Từ phòng tranh đến lưới điện quốc gia: Thế giới học cách nối các điểm sáng như thế nào?
22/05/26
Trước khi có lưới điện quốc gia, London từng có 50 hệ thống điện khác nhau, dùng nhiều điện áp, tần số và loại dòng điện không tương thích. Từ máy phát đặt trong phòng tranh đến mạng truyền tải quốc gia, lịch sử điện khí hóa nước Anh cho thấy hạ tầng hiện đại không chỉ cần phát minh kỹ thuật, mà còn cần tiêu chuẩn chung, quyền điều phối tập trung; đôi khi cả sự táo bạo của những kỹ sư dám làm trước khi được cho phép.
Máy phát trong phòng tranh
Năm 1883, Sir Coutts Lindsay, chủ phòng tranh Grosvenor Art Gallery trên phố Bond, London, muốn chiếu sáng các bức tranh mà không dùng đèn khí gây khói liền; ông lắp máy phát điện nhỏ, trước đặt ở sân sau, rồi chuyển xuống tầng hầm. Ban đầu, đây là biểu tượng của sự giàu có và tân tiến; song chiếc máy phát tạo ra nhiều điện hơn nhu cầu của phòng tranh. Vậy nên, Lindsay bắt đầu bán phần điện dư cho hàng xóm qua những đường dây trên không. Năm 1887, ông lập London Electricity Supply Corporation; nhằm giảm tiếng ồn, có nước làm mát và mua than rẻ hơn bằng đường sông, công ty chuyển nhà máy về Deptford. Từ đây, dây cáp nối nhà máy với các trạm biến áp ở Grosvenor Gallery, Trafalgar Square và Blackfriars. Năm 1891, trong những nhà máy điện hiện đại đầu tiên, với máy phát lớn nhất thế giới thời điểm đó, đi vào hoạt động.
Tuy nhiên, tương lai điện khí hóa không bắt đầu bằng trơn tru: dự án đội chi phí, cháy nổ thường xuyên, khó đáp ứng nhu cầu, thậm chí có người chết trong cuộc kiểm tra của chính phủ. Điện là tương lai, song tương lai ấy ban đầu rất hỗn loạn.
Khi mỗi nơi tự phát điện một kiểu
Câu chuyện của Lindsay là hình ảnh thu nhỏ của thời kỳ đầu ngành điện. Ở nhiều nơi, chính quyền địa phương và công ty tư nhân tự xây hệ thống riêng, ít phối hợp với nhau. Tại New York, nhà máy Pearl Street của Thomas Edison, hoàn thành năm 1882, chỉ phục vụ một khu vực khoảng một dặm vuông.
Ở Anh, từ năm 1900 – 1913, có 224 dự án phát điện mới, dùng các mức điện áp, tần số, loại dòng điện và hệ thống cáp khác nhau. Năm 1918, riêng London có tới 50 hệ thống điện, 10 tần số và 24 điện áp cùng tồn tại.
Sự phân mảnh gây ra nhiều vấn đề: thiết bị dùng cho hệ thống có thể không hoạt động ở hệ thống khác; động cơ thiết kế cho tần số có thể chạy quá nhanh và quá nóng ở tần số khác; bàn là dùng dòng chiều không dùng được với dòng xoay chiều; các nhà cung cấp xây song song nhiều mạng phân phối, khiến chi phí tăng và hiệu quả giảm. Điện muốn trở thành hạ tầng đại chúng, không thể chỉ là tập hợp những ốc đảo kỹ thuật riêng lẻ.
Dòng xoay chiều và bài toán truyền điện xa
Nguyên nhân quan trọng nằm ở vật lý: dòng một chiều, hay DC, chảy theo một hướng; dòng xoay chiều, hay AC, đổi chiều liên tục. Ưu điểm lớn của AC là dễ tăng hoặc giảm điện áp bằng máy biến áp.
Khi truyền điện đi xa, điện áp cao giúp giảm dòng điện chạy qua dây, giảm hao phí dưới dạng nhiệt. Sau này, điện được hạ áp tại trạm biến áp để dùng trong nhà máy, cửa hàng và hộ gia đình.
DC từng có lợi thế ban đầu vì nhiều thiết bị điện đời đầu được thiết kế phục vụ mục đích chung. Edison cũng cổ vũ DC và cảnh báo rằng AC điện áp cao nguy hiểm, thậm chí tổ chức các màn trình diễn điện giật động vật để gieo sợ hãi.
Song về dài hạn, AC phù hợp hơn với hệ thống điện quy mô lớn; cho phép đặt nhà máy xa nơi tiêu thụ, tận dụng nguồn than, nước làm mát và lợi thế quy mô. Vậy nên, lưới điện hiện đại dựa chủ yếu trên AC.
Chiến tranh làm lộ điểm yếu của hệ thống cũ
Thế chiến I khiến các điểm yếu của hệ thống điện phân mảnh trở nên rõ ràng: giá than tăng hơn gấp đôi khi nhà máy đạn dược cần nhiều năng lượng, trong khi thợ mỏ bị đưa vào quân đội; nhiều nhà máy từ bỏ máy phát riêng và xin kết nối với hệ thống điện đô thị.
4 năm chiến tranh, nhu cầu điện tăng nhiều hơn toàn bộ 32 năm trước đó; song vì thiếu tiêu chuẩn và thiếu liên kết, nhiều hệ thống địa phương vẫn không có lãi, phải dựa vào trợ cấp đô thị hoặc nhà đầu tư giàu có.
Chính phủ bắt đầu hạn chế xây công suất phát điện tư nhân mới và khuyến khích chuyển sang AC. Các dự án điện đô thị cũng bắt đầu kết nối với nhau để hỗ trợ lẫn nhau khi nhu cầu tăng cao; ý tưởng về mạng lưới điện lớn hơn dần hình thành.
Năm 1919, đạo luật Điện lực tạo ra các cơ quan điện vùng nhằm khuyến khích liên kết, nhưng không trao quyền cưỡng chế. Vì vậy, tiến độ vẫn chậm; công ty không muốn hợp tác với đối thủ; hính quyền địa phương không muốn mất việc làm và nguồn thu. Anh bắt đầu tụt lại so với Mỹ, Đức, Thụy Sĩ và Thụy Điển về tiêu thụ điện bình quân đầu người.
Khi nhà nước phải đứng ra chuẩn hóa
Năm 1925, chính phủ Anh mở điều tra về thị trường điện và kết luận: trong 438 nhà máy điện thuộc các đơn vị được cấp phép, chỉ khoảng 50 có quy mô và hiệu suất phù hợp. Dự phòng quá cao, hệ số sử dụng thấp, liên kết không được triển khai như một chính sách rõ ràng, và tổn thất cho quốc gia ngày càng lớn.
Đạo luật Điện lực tiếp theo mở đường cho kế hoạch tham vọng: xây mạng điện AC đồng bộ, dùng điện áp và tần số thống nhất. Central Electricity Board được lập để thực hiện nhiệm vụ này; các công ty phát điện và mạng phân phối địa phương vẫn giữ quyền sở hữu, nhưng việc vận hành được điều phối tập trung hơn.
Năm 1933, mạng National Power, sau đổi tên thành National Grid, bắt đầu hoạt động gồm hơn 6.400 km đường dây truyền tải, vượt qua 60 con sông bằng các tháp chuyên dụng. Dù cột điện cao thế gây phản đối vì làm xấu cảnh quan, toàn bộ dây, tháp, trạm biến áp và cáp được xây và kết nối chỉ trong 6 năm – tốc độ đáng kinh ngạc theo tiêu chuẩn hạ tầng hiện nay.
Các kỹ sư tự ý nối lưới
Ban đầu, lưới điện vẫn chỉ là các mạng vùng liên kết, chưa phải một hệ thống quốc gia đồng bộ thật sự. Tuy nhiên, một đêm tháng 10/1937, các kỹ sư đã tự ý làm thử nghiệm: đồng bộ hóa các lưới vùng để điện có thể chảy tự do giữa chúng trong đêm.
Đây là hành động táo bạo, gần như bất tuân; song lại chứng minh điều hệ thống cần trở thành. Năm sau, đồng bộ hóa trở thành chính sách chính thức.
Khi Thế chiến II nổ ra, sự liên kết ấy tỏ ra cực kỳ giá trị. Nếu nhà máy phát điện bị đánh bom, khu vực khác có thể cấp điện trong lúc sửa chữa: điện từ nam Wales có thể hỗ trợ đông nam nước Anh; điện dư từ London đang tắt đèn vì phòng không có thể cấp cho các nhà máy phía bắc. Từ đây, lưới điện không chỉ là hạ tầng kinh tế mà trở thành hạ tầng an ninh quốc gia.
Quốc hữu hóa, siêu lưới và vòng quay lịch sử
Sau chiến tranh, chính phủ Công đảng quốc hữu hóa ngành điện; một phần vì niềm tin vào sở hữu nhà nước, nhưng cũng vì lý do thực dụng: lưới điện tích hợp 171 nhà máy phát điện, trong khi phân phối địa phương vẫn bị chia giữa 562 đơn vị tư nhân và đô thị. Đàm phán với từng chủ sở hữu quá rườm rà, đầu tư mới sau chiến tranh cần triển khai nhanh. Đạo luật Điện lực 1947 lập British Electricity Authority, kiểm soát phát điện và truyền tải, trong khi các hội đồng điện khu vực bán điện cho người dùng.
Thập niên 1950, nhu cầu ở London, Manchester, Merseyside và Tyneside tăng mạnh, đòi hỏi truyền điện từ các nhà máy than ở East Midlands và Yorkshire. Supergrid ra đời, dùng điện áp 275 Kv thay vì 132 kV của lưới cũ để giảm hao phí khi truyền điện xa. Sau này, hệ thống nâng lên 400 kV.
Năm 1961, Anh và Pháp xây đường dây liên kết đầu tiên để trao đổi điện dư. Đến năm 1989, dưới thời Margaret Thatcher, ngành điện lại được tư nhân hóa: phát điện cạnh tranh trở lại, truyền tải thuộc National Grid Company, còn các mạng phân phối trở thành những độc quyền tư nhân được quản lý.
Năm 2024, Anh đưa việc vận hành hệ thống điện về một cơ quan mới, National Energy System Operator – mô hình gần như quay lại bài toán cũ: sở hữu tư nhân, nhưng điều phối quốc gia.
Bài học từ lưới điện đầu tiên
Lịch sử lưới điện Anh cho thấy đổi mới hạ tầng không chỉ là phát minh máy phát hay bóng đèn; vấn đề lớn hơn là chuẩn hóa, phối hợp và đầu tư ở quy mô đủ lớn.
Thị trường tư nhân có thể khởi đầu nhanh, thử nghiệm nhiều và mở rộng nguồn cung; song khi hạ tầng trở thành thiết yếu, sự phân mảnh có thể biến thành lãng phí. Chính quyền địa phương có thể phục vụ lợi ích gần, nhưng không phải lúc nào cũng tối ưu cho cả quốc gia. Quốc hữu hóa có thể giải quyết bài toán phối hợp, nhưng cũng tạo méo mó riêng; tư nhân hóa có thể tăng hiệu quả vốn, nhưng cần điều tiết mạnh để tránh thiếu đầu tư.
Vậy nên, lưới điện hiện đại không phải sản phẩm thuần túy của nhà nước hay thị trường mà là kết quả của nhiều vòng thử sai giữa doanh nghiệp, chính quyền, kỹ sư, chiến tranh, khủng hoảng và những quyết định táo bạo.
Từ máy phát trong phòng tranh, thế giới học được rằng điện chỉ thật sự thay đổi đời sống khi các điểm sáng riêng lẻ được nối thành một mạng lưới. Bài học ấy vẫn còn nguyên giá trị hôm nay, khi các quốc gia phải xây lại hệ thống điện cho thời đại năng lượng tái tạo, xe điện, trung tâm dữ liệu và trí tuệ nhân tạo.
sharef via wip,
