Công nghệ lưu trữ năng lượng mới đầy hứa hẹn – mảnh ghép hoàn hảo cho điện mặt trời
Thế giới đã tiến rất xa trong công cuộc chuyển đổi năng lượng từ năng lượng hóa thạch sang năng lượng xanh. Trong bước tiến ngoạn mục này đã nổi lên năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Trong đó năng lượng mặt trời chính thức đã trở thành vua mới của điện theo cơ quan năng lượng quốc tế IEA, tuy nhiên điện mặt trời vốn dĩ bất ổn vì không phải lúc nào mặt trời cũng chiếu sáng, nếu trước đây vấn đề này là nan giải thì giờ đây chung ta đã tìm ra công thức để giải quyết vấn đề bất ổn trên, đó chính là giải pháp lưu trữ năng lượng.
Thực ra các giải pháp lưu trữ năng lượng chúng tôi sắp giới thiệu dưới đây con người đã biết từ lâu, nhưng có 3 lý do làm cho chúng chưa trở thành khả thi : thời gian lưu trữ ngắn, tuổi thọ, và giá thành quá đắt đỏ. Thật kinh ngạc chỉ trong vòng một thập kỷ qua cả 3 vấn đề trên đã được giải quyết.
Về thời gian lưu trữ hiện nay công nghệ pin Lithium ion đã đạt trung bình 4 tiếng, tuổi thọ từ 10 đến 15 năm, giá thành theo Bloomberg, giá gói pin Lithium-ion, trên 1.100 USD/kilowatt-giờ vào năm 2010, đã giảm xuống 137 USD/kWh vào năm 2020. Hãng này mới đây dự báo đến năm 2023, giá trung bình sẽ dưới 100 USD/kWh.
Khi công nghệ tiếp tục được cải thiện và chi phí giảm, có một số công nghệ lưu trữ năng lượng đầy hứa hẹn có thể trở thành lựa chọn khả thi trong vài năm tới. Hầu hết các công nghệ này chỉ đơn giản là sự thích nghi của các công nghệ lưu trữ năng lượng truyền thống hoặc nổi tiếng, nhưng đã được thay đổi để giảm chi phí, giảm sử dụng tài nguyên hoặc để tăng hiệu quả năng lượng chẳng hạn. Một số tổ chức đã tách ra khỏi Bộ Năng lượng, các trường đại học và các tổ chức tư vấn với nhiều nguồn tài trợ khác nhau từ các khoản tài trợ của chính phủ hoặc các khoản cho vay để đầu tư nền tảng. Một số công nghệ thú vị và đầy hứa hẹn bao gồm lưu trữ năng lượng trong các khối xi măng như một cách để bắt chước thủy điện được bơm, một phiên bản điều chỉnh của thủy điện được bơm dưới bề mặt và làm lỏng không khí theo cách tương tự như lưu trữ năng lượng khí nén.
Pin Lithium Ion
Hình – clearpath.org
Pin lithium-ion đa dạng về thành phần hóa học, nhưng tất cả các pin lithium-ion đều chuyển các ion lithium giữa cực âm và cực dương của chúng, trong đó cực âm thường là một oxit kim loại và cực dương phổ biến nhất được tạo thành từ than chì. Pin lithium-ion có thể có chất điện phân lỏng hoặc chất điện phân trạng thái rắn. Pin lithium-ion có một polymer lithium trong đó các điện cực được liên kết với nhau bằng một ma trận polymer xốp. Điều này có nghĩa là bản thân pin có một thành phần hóa học cụ thể thay đổi, làm thay đổi khả năng của pin. Tùy thuộc vào sự khác biệt hóa học, có những lợi ích và mối quan tâm đối với mỗi loại cũng như một số thành công hơn những loại khác. Các lợi ích của ion lithium bao gồm: mật độ năng lượng cao, ít tốn kém hơn, có chu kỳ tuổi thọ dài, có thể sạc lại, bảo trì thấp và có khả năng phóng điện tốc độ cao. Pin Lithium-ion đã được triển khai thành công trên xe điện, điện thoại di động và máy tính xách tay. Có sự phát triển trong nghiên cứu, thiết kế và sản xuất cho các dự án quy mô lớn để sử dụng trong các ứng dụng lưu trữ quy mô lưới.
Pin trạng thái rắn
Pin trạng thái rắn có điện cực rắn, cực âm và cực dương bất kể hóa học của chúng. Hóa học cơ bản khác nhau trong các loại pin trạng thái rắn, với ba loại rất phổ biến: lithium-ion, niken-cadmium và natri-lưu huỳnh. Ngoài pin lithium-ion trạng thái rắn, các loại pin trạng thái rắn khác bao gồm những loại pin có thành phần hóa học là niken-cadmium và natri-lưu huỳnh. Pin niken-cadmium được coi là một loại pin truyền thống, có nghĩa là chúng vẫn là một lựa chọn hợp lệ để cung cấp vòng đời lâu dài và đáng tin cậy ngay cả khi mật độ năng lượng và chi phí không lớn như lithium-ion. Pin niken-cadmium đã được sử dụng thành công trong lưu trữ quy mô lưới điện cũng như sử dụng trong thời gian ngắn, và trong các hệ thống lưới điện trên đảo. Pin natri-lưu huỳnh là một ứng dụng cố định khác với hiệu suất cao.4 Mặc dù cả hai loại pin này đều đã được thử nghiệm và triển khai nhưng chúng vẫn chưa phổ biến bằng pin lithium-ion, hiện đang thống trị thị trường.
Hình – clearpath.org
Pin dòng chảy
Hình – clearpath.org
Ắc quy dòng chảy bao gồm một phản ứng hóa học thuận nghịch, xảy ra trong nhiều bể chứa. Các điện cực được hòa tan trong dung dịch điện phân được chứa trong các bể – bể chứa anot chứa anot và bể chứa catot chứa catot. Chúng được bơm vào các ngăn xếp tế bào, nơi các phản ứng thuận nghịch xảy ra khi pin sạc và phóng điện. 5 Có hai hệ thống pin dòng chảy chính: Dòng chảy thực hoặc dòng tinh khiết trong đó tất cả các vật liệu được lưu trữ riêng biệt với pin và pin dòng hỗn hợp, nơi một hoặc nhiều nguyên liệu hoạt động được lưu trữ trong tế bào.
Lưu lượng pin cũng có thể khác nhau tùy thuộc vào vật liệu được sử dụng cho phản ứng hóa học trong bể điện phân. Pin dòng lưu trữ năng lượng trong các bình điện phân lỏng trong khi pin truyền thống lưu trữ năng lượng trong vật liệu điện cực của chúng. Pin dòng chảy có hiệu suất năng lượng cao, vòng đời dài, có thể kéo dài với thời gian đáp ứng nhanh cũng như có khả năng phóng điện sâu. Tuy nhiên, độ ổn định điện phân luôn là mối quan tâm cùng với khả năng ăn mòn vật liệu.
Bánh đà
Hình – clearpath.org
Bánh đà là một dạng dự trữ năng lượng trong thời gian rất ngắn, lưu trữ năng lượng bằng cách tăng tốc và hãm một khối lượng quay – nó được kết nối với một máy điện có thể đảo ngược hoạt động như một động cơ trong quá trình sạc, lấy điện từ lưới điện để quay bánh đà đến một hoạt động đã chọn tốc độ. Lượng năng lượng có thể tích trữ trong một bánh đà phụ thuộc chủ yếu vào momen quán tính của rôto (trọng lượng) và tốc độ quay của nó. Trong khi bánh đà có khả năng phóng điện nhanh, vòng đời dài và không bị suy giảm công suất theo thời gian, chúng có mật độ năng lượng thấp và có thể tự phóng điện. Nhìn chung bánh đà sẽ tốt nhất để ổn định tần số trong lưới điện hơn là lưu trữ trong thời gian dài hoặc trung bình.
Lưu trữ năng lượng khí nén
Hình – clearpath.org
Lưu trữ năng lượng khí nén hoặc CAES lưu trữ năng lượng dưới dạng khí nén trong một bể chứa dưới lòng đất để sử dụng sau này. CAES rất giống với thủy điện được bơm trong các khái niệm lưu trữ, tuy nhiên, việc sử dụng không khí tích trữ khác với việc chỉ giải phóng nước qua tuabin. Hệ thống CAES giải phóng không khí có áp suất bằng cách làm nóng nó để mở rộng nó, sau đó làm quay tuabin, tạo ra điện. Điều này được thực hiện thông qua hai hệ thống – tiểu đường hoặc đoạn nhiệt. Hệ thống Diabatic thực sự là hệ thống lai, trong đó khí tự nhiên được sử dụng để làm nóng khí nén, dẫn đến giãn nở và là cách để tuabin tạo ra điện. Hệ thống đoạn nhiệt không sử dụng khí tự nhiên để hâm nóng không khí trong quá trình giãn nở, thay vào đó, nhiệt lượng dư thừa được lưu trữ trên mặt đất để sử dụng trong tương lai khi không khí được mở rộng. Hiện tại, chỉ có hai hệ thống thang đo lưới điện tiểu đường CAES tồn tại, một ở Alabama và một ở Đức. CAES có một số lợi ích, nhưng lý tưởng nhất là chúng hoạt động tốt nhất trong việc cân bằng năng lượng, để tích hợp nhiều hơn năng lượng tái tạo, các dịch vụ phụ trợ cho lưới điện như điều tiết, khởi động đen và ổn định lưới điện.
Lưu trữ năng lượng nhiệt
Tích trữ năng lượng nhiệt lấy năng lượng dư thừa và lưu trữ trong các vật liệu khác nhau, bao gồm đá, xi măng, bể chứa, hydro và trong không khí lỏng. Đây thực sự là một sự chuyển giao năng lượng thành một vật liệu có khả năng lưu trữ năng lượng trong một khung thời gian dài hơn thay vì lãng phí năng lượng dư thừa hoặc ít tốn kém hơn. Một ví dụ tuyệt vời về điều này là đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời.
Sưởi ấm và làm mát vật liệu
Hình – clearpath.org
Một số thí nghiệm trong ngành đầy hứa hẹn tập trung vào việc lưu trữ năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt năng trong các vật liệu như đá. Nhiệt độ trong các chất này có thể lạnh hoặc nóng vì có năng lượng ở cả hai dạng. Siemens hiện đang tiến hành một thử nghiệm trong việc đốt nóng đá với năng lượng dư thừa cho đến khi nó cần thiết vào một thời điểm sau đó, khi nó sẽ được sử dụng để điều khiển tuabin hơi nước để tạo ra điện.
Bộ lưu trữ điện nhiệt được bơm truyền thống nén và giãn nở khí qua các bể chứa đầy đá nghiền. Đây thường là một mạch kín, nơi khí được kết nối giữa máy nén và máy giãn nở làm nóng và làm mát đá nghiền khi cần thiết để lưu trữ hoặc sử dụng năng lượng.
Lưu trữ năng lượng hydro
Hình – energy.gov
Lưu trữ năng lượng hydro lưu trữ năng lượng điện trong hydro thông qua quá trình điện phân. Điều này có nghĩa là điện được sử dụng để sản xuất hydro thông qua một quá trình được gọi là điện phân, nơi các phân tử nước được phân tách thành oxy và ion hydro. Oxy được giải phóng và hydro được lưu trữ trong các bình chứa có áp suất và có thể được sử dụng làm nhiên liệu đốt trong các nhà máy điện đốt khí chu trình hỗn hợp hoặc tái điện khí hóa sau đó thông qua pin nhiên liệu.
Lưu trữ năng lượng không khí lỏng
Hình – clearpath.org
Bộ lưu trữ năng lượng không khí lỏng lưu trữ năng lượng thông qua khí nén và khí hóa lỏng. Điều này hoạt động theo ba bước – quá trình sạc xảy ra khi năng lượng điện kéo không khí ra khỏi môi trường, làm mát không khí cho đến khi nó hóa lỏng và sau đó được lưu trữ trong bình cách nhiệt ở áp suất thấp cho đến khi cần sử dụng sau đó. Khi cần năng lượng, không khí lỏng được kéo từ bồn chứa và được bơm lên áp suất cao hơn, nơi nó bay hơi và được đốt nóng, tạo ra một loại khí có áp suất cao được sử dụng để làm quay tuabin.
Thủy điện bơm
Thủy điện bơm sử dụng trọng lực để làm quay tuabin. Mặc dù công nghệ này đã thành công từ những năm 1920, nhưng nó đã được sửa đổi để sử dụng thêm như thủy điện bơm ngầm, thủy điện bơm từ hồ chứa và thủy điện bơm tốc độ thay đổi. Trong nhiều trường hợp, thủy điện bơm được sử dụng như một hình thức phát điện cơ bản vì nó đáng tin cậy và không tốn kém. Tuy nhiên, theo thời gian, nó đã trở nên phức tạp hơn nhiều và có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau để giúp cải thiện độ ổn định của lưới điện và thậm chí hoạt động giống như một “nhà máy đỉnh cao”, được sử dụng vào những thời điểm nhu cầu năng lượng cao nhất để giúp giảm tiêu thụ năng lượng tự nhiên khí trong các nhà máy đỉnh khí tự nhiên thông qua các tua-bin bơm tốc độ thay đổi.
Thủy điện bơm truyền thống tích trữ năng lượng trong một hồ chứa phía trên hoặc một hồ chứa có độ cao cao hơn so với hồ chứa phía dưới. Khi muốn tích trữ năng lượng, nước được bơm lên bể chứa cao hơn để sử dụng sau này. Để “xả” hoặc sử dụng năng lượng tích trữ, nó được giải phóng xuống hồ chứa phía dưới để tạo ra điện bằng cách quay tua-bin.
Thủy điện bơm ngầm cũng sử dụng hai hồ chứa, cả hai đều nằm dưới lòng đất. Những thứ này cũng có thể nằm trong các hồ chứa, hầm mỏ hoặc hang động do con người tạo ra. Trong hệ thống này, năng lượng được bơm từ hồ chứa thấp hơn đến hồ chứa cao hơn khi nó “sạc” cho hệ thống, và để tạo ra điện, nước được giải phóng từ hồ chứa cao hơn đến hồ chứa thấp hơn.
Lưu trữ Năng lượng có vai trò gì trong tương lai?
Tương lai của lưu trữ năng lượng là rất hứa hẹn và giá thành liên tục giảm xuống khi các công nghệ không ngừng phát triển, thời gian lưu trữ cũng đang ngày càng dài hơn, hiện nay thời gian lưu trữ 4 giờ là phổ biến, chừng đó là quá đủ với điện mặt trời, nhưng điều tuyệt vời là các hãng đang chạy đua công nghệ để nâng nó lên dài hơn nữa.
Hiện tại không có chính sách hoặc quy định về lưu trữ năng lượng của Việt Nam, tuy nhiên, có một số quốc gia đã có quy định hoặc chính sách về lưu trữ năng lượng như Úc, Hàn Quốc, Nhật Bản, Hoa Kỳ, Đức để Việt Nam có thể tham khảo. Các chính sách của nhà nước, và đổi mới công nghệ được cho là sẽ tác động đến tương lai của việc lưu trữ năng lượng nói chung và công cuộc cách mạng năng lượng của Việt Nam.
By LITHACO
Bài Viết Liên Quan
