Lưu trữ năng lượng tuần hoàn: Nó có ý nghĩa gì và tại sao nó lại quan trọng?
© iStock / Petmal
Justin Chiu và Felipe Gallardo từ Bộ phận Năng lượng tại Học viện Công nghệ Hoàng gia KTH thảo luận về tầm quan trọng của việc thiết lập một nền kinh tế tuần hoàn để lưu trữ năng lượng.
Dự trữ năng lượng (ES) là yếu tố quan trọng để chuyển đổi từ nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch sang một xã hội tập trung vào năng lượng tái tạo, do tính khả dụng không liên tục của nó. Tuy nhiên, việc tích hợp ES vào các thành phố và ngành công nghiệp của chúng ta theo cách tối ưu về mặt xã hội, môi trường và kinh tế công nghệ đặt ra những thách thức.
Tại Bộ phận Năng lượng của KTH, chúng tôi đang giải quyết những câu hỏi này từ quan điểm kinh tế tuần hoàn như một phần của Dự án Thông tư Phân tích Kinh tế Công nghệ về Lưu trữ Năng lượng - Phụ lục IEA Đồng điều phối, do Cơ quan Năng lượng Thụy Điển tài trợ. Như thể hiện trong Hình 1, trong dự án này, các phương pháp tiếp cận phương pháp luận tổng thể để đánh giá hiệu suất - với các thước đo sáng tạo để tối ưu hóa việc lựa chọn, định cỡ và vận hành các công nghệ ES - đang được phát triển, cũng như các mô hình kinh doanh mới tập trung đặc biệt vào vòng đời và khả năng tương tác.
Tích trữ năng lượng trong bối cảnh toàn cầu
Trong một kịch bản toàn cầu về cuộc khủng hoảng khí hậu do con người gây ra nghiêm trọng, địa chính trị phức tạp và các mối quan hệ kinh tế vĩ mô ảnh hưởng đến động lực của ma trận năng lượng toàn cầu, thì vai trò của dự trữ năng lượng như một yếu tố chính cho quá trình chuyển đổi năng lượng - có khả năng cho phép thâm nhập sâu hơn và chức năng của các nguồn năng lượng tái tạo - đã đã được thừa nhận phần lớn bởi các tổ chức quốc tế như Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA). Tuy nhiên, bất chấp sự nhiệt tình hiện tại đối với ES, khi nói đến việc phát triển dự án thực hành, một số câu hỏi vẫn còn mù mờ và khó trả lời cho các bên liên quan và các nhà hoạch định chính sách. Công nghệ ES nào nên được chọn và kích thước của nó như thế nào? Các điều kiện ranh giới ảnh hưởng đến các dự án ES về mặt kỹ thuật và kinh tế như thế nào? Làm thế nào chúng ta có thể giảm thiểu các tác động kỹ thuật, xã hội và môi trường của một dự án ES trong khi tối đa hóa các giá trị mà nó có thể tạo ra?
Hình 1: Các gói công việc của dự án: Phân tích kinh tế kỹ thuật tuần hoàn về lưu trữ năng lượng
Phó Giáo sư Tiến sĩ Justin NW Chiu và nhóm của ông tại Phòng Năng lượng của Viện Công nghệ Hoàng gia KTH đang làm việc để cung cấp một khuôn khổ rõ ràng cho các bên liên quan để trả lời những câu hỏi này thông qua dự án 'Phân tích Kinh tế Công nghệ Thông tư về Lưu trữ Năng lượng'. Dự án này cũng thể hiện sự đóng góp của Thụy Điển đối với sự hợp tác quốc tế được khởi xướng từ Nhiệm vụ 41 của IEA - Chương trình Hợp tác Công nghệ Lưu trữ Năng lượng (IEA ES TCP) 'Kinh tế về Lưu trữ Năng lượng (EcoEneSto)', nơi các nhà nghiên cứu từ Đức, Đan Mạch, Áo và Hà Lan , trong số các quốc gia khác, cộng tác. Đặc biệt, đóng góp của KTH trong Nhiệm vụ 1 tập trung vào việc đánh giá ‘Các phương pháp đánh giá kinh tế học ES’ cũ và mới từ góc độ tổng thể, tuần hoàn trong dự án quốc tế.
Mục tiêu là phát triển các phương pháp đánh giá tính kinh tế lưu trữ năng lượng để giải quyết thách thức trong việc lựa chọn, thiết kế và vận hành ES cũng như các đổi mới trong ngành và để các nhà hoạch định chính sách đánh giá toàn diện các hệ thống ES cho các kịch bản kinh doanh trong tương lai. Đối với điều này, điều cần thiết là phải cân nhắc rằng động lực kinh tế hoặc mục tiêu tối ưu hóa sẽ không chỉ là giải pháp cung cấp ít tốn kém nhất mà còn phải tính đến độ tin cậy cao, lượng khí thải carbon thấp, sự không chắc chắn về tài chính nhỏ và sự chấp nhận của xã hội toàn cầu. Các khía cạnh này hiện không thể được tối ưu hóa dựa trên các số liệu thông thường, chẳng hạn như Chi phí Dung lượng Lưu trữ được Cấp hóa, vì vậy các số liệu mới để đánh giá kinh tế ES được phát triển kết hợp tính tuần hoàn được nhúng thông qua phân tích vòng đời (LCA).
Hình 2: Đánh giá kinh tế các hệ thống lưu trữ năng lượng trong Nhiệm vụ 41 của IEA
Nền kinh tế tuần hoàn và lưu trữ năng lượng tuần hoàn
Trong bối cảnh lưu trữ năng lượng, khái niệm về nền kinh tế tuần hoàn (CE) là khá phổ biến. Như được chỉ ra bởi Kirchherr et al. (2017), “Khái niệm kinh tế chu chuyển đã tạo được động lực cho cả các học giả và các nhà thực hành. Tuy nhiên, các nhà phê bình cho rằng nó có quá nhiều ý nghĩa đối với những người khác nhau ”.
Khái niệm CE có thể bắt nguồn từ những năm 1950 (Ghisellini và cộng sự 2016). Tuy nhiên, Peace and Turner đã đề xuất một trong những khái niệm chính thức đầu tiên vào năm 1989, trong 'Kinh tế Tài nguyên và Môi trường' và kể từ đó, khái niệm này đã được sử dụng và định nghĩa lại nhiều lần.
Yuan và cộng sự. (2008) đã đưa ra một định nghĩa đơn giản dễ hiểu, nêu rõ: “Cốt lõi của CE là tuần hoàn (khép kín) của vật liệu và việc sử dụng nguyên liệu và năng lượng qua nhiều giai đoạn.”
UNIDO nêu bật bốn động lực chính của kinh tế vòng tròn: giảm tác động của môi trường, tăng thu nhập, giảm sự phụ thuộc vào tài nguyên và giảm thiểu chất thải cũng như mối tương quan giữa chúng (Hình 3).
Trong số một số định nghĩa CE có thể có, trong bối cảnh của dự án này, định nghĩa được đề xuất bởi Kircherr et al. (2017), ‘Khái niệm hóa thay đổi nền kinh tế tuần hoàn: Một phân tích gồm 114 định nghĩa, phần lớn đã được trích dẫn. Nó mô tả CE là "Một hệ thống kinh tế thay thế khái niệm" cuối vòng đời "bằng cách giảm thiểu, tái sử dụng, tái chế và thu hồi nguyên liệu trong quá trình sản xuất / phân phối và tiêu dùng." Nó tiếp tục nói: “Nó hoạt động ở cấp vi mô (sản phẩm, công ty, người tiêu dùng), cấp trung bình (các khu công nghiệp sinh thái) và cấp vĩ mô (thành phố, khu vực, quốc gia và hơn thế nữa), với mục tiêu là phát triển bền vững , do đó đồng thời tạo ra chất lượng môi trường, sự thịnh vượng kinh tế và công bằng xã hội, vì lợi ích của các thế hệ hiện tại và tương lai. Nó được kích hoạt bởi các mô hình kinh doanh mới và người tiêu dùng có trách nhiệm. ”
Trong dự án Thông tư Phân tích Kinh tế Công nghệ về Lưu trữ Năng lượng do Cơ quan Năng lượng Thụy Điển tài trợ, những trình điều khiển này hiện diện theo chiều ngang trong tất cả các gói công việc và trong khuôn khổ phương pháp nhằm cung cấp một bộ kỹ thuật và thước đo để cải thiện đánh giá kinh tế - kỹ thuật (TEA) của các công nghệ ES để xác định các cơ hội lưu hành và các hành động tiềm năng sẽ được thực hiện. Chúng tôi cho rằng khung phương pháp này không chỉ thú vị mà còn được yêu cầu để cải thiện thiết kế và hiệu quả sử dụng tài nguyên và giảm giá trị rủi ro cho các dự án ES trong các tình huống có độ không chắc chắn cao. Dựa trên các định nghĩa được đưa ra cho nền kinh tế tuần hoàn, chúng tôi đề xuất một chiến lược ứng dụng phù hợp cho Tính tuần hoàn trong lưu trữ năng lượng trong ba (xem Bảng 1).
Bảng 1: Các yếu tố thúc đẩy sự tuần hoàn trong lưu trữ năng lượng
Công nghệ ES
Trên thực tế, một số nghiên cứu đang được các tác giả tiến hành đối với các công nghệ ES khác nhau bao gồm lưu trữ điện hóa, trong đó các nghiên cứu về cấu trúc chi phí từ dưới lên từ góc độ cái nôi cho thấy các điểm tác động khác nhau của các kịch bản như COVID-19 đại dịch trong chuỗi giá trị sản xuất pin. Ngoài ra, một nghiên cứu Đánh giá vòng đời so sánh cho thấy sự khác biệt giữa sản xuất pin bằng vật liệu tái chế so với nguyên liệu thô. Theo trực quan, và trong hầu hết các trường hợp là đúng, khi cho rằng tái chế luôn tốt hơn từ góc độ môi trường, tuy nhiên, các tác động và lợi ích về môi trường và kinh tế của việc tái chế cần phải được định lượng thích hợp để chúng có thể được tính đến trong các mô hình kinh doanh mới. Hơn nữa, trong quá trình tái chế, các tác động khác nhau cần được xem xét lên trên lượng khí thải carbon. Ví dụ, tác động đến sức khỏe con người, hệ sinh thái, dấu chân nước hoặc khan hiếm tài nguyên thiên nhiên - là những hạng mục tác động cũng bị ảnh hưởng bởi quá trình sản xuất ES. Từ quan điểm vòng đời, có một số loại tác động trong đó việc sử dụng vật liệu tái chế để sản xuất pin lithium-ion gây ô nhiễm nhiều hơn so với việc sử dụng nguyên liệu thô. Các danh mục có mức độ liên quan xã hội cao bao gồm "sử dụng đất" không triệt để, "tiêu thụ nước" và "tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch".
Hình 3: Sơ đồ đồ họa nền kinh tế hình tròn. Nguồn: Báo cáo Kinh tế Thông tư của UNIDO
Xem xét các trình điều khiển được đề xuất trong Bảng 1, một phần quan trọng trong công việc của nhóm nghiên cứu tập trung vào định nghĩa các số liệu mới cho các chiến lược kiểm soát kích thước và hoạt động tối ưu của các công nghệ ES. Ở đây, ngoài các chỉ số kinh tế thông thường, chẳng hạn như chi phí lưu kho được quy đổi, các chỉ số với quan điểm vòng đời từ đầu đến cuối, các tác động xã hội và môi trường cũng như xếp chồng doanh thu được xem xét. Các chỉ số chứa thông tin về "giá trị" kinh tế thực, ngoài đường chân trời chi phí và vòng đời rõ ràng thay vì đường chân trời tài chính dự án, đang được đề xuất. Việc xác định số liệu này chủ yếu dựa vào các kỹ thuật mô phỏng tiên tiến, tối ưu hóa và các mô hình kinh tế - kỹ thuật xem xét dấu chân co2 trong vòng đời hoặc doanh thu vòng đời trên mỗi công suất lắp đặt tập trung vào các tài sản ES hơn là chỉ dựa vào sản lượng năng lượng của chúng. Loại thứ hai có giá trị trong các dự án nơi chênh lệch giá năng lượng không phải là dịch vụ duy nhất hoặc dịch vụ chính được cung cấp bởi các tài sản ES.
Công nghệ lưu trữ năng lượng ngày càng được chú ý là lưu trữ năng lượng nhiệt (TES), với khả năng tương tác giữa mạng lưới sưởi ấm và làm mát và amoniac / hydro trong ứng dụng giao thông và sản xuất điện. Các tác giả gần đây đã xuất bản một phương pháp luận mới và một bộ thước đo mới để xác định kích thước tối ưu của các hệ thống hydro mặt trời (Hình 4). Trong công việc này, tỷ lệ kích thước tối ưu của các thành phần hệ thống để tối ưu hóa hệ thống tổng thể thực sự khác so với tối ưu hóa hệ thống con tối ưu - các vectơ dẫn đến sự khác biệt này là do sự tương tác của các thành phần.
Có nhu cầu mạnh mẽ về các mô hình kinh doanh mới và cơ chế tối ưu hóa để chuyển giá trị được cung cấp thông qua các tài sản ES trong ma trận năng lượng thành các lợi ích hữu hình xét đến tính bền vững xã hội nói chung. Ví dụ: các nhà phát triển dự án làm việc với các kế hoạch xếp chồng doanh thu để cung cấp nhiều dịch vụ với cùng một nội dung, do đó tăng khả năng kinh tế với thiết kế và vận hành tối ưu của các mô hình như vậy. Dự án này nhằm mục đích đề xuất các thiết kế và phương án vận hành như vậy thông qua cách tiếp cận hệ thống tổng thể để thu hẹp lợi ích chi phí và khoảng cách khả thi về kinh tế.
Hình 4: Khung tối ưu hóa cho các hệ thống PV-PEM được liên kết với AC
Một trong những mô hình kinh doanh do nhóm đề xuất là cung cấp dịch vụ lưu trữ năng lượng (ESaaS), trong đó các cơ hội đã được xác định để giảm thiểu rủi ro và tối đa hóa việc phân bổ bí quyết bằng cách xem xét chuỗi kinh doanh dịch vụ, phát triển và cơ sở hạ tầng. Trong mô hình kinh doanh này, các nhà phát triển triển khai tài sản ES được trả công cho mỗi công suất trên cơ sở nhận hoặc trả khi người dùng hoặc nhà bán lẻ bên thứ ba tối ưu hóa hoạt động của tài sản theo nhu cầu của họ. Do đó, rủi ro phát triển và vận hành dự án được chuyển hướng.
Mục tiêu cuối cùng của chúng tôi là góp phần giảm nhẹ cuộc khủng hoảng khí hậu bằng việc tích hợp ES vào các hệ thống năng lượng thông qua việc tham gia vào Nhiệm vụ 41 ES-TCP và thông qua các dự án nghiên cứu tiên tiến. Nói chung, công nghệ ES đã trưởng thành khi mà yếu tố hạn chế cho việc triển khai rộng rãi của nó là thiếu các phương pháp luận kinh tế - kỹ thuật và các khuôn khổ kinh doanh. Thông qua sự hợp tác với các chuyên gia công nghiệp để đảm bảo khả năng ứng dụng, các mô hình nguyên mẫu được phát triển đã nhận được phản hồi tích cực, hướng dẫn phát triển dự án. Nhóm nghiên cứu hiện đang trong quá trình thiết lập các thước đo mới để tối ưu hóa thiết kế ES và các ứng dụng kinh tế hình tròn tối ưu cho các công nghệ và vectơ ES như pin lithium-ion, hydro và amoniac, v.v.
