Lưu trữ năng lượng quy mô lưới (grid-scale) (1) hiện nay trở nên quan trọng hơn bao giờ hết, bởi phần lớn các quốc gia đang hướng tới việc tích hợp ngày càng nhiều năng lượng tái tạo vào hệ thống điện. Ví dụ tiêu biểu là Ấn Độ, quốc gia đã đặt mục tiêu đạt 500 GW công suất năng lượng tái tạo tích hợp vào năm 2030. Tương tự, Hoa Kỳ, Vương quốc Anh và Liên minh châu Âu cũng đã thiết lập các mục tiêu ràng buộc về tích hợp năng lượng tái tạo. Tính đến cuối năm 2023, hơn 170 quốc gia đã xây dựng các mục tiêu liên quan đến lĩnh vực này.
(1) Grid-scale là thuật ngữ dùng để chỉ những hệ thống, thiết bị hoặc giải pháp được triển khai ở quy mô toàn bộ lưới điện quốc gia hoặc khu vực, thay vì ở cấp độ nhỏ như hộ gia đình hay doanh nghiệp riêng lẻ.

Xu hướng chung cho thấy các quốc gia muốn gia tăng tỷ trọng các nguồn năng lượng như điện mặt trời, điện gió và các nguồn tái tạo khác, nhằm giảm sự phụ thuộc vào năng lượng truyền thống. Tuy nhiên, một hệ thống điện ổn định không thể chỉ dựa vào năng lượng tái tạo nếu thiếu giải pháp lưu trữ. Nguyên nhân rất rõ ràng: các nguồn năng lượng tái tạo không tạo ra điện liên tục theo nhu cầu. Mặt trời không chiếu sáng vào ban đêm và gió không phải lúc nào cũng thổi. Khi cần điện, nguồn năng lượng có thể không sẵn có. Lưu trữ năng lượng chính là giải pháp cho vấn đề này, và đó là lý do tại sao nó ngày càng trở nên thiết yếu.

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh Gaurav J – TheElectricalGuy, nói về những công nghệ lưu trữ năng lượng hiện nay.

Nguyên lý cơ bản của lưu trữ năng lượng
Ý tưởng của lưu trữ năng lượng (energy storage) khá đơn giản. Khi sản lượng từ nguồn tái tạo dư thừa, năng lượng sẽ được lưu trữ dưới một dạng nhất định. Khi mặt trời lặn hoặc gió ngừng thổi, phần năng lượng này sẽ được đưa trở lại lưới điện. Nhờ đó, hệ thống điện đạt được sự cân bằng và có thể phụ thuộc nhiều hơn vào năng lượng tái tạo.

Hiện nay có nhiều công nghệ lưu trữ năng lượng khác nhau như thủy điện tích năng (pumped hydro storage), lưu trữ bánh đà (flywheel storage), lưu trữ nhiệt (thermal energy storage), lưu trữ hydrogen (hydrogen energy storage) và hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS). Trong số đó, BESS đang là công nghệ phát triển nhanh nhất nhờ những lợi thế vượt trội so với các giải pháp khác.

Thủy điện tích năng – công nghệ truyền thống và quy mô lớn
Thủy điện tích năng là một công nghệ lưu trữ lâu đời và đã được chứng minh hiệu quả. Thực chất, công nghệ này không lưu trữ điện trực tiếp mà lưu trữ nước để sau đó tạo ra điện. Khi nguồn điện dư thừa, nước được bơm từ hồ chứa thấp lên hồ chứa cao. Khi cần điện, nước được xả xuống, làm quay tua-bin và phát điện.

Phương pháp này đã được sử dụng trong nhiều năm và được xem là công nghệ trưởng thành. Ưu điểm nổi bật là khả năng lưu trữ lớn, do có thể tích trữ lượng nước khổng lồ. Lượng nước càng nhiều thì lượng điện có thể tạo ra càng lớn. Ngoài ra, tuổi thọ của hệ thống rất dài, có thể lên đến 50 – 60 năm hoặc hơn, và hầu như không bị suy giảm đáng kể theo thời gian.

Tuy nhiên, công nghệ này cũng có những hạn chế lớn. Trước hết là yêu cầu về địa hình, cần có sông, hồ và điều kiện tự nhiên phù hợp, nên không thể triển khai ở mọi nơi, đặc biệt là trong đô thị. Bên cạnh đó là chi phí đầu tư ban đầu rất cao do phải xây dựng đập, hạ tầng và các công trình quy mô lớn. Dù vậy, đây vẫn là công nghệ đang được triển khai rộng rãi, với các dự án thực tế như nhà máy thủy điện Tehri tại Uttarakhand, Ấn Độ.

Lưu trữ bánh đà – phản ứng nhanh cho ngắn hạn
Lưu trữ bánh đà là một công nghệ độc đáo, trong đó năng lượng điện được chuyển thành năng lượng cơ học dưới dạng chuyển động quay của rotor. Khi có điện, hệ thống sử dụng một động cơ để làm quay rotor với tốc độ rất cao, từ đó tích trữ năng lượng dưới dạng động năng. Khi cần điện, rotor tiếp tục quay và kéo máy điện hoạt động như một máy phát, chuyển phần năng lượng động này trở lại thành điện năng để cung cấp cho hệ thống.

Ưu điểm lớn nhất của công nghệ này là tốc độ phản ứng rất nhanh và hiệu suất cao. Nó đặc biệt hữu ích trong các tình huống cần phản ứng tức thời như điều chỉnh tần số, xử lý sụt áp hoặc mất điện đột ngột. Ngoài ra, hệ thống có vòng đời chu kỳ cao và ít tổn thất năng lượng.

Tuy nhiên, nhược điểm là khả năng lưu trữ trong thời gian ngắn, thường chỉ từ vài phút đến vài giờ, và không phù hợp cho lưu trữ quy mô lớn hoặc dài hạn. Một ví dụ điển hình là nhà máy bánh đà Stephentown tại New York, Hoa Kỳ, chuyên phục vụ các nhu cầu lưu trữ ngắn hạn trên lưới điện.

Lưu trữ nhiệt – giải pháp gắn với điện mặt trời
Lưu trữ nhiệt là công nghệ sử dụng năng lượng dư thừa để tích trữ dưới dạng nhiệt hoặc lạnh. Khi có nguồn năng lượng dồi dào, hệ thống sẽ chuyển đổi điện năng thành nhiệt và lưu trữ trong các vật liệu như muối nóng chảy. Nhờ khả năng giữ nhiệt trong thời gian dài, năng lượng này có thể được “giữ lại” để sử dụng khi cần. Khi nhu cầu điện tăng hoặc không còn nguồn cung trực tiếp, nhiệt tích trữ sẽ được dùng để tạo hơi, quay tua-bin và phát điện trở lại..

Ưu điểm của công nghệ này là chi phí tương đối thấp và có thể kết hợp hiệu quả với các nhà máy điện mặt trời hiện có. Tuy nhiên, giống như thủy điện tích năng, công nghệ này phụ thuộc vào vị trí địa lý và điều kiện môi trường, nên không linh hoạt trong triển khai. Ngoài ra, mức độ linh hoạt vận hành cũng thấp hơn so với các công nghệ khác.

Lưu trữ hydrogen – tiềm năng dài hạn nhưng chưa hoàn thiện
Lưu trữ hydrogen là một công nghệ mới nổi, trong đó điện được sử dụng để tách nước thành hydrogen và oxygen thông qua điện phân. Hydrogen sau đó được lưu trữ và sử dụng để phát điện bằng pin nhiên liệu (2) hoặc tua-bin khi cần.
(2) Pin nhiên liệu (fuel cell) là thiết bị điện hóa chuyển đổi trực tiếp năng lượng của nhiên liệu, thường là hydrogen, thành điện năng thông qua phản ứng với oxy trong không khí. Khác với pin lưu trữ, pin nhiên liệu không “chứa sẵn” năng lượng mà tạo ra điện liên tục miễn là được cung cấp nhiên liệu, với sản phẩm phụ chủ yếu là nước.

Ưu điểm lớn nhất là khả năng lưu trữ dài hạn – từ vài ngày đến vài tháng, phù hợp với các ứng dụng mang tính mùa vụ. Ví dụ, năng lượng dư thừa trong mùa nắng có thể được lưu trữ và sử dụng trong mùa đông hoặc mùa mưa.

Tuy nhiên, công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn phát triển, chưa có nhiều dự án quy mô lớn và hiệu suất chuyển đổi còn thấp. Một số dự án thí điểm đã được triển khai, chẳng hạn tại Gujarat, Ấn Độ, nhằm nghiên cứu và hoàn thiện công nghệ trước khi mở rộng.

Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin – công nghệ phát triển nhanh nhất
Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin, hay BESS, hiện là công nghệ phát triển nhanh nhất trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng. Trong hệ thống này, điện được lưu trữ trực tiếp trong pin và được xả ra khi cần. Trên thực tế, đây không chỉ là hệ thống sạc/ xả đơn giản mà là một tổ hợp phức tạp, có thể được xem như một nhà máy điện thu nhỏ trong container.

Ưu điểm đầu tiên là tính linh hoạt về vị trí. Không giống như thủy điện tích năng hay lưu trữ nhiệt, hệ thống pin có thể triển khai ở bất kỳ đâu, trong thành phố, ngoài sa mạc hoặc trong môi trường lạnh. Thứ hai là khả năng mở rộng theo dạng module, chỉ cần bổ sung thêm container để tăng dung lượng.

Ngoài ra, hệ thống pin có tốc độ phản ứng rất nhanh. Một ví dụ là dự án Hornsdale Power Reserve tại Nam Úc, có thể phản hồi trong vòng 140 mili giây, rất phù hợp cho các ứng dụng như điều chỉnh tần số và cân bằng điện áp. Hiệu suất của hệ thống cũng cao, đặc biệt với pin lithium-ion, có thể đạt khoảng 80 – 85%, dù con số này phụ thuộc vào công nghệ pin sử dụng.

Chi phí pin cũng đang giảm mạnh nhờ sự phát triển của thị trường xe điện, với giá lithium-ion đã giảm khoảng 70% trong 10 năm qua và dự kiến tiếp tục giảm. Bên cạnh đó, BESS có tính linh hoạt ứng dụng rất cao, từ lưu trữ ngắn hạn, dài hạn, cắt đỉnh phụ tải, ổn định công suất đến điều khiển công suất phản kháng. Đây là những khả năng mà hầu hết các công nghệ khác không thể đáp ứng đồng thời.

Tổng kết các công nghệ lưu trữ năng lượng
Mỗi công nghệ lưu trữ năng lượng đều có vai trò riêng. Thủy điện tích năng phù hợp cho quy mô lớn và đã được chứng minh, nhưng phụ thuộc vào địa hình. 

Bánh đà phù hợp cho phản ứng nhanh trong ngắn hạn. Lưu trữ nhiệt hiệu quả khi kết hợp với điện mặt trời nhưng thiếu linh hoạt. 

Hydrogen có tiềm năng lưu trữ dài hạn nhưng vẫn cần thời gian để hoàn thiện. Trong khi đó, hệ thống lưu trữ bằng pin nổi bật nhờ tính linh hoạt, khả năng mở rộng và phạm vi ứng dụng rộng, trở thành công nghệ dẫn đầu trong xu hướng phát triển hiện nay.

Để xem các tin bài khác về “Lưu trữ năng lượng” hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Gaurav J – TheElectricalGuy