Để khử cacbon cho lưới điện, các công ty đang tìm ra những cách sáng tạo để lưu trữ năng lượng trong thời kỳ nhu cầu thấp.
Miền Trung Sardinia thường không được coi là trung tâm của sự đổi mới: Khô cằn và nông thôn, một số biển báo đường của nó đầy lỗ đạn do những người dân địa phương thực hành mục tiêu tạo ra, bối cảnh gợi nhớ về miền Tây Clint Eastwood. Tuy nhiên, ở Ottana, trên khu đất nâu của một nhà máy hóa dầu trước đây, một công nghệ mới đang hình thành có thể giúp thế giới làm chậm quá trình biến đổi khí hậu. Thành phần chính của công nghệ này cũng khó xảy ra như vị trí xa xôi: carbon dioxide, nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu.
Energy Dome, một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Milan, đang vận hành một nhà máy trình diễn lưu trữ năng lượng nhằm giúp giải quyết sự không phù hợp trên thị trường điện địa phương. Claudio Spadacini, giám đốc điều hành của Energy Dome, cho biết: “Ở Sardinia vào ban ngày, mọi người đều đi biển. “Họ không sử dụng điện nhưng có rất nhiều nguồn cung cấp”, ông nói thêm, ám chỉ hòn đảo Ý có nhiều ánh nắng mặt trời.
Energy Dome sử dụng carbon dioxide được giữ trong một quả bóng bay khổng lồ, “mái vòm” theo tên công ty, như một loại pin. Vào ban ngày, điện từ lưới điện địa phương, một phần được tạo ra bởi các cánh đồng pin mặt trời gần đó, được sử dụng để nén carbon dioxide thành chất lỏng. Vào ban đêm, carbon dioxide lỏng được giãn nở trở lại thành khí, làm quay tuabin và tạo ra điện được gửi trở lại lưới điện.
Năng lượng mặt trời và năng lượng gió là những nguồn tái tạo đang phát triển nhanh chóng, nhưng chúng dựa vào lịch trình không liên tục của thiên nhiên để sản xuất điện. Nhiều nhà nghiên cứu và hoạch định chính sách cho rằng việc lưu trữ năng lượng như vậy cho đến khi cần, trong nhiều giờ hoặc thậm chí nhiều ngày, là chìa khóa để chuyển đổi các nền kinh tế khỏi nhiên liệu hóa thạch. Jennifer M. Granholm, Bộ trưởng Năng lượng Hoa Kỳ, cho biết trong một tuyên bố năm 2022: “Việc thúc đẩy các công nghệ lưu trữ năng lượng là rất quan trọng để đạt được một mạng lưới điện không cacbon”. .
Các công ty đang phát triển và tiếp thị những cách đa dạng và sáng tạo để lưu trữ năng lượng tái tạo: hóa lỏng carbon dioxide, tẩy gỉ sắt, tháp sưởi ấm chứa đầy cát đến nhiệt độ gần như đủ nóng để làm tan chảy nhôm. Nhưng việc dự đoán nhu cầu lưu trữ năng lượng của chúng ta trong tương lai, sau một đợt chuyển đổi năng lượng lớn, là một triển vọng khó khăn, và phương pháp nào trong số những phương pháp này, nếu có, sẽ chứng tỏ hiệu quả và mang lại lợi nhuận thì vẫn chưa rõ ràng.
Elaine Hart, hiệu trưởng sáng lập của Moment Energy Insights LLC, một công ty tư vấn năng lượng sạch, cho biết: “Có một sự cấp bách thực sự xung quanh việc khử cacbon theo dòng thời gian nhanh hơn nhiều so với những gì chúng tôi dự tính trước đây”. “Ngày nay chúng ta không cần những công nghệ như lưu trữ năng lượng lâu dài hay hydro, nhưng chúng ta có thể cần chúng trên quy mô lớn trong 15 đến 20 năm tới, vì vậy chúng ta đang ở thời điểm quan trọng cho sự phát triển của chúng”.
 |
 |
 |
Việc xây dựng nhà kho cho Energy Dome sử dụng máy nén carbon dioxide; phòng điều khiển của Ottana Energia, một nhà máy hóa dầu cũ bên cạnh.
Thay thế các tiêu chuẩn
Trong nhiều thập kỷ, nhiều công ty điện lực đã đáp ứng nhu cầu biến động bằng cách sử dụng hệ thống thủy điện tích năng, tạo ra điện khi nhu cầu điện cao, sau đó bơm nước từ hồ chứa thấp hơn lên hồ chứa cao hơn để dự trữ năng lượng khi nguồn cung dư thừa. Một số công ty tiện ích hiện đang lắp đặt hệ thống lưu trữ thủy điện được bơm mới để cân bằng sản xuất năng lượng mặt trời và gió. Nhiều công ty tiện ích khác đang lắp đặt các dãy pin lithium-ion để lưu trữ năng lượng dư thừa được sản xuất bởi năng lượng tái tạo và thị trường đó đang bùng nổ.
Nhưng những phương pháp lưu trữ này có những hạn chế. Thủy điện được bơm đòi hỏi - và làm thay đổi - cảnh quan đồi núi, và các cơ sở vật chất tốn rất nhiều chi phí để xây dựng. Lithium là một nguồn tài nguyên có hạn, thường bị ô nhiễm khi khai thác và trở nên quá đắt khi được thiết kế để lưu trữ năng lượng trong hơn 4 giờ. Đây có thể là một khả năng quan trọng nếu các nguồn không liên tục cung cấp phần lớn năng lượng cho lưới điện.
Scott Murtishaw, giám đốc điều hành của Liên minh lưu trữ năng lượng California, một nhóm ngành ủng hộ việc lưu trữ nhiều hơn trên lưới điện, cho biết: “Việc lưu trữ trong thời gian dài thường không trở nên cần thiết cho đến khi bạn đạt được mức năng lượng gió và mặt trời cao. “Nhưng điều quan trọng là bạn phải cam kết thực sự khử cacbon cho lưới điện.”
Westinghouse Electric, nhà cung cấp sản phẩm và dịch vụ cho các nhà vận hành nhà máy hạt nhân, cho biết công nghệ lưu trữ năng lượng mới của họ, phụ thuộc vào carbon dioxide, giống như cách tiếp cận của Energy Dome, là một cải tiến về bơm thủy điện và lithium-ion. Công nghệ của công ty hoạt động giống như một máy bơm nhiệt, sử dụng carbon dioxide ở trạng thái siêu tới hạn - ở nhiệt độ và áp suất cao đến mức hoạt động giống như sự kết hợp giữa chất lỏng và chất khí - để truyền nhiệt, tạo ra bởi lượng điện dư thừa, vào các khối bê tông. Sau đó, nhiệt lượng lưu trữ trong các khối được sử dụng để tạo ra điện. John Battaglini, phó chủ tịch phát triển thị trường mới ở châu Mỹ của Westinghouse, cho biết: “Thật là mỉa mai khi carbon dioxide lại là nguyên liệu dẫn đến rất nhiều sự đổi mới ở đây”.
Vào tháng 9, Westinghouse tuyên bố sẽ xây dựng một cơ sở lưu trữ công suất 100 megawatt ở Alaska, đủ để cung cấp điện cho khoảng 80.000 ngôi nhà trung bình ở Mỹ trong tối đa 12 giờ. Ông nói thêm rằng cơ sở này sẽ có giá chỉ bằng một nửa so với cơ sở sử dụng pin lithium-ion: “Chúng tôi cảm thấy rất rất tốt về mặt kinh tế”.
Đi lâu dài
Các công nhân trên máy bay điện đang san bằng một phần của nơi sẽ trở thành sàn nhà máy của Form Energy ở Weirton, W.Va.Credit...Kristian Thacker cho The New York Times
Một số công ty đang dự đoán thời điểm mà phần lớn điện năng của chúng ta đến từ năng lượng tái tạo và lưới điện cần lưu trữ trong thời gian dài hơn nhiều. Form Energy, có trụ sở tại Somerville, Mass., nhằm mục đích cung cấp điện trong 100 giờ, sau khi một số nghiên cứu phát hiện ra rằng lưới điện dựa trên năng lượng tái tạo sẽ cần có khả năng cung cấp năng lượng dự phòng trong khoảng thời gian dài đó.
Để cung cấp dung lượng lớn như vậy với giá cả phải chăng, Form phải tìm ra quy trình lưu trữ với chi phí rất thấp, vì vậy công ty đã chuyển sang sử dụng một loại vật liệu rẻ tiền, phổ biến và trải qua một phản ứng được hiểu rõ: quá trình oxy hóa hoặc rỉ sét của sắt. Khi sắt rỉ sét, nó tạo ra năng lượng; bằng cách cung cấp năng lượng trở lại hệ thống, Form có thể đảo ngược phản ứng và tích trữ năng lượng, năng lượng này có thể được giải phóng sau đó bằng cách làm rỉ sét lại bàn ủi.
Hệ thống lưu trữ của Form sử dụng dạng sắt được điều chỉnh đặc biệt để tối đa hóa khả năng đảo ngược và độ bền. Mateo Jaramillo, đồng sáng lập và giám đốc điều hành của Form, cho biết: “Đó là nơi chúng tôi có rất nhiều phát minh. “Đó là một trong những thủ thuật quan trọng - bí mật thương mại của chúng tôi.”
Form cho biết họ có thể lắp đặt dung lượng lưu trữ với mức giá chỉ bằng 1/10 so với pin lithium-ion. Ông Jaramillo nói: “Sự đánh đổi là chi phí thấp hơn, hiệu quả thấp hơn”. “Mô hình của chúng tôi cho thấy chúng tôi đã đạt đến mức chi phí và hiệu quả phù hợp.”
Năm ngoái, Form đã công bố các thỏa thuận xây dựng nhà máy ở sáu bang, mỗi bang có công suất 100 giờ, cung cấp tổng công suất 55 MW. Công ty cũng đang xây dựng một cơ sở sản xuất pin ở Weirton, W.Va., trên địa điểm của một nhà máy thép trước đây đã suy tàn trong những thập kỷ gần đây, khiến nền kinh tế địa phương suy thoái. Thống đốc Tây Virginia, Jim Justice, một đảng viên Đảng Cộng hòa, đã đến thăm địa điểm này vào tháng 12 năm ngoái để ký một dự luật phân bổ 105 triệu USD từ bang để giúp xây dựng cơ sở.
 |
 |
 |
Mateo Jaramillo, giám đốc điều hành của Form Energy, cho biết họ có thể lắp đặt dung lượng lưu trữ với chi phí chỉ bằng 1/10 chi phí cho pin lithium-ion. Ông nói: “Sự đánh đổi là chi phí thấp hơn, hiệu quả thấp hơn”.
Hiệu ứng Dunkelflaute và Schwarzenegger
Corre Energy, có trụ sở tại Hà Lan, đang nghiên cứu việc lưu trữ năng lượng trong vài ngày bằng cách nén không khí đến áp suất cao bên trong các hang muối, nơi các mỏ muối tự nhiên dưới lòng đất bị hòa tan để tạo ra các túi trống lớn.
Vào tháng 6, Corre đã công bố một thỏa thuận ở Đức để cung cấp tới 640 megawatt điện, đủ để cung cấp cho khoảng 1,6 triệu ngôi nhà ở Đức trong thời gian lên tới 125 giờ, với chi phí khoảng 1/10 so với lithium-ion. Đối tác của Corre hiện đang phát triển bốn hang động ở đó, trong đó hai hang sẽ đi vào hoạt động vào năm 2027.
Corre nói rằng nhu cầu lưu trữ lâu dài rất cao ở Bắc Âu, nơi quan tâm đến năng lượng tái tạo nhưng lại có thời gian nhiều ngày ít gió và ánh sáng mặt trời, được giới năng lượng xanh (và người Đức) gọi là dunkelflaute.
Keith McGrane, giám đốc điều hành của Corre, cho biết: “Chúng tôi đang giải quyết nhu cầu ngày càng tăng đó” về việc lưu trữ lâu dài. “Đó là hiệu ứng dunkelflaute.”
Một số công ty đang theo đuổi những cách tiếp cận nghe có vẻ đơn giản một cách đáng ngạc nhiên. Một công ty khởi nghiệp ở Phần Lan có tên Polar Night Energy sử dụng lượng điện dư thừa để nung cát đến nhiệt độ lên tới 1.100 độ F. Cát sau đó có thể được sử dụng để cung cấp nhiệt lên tới 100 giờ cho các ngôi nhà và doanh nghiệp địa phương. Đầu tháng này, công ty đã công bố thỏa thuận xây dựng một cơ sở lưu trữ cho thị trấn Pornainen với dự kiến giảm lượng khí thải gần 70%. Công ty cũng đang phát triển một phương pháp để bắt đầu cung cấp điện ngoài nhiệt.
Tommi Eronen, giám đốc điều hành của Polar Night Energy, đã phát biểu vào tháng 5 tại một hội nghị về khí hậu ở Vienna. Ông đã quảng bá công ty tới những người tham dự có xu hướng xanh khác, bao gồm cả người sáng lập hội nghị, Arnold Schwarzenegger. “Thật vui khi được đi chơi với Arnold trong ba ngày. Anh ấy là một chàng trai tốt,” ông Eronen nói. “Tất nhiên, chúng tôi không đồng ý ở một số điểm. Tôi thích đạp xe hơn là lái ô tô.”
Tạo một thị trường mới
 |
 |
|
Địa điểm ở Ottana của phiên bản pin quy mô đầy đủ trong tương lai của Energy Dome.Credit...Gaia Squarci cho The New York Times |
Nhà máy của Form Energy đang được xây dựng trên địa điểm của một nhà máy thép cũ.Credit...Kristian Thacker cho The New York Times |
Con đường từ ý tưởng đến công ty và cơ sở hạ tầng luôn bấp bênh và việc lưu trữ năng lượng lâu dài phải đối mặt với những thách thức cụ thể.
Các tiện ích đã sử dụng phương pháp lưu trữ ngắn hạn trong nhiều thập kỷ, nhưng chưa bao giờ có nhiều thị trường cho việc lưu trữ trong nhiều giờ hoặc nhiều ngày. Không rõ làm thế nào các công ty lưu trữ có thể kiếm đủ tiền để trả cho sự gia tăng lớn về dung lượng lưu trữ mà những người đề xuất cho là cần thiết. James Bushnell, nhà kinh tế học tại Đại học California, Davis, người nghiên cứu về năng lượng, cho biết: “Thách thức lớn nhất với việc lưu trữ năng lượng lâu dài là tính kinh tế rất tệ”. “Nếu bộ nhớ của bạn bị tính phí trong nhiều tuần hoặc nhiều tháng thì doanh thu sẽ thấp hơn nhiều.”
Ông Battaglini của Westinghouse cho biết công ty đang khám phá thách thức này với các công ty tiện ích khu vực và nhà điều hành hệ thống độc lập, các nhóm phi lợi nhuận giám sát lưới điện. Form Energy đã tạo ra các mô hình để hướng dẫn các công ty điện lực cách sử dụng pin thời lượng dài để mang lại lợi nhuận.
Ông Murtishaw nói: “Bạn không thể biết mình cần gì nếu không lập mô hình cho nó. “Nó giống như iPhone – một sản phẩm mà bạn không biết mình cần cho đến khi có người tạo ra nó.”
Một vấn đề khác đối với các phương pháp lưu trữ mới là sự thống trị và tiếp tục cải tiến của pin lithium-ion. Khi các nhà sản xuất cải tiến thiết kế pin và mở rộng quy mô sản xuất, chi phí tiếp tục giảm, dần dần khiến lithium-ion trở nên tiết kiệm hơn trong thời gian dài hơn.
Những thách thức này đã gây tổn hại cho một số nhà sản xuất dịch vụ lưu trữ lâu dài. Azelio, một công ty lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt trong hợp kim nhôm bên trong các khối mô-đun, đã tuyên bố phá sản vào tháng 7.
Tuy nhiên, một số nhà cung cấp dịch vụ lưu trữ dài hạn cho biết thị trường đang tăng trưởng nhanh và họ đang tăng cường xây dựng để đáp ứng nhu cầu.
Chia sẻ:
