Hạ tầng lưới điện của Mỹ đối mặt với căng thẳng trước sự bùng nổ của xe điện

Nhu cầu điện trong nước tại Mỹ vào năm 2022 dự kiến sẽ tăng tới 18% vào năm 2030 và 38% vào năm 2035, theo phân tích của Bộ công cụ Phân tích và Đánh giá chính sách năng lượng nhanh (REPEAT), một dự án chính sách năng lượng của Đại học Princeton. Đó là một sự thay đổi lớn so với mức tăng khoảng 5% tại Mỹ đã cho thấy trong thập kỷ qua.

Rob Gramlich, người sáng lập và chủ tịch của Grid Strategies, cho biết: “Chúng tôi có rất nhiều nhu cầu điện đến đất nước này".

Trong khi nhiều bộ phận của nền kinh tế đang chuyển từ sử dụng nhiên liệu hóa thạch sang điện khí hóa hãy nghĩ đến các thiết bị gia dụng như bếp lò và hệ thống sưởi ấm không gian cho gia đình và văn phòng và lĩnh vực giao thông vận tải đang thúc đẩy sự gia tăng.

Theo dữ liệu của Princeton, các phương tiện hạng nhẹ, một phân khúc không bao gồm xe tải lớn và hàng không, được dự đoán sẽ sử dụng nhiều hơn 3.360% điện năng vào năm 2035 so với hiện nay ở Mỹ.

Nhưng điện khí hóa chỉ là một giải pháp khử carbon hiệu quả nếu nó được kết hợp với việc xây dựng năng lượng tái tạo lớn. Gramlich nói: “Chúng tôi có cả động lực từ phía cung và phía cầu đối với nhu cầu lưới điện lớn”.

Điều đó có nghĩa là cần những thay đổi lớn đối với lưới điện của Mỹ. Nhiều đường dây truyền tải điện cao thế hơn để vận chuyển điện từ các nhà máy điện mặt trời và gió ở nông thôn đến các trung tâm có nhu cầu; đường dây phân phối và máy biến áp nhỏ hơn để cung cấp điện ở những chặng cuối; và phần cứng như bộ biến tần cho phép khách hàng có pin gia đình, xe điện và tấm pin mặt trời cung cấp năng lượng dư thừa trở lại lưới điện.

Nhưng nó sẽ không rẻ!. Trong một nghiên cứu do Ủy ban Tiện ích Công cộng California ủy quyền, công ty phân tích lưới điện Kevala dự báo rằng riêng California sẽ phải chi 50 tỷ USD vào năm 2035 để nâng cấp lưới điện phân phối nhằm đáp ứng các mục tiêu EV đầy tham vọng của mình.

Nhu cầu cơ sở hạ tầng lưới điện chính

Sạc xe điện khá tốn điện. Trong khi so sánh trực tiếp với các thiết bị gia dụng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chủ sở hữu của một chiếc Tesla Model 3 mới, người lái xe trên toàn quốc với tốc độ trung bình khoảng 14.000 dặm một năm sẽ sử dụng cùng một lượng điện để sạc xe của họ ở nhà như khi họ sử dụng đun nước hay lò sưởi trong suốt một năm, và lượng điện năng nhiều hơn khoảng 10 lần so với lượng điện cần thiết để cung cấp năng lượng cho một chiếc tủ lạnh mới tiết kiệm năng lượng. Các loại xe điện lớn hơn như Ford F-150 Lightning thường sẽ sử dụng nhiều điện hơn so với bộ điều hòa trung tâm trong một ngôi nhà lớn.

Lydia Krefta, giám đốc vận chuyển năng lượng sạch tại PG&E, cho hay, hiện có khoảng 470.000 xe điện được kết nối với lưới điện trong lãnh thổ dịch vụ của họ ở Bắc và Trung California và đang nhắm tới con số 3 triệu vào năm 2030.

Cách PG&E xử lý quá trình chuyển đổi xe điện có thể đóng vai trò là hình mẫu cho quốc gia. Đó không phải là nhiệm vụ dễ dàng. Tiện ích này gắn liền với chu kỳ tài trợ bốn năm để nâng cấp cơ sở hạ tầng lưới điện và yêu cầu tài trợ cuối cùng của nó là vào năm 2021. Giờ đây, khoản tài trợ đó chắc chắn sẽ thiếu những gì cần thiết.

“Rất nhiều phân tích đi vào yêu cầu đó đến từ các dự báo, chẳng hạn như năm 2019 hoặc 2020, đặc biệt là một số dự báo xe điện cũ hơn không dự đoán được một số mức tăng trưởng mà chúng tôi tin rằng chúng tôi có nhiều khả năng sẽ thấy hiện nay”, Krefta nói. “Tình hình này buộc PG&E phải nộp đơn xin nhiều khoản trợ cấp của tiểu bang và liên bang để có thể giúp PG&E đạt được các mục tiêu điện khí hóa”.

Giám đốc điều hành Kevala, Aram Shumavon, cho biết: “Tôi nghĩ hiện tại mọi người có quan điểm quá đơn giản về ý nghĩa của việc điện khí hóa phương tiện giao thông. Nếu làm đúng, nó sẽ là một hiện tượng, nếu quản lý sai, sẽ có rất nhiều người khó chịu và đó là một rủi ro thực sự. Đó là một rủi ro cho các cơ quan quản lý. Đó là rủi ro đối với các chính trị gia và đó là rủi ro đối với các tiện ích”.

Shumavon cho rằng nếu cơ sở hạ tầng lưới điện không theo kịp sự bùng nổ của xe điện, người lái xe có thể gặp khó khăn khi sạc như xếp hàng dài hoặc chỉ có thể sạc vào những thời điểm và địa điểm nhất định. Một lưới điện cũng sẽ dễ bị tổn thương hơn trước các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt và dễ bị mất điện, điều mà California đã trải qua vào năm 2020.

Cách đơn giản nhất để đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng là đưa nhiều nguồn năng lượng lên mạng hơn, tốt nhất là nguồn năng lượng xanh. Nhưng mặc dù dễ dàng xây dựng các nhà máy than và khí đốt tự nhiên gần các trung tâm dân cư, các nguồn năng lượng mặt trời và gió tốt nhất thường ở vùng nông thôn hơn.

Điều đó có nghĩa là những gì Mỹ thực sự cần là nhiều đường dây truyền tải điện áp cao hơn, có thể vận chuyển các nguồn năng lượng mặt trời và gió qua các đường dây của các quận và tiểu bang.

Nhưng Gramlich nói rằng trong khi các cơ quan chức năng liên tục chi tiền để thay thế và nâng cấp các dây chuyền cũ, thì hầu như không xây dựng bất kỳ dây chuyền mới nào: “Tôi nghĩ rằng chúng ta có thể cần khoảng 20 tỷ hoặc 30 tỷ USD một năm cho công suất mới, km đường dây mới và khả năng giao hàng mới. Hiện tại chúng tôi đang chi gần bằng 0 cho khoản đó”.

Có những rào cản lớn về quy định khi xây dựng các đường dây truyền tải mới, thường đi qua nhiều quận, tiểu bang và khu vực dịch vụ tiện ích, tất cả đều cần phê duyệt đường dây và đồng ý về cách cấp vốn cho đường dây.

“Nếu bạn chỉ nghĩ về một tuyến đi qua hai hoặc ba chục lãnh thổ tiện ích khác nhau, thì họ có cách để thu hồi chi phí trên hệ thống địa phương của họ, nhưng họ sẽ bỏ cuộc khi có thứ gì đó mang lại lợi ích cho ba chục tiện ích, và ai được cho là phải trả, bao nhiêu, và chúng ta sẽ quyết định như thế nào?”, Gramlich đặt vấn đề.

Giấy phép cũng là một vấn đề lớn. Tất cả các dự án năng lượng mới phải trải qua một loạt các nghiên cứu tác động để đánh giá thiết bị truyền dẫn mới nào là cần thiết, chi phí bao nhiêu và ai sẽ trả tiền. Nhưng danh sách các dự án bị mắc kẹt trong quá trình này là rất lớn. Tổng lượng phát điện trong hàng đợi, hầu hết tất cả đều là năng lượng tái tạo, vượt quá tổng công suất phát trên lưới điện hiện nay.

Đạo luật Giảm lạm phát IRA của chính quyền Biden có khả năng cắt giảm khoảng 1 tỷ tấn khí thải vào năm 2030, theo dự án REPEAT của Princeton. Nhưng cũng theo phân tích này, nếu việc xây dựng cơ sở hạ tầng truyền dẫn không tăng gấp đôi tốc độ tăng trưởng lịch sử là 1% mỗi năm, thì hơn 80% mức giảm này có thể bị mất.

Thời kỳ “quá độ”

Những nỗ lực đang được tiến hành để đẩy nhanh quá trình xây dựng cơ sở hạ tầng năng lượng. Đáng chú ý nhất, Thượng nghị sĩ Joe Manchin, đã đưa ra dự luật cải cách cho phép vào tháng 5 sau khi các biện pháp tương tự thất bại vào năm ngoái. Tổng thống Joe Biden đã ủng hộ dự luật, dự luật này sẽ đẩy nhanh việc cấp phép cho tất cả các loại dự án năng lượng, bao gồm cả cơ sở hạ tầng nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, chính trị sẽ rất khó điều hướng vì nhiều đảng viên Đảng Dân chủ coi dự luật là quá thân thiện với lợi ích nhiên liệu hóa thạch.

Nhưng ngay cả khi tốc độ cấp phép tăng nhanh và Mỹ sẽ sớm bắt đầu chi tiêu lớn cho việc truyền tải, thì vẫn sẽ mất nhiều năm để xây dựng cơ sở hạ tầng cần thiết.

“Sẽ có một khoảng thời gian giao thao mà nhu cầu rất cao, nhưng hệ thống truyền tải không thể được xây dựng trong khoảng thời gian mà nhu cầu xảy ra và các nguồn năng lượng phân tán sẽ đóng một vai trò rất tích cực trong việc quản lý quá trình đó, vì sẽ không có tài nguyên nào khác”, Shumavon giải thích.

Điều đó có nghĩa là các tài nguyên như hệ thống pin và năng lượng mặt trời dân dụng có thể giúp ổn định lưới điện khi khách hàng tự tạo ra điện và bán lại lượng điện dư thừa cho lưới điện. Các nhà sản xuất ô tô cũng đang tăng cường trang bị cho xe điện của họ khả năng sạc hai chiều, cho phép khách hàng sử dụng bộ pin xe điện khổng lồ của mình để cấp điện cho ngôi nhà của họ hoặc cung cấp điện trở lại lưới điện, giống như hệ thống pin gia đình thông thường.

Cũng có khả năng sẽ nhấn mạnh hơn vào hiệu quả năng lượng và sử dụng năng lượng đúng thời điểm. Ví dụ, PG&E đang suy nghĩ về cách tối ưu hóa thời gian sạc cho các đội xe điện lớn.

“Một điều mà chúng tôi đang cố gắng làm là hợp tác với một số công ty đang đặt tải trọng đáng kể này để cung cấp các giới hạn tải linh hoạt, nơi chúng tôi có thể nói rằng bạn chỉ có thể sạc 50 xe điện vào lúc 7 giờ tối, nhưng vào lúc 2 giờ sáng, bạn có thể sạc tất cả 100 chiếc”, Krefta nói.

Tuy nhiên, Krefta hy vọng những hạn chế về thời gian tính phí chỉ là tạm thời và cho biết trong tương lai, PG&E đang tìm cách khuyến khích người tiêu dùng thông qua định giá động, trong đó giá điện cao hơn vào thời điểm có nhu cầu cao điểm và thấp hơn vào giờ thấp điểm. Và tiện ích đang làm việc với các nhà sản xuất ô tô để tìm ra cách xe điện có thể mang lại lợi ích tối đa cho lưới điện.

“Bạn cần làm những việc gì trong nhà để xe của mình để giúp phương tiện của bạn có thể cung cấp năng lượng cho bạn? Làm cách nào bạn có thể tận dụng phương tiện của mình để sạc bất cứ khi nào có năng lượng tái tạo trên lưới và chúng sạch và chi phí thấp rồi xả trở lại lưới vào buổi tối?”, Krefta cho rằng những câu hỏi như thế này sẽ giúp tạo ra mạng lưới xanh trong tương lai.