Trung tâm Phát triển Sáng tạo Xanh
“Mặt trời không phải luôn tỏa sáng và gió không phải lúc nào cũng thổi”- vẫn luôn được coi là một trở ngại cho năng lượng tái tạo. Nhưng đó cũng là động lực để các nhà khoa học khám phá ra những phương pháp tốt nhất nhằm lưu trữ năng lượng cho đến khi cần.
Tập đoàn AES, có trụ sở tại Virginia, đã lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới
Giảm chi phí đối với các công nghệ sẵn có đã thúc đẩy sự quan tâm đến việc lưu trữ năng lượng mạnh hơn bao giờ hết. Giá pin lithium-ion đã giảm khoảng 80% trong năm năm qua, cho phép tích hợp lưu trữ với hệ thống năng lượng mặt trời. Ngày nay, gần 18% tổng sản lượng điện được sản xuất tại Hoa Kỳ đến từ các nguồn năng lượng tái tạo, như thủy điện và gió - con số này được dự báo sẽ tiếp tục tăng lên. Và khi cộng đồng cùng toàn bộ các bang ở Hoa Kỳ thúc đẩy mạnh hơn nữa việc sử dụng điện năng từ năng lượng tái tạo, thì việc lưu trữ năng lượng sẽ ngày càng đóng một vai trò quan trọng.
So với cùng kỳ năm ngoái, Mỹ đã tăng 93% dung lượng lưu trữ trong quý thứ ba của năm 2019. Theo dự báo của hãng nghiên cứu thị trường Wood Mackenzie Power & Renewables, đến năm 2024, dung lượng lưu trữ có thể lên đến 5,4 GW. Giá trị thị trường được dự báo sẽ tăng từ 720 triệu đô la lên 5,1 tỷ đô la vào năm 2024.
Chỉ trong thập kỷ qua, việc sử dụng các năng lượng tái tạo đã ngày càng phổ biến, Paul Denholm, nhà phân tích năng lượng tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) cho biết. Ông đã tham gia NREL từ 15 năm trước và vào thời điểm đó, ông và các nhà phân tích khác đã vạch ra một con đường thay thế 20% nguồn cung cấp năng lượng của quốc gia bằng các nguồn năng lượng tái tạo. Hiện tại, mục tiêu của họ đã cao hơn rất nhiều.
"Giảm chi phí năng lượng gió và mặt trời và bây giờ là pin là cơ sở để chúng ta có thể tưởng tượng được sự thành công khi xem xét về tương lai 100% năng lượng tái tạo", ông nói.
Nghiên cứu Tương lai Điện tái tạo của NREL ước tính cần có 120 GW năng lượng lưu trữ trên khắp lục địa Hoa Kỳ vào năm 2050, khi tưởng tượng ra một viễn cảnh nơi 80% nguồn điện sẽ đến từ các nguồn năng lượng tái tạo.
Lưu trữ năng lượng là bắt buôc ở Hawaii
Hawaii, nơi phải nhập khẩu tất cả các nhiên liệu hóa thạch và do đó phải trả giá cao cho điện, đang thử nghiệm sử dụng bộ lưu trữ pin để đáp ứng các mục tiêu năng lượng của họ. Nhà nước đang hướng tới 100% năng lượng sạch vào năm 2045, sử dụng cả năng lượng tái tạo và cải thiện hiệu quả năng lượng. Tập đoàn AES, có trụ sở tại Virginia, đã lắp đặt hệ thống lưu trữ kết hợp với năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới ở đầu phía nam của đảo Kauai.
Các tấm pin mặt trời có khả năng sản xuất 28 megawatt điện được ghép với 18.304 mô-đun pin lithium-ion. Pin được sạc vào ban ngày và cung cấp năng lượng vào sáng sớm và buổi tối khi các tấm pin mặt trời không tạo ra điện.
Theo Kauai Island Utility Cooperative, nơi cung cấp điện cho hòn đảo, hệ thống này lưu trữ đủ năng lượng để đáp ứng nhu cầu điện trong bốn giờ và không cần sử dụng 3,7 triệu gallon nhiên liệu hàng năm. Giờ đây, Kauai tạo ra khoảng 55% trên năng lượng sử dụng của đảo thông qua hệ thống quang điện (PV).
Các nhà nghiên cứu của NREL đã kiểm tra hệ thống lưu trữ PV này sẽ hoạt động tốt như thế nào bằng cách cài đặt và đánh giá một phiên bản thu nhỏ tại Flatirons Campus.
Przemek Koralewicz, nhà điều tra chính của dự án thử nghiệm cho biết: "Bạn có thể thấy các mô hình và trên một số biểu đồ. Nhưng không có gì thuyết phục bằng việc bạn nhìn thấy tận mắt một thiết bị có kích thước siêu nhỏ hoạt động. Điều này mang lại cho bạn rất nhiều sự tự tin."
Một nhà máy lưu trữ AES PV-plus thứ hai hiện đang được xây dựng tại căn cứ Hải quân trên đảo Kauai sẽ cung cấp điện cho khách hàng khi cần, đồng thời cũng đóng vai trò là một lưới điện mini độc lập cho quân đội nên điện có thể bị gián đoạn. Khi nhà máy mới này đi vào hoạt động vào năm tới, khoảng 60% điện năng trên đảo Kauai sẽ đến từ năng lượng tái tạo.
Lưu trữ năng lượng bằng pin là cách thức giữ cho lưới điện ổn định, cho phép cân bằng tức thời giữa cung và cầu. Lưu trữ cũng sẵn sàng để thay thế sản xuất năng lượng thông thường, đáp ứng nhu cầu phụ tải trong thời gian cao điểm, loại bỏ nhu cầu cần thêm nhà máy, nhưng có nhiều hạn chế việc sử dụng pin. Một nhà máy điện có thể vẫn hoạt động trong nhiều thập kỷ, nhưng phải thay pin sau khoảng một chục năm. Pin cũng bị hạn chế về công suất, điều đó có nghĩa là chúng thường chỉ có thể lưu trữ đủ năng lượng để cung cấp trong khoảng bốn giờ.
Chi phí lưu trữ không dễ dàng để định lượng
Giảm chi phí lưu trữ vẫn khó nắm bắt. Thông thường người ta hay dùng tiêu chí gọi là giá quy dẫn (LCOE) để so sánh chi phí sản xuất điện bằng các phương cách khác nhau. Nhưng LCOE chỉ chính xác khi các công nghệ khác nhau cung cấp các dịch vụ giống nhau.
Một nhóm các nhà nghiên cứu NREL, bao gồm David Feldman và Robert Margolis, đã phát triển một phương pháp tính LCOE cho năng lượng mặt trời kết hợp lưu trữ. "Giống như tất cả các LCOE khác, phương pháp này cũng có những hạn chế" Feldman nói. "Một trong những thách thức, đặc biệt đối với việc lưu trữ, là trong rất nhiều trường hợp chi phí không có nhiều ý nghĩa chỉ khi bạn cần các định giá trị mà hệ thống mang lại.”
Sử dụng năng lượng lưu trữ có thể tiết kiệm một khoản tiền đầu tư bằng cách giảm nhu cầu phát điện và tránh được chi phí truyền tải.
Một bài báo của NREL được xuất bản năm ngoái trên Tạp chí Điện lực đã phát hiện ra việc lưu trữ kết hợp năng lượng mặt trời giảm chi phí đầu tư cho các tòa nhà thương mại ở hơn một nửa trong số 17 thành phố được điều tra, một số trường hợp giảm tới 24%.
Các nhà máy chạy đỉnh, chạy bằng khí tự nhiên và được nối lưới nhằm đáp ứng khi nhu cầu cao điểm, được so sánh giá với pin lưu trữ bốn giờ. Trong thời gian đó, ưu thế nghiêng về phía pin. Tuy nhiên, sau bốn giờ đó, pin trở nên đắt hơn.
"Lý do tại sao chúng ta có rất nhiều nhà máy chạy đỉnh là do sử dụng điều hòa không khí," Denholm nói. "Đó là khi chúng ta sử dụng nhiều điện nhất. Một điều bạn có thể làm là thay vì xây dựng một loạt các nhà máy điện chỉ chạy 100 giờ một năm khi trời rất nóng, bạn có thể lưu trữ năng lượng lạnh dưới dạng băng hoặc một thứ gì đó. Làm đá vào lúc 4 giờ sáng và sau đó, khi trời nóng vào giữa buổi chiều, bạn có thể giải phóng năng lượng lạnh đó và làm mát ngôi nhà hoặc tòa nhà của bạn. "
Công nghệ bao gồm một phạm vi rộng
“Luôn có một sự hiểu lầm. Lưu trữ thường được coi là lưu trữ điện hóa hoặc lưu trữ pin", Adarsh Nagarajan, giám đốc nhóm của Power System Design and Planning tại NREL, người thường xuyên hoạt động về tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện cho biết. "Lưu trữ vượt ra ngoài pin. Nó vượt ra ngoài điện hóa. Nó rộng hơn nhiều."
Cơ sở dữ liệu lưu trữ năng lượng toàn cầu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) có gần 700 dự án lưu trữ đã được công bố, đang vận hành hoặc đang được xây dựng trên khắp Hoa Kỳ dựa trên các công nghệ khác nhau. Ngoài pin, các phương pháp lưu trữ bao gồm băng, thủy điện tích năng, nhiệt, nước lạnh và điện hóa. Vẫn còn các công nghệ khác đang được phát triển.
"Không một ai là người chiến thắng," Nagarajan nói. "Tất cả trong số họ nên làm việc cùng nhau để đạt được một mục tiêu nhất định, đó là sự ổn định và độ tin cậy của lưới điện và để đáp ứng nhu cầu của khách hàng."
Nhưng ngay cả với rất nhiều cách để lưu trữ năng lượng đã có sẵn, các công nghệ mới hoặc cải tiến vẫn liên tục được đề xuất. Các nhà nghiên cứu tại NREL đã phát triển một kỹ thuật bơm khí tự nhiên vào các giếng cạn, được cấp bằng sáng chế phương pháp lưu trữ hydro áp suất cao bên trong các tuabin gió được thiết kế đặc biệt và cải tiến thiết kế của pin lithium-ion để chúng có tuổi thọ lâu hơn.
Những công nghệ được ưa chuộng rõ ràng đã xuất hiện trong số các công nghệ lưu trữ đã được sử dụng. Báo cáo đặc tính chi phí và công nghệ lưu trữ năng lượng của DOE tính toán rằng trong số các công nghệ pin, pin lithium-ion cung cấp lựa chọn tốt nhất để lưu trữ trong bốn giờ về mặt chi phí, hiệu suất và tính đảm bảo của công nghệ. Đối với thời gian dài hơn, thủy điện lưu trữ tích năng và lưu trữ năng lượng khí nén được coi là lựa chọn tốt nhất. Giữa hai loại đó, hydro lưu trữ tích năng là công nghệ hoàn thiện hơn và chiếm 98% lưu trữ năng lượng trên toàn thế giới vào năm 2018.
Nước được sử dụng rộng rãi nhất trong lưu trữ
Thủy điện tích năng là xương sống của khả năng lưu trữ quốc gia. Trong lịch sử, thủy điện được sử dụng để phát được nhiều điện, không cần linh hoạt đối với hệ thống năng lượng. Hiện tại, thủy điện tích năng đang được sử dụng để giúp tích hợp một lượng lớn năng lượng tái tạo vào lưới điện, phục vụ như một công nghệ cho phép cải thiện độ tin cậy của lưới điện và giảm chi phí. Lưu trữ bằng thủy điện tích năng dựa vào hai hồ chứa được đặt ở các độ cao khác nhau. Điện được phát ra nhưng chưa cần sử dụng được dùng để bơm nước từ hồ chứa dưới lên hồ trên. Khi cần điện, nước được giữ ở hồ trên sẽ được xả xuống và cung cấp năng lượng cho tuabin.
"Một trong những thách thức thực sự đối với thủy điện là có thể mất 8 đến 10 năm để xây dựng một nhà máy", Greg Stark, giám đốc kỹ thuật thủy điện tại NREL cũng như lãnh đạo tích hợp lưới điện nước của phòng thí nghiệm cho biết. "Với tất cả sự không chắc chắn trong thị trường điện, mọi người ngần ngại đầu tư vào một dự án 10 năm."
Để giúp giải quyết những lo ngại về thời gian trên thị trường này, DOE đã đưa ra sáng kiến gọi là Thử thách Vận hành NHANH CHÓNG. Tessa Greco, quản lí dự án cải tiến năng lượng nước mới của NREL, đang dẫn đầu cuộc cạnh tranh cho Văn phòng Công nghệ Năng lượng nước, nhằm mục tiêu giảm một nửa thời gian thực hiện dự án đồng thời giảm chi phí và rủi ro liên quan bằng cách đưa thủy điện tích năng lên mạng trực tuyến. Ủy ban Điều tiết Năng lượng Liên bang cũng đã công nhận những thách thức này là tốt và đã ra lệnh rằng các quyết định cấp phép cho các dự án lưu trữ tích năng vòng kín sẽ chỉ được thực hiện trong vòng hai năm. Cho đến nay, loại hệ thống này vẫn chưa được kết nối với một khu vực đang có nước và do đó làm giảm các mối lo ngại về môi trường mà các mối quan tâm này vẫn chưa được xét đến tại Hoa Kỳ.
Một số dự án đang trong quá trình thực hiện, bao gồm dự án Gordon Butte ở Montana. Hệ thống Gordon Butte, đã được cấp phép và dự kiến sẽ bắt đầu xây dựng trong năm nay, sẽ sử dụng hai hồ chứa nhân tạo và ba tuabin để cung cấp 400 MW công suất và thời gian lưu trữ 8,5 giờ. Trước đây, thủy điện tích năng được thiết kế và thi công theo một kiểu duy nhất đối với mỗi dự án mới; tuy nhiên, dự án Gordon Butte sẽ đại diện cho một mô hình mới có thể nhân rộng, và có thể tiết kiệm tiền cho các nhà xây dựng tiềm năng sau này.
"Thủy điện tích năng sẽ trở thành ưu thế khi bạn cần tích trữ một lượng điện năng rất lớn trong một khoảng thời gian dài", Stark nói. "Một phần trong đó là chi phí biên khi tăng thời gian lưu trữ bằng cách xây dựng hồ chứa lớn hơn. Đối với tuabin và cơ sở hạ tầng khác cũng như vậy, trong khi đối với pin lưu trữ chẳng hạn, nếu bạn muốn thời gian lưu trữ lâu hơn, bạn phải mua thêm pin. "
Lưu trữ theo mùa yêu cầu nghiên cứu cẩn thận
Lưu trữ năng lượng dài hạn được định nghĩa đại khái là từ 10-100 giờ. Bất cứ kiểu lưu trữ nào lâu hơn thế được coi là lưu trữ mùa. Gió thổi mạnh hơn vào mùa xuân, vì vậy việc có thể lưu trữ năng lượng đó để sử dụng khi cần vào mùa hè và điều này đang tạo ra cơ hội nghiên cứu. Theo các nhà nghiên cứu Omar Guerra and Josh Eichman tại NREL phụ trách về nghiên cứu giá trị của các công nghệ lưu trữ năng lượng theo mùa, thì hidro, thủy điện và khí nén là những công nghệ hữu hiệu nhất để lưu trữ năng lượng trong thời gian dài.
Trong quá trình hợp tác với Công ty Gas miền Nam California, NREL đã cài đặt một lò phản ứng sinh học để thử nghiệm công nghệ năng lượng-khí như một cách để lưu trữ năng lượng tái tạo. Dự án, lần đầu tiên ở Hoa Kỳ, dựa vào các vi sinh vật chuyển đổi hydro và carbon di-o-xit thành metan. Mêtan có thể được lưu trữ trong đường ống của công ty để sử dụng sau này.
Mạng lưới đường ống dẫn khí tự nhiên trên khắp Hoa Kỳ dài khoảng 3 triệu dặm và đã được sử dụng như một phương tiện lưu trữ. "Đường ống vận chuyển khí, nhưng cũng là kho lưu trữ khí", Keith Wipke, người quản lý chương trình Công nghệ Hidro và Pin nhiên liệu của NREL cho biết.
Hydro có thể được thêm vào đường ống khí đốt tự nhiên- khoảng 10%- hoặc cho phép lưu trữ riêng. Wipke cho biết, một phương pháp để lưu trữ hydro đã được đề xuất nhưng vẫn chưa được áp dụng rộng rãi là sử dụng không gian trong hầm khai thác muối.
Lưu trữ khí đốt tự nhiên giúp chống lại sự biến động giá cả và đáp ứng nhu cầu theo mùa, nhưng chi phí của thiết bị đã cản trở việc áp dụng lưu trữ điện theo mùa. Lưu trữ hydro vẫn là một công nghệ mới, tuy nhiên đây cũng là công nghệ có tiềm năng khi có những nghiên cứu cải tiến hơn, đây sẽ là phương pháp hiệu quả nhất về chi phí để lưu giữ và giải phóng điện năng trong ít nhất một tuần, Guerra cho biết. Thủy điện tích năng và lưu trữ bằng khí nén trong khoảng hai ngày được dự báo có thể sẽ cạnh tranh về mặt chi phí so với việc tạo ra nguồn điện mới.
"Lưu trữ năng lượng bằng thủy điện tích năng và khí nén là những công nghệ phát triển tốt, vì vậy chúng tôi không mong đợi sự sụt giảm đáng kể về mặt vốn đầu tư", Guerra nói. "Những chi phí đó cũng có thể phụ thuộc vào địa điểm. Ở một số nơi bạn có thể có khả năng xây dựng thủy điện tích năng với chi phí tiết kiệm. Ở những nơi khác, bạn có thể có cơ hội lưu trữ năng lượng bằng khí nén."
"Chúng ta cần giảm chi phí cho các công nghệ chúng ta đang có ngày nay và chắc chắn một số công nghệ mới tốt hơn và rẻ hơn sẽ có lợi hơn", Wipke nói.
Zhiwen Ma làm việc trong Nhóm Hệ thống Nhiệt của NREL và đang tập trung phát triển công nghệ năng lượng mặt trời tập trung, còn gọi là CSP. Công nghệ này sử dụng một loạt gương hoặc thấu kính để tập trung ánh sáng mặt trời vào một khu vực nhỏ và năng lượng thu được có thể được lưu trữ bằng muối nóng chảy. Nhưng các muối có tính ăn mòn, vì vậy nghiên cứu đang tiến hành với các thùng chứa lý tưởng. Thay vì muối, Ma đang sử dụng cát để lưu trữ nhiệt.
Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến của DOE, nơi tài trợ cho các ý tưởng tương lai, đã trao cho NREL 2,8 triệu đô la để đánh giá tính khả thi của hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt có chi phí thấp của Ma. Khi cần, cát đã được làm nóng sẽ đốt nóng chất lỏng làm quay tuabin khí gắn với máy phát điện.
"Những lợi thế chính của cát so với muối nóng chảy là chi phí thấp hơn và và vận hành tốt hơn", Ma nói. Chi phí của cát chỉ chiếm một phần nhỏ chi phí của muối nhưng có thể được làm nóng đến 1.200 độ C so với 600 độ đối với muối nitrat hoặc 800 độ đối với muối clorua.
Với rất nhiều giải pháp để lưu trữ năng lượng, các nhà nghiên cứu quyết tâm tìm ra phương pháp tốt nhất. Bởi vì, mặt trời không phải lúc nào cũng tỏa sáng và gió không phải lúc nào cũng thổi.
Nguồn: Tech Xplore
