Khi điện và Internet cùng tăng tốc ‘cởi dây trói’

– Thế giới đang chuyển mình để tìm cách thoát khỏi sự trói buộc với hệ thống dây dẫn bằng điện tự cung cấp và Internet vệ tinh. Công nghệ phát triển nhanh giúp cho nhân loại thoát dần khỏi lệ thuộc, cho dù hệ thống truyền dẫn qua dây bị cắt đứt trên diện rộng thì vẫn không mất điện, mất Internet.

Trường học Copenhagen International School ở quận Nordhavn, TP Copenhagen (Đan Mạch) trang bị 12.000 tấm kính quang điện thay kính thường để tạo ra 300 MWh điện mỗi năm. Ảnh: Dezeen

Có hai thứ mà xã hội hiện đại gần như sẽ tê liệt nếu bị thiếu: điện và mạng Internet. Điều này có thể thấy dễ dàng từ nơi bạn làm việc vì chỉ cần cúp điện hay rớt mạng là hầu như nhân viên đều không thể làm việc gì được.

Quan trọng như vậy nhưng cả hai dịch vụ này lại khá mong manh vì có chung điểm yếu là sự trói buộc vào dây dẫn. Chỉ cần đường truyền Internet hay đường dây điện bị đứt là hàng loạt hoạt động trong xã hội đình trệ theo.

Trong chúng ta, hẳn không ít người đã nếm trải cảm giác bất lực và bực bội vì mọi giao dịch gần như tê liệt hoàn toàn khi xảy ra đứt cáp quang biển. Tình trạng này đặc biệt nặng nề trong vài năm trước đây, khi mà các nhà cung cấp dịch vụ Internet ở Việt Nam chưa có nhiều luồng băng thông dự phòng như hiện nay.

Trong bối cảnh thiên tai, chiến tranh, tai nạn dẫn đến hư hại nhà máy điện, hệ thống truyền dẫn điện thì mô hình tự cấp điện trở nên có ưu thế vượt trội.

Vệ tinh Starlink trên quỹ đạo. Ảnh: Space X

Tương tự, mạng Internet dù được thiết kế trên ý tưởng “có bị đứt đường này sẽ đi vòng đường khác” nhưng trên thực tế, tín hiệu truyền dẫn qua dây cáp vẫn bị gián đoạn khi thiên tai, chiến tranh làm đứt đường trục chính (backbone) hoặc gây hư hại các trung tâm dữ liệu (datacenter – nơi đặt máy chủ) hay trung tâm điều phối của nhà cung cấp dịch vụ Internet.

Ngược lại, Internet không dây qua sóng phát từ vệ tinh thì không thể dễ dàng gây nhiễu để ngăn chặn như Internet dùng cáp. Thực tế điều này đã được chứng minh tại Ukraine trong năm qua, dịch vụ Internet vệ tinh Starlink do Công ty Mỹ Space X cung cấp đã thay thế nhanh chóng cho mạng Internet truyền thống bị tê liệt nhanh chóng vì bom đạn làm hư hại hạ tầng truyền dẫn.

Từ việc Texas thất thủ khi bão tuyết “đánh úp”

Trận bão tuyết vào đầu năm 2021 đã khiến cho 4,5 triệu người dân bang Texas mất điện trong bốn ngày liên tục. Thảm họa thiên tai này sau đó được thống kê là đã gây thiệt hại đến 195 tỉ đô la và có liên quan đến cái chết của hơn 200 người.

Như vậy, dù chỉ gây mất điện nhưng tổn thất mà trận bão tuyết này gây ra lại vượt xa con số mà mà một trận cuồng phong “thứ thiệt” từng gây ra tại bang này. Hồi năm 2017, siêu bão Harvey với sức gió hơn 200 ki lô mét/giờ tàn phá nặng nề Texas làm thiệt hại 125 tỉ đô la và làm chết hơn 100 người.

Thảm họa năng lượng này cho thấy, ngay cả một bang với năng lực sản xuất điện hàng đầu nước Mỹ, tổng công suất phát điện lên đến 140.000 MW trong năm 2021 vẫn bị thiên tai hạ gục dễ dàng.

Texas là bang sản xuất điện nhiều nhất ở Mỹ, với cơ cấu nguồn cung cấp rất đa dạng gồm điện khí (42%), điện gió (24%), điện than (19%), điện hạt nhân (10%) và điện mặt trời (4%).

Với cơ cấu nguồn điện phong phú như vậy, chính quyền Texas và các công ty điện lực đã không thể hình dung có lúc họ phải đối mặt với thảm họa mất điện diện rộng trong nhiều ngày liền trong trện bão tuyết đầu năm 2021.

Minh hoạ hệ thống các vệ tinh bay quanh quỹ đạo Trái Đất. Ảnh: NASA

Ngoài sự tự tin về sự đa dạng của nguồn điện, thời tiết lạnh đến âm 10-15 độ C là mức chưa từng có từ cuối thế kỷ 19 đến thời điểm đó ở vùng này cũng là nguyên nhân khiến các cơ chế phòng thủ trước băng giá bị bỏ qua trong hệ thống điện ở Texas.

Do người ta nghĩ băng giá sẽ không thể xảy ra ở Texas nên khi bão tuyết kéo dài, các nhà máy nhiệt điện, điện hạt nhân tê liệt vì nước làm mát bị đóng băng do ống dẫn nước không có lớp cách nhiệt. Băng giá làm cho các turbine điện gió không quay được vì không được trang bị bộ phận chống đóng băng.

Chỉ còn điện mặt trời mái nhà là cầm cự được trong đợt “đánh úp” của bão tuyết. Báo cáo của Trung tâm nghiên cứu và chính sách môi trường Mỹ (Environment America Research & Policy Center) cho thấy, các hệ thống điện mặt trời mái nhà vẫn hoạt động được ngay cả trong những ngày bão tuyết ác liệt nhất.

Đến xu hướng giảm lệ thuộc vào lưới điện

Trong một thảm họa mất điện diện rộng như ở Texas nói trên, các căn hộ dùng điện mặt trời độc lập sẽ vượt qua dễ dàng hơn những ngôi nhà dùng điện lưới. Mô hình tự cấp điện này đã thúc đẩy xu thế thoát ly, dần dần tiến tới tự “cởi trói” khỏi dây dẫn của hệ thống điện lưới truyền thống.

Cách đây khoảng 5-10 năm thì việc tự cấp điện với hệ thống điện mặt trời là điều không đơn giản ngay cả tại các nước giàu vì vướng phải rào cản chi phí và chất lượng thiết bị. Nhưng trong vài năm gần đây mọi việc đã thay đổi nhanh chóng nhờ sự tiến bộ của công nghệ và sự cạnh tranh mạnh mẽ vì ngày càng có nhiều nhà cung cấp dịch vụ tham gia thị trường.

Chi phí cho pin mặt trời ngày càng giảm nhanh. Theo số liệu của Công ty tư vấn Wood Mackenzie, hiện tại suất đầu tư điện mặt trời gia đình tại Mỹ vào khoảng 2,86 đô la/W, chi phí một hệ thống điện mặt trời gia đình công suất 6 kW khoảng 20.000 đô la, giảm đáng kể so với mức 50.000 đô la của 10 năm trước.

Bộ lưu trữ điện trước đây vốn là mảnh ghép còn thiếu trong bức tranh toàn cảnh điện mặt trời do giá cao mà tuổi thọ lại ngắn thì hiện nay đã có nhiều bước tiến đáng kể. Với hàng loạt cải tiến công nghệ, tuổi thọ của bộ lưu trữ điện ngày càng kéo dài và nhờ đó mà đa số các loại như Powerball của Tesla (Mỹ), Powervault (Anh), LG ESS (Hàn Quốc)… hiện nay được bảo hành đến 10 năm.

Với công suất từ 3-5 kWh đến trên 20 kWh, các bộ lưu trữ điện này được pin mặt trời nạp điện vào ban ngày và khi điện mặt trời ngưng cung cấp vào ban đêm, chúng sẽ đáp ứng cho nhu cầu điện từ nhà ở thông thường đến cho văn phòng doanh nghiệp nhỏ. Chi phí trang bị bộ lưu trữ điện này cũng giảm đáng kể, chỉ còn từ 2.000-5.000 đô la Mỹ cho một bộ loại dùng cho hộ gia đình.

Giữa năm 2022, Tesla còn đi xa hơn bằng cách thiết lập khu phố năng lượng mặt trời đầu tiên trên thế giới tại Austin (Mỹ) với quy mô 12.000 căn nhà chuẩn bị xây. Điều này đánh dấu một xu thế mới: lắp đặt mái nhà với pin mặt trời dạng tâm hoặc dạng ngói lợp kèm theo bộ lưu trữ điện Powerwall ngay từ đầu quá trình xây dựng và giúp các sản phẩm điện mặt trời của Tesla thâm nhập vào thị trường nhà ở mới.

Nói đến năng lượng xanh thì không thể bỏ qua điện gió. Khác với điện mặt trời, từ trước đến nay điện gió hầu như không có mặt ở quy mô hộ gia đình nhưng điều này cũng sẽ sớm thay đổi.

Mới đây, startup Halcium ở Mỹ đã trình làng turbine điện gió Powerpod công suất nhỏ phù hợp cho hộ gia đình. Powerpod là máy phát điện gió nhỏ gọn với công suất 1kW với khả năng tạo ra lượng điện nhiều gấp ba lần so với các loại turbine gió đã có hiện nay.

Khác với các loại turbine điện gió cần được lắp đặt cố định, Công ty Halcium cho biết có thể đặt Powerpod linh hoạt ở bất cứ nơi đâu. Sở dĩ Powerpod làm được như vậy là vì turbine này không có cánh quạt đưa ra bên ngoài và có thiết kế đặc biệt giúp tăng vận tốc gió thổi qua tăng thêm 40% và không bị lệ thuộc vào hướng gió như turbine gió có cánh quạt bên ngoài. Nếu thành công ở sản phẩm thương mại, Powerpod sẽ tạo ra một bước ngoặt mới trong công nghệ điện gió toàn cầu.

Internet vệ tinh sẽ phổ biến như Wifi hiện nay

Trong năm qua, cuộc chiến giữa Nga và Ukraine vô tình giúp cho dịch vụ Internet vệ tinh Starlink của tỉ phú Elon Musk một cơ hội quảng bá bằng vàng như từ trên trời rơi xuống. Trong bối cảnh hạ tầng Internet truyền thống truyền dẫn bằng cáp quang của Ukraine bị hư hại nặng trong chiến tranh tưởng chừng như khó lòng khắc phục, Internet vệ tinh đã xuất hiện và thay thế hiệu quả.

Trước đây, muốn dùng Internet vệ tinh loại dân sự, người dùng phải chi rất nhiều tiền cho thiết bị đầu cuối để nhận sóng từ vệ tinh viễn thông. Vệ tinh viễn thông thường là loại vệ tinh lớn và bay trên quỹ đạo địa tĩnh ở độ cao hơn 35.000 ki lô mét, chi phí sản xuất, đưa lên quỹ đạo và vận hành vệ tinh như vậy đương nhiên là rất cao.

Chính vì chi phí cao nên dịch vụ điện thoại vệ tinh như Iridium, Inmarsat có giá cước gọi lên đến 5-10 đô la/phút. Giá thiết bị cũng không rẻ chút nào, để trang bị máy điện thoại vệ tinh người dùng phải bỏ ra khoảng 1.000 đô la nếu mua hoặc thuê với chi phí 40-50 đô la/tuần.

Khác với mô hình truyền thống, Starlink dùng hàng ngàn vệ tinh nhỏ bay ở độ cao dưới 600 ki lô mét và mở ra bước đột phá mới khi cung cấp dịch vụ Internet vệ tinh từ năm 2020 với giá thấp và dễ sử dụng. Giá dịch vụ Internet tốc độ Starlink cao hiện là 110 đô la/tháng còn bộ thiết bị thu sóng vệ tinh có giá 600 đô la.

Công nghệ Internet vệ tinh Starlink cất cánh đã kích thích cuộc chạy đua vào thị trường này. Đến thời điểm hiện tại, ngoài Starlink hiện còn có hàng chục dịch vụ Intenet vệ tinh như Viasat, Hughesnet, Earthlink, AT & T Satellite Internet, Oneweb, DIRECTV, Verizon Satellite Internet, Skycasters… tham gia thị trường này.

Viễn cảnh kết nối vệ tinh của điện thoại thông minh (smartphone) ngày càng trở nên hiện thực, có lẽ không lâu nữa việc điện thoại có thể dùng Internet và thực hiện cuộc gọi, gửi tin nhắn thông qua vệ tinh sẽ trở nên phổ biến.

Khả năng kết nối vệ tinh của smartphone đã có từ nhiều năm qua nhờ chip GPS tích hợp trong máy. Tuy nhiên, chip này chỉ giúp smartphone nhận tín hiệu từ các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu như GPS, Glonass để xác định vị trí khi dùng bản đồ số như Google, Apple Map.

Cho đến hiện tại, kết nối với vệ tinh để thực hiện cuộc gọi hay sử dụng Internet vẫn phải dùng điện thoại vệ tinh chuyên dụng. Tuy nhiên trong năm qua, tín hiệu đầu tiên cho việc smartphone có thể thực hiện cuộc gọi qua vệ tinh đã xuất hiện trên các mẫu iPhone 14 mới của hãng Apple.

Tính năng này đặc biệt hữu ích ở những nơi hoàn toàn không có sóng điện thoại di động như sa mạc, rừng rậm hay Bắc Cực. Các tin nhắn từ iPhone 14 sẽ được chuyển từ vệ tinh đến trạm mặt đất của Apple và trạm này sau đó sẽ chuyển thông tin tới cho người điều phối gần nhất.

Hiện tại tính năng gọi điện vệ tinh trên iPhone 14 chỉ mới được hỗ trợ tại thị trường Mỹ, Canada và khu vực lân cận. Trong thời gian tới, hy vọng Apple sẽ mở rộng thị trường khác trong đó có cả Việt Nam.

Với các công nghệ mới trong lĩnh vực điện mặt trời, điện gió và Internet vệ tinh, trong tương lai không xa những dây dẫn sẽ biến mất dần như điều đã xảy ra khi dây cáp mạng phải nhường chỗ cho mạng không dây Wifi khoảng 20 năm trước đây.

Những công nghệ tăng tốc cho điện mặt trời

Cuối năm 2022, Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA) đưa ra dự báo, đến năm 2027 công suất điện mặt trời toàn cầu sẽ tăng gấp ba lần so với hiện nay và sẽ vượt qua điện than.

Kính quang điện

Công nghệ mới bắt đầu được sử dụng là kính quang điện (photovoltaic glass) do Viện Đại học Michigan (MSU) phát triển từ năm 2014. Khác với tấm pin mặt trời phải lắp đặt trên mái nhà, kính quang điện trong suốt, có thể được dùng thay cho kính thông thường để làm vách kính hay cửa sổ và tạo ra điện. Từ năm 2017, một hệ thống 12.000 tấm kính quang điện đã được trang bị tại một trường học Copenhagen (Đan Mạch) và cung cấp đến 300 MWh điện mỗi năm, đáp ứng hơn một nửa lượng điện tiêu thụ của tòa nhà này.

Thấu kính AGILE

Nhược điểm của pin mặt trời là hiệu suất phát điện chỉ đạt tối đa khi nhận ánh nắng chiếu trực tiếp. Mới đây nhà nghiên cứu Nina Vaidya tại trường Đại học Stanford (Mỹ) đã tạo ra một loại thấu kính đặc biệt có tên là AGILE, nhìn bề ngoài giống như một kim tự tháp bằng thủy tinh lật ngược. AGILE có thể gom ánh sáng từ mọi hướng để tập trung vào pin mặt trời, nhờ vậy pin sẽ luôn có thể đạt mức công suất phát điện cao nhất ở mọi thời điểm trong ngày thay vì chỉ vài giờ như hiện nay.

Dyneema, pin mặt trời mỏng như giấy

Cuối năm 2022 Đại học MIT (Mỹ) công bố, một nhóm kỹ sư của họ đã chế tạo thành công Dyneema, loại pin mặt trời mỏng như giấy, có thể dán lên bất cứ bề mặt nào để tạo ra điện. Các tế bào quang điện này mỏng như tóc người, được đặt trong lớp màng nhựa dẻo có thể cuộn lại.

Loại pin siêu mỏng này có trọng lượng nhẹ hơn 100 lần các tấm pin mặt trời đang có trên thị trường và có khả năng tạo ra 730 watts điện trên mỗi ki lô gam trọng lượng, gấp 18 lần so với pin mặt trời hiện nay.