Một số công nghệ lưu trữ năng lượng đang được sử dụng phổ biến

Cùng với sự tăng trưởng của năng lượng tái tạo nhằm hướng tới mục tiêu phát triển nền kinh tế xanh, bền vững, các giải pháp lưu trữ năng lượng ngày càng được quan tâm, đầu tư nghiên cứu – cải tiến. Dưới đây là một số công nghệ lưu trữ năng lượng đang được sử dụng phổ biến trên thế giới:

• Tiết kiệm chi phí năng lượng cho ngành chế biến thủy hải sản phát triển bền vững
• Giải pháp lưu trữ năng lượng (ESS) và ứng dụng tại Việt Nam

Thủy điện tích năng

Đây là một trong những dạng lưu trữ điện năng lớn nhất hiện nay, đang chiếm đến hơn 90% tổng lượng điện lưu trữ trên toàn cầu. Thủy điện tích năng lưu trữ năng lượng dưới dạng thế năng của nước. Vào giờ thấp điểm (phụ tải thừa), điện được dùng để bơm nước từ hồ chứa thấp lên hồ chứa cao hơn để lưu trữ. Đến giờ cao điểm, nước sẽ được xả từ hồ chứa cao xuống hồ chứa thấp thông qua một đường ống áp lực đặt ngầm trong núi. Nước sẽ làm quay tua-bin trong đường ống và tạo ra điện.

Ưu điểm của thủy điện tích năng là có khả năng lưu trữ điện công suất lớn, thời gian khai thác dài (70-80 năm), tính kinh tế cao. Hạn chế lớn nhất của phương pháp lưu trữ năng lượng này là đòi hỏi phải có địa hình phù hợp để triển khai (lý tưởng nhất là các ngọn núi có đỉnh rộng bên cạnh các con sông, suối lớn) nên không phải nơi nào cũng có thể áp dụng. Nhật Bản, Mỹ, Trung Quốc… là các quốc gia có sản lượng điện sản xuất từ thủy điện tích năng lớn hàng đầu thế giới.

Tại Việt Nam, theo khảo sát, có ít nhất 10 dự án thủy điện tích năng có tính khả thi cao. Nhà máy thủy điện tích năng đầu tiên đang được xây dựng là Nhà máy Thủy điện Tích năng Bác Ái (Ninh Thuận). Dự án mới hoàn thành Giai đoạn 1 vào tháng 3/2021, Công ty Cổ phần Xây dựng 47 (công ty liên kết của Vũ Phong Energy Group) là nhà thầu thi công chính.

Mời bạn xem thêm:

• Thủy điện tích năng – mảnh ghép cho bức tranh phát triển năng lượng tái tạo
• Sắp hoàn thành Giai đoạn 1 nhà máy thủy điện tích năng đầu tiên tại Việt Nam

Nhà máy Thủy điện Tích năng Bác Ái trong quá trình thi công Giai đoạn 1

Hệ thống bánh đà và siêu tụ điện

Hệ thống bánh đà và siêu tụ điện là các công nghệ lưu trữ năng lượng cho tốc độ phản hồi cao, thời gian nạp và xả điện nhanh. Trong hệ thống bánh đà, năng lượng được lưu trữ dưới dạng động năng của khối quay. Cụ thể, điện được sử dụng để làm quay bánh đà ở tốc độ cao, có thể lên đến 100.000 vòng/phút.

Quá trình này tạo ra động năng ngày càng tăng của bánh đà. Đến khi cần thiết, bánh đà sẽ xả năng lượng được lưu trữ bằng cách áp mô-men xoắn đến tải cơ khí, làm tốc độ quay giảm dần. Lúc đó, động năng được chuyển đổi lại thành điện. Trong hệ thống điện gió, điện mặt trời, bánh đà đóng vai trò như một ắc-quy để lưu trữ năng lượng dư thừa và như một máy phát điện dự phòng để cung cấp năng lượng khi cần.

Một bánh đà 500kW đang được hạ xuống hầm tại cơ sở sản xuất của công ty bánh đà Temporal Power để tiến hành thử nghiệm (Ảnh: Temporal Power)

Khác với bánh đà, các siêu tụ điện lưu giữ nguồn năng lượng dưới dạng thế năng của tụ điện. Nó lưu trữ năng lượng giống như một điện tích tĩnh nhưng không xảy ra phản ứng hóa học trong quá trình nạp hoặc xả điện như pin thông thường. Siêu tụ điện có ưu điểm là chứa được nhiều điện năng, rất bền, thời gian sử dụng hàng chục năm, nạp hay phóng điện rất nhanh nhưng có nhược điểm là bị sụt thế nhanh, tích điện không được lâu vì rò điện nội bộ giữa hai cực.

Do đó, khi ứng dụng trong năng lượng tái tạo, nhiều trường hợp kết hợp sử dụng song song cả siêu tụ điện và ắc-quy. Điện năng tạo ra từ các nguồn năng lượng tái tạo (như điện mặt trời, điện gió) được chứa ngay trong siêu tụ điện, sau đó siêu tụ điện lại từ từ nạp điện cho ắc-quy. Nhờ đó, ắc-quy luôn được nạp điện đầy đủ, vừa sẵn dùng vừa tăng tuổi thọ.

Các loại pin lưu trữ năng lượng

Có nhiều công nghệ pin đã và đang được sử dụng phổ biến để lưu trữ năng lượng, có thể kể đến như pin axit chì (ắc-quy), pin Lithium-ion, pin thể rắn, pin oxy hóa – khử Vanadium…

Được phát minh từ năm 1859, đến nay pin axit chì vẫn còn được ứng dụng rộng rãi nhờ giá thành sản xuất rẻ. Chúng thường được sử dụng trong xe hơi vì có thể cung cấp những dòng điện cao đột biến, cần thiết để khởi động cho động cơ xe. Tuy nhiên, nhược điểm của công nghệ này là phải sử dụng các hóa chất độc hại và tuổi thọ pin ngắn (chỉ khoảng 300-500 chu kỳ nạp, xả). Do đó, pin axit chì chủ yếu được sử dụng để lưu trữ điện ở quy mô nhỏ và ngày càng ít cạnh tranh được với các công nghệ lưu trữ năng lượng có thời gian sạc nhanh, lưu trữ điện năng nhiều hơn, trọng lượng nhẹ hơn như pin Lithium-ion.

80MW được xây dựng từ các khối pin Lithium-ion Tesla Powerpack 2 thương mại, tại California (Ảnh: Tesla)

Xem thêm:

• Bộ lưu trữ điện năng lượng mặt trời
• Chi phí năng lượng tái tạo giảm, chuyển hướng sang lưu trữ

Nhờ nguồn năng lượng lưu trữ lớn, tỷ lệ tự xả thấp, công nghệ pin Lithium-ion ngày càng được sử dụng phổ biến: trong hầu hết các thiết bị điện gia dụng, lĩnh vực xe điện, các thiết bị an ninh, lưu trữ điện cho mạng lưới điện khu vực và quốc gia… Pin Lithium-ion thậm chí được xem là cốt lõi cho cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư và là “chìa khóa” mở ra tương lai không sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

Tuy nhiên, pin Lithium-ion cũng có những nhược điểm và giới hạn, chẳng hạn như nó đã đạt đến giới hạn an toàn về mật độ năng lượng trong một diện tích cụ thể, trữ lượng đất hiếm để sản xuất pin Lithium có hạn, quy trình xử lý chất thải cho quá trình sản xuất, tiêu hủy, tái sử dụng khá phức tạp… Do vậy, các tập đoàn đa quốc gia, các trung tâm nghiên cứu hàng đầu thế giới đã đầu tư nhiều nhân lực, vật lực để tiếp tục nghiên cứu nhằm cải thiện những thiếu sót của loại pin này và đi tìm những công nghệ pin mới.

Pin thể rắn là một trong số các thành quả. Chúng được kỳ vọng sẽ trở thành giải pháp thay thế cho pin Lithium-ion vì có khả năng lưu trữ năng lượng lớn hơn, được nạp đầy nhanh hơn và tỏa ít nhiệt hơn. Tuy nhiên, vấn đề còn tồn tại duy nhất ở công nghệ lưu trữ năng lượng này là chúng chưa thực sự khả thi ở quy mô lớn.

Lưu trữ năng lượng là một trong các yếu tố then chốt trong sự phát triển ngành công nghiệp năng lượng tái tạo. Thị trường này được dự đoán sẽ thu hút 620 triệu USD vào năm 2040. Tại Việt Nam, vấn đề lưu trữ năng lượng cũng đang được quan tâm nhiều trong bối cảnh cơ sở hạ tầng lưới điện chưa đáp ứng được tiềm năng và nhu cầu phát triển của năng lượng tái tạo. “Đã đến lúc chúng ta cần xem xét nghiêm túc việc nghiên cứu, chế tạo các pin lưu trữ năng lượng, đặc biệt cho năng lượng mặt trời nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững” (TS. Nguyễn Huy Hoạch, Hiệp hội Năng lượng Việt Nam).

Vũ Phong Energy Group