Chi phí năng lượng tái tạo giảm, chuyển hướng sang lưu trữ

Trở ngại lớn của năng lượng tái tạo đó là “mặt trời không phải lúc nào cũng chiếu sáng và gió không phải lúc nào cũng thổi”. Tuy nhiên, đó cũng là động lực lớn để các nhà nghiên cứu tìm ra giải pháp tốt nhất để lưu trữ năng lượng và sử dụng khi cần thiết.

• Doanh nhân Phạm Nam Phong, CEO Vũ Phong Solar: Luôn đặt mình vào vị trí khách hàng
• 2021 – Năm hành động vì năng lượng

Chi phí giảm trong các công nghệ hiện tại đã thúc đẩy sự quan tâm hơn mạnh mẽ đến việc lưu trữ năng lượng. Giá pin lithium-ion đã giảm khoảng 80% trong 5 năm qua, tạo tiền đề cho việc tích hợp hệ thống lưu trữ vào hệ thống năng lượng mặt trời. Ngày nay, gần 18% tổng số điện được sản xuất tại Hoa Kỳ đến từ các nguồn năng lượng tái tạo – ví dụ như thủy điện và điện gió, và con số được dự báo là sẽ không ngừng tăng lên. Thêm vào đó là các chính sách của chính phủ nhằm làm tăng tỷ lệ cao từ năng lượng tái tạo, do đó việc lưu trữ sẽ đóng một vai trò quan trọng trong tương lai.

Trong quý 3/2019, Hoa Kỳ đã chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ của hệ thống lưu trữ – lên đến 93% so với cùng kỳ năm trước. Theo dự báo của công ty nghiên cứu thị trường Wood Mackenzie Power & Renewables, con số dự kiến sẽ là 5,4 Gigawatt vào năm 2024. Giá trị thị trường của hệ thống lưu trữu được dự báo sẽ tăng từ 720 triệu đô la hiện nay lên 5,1 tỷ đô la vào năm 2024. Sự tăng trưởng trên có được là do việc gia tăng các nguồn năng lượng tái tạo bổ sung vào mạng lưới điện của quốc gia.

• Giải pháp lưu trữ năng lượng (ESS) và ứng dụng tại Việt Nam
• Một số công nghệ lưu trữ năng lượng đang được sử dụng phổ biến
• Xu hướng sử dụng năng lượng tái tạo tại các công ty toàn cầu

Paul Denholm (nhà phân tích năng lượng tại NREL) cho biết: chỉ trong thập kỷ vừa qua, việc áp dụng rộng rãi các nguồn năng lượng tái tạo đã cho thấy được lợi ích về mặt kinh tế. Ông đã tham gia NREL 15 năm trước, vào thời điểm đó ông và các đồng sự đã vạch ra con đường để có thể đạt được 20% nguồn cung cấp năng lượng của quốc gia đến từ các nguồn năng lượng tái tạo. Hiện nay, họ đang nhắm mục tiêu cao hơn nhiều.

“Chi phí giảm mạnh của điện gió, điện mặt trời trong những năm gần đây và bây giờ là pin lưu trữ, chúng ta có thể tin tưởng vào khả năng 100% năng lượng tái tạo trong tương lai không xa“, ông cho hay.

Theo một nghiên cứu của NREL về tương lai năng lượng tái tạo, ước tính thị trường cần có 120 Gigawatt lưu trữ trên toàn lãnh thổ Hoa Kỳ vào năm 2050, chúng ta có thể hình dung ra một tương lai mà ở đó 80% điện sẽ đến từ các nguồn năng lượng tái tạo. Hoa Kỳ hiện có 22 gigawatt lưu trữ từ hệ thống thủy điện sử dụng bơm để lưu trữ (pumped hydropower) và một số gigawatt khác từ pin lưu trữ.

Triển khai hệ thống lưu trữ năng lượng ở Hawaii là điều cấp thiết

Hawaii là nơi phải nhập khẩu tất cả các nhiên liệu hóa thạch, do đó họ phải trả chi phí cao cho điện năng. Họ đang tiến hành thử nghiệm sử dụng bộ pin lưu trữ để đáp ứng các nhu cầu năng lượng của họ. Nhà nước đang hướng tới 100% năng lượng sạch vào năm 2045, bằng việc sử dụng cả năng lượng tái tạo và năng lượng hiệu suất cao. Tập đoàn AES, có trụ sở tại Virginia-Hoa Kỳ, đã lắp đặt hệ thống lưu trữ kết hợp với hẹ thống năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới ở đầu phía nam của đảo Kauai-Hawaii.

Các tấm pin mặt trời có khả năng sản xuất 28 Megawatt điện được đấu nối với 18.304 mô-đun pin lithium-ion. Pin được sạc vào ban ngày và cung cấp năng lượng vào sáng sớm và buổi tối khi các tấm pin mặt trời không tạo ra điện.

Theo thông tin từ Kauai Island Utility Cooperative, nơi cung cấp điện cho hòn đảo cho biết: hệ thống này lưu trữ đủ năng lượng để có thể đáp ứng nhu cầu điện trong bốn giờ và loại bỏ 3,7 triệu gallon nhiên liệu hàng năm. Giờ đây, Kauai tạo ra khoảng 55% nhu cầu năng lượng được cung cấp bởi hệ thống năng lượng mặt trời.

Các nhà nghiên cứu của NREL đã kiểm nghiệm hệ thống này bằng cách lắp đặt và đánh giá một phiên bản thu nhỏ tại một trụ sở của họ ở Flatirons.Przemek Koralewicz, nhà phân tích của dự án thử nghiệm này cho biết: “Bạn có thể được xem các mô phỏng và biểu đồ, tuy nhiên không có gì thuyết phục bằng việc nhìn thấy một thiết bị thực tế hoạt động. Điều này mang lại cho bạn rất nhiều sự tự tin“.

Một nhà máy năng lượng mặt trời kết hợp hệ lưu trữ thứ hai của AES đang được xây dựng tại căn cứ Hải quân trên đảo Kauai sẽ cung cấp điện cho khách hàng khi cần nhưng cũng có thể đóng vai trò là một hệ trạm phát (Microgrid) độc lập cho quân đội khi bị gián đoạn điện. Sau khi nhà máy mới đi vào hoạt động vào năm tới, khoảng 60% điện năng trên đảo Kauai sẽ đến từ năng lượng tái tạo.

“Hai nhà máy từ AES có thể cung cấp hơn một nửa năng lượng cho toàn bộ hòn đảo. Trong đêm, hệ thống có thể đáp ứng toàn bộ nhu cầu điện cho hòn đảo, trong một số trường hợp nhất định. Đó là lý do tại sao việc kiểm tra hệ thống này là điều hết sức quan trọng. AES không muốn hệ thống không ổn định hoặc có bất kỳ vấn đề gì” – Koralewicz nói.

Hệ thống pin lưu trữ giữ cho lưới điện ổn định, cho phép cân bằng tức thời giữa cung và cầu. Nó cũng có thể được sử dụng như một máy phát điện bổ sung vào nguồn điện lưới trong lúc cao điểm, loại bỏ nhu cầu cần thêm nhà máy phát điện, tuy nhiên việc sử dụng pin lưu trữ cũng có những mặt hạn chế của nó. Một nhà máy phát điện có thể vẫn hoạt động trong nhiều thập kỷ, nhưng pin lưu trữ thì buộc phải được thay thế sau khoảng chục năm. Pin cũng bị hạn chế về công suất chứa, điều đó có nghĩa là chúng thường chỉ có thể lưu trữ đủ năng lượng để cung cấp điện năng trong khoảng bốn giờ.

Chi phí lưu trữ không dễ dàng để định lượng

Việc giảm chi phí lưu trữ vẫn tồn tại những vấn đề không rõ ràng. Một định nghĩa thường xuyên được sử dụng là LCOE (Levelized Cost Of Energy) cho phép so sánh chi phí để tạo ra điện bằng các phương thức khác nhau. Nhưng LCOE chỉ chính xác khi các công nghệ khác nhau cung cấp cùng một dịch vụ.

Một nhóm các nhà nghiên cứu của NREL cho hay: “Giống như tất cả các LCOE, nó có những hạn chế trong sử dụng. Một trong những thách thức đặc biệt đối với việc lưu trữ, đó là có rất nhiều trường hợp sử dụng khác nhau mà chi phí không có ý nghĩa gì nhiều trừ khi bạn xác định được giá trị mà hệ thống mang lại.“

Sử dụng hệ thống lưu trữ có thể tiết kiệm một khoản tiền bằng cách giảm nhu cầu phát điện và tránh được chi phí truyền tải.

Một bài báo của NREL được xuất bản năm 2019 trên Tạp chí The Electricity Journal, đã phát hiện ra rằng hệ thống năng lượng mặt trời kết hợp lưu trữ có thể giảm chi phí sử dụng điện cho các tòa nhà thương mại lên tới 24% ở hơn một nửa các thành phố trong số 17 thành phố được kiểm tra. Chi phí sử dụng pin để lưu trữ có thể được bù lại bằng cách giảm nhu cầu sử dụng điện vào lúc cao điểm.

Trong thời gian cao điểm, các nhà máy điện chạy bằng khí tự nhiên được vận hành để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện lớn. Khi đem nó so sánh với chi phí của hệ thống pin lưu trữ có khả năng lưu trữ bốn giờ, lợi thế thuộc về hệ thống pin lưu trữ. Tuy nhiên, sau bốn giờ cao điểm, pin lưu trữ lại là đắt hơn.

“Máy điều hòa không khí chính là nguyên nhân dẫn đến nguồn thiếu hụt điện năng vào giờ cao điểm” Denholm nói. “Đó là khi chúng ta sử dụng nhiều điện nhất. Một điều bạn có thể làm là thay vì xây dựng một loạt các nhà máy điện chỉ chạy 100 giờ một năm khi trời rất nóng, bạn có thể lưu trữ năng lượng lạnh dưới dạng nước đá hoặc một thứ gì đó. Tạo ra chúng vào lúc 4 giờ sáng và sau đó, khi trời nóng vào giữa buổi chiều, bạn có thể giải phóng nguồn lạnh đó và làm mát ngôi nhà của bạn“.

Paul Denholm (trái) thuộc NREL tới thăm một địa điểm ở sa mạc Mojave, nơi mà một nhà máy năng lượng mặt trời sẽ đóng vai trò chính trong việc tăng lượng năng lượng tái tạo cho Los Angeles. Nguồn: Dennis Schroeder, NREL

Công nghệ hàm chứa một phạm vi rộng lớn

Adarsh Nagarajan, giám đốc nhóm của Thiết kế và Kế hoạch Hệ thống điện tại NREL, người phụ trách về tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện, cho hay. “Có một sự hiểu lầm đó là lưu trữ thường được hiểu là lưu trữ dạng điện hóa hoặc lưu trữ dạng pin. Lưu trữ vượt ra ngoài pin. Nó cũng vượt ra ngoài điện hóa. Nó rộng lớn hơn nhiều.“

Theo cơ sở dữ liệu lưu trữ năng lượng toàn cầu của Bộ Năng lượng (DOE), đã có gần 700 dự án lưu trữ được công bố, hoạt động hoặc đang được xây dựng trên khắp Hoa Kỳ dựa trên vô số công nghệ. Ngoài pin lưu trữ, còn có các phương pháp lưu trữ khác bao gồm nước đá, thủy điện sử dụng hệ thống bơm, nhiệt, nước lạnh, điện hóa và vẫn còn các công nghệ khác đang được phát triển.

“Không có ai là người thắng cuộc, tất cả các phương pháp lưu trữ nên được sử dụng cùng nhau để đạt một mục tiêu chung, đó là duy trì sự ổn định và khả đáp ứng của lưới điện để đáp ứng nhu cầu của khách hàng“, Nagarajan nói.

Nhưng ngay cả với rất nhiều cách để lưu trữ năng lượng đã có sẵn, các công nghệ mới hoặc công nghệ cải tiến vẫn liên tục được đề xuất. Các nhà nghiên cứu tại NREL đã phát triển một kỹ thuật bơm khí tự nhiên vào các giếng cạn kiệt, họ cũng được cấp bằng sáng chế một phương pháp lưu trữ hydro nén bên trong các tuabin gió được thiết kế đặc biệt. Bên cạnh đó họ cũng đã cải tiến thiết kế của pin lithium-ion để chúng tồn tại lâu hơn.

Hầu hết các công nghệ lưu trữ đã được sử dụng. Theo báo cáo của bộ năng lượng, trong số các công nghệ pin thì pin Lithium-ion là lựa chọn tốt nhất về giá, hiệu suất và độ chín về công nghệ cho giải pháp lưu trữ năng lượng trong vòng 4 giờ bốn giờ. Đối với bài toán lâu hơn, lưu trữ dưới dạng thủy điện sử dụng hệ thống bơm (pumped-storage hydropower) và lưu trữ năng lượng dưới dạng khí nén được coi là những lựa chọn tốt. Giữa hai loại đó, lưu trữ thủy điện sử dụng hệ thống bơm là công nghệ lâu đời hơn hơn và chiếm 98% hệ thống lưu trữ năng lượng trên toàn thế giới kể từ lúc nó được triển khai vào năm 2018.

Nước được sử dụng nhiều nhất trong lưu trữ năng lượng

Lưu trữ dưới dạng thủy điện sử dụng hệ thống bơm là xương sống cho khả năng lưu trữ năng lượng quốc gia. Hệ thống lưu trữ này đang được sử dụng để tích hợp một lượng lớn năng lượng tái tạo vào lưới điện, công nghệ này cho phép cải thiện độ tin cậy và giảm chi phí. Lưu trữ dưới dạng thủy điện sử dụng hệ thống bơm là hệ thống gồm hai hồ chứa được đặt ở các độ cao khác nhau, điện được tạo ra nhưng không sử dụng hết sẽ được sử dụng để bơm nước từ hồ chứa ở phía dưới lên tầng trên. Khi cần nguồn điện, nước được lưu trữ sẽ được giải phóng để chảy xuống và cung cấp năng lượng cho tuabin phát điện.

Greg Stark, giám đốc kỹ thuật thủy điện tại NREL cho biết: “Một trong những thách thức thực sự đối với thủy điện đó là mất 8 đến 10 năm để xây dựng một nhà máy. Với sự không ổn định trong thị trường điện hiện nay thì, mọi người rất do dự để đầu tư vào một dự án 10 năm như vậy“.

Để giúp giải quyết những vấn đề về tiến độ của dự án, Bộ Năng Lượng đã đề ra thử thách lớn nhằm giảm thiểu thời gian chạy thử hệ thống. Ủy ban Điều tiết Năng lượng Liên bang (The Federal Energy Regulatory Commission) đảm nhận nhiệm vụ này và đã quyết định cấp phép cho các dự án “Closed-loop pumped storage” (bơm – lưu trữ vòng kín) được thực hiện trong vòng hai năm. Hệ thống này không kết nối với bất kỳ một vùng nước hiện có nào, do đó làm giảm các mối lo lắng về môi trường do thủy điện gây ra.

Một số dự án đang trong quá trình thực hiện, bao gồm dự án Gordon Butte ở Montana. Hệ thống Gordon Butte, đã được cấp phép và dự kiến sẽ bắt đầu xây dựng trong năm nay, sẽ sử dụng hai hồ chứa nhân tạo và ba tuabin để cung cấp 400 MW công suất và 8,5 giờ lưu trữ. Lưu trữ dưới dạng thủy điện sử dụng hệ thống bơm thông thường được thiết kế riêng biệt cho từng dự án, tuy nhiên dự án Gordon Butte trình bày một mô hình có thể nhân rộng, và tiết kiệm chi phí cho các nhà phát triển dự án trong tương lai.

“Lưu trữ dưới dạng thủy điện sử dụng hệ thống bơm thực sự trở thành giải pháp tốt ngay cả khi chúng ta muốn mở rộng hệ thống trong tương lai. Để mở rộng hệ thống, chúng chỉ cần xây dựng một hồ chứa lớn hơn, nó vẫn sử dụng các tuabin và cơ sở hạ tầng khác, trong khi đó với việc lưu trữ bằng pin bạn phải mua thêm pin nếu muốn thời gian sử dụng dài hơn”, Stark nói.

Lưu trữ theo mùa cần sự nghiên cứu thận trọng

Lưu trữ năng lượng dài hạn được định nghĩa đại khái là từ 10 đêm 100 giờ, nếu vượt qua khoảng thời gian đó được xem là dự trữ theo mùa. Vấn đề cần nghiên cứu ở đây là: gió thổi mạnh hơn vào mùa xuân, và làm sao có thể tận dụng được ngồn năng lượng đó để có thể sử dụng khi cần vào mùa hè. Theo nghiên cứu của Omar Guerra và Josh Eichman, các nhà nghiên cứu khác tại NREL: khí Hydro, Thế năng và khí nén là các phương pháp lưu trữ phổ biến cho việc lưu trữ năng lượng trong khoảng thời gian dài.

Báo giá pin lưu trữ LG CHEM RESU10H Prime

Cùng hợp tác với Công ty Gas miền Nam California, NREL đã cài đặt một lò phản ứng sinh học để thử nghiệm công nghệ dự trữ năng lượng dưới dạng khí (power-to-gas) – một cách để lưu trữ năng lượng tái tạo. Dự án lần đầu tiên ở Hoa Kỳ, đã dựa vào các vi sinh vật chuyển đổi hydro và carbon dioxide thành mêtan. Mêtan sau đó được lưu trữ trong đường ống của công ty để sử dụng sau này.

Mạng lưới đường ống dẫn khí tự nhiên trên khắp Hoa Kỳ có khoảng 3 triệu dặm và được sử dụng như một phương tiện lưu trữ. “Đường ống dùng để dẫn khí, nhưng nó cũng là một cách để lưu trữ khí”, Keith Wipke, người quản lý chương trình Công nghệ nhiên liệu và hydro của NREL cho biết.

“Hydrogen có thể được thêm vào đường ống khí đốt tự nhiên (khoảng 10%) hoặc có thể được lưu trữ riêng biệt. Một phương pháp khác cũng đã được đề xuất nhưng chưa được sử dụng rộng rãi, đó là lưu trữ hydro trong các hầm khai thác muối”, Wipke cho biết.

Lưu trữ ở dạng khí tự nhiên giúp hạn chế sự phụ thược vào biến động giá và đáp ứng được nhu cầu theo mùa, nhưng chi phí của thiết bị đã cản trở việc áp dụng phương pháp lưu trữ này. Lưu trữ hydro vẫn là một công nghệ mới nổi, tuy nhiên nghiên cứu cho thấy những cải tiến cưa nó, đây được mong đợi là phương pháp hiệu quả nhất về mặt chi phí để lưu trữ năng lượng ít nhất là một tuần, Guerra nói. Thủy điện sử dụng bơm để lưu trữ và lưu trữ ở dạng khí nén với thời lượng lưu trữ trong vòng hai ngày, là 2 phương pháp được dự báo là sẽ có thể cạnh tranh về chi phí so với việc tạo ra nguồn điện mới.

“Thủy điện sử dụng bơm để lưu trữ và lưu trữ ở dạng khí nén là những công nghệ đã được phát triển hoàn thiện, do đó chúng ta không thể mong đợi sự sụt giảm đáng kể trong chi phí đầu tư”, Guerra nói. “Những chi phí đó cũng có thể phụ thuộc vào địa điểm. Ở một số nơi bạn có thể có cơ hội phát triển hệ thống thủy điện sử dụng bơm để lưu trữ có lợi về mặt kinh tế. Ở những nơi khác, bạn có thể có cơ hội cho việc lưu trữ năng lượng ở dạng khí nén.“

“Chúng ta cần giảm chi phí cho các công nghệ mà chúng ta hiện đang có và thật là tốt nếu một số công nghệ mới tốt hơn và rẻ hơn sẽ xuất hiện“, Wipke nói.

Zhiwen Ma đang làm việc về vấn đề này. Nhà nghiên cứu làm việc trong Nhóm Hệ thống Nhiệt của NREL, anh ấy tập trung nghiên cứu của mình vào vấn đề “tập trung năng lượng mặt trời” (Concentrating Solar Power – CSP). Công nghệ này sử dụng một loạt gương hoặc thấu kính để tập trung ánh sáng mặt trời vào một khu vực nhỏ và năng lượng thu được có thể được lưu trữ dưới dạng muối lỏng (Molten Salt). Tuy nhiên muối bị ăn mòn, vì vậy Ma đã sử dụng cát để lưu trữ nhiệt thay cho muối.

Bộ phận Dự án Nghiên cứu Chuyên Sâu (Advanced Research Projects Agency-Energy) của Bộ Năng Lượng, nơi tài trợ cho các ý tưởng tương lai, đã trao cho NREL 2,8 triệu đô la để nghiên cứu tính khả thi của hệ thống lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt với chi phí thấp của Ma. Khi cần thiết, cát được làm nóng sẽ đốt nóng một chất lỏng để điều khiển tuabin khí được gắn vào máy phát điện.

“Ưu điểm chính của hệ thống lưu trữ nhiệt dạng cát so với muối lỏng đó là chi phí thấp và hiệu suất tốt hơn. Cát chỉ chiếm chi phí rất thấp so với muối nhưng có thể được làm nóng đến 1.200 độ C so với 600 độ C đối với muối nitrat hoặc 800 độ C đối với muối clorua“, Ma nói.

Với rất nhiều lựa chọn để lưu trữ năng lượng như vậy, các nhà nghiên cứu quyết tâm tìm ra phương pháp lưu trữ tốt nhất. Vì dù sao đi nữa, mặt trời không phải lúc nào cũng tỏa sáng và gió không phải lúc nào cũng thổi.

Cung cấp bởi Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia NREL

Nguồn: Wayne Hicks, National Renewable Energy Laboratory