Xu hướng công nghệ tích trữ các nguồn năng lượng sạch

Phần mềm duy trì nguồn điện
"Hồi sinh" những cánh tua bin gió hết thời

1. Công nghệ tích trữ năng lượng rất cần thiết để thu hẹp khoảng cách về thời gian và địa lý giữa cung và cầu năng lượng

Tính sẵn dùng của năng lượng tái tạo như: ánh sáng mặt trời, gió, thủy triều là không liên tục và không phải lúc nào cũng có thể dự đoán trước được. Tỷ trọng điện năng lượng tái tạo đang tăng lên trong lưới điện, nên việc đầu tư vào các công nghệ tích trữ để cho phép điều chỉnh nguồn cung phù hợp với nhu cầu năng lượng ngày càng trở nên quan trọng.

Công nghệ tích trữ năng lượng có thể được phân loại thành điện, (điện) hóa, nhiệt và cơ. Chúng có thể được thực hiện ở quy mô nhỏ và lớn theo cả hai cách tập trung, hoặc phân tán trong hệ thống năng lượng. Các thiết bị tích trữ năng lượng lưới điện quy mô lớn được sử dụng để cân bằng những biến động điện năng, trong khi đó các hệ thống pin phù hợp hơn cho việc cân bằng không tập trung, với dung lượng lưu trữ hạn chế, thời gian sạc và tự xả kéo dài.

2. Công nghệ tích trữ năng lượng có tiềm năng kinh tế to lớn với các cơ hội kinh doanh sâu rộng

Việc triển khai các loại pin kích cỡ lớn và tích trữ năng lượng nhiệt đã gia tăng mạnh mẽ trong thập kỷ qua. Đặc biệt, lĩnh vực pin đã đạt được sự gia tăng công nghệ lớn, được phản ánh qua sự tăng vọt số bằng sáng chế trong lĩnh vực này. Một loạt các công nghệ tích trữ năng lượng khác nhau vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu, bao gồm pin đa trị, bánh đà tốc độ cao, pin liti-sulphua và các hệ thống tích trữ năng lượng từ siêu dẫn. Khả năng phát triển kinh tế của công nghệ tích trữ năng lượng phụ thuộc vào sự phát triển hơn nữa của các công nghệ pin kích cỡ nhỏ và vừa, cũng như các công nghệ lưới điện qui mô lớn tập trung và phân tán. 

Đặc biệt, các loại pin tiên tiến có tiềm năng thay thế động cơ đốt trong ở các loại xe chở khách và hỗ trợ cho việc chuyển đổi sang các ngôi nhà, văn phòng thông minh.

Nhìn chung, công nghệ tích trữ năng lượng mới có thể làm thay đổi việc năng lượng được sử dụng ở đâu, khi nào và như thế nào.

3. Các ứng dụng quy mô nhỏ trong thiết bị điện tử tiêu dùng và điện cơ động là những yếu tố tác động nhu cầu quan trọng

Tích trữ năng lượng điện hóa vẫn chiếm ưu thế trong các công nghệ pin, bao gồm pin axit chì, các hệ thống dựa trên niken, lưu lượng ôxi hóa khử (redox flow) nhiệt độ cao và pin ion lithium (khoảng 250 watt-giờ/kg). Pin có thể sử dụng cho cả các ứng dụng ngắn hạn và trung hạn, chúng có lợi cho việc mở rộng quy mô và hiệu suất. Đa số các thiết bị điện tử tiêu dùng di động, xe chạy điện và hybrid chở khách đều được trang bị pin ion liti, loại pin này đang ngày càng có giá thành giảm và hiệu suất tăng trong những năm gần đây.

Thực tế, các loại pin đặc biệt lớn đang dẫn đầu. Ví dụ, giá bộ pin ion lithium dùng cho xe chạy điện (EV) đã giảm 40% trong giai đoạn từ năm 2009-2013, trong khi doanh số bán xe EV tăng lên 665.000 chiếc vào năm 2014.

Pin ion lithium trạng thái rắn là sự phát triển cao hơn của pin ion lithium truyền thống: chúng thay thế điện cực lỏng bằng một vật liệu rắn, có hiệu suất cao hơn và ít nguy hiểm hơn và được dự đoán sẽ khả thi về mặt thương mại trong vài năm nữa.

Để làm cho các công nghệ này linh hoạt và có sức hấp dẫn hơn, các nhà sản xuất ô tô đã bắt đầu bán các hệ thống xe kết nối với nhà (vehicle-to-home), cho phép khách hàng dùng xe để cung cấp điện cho ngôi nhà và ngược lại.

Trong tương lai, các siêu tụ điện (các tụ điện hóa công suất cao) lưu trữ động năng trong chuyển động của con lắc và nạp điện gần như không có thời gian trễ và còn cho phép xe ô tô có thể nạp điện trong thời gian dừng bình thường trong giao thông.

Ví dụ: tại nút đèn giao thông. Các hệ thống pin mới khác có thể kể đến như bộ pin kim loại - không khí hiện đang ở cấp độ nghiên cứu ban đầu. Pin kim loại - không khí sử dụng lithium hoặc kẽm (pin kẽm - không khí hoặc pin nhiên liệu) làm cực anode và oxy được lấy từ môi trường để làm catốt. Điều này làm cho pin có trọng lượng nhẹ với cực catốt có thể tái tạo dùng được lâu.

Trong thập kỷ tới, mật độ năng lượng có thể tăng lên đến mức mà các loại xe chạy bằng pin sẽ trở nên có khả năng cạnh tranh về chi phí với xe chạy bằng động cơ đốt trong.

Để cải tiến mật độ năng lượng có hai định hướng đang được chú ý: phát triển các vật liệu điện cực có điện dung cao hơn và phát triển các lại pin sử dụng hóa học điện áp cao hơn.

Có thể đến năm 2020 các sản phẩm có thể có mặt trên thị trường.

4. Các ứng dụng quy mô lớn trong tích trữ năng lượng lưới sẽ tác động đến cầu

Sự cố mất điện gây thiệt hại hàng tỷ đô la mỗi năm trên toàn thế giới. Phát điện quá mức tiếp tục là một vấn đề chính. Các hệ thống tích trữ năng lượng quy mô lớn tạo ra khả năng làm cân bằng những biến động điện năng và phân tán chúng. Trong khi các hệ thống pin đặc biệt phù hợp với các ứng dụng phân phối năng lượng quy mô nhỏ, ngắn và trung hạn, dung tích lưu trữ hạn chế và sự tự phóng điện khiến chúng không thích hợp cho việc cân bằng tải. Các hệ thống thay thế được sử dụng để tích trữ năng lượng lưới và cả tích trữ năng lượng thuỷ điện, như tích trữ thủy điện bằng bơm (PSH), tích trữ năng lượng không khí nén (CAES) và các hệ thống hydro. Các hệ thống PSH được sử dụng rộng rãi và chiếm tới 97% tích trữ năng lượng lưới trên toàn thế giới. Chúng sử dụng những thay đổi về độ cao để tích trữ điện ngoài giờ cao điểm để sử dụng sau này, giống như các nhà máy thủy điện thông thường.

Các hệ thống PSH rất phức tạp và là công nghệ lưu trữ duy nhất được áp dụng quy mô lớn tại nhiều nước. Các hệ thống hydrogen và CAES có thể được sử dụng cho các ứng dụng năng lượng dài hạn và đã được Hoa Kỳ và Đức khai thác trong nhiều thập kỷ.

Tuy nhiên, các công nghệ này đều có chi phí cao, hiệu suất tổng thấp và làm nảy sinh mối lo ngại về an toàn.

Tích trữ năng lượng từ siêu dẫn (SMES) và các siêu tụ điện phục vụ các ứng dụng lưu trữ ngắn hạn - trong khoảng vài giây hoặc vài phút - bằng cách sử dụng tĩnh điện, hoặc từ trường. Bánh đà tích trữ năng lượng quay bằng cách áp dụng một SMES mô-men quay. Các siêu tụ điện và bánh đà thường có đặc trưng mật độ công suất cao, nhưng mật độ năng lượng thấp, làm cho chúng thích hợp để cân bằng các biến động điện năng ngắn.

5. Công nghệ tích trữ năng lượng tiên tiến dự báo sẽ làm giảm phát thải khí nhà kính

Công nghệ tích trữ năng lượng được hy vọng sẽ đóng góp cho việc đạt được mục tiêu kịch bản 2°C bằng cách tạo ra khả năng linh hoạt cho hệ thống điện và giảm lượng nhiệt thất thoát. Sẽ có thêm nhiều năng lượng được khai thác từ các nguồn tái tạo nếu có thể kiểm soát sản lượng năng lượng thông qua các giải pháp lưu trữ.

Đồng thời, vì khai thác năng lượng tái tạo đang ngày càng tăng, nhu cầu về công nghệ tích trữ năng lượng cũng sẽ tăng lên. Các hệ thống lưu trữ thông minh và lưới điện thông minh cũng có thể khuyến khích sản xuất năng lượng tái tạo bằng các cơ cấu hợp tác địa phương. Các công nghệ năng lượng mặt trời, gió và pin có chi phí hiệu quả là những đơn nguyên quan trọng cho các hệ thống năng lượng phi tập trung.

Ở các nền kinh tế đang phát triển, các hệ thống lưu trữ có tiềm năng mang đến nguồn điện chắc chắn, đáng tin cậy cho các vùng xa xôi mà trước đây không thể tiếp cận.

6. Đẩy mạnh nghiên cứu, phát triển để nâng cao hiệu quả chi phí tích trữ năng lượng

Cần có những đột phá về công nghệ trong các hệ thống tích lũy nhiệt nhiệt độ cao và các công nghệ pin có thể mở rộng quy mô, cũng như trong các hệ thống lưu trữ làm tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống năng lượng và tạo điều kiện tích hợp năng lượng tái tạo.

Nghiên cứu và phát triển về các giải pháp lưu trữ cũng đang được tiến hành nhằm mục đích giảm chi phí trong công nghệ. Chi phí vốn cao cho công nghệ tích trữ vẫn là một rào cản đối với việc triển khai rộng. Khi các nguyên liệu, công nghệ và các ứng dụng triển khai để tích trữ năng lượng được tạo ra, các kỹ thuật và các giao thức mới cũng cần phát triển để xác nhận tính an toàn của chúng và đảm bảo giảm thiểu nguy cơ thất bại và tổn thất.

Ví dụ, lợi ích của pin lithium cần được đánh giá về khía cạnh tác động sức khoẻ và môi trường toàn cầu từ việc khai thác và vận chuyển lithi.

NGUỒN: NASATI/ OECD SCIENCE/TECHNOLOGY AND INNOVATION OUTLOOK