chi tiết rằng các công ty tiện ích cần triển khai phát hiện mối đe dọa, phối hợp với các cơ quan chính phủ về phản ứng và phục hồi sau tấn công mạng, và làm cho các hệ thống năng lượng trở nên kiên cường hơn (cùng với những việc khác).
Nhưng mối đe dọa lớn nhất đang rình rập đối với lưới điện, mối đe dọa có khả năng khiến những thách thức khác của hệ thống trở nên tồi tệ hơn, chính là biến đổi khí hậu. Các sự kiện thời tiết khắc nghiệt như cháy rừng , bão và đóng băng sâu như sự kiện đã khiến Texas rơi vào khủng hoảng năm 2021 (mặc dù hệ thống kết nối Texas cũng là một mớ hỗn độn ) sẽ trở thành chuẩn mực, và lưới điện sẽ cần phải được gia cố để có thể chống chọi với những cú đấm môi trường này.
Cung cấp năng lượng cho tương lai
Vậy lưới điện của tương lai trông như thế nào? Vâng, kế hoạch hiện tại là tạo ra một hệ thống năng lượng sạch 100 phần trăm vào năm 2035, và để đạt được mục tiêu đầy tham vọng đó, Hoa Kỳ có thể sẽ cần xây dựng các hệ thống năng lượng sạch mới, đầu tư vào các công nghệ phân hạch hạt nhân thế hệ tiếp theo và tiếp tục đóng góp vào các hoạt động hợp tác quốc tế để phát triển chén thánh của các hệ thống năng lượng sạch: phản ứng tổng hợp hạt nhân . Trong khi đó, điều cần thiết là lưới điện Hoa Kỳ phải tăng cường năng lực và khả năng phục hồi, bất kể là chống lại tin tặc hay khí hậu ngày càng dữ dội.
Nhưng cũng cần có những cải tiến khác để đảm bảo lưới điện hoàn toàn có thể chống chọi với tương lai. Một lĩnh vực đầu tư lớn là phát triển các phương pháp hiệu quả để lưu trữ năng lượng nhằm giúp lưới điện phản ứng nhanh hơn khi mặt trời không chiếu sáng hoặc gió không thổi. Điều này có thể bao gồm pin lithium-ion thông thường hoặc các ý tưởng mới lạ hơn, chẳng hạn như pin trọng lực hoặc pin sắt-không khí khai thác tiềm năng lưu trữ năng lượng của quá trình oxy hóa (hay còn gọi là gỉ sét).
Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia của Bộ năng lượng Hoa Kỳ cũng khuyến nghị kết nối ba kết nối riêng biệt của Hoa Kỳ. Một hệ thống lưới điện quốc gia thực sự tận dụng sức mạnh của các đường dây truyền tải HVDC ngày càng phải chăng có thể vận chuyển năng lượng mặt trời từ California đầy nắng đến New England phủ đầy tuyết và làm cho lưới điện thậm chí còn kiên cường hơn trước các thảm họa thiên nhiên. Ngược lại, các lưới điện siêu nhỏ bổ sung cung cấp năng lượng cho cơ sở hạ tầng quan trọng như bệnh viện có thể đảm bảo rằng tình trạng mất điện không ảnh hưởng đến các dịch vụ y tế quan trọng.
Nhưng thách thức lớn nhất sẽ là phải nâng cấp cơ sở hạ tầng năng lượng vốn đã cũ kỹ trong khi tăng công suất khi Hoa Kỳ bắt đầu điện khí hóa ô tô, bếp lò, lò sưởi và về cơ bản là mọi thứ khác.
Trong 140 năm, lưới điện Hoa Kỳ đã hoàn toàn cách mạng hóa cuộc sống, nhưng đó không phải là sáng tạo một lần rồi thôi. Nó đòi hỏi sự chăm sóc, cảnh giác và đổi mới liên tục để đảm bảo tiếp tục cải thiện cuộc sống của những người sử dụng năng lượng đó, cùng với hành tinh mà tất cả chúng ta gọi là nhà. (popularmechanics
Cỗ máy lớn nhất thế giới là gì? Liebherr R9800, máy đào lớn nhất thế giới, là một phỏng đoán hay. Máy vận chuyển bánh xích của NASA , quái vật cơ khí giống xe tăng chở tên lửa ở Cape Canaveral, là một ứng cử viên nghiêm túc khác. Hóa ra cỗ máy lớn nhất thế giới nằm ngay trước cửa nhà bạn. Bạn có thể nhìn thấy nó khi đến cửa hàng tạp hóa. Trên thực tế, có thể bạn đang sử dụng nó ngay lúc này.
Lưới điện Bắc Mỹ - thực chất là một mảnh ghép của năm kết nối nhỏ hơn - được một số người coi là cỗ máy lớn nhất mà loài người từng tạo ra. Chỉ riêng Hoa Kỳ đã có 600.000 dặm đường dây truyền tải và 5,5 triệu dặm đường dây phân phối (những sợi dây màu đen cung cấp điện cho ngôi nhà của bạn). Theo mọi tính toán, đây là một thành tựu kỹ thuật đáng kinh ngạc, nhưng chưa bao giờ thực sự hoàn thành.
Để Hoa Kỳ đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng khi ô tô, nhà cửa và doanh nghiệp từ bỏ nhiên liệu hóa thạch để chuyển sang năng lượng xanh, lưới điện cần phải theo kịp nhu cầu. Điều đó không chỉ có nghĩa là nâng cấp cơ sở hạ tầng hiện có trong khi đầu tư vào nhiều năng lực hơn mà còn bảo vệ lưới điện rộng lớn, dễ bị tổn thương này khỏi mọi thứ, từ lốc xoáy đến khủng bố.
Lưới điện Hoa Kỳ không phải là tượng đài của sự khéo léo trong quá khứ mà là thách thức đối với chính chúng ta. Sau đây là cách cỗ máy này phát triển từ một nhà máy điện nhỏ ở Thành phố New York thành một siêu dự án trải dài khắp châu lục; cách lưới điện hoạt động và cung cấp điện cho ngôi nhà của bạn; và cách nó cần chuẩn bị cho cuộc chiến năng lượng sắp tới.
Hãy để có ánh sáng
Vào lúc 3 giờ chiều ngày 4 tháng 9 năm 1882, một kỹ sư làm việc tại một nhà máy điện ở trung tâm Manhattan đã đóng một cầu dao điện, và chỉ trong vài giây, sáu máy phát điện chạy bằng than, nặng 27 tấn, công suất 100 kilowatt đã gầm rú hoạt động. Cung cấp điện một chiều (DC) cho cư dân trong phạm vi khoảng một phần tư dặm, Nhà máy điện Pearl Street của Thomas Edison - nhà máy điện đầu tiên trên thế giới - cung cấp ánh sáng cho 400 bóng đèn thuộc về khoảng 85 khách hàng đầu tiên.
Ngày nay, 400 chiếc đèn có vẻ như là một sự ra mắt không may mắn, nhưng một cái bật công tắc đơn giản đó đã thay đổi cuộc sống trên Trái đất mãi mãi. Khoảnh khắc đó đại diện cho đỉnh cao của nhiều thế kỷ đột phá về điện khi các nhà khoa học bắt đầu hiểu được điện tích tĩnh điện và điện từ, trong khi các kỹ sư chế tạo tụ điện, pin và cuối cùng là toàn bộ các nhà máy điện. Buổi chiều mùa hè đặc biệt này ở Thành phố New York đại diện cho sự khởi đầu của lưới điện Hoa Kỳ.
Chỉ trong vòng 140 năm, 400 chiếc đèn đó đã chuyển đổi thành 4,24 nghìn tỷ kWh điện hàng năm. Làm thế nào mà một nhà máy điện ở New York này lại chuyển đổi thành kỳ quan kỹ thuật giúp cuộc sống hiện đại của chúng ta trở nên khả thi?
Mặc dù Trạm Pearl Street đã bắt đầu một kỷ nguyên mới, tương lai tươi sáng của chiếu sáng nhân tạo trước tiên cần phải tồn tại qua " Cuộc chiến của các dòng điện ". Ở một góc, công nghệ DC của Edison đã chứng minh được giá trị của nó nhưng không thể truyền đi xa vì vào thời điểm đó, các kỹ sư không thể tăng điện áp của nó sau mỗi thế hệ. Do hạn chế về công nghệ này, các nhà máy điện sẽ cần phải có tần suất như các hộp thư trên khắp các thành phố và thị trấn. Ví dụ, trung tâm thành phố New York đã trở thành một khu rừng của các thanh dầm ngang và dây điện, với một nhân chứng đã nói vào thời điểm đó , "có những khu rừng cột điện ở trung tâm thành phố... và lính cứu hỏa gặp khó khăn nhất trong việc nâng thang của họ".
Dây điện treo lơ lửng phía trên công viên ở trung tâm thành phố New York, năm 1879.
Nhưng một nhà phát minh khác và cựu nhân viên của Edison tên là Nikola Tesla - được nhà phát minh và doanh nhân George Westinghouse hậu thuẫn - đã phát minh ra một động cơ cảm ứng sử dụng “dòng điện xoay chiều” hay AC, dễ tạo ra hơn và ít bị mất năng lượng hơn vì điện áp của nó có thể tăng và giảm nhờ máy biến áp . Cuộc chiến diễn ra dữ dội cho đến cuối những năm 1880 - với một vài vụ việc không hay liên quan đến điện giật công khai - nhưng AC dần dần tiến lên phía trước.
Vào những năm 1890, một số nhà máy phát điện AC ở Colorado , Oregon và California bắt đầu cung cấp điện đường dài cho người dân. Năm 1892, Edison Electric đã hợp tác với một đối thủ cạnh tranh về điện AC và thành lập General Electric. Năm sau, Westinghouse Corporation đã giành được sự chấp thuận để cung cấp điện cho Triển lãm Thế giới Columbia bằng dòng điện xoay chiều.
Khi Chiến tranh Dòng điện chuyển từ sôi sang sôi , việc sản xuất điện bùng nổ trên khắp đất nước. Nhiều nhà máy điện rải rác khắp các thành phố trên khắp Hoa Kỳ, cung cấp điện cho những phát minh mới như xe đẩy, nhưng chính tại Chicago, hệ thống điện hiện đại mới bắt đầu hình thành.
Người dẫn dắt lưới điện Hoa Kỳ tiến vào tương lai là doanh nhân và doanh nhân Samuel Insull. Khi Insull đến Chicago vào năm 1892, thành phố này được cung cấp điện bởi 20 công ty điện khác nhau. Sau khi trở thành chủ tịch của công ty Chicago Edison, Insull nhanh chóng tăng hệ số tải, áp dụng các tua-bin hơi hiệu quả hơn, trở thành người ủng hộ điện xoay chiều và nhanh chóng mua lại các công ty khác để biến các nhà máy điện của đối thủ thành trạm biến áp. Trong vòng 15 năm, Insull đã mua hơn một chục công ty điện lực và đổi tên công ty của mình thành Commonwealth Edison - công ty tiện ích tiến bộ nhất và có chi phí thấp nhất trên thế giới.
Nhiều công ty điện lực đã nhanh chóng sao chép thành công của Insull, và khi các công ty này phát triển, họ trở nên đáng sợ vì là những công ty độc quyền khó kiểm soát. Nhưng vì cần phải đầu tư rất nhiều để trở thành một công ty tiện ích, các nhà kinh tế học coi những gã khổng lồ năng lượng đang phát triển này là " những công ty độc quyền tự nhiên", nơi khả năng tận dụng sức mạnh của các tua-bin lớn đòi hỏi lượng vốn lớn. Các chính phủ đã phản ứng bằng cách tạo ra các công ty tiện ích do thành phố hoặc tiểu bang quản lý, và khi Hoa Kỳ ngày càng được điện khí hóa, Tổng thống Franklin Roosevelt đã thông qua một loạt các quy định để thúc đẩy cạnh tranh trong khi mở rộng điện đến các vùng nông thôn nơi các công ty tiện ích thấy ít hoặc không có lợi nhuận.
Công nhân xây dựng đang xây dựng đường dây điện 33.000 watt ở Fort Knox, Kentucky, năm 1942.
Cuối cùng, vào đêm trước Thế chiến II, lưới điện hiện đại của Hoa Kỳ bắt đầu hình thành. Để tránh tình trạng mất điện và thiếu điện, chính phủ liên bang bắt đầu yêu cầu các công ty tiện ích kết nối với nhau. Điều này có nghĩa là nếu Boston thiếu điện, điện được tạo ra ở Ohio có thể bù đắp cho sự thiếu hụt. Đến những năm 1960, các kết nối phía Đông và phía Tây (cùng với Texas Interconnection nhỏ hơn và có động cơ chính trị ) đã cung cấp hầu hết điện năng cho Hoa Kỳ. Mặc dù hai lưới điện chính này được đồng bộ hóa, nhưng chúng chỉ có các kết nối hạn chế giữa chúng (ngoại trừ một khoảng thời gian ngắn 8 năm khi lưới điện của Hoa Kỳ thực sự trải dài từ bờ biển này sang bờ biển kia).
Trong suốt thế kỷ 20, những tiến bộ trong việc tăng và giảm điện áp DC đã được cải thiện đáng kể khi cuối cùng, vào năm 1990 , hệ thống điện một chiều cao áp ( HVDC ) lớn đầu tiên bắt đầu cung cấp điện cho New England. Hệ thống HVDC có thể đắt hơn vì chúng yêu cầu bộ chuyển đổi tại cả nhà máy điện và trạm biến áp địa phương, nhưng điện có thể truyền đi những khoảng cách xa hơn hiệu quả hơn so với hệ thống điện xoay chiều cao áp (HVAC). Ngày nay, HVDC được ưa chuộng khi điện cần truyền đi xa hơn 400 dặm hoặc hơn — một giải thưởng an ủi nhỏ cho Thomas Edison.
Dòng thời gian của những lần đầu tiên về năng lượng
1882 thủy điện
NHÀ MÁY ĐIỆN VULCAN
Appleton, WisconsinChỉ vài tuần sau khi Edison bật công tắc tại Nhà máy điện Pearl Street, một loại máy phát điện khác đã được đưa vào hoạt động tại Appleton, Wisconsin. Cung cấp 12 ½ kilowatt cho ba tòa nhà, Nhà máy điện Vulcan Street được coi là một trong những hình thức thủy điện hiện đại sớm nhất trên thế giới. Nhà máy này rẻ hơn các nhà máy sản xuất hơi nước như Pearl Street, và bốn năm sau khi lần đầu tiên đưa vào hoạt động vào ngày 30 tháng 9 năm 1882, khoảng 50 nhà máy thủy điện tương tự đã được xây dựng trên khắp Hoa Kỳ
1888 tua bin gió
TUABIN GIÓ CỦA BRUSH
Cleveland, OhioĐường kính năm mươi feet với 144 cánh quạt làm bằng gỗ tuyết tùng, tuabin gió đầu tiên của Hoa Kỳ thực sự là một cảnh tượng đáng chiêm ngưỡng. Được nhà phát minh Charles Brush chế tạo vào mùa đông năm 1888, tuabin nằm sau dinh thự Cleveland của ông và tạo ra khoảng 1.200 watt điện — quá đủ để cung cấp điện cho 100 bóng đèn trong nhà của Brush. Ngày nay, có khoảng 70.800 tuabin trải rộng khắp Hoa Kỳ
1895 năng lượng truyền tải
NHÀ MÁY ĐIỆN FOLSOM
Folsom, CaliforniaMặc dù Pearl Street Station đại diện cho những ngày đầu của nguồn điện DC, nhưng nguồn điện AC tương đương không được đưa vào sử dụng cho đến ngày 13 tháng 7 năm 1895. Nhà máy điện Folsom là nhà máy điện đầu tiên truyền dòng điện xoay chiều cao áp ba pha (60 Hz) bằng đường dây truyền tải điện dài (khoảng 21 dặm) đến Sacramento. Nhà máy điện này đã chiếu sáng tòa nhà quốc hội tiểu bang cùng với các doanh nghiệp khác và vẫn là một ví dụ tuyệt vời về lưới điện ngày nay trước khi bước sang thế kỷ 20.
1957 năng lượng hạt nhân
NHÀ MÁY ĐIỆN SHIPPINGPORT
Cảng vận chuyển, PennsylvaniaNăm 1942, nhà vật lý Enrico Fermi đã chứng minh rằng việc tạo ra lò phản ứng hạt nhân nhân tạo là khả thi với Chicago Pile-1 của ông, nhưng phải mất thêm 15 năm nữa thì nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên trên thế giới mới đi vào hoạt động. Là một phần trong chương trình “Nguyên tử vì hòa bình” của Tổng thống Eisenhower, nhà máy này nằm trên Sông Ohio, cách Pittsburgh 25 dặm, đã bổ sung năng lượng phân hạch đầu tiên vào lưới điện vào ngày 18 tháng 12 năm 1957.
1983 năng lượng mặt trời
KHU VỰC NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI CARRIZO
San Luis Obispo, CaliforniaTừ năm 1983 đến năm 1994, Carrizo Plain là nơi có nhà máy quang điện mặt trời quy mô công nghiệp đầu tiên trên thế giới . Lớn nhất cả nước, nếu không muốn nói là lớn nhất thế giới, mảng này có 100.000 tấm pin mặt trời một nhân bốn foot, sản xuất 5,2 megawatt năng lượng ở mức cao nhất. Ngày nay, khoảng chín triệu mô-đun năng lượng mặt trời cadmium telluride chiếm giữ vùng đất này như một phần của Topaz Solar Farm, một trong những cơ sở lắp đặt lớn nhất thế giới.
Lưới điện hoạt động như thế nào
Mặc dù lưới điện đã phát triển về quy mô và độ phức tạp kể từ nguồn gốc vào cuối thế kỷ 19, nhưng chức năng tổng thể của nó vẫn gần như không thay đổi (mặc dù có các thành phần hiệu quả và mạnh mẽ hơn). Vì khả năng lưu trữ năng lượng phức tạp và tốn kém, nên điện được tạo ra theo nhu cầu, nghĩa là vôn cung cấp năng lượng cho bóng đèn trong nhà bạn được tạo ra sớm hơn vài micro giây tại một nhà máy điện cách xa hàng trăm dặm khi sóng điện từ lan truyền dọc theo dây dẫn với tốc độ ánh sáng. Để truyền từ nhà máy điện đến nhà bạn, lưới điện hoạt động theo ba giai đoạn: phát điện, truyền tải và phân phối.
Thế hệ
Các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng lượng thứ cấp, ban đầu là than đá nhưng ngày càng phổ biến hơn là khí đốt tự nhiên hoặc phân hạch , để tạo ra hơi nước và quay các tua bin tạo ra điện bằng cảm ứng điện từ. Với việc sản xuất điện chiếm 31 phần trăm lượng khí thải carbon của Hoa Kỳ ( nguồn lớn nhất trong cả nước), các chính sách năng lượng xanh thúc đẩy thay thế nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên bằng các giải pháp thay thế sạch như năng lượng mặt trời, gió, thủy điện hoặc hạt nhân.
Các tua bin điện này tạo ra cái được gọi là nguồn điện xoay chiều ba pha . Với sóng sin của dòng điện xoay chiều thường dao động 60 lần (hertz) mỗi giây, năng lượng trải qua các đỉnh và đáy. Điều này tốt cho ngôi nhà của chúng ta và hầu hết các thiết bị đơn giản, nhưng máy móc ngốn điện đòi hỏi nguồn điện xoay chiều ba pha. Bù trừ sóng sin 120 độ đảm bảo rằng công suất luôn đạt đến đỉnh tại bất kỳ thời điểm nào.
Các nhà máy điện sau đó chuyển tiếp nguồn điện xoay chiều ba pha này đến một máy biến áp tại chính nhà máy để tăng điện áp để truyền tải, dao động từ 155.000 đến 500.000 vôn trở lên. Điện áp càng cao thì dòng điện càng thấp, nghĩa là điện trở năng lượng qua dây dẫn càng thấp.
Truyền tải
Với một máy biến áp tăng cường năng lượng, các đường dây truyền tải mang năng lượng điện áp cao đó đến các trạm biến áp trải dài hàng trăm dặm (tốt hơn nhiều so với một phần tư dặm ban đầu của Edison). Các tháp truyền tải này thường mang bốn (hoặc bảy) dây với mỗi bộ ba dây mang một trong ba pha AC, với dây thứ bảy là dây nối đất để chống sét. Cùng với các dây này, các tháp truyền tải cũng có các chất cách điện đĩa sứ hoặc gốm lớn để kết nối các dây dẫn với tháp.
Mặc dù những tòa tháp khổng lồ này thường bị coi là xấu xí ( một số quốc gia thậm chí đã cố gắng phân loại chúng lên một chút ), nhưng kích thước lớn của chúng mang lại nhiều lợi ích về an toàn. Lợi ích rõ ràng nhất là nó bảo vệ mọi người và người lái xe khỏi việc đến quá gần các dây điện và có thể tạo ra hồ quang điện ; hồ quang điện phát ra có thể gây ra hỏa hoạn và thậm chí tử vong. Tương tự như vậy, các dây điện được bố trí rộng rãi cho phép không khí cách điện các dây dẫn, điều này cũng ngăn ngừa hồ quang điện phát ra. Vì các dây dẫn này phải tránh xa mọi mảnh vỡ có thể có, nên các đường dây truyền tải thường được đặt ở các cánh đồng trống hoặc có nhiều không gian thông qua một khu rừng đã được dọn sạch.
Phân phối
Sau khi đi qua các đường dây truyền tải điện cao thế này, điện sẽ đến một trạm biến áp cục bộ. Bạn có thể đã nhìn thấy những khu vực được rào chắn này trông giống như một tập hợp các cột điện điên rồ hoàn hảo cho phòng thí nghiệm của một nhà khoa học điên rồ nào đó. Mặc dù các trạm biến áp này có nhiều chức năng phức tạp , bao gồm cả các cầu dao để ngắt kết nối khỏi lưới điện hoặc khỏi các đường dây phân phối cụ thể, nhưng kết quả cuối cùng là điện cao thế được hạ xuống dưới 10.000 vôn ( thường là khoảng 7.200 vôn ) và được truyền đến một thanh phân phối rồi đến các đường dây phân phối riêng biệt . Đây là những dây điện cuối cùng sẽ đến bên ngoài ngôi nhà của bạn, có thể là trên các cột điện hoặc chôn dưới lòng đất.
Cuối cùng, một dây một pha chạy bên ngoài ngôi nhà của bạn và một máy biến áp phân phối sẽ hạ điện áp xuống một lần cuối từ vài nghìn vôn xuống mức 240 vôn thông thường mà ngôi nhà của bạn cần. Từ đó, cầu dao điện của ngôi nhà sẽ dẫn điện đến các ổ cắm trong khi bảo vệ ngôi nhà khỏi tình trạng quá tải. Một đồng hồ đo thông minh đặt bên ngoài ngôi nhà của bạn sẽ theo dõi lượng năng lượng bạn sử dụng và tính hóa đơn cho bạn hàng tháng theo đó.
Con chim trên dây| Với rất nhiều vôn chạy qua các đường dây truyền tải và phân phối, tại sao chim không thường xuyên bị nướng khi đậu trên các cột điện và dây điện? Nói một cách đơn giản, điện là sự chuyển động của các electron chảy từ điện thế này sang điện thế khác. Vì chim có cùng điện thế với dây điện nên những người bạn lông vũ của chúng ta không bị điện giật vì điện vẫn ở trong dây. Nhưng chỉ vì chim đậu trên dây điện cả ngày không có nghĩa là chúng hoàn toàn an toàn. Đôi khi, một con chim sẽ đậu trên một cột điện trong khi đồng thời chạm vào một sợi dây. Vì cột điện được nối đất với Trái đất nên điện sẽ truyền qua chim xuống đất. Một nghiên cứu năm 2014 ước tính rằng 11,6 triệu con chim chết hàng năm do điện giật ở Hoa Kỳ. Đặt các dây dẫn xa nhau hơn, lắp đặt vật liệu cách điện và xây dựng các phần mở rộng trên đỉnh cột điện để chim đậu an toàn hơn có thể giúp ngăn chim khỏi bị nhiễm điện đồng thời cải thiện độ tin cậy của lưới điện. Vào năm 2022, một con chim đã khiến 10.000 khách hàng ở New Orleans mất điện — một bằng chứng nữa cho thấy lưới điện thân thiện với chim là lưới điện thân thiện với con người.
Một lưới, nhiều thách thức
Lưới điện của Hoa Kỳ là một kỳ quan kỹ thuật hiện đại, nhưng giống như các siêu dự án khác của Hoa Kỳ , hệ thống này đang cho thấy tuổi tác của nó. Chính quyền Biden ước tính rằng 70 phần trăm lưới điện đã hơn 25 năm tuổi và lưới điện cũng cần phải tăng công suất hiện tại vào năm 2050 để theo kịp nhu cầu năng lượng. Quan trọng là, Hoa Kỳ cần bổ sung thêm ít nhất 60 phần trăm đường dây truyền tải để cung cấp một lượng năng lượng sạch ngày càng tăng từ vùng nội địa đầy nắng và gió của Hoa Kỳ đến các cộng đồng dọc theo bờ biển. Bạn có thể xây dựng thế hệ năng lượng sạch nhiều như bạn muốn, nhưng nếu không có đủ cơ sở hạ tầng để truyền tải năng lượng đó, thì nó vô dụng .
Công suất chỉ là một thách thức mà lưới điện phải đối mặt, thách thức còn lại là thực tế là các tiện ích là mục tiêu dễ dàng cho các cuộc tấn công mạng. Lưới điện là mục tiêu hấp dẫn nhất đối với bất kỳ quốc gia nào muốn gây ra sự tàn phá ở Hoa Kỳ do quy mô to lớn và tầm quan trọng của nó đối với cuộc sống hàng ngày. Vấn đề trở nên trầm trọng hơn khi "lưới điện thông minh" và "internet vạn vật công nghiệp" ra đời, giúp tăng hiệu quả và độ tin cậy trong khi kết hợp các hệ thống điều khiển công nghiệp với internet — mở ra cho lưới điện một loạt các lỗ hổng tiềm ẩn.
Một cuộc tấn công mạng vào một công ty tiện ích ở Ukraine đã khiến người dân mất điện vào năm 2015 , trong khi một cuộc tấn công khác đã tác động đến công ty tiện ích nước của Israel vào năm 2020. Năm sau, Bộ trưởng Năng lượng Hoa Kỳ xác nhận rằng các đối thủ của Hoa Kỳ có khả năng đóng cửa lưới điện của Hoa Kỳ. Một báo cáo từ năm 2021 nêu chi tiết rằng các công ty tiện ích cần triển khai phát hiện mối đe dọa, phối hợp với các cơ quan chính phủ về phản ứng và phục hồi sau tấn công mạng, và làm cho các hệ thống năng lượng trở nên kiên cường hơn (cùng với những việc khác).
Nhưng mối đe dọa lớn nhất đang rình rập đối với lưới điện, mối đe dọa có khả năng khiến những thách thức khác của hệ thống trở nên tồi tệ hơn, chính là biến đổi khí hậu. Các sự kiện thời tiết khắc nghiệt như cháy rừng , bão và đóng băng sâu như sự kiện đã khiến Texas rơi vào khủng hoảng năm 2021 (mặc dù hệ thống kết nối Texas cũng là một mớ hỗn độn ) sẽ trở thành chuẩn mực, và lưới điện sẽ cần phải được gia cố để có thể chống chọi với những cú đấm môi trường này.
Cung cấp năng lượng cho tương lai
Vậy lưới điện của tương lai trông như thế nào? Vâng, kế hoạch hiện tại là tạo ra một hệ thống năng lượng sạch 100 phần trăm vào năm 2035, và để đạt được mục tiêu đầy tham vọng đó, Hoa Kỳ có thể sẽ cần xây dựng các hệ thống năng lượng sạch mới, đầu tư vào các công nghệ phân hạch hạt nhân thế hệ tiếp theo và tiếp tục đóng góp vào các hoạt động hợp tác quốc tế để phát triển chén thánh của các hệ thống năng lượng sạch: phản ứng tổng hợp hạt nhân . Trong khi đó, điều cần thiết là lưới điện Hoa Kỳ phải tăng cường năng lực và khả năng phục hồi, bất kể là chống lại tin tặc hay khí hậu ngày càng dữ dội.
Nhưng cũng cần có những cải tiến khác để đảm bảo lưới điện hoàn toàn có thể chống chọi với tương lai. Một lĩnh vực đầu tư lớn là phát triển các phương pháp hiệu quả để lưu trữ năng lượng nhằm giúp lưới điện phản ứng nhanh hơn khi mặt trời không chiếu sáng hoặc gió không thổi. Điều này có thể bao gồm pin lithium-ion thông thường hoặc các ý tưởng mới lạ hơn, chẳng hạn như pin trọng lực hoặc pin sắt-không khí khai thác tiềm năng lưu trữ năng lượng của quá trình oxy hóa (hay còn gọi là gỉ sét).
Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia của Bộ năng lượng Hoa Kỳ cũng khuyến nghị kết nối ba kết nối riêng biệt của Hoa Kỳ. Một hệ thống lưới điện quốc gia thực sự tận dụng sức mạnh của các đường dây truyền tải HVDC ngày càng phải chăng có thể vận chuyển năng lượng mặt trời từ California đầy nắng đến New England phủ đầy tuyết và làm cho lưới điện thậm chí còn kiên cường hơn trước các thảm họa thiên nhiên. Ngược lại, các lưới điện siêu nhỏ bổ sung cung cấp năng lượng cho cơ sở hạ tầng quan trọng như bệnh viện có thể đảm bảo rằng tình trạng mất điện không ảnh hưởng đến các dịch vụ y tế quan trọng.
Nhưng thách thức lớn nhất sẽ là phải nâng cấp cơ sở hạ tầng năng lượng vốn đã cũ kỹ trong khi tăng công suất khi Hoa Kỳ bắt đầu điện khí hóa ô tô, bếp lò, lò sưởi và về cơ bản là mọi thứ khác.
Trong 140 năm, lưới điện Hoa Kỳ đã hoàn toàn cách mạng hóa cuộc sống, nhưng đó không phải là sáng tạo một lần rồi thôi. Nó đòi hỏi sự chăm sóc, cảnh giác và đổi mới liên tục để đảm bảo tiếp tục cải thiện cuộc sống của những người sử dụng năng lượng đó, cùng với hành tinh mà tất cả chúng ta gọi là nhà. (popularmechanics
