Những công nghệ lưu trữ năng lượng đang được sử dụng rộng rãi?
- Người viết: ducva@saomaisoft.com lúc
- Hệ thống pin tích trữ năng lượng
Cùng với sự gia tăng của nguồn năng lượng tái tạo, hướng tới mục tiêu phát triển một nền kinh tế xanh và bền vững, các giải pháp lưu trữ năng lượng đang nhận được sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu – phát triển. Bài viết này sẽ liệt kê một số công nghệ lưu trữ năng lượng phổ biến đang được áp dụng trên toàn thế giới.
Thủy điện tích năng
Là một trong những phương thức lưu trữ năng lượng lớn nhất hiện nay, thủy điện tích năng chiếm đến hơn 90% tổng lượng điện được lưu trữ trên toàn cầu. Nó hoạt động bằng cách lưu trữ năng lượng dưới dạng thế năng của nước.
Trong thời gian giảm tải (khi nhu cầu điện thấp), nước được bơm từ hồ chứa thấp lên hồ chứa cao để lưu trữ. Khi nhu cầu điện tăng lên, nước sẽ được thả từ hồ chứa cao xuống hồ chứa thấp thông qua hệ thống ống áp lực được đặt ngầm trong dãy núi. Nước này sẽ kích hoạt tua-bin trong ống và sản xuất ra điện.
Mô hình hoạt động thủy điện tích năng
Ưu điểm của thủy điện tích năng là khả năng lưu trữ điện với công suất lớn, tuổi thọ lâu dài (khoảng 70-80 năm), và tính kinh tế cao.
Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của phương pháp này là cần phải có địa hình phù hợp để triển khai (lý tưởng nhất là các ngọn núi có đỉnh rộng gần các dòng sông hoặc suối lớn), do đó không phải mọi địa điểm đều phù hợp.
Nhật Bản, Mỹ, Trung Quốc… đang là những quốc gia có sản lượng điện từ thủy điện tích năng hàng đầu thế giới.
Hệ thống bánh đà và siêu tụ điện
Hệ thống bánh đà và siêu tụ điện là các công nghệ tiên tiến trong việc lưu trữ năng lượng với tốc độ phản hồi nhanh, thời gian nạp và xả điện ngắn. Trong hệ thống bánh đà, năng lượng được lưu trữ dưới dạng động năng của một khối quay. Cụ thể, điện năng được sử dụng để quay bánh đà ở tốc độ cao, có thể lên đến 100.000 vòng/phút.
Quá trình này tạo ra động năng ngày càng tăng của bánh đà. Khi cần thiết, bánh đà sẽ xả năng lượng được lưu trữ bằng cách áp mô-men xoắn đến tải cơ khí, làm giảm dần tốc độ quay. Lúc này, động năng được chuyển đổi trở lại thành điện năng.
Trong các hệ thống điện gió và mặt trời, bánh đà đóng vai trò quan trọng như một bộ ắc-quy để lưu trữ năng lượng dư thừa và cũng như một nguồn điện dự phòng để cung cấp năng lượng khi cần thiết.
Một hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng tại Paris, Pháp
Khác với cơ chế hoạt động của bánh đà, siêu tụ điện là một phương tiện lưu giữ năng lượng dưới dạng thế năng của tụ điện. Nó hoạt động như một loại điện tích tĩnh, không kích hoạt các phản ứng hóa học trong quá trình nạp hoặc xả điện như các loại pin thông thường. Siêu tụ điện có ưu điểm là có thể chứa lượng điện năng lớn, có độ bền cao, thời gian sử dụng lâu dài và khả năng nạp hoặc phóng điện nhanh chóng. Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là chịu sụt thế nhanh và khả năng lưu trữ điện không lâu do sự rò điện nội bộ giữa hai cực.
Vì vậy, trong các ứng dụng sử dụng năng lượng tái tạo, thường kết hợp sử dụng cả siêu tụ điện và ắc-quy. Điện năng được tạo ra từ các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió được lưu trữ trước tiên trong siêu tụ điện, sau đó từ từ nạp vào ắc-quy.
Điều này giúp đảm bảo rằng ắc-quy luôn được cung cấp đầy đủ điện năng, giữ cho nó luôn sẵn sàng sử dụng và kéo dài tuổi thọ.
Pin lưu trữ năng lượng
Về các loại pin lưu trữ năng lượng, có nhiều công nghệ khác nhau đang được sử dụng rộng rãi, bao gồm pin axit chì (ắc-quy), pin Lithium-ion, pin thể rắn, pin oxy hóa – khử Vanadium và nhiều loại khác.
Được phát minh từ năm 1859, pin axit chì vẫn đang được sử dụng rộng rãi vì giá thành sản xuất rẻ. Chúng thường được sử dụng trong các phương tiện vận tải như ô tô vì có thể cung cấp dòng điện cao để khởi động động cơ.
Tuy nhiên, nhược điểm của công nghệ này là cần sử dụng các hóa chất độc hại và tuổi thọ pin ngắn, chỉ khoảng 300-500 chu kỳ nạp và xả.
Do đó, pin axit chì thường được sử dụng cho lưu trữ điện ở quy mô nhỏ và đang dần ít được ưa chuộng hơn so với các công nghệ pin khác có thời gian sạc nhanh, khả năng lưu trữ năng lượng cao hơn và trọng lượng nhẹ hơn như pin Lithium-ion.
Pin Lithium Ion và Pin Axit chì
Nhờ vào khả năng lưu trữ năng lượng lớn và tỷ lệ tự xả thấp, công nghệ pin Lithium-ion đang ngày càng trở nên phổ biến. Nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thiết bị điện gia dụng, xe điện, thiết bị an ninh, và lưu trữ điện cho mạng lưới điện khu vực và quốc gia.
Pin Lithium-ion được xem là một phần không thể thiếu của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư và được coi là “chìa khóa” mở ra tương lai không sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, pin Lithium-ion cũng đối mặt với những nhược điểm và hạn chế.
Ví dụ, nó đã đạt đến giới hạn an toàn về mật độ năng lượng trong một diện tích cụ thể, sự khan hiếm của các tài nguyên đất hiếm cần thiết cho sản xuất pin Lithium, và quy trình xử lý chất thải phức tạp trong quá trình sản xuất, tiêu hủy và tái sử dụng.
Vì vậy, các tập đoàn đa quốc gia và các trung tâm nghiên cứu hàng đầu thế giới đã dành nhiều tài nguyên để nghiên cứu và cải thiện các vấn đề này cũng như để khám phá những công nghệ pin mới.
Pin thể rắn là một trong số những phát triển mới đáng chú ý. Chúng được kỳ vọng sẽ trở thành một giải pháp thay thế cho pin Lithium-ion bởi khả năng lưu trữ năng lượng lớn hơn, khả năng nạp nhanh hơn và tỏa nhiệt ít hơn. Tuy nhiên, vẫn còn một số thách thức về mặt kỹ thuật và khả năng sản xuất hàng loạt đối với công nghệ lưu trữ năng lượng này.
So sánh pin thường và pin thể rắn
Lưu trữ năng lượng đóng vai trò then chốt trong sự phát triển của ngành công nghiệp năng lượng tái tạo. Dự báo cho thị trường này là thu hút được khoảng 620 triệu USD vào năm 2040.
Ở Việt Nam, vấn đề này cũng đang thu hút nhiều sự quan tâm, đặc biệt trong bối cảnh hệ thống lưới điện vẫn chưa đáp ứng được tiềm năng và nhu cầu phát triển của năng lượng tái tạo. “Đã đến lúc chúng ta cần xem xét một cách nghiêm túc việc nghiên cứu và sản xuất các loại pin lưu trữ năng lượng, đặc biệt là cho năng lượng mặt trời, nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững”, như TS. Nguyễn Huy Hoạch, Hiệp hội Năng lượng Việt Nam đã nhấn mạnh.
Kết luận
Trong cuộc cách mạng năng lượng hiện nay, công nghệ lưu trữ năng lượng đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Các tiến bộ trong lĩnh vực pin Lithium-ion và các công nghệ lưu trữ năng lượng mới hứa hẹn mở ra những cơ hội mới cho phát triển bền vững và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo một cách hiệu quả hơn. Tuy nhiên, để vượt qua các thách thức về mặt kỹ thuật, môi trường và sản xuất hàng loạt, sự đầu tư vào nghiên cứu và phát triển cần phải tiếp tục được tăng cường. Việc áp dụng các công nghệ lưu trữ năng lượng tiên tiến này sẽ giúp đảm bảo an ninh năng lượng, giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, và hướng tới một tương lai sạch hơn và bền vững cho hành tinh chúng ta.