Bộ lưu trữ nhiệt có thể kích hoạt quá trình chuyển đổi net-zero không?
Sau gần một thập kỷ được ấp ủ, việc lưu trữ năng lượng nhiệt cuối cùng đã đến tuổi để đóng vai trò lâu dài của nó trong quá trình chuyển đổi thuần-zero.
Vào đầu tháng 7, 13.000 cư dân của Kankaanpää, một thị trấn hẻo lánh ở phía tây nam Phần Lan, đã chứng kiến điều gì có thể là một bước ngoặt quan trọng trong cuộc tìm kiếm năng lượng xanh quanh năm trên toàn cầu. Tại nhà máy điện Vatajankoski, công ty công nghệ sạch Polar Night Energy (PNE) của Phần Lan đã lắp đặt “pin cát” đầu tiên trên thế giới, một cơ sở lưu trữ năng lượng nhiệt có thể lưu trữ năng lượng sạch trong nhiều tháng.
Bể chứa công nghệ cao về cơ bản sử dụng điện giá rẻ từ năng lượng mặt trời và gió để làm nóng cát, sau đó lưu trữ nhiệt ở khoảng 500 ° C, có thể được sử dụng để sưởi ấm các tòa nhà địa phương trong những tháng mùa đông khi năng lượng tiêu tốn nhiều nhất.
Một cách tình cờ, gần như chính xác vào cùng một thời điểm, 1.500 km về phía nam, những người sành sỏi của Berlin đang chứng kiến một mốc gần như giống hệt nhau: Công ty tiện ích Vattenfall của Thụy Điển bắt đầu lấp đầy một cơ sở năng lượng nhiệt 200MW cao 45m với 56 triệu lít nước, sẽ được làm nóng ở 98 ° C và được sử dụng để sưởi ấm thành phố như một phần của nhà máy nhiệt và điện kết hợp Reuter West hiện có của Vattenfall.
Các doanh nghiệp đang chịu áp lực ngày càng tăng trong việc thực hiện các thực hành bền vững hơn, và ngành in có thể hình thành một phần quan trọng của chiến lược môi trường nâng cao.
Cho dù đó là từ người tiêu dùng, nhà đầu tư, nhà lập pháp hay các bên liên quan nội bộ, áp lực đang gia tăng đối với các công ty trên tất cả các lĩnh vực để đặt hiệu suất môi trường vào trọng tâm của quá trình ra quyết định chiến lược.
Một phần chính của sự thay đổi này là giảm lượng khí thải carbon của một người và kỳ vọng ngày càng tăng rằng bất kỳ hoạt động nào tạo ra các sản phẩm phụ có hại cho môi trường và lãng phí năng lượng hoặc các tài nguyên khác, cần được xem xét và cải cách nếu có thể. Điều này có nghĩa là không chỉ xem xét các quy trình nội bộ của riêng một người mà còn xem xét các quy trình của các đối tác và nhà cung cấp trong toàn bộ chuỗi giá trị.
Cơ sở lưu trữ năng lượng nhiệt của Vattenfall đang được xây dựng ở Berlin. (Ảnh của Vattenfall)
Việc khánh thành các cơ sở này báo trước một kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp lưu trữ nhiệt đang phát triển - chỉ là một trong số các giải pháp lưu trữ năng lượng đang cạnh tranh và hợp tác để đóng một vai trò thiết yếu và yếu kém trong quá trình chuyển đổi năng lượng sạch: đóng vai trò như một hỗ trợ cho sự thay đổi của năng lượng gió và năng lượng mặt trời.
Tích trữ năng lượng cho những thời điểm khó khăn hơn
Sau khi thức tỉnh về sự tàn phá của nhiên liệu hóa thạch đang gây ra đối với khí hậu, thế giới đang tranh giành để chuyển sang các nguồn năng lượng carbon thấp nhanh như tàu chở dầu kinh tế có thể chuyển sang. Các ứng cử viên tốt nhất để lấp đầy khoảng trống là gió và mặt trời, nhưng mặc dù cả hai đã đạt được những bước tiến lớn trong những năm gần đây về chi phí và hiệu suất, một vấn đề cơ bản vẫn là: gió không phải lúc nào cũng thổi, cũng không phải lúc nào mặt trời cũng chiếu sáng. Một lưới điện phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên dao động này sẽ phải vật lộn để liên tục khớp cung và cầu, và năng lượng tái tạo thường sẽ bị lãng phí vì nó được sản xuất khi không cần thiết.
Một trong những giải pháp chính cho câu hỏi hóc búa này là công nghệ lưu trữ năng lượng trong thời gian dài (LDES). Những thứ này hoạt động bằng cách tích lũy năng lượng khi cung vượt quá cầu - ví dụ như vào một ngày nắng hoặc gió đặc biệt - và phân phối năng lượng trong trường hợp ngược lại, chẳng hạn như vào ban đêm hoặc vào mùa đông.
“LDES là bất kỳ công nghệ nào có thể được triển khai để lưu trữ năng lượng trong thời gian dài và có thể được mở rộng để duy trì cung cấp điện hoặc nhiệt, trong nhiều giờ, nhiều ngày hoặc thậm chí nhiều tuần và có khả năng đóng góp đáng kể vào Godart van Gendt, chuyên gia cao cấp về tính bền vững và năng lượng điện & khí đốt tự nhiên của McKinsey, giải thích. “Việc lưu trữ năng lượng có thể đạt được thông qua các cách tiếp cận rất khác nhau, bao gồm lưu trữ cơ học, nhiệt, điện hóa hoặc hóa học.”
Từ các đối tác của chúng tôi: Việc sở hữu du thuyền rất phức tạp - Ngân hàng tư nhân J.P. Morgan đưa ra một số yếu tố cần suy nghĩ.
Ngành công nghiệp siêu du thuyền toàn cầu tiếp tục phát triển mạnh. Hồ sơ Sách đặt hàng Toàn cầu năm 2022 từ Boat International cho thấy có 1.024 chiếc hiện đang được đặt hàng - tăng 24,7% so với năm ngoái.
Có rất nhiều lý do giải thích tại sao ngành công nghiệp du thuyền đang bùng nổ. Đại dịch Covid-19 đóng một vai trò quan trọng trong cả việc tạo ra nhu cầu và làm chậm sản xuất - điều này đã góp phần vào việc tồn đọng các đơn đặt hàng. Ngoài ra, mức độ giàu có đã bùng nổ trên toàn cầu. Theo Forbes, chỉ riêng nước Mỹ hiện đã có thêm 500 tỷ phú so với trước đại dịch. Cũng có sự gia tăng của các Cá nhân có giá trị ròng cực cao (những người có giá trị ròng trên 30 triệu đô la), những người có số lượng đã tăng gấp đôi trong một thập kỷ và tăng 9,3% vào năm 2021.
Trong số công suất LDES hiện tại trên thế giới, 94% đến từ các đập thủy điện được bơm, giúp di chuyển nước giữa hai hồ chứa thông qua một máy bơm hoặc tuabin để lưu trữ hoặc sản xuất điện. Tuy nhiên, nhiều người tin rằng có những giới hạn đối với
có thể lắp đặt thêm bao nhiêu thủy điện bơm trên toàn cầu do các yêu cầu về địa lý, đặc biệt là ở các nước ít miền núi.
Lưu trữ năng lượng nhiệt
Công nghệ lưu trữ năng lượng nhiệt được sử dụng trong các dự án thử nghiệm ở Berlin và Kankaanpää hoạt động bằng cách biến điện thành nhiệt bằng cách sử dụng một máy bơm nhiệt, sau đó được lưu trữ trong vật liệu nóng như nước hoặc cát bên trong một bể cách nhiệt. Khi cần thiết, nhiệt được phân phối cho các mục đích sưởi ấm hoặc được chuyển trở lại thành điện năng bằng động cơ nhiệt. Các chuyển đổi sau này được thực hiện với các chu kỳ nhiệt động lực học, các nguyên tắc vật lý tương tự được sử dụng để chạy tủ lạnh, động cơ ô tô hoặc nhà máy nhiệt điện.
Van Gendt cho biết thêm: “Việc sưởi ấm có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau như điện, hydro hoặc nhiệt thải. “Trong bối cảnh khử cacbon của hệ thống năng lượng, chúng tôi thường xem xét việc sử dụng dư thừa điện tái tạo, nhưng phạm vi của các giải pháp liên quan rộng hơn nhiều.”
Tại Kankaanpää, PNE cho biết cơ sở của họ sẽ giữ cát ở 500 ° C trong vài tháng. Khi giá năng lượng cao hơn, cơ sở sẽ phân phối không khí nóng thành nước ấm cho hệ thống sưởi của quận, sau đó được bơm xung quanh các ngôi nhà, văn phòng địa phương và thậm chí cả hồ bơi.
Tại Berlin, khi được khai trương vào năm 2023, tháp của Vattenfall sẽ cung cấp nước nóng trực tiếp vào mạng lưới sưởi ấm của quận. Cơ sở này cũng sẽ tích hợp nhiệt từ các quy trình công nghiệp khác như bộ phận làm sạch của thành phố hoặc nhiệt từ nước thải. Được trang bị công suất nhiệt tối đa 200MW có thể xả trong tối đa 13 giờ, bể cũng có thể kết nối với các nguồn nhiệt tái tạo khác như máy bơm nhiệt quy mô lớn.
Khi so sánh với các công nghệ LDES khác, lưu trữ nhiệt có một số điều phù hợp với nó. Thứ nhất, quá trình chuyển đổi dựa vào các thành phần thông thường, chẳng hạn như bộ trao đổi nhiệt và máy nén, đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế biến và điện, có nghĩa là các cơ sở được xây dựng dễ dàng và nhanh chóng hơn so với nhiều giải pháp thay thế.
Bản thân các bể chứa có thể được lấp đầy bởi nhiều loại vật liệu phong phú và rẻ tiền như sỏi, muối nóng chảy, nước hoặc cát, không giống như vật liệu pin, không gây nguy hiểm cho môi trường.
Các nhà máy lưu trữ nhiệt cũng có thể được triển khai ở bất cứ đâu và có thể được mở rộng để đáp ứng các yêu cầu lưu trữ của lưới điện. Các công nghệ LDES khác được giới hạn ở các khu vực địa lý cụ thể: thủy điện được bơm cần có núi và thung lũng có thể chứa các hồ chứa rộng lớn và việc lưu trữ năng lượng khí nén phụ thuộc vào các hang động lớn dưới lòng đất. Lưu trữ nhiệt cũng có mật độ năng lượng lớn hơn (lượng năng lượng được lưu trữ trong một thể tích nhất định) so với thủy điện bơm: ví dụ, 1kg nước được lưu trữ ở 100 ° C có thể cung cấp điện năng gấp mười lần so với 1kg nước được lưu trữ ở độ cao 500m. trong một cơ sở thủy điện được bơm. Điều này có nghĩa là cần ít không gian hơn cho một cơ sở nhiệt điện, giảm tác động đến môi trường của nó.
Công nghệ này tồn tại lâu dài, với các thành phần của nó có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều thập kỷ mà không cần thay thế. Mặt khác, pin sẽ xuống cấp theo thời gian và có thể cần phải thay thế. Cuối cùng, chi phí lưu trữ nhiệt dường như so sánh thuận lợi với các công nghệ lưu trữ khác, mặc dù điều này sẽ không được biết chắc chắn cho đến khi công nghệ này trưởng thành và được thương mại hóa hoàn toàn.
Có một hệ sinh thái lớn của các công nghệ lưu trữ năng lượng. (Hình ảnh của GlobalData)
Tuy nhiên, lưu trữ nhiệt có nhược điểm. Mặc dù hiệu suất của công nghệ - lượng điện tích được trả lại trong quá trình phóng điện - cao khi được sử dụng để sưởi ấm, vào khoảng 95%, nó giảm xuống tương đối khiêm tốn 50–70% khi được chuyển đổi thành điện năng. Con số này so với 80–90% đối với pin lithium-ion hoặc 70–85% đối với thủy điện được bơm. Ngoài ra, để nhận ra những lợi ích của công nghệ và có các hệ thống hiệu quả tương đối cao, các nhà đầu tư và nhà phát triển dự án cần cam kết chi phí vốn trả trước tương đối lớn, có thể khó bán vì nhiều công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn R&D và trình diễn .
“Pin có lẽ là giải pháp lưu trữ hiệu quả nhất về chi phí cho thời lượng xả lên đến vài giờ, sau đó lưu trữ nhiệt sẽ cạnh tranh trong khoảng vài giờ đến vài ngày, và thủy điện được bơm - và có thể là cả hydro trong tương lai - sẽ tốt nhất cho bất cứ điều gì lâu hơn thế, ”Pau Farrés, một nhà phân tích công nghệ sạch tập trung vào LDES tại Future Cleantech Architects cho biết.
Ngay cả trong lĩnh vực lưu trữ nhiệt, có rất nhiều loại vật liệu dường như vô tận có thể được sử dụng để lưu trữ nhiệt, mỗi vật liệu đều có các ứng dụng thích hợp của chúng. Farrés nói: “Nếu bạn thiết kế hệ thống chỉ để cung cấp nhiệt trong nhà, thì bạn thường sử dụng nước nóng. “Nhưng nếu bạn muốn cung cấp điện, thì thông thường bạn phải sử dụng các hệ thống nhiệt độ cao hơn, đòi hỏi các vật liệu khác nhau - một loại phổ biến là muối nóng chảy. Các hệ thống này thường được thiết kế để cung cấp điện hoặc nhiệt, nhưng có những ứng dụng cụ thể trong đó chúng có thể được điều chỉnh để cung cấp cả hai. ”
Muối nitrat nóng chảy có phạm vi nhiệt độ hẹp (nó đóng băng ở 220 ° C và mất ổn định ở 565 ° C) và giá thành vừa phải là 800 USD / tấn (/ tấn). Patrick Davenport, một nhà nghiên cứu thuộc Nhóm R&D Hệ thống Nhiệt tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia của Hoa Kỳ cho biết: “[Nhưng] nó đòi hỏi phải có hai bể chứa [gấp đôi thể tích] và bị thách thức bởi sự ăn mòn của muối. Cát, chẳng hạn như được sử dụng bởi PNE ở Kankaanpää, có phạm vi ổn định rộng ở từ -20 ° C đến 1.000 ° C và chi phí thấp $ 35 / tấn. Davenport cảnh báo: “Nhưng nó truyền nhiệt kém và thường yêu cầu chuyển động của các hạt thông qua bộ trao đổi nhiệt.
Các lựa chọn khác bao gồm vật liệu thay đổi giai đoạn tiềm ẩn nhiệt, lưu trữ năng lượng nhiệt hóa, khối bê tông hoặc đá / đất. Tuy nhiên, mỗi loại đều có những thách thức riêng như phạm vi nhiệt độ hạn chế, chi phí lưu trữ cao, phản ứng nhiệt kém hoặc lo ngại về độ ổn định - và mỗi loại đều có ứng dụng phù hợp.
Van Gendt nói: “Khi chúng ta nghĩ đến việc lưu trữ nhiệt, câu hỏi chính mà chúng ta nên hỏi là nhiệt độ mà nó có thể cung cấp. “Các ứng dụng công nghiệp điển hình yêu cầu nhiệt độ vài trăm độ C, và nhiều quy trình cơ bản, chẳng hạn như sản xuất xi măng hoặc thép, yêu cầu nhiệt độ cao hơn 1.000 độ. Tin tốt là lưu trữ nhiệt có thể mang lại điều đó, và công nghệ này đã có sẵn. "
Một phần quan trọng của net zero
Như đã được chứng minh bởi những kỳ công gần đây của Vattenfall và PNE, bộ lưu trữ nhiệt đang nổi lên từ giai đoạn R & D và đang tìm được vị thế thương mại. Trong một ví dụ khác gần đây, Brenmiller Energy của Israel đang thay thế các lò hơi gas trong cơ sở sản xuất thực phẩm và thuốc lá bằng hệ thống lưu trữ nhiệt 18,5MW / 31,5MWh để đáp ứng 100% yêu cầu hơi nước - chứng minh cách công nghệ có thể được áp dụng như một - thay thế quy mô cho nhiên liệu hóa thạch.
Trên thực tế, theo GlobalData, công ty mẹ của Energy Monitor, có hai dự án lưu trữ nhiệt nằm trong top 10 dự án lưu trữ năng lượng sắp tới đang được phát triển trên toàn thế giới: một cơ sở sản xuất muối nóng chảy 600MW tại Công viên năng lượng mặt trời Mohammed bin Rashid Al Maktoum ở Vương quốc Ả Rập. Emirates, và một nhà máy sản xuất muối nóng chảy 600MW khác tại Nhà máy Nhiệt mặt trời Thành phố Golmud thuộc Tập đoàn CGD của Trung Quốc.
Các công ty chủ chốt trong phân khúc sưởi ấm của thị trường lưu trữ nhiệt bao gồm PNE, Kraftblock của Đức và EnergyNest của Na Uy. Về mặt điện, có sự cạnh tranh lành mạnh, với Airthium (Pháp), Antora (Mỹ), Azelio (Thụy Điển), Cheesecake Energy (Anh), Echogen (Mỹ), EnergyDome (Ý), Highview Power (Anh), Malta ( US), Siemens Gamesa ETES (Đức), Stiesdal (Đan Mạch) và Stolect (Pháp) đại diện.
Theo Allied Market Research, thị trường lưu trữ năng lượng nhiệt được định giá 20,8 tỷ đô la vào năm 2020, nhưng ước tính sẽ đạt 51,3 tỷ đô la vào năm 2030, tăng trưởng với tốc độ CAGR là 8,5% từ năm 2021 đến năm 2030.
Davenport nói: “Lưu trữ nhiệt sẽ đóng một vai trò rất quan trọng trong quá trình chuyển đổi không có mạng lưới. “Để các quốc gia đạt được 100% điện lưới tái tạo, chúng ta cần nhiều hệ thống LDES phân tán, ổn định để bắt đầu thay thế các trạm phát điện cơ bản như các nhà máy nhiệt điện than và khí - nhưng sau đó chúng ta vẫn còn các lĩnh vực khác không có trong điện lưới đó, như các lĩnh vực vận chuyển và nhiệt quá trình công nghiệp. Lưu trữ nhiệt không thực sự cho phép vận chuyển tốt nhưng rất thích hợp để bắt đầu thay thế nhiệt của quá trình công nghiệp. "
Nhiệt chịu trách nhiệm cho khoảng 50% nhu cầu năng lượng cuối cùng trên toàn cầu - chia đôi khoảng một nửa giữa các ngành công nghiệp và các tòa nhà. Hầu hết lượng nhiệt đó hiện được cung cấp bằng nhiên liệu hóa thạch. Khi quá trình khử cacbon tăng tốc, nhiên liệu hóa thạch để sưởi ấm sẽ cần phải được thay thế bằng năng lượng tái tạo và “phần nhu cầu nhiệt không trùng khớp với nguồn cung tái tạo sẽ cần được tích trữ”, van Gendt nói.
Đối với Antoine Koen, một đồng nghiệp phân tích công nghệ sạch của Farrés tại Future Cleantech Architects, lưu trữ nhiệt sẽ đóng vai trò của nó đối với số không ròng nhưng là một phần đóng góp của toàn bộ các giải pháp LDES cần thiết để đạt được những gì là một công việc quan trọng. “Lĩnh vực lưu trữ nhiệt sẽ phát triển và sự đa dạng của các biến thể công nghệ có thể sẽ thu hẹp lại và củng cố. Nhưng trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng rộng lớn hơn, mỗi công nghệ sẽ có vai trò thích hợp tùy theo điểm mạnh và điểm yếu của nó, điều này sẽ ngày càng rõ ràng hơn khi thị trường trưởng thành ”.
