10 xu hướng công nghệ hỗ trợ cho ngành năng lượng tái tạo năm 2022

Lưu trữ điện và công nghệ nâng cao hiệu suất nguồn năng lượng tái tạo Việt Nam Với cam kết mạnh mẽ của Thủ tướng Chính phủ Việt Nam tại Hội nghị COP26: “Việt Nam sẽ đưa phát thải khí nhà kính về “0” ròng vào năm 2050”, việc tăng tỷ lệ điện gió và mặt trời trong hệ thống nguồn điện cần được hết sức ưu tiên. Tuy là nguồn năng lượng sạch nhưng tính không ổn định của hai loại điện này đang gây khó khăn và làm tăng chi phí vận hành hệ thống điện Việt Nam. Việc ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng/điện trở nên cần thiết, quan trọng, cả hiện tại và trong tương lai. Hội thảo khoa học “Ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng và Công nghệ nâng cao hiệu suất cho các dự án năng lượng tái tạo của Việt Nam” vừa được Hội đồng Khoa học Tạp chí Năng lượng Việt Nam tổ chức tại Hà Nội. Hội thảo là cơ hội để các bên liên quan chia sẻ về nhu cầu, các thách thức và kinh nghiệm trong việc áp dụng các hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) tại Việt Nam.

1. Công nghệ quang điện tiên tiến (APV):

Công nghệ quang điện tiên tiến (Advanced Photovoltaics PV), hay APV là xu hướng mới, trong đó, các công nghệ năng lượng mặt trời (NLMT) muốn tích hợp hệ thống quang điện (PV) như pin NLMT nổi (floatovoltaics) và pin NLMT trời trang trại (Agrivoltaics) để nâng cao hiệu suất, phù hợp với môi trường xung quanh.

Ngoài ra, các công ty còn hướng tới phát triển các tế bào màng mỏng để sản xuất tấm pin mặt trời linh hoạt, mỏng, nhẹ, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường. Để cải thiện hiệu suất PV, các công nghệ mới hướng tới mục tiêu sử dụng gương và thấu kính. Những đổi mới trong vật liệu PV, chẳng hạn như việc sử dụng perovskite đang làm tăng quá trình chuyển đổi năng lượng lên gấp nhiều lần. Những cải tiến này kết hợp với các thiết kế quang điện mới cho phép tăng hiệu quả và năng suất lên cao. Đồng thời, nó thúc đẩy tính bền vững thông qua tái chế, sử dụng tài nguyên tối thiểu và khả năng sử dụng các vật liệu thay thế.

Tiêu biểu có bộ tập trung năng lượng mặt trời phát quang (LSC), thiết bị tập trung bức xạ mặt trời, để sản xuất điện. Đây là sản phẩm của hãng Lusoco của Hà Lan, sử dụng các vật liệu có chiết suất cao như kính và polyme cùng với mực huỳnh quang để tập trung ánh sáng đến mọi góc cạnh nơi đặt các tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng. Hay công nghệ tạo ra thỏi silicon đơn tinh thể cacbon thấp sử dụng các thỏi silicon đơn tinh thể carbon thấp của khởi nghiệp Norwegian Crystals, Na Uy cho các thiết bị quang điện hiệu suất cao bằng cách nấu chảy silicon có độ tinh khiết ở mức nhiệt độ cao bằng kỹ thuật Czochralski. Nó cũng tạo ra các thỏi pha tạp gali giúp tăng tuổi thọ và độ ổn định cho pin mặt trời so với silicon đơn tinh thể.

2. Xu hướng ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và dữ liệu lớn:

Lưới tải năng lượng là một trong những cơ sở hạ tầng phức tạp nhất, cần được nâng cấp tương xứng với tình hình mới, nhất là khi chuyển đổi công nghệ số. Dữ liệu lớn (Big Data) và thuật toán AI (trí tuệ nhân tạo) là những công cụ hữu ích cho các tiện ích này. Ngoài phân tích và quản lý lưới điện, ứng dụng AI trong lĩnh vực năng lượng tái tạo giúp dự báo mức tiêu thụ điện và dự báo sự cố để bảo trì thích hợp. Với những đổi mới trong điện toán đám mây, nhà máy điện ảo (VPP) ra đời, các công ty sản xuất năng lượng còn sử dụng phân tích dữ liệu và học máy để thiết kế mô hình và phân tích hiệu suất nguồn năng lượng tái tạo.

Tiêu biểu có khởi nghiệp của Đức, hãng Likewatt phát triển thành công Optiwize, phần mềm cung cấp phân tích thông số năng lượng bằng cách sử dụng máy học. Optiwize cũng tính toán được mức tiêu thụ điện và lượng khí thải carbon dioxide cũng như các tính năng kiểm toán năng lượng tái tạo và dự báo thời tiết. Hoặc Resonanz, một khởi nghiệp của Tây Ban Nha cho phép giao dịch năng lượng thông minh tự động. Các công cụ phần mềm của công ty khởi nghiệp rFlow và rMind, tích hợp và quản lý dữ liệu trong thời gian thực để tạo ra các quyết định theo thuật toán tự chủ.

3. Hệ thống lưu trữ năng lượng phân tán:

Hệ thống lưu trữ năng lượng phân tán (Distributed Energy Storage Systems hay DESS) có khả năng nội địa hóa việc sản xuất và lưu trữ năng lượng tái tạo, khắc phục tình trạng bất thường trong sản xuất. Dựa trên tính kinh tế, các công ty năng lượng cung cấp một loạt các giải pháp pin và không dùng pin. Ví dụ, pin dòng sử dụng năng lượng thấp và nhất quán, trong khi pin thể rắn lại có trọng lượng nhẹ và cung cấp mật độ năng lượng cao. Đối với các ứng dụng cần năng lượng lớn, ngắn hạn, tụ điện và siêu tụ điện cũng được sử dụng. Do những lo ngại liên quan đến vấn đề xả thải, an toàn và ô nhiễm môi trường, ngành năng lượng đang nghĩ các giải pháp thay thế lưu trữ không dùng pin như công nghệ thủy điện được bơm và khí nén. Mặt khác, năng lượng thặng dư được chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác như nhiệt hoặc mêtan để lưu trữ và chuyển đổi thông qua công nghệ Power-to-X (P2X).

Công ty khởi nghiệp Thụy Sĩ Green-Y Energy phát triển công nghệ lưu trữ năng lượng khí nén. Hoặc MGA Thermal, công ty khởi nghiệp của Úc lại phát minh ra sản phẩm có tên hợp kim có khoảng cách trộn lẫn (Miscibility Gap Alloys) dùng cho lưu trữ năng lượng nhiệt. Hợp kim này có pha nóng chảy và tiếp xúc với pha rắn. Khi ứng dụng làm ấm, thành phần pha nóng chảy dự trữ năng lượng còn thành phần pha rắn phân bổ nhiệt nhanh, thể hiện khả năng lưu trữ năng lượng cao với mức nhiệt độ không đổi.

4. Xu hướng chuyển đổi năng lượng nhiệt đại dương (OETC):

Năng lượng thủy điện là năng lượng có được từ nước chuyển động. Không giống như NLMT và gió, năng lượng thủy điện có thể dự đoán được nên tin cậy hơn. Bên cạnh đó, các đập thủy điện, cũng như năng lượng dựa trên đại dương được khai thác từ thủy triều, dòng chảy và sóng, mang lại mật độ năng lượng cao giúp con người giảm sự phụ thuộc vào các nguồn thông thường. Những đổi mới trong các nguồn tái tạo này tập trung vào các bộ chuyển đổi năng lượng và các cải tiến thành phần để thu hoạch năng lượng hiệu quả hơn. Trong lĩnh vực thủy điện, các đập thủy điện quy mô nhỏ và xà lan thủy triều cho phép sản xuất năng lượng phi tập trung.

Chuyển đổi năng lượng nhiệt đại dương (OETC) khai thác năng lượng thông qua gradient nhiệt được tạo ra giữa nước bề mặt và nước sâu. Seabased là công ty khởi nghiệp của Ireland chuyên phát triển các bộ chuyển đổi năng lượng sóng dạng mô-đun (WEC). Thực chất các WEC này là các phao nổi trên bề mặt kết nối với các máy phát điện tuyến tính nằm dưới đáy biển. Khi sóng chuyển động cung cấp năng lượng cho phao do đó tạo ra năng lượng điện. WEC có thể chịu được môi trường biển khắc nghiệt, cho phép mở rộng công viên sóng linh hoạt với hiệu quả cao. Do đó, các giải pháp của Seabased cho phép các công ty năng lượng ngoài khơi và cộng đồng ven biển địa phương tạo ra năng lượng sóng như một giải pháp thay thế hoặc kết hợp với gió.

Công ty Phát triển Năng lượng Xanh (GED) của Iran vừa trình làng quy trình vi mô để tạo ra thủy điện phân tán từ các dòng nước như kênh và sông. Tua bin dạng tang trống nổi (FDT) của GED thực chất là các tua bin siêu nhỏ, bao gồm một bánh xe nước nổi sử dụng một máng trượt và được neo bằng dây cáp hoặc cánh tay đòn có bản lề. FDT quay theo dòng nước tạo ra điện. Giải pháp này có chi phí thấp, hiệu quả cho quá trình điện khí hóa ở những nơi xa xôi và kém phát triển.

5. Năng lượng gió ngoài khơi ngày càng sôi động:

Mặc dù là một trong những nguồn năng lượng lâu đời nhất, nhưng bản chất phát triển nhanh của ngành năng lượng gió khiến nó trở thành một trong những xu hướng chính và quan trọng trong tương lai. Các doanh nghiệp, đặc biệt là các công ty khởi nghiệp đang vào cuộc, xây dựng nhiều tua bin gió ngoài khơi và trên không hay nhà máy điện gió - khinh khí cầu để giảm mật độ hạ tầng năng lượng gió trên đất liền. Những đổi mới này thường tích hợp với các nguồn năng lượng khác như tua bin gió nổi, năng lượng mặt trời hoặc thủy triều.

Để nâng cao hơn nữa hiệu quả, nhiều cải tiến trong thiết kế khí động học của cánh quạt ra đời, máy phát điện và tua bin hiệu quả để đạt mục tiêu chuyển đổi năng lượng cao. Vật liệu cánh tua bin có tính bền vững cao là một trong những thách thức mà ngành công nghiệp gió hiện phải đối mặt. Để giải quyết vấn đề này, nhiều công ty khởi nghiệp đã và đang cho ra đời những sản phẩm mới như công nghệ không cánh và vật liệu nhựa nhiệt dẻo có thể tái chế được để sản xuất cánh quạt tua bin gió.

Tiên phong có Công ty Năng lượng gió Hydro (HWE) của Tiểu Vương quốc Ả-rập Thống nhất hiện đang phát triển hệ thống năng lượng hydro-gió hỗn hợp. Sản phẩm có khả năng khai thác gió ở độ cao ngoài khơi bằng cách sử dụng diều hoặc cánh quạt gió trục thẳng đứng. Sau đó, nó kết hợp năng lượng sản xuất năng lượng gió từ áp suất dưới đáy đại dương để sinh điện chi phí thấp và lưu trữ trên quy mô lưới điện.

Helicoid - công ty khởi nghiệp của Mỹ vừa giới thiệu cánh quạt tua bin gió chất lượng cao. Cánh quạt tua bin gió tăng cường này được tạo ra bằng kỹ thuật xếp chồng và xoay song song để tạo ra cấu trúc xoắn ốc. Nó có khả năng chống va đập, xói mòn và chống mỏi cao, đồng thời có độ bền và độ cứng hơn hẳn cánh quạt truyền thống. Do đó, giảm chi phí bảo trì và thời gian ngừng hoạt động cũng như làm tăng hiệu quả năng lượng cho các tua bin gió quy mô lớn.

6. Năng lượng sinh học:

Năng lượng sinh học là một dạng năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ nhiều nguồn sinh khối. Nhiên liệu sinh học lỏng có chất lượng tương đương với xăng được pha trộn trực tiếp để sử dụng cho các phương tiện giao thông. Phần lớn các quá trình chuyển đổi nhiên liệu sinh học như hóa lỏng thủy nhiệt (HTL), nhiệt phân, công nghệ plasma, nghiền thành bột và khí hóa sử dụng chuyển đổi nhiệt để thu được nhiên liệu sinh học hiện đã được nghiên cứu và ra đời.

Ngoài ra, các kỹ thuật nâng cấp như đông lạnh, hydrat, tách tại chỗ và màng được sử dụng để loại bỏ hàm lượng lưu huỳnh và nitơ. Tương tự, quá trình lên men tạo cồn sinh học dễ pha trộn trực tiếp với xăng. Quá trình lên men cũng có khả năng chuyển đổi chất thải, ngũ cốc và thực vật thành etanol sinh học. Lợi thế do nguyên liệu đầu vào phong phú nên chất lượng nhiên liệu luôn luôn được tối ưu. Vì lý do này, các doanh nghiệp, đặc biệt công ty lớn đang quan tâm đến tảo và vi tảo để sản xuất loại nhiên liệu sạch nói trên.

Công ty Phycobloom của Anh là một trong những khởi nghiệp thành công trong việc sản xuất dầu sinh học từ tảo biến đổi gen, vừa nhanh và không tốn kém. Do tảo chỉ cần không khí, nước và ánh sáng mặt trời để phát triển, nên công nghệ của Phycobloom được xem là một chu trình khép kín, hiệu quả cả về sản xuất nhiên liệu lẫn phát thải khí nhà kính, giúp con người ít phải phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

7. Tích hợp lưới điện:

Các công nghệ tích hợp lưới điện, chủ yếu là truyền tải, phân phối và ổn định năng lượng tái tạo. Do lĩnh vực sản xuất NLTT ngày càng phát triển và ở xa người tiêu dùng nên tổn thất trong truyền tải và phân phối không hề nhỏ. Để khắc phục, nhiều công nghệ mới được ra đời, như công nghệ điện tử dạng lưới, tiết kiệm chất bán dẫn Gali Nitride (GaN) và Silicon Carbide (SiC). Thách thức về sự dao động tần số và điện áp do sản xuất năng lượng tái tạo biến đổi rất lớn và cần phải có các giải pháp dựa trên vi điều khiển. Cho dù đã có nhiều cố gắng, việc ổn định lưới điện vẫn là một thách thức rất lớn do việc sử dụng năng lượng không liên tục. Tương lai, công nghệ V2G (Phương tiện tới lưới) cho phép những chiếc xe điện hóa truyền năng lượng ngược trở lại mạng lưới điện. Tính năng cực kỳ hữu dụng, không chỉ đem lại lợi ích cho các chủ xe mà cả các nhà điều hành mạng lưới điện. Nói gọn hơn, cả ngành năng lượng và giao thông đều được lợi.

Ageto Energy là một công ty khởi nghiệp của Mỹ đã sản xuất thành công bộ điều khiển microgrid (lưới điện siêu nhỏ) để điều phối tất cả các yếu tố của microgrid. Nó hoạt động như một bộ não của lưới điện vi mô và tích hợp các nguồn tài nguyên thông thường và tái tạo khác nhau, gồm bộ biến tần, máy phát điện, tua bin, đồng hồ đo điện và giảm phụ tải. ARC được bọc trong một lớp vỏ bền, chịu được thời tiết và nhiệt độ khắc nghiệt. Ngoài ra, nó còn cung cấp khả năng giám sát và kiểm soát mạng lưới vi mô theo thời gian thực.

Veir, công ty khởi nghiệp khác của Mỹ còn trình làng sản phẩm chất siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS). Thực chất đây là cáp HTS có thể hoạt động với cường độ dòng điện gấp mười lần so với dây thông thường mà vẫn duy trì trì tính siêu dẫn. Để duy trì HTS vận hành ở mức nhiệt độ cao, Veir sử dụng kỹ thuật làm mát bằng chất làm lạnh bay hơi, hiệu quả hơn 20 lần so với làm lạnh cơ học. Điều này cho phép sản xuất và truyền tải năng lượng tái tạo quy mô lớn, giúp các công ty tiện ích dễ dàng chuyển đổi sang cung ứng nhiên liệu sạch.

8. Hydro xanh:

Khí hydro có mật độ năng lượng cao nhất trong tất cả các loại nhiên liệu và tạo ra lượng phát thải khí nhà kính (GHG) gần như bằng không. Tuy nhiên, hầu hết hydro có nguồn gốc từ các nguồn không thể tái tạo ở dạng hydro màu xám và nâu. Trong thập kỷ qua, sự phát triển trong năng lượng tái tạo và pin nhiên liệu đã thúc đẩy sự chuyển dịch sang hydro xanh. Mặc dù sạch hơn, nhưng nó cũng phải đối mặt với các vấn đề về hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp của pin nhiên liệu và những thách thức trong giao thông vận tải. Vì những lý do này, sự phát triển của hydro xanh tập trung vào việc cải thiện việc lưu trữ, vận chuyển và phân phối hydro.

Công ty khởi nghiệp Lavo của Úc là nơi thành công trong việc sản xuất pin nhiên liệu hydro xanh sử dụng năng lượng mặt trời và nước để sản xuất điện. Hệ thống pin Hydro Lavo (Lavo Hydrogen Battery System) được cấp bằng sáng chế có một bình chứa hyđrua kim loại để lưu trữ hyđrô. Nó còn có cả pin lithium-ion cho thời gian phản hồi nhanh, do đó nó được xem là một giải pháp hybrid (lai hay tổng hợp). Hệ thống pin có độ bền cao và hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng. Nhờ đó, nó tránh được tình trạng mất điện trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt cũng như giúp các doanh nghiệp và cộng đồng có thể tích trữ năng lượng liên tục trong nhiều ngày.

Trong khi đó, ElektrikGreen, một khởi nghiệp của Mỹ lại sử dụng hydro xanh để sạc cho các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu. Trạm tiếp nhiên liệu cho phép sạc xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro xanh (FCV) bằng cách thêm chất nạp nhiên liệu vào các bể chứa hydro xanh. Công nghệ tích hợp chuyển đổi điện năng, lưu trữ năng lượng, phần mềm quản lý dự đoán, giám sát và tiếp nhiên liệu, tất cả trong một hệ thống cài đặt đơn giản, hỗ trợ các khu dân cư thông minh nhằm tối đa hóa lợi ích thông qua năng lượng phân tán.

9. Người máy công nghệ cao:

Hiệu quả sản xuất thấp trong việc khai thác năng lượng tái tạo là một trong những trở ngại lớn mà ngành năng lượng đang phải đối mặt. Công nghệ robot cho phép khắc phục nhược điểm trên để tăng độ chính xác và tối ưu các nguồn lực. Ví dụ, các tấm pin mặt trời tự động định hướng để tối đa hóa việc chuyển đổi năng lượng. Tự động hóa thiết bị cũng đẩy nhanh quá trình duy tu bảo dưỡng mà không cần đến sức lao động của con người.

Dùng máy bay không người lái (drone) để kiểm soát các hoạt động và bảo trì tự động dựa trên robot (O&M) sẽ cải thiện độ an toàn và năng suất. Đặc biệt là sử dụng drone dựa trên hình ảnh siêu âm mảng theo từng giai đoạn để phát hiện nhanh sự cố bên trong hoặc bên ngoài các tua bin gió lớn. Máy bay không người lái tiếp tục cho phép tạo ra các bản đồ trang web sinh đôi kỹ thuật số và bản đồ 3D thông qua hình ảnh và tính toán dữ liệu độ cao.

Công ty khởi nghiệp Greenleap Robotics của Ấn Độ vừa cho ra đời robot Lotus A4000 có thể làm sạch tự động cho các tấm pin mặt trời. Lotus A4000 sử dụng vải sợi nhỏ siêu mềm để lau bụi và dọn mảnh vụn, cho phép làm sạch mọi thứ và cần ít nước. Nó cũng khắc phục sự sai lệch giữa các tấm pin mặt trời dẫn đến phạm vi làm sạch được cải thiện. Bên cạnh đó, điều khiển tập trung tạo điều kiện cho việc bảo trì dự đoán và tự sạc cho robot. Greenleap Robotics cho phép các nhà máy năng lượng mặt trời quy mô lớn tự động hóa công việc, cần ít nhân công hơn nhờ điều khiển và giám sát từ xa.

SupAirVision là một công ty khởi nghiệp của Pháp cung cấp phép chẩn đoán số hóa cánh gió. Hay các công cụ phần mềm của công ty khởi nghiệp, Sherlock và Volta, sử dụng AI để phát hiện các khuyết tật trên các cánh quạt và chẩn đoán đường dẫn sét của các cánh quạt. Tất cả những công nghệ này đều giúp các trang trại tua bin gió quy mô tiện ích quản lý, vận hành tốt hơn với lượng nhân lực tối thiểu.

10. Blockchain:

Blockchain hay công nghệ chuỗi - khối, cho phép truyền tải dữ liệu một cách an toàn dựa trên hệ thống mã hóa vô cùng phức tạp, tương tự như cuốn sổ cái kế toán của một công ty, nơi mà tiền được giám sát chặt chẽ và ghi nhận mọi giao dịch trên mạng ngang hàng.

Các công ty khởi nghiệp năng lượng sử dụng công nghệ blockchain để thúc đẩy các giao dịch đáng tin cậy trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Ví dụ: Hợp đồng thông minh thúc đẩy giao dịch điện ngang hàng cho năng lượng chuyển hóa. Lưới dễ bị tấn công bởi các mối đe dọa mạng và blockchain được sử dụng để mã hóa dữ liệu liên quan đến hoạt động và giám sát lưới. Thông qua mã hóa dữ liệu, blockchain tạo điều kiện thuận lợi cho các giao dịch kỹ thuật số. Các nhà cung cấp năng lượng tái tạo cũng đang tận dụng blockchain để theo dõi chuỗi hành trình sản xuất vật liệu lưới. Ngoài ra, nó cho phép các cơ quan quản lý dễ dàng truy cập dữ liệu để tuân thủ quy định.

Khởi nghiệp Sitigrid của Anh hiện đang cung ứng dịch vụ có tên Peer-to-Peer (P2P) Energy Trading (Giao dịch năng lượng ngang hàng P2P) sử dụng S-Chain, công nghệ cái phân tán đã được cấp bằng sáng chế. Sử dụng hợp đồng thông minh, Sitigrid tạo điều kiện thuận lợi cho việc giao dịch lượng điện dư thừa trên thị trường mở và lưu giữ hồ sơ giao dịch. Mô hình này sử dụng AI để tối ưu hóa các giao dịch, do đó tối đa hóa doanh thu cho các máy phát điện và giảm thiểu chi phí cho người tiêu dùng. Kiến trúc cơ bản cung cấp cho các thị trường địa phương một nền tảng quản lý hiệu quả và trao quyền cho các doanh nghiệp năng lượng tổng hợp các dịch vụ mạng.

Tec Blockchain (TB), một khởi nghiệp của Mỹ hiện đang triển khai tiền điện tử năng lượng (Energy Cryptocurrency) thông qua blockchain để khuyến khích năng lượng tái tạo. Giao dịch kỹ thuật số bằng tiền điện tử của TB là TEC token, nó liên thông với hệ thống thưởng. Khi càng nhiều cá nhân sử dụng và giao dịch năng lượng tái tạo bằng mã TEC token, thì phần thưởng tự động tăng lên. Hệ thống khen thưởng cho phép các ngành và cá nhân chuyển đổi sang năng lượng tái tạo phân tán vẫn nhận được các ưu đãi tương tự như các doanh nghiệp tập trung./.

KHẮC NAM - TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM (THEO: SIC-11/2021)

Link tham khảo:

https://www.startus-insights.com/innovators-guide/top-10-renewable-energy-trends-2022/