ข้อเสนอที่กล้าหาญในการใช้สายเคเบิลฉนวนแก้วเพื่อสร้างระบบไฟฟ้าทั่วโลกได้ดึงดูดความสนใจในชุมชนวิศวกรรม แม้ว่าผู้เชี่ยวชาญจะตั้งคำถามอย่างจริงจังเกี่ยวกับการนำไปใช้งานจริง แนวคิดนี้มุ่งเน้นไปที่การใช้แก้ว fused silica เป็นฉนวนสำหรับสายเคเบิลกระแสตรงแรงดันสูง (HVDC) ซึ่งอาจช่วยให้การส่งไฟฟ้าข้ามทวีปมีต้นทุนถูกลงมาก
ข้อเสนอนี้แนะนำให้ผลิตสายเคเบิลบนเรือโดยใช้กระบวนการขึ้นรูปแก้วแบบต่อเนื่อง วางสายเคเบิลลงบนพื้นมหาสมุทรโดยตรงโดยไม่ต้องมีชั้นป้องกันแบบดั้งเดิม แทนที่จะฝังใต้ดิน สายเคเบิลจะอาศัยเทคนิคการทำให้ผิวแข็งคล้ายกับ Prince Rupert's drops ซึ่งเป็นรูปแบบแก้วที่มีชื่อเสียงในเรื่องความแข็งแกร่งอย่างมากภายใต้แรงอัด แต่จะพังทลายอย่างรุนแรงเมื่อได้รับความเสียหาย
ความต้องการแรงดันไฟฟ้าผลักดันขีดจำกัดทางเทคนิค
ประเด็นที่ถกเถียงกันมากที่สุดคือการทำงานที่แรงดัน 14 เมกะโวลต์ ซึ่งสูงกว่าระบบ HVDC ที่ทันสมัยที่สุดในปัจจุบันประมาณ 13 เท่า โครงการเชิงพาณิชย์ในปัจจุบันมักจะทำงานที่ประมาณ 1.1 เมกะโวลต์ และการไปถึงระดับนั้นยังต้องใช้เวลาหลายปีในการพัฒนาจากระบบ 0.6 เมกะโวลต์ก่อนหน้านี้ วิศวกรในการสนทนาชี้ให้เห็นว่าการสร้างเซอร์กิตเบรกเกอร์ที่สามารถรับมือกับ 14 เมกะโวลต์ได้นั้นเป็นความท้าทายอย่างมาก
14MV จะสามารถรักษาส่วงไฟฟ้าที่ยาว 1400 ฟุตในบรรยากาศปกติได้ ผมพยายามจินตนาการว่าจะสร้างสิ่งแบบนั้นได้อย่างไร
ความต้องการแรงดันไฟฟ้าสูงมากนี้เกิดจากการปรับให้เหมาะสมระหว่างความหนาของตัวนำและต้นทุนฉนวน แม้ว่าคณิตศาสตร์อาจใช้ได้บนกระดาษ แต่โครงสร้างพื้นฐานที่จำเป็นในการรองรับแรงดันไฟฟ้าดังกล่าวยังคงเป็นเพียงทฤษฎี
การเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้า
- ระบบที่เสนอ: 14 เมกะโวลต์
- ระบบ HVDC สูงสุดในปัจจุบัน: 1.1 เมกะโวลต์
- เทคโนโลยีรุ่นก่อนหน้า: 0.6 เมกะโวลต์
- อัตราการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้า: สูงกว่าเทคโนโลยีปัจจุบันประมาณ 13 เท่า
คุณสมบัติของวัสดุสร้างปัญหาทางวิศวกรรม
แก้วมีคุณสมบัติฉนวนที่ยอดเยี่ยม อาจถึง 500 เมกะโวลต์ต่อเมตร เมื่อเทียบกับ 150 เมกะโวลต์ต่อมิลลิเมตรสำหรับฉนวนพลาสติกปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม การสนทนาในชุมชนเผยให้เห็นความกังวลพื้นฐานเกี่ยวกับการใช้แก้วในสภาพแวดล้อมทางทะเล ความเปราะของแก้วสร้างความขัดแย้ง ในขณะที่อาจแข็งแกร่งพอที่จะบดขยี้หินบนพื้นมหาสมุทร ความเสียหายใดๆ อาจแพร่กระจายอย่างรุนแรงไปตามความยาวของสายเคเบิลทั้งหมด
ความไม่ตรงกันของการขยายตัวเนื่องจากความร้อนระหว่างตัวนำอะลูมิเนียมและฉนวนแก้วเป็นความท้าทายสำคัญอีกประการหนึ่ง อุณหภูมิมหาสมุทรแปรผันอย่างมาก และอัตราการขยายตัวที่แตกต่างกันอาจสร้างความเครียดภายในที่ทำลายความสมบูรณ์ของสายเคเบิลเมื่อเวลาผ่านไป
คุณสมบัติด้านฉนวน
- แก้ว fused silica : 500 MV/m
- พลาสติก XLPE (มาตรฐานปัจจุบัน): 150 MV/mm
- ข้อได้เปรียบของแก้ว: มีศักยภาพในการให้ความแข็งแรงเชิงไดอิเล็กทริกที่เหนือกว่า
ความท้าทายในการผลิตและติดตั้ง
กระบวนการผลิตที่เสนอเกี่ยวข้องกับการใช้งานเตาหลอมแก้วอุณหภูมิสูงบนเรือขณะเดินทางในสภาวะมหาสมุทร สิ่งนี้นำเสนอปัญหาทางเทคนิคมากมาย ตั้งแต่การรักษาอุณหภูมิที่แม่นยำระหว่างพายุไปจนถึงการรับประกันเส้นผ่านศูนย์กลางสายเคเบิลที่สม่ำเสมอขณะที่เรือเคลื่อนที่ผ่านคลื่น เรือผลิตจะต้องบรรทุกทรายประมาณ 40,000 ตันสำหรับสายเคเบิลข้าม Atlantic ซึ่งต้องการการเติมเสบียงเป็นประจำ
กระบวนการติดตั้งสันนิษฐานว่าสายเคเบิลสามารถข้ามช่องว่างใต้น้ำได้ถึง 64 เมตรโดยไม่หัก แม้ว่าสิ่งนี้อาจใช้ได้ในทฤษฎี แต่พื้นมหาสมุทรจริงมีภูมิประเทศที่ไม่สม่ำเสมอซึ่งอาจเกินขีดจำกัดเหล่านี้ อาจทำให้สายเคเบิลเสียหายระหว่างการติดตั้ง
ข้อมูลจำเพาะของสายเคเบิล
- เส้นผ่านศูนย์กลาง: 80 มิลลิเมตร
- ความจุด้านพลังงาน: 10 กิกะวัตต์
- ความเร็วในการผลิต: 2 กิโลเมตรต่อชั่วโมง
- ระยะเวลาในการข้าม Atlantic : 4 เดือน
- ความต้องการวัสดุ: ทราย 40,000 ตัน
คำมั่นสัญญาทางเศรษฐกิจพบกับความเป็นจริงทางเทคนิค
แม้จะมีความท้าทายทางเทคนิค แต่การคาดการณ์ทางเศรษฐกิจก็น่าสนใจ ข้อเสนอประเมินต้นทุนสายเคเบิลข้าม Atlantic เพียง 23 ล้านดอลลาร์สหรัฐ สำหรับวัสดุและการติดตั้ง ซึ่งถูกกว่าทางเลือกแบบเดิมอย่างมาก อย่างไรก็ตาม ตัวเลขนี้ไม่รวมต้นทุนการวิจัยและพัฒนา สถานีแปลง และโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญที่จำเป็นในการรับมือกับระบบ 14 เมกะโวลต์
ชุมชนวิศวกรรมยังคงมีความสงสัยเกี่ยวกับความเป็นไปได้โดยรวม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อยังไม่มีการสร้างต้นแบบเพื่อแสดงให้เห็นหลักการพื้นฐาน แม้ว่าแนวคิดนี้จะแสดงให้เห็นการคิดสร้างสรรค์เกี่ยวกับการส่งไฟฟ้า แต่ช่องว่างระหว่างการคำนวณเชิงทฤษฎีและการนำไปใช้จริงดูเหมือนจะมีมาก
การสนทนาเน้นคำถามที่กว้างขึ้นเกี่ยวกับความต้องการการส่งไฟฟ้าทั่วโลก แม้ว่าเทคโนโลยีอาจช่วยให้การแบ่งปันไฟฟ้าทั่วโลกเป็นไปได้ในทางทฤษฎี แต่ความท้าทายของโครงสร้างพื้นฐานระบบไฟฟ้าปัจจุบันภายในทวีปแต่ละทวีปชี้ให้เห็นว่าโซลูชันในท้องถิ่นและระดับภูมิภาคอาจพิสูจน์ได้ว่าเป็นประโยชน์มากกว่าสายเคเบิลข้ามทวีป
อ้างอิง: Worldwide power grid with glass insulated HVDC cables.