Pin có thời lượng dài có thể cung cấp năng lượng cho tương lai năng lượng tái tạo sạch hơn, đáng tin cậy hơn và bền vững hơn như thế nào
bởi Neil Martin, Đại học New South Wales
Pin dòng chảy vanadi quy mô nhỏ hơn được lắp đặt tại Tòa nhà Công nghệ Năng lượng Tyree của UNSW. Tín dụng: UNSW
Khi thế giới chuyển sang các nguồn năng lượng sạch hơn, một thách thức lớn vẫn còn: làm thế nào để chúng ta lưu trữ năng lượng tái tạo khi chúng ta cần nhất?
Các công nghệ lưu trữ năng lượng bằng pin hiện tại tương đối tốn kém để xây dựng và theo truyền thống đã phải vật lộn để lưu trữ đủ năng lượng để đáp ứng nhu cầu khi mặt trời không chiếu sáng hoặc gió không thổi.
Nhưng các giải pháp thay thế mới, được gọi là pin lưu trữ năng lượng dài hạn (LDES), có dung lượng năng lượng lớn, hiện đang cung cấp một giải pháp đầy hứa hẹn. Các công nghệ này có thể sớm cho phép chúng ta lưu trữ điện được tạo ra bởi các tấm pin mặt trời và tua-bin gió trong thời gian dài, để đảm bảo có nguồn cung cấp điện ổn định và liên tục khi cần.
Ngoài ra, pin LDES có thể cung cấp các tùy chọn nguồn điện dự phòng trong các tình huống quan trọng, chẳng hạn như đối với bệnh viện hoặc trong các thảm họa thiên nhiên.
Phó giáo sư Chris Menictas, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Lưu trữ và Làm lạnh Năng lượng tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Sản xuất thuộc UNSW, cho biết có một số yếu tố khiến việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống LDES ngày càng trở nên quan trọng hơn.
"Một trong những điều quan trọng là tăng cường tính ổn định của lưới điện. Các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió không liên tục, nghĩa là chúng không sản xuất điện mọi lúc, chẳng hạn như vào ban đêm hoặc khi thời tiết lặng gió.
"Pin LDES có thể lưu trữ điện dư thừa và giải phóng điện khi cần, giúp cân bằng nguồn cung cấp năng lượng.
"Sau đó là câu hỏi về khả năng phục hồi và khả năng cung cấp điện cho các dịch vụ quan trọng—như bệnh viện hoặc thậm chí có thể là trung tâm dữ liệu.
"Nhìn chung, điều đang trở nên rõ ràng là chúng ta cần có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng hơn để có thể cung cấp điện trong thời gian dài hơn. Điều ngày càng quan trọng là các hệ thống đó phải có thời gian lưu trữ 8, 10 và thậm chí 12 giờ."
Giáo sư Jie Bao, đến từ Khoa Kỹ thuật Hóa học của UNSW và Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu ARC về Hệ thống Lưu trữ Năng lượng Tích hợp, cho biết có một số công nghệ pin LDES khác nhau đang được phát triển, cuối cùng có thể được sử dụng trong các tình huống khác nhau.
"Không nhất thiết phải có một giải pháp lưu trữ năng lượng tốt nhất. Có nhiều trường hợp sử dụng khác nhau và mỗi trường hợp có thể có một giải pháp khác nhau", ông nói.
"Các công nghệ khác nhau cũng có thể bổ sung cho nhau và có thể được triển khai song song và phối hợp hợp lý.
"Nhưng cũng có những thách thức rất phổ biến. Một là nguyên liệu thô, chẳng hạn như lithium hoặc vanadi, mà chúng ta cần tìm nguồn cung ứng và một thách thức khác chỉ đơn giản là quy mô sản xuất để chế tạo số lượng và kích thước pin mà chúng ta cần hiện nay."
Sau đây, chúng tôi sẽ giải thích một số công nghệ pin LDES khác nhau đang được phát triển trên khắp thế giới, cũng như một số thách thức vẫn cần phải vượt qua.
Lợi ích của lưu trữ pin LDES
Một trong những lợi ích chính là tăng cường tính ổn định của lưới điện. Các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió không liên tục, nghĩa là chúng không tạo ra điện mọi lúc. LDES giúp cân bằng nguồn cung cấp năng lượng bằng cách lưu trữ điện dư thừa và giải phóng khi cần, giảm nguy cơ mất điện.
Pin LDES cho phép tích hợp nhiều năng lượng tái tạo hơn vào lưới điện. Với các giải pháp lưu trữ tốt hơn, năng lượng gió và mặt trời có thể được sử dụng hiệu quả hơn, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế ít carbon.
Pin LDES cũng đóng vai trò trong việc giảm căng thẳng nhu cầu cao điểm. Nhu cầu điện thay đổi trong suốt cả ngày, thường đạt đỉnh vào buổi tối. Bằng cách cung cấp năng lượng được lưu trữ trong những thời điểm cao điểm này, các hệ thống LDES có thể giảm bớt căng thẳng cho lưới điện.
Chúng cũng có thể hỗ trợ các khu vực và cộng đồng xa xôi có nguồn điện không đáng tin cậy bằng cách cung cấp nguồn năng lượng ổn định và bền vững, đặc biệt là ở những khu vực dễ xảy ra thiên tai.
Công nghệ pin LDES đầy hứa hẹn
Dòng chảy vanadi: Pin dòng chảy vanadi, được Giáo sư Maria Skyllas-Kazacos phát triển tại UNSW vào những năm 1980, hiện đang trở nên phổ biến trên toàn thế giới, với công suất và dung lượng năng lượng tăng lên.
Pin dòng chảy vanadi lớn nhất thế giới, hệ thống 175 MW/700 MWh tại Đại Liên, Trung Quốc, được Rongke Power phát triển và hoàn thành vào tháng 12 năm 2024. Trong khi đó, tại Vương quốc Anh, một mảng 5 MW đã được xây dựng kết nối với hệ thống lưới điện quốc gia.
Pin dòng chảy vanadi lưu trữ năng lượng trong chất điện phân lỏng chứa ion vanadi ở bốn trạng thái oxy hóa khác nhau. Chất điện phân dương và âm được lưu trữ trong các bình riêng biệt được lưu thông qua các ngăn xếp pin, nơi diễn ra quá trình chuyển đổi năng lượng.
Khi sạc hoặc xả, các electron chuyển giữa các chất điện phân thông qua một mạch bên ngoài, cho phép lưu trữ và giải phóng năng lượng mà không bị suy giảm đáng kể.
Pin dòng chảy vanadi có thể dễ dàng mở rộng quy mô, cho phép có dung lượng năng lượng lớn
để cung cấp điện trong thời gian dài. Tuy nhiên, chúng có mật độ năng lượng thấp hơn một số tùy chọn LDES khác.
Lithium-ion: Ngược lại, pin lithium-ion cung cấp mật độ năng lượng cao và thời gian phản hồi nhanh, khiến chúng trở nên phổ biến đối với xe cộ, thiết bị điện tử tiêu dùng và thiết bị y tế.
Tuy nhiên, chúng xuống cấp nhanh hơn theo thời gian và chỉ có thể kéo dài 500–3000 chu kỳ sạc trước khi bị mất dung lượng đáng kể—so với 200.000 chu kỳ được báo cáo đối với pin dòng chảy vanadi.
Ngoài ra, còn có những lo ngại bổ sung về an toàn đối với pin lithium-ion liên quan đến hiện tượng mất kiểm soát nhiệt dẫn đến hỏa hoạn, trong khi chúng phụ thuộc vào nguyên liệu thô khan hiếm và việc tái chế tốn kém và phức tạp.
Mặc dù vậy, Hornsdale Power Reserve ở Nam Úc và Victorian Big Battery ở Geelong đều sử dụng Tesla Megapacks lithium-ion. Loại sau có thể lưu trữ đủ năng lượng để cung cấp điện cho hơn một triệu ngôi nhà ở Victoria trong tối đa nửa giờ.
Dòng chảy sắt: Pin dòng chảy sắt, lưu trữ năng lượng trong chất điện phân lỏng thường được làm từ sắt, muối và nước, là một lựa chọn thân thiện với môi trường và giá cả phải chăng để lưu trữ năng lượng trong thời gian dài. Những loại pin này hứa hẹn khoảng 10.000 chu kỳ với sự suy giảm tối thiểu theo thời gian.
Tuy nhiên, chúng có mật độ năng lượng thấp hơn dòng chảy lithium-ion hoặc vanadi và cần nhiều không gian hơn cho cùng một dung lượng lưu trữ năng lượng.
Dòng chảy hữu cơ: Một lựa chọn tiềm năng khác là pin dòng chảy hữu cơ, hiện vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, với các phân tử gốc carbon đang được thử nghiệm để sử dụng thay cho kim loại như vanadi hoặc lithium.
Mặc dù chúng có thể cung cấp giải pháp lưu trữ năng lượng rẻ hơn, không độc hại, nhưng vẫn còn nhiều dấu hỏi lớn về mật độ năng lượng ở quy mô lớn và độ bền của chúng.
Những hạn chế và thách thức của pin LDES
Mặc dù có nhiều lợi ích, nhưng quá trình phát triển pin LDES vẫn phải đối mặt với một số thách thức đáng kể.
Một thách thức lớn là chi phí ban đầu cao, với nhiều công nghệ đòi hỏi phải đầu tư đáng kể vào cơ sở hạ tầng ngay từ đầu, khiến việc triển khai trên quy mô lớn trở nên khó khăn.
Công nghệ LDES, giống như các hệ thống lưu trữ khác, bị mất năng lượng trong quá trình lưu trữ và thu hồi, do các yếu tố như tự xả, điện trở bên trong và hiệu quả kém trong các chu kỳ sạc và xả.
Những hạn chế về vật liệu và chuỗi cung ứng cũng gây ra những vấn đề đáng kể cho một số loại pin LDES. Một số công nghệ phụ thuộc vào vật liệu hiếm hoặc đắt tiền, có thể dẫn đến lỗ hổng chuỗi cung ứng cũng như các mối quan ngại về môi trường.
Mặc dù nhiều công nghệ LDES cho thấy triển vọng lớn, nhưng một số vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm và cần được nghiên cứu và phát triển thêm trước khi có thể áp dụng rộng rãi.
Tác động của pin LDES đến môi trường
Mặc dù pin LDES có thể là chìa khóa cho tương lai năng lượng sạch hơn, nhưng tác động của nó đến môi trường khác nhau tùy thuộc vào công nghệ được sử dụng.
Một lợi ích chính là giảm lượng khí thải carbon, vì việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch để sản xuất điện có thể giảm đáng kể.
Tuy nhiên, một số công nghệ pin chính dựa vào các khoáng chất hiếm hoặc quan trọng - chẳng hạn như lithium, vanadi và coban - gây ra những lo ngại về môi trường nếu các hoạt động khai thác không được thực hiện một cách bền vững hoặc tự chúng gây ra lượng khí thải nhà kính đáng kể.
Ngoài ra, cần có các phương pháp tái chế và xử lý phù hợp để ngăn ngừa tác hại đến môi trường, đặc biệt là liên quan đến pin lithium. Ngược lại, pin dòng chảy có tác động đến môi trường thấp hơn do khả năng thu hồi và tái sử dụng chất điện phân.
