Tại sao năng lượng xanh đang tích trữ một vấn đề lớn
Năng lượng xanh đang gia tăng, với năng lượng mặt trời và gió dẫn đầu, trong khi các tổ chức tư vấn về khí hậu báo cáo rằng việc mở rộng các nguồn năng lượng tái tạo đang ở mức cao kỷ lục.
Nhưng việc tạo ra năng lượng sạch không còn là “vấn đề lớn”. Thử thách hôm nay là một thách thức khác: làm thế nào để bạn lưu trữ và phân phối năng lượng bạn thu thập được?
Reuters đưa tin vào tháng trước rằng dung lượng lưu trữ pin của Hoa Kỳ dự kiến sẽ tăng gần gấp đôi vào năm 2024. California và Texas - hiện đang có kế hoạch mở rộng quy mô lớn về năng lượng mặt trời và gió - nằm trong số những bang có nhu cầu ngày càng tăng về hệ thống lưu trữ năng lượng.
Mặc dù các dự án pin lithium quy mô lớn đang được phát triển để đáp ứng những nhu cầu đó nhưng chúng lại mất nhiều thời gian hơn dự kiến. Nhu cầu lưu trữ tương tự đang diễn ra trên khắp thế giới.
Bài học chính
Năng lượng xanh và bền vững ngày càng sẵn có và có tiềm năng dẫn đầu thế giới trên con đường bền vững.
Tuy nhiên, hệ thống lưu trữ năng lượng xanh là rào cản lớn nhất cản trở quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu rất cần thiết.
Hệ thống lưới điện, phân phối và truyền tải đã lỗi thời và thường không tương thích với công nghệ mới.
Từ pin lithium đến địa nhiệt, hydro sạch, v.v., hãy nghe câu chuyện nội bộ từ các chuyên gia hàng đầu về các vấn đề, công nghệ và cơ hội của năng lượng tái tạo.
Techopedia đã nói chuyện với các chuyên gia trong lĩnh vực năng lượng xanh để hiểu những thách thức và công nghệ có thể đưa thế giới đến gần hơn với mức phát thải carbon bằng không.
Lưu trữ năng lượng xanh: Con voi trong phòng
Lịch sử của năng lượng xanh luôn gắn liền với thông tin sai lệch, các chiến dịch tấn công PR và sự kỳ thị. Trong khi nhận thức của xã hội về giá trị của các nguồn năng lượng tái tạo đã phát triển mạnh mẽ trong thập kỷ qua, nhiều vấn đề vẫn chưa được giải quyết một cách công khai. Lưu trữ năng lượng xanh là một trong những vấn đề chính và là vấn đề cơ bản.
Mack Hopen, Giám đốc Thương mại hóa tại Modern Hydrogen, nói với Techopedia:
“Việc lưu trữ năng lượng được cho là trở ngại lớn nhất cản trở hệ thống năng lượng tái tạo 100%. Nếu không có hoạt động lưu trữ hiệu quả hàng ngày, hàng tuần và theo mùa hoạt động hài hòa, một lượng lớn năng lượng được thu giữ bởi các đội năng lượng mặt trời và gió đang phát triển nhanh chóng sẽ bị lãng phí.”
Hopen giải thích rằng việc thiếu hệ thống lưu trữ năng lượng phù hợp có nghĩa là thế giới sẽ phải xây dựng tài sản năng lượng mặt trời và gió nhiều gấp 2 đến 4 lần so với mức cần thiết, ảnh hưởng đến chi phí, tắc nghẽn, độ tin cậy và rủi ro.
Giải pháp ở dưới chân chúng ta có phải là suốt thời gian qua không? Năng lượng địa nhiệt và lưu trữ
Andrew Van Noy, Người sáng lập và Giám đốc điều hành của DeepPower, Inc. — một công ty đi đầu trong công nghệ khoan địa nhiệt mang tính đột phá và tin rằng dưới chân chúng ta có nguồn năng lượng sạch vô hạn và kho lưu trữ sạch — cũng đã trao đổi với Techopedia về vấn đề này.
“Ngành năng lượng xanh phải đối mặt với thách thức lưu trữ năng lượng đáng kể để đáp ứng các mục tiêu phát thải carbon toàn cầu.
“Việc lưu trữ hiệu quả là điều cần thiết để quản lý tính chất không liên tục của các nguồn tái tạo như năng lượng mặt trời và gió. Với các giải pháp lưu trữ thiết thực, toàn bộ tiềm năng của năng lượng xanh có thể được khai thác.”
Năng lượng không chỉ là thế hệ
Cách dòng điện đi vào nhà ở, các ngành công nghiệp và doanh nghiệp của chúng ta là kết quả của một tập hợp các quy trình và thành phần kỹ thuật phức tạp.
Nếu chúng ta chia nhỏ các hệ thống này và đơn giản hóa chúng, chúng ta có thể nói ba lĩnh vực trung tâm giúp mọi thứ vận hành: nhà máy sản xuất năng lượng, hệ thống lưu trữ và phân phối.
Khi nhu cầu về điện thấp, hệ thống lưu trữ sẽ lưu trữ lượng điện dư thừa. Khi nhu cầu năng lượng đạt đỉnh điểm, hệ thống sẽ giải phóng chúng trở lại lưới điện.
Hệ thống phân phối được kết nối với hoạt động lưu trữ đảm bảo mọi người đều nhận được năng lượng liên tục, đáng tin cậy với điện áp chính xác. Tuy nhiên, những hệ thống này có trước cuộc cách mạng năng lượng xanh.
Van Noy cho biết hệ thống lưới điện và lưu trữ hiện tại thường chạy phần cứng cũ. Phần cứng này có thể không tương thích hoàn toàn với các đặc tính riêng của năng lượng xanh.
“Chúng (lưới điện) thường yêu cầu cập nhật, trang bị thêm hoặc trong một số trường hợp là một sự chuyển đổi đáng kể để tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo tốt hơn.
“Sự chuyển đổi này rất quan trọng vì các nguồn năng lượng xanh thường sản xuất điện năng khác nhau, đòi hỏi các công nghệ quản lý lưới và lưu trữ tiên tiến.”
Hopen mô tả mạng lưới năng lượng toàn cầu là “cỗ máy ấn tượng nhất mà nhân loại từng chế tạo” nhưng cảnh báo rằng một nhóm tài sản già cỗi cần phải phát triển đáng kể và không có quá 25 năm để thực hiện bước nhảy đó nếu thế giới nghiêm túc trong việc đáp ứng các mục tiêu cấp bách.
“Lượng điện cần được lưới điện chuyển đi dự kiến sẽ tăng hơn gấp ba lần và lưới điện hiện nay không thể đáp ứng được điều đó.
“Các công nghệ lưu trữ mang lại khả năng tận dụng tối đa lưới điện có thể, nhưng lưới điện sẽ cần được cải thiện và mở rộng lớn hơn và nhanh hơn những gì chúng tôi từng làm.”
Hệ thống lưu trữ năng lượng biên phi tập trung
“Rõ ràng là ngành năng lượng xanh toàn cầu và
Các mục tiêu phát thải carbon quốc tế phải đối mặt với thách thức đáng kể về lưu trữ năng lượng,” Jon M. Williams, Chủ tịch & Giám đốc điều hành tại Viridi Parente, nói với Techopedia.
“Bối cảnh năng lượng hiện nay, chịu trách nhiệm cho 75% lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu, đòi hỏi phải khử cacbon khẩn cấp.”
Viridi đã và đang xây dựng các giải pháp của mình và thiết kế các hệ thống lưu trữ năng lượng pin an toàn, tiết kiệm chi phí cho các trường hợp sử dụng công nghiệp, y tế, chính phủ và dân dụng.
Công nghệ pin quy mô lớn hiện đại hiện đang sẵn sàng trở thành công nghệ hàng đầu về khả năng lưu trữ năng lượng. Nhưng nó không phải là công nghệ duy nhất có giải pháp.
Williams từ Viridi giải thích rằng hệ thống điện hiện tại của chúng tôi chủ yếu dựa trên việc sản xuất tập trung, thường bằng nhiên liệu hóa thạch, sau đó là truyền tải và phân phối thông qua một hệ thống lỗi thời dựa trên các tín hiệu nhu cầu không hoàn hảo.
“Nhu cầu của người dùng cuối luôn thay đổi, cùng với các đỉnh điểm cực đoan, càng làm trầm trọng thêm tình trạng bất cập và điều này sẽ chỉ tăng cường khi nhu cầu tăng vọt theo dự đoán khi nền kinh tế điện khí hóa và mức sử dụng năng lượng bình quân đầu người tăng lên khi dân số ngày càng tăng.”
Williams nói thêm rằng cách để hiện đại hóa, cải thiện và khử cacbon cho lưới điện là thông qua việc tăng đáng kể công suất phát điện thông qua các nguồn tái tạo không liên tục, chẳng hạn như năng lượng mặt trời và gió. Những nguồn năng lượng xanh mới này cần được triển khai ở quy mô tiện ích và phân phối qua nhiều địa điểm.
“Do tính chất không liên tục của các nguồn này (ví dụ: năng lượng mặt trời và gió), việc lưu trữ hiệu quả là điều cần thiết để sử dụng năng lượng khi chúng không sản xuất.
“Mặc dù một số bộ lưu trữ này sẽ diễn ra tại các địa điểm tiện ích, nhưng sẽ rất hiệu quả nếu có bộ lưu trữ phân tán để quản lý việc phát điện phân tán.”
Ngoài ra, hỗ trợ lưới cũng sẽ cần thiết. Williams đã mô tả cách sử dụng hệ thống lưu trữ năng lượng tại chỗ để giải tỏa gánh nặng cho hệ thống phân phối và truyền tải đang bị quá tải do nhu cầu cao điểm.
Williams nói thêm rằng Hiệp hội Kỹ sư Hóa học Hoa Kỳ xếp hạng cơ sở hạ tầng năng lượng của chúng ta là C-.
“Rõ ràng là cần phải đầu tư vào lưới điện, nhưng điều quan trọng nhất là xây dựng lại nó cho phù hợp với thực tế mới chứ không phải thực tế cũ.”
Việc tạo và lưu trữ phân tán có thể nâng cao độ tin cậy cho người dùng cuối, giảm bớt căng thẳng về nhu cầu cao điểm trên lưới điện và thậm chí hoạt động như các nhà máy điện ảo, cho phép các công ty điện lực nắm bắt và chia sẻ các tài nguyên sản xuất và lưu trữ phân tán kết hợp như một sự bổ sung đáng kể cho cơ sở hạ tầng tập trung.
Công nghệ lưu trữ năng lượng hàng đầu
Các công nghệ lưu trữ năng lượng được nhắc đến nhiều nhất là pin lithium quy mô lớn và Thủy điện lưu trữ bơm (PSH). Các đối thủ khác đang có động lực trong lĩnh vực kinh doanh lưu trữ năng lượng bao gồm lưu trữ địa nhiệt tự nhiên và hydro sạch.
Tuy nhiên, những công nghệ này có những điểm mạnh và thách thức, với chi phí, tác động môi trường hoặc năng lực vận hành thành công đã được chứng minh qua nhiều năm.
Hopen cho biết hệ thống lưu trữ năng lượng tốt nhất hiện nay là Pumped Storage Hydro (PSH), được sử dụng ở nhiều quốc gia, bao gồm cả Hoa Kỳ. Hopen nói thêm rằng PHS tương thích với các nguồn sản xuất năng lượng xanh nhưng có chung lời cảnh báo.
“Những loại hệ thống này cực kỳ có giá trị, nhưng chỉ có thể được xây dựng ở những vị trí có cấu trúc liên kết cho phép (đồi hoặc núi).
“Vì vậy, các phương pháp lưu trữ thay thế (dựa trên trọng lực, dựa trên pin, dựa trên khí nén, v.v.) đều sẽ cần được xây dựng, triển khai và tích hợp với lưới điện hiện có, trong khi lưới điện đó đang mở rộng.”
Williams cũng cảnh báo rằng sự thành công của PSH phụ thuộc vào các điều kiện địa chất và địa chất thủy văn cụ thể. Nó đòi hỏi phải có đủ nước và các đặc điểm địa chất phù hợp để bơm nước lên độ cao cao hơn, giải phóng nước khi cần thiết.
“Việc xây dựng những công trình như vậy ở sai vị trí có thể cực kỳ tốn kém và có thể dẫn đến những tác động đến môi trường.”
Williams nói thêm rằng PSH giống như bất kỳ hệ thống lưu trữ tập trung nào yêu cầu phân phối và truyền tải trước khi sử dụng.
“Mặc dù PSH chắc chắn có vai trò trong quá trình chuyển đổi năng lượng nhưng nó không thể thay thế hoàn toàn các loại lưu trữ khác, bao gồm cả lưu trữ phân tán.”
Van Noy tin rằng pin lithium-ion đang dẫn đầu về đổi mới lưu trữ năng lượng xanh. Van Noy cho biết: “Các công nghệ đầy hứa hẹn bao gồm pin dòng, bộ lưu trữ năng lượng khí nén và hệ thống bánh đà tiên tiến”. “Mỗi công nghệ đều mang lại những lợi thế về dung lượng, khả năng mở rộng và sự phù hợp riêng biệt cho các ứng dụng khác nhau.”
“Thủy điện tích năng (PSH) là một phần quan trọng trong danh mục lưu trữ năng lượng của Hoa Kỳ. Mặc dù PSH tương đối bền vững và có tác động môi trường tối thiểu so với nhiên liệu hóa thạch nhưng nó có những hạn chế về yêu cầu địa điểm và tác động sinh thái. Khi nhu cầu năng lượng phát triển và các công nghệ mới xuất hiện, PSH có thể trở nên ít chiếm ưu thế hơn hoặc cần phải thích ứng về lâu dài.”
Hopen cũng gọi hệ thống pin mới là phương pháp lưu trữ thú vị sắp ra mắt trực tuyến
đề cập đến các hệ thống pin thuộc các ngành hóa học và kiến trúc khác nhau, chẳng hạn như pin dòng, pin sắt-không khí, natri, lithium thay thế và các loại khác.
Hopen cũng nói về năng lượng địa nhiệt, thường được coi là nguồn sản xuất năng lượng có giá trị nhưng không phải là giải pháp lưu trữ.
“Lưu trữ nhiệt là một khái niệm thu được lực kéo trong đó vật liệu được nung nóng đến nhiệt độ rất cao (hàng nghìn độ F) bằng cách sử dụng năng lượng tái tạo dư thừa và sau đó nhiệt đó được sử dụng trực tiếp cho một quy trình khi cần hoặc được chuyển trở lại thành điện năng”
Bộ lưu trữ pin Lithium-Ion: Tấm vé vàng và những điểm yếu của nó
Van Noy nói thêm rằng các hệ thống lưu trữ pin lithium-ion quy mô lớn, tuy rất quan trọng đối với tương lai của năng lượng xanh, nhưng phải giải quyết các tác động đến môi trường, đặc biệt là từ hoạt động khai thác và xử lý cũng như chi phí cao để xây dựng và vận hành các cơ sở này.
Van Noy kêu gọi tìm kiếm các vật liệu bền vững hơn, cải tiến các phương pháp tái chế và phát triển các công nghệ pin thay thế với tác động môi trường thấp hơn.
Chi phí và tác động đến môi trường luôn là mối lo ngại liên quan đến hoạt động sản xuất pin quy mô lớn. Nhưng Williams giải thích rằng những lo ngại này có thể được giải quyết một cách hiệu quả.
“Về chi phí, sự đổi mới liên tục đang liên tục giảm chi phí cho hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin, đồng thời quản lý năng lượng chiến lược mang lại cơ hội tiết kiệm chi phí và tạo ra doanh thu tiềm năng.”
Williams nói thêm rằng, tại Hoa Kỳ, chính phủ liên bang, một số tiểu bang và các cơ sở tiện ích đưa ra các ưu đãi cho việc lưu trữ pin sau đồng hồ để hỗ trợ lưới điện và cho phép dịch chuyển phụ tải nhằm tối ưu hóa chi phí năng lượng.
Việc tiết kiệm pin lithium đôi khi cũng khó có thể định lượng ngay từ cái nhìn đầu tiên. Williams đã phá vỡ điều đó.
“Khi kết nối với hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời tại chỗ, pin không chỉ tránh được chi phí năng lượng mua mà còn giảm lượng khí thải carbon. Tùy thuộc vào hoàn cảnh, mức hoàn vốn của hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin có thể hấp dẫn, với các lợi ích bổ sung như khả năng phục hồi được nâng cao.”
Williams cho biết: “Các yêu cầu nghiêm ngặt về quy định, an toàn và phân vùng là điều tối quan trọng để giảm thiểu tác động đến môi trường trong ngành công nghiệp pin”.
Cuộc chiến năng lượng đã qua lâu và con đường khó khăn phía trước
Khi dân số toàn cầu tiếp tục tăng vọt và công nghệ, các ngành công nghiệp và xã hội phát triển, cơn đói năng lượng trên thế giới của chúng ta nhanh chóng bắt đầu vượt xa nguồn cung. Cho dù đó là hydro sạch, pin lithium, gió hay mặt trời, địa nhiệt hay các công nghệ cải tiến mới - chưa được vận hành đầy đủ - như năng lượng nhiệt hạch, không ai có thể phủ nhận rằng tương lai của năng lượng là xanh.
Thế giới đã qua thời điểm tranh luận về việc liệu các nguồn năng lượng tái tạo có cần thiết hay không. Mối hận thù cũ giữa các ông trùm ngành công nghiệp hóa thạch và những người vận động hành lang chống lại ngành năng lượng xanh dường như đang mờ dần.
Bất chấp tất cả những nỗ lực này, sự phức tạp sâu sắc hơn của năng lượng xanh, lượng khí thải carbon, số 0 ròng và tính bền vững vẫn là những vấn đề cấm kỵ. Nếu những thách thức quan trọng nhất không được thảo luận, giải quyết và tranh luận một cách công khai thì chúng sẽ không thể được giải quyết dễ dàng.
Điểm mấu chốt
Sẽ cần nỗ lực của ngành năng lượng, chính phủ, tập đoàn, nhà lãnh đạo, cơ quan quản lý, v.v. để chuyển đổi hệ thống phân phối và lưu trữ năng lượng toàn cầu. Sự chuyển đổi này là cách duy nhất để thế giới có thể đạt được mục tiêu không phát thải carbon.
Việc chuyển từ các hệ thống cũ tập trung sang các giải pháp lưu trữ năng lượng xanh phi tập trung và linh hoạt nhằm thúc đẩy sự đổi mới và cải tiến lưới điện toàn cầu là một thách thức lớn. Nhưng nó cũng là một cơ hội lớn.
