100% Năng lượng tái tạo: Lưu trữ năng lượng ở quy mô lớn cho năng lượng tái tạo có khả thi không?

25 minute read

Updated on Wed Mar 03 2021

Năng lượng tái tạo có khả năng trở nên rất phổ biến

Ngay lúc này bạn có lẽ đã chán ngấy khi đọc "Mặt Trời không phải lúc nào cũng tỏa sáng và gió không phải lúc nào cũng thổi" rồi. Chúng mình cũng vậy. Nhưng điều đáng buồn là, nó thực sự là một vấn đề đó.

Việc trữ được năng lượng là một nhiệm vụ khó nhằn. Nó khó đến nỗi mà mạng lưới điện đã được thiết kế theo cách để điện được sử dụng ngay khi nó vừa được sản xuất. Hãy tưởng tượng như thế này: khi ai đó bật đèn lên, một nhà máy điện ở đâu đó sẽ phải tăng lượng điện sản xuất thêm một ít.

Dự trữ năng lượng - tại sao và như thế nào?

Để hiểu sơ lược về ý tưởng này, chúng ta có thể chia việc dữ trữ năng lượng theo 3 mốc thời gian:

  • Mức 1- Giây-phút: Có ích khi một đám mây tạm thời che phủ một cánh đồng năng lượng Mặt Trời hoặc khi lượng điện yêu cầu tăng một cách đột ngột. Có các thuật ngữ như "cân bằng tải" được sử dụng để miêu tả điều này.
  • Mức 2 - Giờ-ngày: Cách trữ điện này cho phép chúng ta tạo ra điện khi thời tiết có nắng hoặc gió và sử dụng khi nào chúng ta muốn, ví dụ như vào ban đêm. Năng lượng được dự trữ ở cấp độ này thường được gọi là "lưu trữ số lượng lớn".
  • Mức 3 - Tuần-tháng: Dự trữ năng lượng ở mức độ này sử dụng theo mùa để có thể tạo ra lượng điện tối đa trong mùa hè và dự trữ cho mùa đông. Điều này có vai trò quan trọng bởi vì vào mùa đông Mặt Trời không tỏa sáng nhiều (trừ khi bạn ở gần đường xích đạo).

Đây là mô hình cụ thể về các tính chất của mỗi dạng hệ thống dự trữ nên có:

Dự trữ là cần thiết

Dự trữ cấp độ 1 (đơn giản)

Nhu cầu điện ở California vào ngày 7 tháng 5 năm 2020

Vòng tròn thể hiện sự lên xuống (thường không đoán trước được) mà mức dữ trữ 1 có thể gặp phải. Mức dự trữ 1 đã có thể ứng dụng vào nhiều loại pin.

Những loại pin ngày nay như những vận động viên chạy nước rút ưu tú, nhưng chúng ta lại cần một vận động viên đường dài cho mức dữ trữ 2 và 3 cơ. Cụ thể hơn, chúng ta cần:

  • Khả năng mở rộng cao (có sẵn vật liệu và không gian)
  • Chi phí thấp
  • Có khả năng trữ được điện tích trong khoảng thời gian đủ dài

Lưu trữ cấp độ 2 (điều này khó)

Tại sao chúng ta cần dự trữ trong nhiều giờ

Các tấm pin năng lượng Mặt Trời có thể sản xuất ra điện nhiều nhất vào ban ngày, nhưng mức yêu cầu của các hộ gia đình lại cao vào ban đêm. Dự trữ cấp độ 2 sẽ giúp chúng ta trữ lượng điện năng sản xuất được vào buổi chiều (khi Mặt Trời đã lặn) cho việc sử dụng vào buổi tối.

Với mức tải điện cơ bản không khí thải từ hạt nhân, chúng ta không cần dự trữ nhiều bởi mức thấp nhất của đường cong sẽ được đẩy lên cao hơn.

Hơn thế nữa, bằng cách sử dụng những nguồn năng lượng điện có thể điều khiển được như thủy điện hay khí tự nhiên (nhiên liệu hóa thạch) khi nhu cầu điện ở mức cao nhất, chúng ta có thể sử dụng khoảng 90% điện sạch và 10% khí tự nhiên, cùng với nhu cầu dự trữ tương đối nhỏ.

Tại sao mức tải cơ bản và năng lượng có thể phân bổ lại có ích

Dự trữ cấp độ 3 (khó hơn nữa)

Liệu mức dự trữ theo mùa có thích hợp hay không phụ thuộc vào nơi bạn sống trên Trái Đất. Nói chung, khi bạn ở càng xa xích đạo, sự khác biệt trong lượng ánh sáng Mặt Trời đến giữa các tháng mùa hè và các tháng mùa đông càng lớn. Điều này tác động đến việc chúng ta có thể nhận được bao nhiêu năng lượng Mặt Trời.

Nhu cầu lưu trữ theo mùa phụ thuộc vào việc bạn ở đâu

Cách giải quyết cho mức 2 và 3?

Hãy cùng nhìn vào một vài phương pháp thay thế cho pin và hydro (Hãy nhớ rằng sạc có nghĩa là đưa năng lượng vào và xả có nghĩa là năng lượng đi ra.)

  • Thủy điện: Sạc bằng cách bơm nước lên đồi. Lưu trữ nó trong một hồ chứa. Xả bằng cách để nước chảy xuống làm quay tuabin
  • Pin lỏng (Flow Battery): Như những loại pin thông thường, nhưng cực âm và cực dương ở trạng thải lỏng.
  • Lưu trữ nhiệt: Tủ lạnh lớn. Sạc bằng cách sử dụng điện để làm nóng một chất và làm lạnh chất còn lại. Xả bằng cách sử dụng nhiệt độ chênh lệch để quay tuabin.
  • Khí hóa lỏng: Sạc bằng cách làm lạnh và nén không khí đến khi nó thành dạng lỏng. Lưu trữ trong một bể chứa. Xả bằng cách khiến nó trở về dạng khí và làm xoay tuabin.
  • Khí nén: Sạc bằng cách nén không khí. Lưu trữ dưới lòng đất. Xả bằng cách giải nén không khí và để nó làm xoay tuabin.
  • Hệ thống bánh đà: Sạc thông qua việc quay rô-tơ thật nhanh. Xả bằng cách chuyển đổi năng lượng quay thành nhiệt hoặc điện.

Chúng ta sẽ thảo luận sơ lược về cách chúng hoạt động trước khi đưa ra kết luận.

1: Thủy điện tích năng

Thủy điện tích năng

97% lượng điện lưu trữ ngày nay thông quá thủy tích điện năng. Ở những nơi thích hợp, thủy tích điện năng tương đổi rẻ và có thể dễ dàng lưu trữ dài hạn.

Lưu trữ thủy tích điện năng khác với thủy điện, bởi thủy điện hoạt động khi có dòng sông lấp đầy hồ chứa nhân tạo - với thủy tích điện năng chúng ta không cần một dòng sông.

Nhưng giống với thủy điện, thủy tích điện năng có vấn đề của nó. Nhiều quốc gia không có đủ những ngọn núi để xây dựng bể chứa (hãy nhớ rằng thủy tích điện năng yêu cầu nước được bơm lên ngọn đồi). Nơi chúng ta có thể xây nó, nhiều khu vực rộng lớn cần được ngập nước và có bằng chứng chỉ ra rằng điều này phát thải một lượng mêtan (CH₄) đáng kể.

Tuy nhiên, thủy tích điện năng nên được sử dụng ở nơi thích hợp về môi trường. Cuối cùng chúng ta cần phải cân nhắc những hạn chế này với những phương án khác: đốt than và khí tự nhiên.

2: Pin lỏng (Flow Battery) - sử dụng chất lỏng để dự trữ năng lượng pin

Pin lỏng

Pin lỏng sử dụng cực dương và cực âm ở dạng lỏng. Chúng được tạo ra từ những vật liệu khác với pin Lithum-Ion (pin thường), nhưng có nguyên lý giống nhau:

  • Sạc bằng cách đưa các electron từ cực âm đến cực dương.
  • Xả bằng cách để các electron di chuyển trong mạch.

Pin lỏng có những ưu điểm hơn các loại pin thông thường:

  • Dung tích chứa (kích thước bể chứa) và năng lượng (diện tích bề mặt điện cực) không phụ thuộc lẫn nhau. Chúng ta cần nhiều sức chứa hơn ư? Thế thì tạo bể chứa lớn hơn. Chúng ta cần nhiều năng lượng hơn ư? Thế thì tăng diện tích bề mặt nơi cực âm và cực dương tiếp xúc thôi.
  • Vòng đời có khả năng dài hơn.

3: Trữ nhiệt

Chúng ta có thể sử dụng điện năng để làm nóng đồ vật với hiệu suất gần bằng 100%. Lượng nhiệt này có thể trữ được trong vài giờ và sau đó chuyển đổi lại thành điện qua tuabin.

Máy bơm nhiệt cho bể chứa nhiệt với muối nóng chảy chất lỏng được làm lạnh

Một cách có thể trữ nhiệt hiệu quả hơn là làm như cách tủ lạnh của bạn hoạt động đó. Cách này sử dụng điện để làm lạnh một vật và làm nóng vật khác. Thiết bị thực hiện điều này - trong tủ lạnh của bạn và trong công nghệ lưu trữ được đề xuất - được gọi là máy bơm nhiệt.

Ở đây, phần lạnh được lưu trữ trong một dung dịch và phần nóng sẽ được lưu trữ trong muối nóng chảy. Chắc hẳn bạn cũng nhớ về "muối nóng chảy" mà ta đã đề cập đến trong chương về năng lượng hạt nhân nhỉ!

Phiên bản "đảo ngược" của máy bơm nhiệt là động cơ nhiệt. Động cơ nhiệt có thể chuyển sự chênh lệch nhiệt độ thành điện năng. Sự "chênh lệch nhiệt độ này" chỉ đơn giản là nhiệt độ của muối nóng chảy trừ đi nhiệt độ của chất lỏng lạnh mà thôi.

4: Khí nén - chi phí thấp và thân thiện với môi trường?

Lưu trữ năng lượng bằng khí nén

Trong kiểu lưu trữ năng lượng này, không khí được trữ dưới lòng đất với áp suất cao và có thể được thổi ra sau đó để làm xoay tuabin.

Phương pháp này cần một bể chứa lớn bên dưới lòng đất mà không bị rò rỉ. Không phải cứ khoan lỗ nào ở dưới lòng đất cũng làm được điều này đâu. Về mặt lý thuyết, có nhiều khu vực phù hợp cho việc này, nhưng ta không biết rõ liệu công nghệ này có thể mở rộng được đến mức mà cấp độ 2 và 3 yêu cầu hay không.

Chỉ có hai nhà máy được xây dựng cho đến hiện tại mà thôi, nhưng ở đây nhiều công nhân đã làm việc từ năm 1940 rồi đó.

5: Khí hóa lỏng

Lưu trữ không khí hóa lỏng

Để hóa lỏng không khí, chúng cần được nén và làm lạnh. Không khí hóa lỏng đươc lưu trữ trong một bồn chứa. Để lấy lại năng lượng cho hệ thống, không khí lỏng bay hơi.

Không khí ở dạng khí chiếm nhiều không gian hơn không khí lỏng. Khi chúng ta để không khí lỏng bốc hơi, chúng ta có thể sử dụng sự chuyển động của phần không khí giãn nở để làm xoay tuabin tạo ra điện.

6: Hệ thống bánh đà - xoay, xoay, xoay

Lưu trữ năng lượng bằng bánh đà

Chúng ta có thể lưu trữ năng lượng bằng cách xoay rô-tơ (được gọi là bành đà) được mở ở tốc độ rất cao trong chân không.

Đây là dạng năng lượng gì?


Tốc độ xoay rô-tơ được tăng hoặc giảm để trữ hoặc vận chuyển điện năng. Tốc độ của rô-tơ có thể được điều chỉnh mà không có bị trì trệ, khiến chúng trở nên hữu ích cho việc dự trữ cấp độ 1. Tuy nhiên, chi phí cho hệ thống bánh đà này lại đắt đỏ hơn các công nghệ lưu trữ khác.

Tất cả đều là về giá cả

Hãy nhìn vào những số liệu của một đất nước phát triển như Hoa Kỳ nào. Hoa Kỳ sử dụng 3,95 PWh một năm. Tương đương với 12 MWh trên người trên năm. Chia cho 365 ngày, chúng ta có 32 kWh trên người trên ngày. Chi phí sử dụng điện là 0,18 đô/kWh tại Hoa Kỳ.

Công thức chúng ta sử dụng là:

Công thức cho chi phí sử dụng điện được lưu trữ

Tổng chi phí này tính đến sự thất thoát năng lượng từ việc lưu trữ.
Việc chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác thường làm thất thoát năng lượng vào môi trường, vì vậy từ ban đầu chúng ta cần sản xuất (và chi trả cho) nhiều điện năng hơn rồi.

Chi phí thay đổi phụ thuộc vào vùng và nhà cung cấp. 150 đô/kWh mà chúng ta đã dùng trước đây chỉ là chi phí sản xuất thô mà thôi. Nếu ta tính vào lợi nhuận của công ty, chi phí lắp đặt tại chỗ, lắp ráp, vận chuyển và cả phí nghiên cứu và phát triển (R&D), pin được sản xuất bởi công ty đó (Tesla) với giá $150 có thể được bán dưới mức giá $511/kWh, như việc công ty này đã bán một gói pin khổng lồ cho quản lý trang trại gió ở mức giá này vậy.

Mức giá trung bình dự kiến thì thấp hơn một chút, ở mức $350/kWh. Với điều này, chúng ta có

Chi phí pin bình quân (mỗi năm)

Hãy làm tương tự với tất cả các công nghệ mà chúng ta đã nhắc đến (Chúng ta sẽ so sánh 2 loại pin Lithium-Ion: NCA và LTO. Tương tự chúng ta sẽ nhìn vào 2 loại pin dòng.)

Đánh giá tất cả công nghệ dữ trữ năng lượng

Vậy, có công nghệ nào đủ rẻ không?

Các chuyên gia cho rằng mức giá 20 đô/kWh cho công nghệ lưu trữ có thể mở rộng được, phù hợp với mọi địa hình và có thể giữ được lâu là đủ rẻ để ta có thể triển khai rộng rãi.

Đó là lý do chúng ta cần sự cải tiến và hỗ trợ từ chính phủ. Các loại pin lỏng được kỳ vọng sẽ giảm hơn 66% giá thành vào năm 2030 với vòng đời dài hơn và tỉ lệ lưu giữ năng lượng cao hơn.

Chúng ta đang cố gắng giải quyết những vấn đề chưa được giải quyết. Việc chỉ sử dụng một công nghệ trong ngày nay là điều không sáng suốt - vì vậy quỹ nghiên cứu đang được chia đều cho nhiều công ty.

Dù sao đi nữa, có khả năng cao chúng ta sẽ kết hợp nhiều giải pháp lại với nhau để cung cấp công nghệ lưu trữ cho các khu vực với địa hình, khí hậu và tình trạng kinh tế khác nhau.

Có một điều rõ ràng là: Bất kỳ thứ gì xấp xỉ 100% năng lượng tái tạo, chúng ta cần những giải pháp rẻ và có thể lưu trữ ở quy mô lớn.

Chương tiếp theo