Lưu trữ năng lượng bằng ‘không khí hóa lỏng’ - Tiềm năng và triển vọng công nghệ

Giải pháp chính sách, công nghệ phát triển lưu trữ năng lượng và điện mặt trời khu công nghiệp tại Việt Nam Diễn đàn Năng lượng sạch Việt Nam lần thứ 5 do Cục Điện lực - Bộ Công Thương và Hiệp hội Năng lượng Việt Nam (VEA) chủ trì; Tạp chí Năng lượng Việt Nam và Trung tâm Thông tin Năng lượng Việt Nam phối hợp tổ chức thực hiện thành công tại TP. Hồ Chí Minh. Sự kiện thu hút gần 250 đại biểu đến từ các cơ quan quản lý, doanh nghiệp, viện nghiên cứu, tổ chức quốc tế và chuyên gia trong lĩnh vực năng lượng... Diễn đàn đã trao đổi, cập nhật xu hướng, chia sẻ kinh nghiệm với chủ đề “Giải pháp chính sách, công nghệ phát triển hệ thống lưu trữ năng lượng và điện mặt trời khu công nghiệp tại Việt Nam”.

Không khí hóa lỏng là gì?

Theo Bách khoa thư mở (WPO): Không khí hóa lỏng (Liquid air - LA) - là không khí đã được làm lạnh đến nhiệt độ rất thấp (nhiệt độ lạnh đông), do đó nó ngưng tụ thành chất lỏng di động màu xanh nhạt. LA được lưu trữ trong các bình chứa chuyên dụng, như bình chịu áp suất, để cách nhiệt với nhiệt độ phòng. Không khí lỏng có thể hấp thụ nhiệt nhanh chóng để trở lại trạng thái khí. Nó thường được sử dụng để ngưng tụ các chất khác thành chất lỏng, hoặc đông đặc và là nguồn sản xuất nitơ, oxy, argon, cũng như các khí trơ khác trong công nghiệp thông qua một quá trình gọi là “tách khí” (trong công nghiệp gọi là “tinh chế không khí”), nên có nơi quen gọi là “khí công nghiệp”.

Quy trình phổ biến nhất để điều chế không khí lỏng là chu trình Hampson-Linde hai cột sử dụng hiệu ứng Joule-Thomson. Không khí được đưa vào cột dưới ở áp suất cao (>75 atm). Tại đây không khí được tách thành nitơ thuần khiết và chất lỏng giàu oxy. Chất lỏng giàu nitơ và một phần nitơ được đưa vào cột trên dưới dạng hồi lưu, hoạt động ở áp suất thấp (<25 atm). Tại đây diễn ra quá trình phân ly cuối thành nitơ và oxy tinh khiết. Sản phẩm argon thô có thể được loại bỏ khỏi giữa cột trên để tinh chế thêm. Không khí cũng có thể được hóa lỏng bằng quy trình Claude, kết hợp làm mát bằng hiệu ứng Joule-Thomson, giãn nở đẳng entropy và làm mát tái sinh.

Trong các quy trình sản xuất, sản phẩm không khí lỏng thường được phân đoạn thành các khí thành phần ở dạng lỏng. hoặc dạng khí. Vì oxy đặc biệt hữu ích cho hàn và cắt bằng khí nhiên liệu và cho mục đích y tế. Argon hữu ích như một khí bảo vệ loại trừ oxy trong hàn hồ quang khí vonfram.

Từ năm 1899 đến năm 1902, ô tô sử dụng không khí hóa lỏng đã được sản xuất và trình diễn bởi một công ty liên doanh Mỹ - Anh, với tuyên bố: Có thể chế tạo một chiếc ô tô chạy được 160 km bằng không khí hóa lỏng.

Triển vọng không khí hóa lỏng cho mục tiêu lưu trữ năng lượng:

Tháng 10 năm 2012, Viện Kỹ sư Cơ khí Anh cho hay: Khí hóa lỏng có thể được sử dụng làm phương tiện lưu trữ năng lượng. Điều này dựa trên công nghệ được phát triển bởi Peter Dearman - một nhà phát minh trong gara ở Hertfordshire (Anh) để cung cấp năng lượng cho phương tiện giao thông.

Lưu trữ năng lượng đã trở thành nền tảng của bối cảnh năng lượng trong tương lai, đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định lưới điện bằng cách cân bằng tính không liên tục của các nguồn năng lượng tái tạo đang phát triển nhanh chóng trên toàn thế giới. Mặc dù thủy điện tích năng (PSH) và pin vẫn là những công nghệ phổ biến và lâu đời nhất, nhưng một loạt các giải pháp thay thế đang ra đời, cạnh tranh để tìm kiếm những thị trường ngách mà việc triển khai chúng bị hạn chế bởi địa lý, hoặc hạ tầng. Trong số này có công nghệ Lưu trữ năng lượng bằng không khí hóa lỏng (LAES) đang được chú ý nhờ tính linh hoạt về mặt địa lý và tiềm năng dài hạn.

Là giải pháp lưu trữ năng lượng lâu dài, bền vững (LDES- Long-lasting, long-duration energy storage) và khả năng mở rộng mà không gây ô nhiễm, hay hạn chế về địa lý. LAES lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1977, nhưng đã bị gác lại do những thách thức về kỹ thuật và tài chính. Theo GlobalData: Tính đến năm 2024, LAES chỉ chiếm chưa đến 1% các dự án lưu trữ năng lượng nhiệt tương lai.

Tuy nhiên, sự quan tâm đến công nghệ này đang trở nên sôi động, vì mối lo an ninh năng lượng được quan tâm. LAES liên quan đến việc chuyển đổi điện thành không khí hóa lỏng - làm sạch, làm mát và nén khí để dùng cho mục đích lưu trữ dùng sau này. Để giải phóng năng lượng, không khí được làm nóng và giãn nở trở lại, dẫn động các tua bin được kết nối với máy phát để sản xuất điện.

Mặc dù nhiều đặc tính của LAES tương tự như lưu trữ khí nén, vừa sử dụng không khí làm môi trường lưu trữ chính, lại vừa là chu trình nhiệt để giải phóng năng lượng, LAES ít bị hạn chế về mặt xây dựng hơn, mật độ năng lượng cao hơn và hiệu suất tổng thể lại tương đương.

Công nghệ mới này cũng mang lại lợi thế cạnh tranh so với các hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) và PSH phổ biến hơn. LAES khắc phục được những hạn chế về mặt địa lý của thủy điện tích năng, đồng thời không đòi hỏi phải gần lưới điện truyền thống như BESS.

Nhiều nghiên cứu cũng cho thấy: LAES có thể tiết kiệm chi phí hơn so với pin lithium-ion và PSH cho việc lưu trữ lâu dài. Đồng thời, với khả năng sạc/xả lớn, LAES gián tiếp cạnh tranh với các hình thức phát điện phản ứng nhanh khác (chủ yếu là tua bin khí chu trình hỗn hợp).

Lưu trữ khí hóa lỏng được hưởng lợi từ các hệ thống cũ của các ngành khác. Do công nghệ hóa lỏng không khí đã là một phần của ngành công nghiệp hóa chất trong nhiều thập kỷ, LAES có thể sử dụng các linh kiện sẵn có của ngành, giúp giảm chi phí cơ sở hạ tầng và bảo trì, cũng như thời gian xây dựng.

Highview Power (HP) - Công ty tiên phong trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng dài hạn, chuyên năng lượng không khí hóa lỏng, hiện đang dùng LAES cho lưu trữ năng lượng tái tạo dư thừa bằng cách làm lạnh không khí thành chất lỏng và sau đó chuyển đổi trở lại thành điện năng khi có nhu cầu từ lưới điện. Theo giám đốc phát triển kinh doanh Mark Vyvyan-Robinson của HP: LAES lấy các linh kiện rất hoàn thiện từ chuỗi cung ứng dầu khí hiện có; tất cả những gì HP đang làm là cấu hình chúng theo một cách đặc biệt.

Hạn chế của LAES:

Mặc dù có tiềm năng, việc triển khai các dự án LAES vẫn còn nhiều thách thức. Hiệu quả năng lượng là một trong những rào cản chính. Vào tháng 2 năm 2025, một đánh giá về các nghiên cứu về hiệu quả của LAES cho thấy: Hệ thống LAES truyền thống đang phải đối mặt với những thách thức đáng kể trong các ứng dụng công nghiệp do hiệu suất khứ hồi thấp và lợi ích kinh tế chưa đạt yêu cầu.

Nghiên cứu này đặt hiệu suất cho toàn bộ chu kỳ nạp và xả của hệ thống lưu trữ khí hóa lỏng ở mức 20%-50%. HP bác bỏ điều đó và đưa ra ước tính hiệu suất khứ hồi 50%-60% cho một hệ thống độc lập. Dù sao thì LAES vẫn tụt hậu so với PSH (65%-85%) và pin (80%-95%) về hiệu suất.

Tuy nhiên, theo nghiên cứu cho thấy: Khi kết hợp với các nguồn nhiệt và làm mát bên ngoài, chẳng hạn như tua bin khí tự nhiên, hiệu suất của LAES có thể cải thiện lên 50%-90%. PH đã chỉ ra rằng: Những tích hợp như vậy cần được đánh giá theo từng trường hợp cụ thể, như dự án sắp tới của HP với Sumitomo Heavy Industries trong việc tích hợp hệ thống LAES với một nhà máy điện khí LNG tại Nhật Bản, sử dụng nguồn khí lạnh để tăng hiệu suất nhà máy.

Bên cạnh hiệu quả năng lượng, hiệu quả chi phí cũng là một mối quan tâm của LAES. Một bài báo gần đây cho thấy: LAES kết hợp với các tua bin khí tự nhiên chỉ là công nghệ lưu trữ năng lượng có tính cạnh tranh về chi phí nhất khi giá khí tự nhiên nằm trong khoảng từ 8,3 Euro/gigajoule (GJ) đến 9,1 Euro/GJ (1 GJ = 0,948 MMBTU). Dưới mức giá này, sản xuất và lưu trữ khí tự nhiên tỏ ra cạnh tranh hơn về chi phí, trong khi lưu trữ bằng pin lại tốt hơn với giá cao hơn.

Bài báo cũng nhận thấy: LAES không có sự hỗ trợ của khí đốt “không chứng minh được tính khả thi về mặt kinh tế ở bất kỳ địa điểm nào, đòi hỏi giá CO₂ trên 300 Euro/tấn mới có thể cạnh tranh với việc sử dụng sự hỗ trợ của khí đốt”.

Một nghiên cứu của Viện Công nghệ Massachusetts Hoa Kỳ (MIT) và Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy đánh giá việc sử dụng hệ thống LAES cho thị trường Hoa Kỳ đã phát hiện thấy trợ cấp cho các công trình lắp đặt mới có thể giúp LAES khả thi hơn về mặt kinh tế.

Vị thế của không khí hóa lỏng trong tương lai:

Nghiên cứu của MIT còn cho thấy: “Chi phí lưu trữ một lượng điện nhất định bằng LAES sẽ thấp hơn so với các hệ thống truyền thống, như thủy điện tích năng hay pin lithium-ion”. Tuy nhiên, khi xem xét tất cả các yếu tố, nghiên cứu kết luận rằng: Tính khả thi về mặt kinh tế của LAES tại Hoa Kỳ “chỉ đạt được trong kịch bản khử carbon quyết liệt nhất, thực tế nhất”.

Tuy nhiên, mặc dù điều này có thể đúng trong mô hình tại Hoa Kỳ, HP tin rằng: Tiềm năng của công nghệ này ở các thị trường khác rất lớn. Bên cạnh các dự án tại Anh và Nhật Bản, HP đã bắt đầu phát triển tại Úc - nơi rất coi trọng an ninh năng lượng và khử carbon.

Ví dụ tại Anh đang nỗ lực chuyển đổi từ các mỏ than nội địa sang điện gió ngoài khơi, nên việc lưu trữ bằng không khí hóa lỏng có thể giúp quốc gia này giải quyết những thách thức, hạn chế về truyền tải điện lưới.

Ngoài việc mang lại sự ổn định cho lưới điện, HP còn lưu ý thêm: “LAES có thể tồn tại tới 50 năm với chế độ bảo trì phù hợp, trong khi pin lại xuống cấp nhanh trong thời gian này”. Mặc dù LAES có thể chưa tối ưu ở một số khía cạnh so với các công nghệ lưu trữ khác, nhưng nó có thể “đủ tốt” để trở thành một giải pháp khử carbon khả thi. “Pin rất tốt cho chu trình năng lượng nhanh và các giải pháp khác cũng mang lại những lợi ích riêng, nhưng LAES lại mang đến một giải pháp hoàn toàn khác biệt”.

Cũng theo nghiên cứu của MIT: Khi hiểu biết và thiết kế được cải thiện, các rào cản đối với việc phát triển LAES sẽ dần biến mất, tạo điều kiện cho không khí hóa lỏng vươn lên tầm cao mới. Để điều này trở thành hiện thực, hỗ trợ tài chính sẽ rất quan trọng vì việc giải quyết chi phí xây dựng ban đầu sẽ là yếu tố quyết định.

Tại Manchester, Anh, HP đang vận hành nhà máy LAES công nghiệp quy mô thương mại đầu tiên trên thế giới. Nhà máy đang hoạt động có công suất sạc/xả 50 MW và dung lượng 300 MWh, nhưng 4 cơ sở mới được HP xây dựng dự kiến ​​sẽ có công suất lưu trữ lớn hơn, mỗi cơ sở sẽ có dung lượng lưu trữ 2,5 GWh. Con số này sẽ chiếm hơn 10% tổng dung lượng lưu trữ điện không dùng pin của cả nước Anh, nên công nghệ LAES sẽ trở thành giải pháp lưu trữ không dùng pin hiệu quả so với bất kỳ nơi nào khác trên thế giới./.

BBT TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Link tham khảo:

https://power.nridigital.com/future_power_technology_aug25/explainer-does-liquid-air-energy-storage-hold-promise