CHLB ĐỨC – Lưu trữ năng lượng bằng trọng lực (gravity energy storage) là công nghệ sử dụng thế năng của một khối lượng được nâng lên cao để lưu trữ điện năng. Khi hệ thống điện có lượng điện dư thừa, nguồn điện này được sử dụng để nâng các khối lượng lớn lên một vị trí cao hơn. Khi cần bổ sung điện cho lưới, các khối lượng được hạ xuống, làm quay hệ thống truyền động và máy phát để chuyển thế năng trở lại thành điện năng. 

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video từ kênh DW Planet A, nói về về tiềm năng của giải pháp lưu trữ năng lượng dài hạn dựa trên thế năng, pin trọng lực.

Về nguyên lý, lưu trữ năng lượng bằng trọng lực là một dạng lưu trữ năng lượng cơ học. Hệ thống không lưu điện trực tiếp bên trong vật liệu như pin điện hóa, mà chuyển điện năng thành thế năng trọng trường và giữ năng lượng ở trạng thái đó cho đến khi cần sử dụng. Công nghệ này đang được nghiên cứu và triển khai theo nhiều cấu hình khác nhau, từ các công trình cao sử dụng hàng nghìn khối vật liệu, các hệ thống đặt trong giếng mỏ sâu, đến các thiết kế tận dụng sườn núi hoặc tích hợp vào các tòa nhà cao tầng.

Để xem và hiểu đầy đủ nội dung của video (bằng tiếng Anh), Quý độc giả nên tham khảo toàn bộ nội dung của bài viết trước khi xem video. Để xem video ở chế độ toàn màn hình (full-screen), vui lòng nhấn vào khung [ ] ở góc phải phía dưới của video hoặc nhấn phím F.

Nhu cầu lưu trữ tăng cùng với năng lượng tái tạo
Sự phát triển của điện mặt trời và điện gió đang làm tăng nhu cầu đối với các hệ thống lưu trữ năng lượng có khả năng vận hành linh hoạt trong nhiều khoảng thời gian khác nhau. Điện mặt trời có thể tạo ra lượng điện lớn vào giữa ngày, trong khi nhu cầu tiêu thụ không phải lúc nào cũng đạt đỉnh vào thời điểm đó. Tương tự, sản lượng điện gió phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và có thể thay đổi đáng kể theo từng thời điểm. Các hệ thống lưu trữ cho phép hấp thụ lượng điện dư thừa khi nguồn cung cao và giải phóng năng lượng khi sản lượng điện tái tạo giảm hoặc nhu cầu tăng.

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, đến năm 2040 thế giới sẽ cần hơn 25.000 GWh năng lực lưu trữ năng lượng. Mức này tương đương khoảng 2,8 lần năng lực lưu trữ hiện nay và đủ để cung cấp lượng điện tương đương nhu cầu sử dụng trong một năm của các quốc gia như Paraguay hoặc Tunisia. Tuy nhiên, mức tăng 2,8 lần chưa phản ánh đầy đủ quy mô phát triển cần thiết đối với các công nghệ lưu trữ mới. Phần lớn năng lực lưu trữ hiện nay đến từ thủy điện tích năng (*). Do khả năng tiếp tục mở rộng loại hình này bị giới hạn bởi điều kiện địa hình, nguồn nước và yêu cầu xây dựng, các công nghệ lưu trữ khác có thể tăng ít nhất 22 lần so với quy mô hiện tại.

Thủy điện tích năng hiện chiếm hơn 95% năng lực lưu trữ năng lượng trên thế giới và đã được sử dụng trong hơn một thế kỷ. Khi hệ thống điện có lượng điện dư thừa, nước được bơm từ hồ chứa thấp lên hồ chứa ở vị trí cao hơn. Khi cần phát điện, nước được xả xuống qua tua-bin, qua đó chuyển thế năng của nước thành điện năng. Về mặt vật lý, đây cũng chính là một hệ thống lưu trữ năng lượng bằng trọng lực. Ưu điểm của thủy điện tích năng là độ tin cậy cao, tuổi thọ dài và khả năng lưu trữ lượng năng lượng lớn. Tuy nhiên, công nghệ này không thể triển khai tại mọi địa điểm. Các dự án thường cần địa hình có chênh lệch độ cao, lượng nước lớn và diện tích xây dựng lớn. Việc xây dựng hồ chứa, đường dẫn nước và các công trình liên quan cũng có thể ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên. Vì vậy, khả năng mở rộng quy mô thủy điện tích năng trên toàn cầu bị giới hạn. Các hệ thống pin trọng lực mới được phát triển nhằm áp dụng cùng nguyên lý vật lý nhưng thay thế nước bằng các khối vật liệu rắn.

Công ty Energy Vault và mô hình sử dụng các khối vật liệu
Energy Vault là một trong những doanh nghiệp phát triển công nghệ lưu trữ năng lượng bằng trọng lực ở quy mô lớn. Năm 2020, công ty xây dựng một nguyên mẫu hệ thống lưu trữ năng lượng tại Thụy Sĩ, sử dụng sáu cần cẩu để nâng và xếp các khối bê tông lên độ cao gần 70 m. Thử nghiệm cho thấy nguyên lý lưu trữ bằng cách nâng và hạ các khối vật liệu có thể hoạt động. Tuy nhiên, thiết kế cũng làm xuất hiện những vấn đề liên quan đến quy chuẩn xây dựng, khả năng chịu thời tiết cực đoan và lượng bê tông lớn cần sử dụng. Việc sử dụng hàng nghìn tấn bê tông cũng đặt ra câu hỏi về tác động môi trường của hệ thống, đặc biệt trong bối cảnh mục tiêu chính của công nghệ lưu trữ là hỗ trợ quá trình giảm phát thải của ngành năng lượng. Công ty Energy Vault sau đó phát triển một thiết kế khác, trong đó các khối vật liệu được nâng lên và hạ xuống bên trong một kết cấu dạng công trình, đồng thời được bố trí lưu trữ theo phương ngang.

Nhà máy lưu trữ năng lượng 100 MWh tại Rudong
Một trong những hệ thống quy mô thương mại đầu tiên của Energy Vault được đưa vào hoạt động tại vùng Rudong, tỉnh Giang Tô, Trung Quốc. Công trình này cao hơn kim tự tháp Giza và sử dụng hơn 3.500 khối vật liệu, mỗi khối nặng khoảng 25 tấn. Các khối được sản xuất tại chỗ bằng đất đào từ công trường. Theo công ty, những loại vật liệu thải khác như tro than hoặc cánh tua-bin gió đã qua sử dụng cũng có thể được tận dụng để chế tạo các khối lưu trữ. Hệ thống có công suất lưu trữ 100 MWh. Theo công ty Energy Vault, lượng năng lượng này tương đương khả năng cấp điện cho khoảng 35.000 hộ gia đình từ hai đến ba giờ. Công ty đặt mục tiêu phát triển 4 GWh năng lực lưu trữ bằng trọng lực tại Trung Quốc, tương đương 40 lần quy mô của nhà máy Rudong. 

Một nhà máy nhỏ hơn đã được lên kế hoạch tại thành phố Snyder (thuộc bang Texas, Hoa Kỳ), trong khi các dự án khác đang được phát triển tại khu vực miền nam châu Phi. Công ty Energy Vault đã thu hút hàng trăm triệu USD vốn đầu tư từ nhiều nhà đầu tư, trong đó có tập đoàn dầu khí Saudi Aramco và nhà hoạt động môi trường Leonardo DiCaprio.

Tuổi thọ là một trong những lợi thế chính
Một trong những điểm khác biệt giữa pin trọng lực và pin lithium-ion nằm ở cơ chế suy giảm theo thời gian. Pin lithium-ion lưu trữ năng lượng thông qua các quá trình điện hóa. Trong quá trình vận hành, vật liệu bên trong pin bị lão hóa, trong khi nhiệt độ và số chu kỳ sạc xả làm giảm dần khả năng lưu trữ. Tuổi thọ của các hệ thống lithium-ion thường không vượt quá khoảng 15 năm. Pin trọng lực không phụ thuộc vào phản ứng hóa học để giữ năng lượng. Về lý thuyết, một khối vật liệu sau khi được nâng lên có thể duy trì vị trí đó trong thời gian rất dài mà không làm mất đáng kể năng lượng đã lưu trữ. Một hệ thống như vậy có thể hoạt động trong khoảng 50 đến 60 năm. Các bộ phận cơ khí như động cơ hoặc hệ thống truyền động có thể cần sửa chữa hoặc thay thế trong quá trình vận hành, nhưng bản thân các khối vật liệu có thể tiếp tục được sử dụng.

Hạn chế lớn nhất nằm ở chi phí và mật độ năng lượng
Theo nghiên cứu của công ty BloombergNEF về các công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn, pin trọng lực hiện có chi phí trung bình và phạm vi chi phí cao hơn nhiều công nghệ lưu trữ dài hạn khác. Một nguyên nhân quan trọng là mật độ năng lượng thấp. Để lưu trữ cùng một lượng năng lượng, hệ thống trọng lực cần khối lượng vật liệu lớn, chiều cao công trình đáng kể và nhiều cơ sở hạ tầng hơn so với hệ thống pin lithium-ion. Ví dụ, một hệ thống lithium-ion có thể lưu trữ lượng năng lượng tương đương nhà máy pin trọng lực tại vùng Rudong trong một diện tích nhỏ hơn. Điều này làm tăng chi phí xây dựng ban đầu đối với hệ thống trọng lực. 

Tốc độ phản ứng ảnh hưởng đến khả năng tạo doanh thu
Một hạn chế khác liên quan đến cách các hệ thống lưu trữ tham gia thị trường điện. Các đơn vị vận hành hệ thống lưu trữ có thể mua hoặc lưu trữ điện khi giá thấp và xả điện khi giá tăng. Pin lithium-ion có khả năng phản ứng với tín hiệu của thị trường trong khoảng thời gian rất ngắn, có thể tính bằng mili giây. Điều này cho phép hệ thống tham gia các thị trường điều tần (*) hoặc tận dụng những biến động giá điện trong thời gian ngắn. Pin trọng lực phải thực hiện quá trình cơ học gồm nâng hoặc hạ các khối lượng lớn. Do đó, tốc độ phản ứng thường chậm hơn và khả năng khai thác những cơ hội giao dịch ngắn hạn bị hạn chế.
(*) Thị trường điều tần: là thị trường cung cấp các dịch vụ giúp hệ thống điện duy trì tần số lưới quanh mức tiêu chuẩn bằng cách nhanh chóng tăng hoặc giảm công suất phát hoặc công suất tiêu thụ khi cung và cầu điện mất cân bằng. Các hệ thống lưu trữ như pin lithium-ion có lợi thế trong thị trường này vì có thể phản ứng trong thời gian rất ngắn, giúp ổn định tần số và hỗ trợ vận hành lưới điện an toàn, liên tục.

Ở thời điểm hiện tại, chi phí công suất của hệ thống trọng lực được cho là khoảng gấp đôi công nghệ lithium-ion. Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cao, các nhà phát triển pin trọng lực cho rằng công nghệ này cần được đánh giá trong toàn bộ vòng đời vận hành. Nếu một hệ thống có thể hoạt động trong 50 đến 60 năm trong khi các thành phần chính không bị suy giảm đáng kể, chi phí ban đầu có thể được phân bổ trong một khoảng thời gian dài hơn. Chi phí bảo trì cũng có thể thấp hơn so với những hệ thống cần thay thế phần lớn bộ pin sau nhiều năm vận hành. Theo cách tiếp cận này, chi phí lưu trữ quy dẫn (levelized cost of storage) (*), trong toàn bộ vòng đời dự án có thể thấp hơn so với những gì mức đầu tư ban đầu thể hiện. Tuy nhiên, khả năng cạnh tranh thực tế vẫn phụ thuộc vào chi phí xây dựng, tần suất vận hành, hiệu suất chuyển đổi năng lượng và thời gian hoạt động của từng dự án.
(*) Chi phí lưu trữ quy dẫn (LCOS): là chỉ số thể hiện chi phí bình quân để lưu trữ và cung cấp lại một đơn vị điện năng trong toàn bộ vòng đời của hệ thống lưu trữ. Chỉ số này thường tính đến chi phí đầu tư ban đầu, vận hành và bảo trì, thay thế thiết bị, tổn thất năng lượng và tổng lượng điện mà hệ thống có thể cung cấp trong suốt thời gian hoạt động. LCOS giúp so sánh hiệu quả kinh tế giữa các công nghệ lưu trữ có tuổi thọ và đặc tính vận hành khác nhau.

Tận dụng các mỏ đã ngừng khai thác
Một hướng phát triển khác của công nghệ pin trọng lực là sử dụng các giếng mỏ sâu đã ngừng khai thác. Nhà nghiên cứu Julian Hunt đã đề xuất sử dụng các giếng mỏ để nâng và hạ những khối lượng rất lớn, qua đó biến hạ tầng khai khoáng cũ thành hệ thống lưu trữ năng lượng. Độ sâu của mỏ đóng vai trò quan trọng. Với cùng một khối lượng, khoảng cách nâng càng lớn thì lượng thế năng có thể lưu trữ càng cao. Nghiên cứu của ông Hunt xem xét khoảng 1.500 mỏ than ngầm và ước tính các cơ sở này có thể cung cấp tổng cộng khoảng 70 TWh năng lực lưu trữ. Con số này tương đương năng lượng mà toàn thế giới sử dụng trong một ngày và lớn hơn khoảng 700.000 lần công suất của một hệ thống 100 MWh. Ngoài các mỏ than, các mỏ kim loại đã ngừng hoạt động cũng có thể được xem xét cho mục đích tương tự.

Các mỏ cũ có thể giúp giảm chi phí đầu tư vì nhiều thành phần cơ sở hạ tầng đã tồn tại. Các khu mỏ thường có đường giao thông tiếp cận, giếng sâu và hệ thống truyền tải điện kết nối với cơ sở khai thác. Việc tận dụng những thành phần này có thể giúp giảm khối lượng xây dựng mới so với một dự án pin trọng lực được phát triển hoàn toàn từ đầu. Hai doanh nghiệp Gravitricity và Green Gravity đang phát triển các hệ thống theo hướng này và đặt mục tiêu đưa những dự án lưu trữ trong mỏ vào hoạt động từ năm 2027. Theo các nhà phát triển, hệ thống có thể lưu trữ năng lượng từ 9 đến 12 giờ.

Tiềm năng lưu trữ theo mùa
Các nghiên cứu cũng đang xem xét khả năng sử dụng hệ thống trọng lực cho thời gian lưu trữ dài hơn. Trong trường hợp này, điện có thể được tích trữ trong thời điểm nguồn cung dư thừa và giá rất thấp, sau đó sử dụng sau nhiều tuần, nhiều tháng hoặc thậm chí từ mùa này sang mùa khác. Nếu hệ thống có chi phí duy trì năng lượng thấp trong thời gian dài, điện có thể được lưu trữ khi giá thấp và phát lại khi giá cao hơn. Điều này mở ra khả năng sử dụng hệ thống lưu trữ năng lượng bằng trọng lực không chỉ cho việc cân bằng hệ thống điện trong ngày mà còn cho lưu trữ năng lượng theo mùa. Tuy nhiên, khả năng này vẫn cần được chứng minh bằng các dự án quy mô thực tế. 

Các thiết kế sử dụng piston, đường ray và sườn núi
Ngoài các hệ thống sử dụng tháp hoặc giếng mỏ, nhiều thiết kế khác cũng đang được nghiên cứu. Một phương án sử dụng một piston lớn đặt dưới lòng đất. Nước được sử dụng để nâng hoặc hạ piston, qua đó chuyển đổi giữa điện năng và thế năng. Ý tưởng này đã được đề xuất trong nhiều năm nhưng chưa tiến tới giai đoạn thử nghiệm quy mô lớn. Một thiết kế khác sử dụng các toa xe mang khối lượng lớn di chuyển trên đường ray dọc theo sườn núi. Điện dư thừa được sử dụng để kéo các toa xe lên cao, trong khi quá trình di chuyển xuống dốc được dùng để phát điện. Khái niệm này đã tồn tại hơn một thập kỷ nhưng chưa được triển khai rộng rãi. Công ty Energy Vault cũng đang phát triển một biến thể sử dụng địa hình dốc, với cấu hình tương tự hệ thống cáp kéo vận chuyển các khối vật liệu. Theo công ty, thiết kế này có thể đạt hiệu suất cao hơn các hệ thống trọng lực dạng công trình đang được triển khai hiện nay. Các dự án theo mô hình này được định hướng ở quy mô nhiều GWh, lớn hơn đáng kể so với nhà máy 100 MWh tại Trung Quốc. 

Khả năng tích hợp vào các tòa nhà cao tầng
Một hướng ứng dụng khác là tích hợp hệ thống lưu trữ trọng lực vào các tòa nhà chọc trời. Các khối lượng có thể được nâng lên trong thời điểm điện dư thừa và hạ xuống khi cần phát điện. Công ty Energy Vault đã công bố kế hoạch phát triển các giải pháp theo hướng này thông qua hợp tác với một công ty kỹ thuật. Nếu được triển khai, các công trình cao tầng có thể đóng đồng thời vai trò của hạ tầng xây dựng và hệ thống lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, mô hình này vẫn đang ở giai đoạn phát triển ban đầu. 

Vị trí của pin trọng lực trong hệ sinh thái lưu trữ năng lượng
Pin trọng lực hiện chưa thể cạnh tranh trực tiếp với lithium-ion về chi phí hoặc quy mô triển khai. Tuy nhiên, hai công nghệ không nhất thiết phục vụ hoàn toàn cùng một mục đích. Pin lithium-ion phù hợp với các ứng dụng yêu cầu phản ứng nhanh và thời gian lưu trữ tương đối ngắn. Trong khi đó, các nhà phát triển pin trọng lực đang hướng công nghệ này tới các ứng dụng lưu trữ dài hạn, thường từ sáu giờ trở lên. Đây là phân khúc đang thu hút nhiều công nghệ khác như lưu trữ nhiệt, lưu trữ bằng khí nén và các hệ thống lưu trữ sử dụng khí. Một số công nghệ trong nhóm này hiện đã có chi phí thấp hơn hệ thống trọng lực. Theo BloombergNEF, chi phí của hệ thống lưu trữ năng lượng bằng trọng lực được dự báo chỉ giảm khoảng 2% mỗi năm, cho thấy quá trình cải thiện khả năng cạnh tranh về giá có thể diễn ra tương đối chậm.

Lưu trữ năng lượng bằng trọng lực vẫn đang ở giai đoạn đầu của quá trình thương mại hóa. Công nghệ có một số lợi thế đáng chú ý như tuổi thọ dài, không phụ thuộc vào lithium hoặc các vật liệu pin điện hóa khan hiếm, đồng thời có khả năng tận dụng các loại vật liệu phổ biến hoặc chất thải công nghiệp. Ở chiều ngược lại, mật độ năng lượng thấp, nhu cầu cơ sở hạ tầng lớn và chi phí đầu tư ban đầu cao vẫn là những rào cản quan trọng. Do đó, pin trọng lực nhiều khả năng sẽ không thay thế các công nghệ lưu trữ hiện có, mà có thể trở thành một trong nhiều lựa chọn phục vụ nhu cầu lưu trữ năng lượng dài hạn. Cùng với pin trọng lực, các giải pháp sử dụng nhiệt, khí nén, muối và nhiều môi trường lưu trữ khác tiếp tục được phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu lưu trữ ngày càng lớn của hệ thống điện có tỷ trọng năng lượng tái tạo cao.

Để xem các tin bài khác về “Pin trọng lực”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: DW Planet A