Các chuyên gia thảo luận về các công nghệ lưu trữ điện năng dư thừa trong tương lai

Các chuyên gia thảo luận về các công nghệ lưu trữ điện năng dư thừa trong tương lai

    Các chuyên gia thảo luận về các công nghệ lưu trữ điện năng dư thừa trong tương lai
    bởi Fabio Bergamin, Michael Keller, ETH Zurich

    Electricity and heat on demand
    Bốn bể chứa nhiệt của nhà máy chuyển hóa chất thải thành năng lượng Hagenholz ở Zurich. Ảnh: Keystone / Gaetan Bally


    Nếu quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo thành công, chúng ta sẽ cần một phương tiện khả thi để lưu trữ nhiệt và điện dư thừa. Globe đã nói chuyện với các chuyên gia từ ETH Zurich về những công nghệ đầy hứa hẹn có thể giúp chúng ta đạt được mức phát thải ròng bằng không

    Thụy Sĩ đặt mục tiêu chuyển đổi sang hệ thống năng lượng phát thải ròng bằng không vào năm 2050. Để đạt được mục tiêu này, nước này sẽ cần thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng năng lượng tái tạo. Chính phủ Thụy Sĩ cũng đã đưa ra quyết định loại bỏ dần điện hạt nhân. Do đó, các kế hoạch về tính trung hòa carbon của họ sẽ không chỉ yêu cầu điện khí hóa phương tiện giao thông và sưởi ấm bằng các phương tiện điện và máy bơm nhiệt, mà còn phải có các biện pháp để bù đắp cho việc mất công suất phát điện hạt nhân. Để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, Thụy Sĩ sẽ chủ yếu dựa vào các nguồn năng lượng thủy điện và quang điện và ở mức độ thấp hơn là năng lượng gió.

    Nhưng những lúc nắng không mưa, gió không thổi thì sao? Gabriela Hug, giáo sư tại Phòng thí nghiệm Hệ thống điện tại ETH Zurich, cho biết: “Lưới điện phải liên tục xử lý các biến động trong quá trình phát điện tái tạo và khớp cung với cầu. Hug cũng đứng đầu Trung tâm Khoa học Năng lượng ETH (ESC), gần đây đã phát hành mô hình cho thấy một hệ thống năng lượng tái tạo khả thi về mặt kỹ thuật và khả thi về mặt kinh tế.

    "Rõ ràng, nó sẽ không đơn giản," Hug thừa nhận. "Và nếu không có khả năng lưu trữ năng lượng hiệu quả, việc chuyển đổi sang năng lượng tái tạo thậm chí sẽ không thể thực hiện được." Hệ thống lưu trữ năng lượng ổn định lưới điện, cung cấp công suất cần thiết để bù đắp sự biến động của việc phát điện từ các nguồn tái tạo như năng lượng mặt trời, gió và thủy điện. Điều này đòi hỏi các công nghệ có thể chuyển đổi hiệu quả điện và nhiệt thành dạng có thể được lưu trữ và sau đó được giải phóng trở lại lưới điện khi cần - dù theo mùa hay theo phút.

    Nếu Thụy Sĩ bắt đầu đầu tư nhiều hơn vào quang điện, nước này sẽ tạo ra nhiều năng lượng hơn mức cần thiết vào buổi trưa của một ngày mùa hè. Để cung cấp năng lượng mặt trời giữa trưa cho cả ngày và đêm, nó cần các giải pháp lưu trữ ngắn hạn. Hug nói: “Nhưng thách thức lớn nhất của Thụy Sĩ là lưu trữ lâu dài.

    Quốc gia này đã sản xuất quá ít điện vào mùa đông và phụ thuộc vào nhập khẩu để đáp ứng nhu cầu gia tăng — và sự mất cân bằng theo mùa này sẽ chỉ tăng lên khi quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo đang diễn ra nhanh chóng. Gianfranco Guidati, chuyên gia về mô hình hệ thống năng lượng tại ESC cho biết: “Các nhà máy quang điện đặc biệt tạo ra lượng điện dư thừa vào mùa hè. "Nhưng vào mùa đông, mặt trời yếu hơn và các máy bơm nhiệt đang giữ ấm cho ngôi nhà của mọi người - đó là lúc chúng ta thấy khoảng cách giữa cung và cầu năng lượng."

    Câu hỏi quan trọng đối với Thụy Sĩ là làm thế nào để lưu trữ lượng điện mặt trời dư thừa này từ mùa hè sang mùa đông. Với nhu cầu về hệ thống lưu trữ đang tăng lên rõ ràng, Hug lập luận rằng cách tiếp cận an toàn nhất là đầu tư vào cả các công nghệ đã được thành lập và mới nổi: "Chúng tôi vẫn chưa nghĩ ra giải pháp lưu trữ năng lượng hoàn hảo".

    Tuy nhiên, việc lưu trữ năng lượng không nên được coi là dấu chấm hết, Guidati nói. "Mục tiêu của Thụy Sĩ là đạt được mức phát thải khí nhà kính ròng bằng 0 vào năm 2050. Lưu trữ là rất quan trọng, nhưng nó không phải là cách duy nhất để giúp chúng tôi đạt được mục tiêu đó." Ông tin rằng chúng ta nên khai thác các phương pháp lưu trữ năng lượng gián tiếp cũng như khả năng lưu trữ vật lý. Ông nói: “Chúng ta cần phải có một cách tiếp cận hỗn hợp. Các phần sau đây trình bày một số phương pháp có thể có trong hỗn hợp này.

    Lưu trữ nước chảy và lưu trữ bơm làm dự trữ đệm

    Robert Boes, Giáo sư Kỹ thuật Thủy lực của ETH, coi thủy điện là xương sống của hệ thống điện Thụy Sĩ: "Thủy điện là tài sản năng lượng xanh quan trọng nhất của chúng tôi, chiếm khoảng 60% năng lượng tái tạo của chúng tôi. Khả năng lưu trữ điện năng của nó cũng đóng một vai trò quan trọng trong chiến lược net-zero của chúng tôi. "

    Các nhà máy thủy điện trên sông dẫn nước trực tiếp vào các tua-bin phát điện để cung cấp năng lượng tái tạo cho phụ tải cơ bản. Các loại nhà máy này không có chức năng tích trữ, không giống như nhà máy hồ chứa, có thể trữ nước để cung cấp công suất phát điện linh hoạt theo yêu cầu. Các hồ chứa lớn trên dãy Alps chủ yếu đóng vai trò như một hình thức lưu trữ năng lượng theo mùa.

    Boes nói: “Mưa và nước tan chảy mà chúng thu được vào mùa xuân và mùa hè có thể được sử dụng để tạo ra điện vào mùa đông. Tuy nhiên, dù những hồ lớn này tạo ra bao nhiêu điện năng, chúng vẫn không thể tích trữ được.

    Chỉ những nhà máy tích điện mới có khả năng lưu trữ điện năng. Họ thực hiện điều này bằng cách bơm nước từ hồ chứa thấp hơn lên hồ chứa phía trên và sau đó đổ nước từ hồ chứa phía trên thông qua các tuabin để tạo ra điện theo yêu cầu. Hiện tại, lưu trữ bơm thủy điện là công nghệ duy nhất đã được chứng minh để thu và giải phóng một lượng lớn điện năng.

    Nó cung cấp khả năng lưu trữ mạnh mẽ và linh hoạt — và điều đó làm cho nó trở thành sự lựa chọn hoàn hảo để cân bằng 

    độ biến thiên theo ngày và đêm của công suất phát quang điện. Tuy nhiên, công suất của nó không đủ xa để giải quyết các biến đổi theo mùa trong sản xuất điện.

    Một cách để giảm chênh lệch năng lượng mùa đông là xây dựng nhiều hồ chứa hơn, nhưng cách tiếp cận này đang gây tranh cãi. Các dự án như vậy thường đi ngược lại các mục tiêu bảo tồn thiên nhiên và gặp phải sự phản kháng. Boes nói: “Tôi không nghĩ lựa chọn này có nhiều hứa hẹn. "Thủy điện là một công nghệ đã trưởng thành và rất hiệu quả, nhưng vẫn chưa được quan tâm đầy đủ đến các khía cạnh môi trường như quản lý nước có trách nhiệm."

    Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Thủy lực, Thủy văn và Băng hà (VAW) của ETH Zurich hiện đang tìm cách làm cho thủy điện thân thiện hơn với môi trường. Các ví dụ bao gồm các đường hầm tránh được cải thiện để lấy bùn cát và thang cá để đưa cá đi qua các cửa hút và tuabin của hồ chứa một cách an toàn. Boes nói: “Thủy điện sẽ không được chấp nhận rộng rãi cho đến khi nó làm được nhiều hơn nữa để bảo vệ đa dạng sinh học.

    Lưu trữ quy mô nhỏ phi tập trung

    Trong chính lưới điện, pin có thể hoạt động như một loại thiết bị lưu trữ được bơm thu nhỏ. Nếu chúng ta có nhiều hệ thống phi tập trung hơn tạo ra điện trên mái nhà của mọi người trong tương lai, chúng ta sẽ cần các thiết bị lưu trữ quy mô nhỏ phân tán để thực hiện cân bằng mạng cục bộ. Giống như các hệ thống lưu trữ được bơm, pin có thể được sử dụng để cân bằng nhanh chóng giữa việc tạo ra và nhu cầu. Giáo sư Vanessa Wood của ETH cho biết: “Vì kích thước pin có thể dễ dàng điều chỉnh theo ứng dụng, chúng thích hợp để sử dụng làm thiết bị lưu trữ năng lượng phi tập trung trong các tòa nhà.

    Khi kết hợp với các tấm quang điện, pin có thể giảm áp lực ra khỏi lưới điện bằng cách cung cấp khả năng lưu trữ cục bộ lượng điện dư thừa trong vài phút hoặc vài giờ. Tuy nhiên, nếu tất cả điện mặt trời được tạo ra vào thời điểm cao điểm ở các khu dân cư được cung cấp cho một số nhà máy thủy điện tích trữ có hạn trên núi, điều này có thể dẫn đến tắc nghẽn lưới điện.

    Trong thị trường pin dành cho gia đình và xe điện đang phát triển nhanh chóng, những phát triển mới nhất bao gồm các loại pin quy mô cộng đồng đầu tiên được thiết kế để cân bằng các biến động điện năng ngắn hạn ở cấp độ khu vực lân cận.

    Wood cho biết: “Bước quan trọng tiếp theo là làm cho pin hiệu quả hơn để chúng có thể hoàn thành nhiều chu kỳ sạc hơn trước khi giảm hiệu suất”. "Đồng thời, chúng ta phải tìm ra các sản phẩm thay thế cho các nguyên liệu thô có vấn đề và phát triển các phương pháp tái chế pin với chi phí thấp, không sử dụng quá nhiều năng lượng." Các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã và đang nghiên cứu các giải pháp.

    Lưu trữ nhiệt năng theo mùa

    Trong một hệ thống năng lượng lý tưởng, chúng ta sẽ sử dụng năng lượng mặt trời dư thừa được sản xuất vào mùa hè để đáp ứng nhu cầu sưởi ấm gia tăng vào mùa đông. Lưu trữ một lượng lớn điện năng trong thời gian vài tháng vẫn chưa khả thi về mặt tài chính, nhưng có một cách để chuyển ánh nắng mùa hè sang các tháng mùa đông: dự trữ nhiệt năng. Guidati cho biết: “Công nghệ tiết kiệm chi phí đã có sẵn và nó được thiết lập tốt ở các quốc gia như Đan Mạch. Tuy nhiên, việc lưu trữ năng lượng nhiệt vẫn là một chủ đề tương đối bị bỏ quên ở Thụy Sĩ.

    Công nghệ lưu trữ năng lượng nhiệt theo mùa (STES) thu nhiệt vào mùa hè và giải phóng vào mùa đông. Nó đòi hỏi các bể chứa nhiệt lớn như bồn, bể chứa hoặc các lớp chứa nước dưới lòng đất. Những nơi này dự trữ nước ấm được làm nóng vào mùa hè bằng máy bơm nhiệt và năng lượng mặt trời dư thừa. Bằng cách chuyển sản xuất nhiệt sang các tháng mùa hè, các hệ thống STES giảm nhu cầu điện vào mùa đông và giúp giảm chênh lệch năng lượng. Guidati tin rằng việc lưu trữ năng lượng nhiệt sẽ đóng một vai trò quan trọng ở Thụy Sĩ trong tương lai.

    Lưu trữ trong các tàu sân bay năng lượng

    Chỉ có một cách để lưu trữ điện vô thời hạn, ít nhất là trong tương lai gần. Guidati nói: “Nếu chúng ta đã đến một thời điểm nào đó vào mùa hè mà chúng ta đã sử dụng hết các phương án lưu trữ ngắn hạn mà vẫn còn dư điện, thì — và chỉ khi đó — chúng ta nên xem xét chuyển nó thành một vật mang năng lượng dự trữ. " Tất nhiên, anh ấy đang đề cập đến cuộc tranh luận lớn về hydro.

    Ý tưởng là sử dụng nguồn điện dư thừa để điện phân nước thành hydro và oxy. Sau đó, hydro có thể được lưu trữ ở dạng thích hợp và chuyển đổi trở lại thành nhiệt và điện vào mùa đông bằng tuabin khí hoặc pin nhiên liệu. Ngoài ra, hydro có thể được kết hợp với CO2 bị thu giữ để tạo ra mêtan tổng hợp. Điều này không chỉ có mật độ năng lượng cao hơn mà còn có thể được cấp trực tiếp vào lưới khí hiện có. Chỉ cần một bước bổ sung là có thể có được nhiên liệu lỏng trung tính cacbon cho hàng không hoặc vận chuyển.

    Hug nói: “Chưa có phương pháp nào trong số này được thiết lập và nhiều phương pháp không khả thi về mặt tài chính. Syngases chắc chắn có thể đóng vai trò như một phương tiện lưu trữ lâu dài cho năng lượng mặt trời được sản xuất vào mùa hè, nhưng hầu hết các phương pháp được sử dụng để chuyển đổi chúng trở lại thành nhiệt và điện đều không hiệu quả. "Cách hiệu quả nhất để sử dụng điện dư thừa 

    Hug nói, đó là chuyển trực tiếp nó sang một số kênh khác như sạc xe điện.

    Pin trọng lực và bộ lưu trữ năng lượng khí nén

    Khi nói đến dự trữ năng lượng ngắn hạn, các nhà máy thủy điện tích năng và pin không phải là lựa chọn duy nhất. Pin trọng lực lưu trữ năng lượng tiềm năng và sau đó chuyển nó thành điện năng, giống như các hệ thống lưu trữ được bơm. Nhưng thay vì sử dụng nước, chúng tích trữ năng lượng tiềm tàng trong một khối lượng được cần cẩu nâng lên và hạ xuống.

    Hệ thống lưu trữ năng lượng khí nén là một giải pháp thay thế khác, mặc dù một hệ thống kém hiệu quả hơn một chút. Chúng hoạt động bằng cách bơm không khí vào bình chứa hoặc bình để tạo ra khí nén; điều này sau đó có thể được sử dụng để điều khiển tuabin khí để nhanh chóng bù đắp cho sự mất cân bằng tải trong lưới điện. Mặc dù một lượng nhiệt nhất định bị mất trong quá trình nén, phần lớn nhiệt được tạo ra có thể được thu hồi bằng cách lưu trữ và cung cấp lại khi dỡ hàng.

    Một lựa chọn hiệu quả hơn - nhưng cũng đắt hơn - là bánh đà: chúng gần giống với pin hơn về mặt dung lượng, nhưng chúng lưu trữ năng lượng dưới dạng động năng quay chỉ trong vài phút tại một thời điểm, một lần nữa để giúp ổn định điện năng lưới.

    Mạng điện thông minh

    Tất cả các nhà nghiên cứu đều muốn nhấn mạnh rằng hệ thống lưu trữ vật lý không phải là lựa chọn duy nhất. Ngoài ra còn có các cách tiếp cận khác hoạt động gián tiếp như lưu trữ và giúp làm cho hệ thống linh hoạt hơn. Ví dụ, lưới điện được số hóa và tự động hóa có thể giám sát việc phát điện và tiêu thụ trong thời gian thực để sử dụng tốt nhất các nguồn tài nguyên sẵn có.

    Chuyên gia lưới điện Hug cho biết: “Trong tương lai, điều khiển lưới điện thông minh sẽ cho phép chúng tôi vận hành các mạng lưới điện gần với giới hạn tối đa của chúng. Nếu thực hiện thành công, điều này sẽ làm cho hệ thống hoạt động hiệu quả hơn và giảm nhu cầu dự trữ hoạt động.

    Nhu cầu cũng phải trở nên linh hoạt hơn để chúng ta có thể tận dụng tối đa nguồn điện có sẵn tại bất kỳ thời điểm nào. Guidati cho biết, quản lý phụ tải thông minh có thể giúp giảm nhu cầu lưu trữ điện, trích dẫn ví dụ về tính di động điện tử: "Xe điện là loại pin di động có thể giúp hấp thụ đỉnh cao trong quá trình tạo quang điện vào ban ngày." Điều này đòi hỏi các trạm thu phí phải được triển khai ở những vị trí mà các phương tiện thường lưu thông trong ngày, chẳng hạn như nơi làm việc, bãi đậu xe và bãi đậu xe gần trung tâm thành phố.

    Năng lượng nhập khẩu

    Theo tính toán của ESC, Thụy Sĩ cũng sẽ cần phải mở rộng sản xuất điện vào mùa đông. Ngoài việc xây dựng dự trữ thủy điện, điều này cũng có nghĩa là đầu tư vào các nhà máy quang điện trên núi cao, địa nhiệt hoặc các nhà máy điện chạy bằng khí đốt hoạt động bằng khí sinh học hoặc khí tổng hợp. Tuy nhiên, Hug bác bỏ ý tưởng tự cung tự cấp, bởi vì bất kỳ nỗ lực nào của Thụy Sĩ để đáp ứng tất cả các nhu cầu về điện của chính họ sẽ vừa không hiệu quả vừa cực kỳ tốn kém.

    Do đó, Thụy Sĩ sẽ tiếp tục sản xuất ít điện hơn nhu cầu, đồng nghĩa với việc tiếp tục phụ thuộc vào năng lượng nhập khẩu. Hug nói: “Các mô hình của chúng tôi cho thấy một hệ thống năng lượng an toàn và giá cả phải chăng cũng đòi hỏi sự chuyển tải điện năng thông suốt và hiệu quả đến và từ các quốc gia lân cận.

    Không giống như Thụy Sĩ, Bắc Âu có rất nhiều điện vào mùa đông vì các quốc gia như Đan Mạch đã đầu tư rất nhiều vào sản xuất điện gió, cao điểm vào mùa đông. Do đó, Thụy Sĩ có thể nhập khẩu điện gió vào mùa đông và xuất khẩu điện mặt trời dưới dạng thủy điện tích năng vào mùa hè để nhanh chóng điều chỉnh sự mất cân bằng phụ tải trong lưới điện.

    Đây là một cách tiếp cận hợp lý vì mọi người đều có lợi khi các quốc gia cân bằng các công suất phát điện khác nhau của họ thông qua kinh doanh điện. Tuy nhiên, việc thiếu một hiệp định về điện khiến việc mua bán điện xuyên biên giới với EU gặp nhiều khó khăn. Hug nói: “Đó là lý do tại sao việc tiếp cận thị trường điện châu Âu có quy định sẽ là một bước tiến quan trọng đối với Thụy Sĩ.

    Nếu muốn chuyển đổi thành công sang năng lượng tái tạo, Thụy Sĩ sẽ không chỉ cần sự kết hợp đa dạng của các công nghệ mà còn cần sự kết hợp của các giải pháp từ sản xuất năng lượng phi tập trung đến các thỏa thuận thương mại quốc tế.

    Zalo
    Hotline