Năm công nghệ tích trữ năng lượng bạn cần theo dõi chặt chẽ

Thủy điện tích năng đã được sử dụng như một kho tích trữ để hỗ trợ lưới điện từ những năm 1890, gần như kể từ khi bắt đầu phân phối điện.

Khi hệ thống điện trải qua quá trình chuyển dịch cơ bản nhất từ ​​tập trung sang phi tập trung, việc tích trữ ngày càng đóng vai trò quan trọng hơn, với các yêu cầu từ cấp độ dưới một giây cho đến cấp độ nhiều tháng và thậm chí nhiều mùa.

Hiện có hơn 30 công nghệ tích trữ có sẵn trên thị trường và nhiều công nghệ khác đang nhanh chóng xuất hiện cùng với sự tiến bộ của các kỹ thuật và vật liệu mới, đặc biệt là ở cấp độ nano và với sự phát triển của mô hình kinh doanh.

Ở đây chúng tôi cung cấp (không đầy đủ) 5 công nghệ tích trữ năng lượng để theo dõi - mỗi công nghệ nằm trong 5 chủng loại công nghệ chính: điện hóa, bao gồm acquy rắn và acquy lỏng; và cơ học, hết sức đa dạng từ thủy điện tích năng đến bánh đà, đến trọng lực; hóa chất; điện; và nhiệt.

Cơ học: Thủy điện tích năng

Công nghệ thủy điện tích năng (Ảnh st)

Tích trữ gì: Tích trữ năng lượng bằng các hệ thống thủy điện tích năng đã được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới, với hơn 160GW công suất lắp đặt và bao gồm hơn 90% lượng tích trữ năng lượng của thế giới cho lưới điện. Các hệ thống như vậy yêu cầu tuần hoàn nước giữa hai hồ chứa ở các độ cao khác nhau với việc “tích trữ năng lượng” trong nước ở hồ chứa trên, năng lượng này sẽ được giải phóng khi nước được xả xuống hồ chứa dưới.

Tại sao: Thủy điện tích năng là một hình thức tích trữ năng lượng cơ học chi phí thấp và đã được hiểu rõ. Nó có thể mang lại lợi ích trên quy mô từ vài phút đến vài ngày và có thể hỗ trợ một loạt các dịch vụ lưới điện. Thách thức của thủy điện tích năng là tìm các địa điểm thích hợp nhưng các thủy điện cũ hơn có thể dễ dàng được hiện đại hóa và cũng có thể tạo thành một phần của các công trình hybrid với địa điểm năng lượng tái tạo nổi hoặc gần đó.

Ở đâu: Rất nhiều dự án đang được triển khai, với công suất lắp đặt dự kiến ​​sẽ tăng gấp đôi lên 325GW vào năm 2050. Hồ Loch Ness ở xứ Scotland (Vương quốc Anh), nổi tiếng với “quái vật” trong thần thoại cho đến nay, được chọn làm địa điểm cho chương trình thủy điện tích năng “Red John” công suất 450MW với chi phí 664 triệu USD – một trong ba chương trình hiện đang được nhà phát triển năng lượng sạch ILI Group (Vương quốc Anh) triển khai trên các hồ ở xứ Scotland.

Nhiệt: Tích trữ bằng muối nóng chảy

Công nghệ tích trữ bằng muối nóng chảy được sử dụng nhiều nhất tại các nhà máy điện mặt trời tập trung (Ảnh st)

Tích trữ gì: Tích trữ nhiệt về bản chất bao gồm việc thu và giải phóng cái nóng hoặc cái lạnh trong chất rắn, chất lỏng hoặc không khí và có khả năng liên quan đến sự thay đổi trạng thái của môi trường tích trữ, ví dụ từ khí sang chất lỏng hoặc từ chất rắn sang chất lỏng và ngược lại. Một số công nghệ quy mô lớn đang được phát triển, bao gồm muối nóng chảy và không khí lỏng, trong khi đó nước nóng và hệ thống sưởi tích trữ mang lại tiềm năng linh hoạt cho khu dân cư.

Tại sao: Tích trữ nhiệt cung cấp một tùy chọn có tuổi thọ cao để tích trữ lâu dài trên quy mô từ vài ngày đến vài tháng, với điều kiện là một số tùy chọn nhất định có thể bị hạn chế do nhu cầu về các hang tích trữ lớn dưới lòng đất. Do đó, nó có thể cung cấp tùy chọn chi phí thấp cho các hệ thống có mức độ thâm nhập năng lượng tái tạo cao phụ thuộc vào thời tiết.

Ở đâu: Tích trữ bằng muối nóng chảy hiện được sử dụng nhiều nhất trong ngành điện do tính sẵn sàng và ứng dụng công nghệ tiên tiến với các nhà máy điện mặt trời tập trung, có dung lượng lắp đặt trên 21GWh toàn thế giới. Giai đoạn thứ tư đang được phát triển tại Công viên điện mặt trời Mohammed Bin Rashid Al Maktoum cách Dubai khoảng 50km về phía nam của Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất (UAE) sẽ bao gồm một nhà máy điện muối nóng chảy với dung lượng tích trữ nhiệt được cho là lớn nhất thế giới trong 13,5 giờ.

Điện hóa: Acquy dòng chảy

Acquy dòng chảy (Ảnh st)

Tích trữ gì: Pin là hình thức tích trữ năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất, trong dải từ các pin bút nhỏ xíu cho đến các công trình lắp đặt quy mô điện lực xếp chồng hàng vài chục pin. Là một công nghệ, chúng cũng là loại rộng nhất, với sự sẵn có trong vô vàn các tổ hợp vật liệu với các đặc tính khác nhau và thường dành cho các ứng dụng năng lượng với dung lượng tích trữ lên tới khoảng 112 giờ. Những phát triển mới tập trung vào việc cải thiện tính năng và tuổi thọ của chúng; ví dụ như để cải thiện phạm vi hoạt động của xe điện.

Tại sao: Acquy dòng chảy với chất điện phân lỏng mang đến khả năng linh hoạt cao hơn đối với công suất tùy chỉnh và xếp hạng năng lượng độc lập cho một ứng dụng đã cho, thay vì các công nghệ khác khi tích trữ điện năng. Tuy nhiên, tùy thuộc vào từng loại, khả năng ứng dụng của chúng có thể bị hạn chế bởi các yêu cầu tích trữ chất điện phân. Ngoài ra, hầu hết các loại acquy dòng chảy trên thị trường hiện nay đều sử dụng vanadi – kim loại chuyển tiếp hiếm, đắt tiền và độc hại.

Ở đâu: Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương của Bộ Năng lượng (Mỹ) đã tạo ra một thiết kế phá vỡ đối xứng mới cho một phân tử có thể cải thiện đáng kể điện áp, độ ổn định điện hóa và độ hòa tan của chất điện phân được sử dụng trong acquy dòng chảy. Trong các pin, chúng đã chứng minh được hơn 90% dung lượng trong 6.000 chu kỳ, dự kiến ​​hơn 16 năm dịch vụ liên tục với một chu kỳ mỗi ngày.

Điện: Siêu tụ điện

Siêu tụ điện (Ảnh st)

Tích trữ gì: Trong siêu tụ điện, điện tích được tích trữ về mặt vật lý, không xảy ra sự thay đổi về mặt hóa học hoặc pha như trong acquy hoặc công nghệ tích trữ nhiệt. Do đó, quá trình này diễn ra nhanh chóng và có khả năng đảo chiều cao, đồng thời chu kỳ phóng-nạp có thể được lặp lại hầu như không có giới hạn. Các công nghệ tụ điện khác nhau với các loại tế bào, chất điện phân và thiết kế hệ thống khác nhau có sẵn với nhiều giá trị điện dung và điện áp danh định.

Tại sao: Siêu tụ điện cung cấp phản ứng nhanh nhất cho các giải pháp tích trữ, trong khoảng từ vài mili giây đến vài phút. Do năng lượng riêng tương đối cao kết hợp với điện trở trong thấp và khả năng lên đến một triệu chu kỳ mà không bị hao mòn đáng kể, chúng phù hợp với nhiều ứng dụng từ hãm tái sinh đến các hệ thống nguồn điện không gián đoạn và các thiết bị Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) để quản lý dòng điện trên đường dây truyền tải.

Ở đâu: Các siêu tụ điện được lắp đặt rộng rãi trong các tuabin gió trên đất liền cũng như ngoài biển để làm dịu sự gián đoạn do gió giật và các biến động gió khác. Khi công suất gió ngoài khơi Biển Bắc tăng lên, các siêu tụ điện sẽ là chìa khóa để tối ưu hóa không chỉ sản lượng điện đầu ra mà còn cả chi phí vận hành và bảo trì (O&M) nhờ có tuổi thọ dài và yêu cầu bảo trì hạn chế.

Hóa chất: Hydro xanh

Hydro xanh (Ảnh st)

Tích trữ gì: Tích trữ năng lượng bằng hydro, hiện vẫn đang nổi lên, sẽ bao gồm việc chuyển đổi nó từ điện năng thông qua quá trình điện phân để tích trữ trong các bể chứa. Từ đó, sau này nó có thể trải qua quá trình tái điện khí hóa hoặc cung cấp cho các ứng dụng mới nổi như giao thông, công nghiệp hoặc sinh hoạt như một chất bổ sung hoặc thay thế cho khí đốt.

Lý do: Hydro xanh dự kiến ​​sẽ trở thành một thành phần chính của hệ thống năng lượng trong tương lai và nhiều dự án năng lượng thành khí đốt đang nổi lên khắp châu Âu và nhiều nơi khác. Tích trữ hydro cung cấp tiềm năng chủ yếu cho các ứng dụng dài hạn hơn trong nhiều ngày và lâu hơn và một số cuộc trình diễn lớn sử dụng hang muối đang được tiến hành. Cần thu thập thêm kinh nghiệm về cách hệ thống tích trữ cụ thể này có thể tương tác với phát điện gió và mạng lưới khí đốt và điện.

Ở đâu: Công ty Khí đốt Southern California (SoCalGas, Mỹ) đang hợp tác với GKN Hydrogen (Italia) và Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ để chứng minh hydro xanh là nguồn tích trữ năng lượng sạch, quy mô megawatt và xác định các trường hợp sử dụng thương mại tiềm năng. Dự án kéo dài ba năm này đã ​​khởi động vào cuối năm 2022 với mục tiêu kết nối 500kg dung lượng tích trữ hydro với máy điện phân và pin nhiên liệu chạy bằng năng lượng tái tạo tại Cơ sở Flatirons của NREL gần Boulder, bang Colorado, Mỹ nhằm sản xuất và tích trữ hydro xanh để sau đó chuyển đổi trở lại thành điện tái tạo.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “PEI”, tháng 1/2023