Phát minh mới về lưu trữ năng lượng tái tạo

Công nghệ lưu trữ năng lượng trong phát triển nguồn điện sạch
Công nghệ số làm thay đổi tương lai ngành dầu khí

Lưu trữ không khí nén có thể mang lại chi phí thấp hơn đáng kể và nâng cao dung lượng lưu trữ so với pin điển hình. 

Trong khi các loại pin dòng chảy và các công nghệ lưới điện thông minh khác đã xuất hiện trong những năm gần đây để giải quyết vấn đề, thì nhiều nhà khoa học lại đang lục lại một phương pháp đã nhiều thập niên tuổi: lưu trữ năng lượng không khí nén (CAES). Phương pháp liên quan đến việc sử dụng năng lượng dôi dư để nén không khí rồi sau đó sẽ được lưu trữ trong một cái hang dưới lòng đất. Khi cần điện, không khí được giải phóng qua một tua bin khí để phát điện. 

Theo nghiên cứu, đây là một giải pháp rất cuốn hút: về lý thuyết, nó là một trong những cách rẻ tiền nhất để lưu trữ khối lượng năng lượng rất lớn và so với các đập thủy điện, nó không đòi hỏi nhà máy phải nằm chỗ đồi núi mà không phải quốc gia nào cũng có.

Tuy nhiên, quá trình nén khí dẫn tới sinh nhiệt giống như những gì diễn ra với một chiếc bơm xe đạp khi nó nóng lên trong lúc bơm hơi đầy bánh xe. Vấn đề ở đây là phải làm gì với nhiệt phát sinh. Hiện tại, chỉ có 2 nhà máy CAES trên toàn thế giới là nhà máy Huntorf ở Đức và nhà máy McIntosh ở Alabama của Mỹ với công suất tối đa lần lượt là 290 MW và 226 MW. Tại cả 2 nhà máy, nhiệt được giải phóng dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình nén vì cả hai nhà máy đều không có hạ tầng để xử lí và lưu trữ nó.

Ngoài mất đi một nguồn năng lượng tiềm năng, điều này còn có nghĩa rằng không khí cần được làm nóng lên lần nữa, thường với khí thiên nhiên, để chạy các tua bin phát điện. Điều này làm giảm hiệu suất năng lượng của hệ thống.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đang làm việc cho dự án RICAS 2020 do EU tài trợ đã quay sang CAES đoạn hiện tiên tiến (AA-CAES) để phát triển một ý tưởng thiết kế giúp lưu trữ nhiệt.

Một thành phần quan trọng của dự án là bộ phận cho phép nhiệt được truyền qua xiphông trong quá trình nén. Sau khi rời máy nén, không khí đi qua một hang được đổ đầy đá nghiền vốn hấp thu nhiệt. Không khí lạnh sau đó đi xuống hang chính nơi nó được lưu trữ. Khi cần, nó sẽ quay trở lại qua đá nghiền nơi nó được làm nóng trở lại trước khi được xả, do đó, giảm thiểu nhu cầu đốt nhiên liệu.

Giovanni Perillo, một nhà khoa học tại SINTEF vốn là một trong những quản lý của dự án tin rằng công nghệ này có tiềm năng mang lại sự thay thế tốt hơn cho pin do có tuổi thọ dài hơn. Ngoài ra, so với các khu vực lưu trữ hiện có - vốn chỉ đạt tỉ lệ hiệu suất 45 đến 55% và chỉ tạo ra được một nửa năng lượng được sử dụng trong quá trình nén khí, hệ thống mới này nâng tỉ lệ đó lên đến 70 đến 80%.

"Chúng tôi nghĩ rằng có thể lưu trữ được nhiều nhiệt hơn khả năng của công nghệ lưu trữ hiện có, do đó, tăng hiệu suất thực của các cơ sở lưu trữ", ông Giovanni Perillo cho biết.

Một ưu thế nữa mà công nghệ AA-CAES cung cấp là nó không bị giới hạn với một số dạng cấu tạo địa chất. Trong khi các nhà máy thực sự phải được đặt ở những nơi có không gian rộng lớn đã có sẵn thì các nhà nghiên cứu cho hay chúng cũng có thể bao gồm hang hay hầm mỏ không dùng nữa. Dự án RICAS 2020 chẳng hạn đang được tiến hành tại một hầm mỏ bỏ hoang ở Úc.

Tuy nhiên, để dự án vượt qua được giai đoạn thiết kế mà có thể là đầu tiên cho một dự án AA-CAES, một vài điều kiện cần phải được đáp ứng. Đó bao gồm phát triển một lớp màng bít có thể chịu được nhiệt độ và áp suất cao của hang. Dựa trên các kỹ thuật và phân tích chi phí, một quyết định về việc có xúc tiến một nhà máy thí điểm hay không sau đó sẽ được đưa ra.

Mặc dù đã xuất hiện nhiều thập kỷ nay nhưng không khí nén vẫn chưa được thừa nhận tiềm năng của mình trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Điều này có nhiều nguyên nhân, theo Matthias Finkenrath, Giáo sư kỹ thuật năng lượng tại Đại học khoa học ứng dụng Kempten của Đức, với các thách thức công nghệ, giá năng lượng thấp và sự thiếu chắc chắn trên thị trường năng lượng là các yếu tố khiến kế hoạch xây dựng các nhà máy quy mô lớn bị trị cản trở hoặc bỏ rơi.

Một ví dụ là nhà máy Iowa Stored Energy Park trị giá 400 triệu USD đã bị hủy bỏ năm 2011 sau khi các nghiên cứu chỉ ra rằng các tầng ngậm nước sa thạch của bang này không phù hợp cho CAES.

Tuy nhiên, điều không may đó không ngăn cản được sức hấp dẫn tiềm ẩn của nó khi các nhà khoa học và chuyên gia trong ngành công nghiệp đang tìm cách cải thiện việc lưu trữ năng lượng tái tạo phát vào đỉnh điểm trên lưới điện. So với các hợp chất hóa học trong các hệ thống pin dựa trên cell, không khí chẳng mất chi phí, không xuống cấp và hoàn toàn ở xung quanh chúng ta.

Với những khu vực như Hawaii khởi xướng các sáng kiến để dựa vào các nguồn tái cho phần lớn nhu cầu năng lượng của mình, lưu trữ khí nén có thể làm cho điện gió trở nên đáng tin cậy như năng lượng được tạo ra bằng nhiên liệu hóa thạch nếu các nhà khoa học tìm ra cách khai thác nó và vượt qua nhiều thách thức về địa chất.

"Lưu trữ không khí nén kiểu giống dự án này nhắm tới có thể mang lại chi phí thấp hơn đáng kể và nâng cao dung lượng lưu trữ so với pin điển hình. Nếu dự án này dẫn tới các nhà máy lưu trữ được xây dựng dưới rất nhiều các điều kiện địa chất thì bản thân điều đó đã là một bước tiến quan trọng. Nếu các đối tác dự án cũng thành công với kế hoạch lưu trữ nhiệt hiệu quả, sử dụng khí nén có thể sắp sửa trở thành một đột phá", Finkenrath cho biết.

NGUỒN: SINTEF/ NEW ATLAS