Trạm đổi pin chạy bằng năng lượng mặt trời và gió: Cách thức hoạt động này đối với xe điện
Tác giả: Lumbumba Taty-Etienne Nyamayoka
Nguồn: Kindel Media từ Pexels
Xe chạy bằng xăng và dầu diesel đang dần bị loại bỏ trên toàn cầu và thay thế bằng xe điện để các quốc gia có thể đáp ứng cam kết không phát thải carbon do con người gây ra vào năm 2050. Nhưng pin của xe điện hết nhanh và mất nhiều thời gian để sạc lại. Một giải pháp là hệ thống đổi pin, nơi pin cạn có thể được đổi thành pin đã sạc đầy, giúp người lái xe điện quay trở lại đường nhanh hơn so với thời gian đổ xăng. Lumbumba Taty-Etienne Nyamayoka là nhà nghiên cứu và ứng viên Tiến sĩ của Nhóm nghiên cứu Công nghệ năng lượng điện tương lai tại Đại học Witwatersrand. Nghiên cứu của ông đã xem xét cách tốt nhất để thiết lập hệ thống đổi pin chạy bằng năng lượng mặt trời và năng lượng gió.
Pin xe điện có những hạn chế gì?
Pin xe điện có phạm vi lái xe hạn chế, tùy thuộc vào loại xe, dung lượng pin và điều kiện sử dụng. Thời gian sạc của chúng rất chậm—mất vài giờ để sạc ở nhà và lâu hơn tại trạm sạc công cộng so với thời gian để đổ đầy bình cho ô tô thông thường. Ngoài ra, các trạm sạc xe điện ở Nam Phi không phổ biến như các trạm xăng.
Hiệu suất của pin cũng giảm dần theo tuổi thọ và cách sử dụng. Điều này có nghĩa là xe không thể di chuyển tới 500 km chỉ với một lần sạc, như khi sử dụng pin mới hoặc đạt tốc độ nhanh. Pin càng cũ thì thời gian sạc càng lâu. Pin cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp. Các hệ thống quản lý nhiệt bảo vệ chống lại điều này rất tốn kém.
Pin xe điện rất tốn kém. Ở Nam Phi, chúng có giá từ 100.000 đến 400.000 R (5.630 đến 22.523 đô la Mỹ), trong khi pin xe chạy bằng xăng có giá chỉ 3.500 R (197 đô la Mỹ). Giá đang giảm nhưng chi phí cao vẫn gây khó chịu.
Cuối cùng, một bộ pin xe điện nặng trung bình 454kg và chiếm từ 100 lít đến 200 lít không gian trong xe, tùy thuộc vào kiểu xe. Đây là vấn đề đối với những chiếc xe nhỏ hơn.
Các trạm đổi pin xe điện có thể giúp ích như thế nào?
Thay vì dừng lại trên một chuyến đi dài để dành nhiều giờ sạc pin xe, tài xế chỉ cần lái xe đến trạm đổi pin và lấy một cục pin mới. Việc này rất nhanh chóng và dễ dàng, đặc biệt là đối với xe máy giao hàng, xe tải, xe buýt hoặc taxi cần phải di chuyển trên đường cả ngày. (Các trạm đổi pin cần lưu trữ nhiều loại và tuổi pin khác nhau để người lái xe có thể đổi pin lấy pin có cùng tuổi và chất lượng.)
Các trạm đổi pin cũng giúp ích cho chủ sở hữu xe điện vì họ không sử dụng phương pháp sạc nhanh tạo ra nhiệt độ cao và gây áp lực lên pin. Thay vào đó, các trạm sạc pin xe điện chậm, ngoài địa điểm. Điều này kéo dài tuổi thọ của pin.
Một số trạm đổi pin đã được thành lập ở Châu Phi—chủ yếu dành cho xe máy điện—ở Kenya, Uganda, Rwanda, Nigeria và Nam Phi, nhưng chúng hiện diện với số lượng lớn hơn ở Trung Quốc, Hoa Kỳ và Đài Loan.
Trên thực tế, các trạm đổi pin có thể giúp thị trường xe điện phát triển bằng cách mang lại cho mọi người sự tự tin rằng họ sẽ luôn có thể sạc ô tô điện nếu họ mua một chiếc.
Năng lượng gió và năng lượng mặt trời có vai trò gì?
Các trạm hoán đổi pin nên được cung cấp năng lượng từ hệ thống năng lượng tái tạo gió và mặt trời để người lái xe không phải sạc xe điện thân thiện với môi trường bằng điện được tạo ra từ việc đốt than. Hơn 74% điện năng của Nam Phi hiện được tạo ra từ việc đốt than.
Nghiên cứu của tôi phát hiện ra rằng một hệ thống năng lượng tái tạo bao gồm 64 tua-bin gió và 402 tấm pin quang điện mặt trời có thể cung cấp năng lượng cho một trạm hoán đổi có quy mô vừa phải—một trạm có thể thay thế khoảng 50 đến 200 pin xe điện mỗi ngày.
Để thiết lập một trong những trạm này, chi phí chỉ dưới 2 triệu R (112.000 đô la Mỹ). Trong nghiên cứu điển hình của tôi, số tiền này bao gồm tổng chi phí vòng đời. Bao gồm vốn đầu tư ban đầu, chi phí lắp đặt, vận hành và bảo trì, cũng như chi phí thay thế trong suốt vòng đời của hệ thống kéo dài 20–25 năm. Các trạm hoán đổi pin có quy mô khác nhau sẽ có chi phí khác nhau.
Các nhà đầu tư có thể thu hồi được các chi phí này trong vòng năm năm rưỡi, dựa trên dự báo tiết kiệm năng lượng và doanh thu hoạt động từ 50–200 lần hoán đổi mỗi ngày. Sau thời gian hoàn vốn, hệ thống sẽ tạo ra lợi nhuận thông qua việc tiếp tục tiết kiệm chi phí điện, doanh thu từ người sử dụng xe điện và kiếm tiền từ việc cung cấp điện cho lưới điện.
Các trạm hoán đổi pin gió-mặt trời kết hợp với hệ thống lưu trữ pin để lưu trữ điện được tạo ra là khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế.
Rất ít người lái xe điện ở Nam Phi. Chúng ta có thực sự cần các trạm hoán đổi pin không?
Các trạm hoán đổi pin xe điện là cần thiết từ góc độ lập kế hoạch ban đầu và phát triển cơ sở hạ tầng.
Việc sử dụng xe điện vẫn đang tăng trưởng, nhưng đang có đà phát triển ở Nigeria, Kenya và Nam Phi.
Ví dụ, các công ty chuyển phát nhanh và vận tải lớn của Nam Phi đang bắt đầu chuyển đổi đội xe tải của họ sang xe điện.
Số lượng lớn xe buýt nhỏ và xe taxi trên đường ở Nam Phi góp phần đáng kể vào tình trạng ô nhiễm không khí đô thị, đặc biệt là ở những khu vực đông dân cư. Nếu thị trường này bắt đầu sử dụng xe điện, họ sẽ cần các trạm đổi pin để có thể di chuyển trên đường cả ngày.
Bằng cách bắt đầu ngay bây giờ, Nam Phi có thể xây dựng hệ sinh thái xe điện của mình để phù hợp với các mục tiêu năng lượng của đất nước—mà không cần cam kết quá nhiều nguồn lực quá sớm, nhưng bằng cách đảm bảo rằng hệ thống đã sẵn sàng khi nhu cầu tăng tốc.
Cần phải làm gì tiếp theo?
Một dự án trình diễn gồm 64 tua-bin gió và 402 tấm pin mặt trời nên được xây dựng. Dự án này nên được thử nghiệm trong các giai đoạn khác nhau để chúng ta có thể thấy hệ thống lưu trữ pin chạy bằng năng lượng gió và năng lượng mặt trời sẽ hoạt động như thế nào trong các điều kiện thời tiết khác nhau.
Chính phủ cũng phải thực hiện một số dự báo trong tương lai về chi phí của các bộ phận hệ thống lưu trữ pin, tuổi thọ của chúng và mức thuế quan có thể khiến chúng đắt hơn. Dữ liệu này sẽ giúp hướng dẫn các nhà đầu tư.
Các kỹ thuật dự báo tiên tiến (như học máy hoặc mô hình chuỗi thời gian) là cần thiết để dự đoán nhu cầu tải và sản xuất năng lượng tái tạo. Điều này có thể được sử dụng để cải thiện mô hình.
Các chính sách phải được phát triển để xem cách sử dụng tín dụng thuế, trợ cấp và tín dụng carbon để giúp các doanh nghiệp thiết lập các trạm hoán đổi pin rẻ hơn.
Các quy định cũng cần thiết để khuyến khích các trạm sạc xe điện dựa trên năng lượng tái tạo lai giữa gió và mặt trời.
Các hệ thống hoán đổi pin không cần phải được triển khai trên toàn quốc ngay lập tức. Thay vào đó, một cách tiếp cận theo từng giai đoạn có thể tập trung vào những nơi tập trung nhiều hoạt động của xe điện nhất.
Thông tin thêm: Lumbumba Taty-Etienne Nyamayoka et al, Khả năng kinh tế kỹ thuật và phương pháp tiếp cận thiết kế tối ưu của hệ thống phát điện lai kết nối lưới điện cho trạm hoán đổi pin xe điện, Energies (2025). DOI: 10.3390/en18051208
Thông tin tạp chí: Energies
