Thụy Sĩ, quốc gia nổi tiếng với cảnh quan thiên nhiên hùng vĩ và ngành công nghiệp chính xác, đang đối mặt với những thách thức năng lượng không hề nhỏ. Chiến lược Năng lượng 2050 của nước này đặt mục tiêu loại bỏ dần năng lượng hạt nhân (hiện chiếm khoảng 37% tổng sản lượng điện), giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch nhập khẩu và tăng cường đáng kể tỷ trọng năng lượng tái tạo.
Tuy nhiên, việc mở rộng các nguồn năng lượng tái tạo truyền thống như thủy điện – vốn đã khai thác gần hết tiềm năng – hay điện mặt trời và điện gió quy mô lớn vấp phải nhiều rào cản, từ hạn chế về quỹ đất, quy trình cấp phép kéo dài có thể mất hơn 20 năm cho một dự án năng lượng tái tạo cho đến những lo ngại về tác động cảnh quan, đặc biệt tại các vùng núi cao nguyên sơ.
Năm 2023, cử tri Thụy Sĩ thậm chí đã bác bỏ đề xuất lắp pin mặt trời trên sườn núi, cho thấy sự nhạy cảm của cộng đồng đối với các dự án có nguy cơ ảnh hưởng đến vẻ đẹp tự nhiên.
Trong bối cảnh đó, các giải pháp sáng tạo, tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có nổi lên như một hướng đi đầy hứa hẹn. Đường sắt, với mạng lưới rộng khắp (khoảng 5.317 km tại Thụy Sĩ), trở thành một “mỏ vàng” tiềm năng. Ý tưởng tích hợp pin mặt trời vào đường ray không phải là hoàn toàn mới mà nhiều dự án tương tự đã được manh nha hoặc thử nghiệm ở quy mô nhỏ tại Đức, Italy, Pháp, Nhật Bản và Ấn Độ.
Tuy nhiên, Sunways tuyên bố công nghệ của họ là “đầu tiên trên thế giới” với hệ thống pin mặt trời có thể tháo rời, được lắp đặt trên đường ray đang hoạt động mà không làm gián đoạn giao thông. “Khả năng tàu chạy qua mà không ảnh hưởng đến hệ thống pin là đột phá mang tính nền tảng”, ông Joseph Scuderi, CEO Sunways, khẳng định.
Sunways và công nghệ “trải thảm năng lượng”: Giải mã sự khác biệt
Dự án của Sunways, khởi nguồn từ ý tưởng của nhà sáng lập Joseph Scuderi vào năm 2020 khi ông đứng chờ tàu ở Renens, đã nhanh chóng thu hút sự chú ý và hỗ trợ từ Cơ quan Đổi mới Sáng tạo Thụy Sĩ (Innosuisse) cùng 12 công ty đối tác. Điểm độc đáo và then chốt của công nghệ này nằm ở khả năng “tháo lắp nhanh chóng”.
Các tấm pin mặt trời tiêu chuẩn (trong giai đoạn thí điểm là 48 tấm, mỗi tấm 385W) được gắn vào một cơ cấu đặc biệt, cho phép chúng được “trải” vào khoảng không gian giữa hai thanh ray bằng một đoàn tàu chuyên dụng do công ty bảo trì đường sắt Scheuchzer SA phát triển. Đoàn tàu này có thể lắp đặt tới 1.000m2 pin mỗi ngày, một tốc độ ấn tượng hứa hẹn khả năng triển khai quy mô lớn.
Khi cần bảo trì đường ray, một công việc diễn ra định kỳ và thiết yếu, hệ thống pin có thể được gỡ bỏ và lắp đặt lại một cách tương đối dễ dàng, giải quyết một trong những trở ngại lớn nhất của việc tích hợp pin mặt trời vào hạ tầng giao thông. Đây là một ưu thế vượt trội so với các giải pháp cố định hoặc tích hợp pin vào tà vẹt, vốn gây nhiều khó khăn cho công tác bảo dưỡng.
Sunways bắt đầu thử nghiệm công nghệ mới vào đầu năm nay trên một tuyến đường sắt đang hoạt động gần Buttes, thuộc bang Neuchâtel, miền tây Thụy Sĩ (Ảnh: Sunways).
Giai đoạn thí điểm tại bang Neuchâtel, trên đoạn đường ray dài 100m gần ga Buttes, có tổng công suất lắp đặt 18kW, dự kiến sản sinh 16.000 kWh điện mỗi năm, đủ cung cấp cho khoảng 4-6 hộ gia đình. Chi phí đầu tư cho giai đoạn này là 585.000 franc Thụy Sĩ (khoảng 700.000 USD).
Trong giai đoạn đầu, lượng điện này sẽ được hòa vào lưới điện công cộng địa phương thay vì cung cấp trực tiếp cho tàu hỏa, do sự phức tạp trong việc tích hợp vào mạng lưới điện kéo tàu chuyên dụng. Tuy nhiên, mục tiêu dài hạn của Sunways là cung cấp năng lượng trực tiếp cho các đoàn tàu, hướng tới khả năng tự cung tự cấp năng lượng gần như hoàn toàn.
Bài toán kinh tế và thách thức tài chính: Giấc mơ lớn có thành hiện thực?
Tiềm năng lý thuyết của công nghệ Sunways là rất lớn.
Nếu toàn bộ mạng lưới đường sắt Thụy Sĩ (trừ các đoạn hầm) được phủ pin mặt trời, ước tính có thể tạo ra 1 TWh điện mỗi năm, tương đương 2% tổng nhu cầu điện quốc gia và đủ cho khoảng 300.000 hộ gia đình. Con số này có vẻ khiêm tốn so với tổng thể, nhưng lại rất ý nghĩa trong bối cảnh Thụy Sĩ đang nỗ lực đa dạng hóa nguồn cung và giảm phụ thuộc vào năng lượng nhập khẩu, đặc biệt là trong mùa đông.
Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế của dự án vẫn gây nhiều tranh cãi. Chi phí ban đầu khá cao so với các trang trại điện mặt trời quy mô lớn trên mặt đất. Sunways kỳ vọng khi triển khai sản xuất và lắp đặt ở quy mô lớn, chi phí sẽ giảm đáng kể.
Một nhóm nghiên cứu độc lập từ Australia và Bangladesh từng khảo sát việc lắp đặt pin mặt trời gần đường ray tại Bangladesh, và tính toán rằng chi phí sản xuất điện bình quân (LCOE) có thể đạt 0,052 USD/kWh trong điều kiện địa phương. Trong khi đó, Sunways ước tính mức LCOE cho mô hình “trải thảm pin” của họ vào khoảng 0,12 USD/kWh – một con số được đánh giá là có sức cạnh tranh trong ngành .
Thách thức không chỉ nằm ở chi phí sản xuất và lắp đặt. Chi phí bảo trì, đặc biệt là việc làm sạch bề mặt pin khỏi bụi bẩn, dầu mỡ từ tàu hỏa, và các mảnh vụn, cũng cần được tính toán kỹ lưỡng. Sunways đã đưa ra giải pháp sử dụng các chổi làm sạch tự động gắn trên tàu.
Ngoài ra, độ bền của các tấm pin trong môi trường rung động liên tục và chịu tác động cơ học từ các đoàn tàu chạy với tốc độ lên đến 150 km/h (dù đoạn thử nghiệm tàu chỉ chạy tối đa 70 km/h) là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu quả đầu tư. Sunways khẳng định các tấm pin của họ bền hơn tiêu chuẩn và có thể chịu được các điều kiện này.
Việc huy động vốn cho các dự án quy mô lớn cũng là một bài toán. Hiện tại, dự án được hỗ trợ bởi Innosuisse và các đối tác tư nhân. Để nhân rộng, Sunways sẽ cần thu hút các nhà đầu tư lớn, có thể thông qua các mô hình “Năng lượng như một dịch vụ” (Energy-as-a-Service – EaaS) đang ngày càng phổ biến tại Thụy Sĩ, giúp giảm gánh nặng chi phí đầu tư ban đầu cho các công ty đường sắt.
Dự án “trải thảm mặt trời” trên đường ray rất ý nghĩa trong bối cảnh Thụy Sĩ đang nỗ lực đa dạng hóa nguồn cung và giảm phụ thuộc vào năng lượng nhập khẩu (Ảnh: Sunways).
Vượt rào cản kỹ thuật và môi trường: Từ nghi ngại đến hiện thực
Con đường đến với giấy phép thí điểm của Sunways không hề dễ dàng. Ban đầu, Văn phòng Giao thông Liên bang Thụy Sĩ (FOT) đã từ chối cấp phép vào năm 2023 do lo ngại về an toàn và tác động đến bảo trì đường sắt. Sunways đã phải mất 10 tháng để chế tạo, thử nghiệm nguyên mẫu và cung cấp các đánh giá an toàn bổ sung từ các chuyên gia độc lập để thuyết phục FOT.
Các lo ngại chính bao gồm:
An toàn vận hành: Nguy cơ chói mắt cho lái tàu từ bề mặt pin. Sunways giải quyết bằng cách sử dụng các tấm pin “Full Black” với lớp phủ chống phản xạ và tiến hành phân tích độ chói cho từng dự án.
Độ bền và hiệu suất: Ảnh hưởng của rung động, bụi bẩn, dầu mỡ, và các mảnh vụn lên bề mặt pin. Hệ thống làm sạch tự động và thiết kế pin bền hơn được kỳ vọng sẽ giải quyết vấn đề này.
Ảnh hưởng của thời tiết: Tuyết và băng có thể làm giảm đáng kể hiệu suất vào mùa đông. Sunways đang phát triển hệ thống làm tan băng tự động. Tuy nhiên, công ty cũng thực tế nhìn nhận rằng sản lượng mùa đông nói chung sẽ thấp, tương tự các hệ thống áp mái.
Tác động đến bảo trì đường sắt: Khả năng tháo lắp nhanh chóng là giải pháp chính, nhưng hiệu quả và chi phí của quy trình này trong thực tế vận hành quy mô lớn cần được kiểm chứng.
Nguy cơ cháy nổ và nứt vi mô: Liên minh Đường sắt Quốc tế (UIC) từng cảnh báo về những rủi ro này. Sunways khẳng định vật liệu của họ đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn cao.
Tiếng ồn: Có ý kiến cho rằng bề mặt cứng của các tấm pin có thể làm tăng tiếng ồn khi tàu chạy qua. Vấn đề này cần được đánh giá trong quá trình thử nghiệm.
Dự án thí điểm kéo dài ba năm sẽ là cơ hội để Sunways thu thập dữ liệu thực tế, tinh chỉnh công nghệ và chứng minh tính an toàn, hiệu quả cũng như độ bền của hệ thống.
Dự án điện mặt trời lắp trên đường ray bị cho là quá khó bảo trì (Nguồn: Luigi Jorio, swissinfo).
Đường ray năng lượng có trở thành chuẩn mực mới?
Thành công của Sunways tại Thụy Sĩ có thể mở đường cho một cuộc cách mạng năng lượng trên các tuyến đường sắt toàn cầu.
“Sử dụng đường ray để sản xuất điện là cách tiếp cận thông minh và hiệu quả: không cần giải phóng mặt bằng, không phá vỡ cảnh quan, và có thể triển khai nhanh với chi phí thấp”, chuyên gia năng lượng từ CleanTechnica nhận định.
Sự quan tâm quốc tế này cho thấy tiềm năng to lớn của việc biến cơ sở hạ tầng giao thông hiện có thành nguồn phát điện phi tập trung, giảm thiểu xung đột sử dụng đất – một vấn đề ngày càng nan giải.
Một nghiên cứu tại Anh cho thấy việc khai thác năng lượng mặt trời từ đường sắt có thể đáp ứng tới 8% nhu cầu điện của nước này. Tương tự, một nghiên cứu của TÜV Rheinland cho Đức chỉ ra rằng các ứng dụng PV trên và trong cơ sở hạ tầng đường sắt có thể tạo ra tới 2.940 GWh điện mặt trời mỗi năm, đáp ứng hơn một phần tư nhu cầu điện hàng năm của ngành đường sắt nước này.
Tuy nhiên, việc nhân rộng trên quy mô toàn cầu sẽ đối mặt với nhiều thách thức đa dạng:
Sự khác biệt về tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định pháp lý: Mỗi quốc gia có hệ thống đường sắt và khung pháp lý riêng.
Điều kiện khí hậu đa dạng: Hiệu suất pin và yêu cầu bảo trì sẽ khác nhau đáng kể giữa các vùng khí hậu.
Tình trạng và loại hình đường sắt: Công nghệ có thể không phù hợp với tất cả các loại đường ray hoặc các tuyến có mật độ giao thông quá cao.
Chi phí và khả năng tiếp cận vốn: Mức đầu tư ban đầu vẫn là một rào cản ở nhiều thị trường.
Nếu thành công, dự án điện mặt trời đường ray Thụy Sĩ có thể trở thành hình mẫu năng lượng tái tạo thông minh cho thế giới (Ảnh: Sunways).
Dự án thí điểm tại Neuchâtel sẽ được theo dõi và đánh giá cẩn trọng trong vài năm tới. Các cuộc kiểm định và phân tích an toàn, đặc biệt liên quan đến quy trình tháo lắp tấm pin, sẽ tiếp tục được tiến hành nhằm đáp ứng những yêu cầu khắt khe của FOT.
Sáng kiến của Sunways, với sự hợp tác của Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Lausanne (EPFL) trong quá trình phát triển, không chỉ là một giải pháp công nghệ. Nó đại diện cho một tầm nhìn chiến lược, nơi hạ tầng giao thông và hạ tầng năng lượng có thể tích hợp hài hòa, tạo ra giá trị cộng hưởng. “Điều này hoàn toàn phù hợp với xu hướng toàn cầu: giảm dấu chân carbon và tăng hiệu quả năng lượng”, ông Scuderi nhấn mạnh.
Nếu “canh bạc” năng lượng mặt trời trên đường ray của Thụy Sĩ thành công, nó không chỉ mang lại lợi ích kinh tế và môi trường cho quốc gia này mà còn có thể trở thành hình mẫu, truyền cảm hứng cho các quốc gia khác trên hành trình tìm kiếm các giải pháp năng lượng tái tạo quy mô lớn, bền vững và thông minh. Đây thực sự là một bước tiến đáng trông đợi, có khả năng định hình lại tương lai của cả ngành đường sắt và ngành năng lượng toàn cầu.
