Trong những thập kỷ tới, các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió sẽ ngày càng chiếm ưu thế trong lưới điện truyền thống. Bởi vì những nguồn đó chỉ tạo ra điện khi trời nắng hoặc có gió, nên việc đảm bảo lưới điện đáng tin cậy—lưới điện có thể cung cấp điện 24/7—cần một số phương tiện lưu trữ điện khi nguồn cung cấp dồi dào và phân phối sau khi không có. Và bởi vì có thể có nhiều giờ và thậm chí nhiều ngày không có gió, chẳng hạn, một số thiết bị lưu trữ năng lượng phải có khả năng lưu trữ một lượng điện lớn trong một thời gian dài.
Một công nghệ hứa hẹn để thực hiện nhiệm vụ đó là pin dòng chảy , một thiết bị điện hóa có thể lưu trữ năng lượng hàng trăm megawatt giờ—đủ để duy trì hoạt động của hàng nghìn ngôi nhà trong nhiều giờ chỉ với một lần sạc. Pin lưu lượng có tiềm năng kéo dài tuổi thọ và chi phí thấp một phần là do thiết kế khác thường của chúng. Trong pin hàng ngày được sử dụng trong điện thoại và xe điện, vật liệu lưu trữ điện tích là lớp phủ rắn trên các điện cực.
Fikile Brushett, phó giáo sư kỹ thuật hóa học tại MIT cho biết: “Pin dòng chảy lấy các vật liệu lưu trữ điện tích ở trạng thái rắn đó, hòa tan chúng trong dung dịch điện phân, sau đó bơm dung dịch qua các điện cực”. Thiết kế đó mang lại nhiều lợi ích và đặt ra một số thách thức.
Pin lưu lượng: Thiết kế và vận hành
Pin lưu lượng chứa hai chất trải qua các phản ứng điện hóa trong đó các electron được chuyển từ chất này sang chất khác. Khi pin đang được sạc, sự chuyển dịch của các electron buộc hai chất này chuyển sang trạng thái "kém thuận lợi hơn về mặt năng lượng" vì nó tích trữ thêm năng lượng. (Hãy nghĩ về một quả bóng được đẩy lên đỉnh đồi.) Khi pin đang được xả, sự chuyển dịch của các electron sẽ chuyển các chất sang trạng thái thuận lợi hơn về mặt năng lượng khi năng lượng dự trữ được giải phóng. (Quả bóng được đặt tự do và được phép lăn xuống đồi.)
Cốt lõi của pin lưu lượng là hai bể lớn chứa chất điện phân lỏng, một cực dương và một cực âm. Mỗi chất điện phân chứa "các loại hoạt tính" hòa tan—các nguyên tử hoặc phân tử sẽ phản ứng điện hóa để giải phóng hoặc lưu trữ các điện tử. Trong quá trình sạc, một loài bị "oxy hóa" (nhả electron) và loài kia bị "khử" (thu electron); trong quá trình phóng điện, chúng hoán đổi vai trò. Máy bơm được sử dụng để luân chuyển hai chất điện phân qua các điện cực riêng biệt, mỗi điện cực được làm bằng vật liệu xốp cung cấp nhiều bề mặt mà trên đó các loài hoạt động có thể phản ứng. Một lớp màng mỏng giữa các điện cực liền kề giữ cho hai chất điện phân không tiếp xúc trực tiếp và có thể phản ứng, điều này sẽ giải phóng nhiệt và lãng phí năng lượng mà lẽ ra có thể được sử dụng trên lưới điện.
Khi pin được xả, các loại hoạt động ở cực âm bị oxy hóa, giải phóng các electron chạy qua mạch ngoài sang cực dương, khiến cho các loại ở đó bị giảm. Dòng điện tử đó qua mạch ngoài có thể cung cấp năng lượng cho lưới điện. Ngoài sự chuyển động của các electron, các ion "hỗ trợ"—các loại tích điện khác trong chất điện phân—đi qua màng để giúp hoàn thành phản ứng và giữ cho hệ thống trung hòa về điện.
Sau khi tất cả các loài đã phản ứng và pin được xả hết, hệ thống có thể được sạc lại. Trong quá trình đó, điện từ tua-bin gió, trang trại năng lượng mặt trời và các nguồn phát điện khác thúc đẩy các phản ứng ngược lại. Các loài hoạt động ở cực dương bị oxy hóa để giải phóng các electron trở lại qua dây dẫn đến cực âm, nơi chúng nối lại các loài hoạt động ban đầu của chúng. Pin hiện đã được thiết lập lại và sẵn sàng phát thêm điện khi cần. Brushett cho biết thêm, "Pin có thể được lặp đi lặp lại theo cách này trong nhiều năm liên tục."
Lợi ích và thách thức
Ưu điểm chính của thiết kế hệ thống này là nơi lưu trữ năng lượng (các bể chứa) được tách biệt khỏi nơi xảy ra các phản ứng điện hóa (cái gọi là lò phản ứng, bao gồm các điện cực xốp và màng). Do đó, dung lượng của pin—có thể lưu trữ bao nhiêu năng lượng—và công suất của pin—tốc độ mà pin có thể được sạc và xả—có thể được điều chỉnh riêng biệt. Kara Rodby Ph.D. '22, cựu thành viên phòng thí nghiệm của Brushett và hiện là nhà phân tích kỹ thuật tại Volta Energy Technologies. "Và nếu tôi muốn tăng sức mạnh của nó, tôi có thể tăng kích thước của lò phản ứng." Tính linh hoạt đó cho phép thiết kế pin lưu lượng phù hợp với một ứng dụng cụ thể và sửa đổi nó nếu nhu cầu thay đổi trong tương lai.
Tuy nhiên, chất điện phân trong pin lưu lượng có thể xuống cấp theo thời gian và quá trình sử dụng. Mặc dù tất cả các loại pin đều bị xuống cấp chất điện phân, nhưng đặc biệt là pin dòng chảy bị xuống cấp ở dạng tương đối nhanh hơn được gọi là "phân tần". Màng được thiết kế để cho phép các ion hỗ trợ nhỏ đi qua và chặn các loài hoạt động lớn hơn, nhưng trên thực tế, nó không có tính chọn lọc hoàn hảo. Một số loài hoạt động trong một bể có thể lẻn qua (hoặc "vượt qua") và trộn với chất điện phân trong bể kia. Hai loài hoạt động sau đó có thể phản ứng hóa học, xả pin một cách hiệu quả. Ngay cả khi chúng không hoạt động, một số loài đang hoạt động không còn ở trong bể đầu tiên mà nó thuộc về, vì vậy dung lượng tổng thể của pin sẽ thấp hơn.
Việc phục hồi khả năng bị mất do phân tần đòi hỏi phải có một số biện pháp khắc phục—ví dụ: thay thế chất điện phân trong một hoặc cả hai bể hoặc tìm cách thiết lập lại "trạng thái oxy hóa" của các loài hoạt động trong hai bể. (Trạng thái oxy hóa là một con số được gán cho một nguyên tử hoặc hợp chất để biết liệu nó có nhiều hay ít electron hơn so với khi nó ở trạng thái trung tính.) Việc khắc phục như vậy dễ dàng hơn—và do đó tiết kiệm chi phí hơn—được thực hiện trong pin lưu lượng bởi vì tất cả các thành phần đều dễ dàng truy cập hơn so với trong pin thông thường.
Trạng thái của nghệ thuật: Vanadi
Một yếu tố quan trọng trong việc thiết kế pin lưu lượng là hóa chất được chọn. Hai chất điện phân có thể chứa các hóa chất khác nhau, nhưng ngày nay thiết lập được sử dụng rộng rãi nhất có vanadi ở các trạng thái oxy hóa khác nhau ở hai bên. Sự sắp xếp đó giải quyết hai thách thức lớn với pin lưu lượng.
Đầu tiên, vanadi không bị phân hủy. "Nếu bạn cho 100 gam vanadi vào pin và quay lại sau 100 năm, bạn sẽ có thể thu hồi 100 gam vanadi đó—miễn là pin không bị rò rỉ vật lý nào đó," Brushett nói. .
Và thứ hai, nếu một số vanadi trong một bể chảy qua màng sang phía bên kia, thì không có sự nhiễm chéo vĩnh viễn giữa các chất điện phân, chỉ có sự thay đổi trạng thái oxy hóa, điều này dễ dàng được khắc phục bằng cách cân bằng lại thể tích chất điện phân và khôi phục trạng thái oxy hóa thông qua một bước điện tích nhỏ. Hầu hết các hệ thống thương mại ngày nay bao gồm một đường ống nối hai bể chứa vanadi tự động chuyển một lượng chất điện phân nhất định từ bể này sang bể kia khi cả hai mất cân bằng.
Tuy nhiên, khi lưới điện ngày càng bị chi phối bởi năng lượng tái tạo, sẽ cần ngày càng nhiều pin lưu lượng để cung cấp khả năng lưu trữ trong thời gian dài. Nhu cầu về vanadi sẽ tăng lên, và đó sẽ là một vấn đề. Rodby nói: “Vanadium được tìm thấy trên khắp thế giới nhưng với lượng loãng và rất khó chiết xuất nó. "Vì vậy, có những nơi hạn chế - chủ yếu ở Nga, Trung Quốc và Nam Phi - nơi nó được sản xuất và chuỗi cung ứng không đáng tin cậy." Kết quả là, giá vanadi vừa cao vừa cực kỳ biến động—một trở ngại cho việc triển khai rộng rãi pin lưu lượng vanadi.
Ngoài vanadi
Khi đó câu hỏi trở thành: Nếu không phải là vanadi thì là gì? Các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đang cố gắng trả lời câu hỏi đó và nhiều người đang tập trung vào các hóa chất đầy triển vọng sử dụng các vật liệu phong phú hơn và ít tốn kém hơn vanadi. Nhưng nó không dễ dàng như vậy, Rodby lưu ý. Mặc dù các hóa chất khác có thể cung cấp chi phí vốn ban đầu thấp hơn, nhưng chúng có thể đắt hơn để vận hành theo thời gian. Họ có thể yêu cầu bảo dưỡng định kỳ để trẻ hóa một hoặc cả hai chất điện phân của họ. Rodby nói: “Bạn thậm chí có thể cần phải thay thế chúng, vì vậy về cơ bản, bạn đang phải chịu chi phí vốn ban đầu (thấp) đó hết lần này đến lần khác”.
Thật vậy, rất khó để so sánh tính kinh tế của các lựa chọn khác nhau vì "có rất nhiều biến số phụ thuộc," Brushett nói. "Pin lưu lượng là một hệ thống điện hóa, có nghĩa là có nhiều thành phần hoạt động cùng nhau để thiết bị hoạt động. Do đó, nếu bạn đang cố gắng cải thiện một hệ thống—hiệu suất, chi phí, bất cứ điều gì—điều đó rất khó khăn bởi vì khi bạn chạm vào một thứ, năm thứ khác thay đổi."
Vì vậy, làm thế nào chúng ta có thể so sánh các hóa chất mới và đang nổi lên này - theo một cách có ý nghĩa - với các hệ thống vanadi ngày nay? Và làm thế nào để chúng ta so sánh chúng với nhau, để chúng ta biết cái nào hứa hẹn hơn và những cạm bẫy tiềm tàng của mỗi cái là gì? Brushett cho biết: “Việc giải quyết những câu hỏi đó có thể giúp chúng tôi quyết định nên tập trung nghiên cứu vào đâu và đầu tư tiền cho nghiên cứu và phát triển của mình vào đâu ngay bây giờ”.
Mô hình kinh tế kỹ thuật như một hướng dẫn
Một cách tốt để hiểu và đánh giá khả năng kinh tế của các công nghệ năng lượng mới và mới nổi là sử dụng mô hình kinh tế kỹ thuật. Với một số mô hình nhất định, người ta có thể tính toán chi phí vốn của một hệ thống đã xác định và—dựa trên hiệu suất dự kiến của hệ thống—chi phí vận hành theo thời gian, tạo ra tổng chi phí được chiết khấu trong suốt vòng đời của hệ thống. Kết quả đó cho phép người mua tiềm năng so sánh các tùy chọn trên cơ sở "chi phí lưu trữ được điều chỉnh".
Sử dụng cách tiếp cận đó, Rodby đã phát triển một khuôn khổ để ước tính chi phí quy dẫn cho pin lưu lượng. Khung này bao gồm một mô hình vật lý động của pin theo dõi hiệu suất của nó theo thời gian, bao gồm mọi thay đổi về dung lượng lưu trữ. Do đó, chi phí vận hành được tính toán bao gồm tất cả các dịch vụ cần thiết trong nhiều thập kỷ hoạt động, bao gồm cả các bước khắc phục được thực hiện để đối phó với sự xuống cấp và giao thoa giữa các loài.
Phân tích tất cả các hóa chất có thể là không thể, vì vậy các nhà nghiên cứu tập trung vào một số lớp nhất định. Đầu tiên, họ thu hẹp các lựa chọn xuống những lựa chọn trong đó các loài hoạt động được hòa tan trong nước. Rodby cho biết: “Các hệ thống nước đang tiến xa nhất và có nhiều khả năng thành công nhất về mặt thương mại. Tiếp theo, họ giới hạn các phân tích của mình đối với các hóa chất "không đối xứng"; nghĩa là, các thiết lập sử dụng các vật liệu khác nhau trong hai bể. (Như Brushett giải thích, vanadi khác thường ở chỗ việc sử dụng cùng một vật liệu "gốc" trong cả hai bể hiếm khi khả thi.) Cuối cùng, họ chia các khả năng thành hai loại: loài có tuổi thọ hữu hạn và loài có tuổi thọ vô hạn; nghĩa là, những thứ xuống cấp theo thời gian và những thứ không.
Kết quả từ các phân tích của họ không rõ ràng; không có một chất hóa học cụ thể nào dẫn đầu đàn. Nhưng họ cung cấp các hướng dẫn chung để lựa chọn và theo đuổi các tùy chọn khác nhau.
Vật liệu có tuổi thọ hữu hạn
Trong khi vanadi là một nguyên tố đơn lẻ, các vật liệu có tuổi thọ hữu hạn thường là các phân tử hữu cơ được tạo thành từ nhiều nguyên tố, trong đó có carbon. Một lợi thế của các phân tử hữu cơ là chúng có thể được tổng hợp trong phòng thí nghiệm và ở quy mô công nghiệp, và cấu trúc có thể được thay đổi để phù hợp với một chức năng cụ thể. Ví dụ, phân tử có thể được hòa tan nhiều hơn, do đó sẽ có nhiều chất điện phân hơn và mật độ năng lượng của hệ thống sẽ lớn hơn; hoặc nó có thể được làm lớn hơn để nó không lọt qua màng và đi qua phía bên kia. Cuối cùng, các phân tử hữu cơ có thể được tạo ra từ các nguyên tố đơn giản, phong phú, chi phí thấp, thậm chí có thể là các dòng chất thải từ các ngành công nghiệp khác.
Mặc dù những tính năng hấp dẫn đó, có hai mối quan tâm. Đầu tiên, các phân tử hữu cơ có thể cần phải được tạo ra trong một nhà máy hóa chất và việc nâng cấp các tiền chất chi phí thấp khi cần thiết có thể trở nên đắt đỏ hơn mong muốn. Thứ hai, những phân tử này là những cấu trúc hóa học lớn không phải lúc nào cũng ổn định, vì vậy chúng dễ bị phân hủy. Rodby nói: “Vì vậy, cùng với sự giao thoa, giờ đây bạn có một cơ chế xuống cấp mới xảy ra theo thời gian. “Hơn nữa, bạn có thể tìm ra quá trình phân hủy và cách đảo ngược nó trong một loại phân tử hữu cơ, nhưng quá trình này có thể hoàn toàn khác trong phân tử tiếp theo mà bạn nghiên cứu, khiến việc khám phá và phát triển từng hóa chất mới đòi hỏi nỗ lực đáng kể. "
Nghiên cứu đang được tiến hành, nhưng hiện tại, Rodby và Brushett thấy khó khăn trong việc đưa ra trường hợp cho các hóa chất có tuổi thọ hữu hạn, chủ yếu dựa trên chi phí vốn của chúng. Trích dẫn các nghiên cứu đã ước tính chi phí sản xuất của những vật liệu này, Rodby tin rằng các lựa chọn hiện tại không thể được thực hiện với chi phí đủ thấp để có hiệu quả kinh tế. Rodby nói: “Chúng rẻ hơn vanadi, nhưng không đủ rẻ.
Kết quả gửi một thông điệp quan trọng tới các nhà nghiên cứu thiết kế hóa chất mới sử dụng các phân tử hữu cơ: Hãy chắc chắn xem xét các thách thức vận hành ngay từ đầu. Rodby và Brushett lưu ý rằng thường phải đến khi đi xuống "đường ống đổi mới" thì các nhà nghiên cứu mới bắt đầu giải quyết các câu hỏi thực tế liên quan đến hoạt động lâu dài của một hệ thống có vẻ đầy hứa hẹn. Nhóm MIT khuyến nghị rằng việc hiểu các cơ chế phân rã tiềm ẩn và cách chúng có thể được đảo ngược hoặc khắc phục một cách hiệu quả về mặt chi phí phải là một tiêu chí thiết kế ban đầu.
Loài có tuổi thọ vô hạn
Các loài có tuổi thọ vô hạn bao gồm các vật liệu — như vanadi — sẽ không bị phân hủy. Các ứng cử viên có khả năng nhất là các kim loại khác; ví dụ, sắt hoặc mangan. Rodby nói: “Đây là những hóa chất quy mô hàng hóa chắc chắn sẽ có chi phí thấp.
Tại đây, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng có một "không gian thiết kế" rộng lớn hơn cho các lựa chọn khả thi có thể cạnh tranh với vanadi. Nhưng vẫn còn những thách thức cần giải quyết. Mặc dù những loài này không bị phân hủy, nhưng chúng có thể gây ra phản ứng phụ khi được sử dụng trong pin. Ví dụ, nhiều kim loại xúc tác cho sự hình thành hydro, làm giảm hiệu quả và thêm một dạng tổn thất công suất khác. Mặc dù có nhiều cách để giải quyết vấn đề tiến hóa hydro, nhưng vẫn cần có một giải pháp hiệu quả và chi phí thấp cho tỷ lệ phản ứng phụ này cao.
Ngoài ra, phân tần vẫn là một vấn đề cần có các bước khắc phục. Các nhà nghiên cứu đã đánh giá hai phương pháp xử lý sự giao nhau trong các hệ thống kết hợp hai loại loài có tuổi thọ vô hạn.
Đầu tiên là "chiến lược khán giả." Ở đây, cả hai bể chứa cả hai loài đang hoạt động. Brushett giải thích: "Bạn có cùng một hỗn hợp chất điện phân ở cả hai mặt của pin, nhưng chỉ một trong số các loài hoạt động còn loài kia là khán giả." Do đó, sự phân tần có thể được khắc phục theo những cách tương tự như những cách được sử dụng trong pin lưu lượng vanadi. Hạn chế là một nửa vật liệu hoạt động trong mỗi bể không có sẵn để lưu trữ điện tích, vì vậy nó bị lãng phí. Rodby nói: “Về cơ bản, bạn đã tăng gấp đôi chi phí chất điện phân của mình trên cơ sở mỗi đơn vị năng lượng.
Phương pháp thứ hai yêu cầu tạo ra một màng có tính chọn lọc hoàn hảo: Nó chỉ cho ion hỗ trợ cần thiết để duy trì sự cân bằng điện giữa hai bên đi qua. Tuy nhiên, cách tiếp cận đó làm tăng sức đề kháng của tế bào, ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống. Ngoài ra, màng sẽ cần phải được làm bằng một vật liệu đặc biệt - chẳng hạn như composite gốm - sẽ cực kỳ đắt đỏ dựa trên các phương pháp và quy mô sản xuất hiện tại. Rodby lưu ý rằng hoạt động trên các màng như vậy đang được tiến hành, nhưng các số liệu về chi phí và hiệu suất "còn xa so với mức cần thiết để có ý nghĩa."
Thời gian là điều cốt yếu
Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh tính cấp bách của mối đe dọa biến đổi khí hậu và sự cần thiết phải có sẵn các hệ thống lưu trữ quy mô lưới điện, thời gian dài. Rodby nói: “Hiện có nhiều hóa chất đang được xem xét, nhưng chúng ta cần tập trung vào một số giải pháp thực sự có thể cạnh tranh với vanadi và có thể được triển khai sớm cũng như vận hành trong thời gian dài”.
Khuôn khổ kinh tế-kỹ thuật nhằm giúp hướng dẫn quá trình đó. Nó có thể tính toán chi phí lưu trữ theo mức cho các thiết kế cụ thể để so sánh với các hệ thống vanadi và với nhau. Nó có thể xác định những lỗ hổng kiến thức quan trọng liên quan đến hoạt động lâu dài hoặc khắc phục, từ đó xác định việc phát triển công nghệ hoặc điều tra thử nghiệm cần được ưu tiên. Và nó có thể giúp xác định liệu sự đánh đổi giữa chi phí trả trước thấp hơn và chi phí vận hành cao hơn có hợp lý trong các hóa chất thế hệ tiếp theo này hay không.
Rodby lưu ý rằng tin tốt là những tiến bộ đạt được trong nghiên cứu về một loại hóa chất của pin lưu lượng thường có thể được áp dụng cho những loại khác. Cô ấy nói: “Rất nhiều nguyên tắc học được với vanadi có thể được dịch sang các hệ thống khác. Cô ấy tin rằng lĩnh vực này đã tiến bộ không chỉ về sự hiểu biết mà còn về khả năng thiết kế các thí nghiệm giải quyết các vấn đề phổ biến đối với tất cả các loại pin lưu lượng, từ đó giúp chuẩn bị công nghệ cho vai trò quan trọng của lưu trữ quy mô lưới trong tương lai.
