Từ các dòng sông băng tan chảy nhanh chóng cho đến các vụ cháy rừng kỷ lục, Alaska đang cảm nhận được tác động của sự nóng lên toàn cầu sâu sắc hơn hầu hết 48 bang phía dưới.
Theo Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, Alaska, bang có diện tích lớn nhất nước Mỹ, đang ấm lên nhanh hơn bất kỳ bang nào khác ở Mỹ. Kết quả là xói mòn bờ biển , gia tăng ảnh hưởng của bão, băng tan trên biển và tan băng vĩnh cửu, cùng nhiều tác động khác.
Diện tích rộng lớn và cảnh quan đa dạng của bang đã tạo ra những thách thức và nhu cầu năng lượng đặc biệt. Alaska không được kết nối với mạng lưới năng lượng lớn liên bang như hầu hết các bang khác. Nó bao gồm hai hệ thống truyền tải lớn hơn và hơn 150 hệ thống nhỏ, biệt lập phục vụ các cộng đồng ở vùng xa.
Alaska chủ yếu được cung cấp năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch thải ra carbon dioxide gây ra biến đổi khí hậu. Bang này nhận được khoảng 30% năng lượng từ năng lượng tái tạo, bao gồm gió, năng lượng mặt trời và nước. Để tích hợp những nguồn năng lượng không carbon này vào lưới điện trên quy mô lớn hơn, các nhà khoa học đang tìm kiếm những cách tiết kiệm chi phí để lưu trữ năng lượng nhằm cung cấp năng lượng liên tục khi năng lượng mặt trời và gió khan hiếm. Ở Alaska, mặt trời có thể chiếu sáng 24 giờ vào một số ngày hè và hầu như không chiếu sáng vào mùa đông.
Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã tiến hành một nghiên cứu nhằm xác định tiềm năng của thủy điện tích năng như một cách hiệu quả để lưu trữ lượng lớn năng lượng và cải thiện khả năng phục hồi của lưới điện trên khắp Alaska. Argonne hợp tác với Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia (NREL) của DOE cho dự án.
Các nhà khoa học ở cả hai phòng thí nghiệm đã hợp tác lập bản đồ và phân tích không gian địa lý để xác định các vị trí ở Alaska khả thi cho thủy điện tích năng. Thủy điện tích năng hiện cung cấp khoảng 93% tổng công suất lưu trữ ở Mỹ. Khoảng 1.800 địa điểm ở Alaska phù hợp để phát triển các dự án thủy điện tích năng bơm vòng kín và nhiều địa điểm khác phù hợp cho các dự án thủy điện tích năng bơm vòng hở.
Không giống như thủy điện thông thường, công nghệ thủy điện tích năng tạo ra điện khi nước được xả từ hồ chứa phía trên qua tuabin xuống hồ chứa phía dưới. Vào ban đêm, khi điện rẻ hơn và dồi dào hơn, các tuabin sẽ đảo ngược để bơm nước ngược lên hồ chứa trên cao. Năng lượng được lưu trữ và giải phóng khi cần thiết.
Vladimir Koritarov, giám đốc Trung tâm Phân tích Hệ thống Năng lượng, Môi trường và Kinh tế, cho biết: “Ở Alaska, thủy điện tích năng có khả năng tích hợp nhiều gió và mặt trời hơn vào lưới điện bằng cách lưu trữ năng lượng tái tạo dư thừa để cân bằng các giai đoạn thời tiết không liên tục”. CEEESA) thuộc bộ phận Phân tích Cơ sở hạ tầng và Hệ thống Năng lượng của Argonne. “Chúng tôi không giả định rằng các dự án sẽ được phát triển trên tất cả 1.800 địa điểm, nhưng có rất nhiều địa điểm có sẵn để phát triển tiềm năng.”
Cùng với việc giảm lượng khí thải carbon, năng lượng tái tạo có thể giảm chi phí điện do chi phí cung cấp nhiên liệu diesel cao đến các vùng sâu vùng xa của Alaska. Điện ở Alaska thuộc hàng đắt nhất cả nước. Người dân ở nông thôn phải trả gấp ba đến bốn lần so với người sống ở thành thị.
Alaska cần lưu trữ năng lượng ngắn hạn và dài hạn
Các nhà nghiên cứu của Argonne đã đánh giá tiềm năng thủy điện tích năng trong hệ thống Railbelt tích hợp của Alaska. Lưới truyền tải bao gồm năm tiện ích công cộng được quản lý kéo dài từ các thành phố Fairbanks đến Anchorage và Bán đảo Kenai. Khoảng 80% điện năng của Railbelt đến từ khí đốt tự nhiên, loại khí thải ra carbon dioxide.
Các nhà khoa học của Argonne đã tạo ra các mô hình chi tiết bằng cách sử dụng A-LEAF (Khung phân tích điện các-bon thấp của Argonne), một khung mô phỏng tích hợp quy mô quốc gia để lập kế hoạch và vận hành hệ thống điện. Các nhà khoa học đã nghiên cứu các xu hướng truyền tải năng lượng trong quá khứ và hiện tại, đồng thời phân tích mức tăng trưởng tổng thể về nhu cầu điện dự kiến trong 25 năm tới. A-LEAF cũng cân nhắc việc ngừng sử dụng các máy phát điện hiện có khi chúng đạt đến tuổi thọ kinh tế.
"Một trong những phát hiện quan trọng của mô hình A-LEAF là hệ thống Railbelt sẽ cần cả bộ lưu trữ năng lượng ngắn hạn và dài hạn trong tương lai. Bộ lưu trữ đó sẽ cân bằng sự biến đổi trong hoạt động của việc tạo ra gió và mặt trời, đồng thời cung cấp độ tin cậy và khả năng dự phòng trong thời gian dài hơn", Koritarov nói.
Thủy điện tích năng cung cấp khoảng 10 giờ lưu trữ năng lượng trở lên. Nghiên cứu cho thấy pin lithium-ion khả thi để lưu trữ năng lượng ngắn hạn (bốn giờ) trong hệ thống Railbelt.
Các nhà khoa học NREL đã đánh giá các khu vực hẻo lánh của Alaska được cung cấp năng lượng từ các lưới điện nhỏ biệt lập, hay còn gọi là "lưới điện siêu nhỏ". Sử dụng mô hình HOMER (Mô hình tối ưu hóa lai cho năng lượng tái tạo điện), các nhà nghiên cứu đã phân tích khả năng tồn tại của các dự án lưu trữ bơm nhỏ ở các cộng đồng nông thôn có ít nhất 250 cư dân trở lên. Nhóm đã xác định 18 cộng đồng ở vùng sâu vùng xa có tiềm năng thực hiện các dự án lưu trữ bơm nhỏ hơn. Các cộng đồng đáp ứng một số tiêu chí bao gồm quy mô dân số.
Các nhà khoa học xác định rằng trong hầu hết các trường hợp, thủy điện tích năng có thể không khả thi về mặt kinh tế đối với các vùng sâu vùng xa do chi phí đầu tư cao cho các dự án thủy điện tích năng quy mô nhỏ. Việc lưu trữ bằng pin lithium-ion có thể mang lại lợi ích kinh tế hơn ở các vùng nông thôn đang tìm cách giảm chi phí điện nhưng sẽ không mang lại khả năng lưu trữ lâu hơn một cách kinh tế.
Rebecca Meadows, kỹ sư cao cấp của NREL cho biết: “Ngoài việc xác định các cộng đồng ở vùng sâu vùng xa có nguồn tài nguyên và đặc điểm thủy điện tích năng tối ưu, nghiên cứu còn bao gồm phân tích độ nhạy về chi phí vốn thủy điện tích năng và giá nhiên liệu diesel”.
"Mục tiêu là xác định tại thời điểm nào các dự án thủy điện tích năng được bơm quy mô phân tán có thể trở nên khả thi về mặt kinh tế. Đối với các cộng đồng vùng sâu vùng xa lớn hơn với chi phí dầu diesel cao hơn, kết quả cho thấy thủy điện tích năng được bơm có thể là một lựa chọn hiệu quả về mặt chi phí tùy thuộc vào những cân nhắc cụ thể tại địa điểm như như nguồn tài nguyên tái tạo và khả năng xây dựng."
Đưa dự án thủy điện tích năng vào hoạt động
Cùng với việc xác nhận việc sử dụng thủy điện tích năng như một công nghệ khả thi để giảm lượng khí thải carbon, nghiên cứu của Argonne-NREL đưa ra hướng dẫn về phát triển các chính sách và quy định về năng lượng sạch cũng như đưa ra quyết định đầu tư.
Những dự án như vậy cũng có thể bơm đô la vào nền kinh tế Alaska. Koritarov cho biết, các nhà phát triển đang tìm hiểu về tiềm năng phát triển thủy điện tích năng tại bang này.
Argonne, người đã mang lại kiến thức chuyên môn sâu rộng cho dự án, đã đưa ra cuốn sách hướng dẫn do DOE tài trợ năm 2021 về cách định giá các dự án thủy điện tích năng.
Nghiên cứu Argonne-NREL được thực hiện theo sáng kiến HydroWIRES (Đổi mới nước cho hệ thống điện có khả năng phục hồi) của DOE để hiểu, hỗ trợ và cải thiện những đóng góp của thủy điện và thủy điện tích năng đối với độ tin cậy, khả năng phục hồi và tích hợp trong hệ thống điện đang phát triển nhanh chóng của Hoa Kỳ
