Trong một mạng lưới điện carbon thấp trong tương lai được thống trị bởi năng lượng mặt trời và gió không liên tục , chúng ta sẽ cần các công nghệ để lưu trữ năng lượng khi năng lượng dồi dào và cung cấp năng lượng trở lại lưới điện khi không có. Hiện tại, pin lithium-ion và thủy điện được bơm đảm nhiệm phần lớn công việc lưu trữ năng lượng này và dự kiến sẽ thống trị trong tương lai, cùng với pin nhiên liệu hydro. Một nhóm các nhà khoa học quốc tế gần đây đã đề xuất một giải pháp sáng tạo và tháo vát khác liên quan đến việc tái sử dụng các mỏ cũ: Kho lưu trữ năng lượng trọng lực dưới lòng đất (UGES). Họ phác thảo ý tưởng trên tạp chí Năng lượng .
Xuống hang thỏ
UGES liên quan đến việc hạ một lượng lớn cát được chứa trong các thùng chứa gắn với cáp trung tâm xuống một đường hầm sâu dưới lòng đất. Khi cát dần dần rơi xuống, dây cáp kèm theo sẽ quay các rô-to cung cấp năng lượng cho các máy phát điện khác nhau, do đó tạo ra điện. Quá trình này có thể được đảo ngược để lưu trữ năng lượng khi có quá nhiều điện tái tạo trong lưới điện. Cát được nâng trở lại đỉnh của thiết bị và chất thành đống trên mặt đất.
Hệ thống lưu trữ năng lượng trọng lực ngầm: Sơ đồ các phần hệ thống khác nhau. ( Tín dụng : JD Hunt và cộng sự, Năng lượng , 2023)
Điều khiến UGES khác biệt so với các giải pháp lưu trữ năng lượng hấp dẫn khác được cung cấp bởi các công ty khởi nghiệp khác nhau là vị trí. Các nhà nghiên cứu đề xuất lắp đặt UGES trong các hầm mỏ bỏ hoang, vốn rất nhiều.
“Ít nhất 50.000 trong số chúng được ước tính tồn tại ở Úc; hơn 550.000 đã được tìm thấy ở Hoa Kỳ, bao gồm hơn 100.000 gây ra rủi ro môi trường đáng kể; và hơn 10.000 được biết là tồn tại ở Canada,” các tác giả đã viết.
Họ ước tính tiềm năng lưu trữ năng lượng toàn cầu của UGES là từ 7 đến 70 Terawatt-giờ (1 Terawatt = 1.000 Gigawatt). Nói cách khác, nó tương đương với năng lượng được lưu trữ trong 87,5 đến 875 triệu pin xe điện. Chỉ 56 Gigawatt giờ lưu trữ năng lượng đã trực tuyến trên toàn cầu vào cuối năm 2021.
Sản lượng điện của UGES — nghĩa là những gì nó có thể cung cấp ngay lập tức cho lưới điện — chủ yếu thay đổi theo chiều dài của trục mỏ dưới lòng đất và lượng cát được sử dụng. Một dự án trong một mỏ cũ chỉ sâu 200 mét, sử dụng 4 triệu tấn cát có thể chỉ cung cấp 10 Megawatt cho lưới điện, đủ để cung cấp điện cho khoảng 5.000 đến 8.000 ngôi nhà, trong khi một dự án ở hầm sâu 1000 mét sử dụng 40 triệu tấn cát có thể tạo ra tới 200 Megawatt.
Chia sẻ Cách biến các mỏ than thành “pin” khổng lồ để lưu trữ năng lượng trên LinkedIn
Trong một mạng lưới điện carbon thấp trong tương lai được thống trị bởi năng lượng mặt trời và gió không liên tục , chúng ta sẽ cần các công nghệ để lưu trữ năng lượng khi năng lượng dồi dào và cung cấp năng lượng trở lại lưới điện khi không có. Hiện tại, pin lithium-ion và thủy điện được bơm đảm nhiệm phần lớn công việc lưu trữ năng lượng này và dự kiến sẽ thống trị trong tương lai, cùng với pin nhiên liệu hydro. Một nhóm các nhà khoa học quốc tế gần đây đã đề xuất một giải pháp sáng tạo và tháo vát khác liên quan đến việc tái sử dụng các mỏ cũ: Kho lưu trữ năng lượng trọng lực dưới lòng đất (UGES). Họ phác thảo ý tưởng trên tạp chí Năng lượng .
Xuống hang thỏ
UGES liên quan đến việc hạ một lượng lớn cát được chứa trong các thùng chứa gắn với cáp trung tâm xuống một đường hầm sâu dưới lòng đất. Khi cát dần dần rơi xuống, dây cáp kèm theo sẽ quay các rô-to cung cấp năng lượng cho các máy phát điện khác nhau, do đó tạo ra điện. Quá trình này có thể được đảo ngược để lưu trữ năng lượng khi có quá nhiều điện tái tạo trong lưới điện. Cát được nâng trở lại đỉnh của thiết bị và chất thành đống trên mặt đất.
một sơ đồ của các giai đoạn khác nhau của một nhà máy điện.
Hệ thống lưu trữ năng lượng trọng lực ngầm: Sơ đồ các phần hệ thống khác nhau. ( Tín dụng : JD Hunt và cộng sự, Năng lượng , 2023)
Điều khiến UGES khác biệt so với các giải pháp lưu trữ năng lượng hấp dẫn khác được cung cấp bởi các công ty khởi nghiệp khác nhau là vị trí. Các nhà nghiên cứu đề xuất lắp đặt UGES trong các hầm mỏ bỏ hoang, vốn rất nhiều.
“Ít nhất 50.000 trong số chúng được ước tính tồn tại ở Úc; hơn 550.000 đã được tìm thấy ở Hoa Kỳ, bao gồm hơn 100.000 gây ra rủi ro môi trường đáng kể; và hơn 10.000 được biết là tồn tại ở Canada,” các tác giả đã viết.
Họ ước tính tiềm năng lưu trữ năng lượng toàn cầu của UGES là từ 7 đến 70 Terawatt-giờ (1 Terawatt = 1.000 Gigawatt). Nói cách khác, nó tương đương với năng lượng được lưu trữ trong 87,5 đến 875 triệu pin xe điện. Chỉ 56 Gigawatt giờ lưu trữ năng lượng đã trực tuyến trên toàn cầu vào cuối năm 2021.
Sản lượng điện của UGES — nghĩa là những gì nó có thể cung cấp ngay lập tức cho lưới điện — chủ yếu thay đổi theo chiều dài của trục mỏ dưới lòng đất và lượng cát được sử dụng. Một dự án trong một mỏ cũ chỉ sâu 200 mét, sử dụng 4 triệu tấn cát có thể chỉ cung cấp 10 Megawatt cho lưới điện, đủ để cung cấp điện cho khoảng 5.000 đến 8.000 ngôi nhà, trong khi một dự án ở hầm sâu 1000 mét sử dụng 40 triệu tấn cát có thể tạo ra tới 200 Megawatt.
Một mỏ sâu hơn sẽ không chỉ sản xuất và lưu trữ nhiều năng lượng hơn mà còn tiết kiệm chi phí hơn. Các tác giả tính toán chi phí lưu trữ năng lượng thay đổi từ $1 đến $10 mỗi kilowatt giờ đối với UGES, cực kỳ rẻ so với pin lithium-ion, hiện có giá khoảng $150 /kWh . Tuy nhiên, giá pin tiếp tục giảm khi các chất hóa học được cải thiện.
mỏ thủ công
Hạn chế lớn nhất của UGES là việc sử dụng nhiều cát - một nguyên liệu thô dường như phổ biến nhưng thực sự có thể bị thiếu hụt vào cuối thế kỷ này - và công suất điện khiêm tốn của nó - lượng điện mà nó có thể cung cấp cho lưới điện bất kỳ lúc nào. Một nhà máy UGES cũng có thể mất vài ngày, vài tuần hoặc thậm chí vài tháng tùy thuộc vào lượng cát được sử dụng và độ sâu để 'sạc lại' hoàn toàn – nghĩa là di chuyển cát từ dưới cùng của trục lên trên cùng.
Mặt khác, khả năng lưu trữ năng lượng với giá rẻ trong nhiều tuần, nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm — hoặc có thể là vô thời hạn — là một điểm cộng rất lớn. Cát không bốc hơi như nước từ hồ chứa thủy điện được bơm lên hoặc tiêu tan như năng lượng xả dần từ pin. Một lợi ích tuyệt vời khác? UGES có thể hồi sinh các cộng đồng than đá khi các mỏ tiếp tục bị đóng cửa trên toàn thế giới .
Các nhà nghiên cứu viết: “Thế giới đang chuyển đổi hệ thống năng lượng của mình, giảm một nửa việc khai thác than cho các mục đích liên quan đến năng lượng. “UGES có thể cung cấp một nguồn doanh thu thay thế cho những người làm việc trong hầm mỏ và cộng đồng.”
Khi các nhà lập kế hoạch và hoạch định chính sách tìm cách thiết kế một lưới điện không carbon, họ sẽ yêu cầu sự kết hợp đa dạng giữa các giải pháp phát điện và lưu trữ năng lượng để tối đa hóa sự ổn định và giảm thiểu rủi ro mất điện. UGES rất có thể tham gia vào tương lai đó.