Giải pháp tham khảo cho ‘mảnh ghép’ còn thiếu của năng lượng tái tạo

Nhóm công nghệ lưu trữ năng lượng triển vọng và tham khảo nhanh ở Việt Nam Theo dự báo của Bộ Năng lượng Mỹ (DoE), năng lượng tái tạo (NLTT) sẽ là nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất của Mỹ đến năm 2050. Để lưu trữ năng lượng khi con người chuyển sang sử dụng 100% điện tái tạo, ba công nghệ dưới đây được xem là ứng viên khả thi và sáng giá:

Vai trò hệ thống lưu trữ năng lượng trong vận hành hệ thống điện Việt Nam Trong khuôn khổ chuyên đề tuyên truyền: “Nguồn điện gió, mặt trời - Vướng mắc của tiến độ xây dựng và vấn đề tích trữ năng lượng hiệu quả” nhằm phân tích các khó khăn, vướng mắc trong đảm bảo tiến độ xây dựng; khắc phục tình trạng dư thừa công suất, tăng tối đa khả năng phát điện các nguồn năng lượng tái tạo “phi thủy điện” của Việt Nam, chuyên gia Hội đồng khoa học Tạp chí Năng lượng Việt Nam tiếp tục phân tích, đánh giá sự cần thiết, vai trò và đề xuất giải pháp để thực hiện đầu tư hệ thống lưu trữ năng lượng trong hệ thống điện quốc gia. Trân trọng giới thiệu cùng bạn đọc.

Vì sao lưu trữ năng lượng “dài hạn” lại là rường cột?

Lưu trữ năng lượng (LTNL) có thể hiểu đơn giản là thu giữ năng lượng được sản xuất tại một thời điểm để sử dụng sau này. Một thiết bị LTNL thường được gọi là ắc quy, hoặc pin. Nói cách khác, LTNL liên quan đến việc chuyển đổi năng lượng từ các hình thức khó lưu trữ sang lưu trữ thuận tiện hơn, kinh tế hơn.

Ví dụ phổ biến về LTNL là pin sạc, dự trữ năng lượng hóa học có thể chuyển đổi thành điện năng để vận hành điện thoại di động. Đập thủy điện LTNL trong hồ chứa nước dưới dạng thế năng và bể chứa nước đá, nơi lưu trữ băng đông lạnh với giá rẻ hơn năng lượng vào ban đêm để đáp ứng nhu cầu làm mát ban ngày khi cao điểm. Nguồn năng lượng lưu trữ từ lưới điện lớn nhất hiện nay là thủy điện tích năng, hoặc pin lithium-ion đã hoàn toàn chiếm ưu thế trong việc xây dựng hệ thống lưu trữ mới trong thời gian gần đây, nhưng nhược điểm “thời lượng xả” không được như mong muốn.

Về mặt kỹ thuật, pin lưu trữ có thể sử dụng lâu hơn, nhưng cũng thường có giá cao hơn giá trị của nó trong thị trường cạnh tranh khốc liệt hiện nay. Vì vậy, chính xác thì lưu trữ năng lượng trong thời gian dài là gì? Nhiên liệu hóa thạch như than đá, xăng, dầu được lưu trữ dưới dạng chôn vùi. Điện gió và năng lượng mặt trời (NLMT) là những nguồn điện phát triển nhanh nhất trên toàn cầu, nhưng chúng chỉ sản xuất vào một số thời điểm nhất định nên LTNL giúp chúng trở nên hữu ích và liên tục hơn. Hiện tại, hơn 99% lưu trữ điện quy mô lớn được xử lý bởi các nhà máy thủy điện tích năng.

Sức hấp dẫn của LTNL được chứng minh là bền hơn cả blockchain năng lượng, và việc thương mại hóa nó còn nổi hơn cả năng lượng Hydro. Công nghệ LTNL dài hạn có thể đánh bật cả các nhà máy điện than và khí đốt, biến năng lượng tái tạo thành nguồn năng lượng có thể cung ứng cả một ngày dài và mở đường cho công cuộc lưới điện phi CO2.

Lưu trữ năng lượng dài hạn (Long-duration energy storage hay LDES) tập trung vào việc năng lượng mà hệ thống có thể lưu trữ cả về số lượng lẫn thời lượng. Tiêu chí này phải đảm bảo giá rẻ, quy mô hiệu quả hơn so với pin lithium-ion. Một số công ty khởi nghiệp cho rằng: Lưu trữ lên đến 4 tiếng là “dài hạn”, nhưng điều này không thuyết phục. Có thể nói thuật ngữ dài hạn là rất chung, nó bao hàm tất cả mọi thứ có định mức xả từ 6 đến trên 1.000 giờ.

Theo trang tin Năng lượng xanh Mỹ Greenbiz (GBC) thì: LDES được ví như “Chén Thánh” năng lượng sạch. Khả năng lưu trữ năng lượng dài hạn được định nghĩa là một hệ thống có thể lưu trữ năng lượng trong hơn 10 giờ. Đây là công nghệ cốt lõi sẽ cho phép nền kinh tế thực sự sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo không liên tục và nguồn điện dự phòng sau khi lưới điện bị gián đoạn.

Vào tháng 7/2021, Bộ Năng lượng Mỹ (DoE) đã phát động chương trình nhằm giảm 90% chi phí LDES vào năm 2030 như một phần của Sáng kiến ​​Earthshot Năng lượng của DoE. “Với chương trình này, chúng tôi sẽ đưa hàng trăm gigawatt năng lượng sạch vào lưới điện trong vài năm tới, sau đó có thể sử dụng năng lượng đó ở bất cứ đâu và bất cứ khi nào khi cần. Đó là lý do tại sao DoE đang tích cực làm việc hướng tới việc LTNL rẻ hơn, dài hơn để đạt được mục tiêu của Tổng thống Joe Biden đưa ra đạt 100% điện sạch vào năm 2035” - Bộ trưởng Năng lượng Jennifer Granholm tuyên bố.

Tại Việt Nam, theo trang tin EVN.com.vn: Do ảnh hưởng của dịch Covid-19, sản lượng điện thực tế năm 2020 chỉ đạt hơn 247 tỷ kWh, tăng 2,9% so với năm 2019, giảm 14,350 tỷ kWh theo kế hoạch. Thống kê của EVN cho thấy: Nếu như năm 2019 có khoảng 5.000 MW điện mặt trời nối lưới thì đến năm 2020 đã có thêm gần 8.000 MW điện mặt trời nối lưới và khoảng 7.000 - 8.000 MW điện mặt trời mái nhà và trên 600 MW điện gió được đưa vào vận hành. Theo kế hoạch, năm 2020 huy động hơn 10 tỷ kWh điện năng lượng tái tạo, nhưng thực tế đã khai thác lên đến 12 tỷ kWh.

Không giống như lưới điện liên kết ở khu vực châu Âu, hệ thống điện của Việt Nam vận hành độc lập, trong khi đó, về yếu tố kỹ thuật, cũng như đảm bảo vận hành thị trường điện cạnh tranh và các quy định khác vẫn phải duy trì nguồn điện truyền thống. Vì vậy, sự cần thiết của việc đưa hệ thống lưu trữ năng lượng (Energy storage system hay ESS) vào vận hành hệ thống điện Việt Nam là cần thiết và nếu lưu trữ được càng dài càng tốt.

Có thể nói, hệ thống lưu trữ năng lượng là một trong những mảnh ghép còn thiếu của tiến trình phát triển nguồn điện tái tạo, nhất là khi chính sách khuyến khích của Chính phủ hướng tới tính hiệu quả và cạnh tranh. Vì vậy, nên xem xét thời điểm tốt nhất để lắp đặt hệ thống ESS kết hợp hệ thống điện mặt trời và điện gió nối lưới càng sớm càng tốt.

Xét điều kiện thực tế của Việt Nam, ESS có thể không thể giải quyết được tất cả, nhưng nó lại được xem là giải pháp pháp tình thế hữu ích cho một số vấn đề nổi cộm như chống sự quá tải lưới điện gây ra bởi các nguồn điện năng lượng tái tạo; ổn định tần số, giảm yêu cầu dự phòng công suất điều tần của các tổ máy phát điện trong hệ thống và cuối cùng là điều chỉnh biểu đồ phụ tải giữa các chế độ cao điểm/thấp điểm của hệ thống.

Những công nghệ LDES sáng giá:

1/ Hệ thống lưu trữ điện bằng các khối bê tông treo:

Cuối tháng 8/2021, hãng Energy Vault, Mỹ công bố đầu tư 100 triệu USD để phát triển công nghệ lưu trữ năng lượng dựa trên trọng lực quy mô lưới điện. Hệ thống sử dụng năng lượng tái tạo dư thừa dùng nâng hạ các khối bê tông hay gạch để tạo ra năng lượng khi nhu cầu cao điểm - tất cả đều được điều khiển bởi phần mềm AI và thực hiện tự động.

Energy Vault cho biết họ có 8 dự án đang trong quá trình triển khai với tổng công suất lưu trữ năng lượng 1,2 gigawatt giờ, với kế hoạch triển khai ở Hoa Kỳ, châu Âu, Trung Đông và Úc.

Bắt đầu trong quý 4/2021, Energy Vault của Mỹ sẽ triển khai hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo mới bằng các khối bê tông treo. Nếu khả thi sẽ xuất khẩu sang các nước khác trong năm 2022. Sản phẩm của Energy Vault là các tháp lưu trữ năng lượng bằng trọng lực có tên EVx, sử dụng cần trục và những khối bê tông nặng gần 35 tấn.

Thiết kế tháp EVx không chỉ đơn giản mà còn độc đáo, bao gồm tháp cần trục 6 tay cao 122 m cùng các khối bê tông nặng gần 35 tấn. Khi năng lượng mặt trời, hoặc năng lượng gió được hút vào tháp, phần mềm trí tuệ nhân tạo AI sẽ điều khiển motor điện đưa các khối bê tông lên cao.

Khi các khối bê tông này được hạ thấp, động năng từ quá trình sẽ được biến đổi thành điện năng, hiệu suất chu trình khép kín này đạt từ 80 đến 90%, tuổi thọ hơn 35 năm. Theo EV, công nghệ nói trên có thể phù hợp cho các dự án công suất lớn, thời lượng lưu giữ ngắn. Nó là phương án rất khả thi để thay thế pin lithium - ion trong lưu trữ năng lượng mặt trời và điện gió.

2/ Hệ thống điện FlexGen:

FlexGen Power Systems (Mỹ) công bố cam kết bỏ ra 150 triệu USD để phát triển công nghệ dự trữ năng lượng FlexGen theo quy mô lưới điện, tích hợp với phần mềm quản lý năng lượng, có tên FlexGen HybridOS.

FlexGen là một công ty công nghệ lưu trữ năng lượng do cựu binh Mỹ sở hữu và điều hành, trụ sở chính tại Durham, Bắc Carolina. Công nghệ FlexGen HybridOS của FlexGen là hệ thống quản lý năng lượng, có khả năng tự động hóa việc vận chuyển lưu trữ năng lượng, tái tạo và phát điện hiệu quả cao, chi phí năng lượng thấp. Chìa khóa công nghệ là giải pháp kết nối giữa phần cứng và phần mềm để tối ưu hóa hiệu suất.

Máy phát điện trạng thái rắn FlexGen sử dụng lưu trữ năng lượng, chuyển đổi năng lượng và điều khiển để loại bỏ quá độ tải liên quan đến động cơ diesel, nhiên liệu kép, hoặc khí tự nhiên. Máy phát điện thể rắn FlexGen đã cho thấy khả năng tiết kiệm nhiên liệu từ 15 - 25% và tiết kiệm bảo trì 35 - 45%.

Ban đầu chúng được thiết kế cho quân đội Mỹ, kết quả vận hành cho thấy: Mức tiêu thụ nhiên liệu giảm ít nhất 52% và thời gian chạy máy phát điện giảm 80%. FlexGen có hơn 20 dự án lưu trữ năng lượng quy mô tiện ích, chủ yếu ở Texas, cung cấp dịch vụ chuyển tải và phụ trợ.

3/ Công nghệ pin niken-hydro:

Trung tuần tháng 9/2021, hãng EnerVenue tuyên bố liên danh cùng Schlumberger New Energy và Saudi Aramco Energy Ventures để phát triển công nghệ lưu trữ pin niken-hydro, hoạt động ở nhiệt độ cực cao và cực lạnh, rẻ hơn so với pin lithium-ion. Niken hydro cũng nặng hơn lithium-ion, khiến nó ít lý tưởng hơn cho xe điện, mặc dù có khả năng là một lựa chọn tốt để lưu trữ trên quy mô lưới điện.

Pin niken-hydro (NiH2 hoặc Ni - H2) là một nguồn năng lượng điện hóa có thể sạc lại dựa trên niken và hydro. Nó khác với pin niken-kim loại hyđrua (NiMH) bằng cách sử dụng hydro ở thể khí, được lưu trữ trong một ngăn điều áp ở áp suất lên đến 1.200 psi (82,7 bar). Pin Nickel-hydro được cấp bằng sáng chế vào ngày 25 tháng 2 năm 1971 bởi Alexandr Ilich Kloss và Boris Ioselevich Tsenter tại Hoa Kỳ.

Pin NiH2 sử dụng 26% kali hydroxit (KOH) làm chất điện phân đã cho thấy tuổi thọ sử dụng từ 15 năm trở lên ở độ sâu xả 80% (DOD). Mật độ năng lượng là 75 Wh/kg, 60 Wh/dm3, công suất cụ thể 220 W/kg. Điện áp hở mạch là 1,55 V, điện áp trung bình trong quá trình phóng điện là 1,25 V.

Mặc dù mật độ năng lượng chỉ bằng khoảng 1/3 so với pin lithium, nhưng ưu điểm đặc của pin niken-hydro là tuổi thọ cao bởi pin xử lý hơn 20.000 chu kỳ sạc với hiệu suất năng lượng 85% và 100% faradaic hiệu quả.

Pin sạc NiH2 có các đặc tính nổi trội khiến chúng trở nên hấp dẫn đối với việc lưu trữ năng lượng trong vệ tinh và các tàu thăm dò không gian hay kính viễn vọng Hubble của Cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ (NASA).

4/ Công nghệ LTNL dạng bơm nhiệt:

Cuối tháng 8/2021, hãng Malta Inc. Mỹ thông báo cho biết sẽ tham gia cùng Proman, Alfa Laval, Breakthrough Energy Ventures và Dustin Moskovitz, đồng sáng lập Facebook để ứng dụng công nghệ LTNL dạng bơm nhiệt.

Thực chất đây là công nghệ nhiệt điện (electro-thermal technology), được Malta gọi là hệ thống lưu trữ năng lượng dạng bơm nhiệt (pumped heat energy storage system), do X, Moonshot Factory (tên cũ là Google X) phát triển. Nó hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt năng, lưu trữ nhiệt trong muối nóng chảy và lạnh trong chất lỏng ướp lạnh. Sau đó, sử dụng một động cơ nhiệt, được cung cấp bởi sự chênh lệch nhiệt độ để sinh điện.

Công nghệ LTNL dạng bơm nhiệt được cho là xu hướng của tương lai. Chúng hoạt động bằng cách tích lũy điện khi cung vượt quá cầu, sau đó giải phóng nó khi điều ngược lại xảy ra. Tuy nhiên, một vấn đề với phương pháp này là nó liên quan đến lượng điện khổng lồ cần lưu trữ. Các công nghệ lưu trữ hiện tại như pin sẽ không tốt cho quy trình này, do chi phí cao cho mỗi đơn vị năng lượng.

Khi cần, nhiệt sau đó được chuyển trở lại thành điện bằng động cơ nhiệt. Những chuyển đổi năng lượng này được thực hiện với các chu trình nhiệt động lực học, cùng các nguyên tắc vật lý được sử dụng để chạy tủ lạnh, động cơ xe hơi hoặc nhà máy nhiệt điện. Điều này sẽ giúp rút ngắn thời gian cần thiết để thiết kế và xây dựng kho lưu trữ nhiệt điện được bơm, ngay cả trên quy mô lớn. Các bể chứa có thể chứa đầy các vật liệu phong phú và rẻ tiền như sỏi, muối nóng chảy hoặc nước.

Và không giống như pin, những vật liệu này không gây có tác động nguy hiểm cho môi trường. Các bể muối nóng chảy lớn đã được sử dụng thành công trong nhiều năm tại các nhà máy điện mặt trời tập trung (CSP), đây là công nghệ năng lượng tái tạo đã chứng kiến ​​sự tăng trưởng nhanh chóng trong thập kỷ qua.

Công nghệ nhiệt điện tự hào là công nghệ LTNL hiệu quả về chi phí, quy mô lưới và thời gian. Malta cho biết nó có thể lưu trữ năng lượng lên đến 200 giờ một cách hiệu quả và có thể được sử dụng để tạo ra nhiệt cho các ứng dụng nhiệt công nghiệp.

5/ Công nghệ pin sắt - không khí:

Form Energy - một công ty của Mỹ vừa được thành lập cách đây 4 năm bởi một cựu nhân viên Tesla, đã bỏ ra 240 triệu USD, cùng với hãng sản xuất thép ArcelorMittal để phát triển và ứng dụng công nghệ pin sắt không khí (iron-air battery), chuyển đổi sắt thành gỉ, sau đó gỉ trở lại thành sắt, phóng điện và sạc pin.

Nói cách khác, pin được cho là hoạt động thông qua “quá trình oxy hóa thuận nghịch của sắt”. Ở chế độ phóng điện, hàng nghìn viên sắt nhỏ tiếp xúc với không khí khiến chúng bị gỉ (tức là sắt chuyển thành oxit sắt). Khi hệ thống được sạc bằng dòng điện, oxy trong gỉ được loại bỏ và trở lại thành sắt. Pin của họ có thể lưu trữ điện trong 100 giờ với chi phí hệ thống cạnh tranh với các nhà máy điện cũ.

Hồi tháng 7/2021, Form Energy đã gây chú ý khi công bố pin thời lượng dài của mình sẽ sẵn sàng để sản xuất hàng loạt vào năm 2025 - với giá chỉ bằng một phần nhỏ của các hệ thống lưu trữ năng lượng khác. Form Energy ước tính nó sẽ tiêu tốn ít hơn 6 USD/mỗi kilowatt giờ lưu trữ, so với 50 đến 80 USD cho mỗi kWh khoáng chất niken, coban, lithium, hoặc mangan. Form Energy cuối cùng đã tiết lộ tính chất hóa học của loại pin thời lượng dài mang tính cách mạng nói trên, nó có khả năng lưu trữ năng lượng với chi phí bằng 1/10 so với lithium-ion.

“Loại pin này có thể được sử dụng liên tục trong nhiều ngày và sẽ tạo ra một lưới điện đáng tin cậy, an toàn và hoàn toàn tái tạo quanh năm, có tiềm năng thú vị để khắc phục tình trạng cung cấp năng lượng tái tạo không liên tục” - Ted Wiley - Chủ tịch, kiêm Giám đốc điều hành của Form Energy cho biết./.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

(THEO GREENBIZ-9/2021)

Link tham khảo:

1/ https://www.greenbiz.com/article/big-money-flows-long-duration-energy-storage

2/ https://www.evn.com.vn/d6/news/EVN-De-xuat-giai-phap-van-hanh-he-thong-dien-khi-co-nang-luong-tai-tao-cao-6-12-27963.aspx