Sự cần thiết lưu trữ năng lượng và các công nghệ lưu trữ năng lượng phổ biến hiện nay

Sự cần thiết phải lưu trữ năng lượng?

Năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng từ nước,… được tạo ra từ các nguồn thiên nhiên hoặc các quy trình tự nhiên nào đó được hình thành liên tục, hiện đang là xu hướng phát triển chung của thế giới.

Loại hình năng lượng này tuy được đánh giá là năng lượng sạch, có lợi với môi trường, có thể tái tạo được nên không bị cạn kiệtl nhưng cũng có những nhược điểm nhất định như: không thể phát điện liên tục, phụ thuộc vào thời tiết và thiên nhiên, khó điều khiển công suất phát,…

Sự bùng nổ các dự án năng lượng tái tạo trong các năm gần đây càng làm gia tăng sức ép cho công tác vận hành, điều độ lưới điện.

Lưu trữ năng lượng là một trong các yếu tố then chốt để phát triển ngành công nghiệp năng lượng tái tạo.

Bởi vậy, cùng với sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng từ nước… thì các hệ thống lưu trữ năng lượng hiệu quả, ổn định, thân thiện với môi trường cũng được chú trọng nhiều hơn.

Ngoài ra, việc áp dụng công nghệ “smart home” (ngôi nhà thông minh) đang ngày càng phát triển với tốc độ tăng trưởng hàng năm trung bình 18,5%. Dự báo đến năm 2022, trên thế giới sẽ có khoảng 939,7 triệu thiết bị tiêu dùng điện ngắn với “smart home”. Xu hướng này cũng ảnh hưởng đáng kể đến việc lưu trữ điện.

Tại Việt Nam, với cam kết “đưa phát thải ròng khí nhà kính về ‘0’ vào năm 2050” của Thủ tướng Chính phủ tại Hội nghị COP26, việc tăng tỷ lệ điện gió và mặt trời trong hệ thống nguồn điện cần được hết sức ưu tiên.

Tuy là nguồn năng lượng sạch nhưng tính không ổn định của hai loại điện này đang gây khó khăn và làm tăng chi phí vận hành hệ thống điện Việt Nam. Việc ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng/điện trở nên cần thiết, quan trọng, cả hiện tại và trong tương lai.

Tăng tỷ trọng năng lượng tái tạo là một trong những nhiệm vụ quan trọng để thực hiện cam kết đưa phát thải ròng khí carbon về '0' vào năm 2050.

Năm 2020, Thủ tướng Chính phủ đã giao Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) nghiên cứu đầu tư các giải pháp lưu trữ điện năng cho hệ thống.

Năm 2021, Hội đồng Khoa học Tạp chí Năng lượng Việt Nam đã tổ chức Hội thảo khoa học “Ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng và Công nghệ nâng cao hiệu suất cho các dự án năng lượng tái tạo của Việt Nam”. Tại đây, các chuyên gia, đại diện các cơ quan nhà nước, doanh nghiệp đã cùng thảo luận về hiện trạng, thách thức và giải pháp để phát triển hệ thống lưu trữ năng lượng ở nước ta.

Trong đó, Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0) đã đánh giá: Với sự gia tăng tỷ lệ điện gió và điện mặt trời, cần phải đầu tư các công nghệ tăng tính linh hoạt, tăng nhu cầu dịch vụ phụ trợ ổn định điện áp, dự phòng vận hành (điều tần, dự phòng đồng bộ và dự phòng không đồng bộ).

Bên cạnh đó, nhu cầu truyền tải công suất phát của điện mặt trời, điện gió lúc cao điểm làm gia tăng hiện tượng quá tải lưới cục bộ và tăng nhu cầu dịch chuyển đỉnh - đáy của biểu đồ phụ tải.

Điều đó đã thể hiện mối quan tâm lớn của chính phủ, doanh nghiệp và các bên liên quan về tầm quan trọng của phát triển các công nghệ lưu trữ năng lượng tại Việt Nam, nhằm năng cao hiệu suất của ngành năng lượng tái tạo, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng về dài hạn.

Các phương pháp tích trữ năng lượng

Theo chuyên trang Năng lượng Việt Nam, năng lượng là một dạng vật chất có thể được tích trữ bằng nhiều phương pháp khác nhau. Mỗi phương pháp có thể sử dụng nhiều công nghệ khác nhau. Đơn cử:

1. Phương pháp tự nhiên: Lưu trữ các nguồn nhiên liệu hóa thạch.

2. Phương pháp cơ học: Lưu trữ NL bằng khí nén (CAES), đầu máy hơi nước; siêu bánh đà siêu; thế năng của trọng lực; bộ tích trữ; nhà máy thủy điện tích năng (có bơm)

3. Phương pháp điện, điện từ: Bình ngưng; siêu tụ điện; nam châm siêu dẫn và cuộn dây siêu dẫn (H01F6)

4. Phương pháp sinh học: Glycogen; tinh bột

5.Phương pháp điện hóa (hệ thống lưu trữ năng lượng pin, BESS): Pin lưu lượng (dòng chảy); pin dung lượng (thông thường); siêu pin (Ultra Battery).

6. Phương pháp nhiệt: Ắc quy nhiệt; hệ thống lưu trữ đông lạnh Eutectic, lưu trữ năng lượng không khí lỏng (LLAE); động cơ Derman Cryogenic; trữ năng lượng bằng mumu; sự chuyển pha của vật chch; trữ nhiệt năng theo mùm; hồ năng lượng mặt trời; ác quy hơi nướn; bảo ôn.

7. Phương pháp hóa chất: Nhiên liệu sinh học; muối ngậm nướn; lưu trữ hydro; hydrogen peroxide; công nghệ Power-to-Gas (P2G); vanadi oxit (V2O5).

Các công nghệ lưu trữ năng lượng phổ biến hiện nay

Công nghệ tích trữ năng lượng hiện được chia thành 4 nhóm chính: Nhiệt; Cơ; Điện hóa; Điện.

1. Lưu trữ nhiệt năng

Lưu trữ năng lượng nhiệt (TES) là một hệ thống lưu trữ năng lượng thân thiện với môi trường, thông qua việc đốt nóng hoặc làm mát các vật liệu như cát, đá hoặc muối nóng chảy để lưu trữ năng lượng thu được.

Dự án Crescent Dunes của SolarReserve tại Nevada (Mỹ) là một ví dụ điển hình về việc sử dụng hệ thống TES.

Có một số loại lưu trữ nhiệt năng khác nhau, bao gồm lưu trữ năng lượng tiềm ẩn và nhiệt hóa học. Tuy nhiên, lưu trữ hợp lý được sử dụng nhiều nhất và thường được ghép nối với các nhà máy điện mặt trời.

Theo đó phổ biến nhất có thể kể tới công nghệ lưu trữ năng lượng bằng muối nóng chảy. Năng lượng dư thừa được tạo ra trong thời gian cao điểm của ánh sáng mặt trời sẽ được lưu trữ dưới dạng muối nóng chảy. Sau đó, vào buổi tối chúng sẽ tạo ra hơi nước để làm quay tuabin sản xuất điện.

Dự án Crescent Dunes của SolarReserve tại Nevada (Mỹ) là một ví dụ điển hình về việc sử dụng hệ thống TES, sử dụng muối nóng chảy để lưu trữ 1.100 MW điện trong hai bể kim loại lớn được che chắn nhiệt và có thể lưu trữ năng lượng đó trong 40 năm mà không bị suy giảm.

2. Lưu trữ năng lượng cơ học

Hiện nay, thuỷ điện tích năng vẫn đang là phương án tối ưu nhất trong việc lưu trữ điện, đang chiếm đến 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 nên không phải nơi nào cũng có thể áp dụng.

Một hệ thống thuỷ điện tích năng tại Lithuania.

Việc quy hoạch các khu dự án thuỷ điện tích năng còn rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nguồn nước, mặt bằng, hạ tầng lưới điện trong khu vực.

Mặt khác, thuỷ điện tích năng chiếm nhiều tài nguyên đất đai, chi phí xây dựng ban đầu cùng thời gian hoàn vốn lâu.

Hiện nay, 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, nhà máy thủy điện tích năng đầu tiên đang được xây dựng là Nhà máy Thủy điện Tích năng Bác Ái (Ninh Thuận), với công suất 1200MW, dự kiến đưa vào vận hành cuối năm 2028.

Một số các hệ thống lưu trữ năng lượng cơ học khác như công nghệ khí nén, bánh đà bay… cũng đã được phát triển tuy nhiên chưa có nhiều ứng dụng rộng rãi.

Đáng nói, trong hệ thống điện gió, điện mặt trời, bánh đà thường 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.

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.

3. Lưu trữ năng lượng điện hoá

Các phương án lưu trữ điện bằng hệ thống Ắc-quy hoặc Pin lithium (Battery Energy Storage Systems – BESS) cũng ngày càng phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong thời đại công nghệ 4.0.

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.

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…

Singapore mới khánh thành hệ thống lưu trữ năng lượng lớn nhất Đông Nam Á mang tên Sembcorp.

Pin Lithium-ion thậm chí được xem là "chìa khoá" của cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư, là trọng tâm của cuộc chạy đua công nghệ trong năm 2023. Hàng loạt các dự án lưu trữ năng lượng bằng công Lithium – ion đã đưa vào vận hành và tiếp tục đang được lắp đặt hiện nay trên khắp thế giới đã khẳng định vị thế thống trị của công nghệ này.

Đáng nói, ngày 2/2 mới đây, Singapore đã chính thức khánh thành và triển khai vận hành hệ thống lưu trữ năng lượng lớn nhất Đông Nam Á mang tên Sembcorp. Hệ thống này bao gồm hơn 800 pin tấm pin Lithium-ion cỡ lớn trải dài trên 2 ha đất ở vùng Banyan và Sakra trên đảo Jurong - hòn đảo nhân tạo có tổ hợp hóa dầu của đất nước này.

Hệ thống Sembcorp cho phép Singapore đạt mục tiêu lưu trữ năng lượng 200 MWh trước thời hạn 3 năm. Thành tích này góp phần giúp quốc đảo đẩy nhanh quá trình chuyển dịch sang năng lượng tái tạo vào năm 2025.

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 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 ở công nghệ lưu trữ năng lượng này là chúng chưa thực sự khả thi ở quy mô lớn.

4. Lưu trữ năng lượng điện trường

Các nhà phân tích trên thế giới đánh giá trong tương lai siêu tụ điện có thể bổ trợ, thậm chí đôi khi cạnh tranh thay thế, với các sản phẩm pin chì và pin lithium.

Hệ thống siêu tụ điện được xem là các công nghệ lưu trữ năng lượng cho tốc độ phản hồi cao, thời gian nạp và xả điện nhanh.

Hiện siêu tụ điện đã được một số nước sử dụng trong việc ổn định mạng lưới điện – nhất là các lưới điện thông minh có tích hợp năng lượng tái tạo.

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.

Hiện siêu tụ điện đã được một số nước sử dụng trong việc ổn định mạng lưới điện – nhất là các lưới điện thông minh có tích hợp năng lượng tái tạo, chế tạo máy khử rung tim trong y tế, tích hợp trong các thiết bị điện – điện tử di động thế hệ mới hoặc dùng cho các hệ thống xe hơi, xe bus điện nội đô cần xạc nhanh tại mỗi điểm dừng.

Theo một báo cáo của Reportlinker, thị trường siêu tụ điện toàn cầu được định giá gần 3,5 tỷ USD vào năm 2025 với tốc độ tăng trưởng trong giai đoạn 2020-2025 từ 19% đến 21%/năm.

Một số công nghệ lưu trữ khác như hệ thống từ siêu tốc vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và chưa có nhiều ứng dụng thực tế.