Mọi thứ bạn cần biết về Hệ thống lưu trữ năng lượng

Chi phí thấp trong công nghệ tái tạo và nhu cầu về năng lượng sạch trên thế giới ngày càng tăng, đã chứng kiến ​​thị trường cho các nguồn năng lượng từ gió, năng lượng mặt trời và thủy năng tăng trưởng theo cấp số nhân trong vài năm qua, với xu hướng được dự đoán vẫn sẽ duy trì cao. Theo Allied Market Research, thị trường năng lượng tái tạo được định giá 928 tỷ USD vào năm 2017 và dự kiến ​​sẽ đạt 1.512,3 tỷ USD vào năm 2015.

Do những hạn chế vốn có của các nguồn năng lượng tái tạo, sự tăng trưởng của công nghệ này kéo theo sự phát triển của ngành công nghiệp thứ cấp – lưu trữ năng lượng.

Tính chất không liên tục của nguồn điện được cung cấp bởi các nguồn tái tạo như gió hoặc mặt trời tạo ra nhu cầu cần thiết về hiệu suất hay việc có thể mở rộng cho các phương thức lưu trữ và cung cấp điện. Vì vậy, khi gió ngừng thổi hoặc mặt trời không chiếu sáng, các nhà cung cấp điện vẫn có thể cung cấp một dòng điện ổn định để sử dụng mà không bị gián đoạn.

Do đó, thị trường lưu trữ năng lượng toàn cầu đang phát triển nhanh chóng. Các dự báo mới nhất cho thấy ngành công nghiệp này sẽ tăng 97,8 tỷ đô la vào năm 2025.

Sneha Susan Elias, Chuyên gia phân tích lâu năm về năng lượng tại GlobalData cho biết: “Hệ thống lưu trữ pin năng lượng được coi là một giải pháp quan trọng để khắc phục các hạn chế về việc bị gián đoạn của các nguồn năng lượng tái tạo”.

“Thị trường lưu trữ pin năng lượng báo cáo mức triển khai tích lũy là 4,9 GW vào cuối năm 2018 và dự kiến ​​đạt 22,2 GW vào năm 2023 – với Mỹ chiếm 24,7% tổng công suất toàn cầu. Việc triển khai dự kiến ​​sẽ tăng lên, do một số lượng lớn các quốc gia chọn cách tích trữ để hỗ trợ chuyển đổi ngành điện của họ.”

Vậy những công nghệ chính đang được phát triển sẽ mở rộng lĩnh vực này là gì? Hãy đọc để tìm hiểu về tất cả các phương pháp hiệu quả nhất để lưu trữ điện ở quy mô lớn.

1. Pin lưu trữ

Ví dụ phổ biến nhất của hệ thống lưu trữ năng lượng là pin với quy mô lớn. Đổi mới  công nghệ của pin đã liên tục cải thiện tuổi thọ, dung lượng và độ an toàn của pin, do đó hiện nay có một số loại có thể được điều chỉnh để phù hợp với sự phát triển của hệ thống lưới điện.

Hình thức được sử dụng rộng rãi nhất là pin lithium-ion. Lần đầu tiên được đưa vào sử dụng thương mại vào năm 1991, pin lithium-ion ban đầu chỉ được phát triển cho các thiết bị điện tử tiêu dùng, nhưng đã được một số công ty phát triển làm cho các lõi pin lớn hơn để có thể được sử dụng trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng.

Tính linh động và độ an toàn mang lại lợi ích to lớn khiến những loại pin này vượt trội hơn về nhiều mặt so với các dạng pin sạc khác. Vì lý do đó, các nhà phát triển – Tiến sĩ M. Stanley Wittingham, Tiến sĩ John Goodenough và Tiến sĩ Akira Yoshino – đã được trao giải Nobel Hóa học 2019.

Mặc dù trước đây người ta cho rằng Lithium có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng, và chính Tiến sĩ Whittingham là người đầu tiên nghĩ ra cách làm này ở nhiệt độ phòng mà không có nguy cơ phát nổ, khi làm việc tại ExxonMobil.

Ông và nhóm của mình phát hiện ra rằng khi các ion lithium được giữ giữa các tấm titan sulfua, chúng có thể di chuyển qua lại giữa các tiếp điểm âm và dương tạo ra điện.

Làm việc với Tiến sĩ Goodenough tại Đại học Texas ở Austin vào năm 1980, hai nhà khoa học đã có thể cải tiến việc này bằng cách kết hợp một oxit coban lithium, ngăn chặn việc pin bị quá nhiệt của lithium trong quá trình sạc lại – một điều đáng tiếc là việc này sẽ gây ra đoản mạch bên trong pin.

Cuối cùng, Tiến sĩ Yoshino đã thực hiện nghiên cứu của hai nhà khoa học và kết hợp graphite thay vì lithium kim loại làm điện cực âm – cải thiện tuổi thọ của pin và lần đầu tiên chúng có khả năng thương mại hóa.

1.1. Những phát triển gần đây trong công nghệ pin lithium-ion

Tuy nhiên, đây không phải là kết thúc của sự phát triển pin lithium-ion. Mặc dù ban đầu chúng chỉ được phát triển cho thiết bị điện tử tiêu dùng và phổ biến trong các thiết bị có thể sạc lại như điện thoại di động và máy tính xách tay. Các công ty vẫn tiếp tục phát triển các lõi pin có kích thước lớn hơn, có thể được sử dụng cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng lớn.

Tính linh hoạt của công nghệ đã làm cho chúng trở nên cần thiết trong ngành công nghiệp xe điện, nơi chúng có thể được điều chỉnh lại thành pin công suất cao với kích thước nhỏ để đệm nguồn hybrid, thành pin công suất trung bình có thể cung cấp cả năng lượng điện và hỗ trợ điện bên trong xe hybrid. Và pin công suất cao ngày càng hữu hiệu trong các phương tiện chỉ chạy bằng điện.

Và trong vài năm gần đây, họ đã bắt đầu hình thành các cơ sở phát triển lưu trữ điện quy mô lớn; trong đó, lớn nhất được Tesla xây dựng để vận hành cùng với trang trại gió Hornsdale ở Úc.

Sự phát triển trị giá 90 triệu đô la đã được thiết lập vào tháng 12 năm 2017 và được xây dựng chỉ trong 100 ngày. Nó cung cấp lượng điện dự trữ lúc khẩn cấp tương đương 100 megawatt cho tới 30.000 ngôi nhà. Theo đối tác phát triển Neoen, cơ sở này đã tiết kiệm cho người tiêu dùng 40 triệu đô la trong năm đầu tiên.

Có rất nhiều lợi ích đối với pin lithium-ion, đó là lý do tại sao một nghiên cứu vào năm 2016, người ta thấy rằng công nghệ này chiếm 95% các hệ thống được triển khai trên thị trường pin. Tuy nhiên, có những mặt trái đang thúc đẩy nhu cầu về các dạng pin khác.

1.2. Nhược điểm của pin lithium-ion

Vì bản thân pin không được thiết kế để sử dụng trong công nghiệp, nên việc phát triển chúng trên quy mô lớn sẽ phải trả một chi phí đáng kể. Và trong khi chúng cực kỳ hiệu quả cho thời lượng lưu trữ từ 30 phút đến 3 giờ, thì chúng kém hiệu quả hơn khi cần lưu trữ lâu hơn.

Chúng có thể có vấn đề về độ bền, với pin có thể phát nổ nếu bị hư hại. Theo thời gian, chúng cũng sẽ bị xuống cấp và cần được thay mới. Bản thân Lithium là một khoáng chất tương đối hiếm và được khai thác với chi phí ngày càng cao, cộng với một số vấn đề về lâu dài khi xử lý pin cũ.

2. Pin thay thế

Vì những lý do này, đã có sự thúc đẩy ngày càng tăng trong việc phát triển các loại pin thay thế, cùng với sự gia tăng ở các dạng khác trong phát triển quy mô lưới điện trong vài năm qua.

2.1. Pin hữu cơ dòng oxy hóa khử

Pin hữu cơ dòng oxy hóa khử là một loại thiết bị lưu trữ năng lượng điện hóa khác, được NASA nghiên cứu cho chương trình vũ trụ vào những năm 1970. Tên “oxy hóa khử” đề cập đến phản ứng khử và oxy hóa của hóa học xảy ra trong dung dịch điện phân lỏng chảy qua các lõi pin điện hóa trong quá trình sạc và xả, lưu trữ năng lượng.

Pin hữu cơ dòng oxy hóa khử cực kỳ phù hợp, với công suất (kW) dựa trên kích thước của ngăn xếp điện, trong khi công suất năng lượng (kWh) là một yếu tố độc lập dựa trên kích thước bể chứa và khối lượng chất điện phân trong bể. Điều này có nghĩa là về lý thuyết, bất kỳ sự kết hợp nào của năng lượng và công suất đều có thể được cấu thành.

Pin lỏng có thể có vòng đời cực kỳ dài – kéo dài hàng chục nghìn chu kỳ sạc mà không bị suy giảm chất lượng. Vì vậy, mặc dù chúng có thể đắt hơn trong việc chế tạo so với lithium-ion, nhưng các lõi pin của chúng có thể không cần phải thay thế thường xuyên.

Tuy nhiên, chúng có tỷ trọng năng lượng thấp hơn so với dung dịch lithium tương đương; do đó, để tạo ra cùng một mức năng lượng cần một kích thước lớn hơn nhiều. Điều này có nghĩa là chúng không tối ưu cho phương tiện chạy bằng điện – khi mà tỷ trọng công suất thấp sẽ làm cho phạm vi lái xe ngắn (mặc dù chúng có thể được sạc rất nhanh, vì vậy có thể hữu ích cho xe hybrid). Nhưng vẫn có thể phù hợp với trang trại gió trên bờ hoặc trang trại năng lượng mặt trời ở những nơi như thế này sẽ gặp ít gặp vấn đề hơn

2.2. Pin hỗn hợp kẽm

Một công nghệ pin khác thu được nhiều sức hút hơn là hỗn hợp kẽm. Loại pin đầu tiên có thể sạc lại được sử dụng vào năm 1996, để cung cấp năng lượng cho các xe buýt cỡ vừa và nhỏ ở Singapore. Những loại pin này sử dụng một cực dương có chứa các lỗ nhỏ li ti được làm từ rất nhiều hạt kẽm, sau đó được bão hòa với chất điện phân trong quá trình phóng điện.

Các ion hydroxyl được tạo thành ở cực âm bằng phản ứng oxy di chuyển về phía cực dương để tạo thành zincate, giải phóng các electron di chuyển đến cực âm. Điều này là tối ưu để xả năng lượng trong 4 giờ, tương tự như pin lỏng.

Mặc dù pin có hiệu suất thấp hơn lithium (khoảng 65% – 70%) và tuổi thọ tương tự đòi hỏi phải thay thế lõi pin, kẽm là chất liệu dễ kiếm hơn và rẻ hơn lithium. Việc tìm nguồn và xử lý cũng dễ dàng hơn về mặt nguyên tắc và môi trường.

Hệ thống pin hỗn hợp kẽm có thể sạc lại là một công nghệ tương đối mới để lưu trữ trên quy mô lưới điện. Vào tháng 6 năm 2019, Bryt Energy và Eos Energy Storage có trụ sở tại Birmingham đã công bố kế hoạch bắt đầu thử nghiệm hệ thống pin hỗn hợp kẽm đầu tiên của EU, và kế hoạch sẽ triển khai hệ thống này ở Anh.

Các công ty khác cũng đang phát triển các giải pháp lưu trữ năng lượng lớn hơn bằng cách sử dụng pin hỗn hợp kẽm để tận dụng các lợi ích về chi phí. Với công nghệ đang ở giai đoạn sớm hơn trong quá trình thương mại hóa, chi phí sẽ giảm hơn so với các giải pháp khác.

Mỗi công nghệ pin đều có những lợi ích và thách thức riêng, đặc biệt là khi mở rộng quy mô hoạt động trên lưới điện. Mặc dù lithium-ion vẫn là giải pháp phổ biến nhất, khi quá trình phát triển và thử nghiệm các công nghệ này và các công nghệ pin khác vẫn tiếp tục, có thể có những lựa chọn hiệu quả hơn, an toàn và tiết kiệm chi phí hơn sẽ là tương lai của việc lưu trữ năng lượng pin.

3. Lưu trữ năng lượng nhiệt

Tích trữ năng lượng nhiệt chuyển đổi năng lượng nhiệt năng có thể được tái sử dụng sau này. Quá trình cơ bản mà nó trải qua tương đối đơn giản so với các quá trình hóa học phức tạp để chế tạo pin, nhưng các giải pháp ở quy mô lớn có thể đòi hỏi các dự án xây dựng khổng lồ.

Có ba hình thức chính của hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt:

3.1. Lưu trữ nhiệt cảm biến

Lưu trữ nhiệt hợp lý là hình thức lưu trữ năng lượng nhiệt được sử dụng phổ biến nhất và cách thực hiện (tương đối) đơn giản nhất. Hệ thống nhiệt cảm biến sử dụng năng lượng để làm nóng hoặc làm mát các chất rắn hoặc lỏng như nước, muối, cát hoặc đá.

Ví dụ trong các hệ thống năng lượng mặt trời, năng lượng mặt trời được sử dụng để làm nóng nước hoặc muối trong một thùng chứa cách nhiệt. Nước nóng hoặc muối nóng sau đó có thể được giữ trong vài giờ cho đến khi cần thiết, khi nó được sử dụng để tạo ra hơi nước và dẫn động tuabin, biến năng lượng đó thành điện năng.

Một trong những ví dụ lớn nhất thế giới về điều này là Dự án Năng lượng Mặt trời Crescent Dunes, có trụ sở tại Nevada. Nó bao gồm 10.000 tấm gương có kích thước như bảng quảng cáo phản chiếu ánh sáng mặt trời vào một bình chứa trung tâm trên đỉnh của một tòa tháp cao 640 foot.

Ánh sáng mặt trời này làm nóng chảy muối trực tiếp, đến nhiệt độ 1050F, tại thời điểm đó nó được chuyển sang một bể chứa đang nóng. Sau đó dần dần được đưa vào máy tạo hơi nước. Vào tháng 7 năm 2016, các nhà điều hành đã vận hành nhà máy trong khoảng thời gian 120 giờ liên tục; trong thời gian đó, nhà máy đã phát điện mặt trời lên lưới điện 24 giờ.

3.2. Lưu trữ nhiệt ngầm

Hình thức lưu trữ nhiệt năng tiếp theo là tích trữ nhiệt ngầm. Phương pháp này ít được sử dụng hơn, dựa vào việc thay đổi trạng thái của vật liệu lưu trữ – ví dụ từ rắn sang lỏng. Điều này có thể được sử dụng trong các ứng dụng như công nghệ điều hòa không khí hoặc tủ lạnh đóng băng nước vào ban đêm, sau đó cho phép băng tan từ từ và làm mát một tòa nhà vào ban ngày, cân bằng nhu cầu năng lượng cao.

Mặc dù lưu trữ nhiệt ngầm là một cách tiếp cận tốn kém hơn, nhưng nó tạo ra tỷ trọng năng lượng lớn hơn 3 lần so với lưu trữ nhiệt cảm biến, có nghĩa là thiết kế phù hợp trong hệ thống lưới điện có thể chứng tỏ được lợi ích.

3.3. Lưu trữ nhiệt hóa

Hình thức lưu trữ nhiệt năng cuối cùng là lưu trữ nhiệt hóa, sử dụng các phản ứng hóa học để lưu trữ năng lượng. Phương pháp này được coi là hiệu quả nhất với các phản ứng nhiệt hóa cho khả năng lưu trữ cao nhất.

Các hóa chất được sử dụng bao gồm silica gel / nước, magie sunfat / nước, lithi bromua / nước, clorua liti / nước và NaOH / nước. Quá trình này bao gồm việc sử dụng nhiệt để làm bay hơi nước và tạo ra phản ứng thu nhiệt. Khi nước được thêm vào một lần nữa, nó sẽ tạo ra một phản ứng tỏa nhiệt, tạo ra nhiệt có thể được sử dụng để tạo ra điện.

Vì các hóa chất muối được hình thành bởi phản ứng ban đầu có thể được lưu giữ trong thời gian dài hàng tháng hoặc thậm chí hàng năm, nên cách tiếp cận này có thể có lợi cho việc lưu trữ năng lượng theo mùa. Ví dụ như sử dụng năng lượng mặt trời từ mùa hè để tạo ra nhiệt vào mùa đông.

Tuy nhiên, thiết bị và vật liệu cần thiết cho bất kỳ lò phản ứng hóa nhiệt nào đều đắt hơn đáng kể so với các giải pháp khác. Ngoài ra còn có một vấn đề với việc niêm phong tem các hóa chất.

Hiện tại hầu hết các hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt đều sử dụng quy trình nhiệt cảm biến, mặc dù hoạt động nghiên cứu và phát triển đang được đưa vào lưu trữ nhiệt ngầm và nhiệt hóa, điều này có thể dẫn đến việc sử dụng nhiều hơn trong tương lai.

4. Lưu trữ năng lượng cơ học

Hệ thống lưu trữ năng lượng cơ học sử dụng động năng hoặc lực hấp dẫn để lưu trữ năng lượng. Vì máy phát điện sử dụng chuyển động của tuabin để tạo ra điện, nên các hệ thống này sẽ khai thác lực nước để điều khiển tuabin đó về sau.

Giống như lưu trữ năng lượng nhiệt, nó dựa trên một lý thuyết tương đối đơn giản, nhưng tạo ra một số kết quả phức tạp và giàu trí tưởng tượng. Ở dạng đơn giản nhất, nó có thể có hình dạng của một quả cân và ròng rọc, với năng lượng cần thiết để nâng quả cân được lưu trữ dưới dạng thế năng hấp dẫn cho đến khi nó được thả ra một lần nữa. Nhưng cần có nhiều ý tưởng hơn để lưu trữ năng lượng quy mô lưới.

Thủy điện tích trữ có bơm là một hình thức chính đã được sử dụng từ những năm 1980. Trạm lưu trữ được bơm lớn nhất hiện nay là quận Bath ở Virginia. Giống như tất cả các đập thủy điện, nó sử dụng lực của dòng nước chảy xiết để làm quay tuabin và tạo ra điện năng, với việc đập này kiểm soát dòng chảy của nước để tối ưu hóa việc phát điện.

Điều này khác với các đập thủy điện tiêu chuẩn ở chỗ nó “tích trữ” năng lượng bằng cách sử dụng năng lượng trong thời gian nhu cầu thấp để bơm nước từ hồ chứa phía dưới lên hồ chứa phía trên. Khi nhu cầu cao hơn, nước này sau đó lại được xả ra ngoài qua tuabin.

Một mô hình khác sử dụng lực hấp dẫn để lưu trữ năng lượng là một thiết kế của công ty Energy Vault ở Thụy Sĩ, gần đây đã nhận được khoản đầu tư lớn 110 triệu đô la từ công ty mẹ Softbank của Nhật Bản. Mô hình của họ là một tòa tháp bằng các khối bê tông có thể được nâng lên bằng một loạt các cần cẩu.

Công ty dự định sử dụng các khối bê tông này cùng với các trang trại gió, với nguồn điện dư thừa từ các tuabin gió được sử dụng để vận hành các cần trục. Khi nhu cầu cao hơn, các khối bê tông được hạ xuống trở lại mặt đất. Động năng được tạo ra khi chúng rơi xuống sẽ tạo ra điện năng, giải phóng năng lượng tích trữ. Theo các nhà thiết kế, các khối này có hiệu suất năng lượng khoảng 90%.

5. Lưu trữ hydro (điện thành khí)

Năng lượng có thể được lưu trữ thông qua quá trình điện phân nước, phân tách các phân tử hydro và oxy. Sau đó, hydro có thể được lưu trữ và sử dụng để tạo ra điện theo cách tương tự như nhiên liệu hóa thạch nhưng không tạo ra bất kỳ khí thải nào. Nó cũng được sử dụng hiệu quả trong các lõi pin nhiên liệu cho lĩnh vực ô tô.

Khi được sử dụng ở quy mô nhỏ, hydro có thể được lưu trữ trong các bình nén. Nhưng đối với các dự án quy mô lớn, nó được lưu trữ trong các hang muối dưới mặt đất lên đến 500.000 mét khối ở áp suất 2.900 psi. Một cái hang ở kích thước và áp suất này sẽ cung cấp công suất khoảng 100 GWh điện tích trữ.

Theo một báo cáo nghiên cứu thị trường được MarketsandMarkets công bố vào tháng 10 năm 2019, thị trường lưu trữ năng lượng hydro toàn cầu hiện là 13,7 tỷ đô la và dự kiến ​​đạt 18,2 tỷ đô la vào năm 2024.

Sử dụng điều này cho các dự án quy mô lưới điện là một phát triển tương đối mới. Các dự án quy mô lớn bao gồm Energiepark Mainz của Đức – dự án điện phân và lưu trữ 6MW – và Cơ sở lưu trữ năng lượng Markham của Hoa Kỳ – cơ sở 2,5MW ở Ontario đã được thiết kế và xây dựng trên nền tảng có thể mở rộng 5MW.

Hiệu suất là một vấn đề đối với hệ thống cấp điện, với bảng thống kê hiệu suất trung bình dưới 50% vào năm 2013. Tuy nhiên, nghiên cứu mới đã đề xuất cách cải thiện điều này, với một nghiên cứu năm 2019 cho thấy rằng có thể khả thi lên đến 80% bằng cách sử dụng điều áp có thể đảo ngược chu trình của lõi pin nhiên liệu oxit rắn.

Khi năng lượng tái tạo ngày càng phổ biến, thì nhu cầu lưu trữ năng lượng hiệu quả có thể mở rộng, tiết kiệm chi phí cũng tăng theo. Tuy nhiên, nó vẫn là một thách thức lớn để tìm ra một giải pháp tối ưu phù hợp với mọi tình huống. Có khả năng sẽ tiếp tục phát triển hơn nữa đối với từng phương pháp lưu trữ năng lượng, cùng với nhiều cơ sở phát triển khác nhau cùng với các dự án năng lượng tái tạo trên khắp thế giới.