Pin nhiên liệu hydro và nguồn điện dự phòng: Nâng cao khả năng phục hồi năng lượng
Nhu cầu điện toàn cầu dự kiến sẽ tăng trưởng đáng kể, với nền kinh tế Ấn Độ và Trung Quốc chứng kiến mức tăng trưởng mạnh nhất. Nhiều yếu tố tác động, bao gồm sự gia tăng của xe điện, việc mở rộng trung tâm dữ liệu được thúc đẩy bởi trí tuệ nhân tạo, việc chuyển đổi sang máy bơm nhiệt hiệu suất cao để sưởi ấm và quá trình chuyển đổi tổng thể sang khử cacbon.
Bài viết của Chris Tully
Đồng thời, các hiện tượng thời tiết cực đoan đã gia tăng do tác động của việc đại dương ấm lên, mực nước biển dâng cao và sự thay đổi mô hình bão liên quan đến biến đổi khí hậu. Theo NASA, số lượng bão đã tăng vọt 21% trong 50 năm qua. Đáng chú ý hơn, số lượng các cơn bão cấp 4 hoặc 5 dữ dội đã tăng gần gấp đôi trong cùng khoảng thời gian.
Điều này diễn ra vào thời điểm cơ sở hạ tầng điện cũ kỹ của các đường dây truyền tải và phân phối cần được mở rộng và nâng cấp. Việc bảo trì các đường dây này phải được tăng cường vì các sự kiện liên quan đến thời tiết chiếm tới 83% các sự cố mất điện lớn. Tất cả những yếu tố này kết hợp lại tạo nên một lưới điện mong manh và nguồn cung cấp điện không đáng tin cậy với chi phí hợp lý, trong bối cảnh nhu cầu điện năng đang gia tăng.
Các giải pháp thích ứng của ngành điện toàn cầu
Trên toàn cầu, các công ty điện lực đang thực hiện các bước để bắt kịp với bối cảnh đang thay đổi bằng cách đa dạng hóa sản xuất năng lượng, bao gồm năng lượng tái tạo, thủy điện, hạt nhân và khí đốt tự nhiên. Việc triển khai lưu trữ năng lượng bằng pin để bổ sung cho sản xuất điện mặt trời và điện gió hiện đã trở nên phổ biến. Việc triển khai công nghệ lưới điện thông minh tận dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để kết nối sản xuất với tiêu thụ hiệu quả hơn đã bắt đầu.
Các chính phủ đang đầu tư mạnh vào các dự án truyền tải. Mạng lưới điện một chiều cao áp Changji-Guquan ở Trung Quốc sẽ kết nối khu vực Changji với Guquan, cách đó 3.200 km. Tại Hoa Kỳ, Luật Cơ sở hạ tầng Lưỡng đảng và Đạo luật Giảm lạm phát đã phân bổ 30 tỷ đô la để mở rộng công suất truyền tải và kết nối các khu vực ở Bắc Mỹ.
Tất cả những sáng kiến này đều cao cả nhưng chỉ giải quyết được vấn đề sản xuất, truyền tải và phân phối. Chúng không đa dạng hóa lưới điện một cách đầy đủ tại điểm tiêu thụ năng lượng.
Tăng cường khả năng phục hồi cho người dùng cuối
Việc tăng cường khả năng dự phòng tại vị trí người dùng cuối và sự phát triển mạnh mẽ của các lưới điện siêu nhỏ bổ sung thêm mức độ dự phòng và khả năng phục hồi còn thiếu hiện nay. Việc cung cấp điện gần người dùng cuối hơn giúp giảm thiểu các hạn chế về truyền tải và phân phối, đồng thời tạo ra cơ hội "phân vùng" hoặc ngắt kết nối hoàn toàn khỏi lưới điện. Đây chính là lúc hydro trở thành một giải pháp hữu hiệu.
Pin nhiên liệu hydro được sử dụng cho nguồn điện khẩn cấp cho cả ứng dụng quy mô nhỏ và quy mô lớn. Các trạm pin nhiên liệu cố định quy mô nhỏ, thường dưới 100 kW, cung cấp thời gian hoạt động dài hơn so với chỉ sử dụng pin và yêu cầu nạp nhiên liệu ít thường xuyên hơn so với máy phát điện truyền thống. Tính bền vững và mong muốn giảm phát thải là những yếu tố chính thúc đẩy sự quan tâm này. Tuy nhiên, lợi ích kinh tế và vận hành đóng vai trò quan trọng trong quyết định này.
Pin dự phòng hydro trong cơ sở hạ tầng viễn thông
Một ứng dụng nổi bật của hydro làm nguồn dự phòng có thể được tìm thấy tại các tháp phát sóng không dây. Những trạm phát sóng quy mô nhỏ này rất phù hợp vì thời gian hoạt động dài hơn so với chỉ sử dụng pin và việc loại bỏ nhiên liệu hóa thạch. Việc sử dụng pin nhiên liệu đang gia tăng tại các trạm phát sóng không dây trên khắp châu Á, và SFC Energy đang triển khai pin nhiên liệu cố định làm nguồn điện phụ trợ cho các mạng lưới thông tin liên lạc an toàn công cộng ở châu Âu. Tuy nhiên, việc triển khai pin nhiên liệu trong mạng lưới thông tin liên lạc không dây lớn nhất là tại Hoa Kỳ, do Southern Company thực hiện.
Southern Company đã triển khai pin nhiên liệu hydro tại hơn 500 tháp phát sóng không dây trên khắp Đông Nam Hoa Kỳ để mở rộng dịch vụ trong trường hợp mất điện. Pin nhiên liệu kéo dài thời gian hoạt động lên ba đến năm ngày, so với chỉ bốn đến tám giờ nếu chỉ sử dụng pin. Thời gian dự trữ dài hơn tỏ ra rất quan trọng đối với hoạt động của mạng lưới vì khu vực này dễ xảy ra bão và các tình trạng mất điện kéo dài do thời tiết khác.
Ưu điểm kinh doanh của pin nhiên liệu đã giúp tổng chi phí sở hữu thấp hơn, một phần do không gian cần thiết nhỏ hơn. Diện tích trạm bao gồm một tủ thiết bị chứa các thiết bị điện tử, pin nhiên liệu và chuỗi pin nhỏ. Tủ thứ hai chứa các bình hydro áp suất cao. Việc tiếp nhiên liệu cho tủ hydro được thực hiện bằng một xe kéo hydro di động. Southern Company đã loại bỏ máy phát điện khỏi kiến trúc, giúp giảm đáng kể cả chi phí vốn và diện tích đất được phân bổ tại mỗi trạm. Mạng lưới pin nhiên liệu đã hoạt động trong lĩnh vực này gần mười năm với thành tích đáng nể về hiệu suất.
Nguồn điện dự phòng quy mô lớn với pin nhiên liệu hydro
Mặc dù còn trong giai đoạn đầu phát triển, nguồn điện dự phòng pin nhiên liệu hydro quy mô lớn đang thu hút sự quan tâm, đặc biệt là trên thị trường trung tâm dữ liệu. Công ty điện toán đám mây Equinix đã bắt đầu đánh giá hydro trong mạng lưới toàn cầu của mình, thử nghiệm pin nhiên liệu tại các địa điểm ở Dublin và Singapore như một phần của chương trình trình diễn để sử dụng hydro cho nguồn điện khẩn cấp. Công ty hy vọng sẽ xác nhận tính khả thi của hydro khi thay thế cho máy phát điện diesel, với tiềm năng mở rộng sang các địa điểm khác nếu thành công.
Các trung tâm dữ liệu đang sẵn sàng trở thành những đơn vị tiên phong áp dụng nguồn điện dự phòng từ pin nhiên liệu hydro quy mô lớn.
Trong một trong những chương trình pin nhiên liệu hydro nổi bật nhất trong ngành trung tâm dữ liệu, Microsoft đã hợp tác với Plug Power để sản xuất pin nhiên liệu 3 MW, đủ lớn để thay thế máy phát điện truyền thống. Microsoft đặt mục tiêu đạt mức phát thải carbon âm vào năm 2030, và lượng khí thải từ trung tâm dữ liệu là một rào cản đáng kể để đạt được mục tiêu đó. Dự án này là kết quả của nhiều năm nghiên cứu về năng lượng sạch, và ngưỡng 3 MW là một lý do để ăn mừng sau khi hoàn thành thử nghiệm thành công.
Theo lời của Sean James, Giám đốc Nghiên cứu Trung tâm Dữ liệu của Microsoft, "Những gì chúng tôi vừa chứng kiến, đối với ngành trung tâm dữ liệu, là một khoảnh khắc hạ cánh trên mặt trăng. Chúng tôi có một máy phát điện không tạo ra khí thải. Thật đáng kinh ngạc."
Vẫn còn những lo ngại có cơ sở về việc làm thế nào để cung cấp hydro ở mức cần thiết để thay thế máy phát điện diesel tại các trung tâm dữ liệu. Vẫn chưa rõ hydro sẽ tiếp tục mở rộng ra thị trường như thế nào, nhưng tiến triển cho đến nay rất đáng khích lệ.
Hỗ trợ lưới điện siêu nhỏ bằng hydro
Lưới điện siêu nhỏ có thể là ứng dụng đầy hứa hẹn nhất của hydro trong việc duy trì sức khỏe của lưới điện. Sau các vụ cháy rừng chết người ở California, Pacific Gas & Electric (PG&E), công ty điện lực địa phương, đã tìm kiếm các phương pháp cung cấp điện đáng tin cậy cho các dịch vụ thiết yếu trong thời gian Cắt điện An toàn Công cộng và thiên tai. Thành phố Calistoga đã chọn hệ thống lai giữa pin và pin nhiên liệu hydro để làm nguồn điện phụ trợ cho lưới điện siêu nhỏ của mình. Sự kết hợp này cung cấp điện lên đến 48 giờ cho các cơ sở quan trọng như đồn cứu hỏa và cảnh sát, cũng như 2.000 khách hàng trong khu vực, và sẽ là hệ thống lưu trữ năng lượng dài hạn lớn nhất tại Hoa Kỳ.
Dự án của Energy Vault, được gọi là Trung tâm Phục hồi Năng lượng Calistoga, sử dụng hydro xanh và cung cấp 100% năng lượng sạch. Pin nhiên liệu PEM cố định thay thế các máy phát điện diesel theo mùa được sử dụng trước đây. Hydro, được lưu trữ dưới dạng lỏng để có mật độ năng lượng cao hơn, có thể được nạp lại khi cần thiết trong thời gian mất điện kéo dài.
Khái niệm này rất đơn giản. Trong thời gian Cắt điện An toàn Công cộng hoặc các gián đoạn dịch vụ dài hạn khác, khu vực sẽ ngắt kết nối với lưới điện PG&E. Hệ thống Energy Vault sẽ hoạt động và cung cấp điện năng cần thiết cho đến khi sự cố qua đi. Việc "phân tách" này cho phép cư dân và doanh nghiệp tiếp tục hoạt động hoàn toàn độc lập với lưới điện lớn hơn. Việc phân tách cũng có thể ngăn ngừa sự cố lan rộng và ngăn chặn tình trạng mất điện lan sang các khu vực khác ở California.
Với công nghệ này, cư dân Calistoga có thể tiếp tục cuộc sống mà không cần phụ thuộc vào máy phát điện diesel để cung cấp điện khẩn cấp. Nguồn điện hydro êm ái, sạch sẽ và đáng tin cậy thay thế tiếng ồn, khí thải NOx và sự bất tiện chung của các hệ thống dự phòng chạy bằng nhiên liệu hóa thạch.
Hoạt động với lưới điện siêu nhỏ không chỉ giới hạn ở Hoa Kỳ. Úc có một chương trình thí điểm tiên tiến về độ bền của lưới điện siêu nhỏ. Tại Denham, Tây Úc, Horizon Power đang sử dụng hệ thống kết hợp năng lượng tái tạo và lưu trữ để hỗ trợ lưới điện siêu nhỏ của mình. Hydro không chỉ được sử dụng làm nguồn điện dự phòng mà còn là nguồn điện chính để bổ sung cho BESS (hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin).
Hydro sẽ được sản xuất từ nguồn năng lượng tái tạo dư thừa từ các địa điểm năng lượng mặt trời và gió vốn đã hỗ trợ khu vực. Vào ban đêm hoặc khi sản lượng năng lượng tái tạo thấp, pin nhiên liệu hydro sẽ sản xuất điện để tăng cường hệ thống pin, mở rộng phạm vi tiếp cận năng lượng tái tạo và giảm sự phụ thuộc vào dầu diesel. Hệ thống hybrid này tăng cường khả năng phục hồi và dự phòng cho lưới điện siêu nhỏ, đồng thời giảm lượng khí thải NOx và CO₂, mang lại không khí trong lành hơn và nguồn điện ổn định cho vùng Outback.
Vai trò của hydro trong lưới điện linh hoạt
Không có giải pháp duy nhất nào để ổn định lưới điện. Cần phải thực hiện nhiều cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng đồng thời giảm thiểu tác động đến môi trường và kinh tế. Hydro là một giải pháp đầy hứa hẹn để đảm bảo nguồn điện đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí theo nhu cầu, nhưng nó phải được tích hợp chiến lược vào bối cảnh năng lượng rộng lớn hơn.
