Những điểm quan trọng về lưu trữ năng lượng
- Người viết: ducva@saomaisoft.com lúc
- Hệ thống pin tích trữ năng lượng
Trong thế kỷ 20, điện chủ yếu được sản xuất từ việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, các vấn đề về vận chuyển năng lượng, ô nhiễm không khí và biến đổi khí hậu đã thúc đẩy việc tăng cường sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như gió và năng lượng mặt trời. Năng lượng gió phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và khí hậu, trong khi năng lượng mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa lý và độ che phủ của mây. Năng lượng mặt trời chỉ có thể được sử dụng vào ban ngày, trong khi nhu cầu điện thường đạt đỉnh sau khi mặt trời lặn. Do đó, mối quan tâm về việc thu hoạch năng lượng từ các nguồn năng lượng này đang ngày càng gia tăng trên toàn cầu
Tại sao lưu trữ năng lượng lại quan trọng
Việc sử dụng điện không nối lưới chỉ là một thị trường nhỏ trong thế kỷ 20, nhưng đã phát triển mạnh mẽ và trở thành một thị trường quan trọng trong thế kỷ 21.
Sự phổ biến của các thiết bị di động trên toàn cầu đã thúc đẩy điều này. Các tấm pin mặt trời ngày càng trở nên phổ biến ở các khu vực nông thôn.
Đến năm 2030, khi nhận thức về biến đổi khí hậu gia tăng, dự kiến 2/3 công suất phát điện từ nhiên liệu hóa thạch sẽ được thay thế bằng năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió, và những nguồn năng lượng tái tạo này được kỳ vọng sẽ giúp giảm lượng khí thải nhà kính.
Tuy nhiên, việc sử dụng những nguồn năng lượng tái tạo này đòi hỏi một hệ thống điện có tính linh hoạt cao hơn, bao gồm việc thêm nguồn điện dự phòng và/hoặc kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo này với các thiết bị tiêu thụ điện địa phương.
Hơn nữa, công nghệ "nhà thông minh" đang phát triển nhanh chóng, với tỷ lệ tăng trưởng hàng năm là 18.5%. Dự kiến đến năm 2022, sẽ có khoảng 939 triệu thiết bị điện tử tiêu dùng hỗ trợ nhà thông minh trên toàn thế giới. Xu hướng này cũng có ảnh hưởng lớn đến việc lưu trữ năng lượng.
Các phương pháp lưu trữ năng lượng
Năng lượng có thể được lưu trữ dưới dạng vật chất bằng nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp sử dụng các công nghệ khác nhau. Cụ thể như sau:
Phương pháp tự nhiên: Lưu trữ nhiên liệu hóa thạch.
Phương pháp cơ học: Bao gồm lưu trữ năng lượng khí nén (CAES), động cơ hơi nước, bánh đà siêu trọng, năng lượng tiềm năng trọng lực, ắc quy và lưu trữ bơm.
Phương pháp điện và điện từ: Sử dụng tế bào điện phân, siêu tụ điện, nam châm siêu dẫn và cuộn dây siêu dẫn.
Phương pháp sinh học: Bao gồm glycogen và tinh bột.
Phương pháp điện hóa (bao gồm hệ thống lưu trữ năng lượng pin): Sử dụng pin dòng (flow battery), pin dung lượng (loại thông thường) và pin siêu.
Phương pháp nhiệt: Bao gồm pin nhiệt, hệ thống lưu trữ nhiệt thấp eutectic, lưu trữ năng lượng khí hóa lỏng (LLAE), động cơ Cryogenic Derman, khả năng lưu trữ lạnh, sự biến đổi pha của vật chất, lưu trữ nhiệt từ thực vật, hồ lưu trữ nhiệt mặt trời, pin hơi nước và công nghệ cách nhiệt.
Phương pháp hóa học: Bao gồm sinh liệu, muối hydrat, lưu trữ hydro, hydro peroxide, công nghệ Power-to-Gas (P2G) và oxit vanadi (V2O5).
Phương pháp lưu trữ năng lượng
- Lưu trữ cơ học: Được thực hiện bằng cách bơm nước lên vị trí cao hoặc di chuyển vật rắn lên vị trí cao. Điều này bao gồm cả trọng lực. Các phương pháp khác bao gồm nén khí và sử dụng bánh đà để chuyển đổi năng lượng thành điện.
Các nhà máy thủy điện thường sử dụng hồ chứa để cung cấp điện trong thời gian cao điểm. Nước được tích trữ khi nhu cầu thấp và được giải phóng khi nhu cầu tăng lên. Mặc dù đây không phải là phương pháp lưu trữ trực tiếp từ các nguồn khác, nhưng thủy điện giảm sản lượng từ các nguồn khác trong thời gian thừa.
Nhà máy bơm lưu trữ (PSPP) là lớn nhất và phổ biến nhất. Hiệu suất năng lượng của PSPP có thể dao động từ 70% đến 80%.
Khi nhu cầu thấp và nguồn cung cấp điện vượt quá nhu cầu, nước được bơm từ hồ chứa thấp lên hồ chứa cao. Khi nhu cầu tăng, nước sẽ chảy ngược và tạo ra điện thông qua máy phát điện hoặc tuabin. Tuabin hoạt động như bơm hoặc máy phát điện tùy thuộc vào nhu cầu.
Hệ thống lưu trữ năng lượng khí nén (CAES) là phương pháp sử dụng năng lượng thừa để nén khí và chuyển đổi lại thành điện sau đó. Không khí nén được lưu trữ trong bể chứa ngầm.
Hệ thống này giúp thu hẹp khoảng cách giữa điện và nhu cầu, có khả năng sử dụng năng lượng thừa một cách hiệu quả để đáp ứng nhu cầu năng lượng. Nó cũng có thể lưu trữ năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo và sử dụng khi cần.
Quá trình nén khí tạo ra nhiệt, và nếu được áp dụng đúng cách, nhiệt này có thể được tích trữ và sử dụng để nâng cao hiệu suất.
- Lưu trữ năng lượng bánh đà (FES): Hoạt động bằng cách tăng tốc độ quay của bánh đà để lưu trữ năng lượng. Khi cần, năng lượng được lấy ra bằng cách giảm tốc độ quay của bánh đà. Hầu hết các hệ thống FES sử dụng điện để điều khiển tốc độ quay, nhưng cũng có thể sử dụng năng lượng cơ học.
Bánh đà của hệ thống FES được làm từ vật liệu carbon có độ bền cao và quay với tốc độ cao trong vỏ chân không. Bánh đà có thể đạt tốc độ tối đa chỉ trong vài phút. Hệ thống này được kết nối với động cơ hoặc tuabin để tạo ra điện.
Hệ thống FES có tuổi thọ dài và mật độ năng lượng cao.
- Lưu trữ năng lượng bằng trọng lực rắn: Năng lượng cơ học được lưu trữ và giải phóng bằng cách thay đổi chiều cao của khối rắn. Điều này được kiểm soát bởi thang máy điện hoặc máy phát điện. Phương pháp này sử dụng đường ray và ống dẫn để di chuyển các khối rắn lên xuống, với sự trợ giúp của năng lượng mặt trời.
Ngoài những phương pháp này, các công nghệ lưu trữ khác bao gồm pin dòng, siêu tụ điện và công nghệ Power-to-Gas, tức điện chuyển thành khí. Hydro cũng được coi là thiết bị lưu trữ năng lượng và có thể được sản xuất từ năng lượng mặt trời hoặc pin nhiên liệu.
Nhôm cũng được đề xuất như một thiết bị lưu trữ năng lượng, có thể chiết xuất năng lượng thông qua tương tác với nước. Pin có thể sạc lại từ nhôm cũng là một giải pháp tiềm năng cho việc tích hợp và lưu trữ năng lượng mặt trời.
Boron, silicon và kẽm cũng được xem xét như các thiết bị lưu trữ năng lượng thay thế. Những công nghệ này góp phần phát triển giải pháp hiệu quả cho lưu trữ năng lượng bền vững.
Lưu trữ điện trong hộ gia đình
Với tầm quan trọng ngày càng cao của việc sản xuất điện tái tạo phân tán, đặc biệt là từ năng lượng mặt trời, việc lưu trữ năng lượng trong hộ gia đình dự kiến sẽ trở nên phổ biến hơn. Điều này là do tỷ lệ tiêu thụ năng lượng trong các tòa nhà dân cư đang gia tăng đáng kể. Để đạt được độc lập năng lượng trong hộ gia đình, các ngôi nhà được trang bị hệ thống điện mặt trời cần có lưu trữ năng lượng. Các công ty sản xuất pin lưu trữ năng lượng thường được sản xuất cho việc tự cung cấp năng lượng mặt trời và năng lượng gió thừa. Trong lưu trữ năng lượng hộ gia đình, pin lithium-ion được ưa chuộng hơn so với pin chì axit vì chúng có hiệu suất cao hơn với giá tương đương.
Tesla Motors đã giới thiệu hai mô hình phổ biến của Tesla Powerwall (mỗi cái có dung lượng 10 kWh và 7 kWh) cho các mục đích sử dụng hàng ngày. Phiên bản Tesla Powerpack 2 tích trữ điện với giá 398 đô la cho mỗi kWh nếu giá điện trung bình là 12.5 cent/kWh. Đây là dữ liệu của năm 2016. Enphase Energy đã công bố một hệ thống tích hợp cho người tiêu dùng hộ gia đình có dung lượng năng lượng 1.2 kWh và công suất 275 W/500 W để lưu trữ, giám sát và quản lý năng lượng.
Một phương pháp khác để lưu trữ năng lượng mặt trời và gió là sử dụng thiết bị lưu trữ nhiệt năng. Mặc dù phương pháp này có độ linh hoạt thấp hơn so với pin, nhưng chi phí lại thấp hơn. Ví dụ, một bình nước nóng điện 150 lít có thể sử dụng khoảng 12 kWh năng lượng cho nước nóng và sưởi ấm.
Hệ thống lưu trữ năng lượng công nghiệp (BESS: Battery Energy Storage System) là công nghệ lưu trữ năng lượng sử dụng pin lithium-ion (Li-ion) được thiết kế đặc biệt. Những hệ thống này thường được sử dụng để bổ sung năng lượng từ nguồn năng lượng mặt trời hoặc gió, và để cân bằng giữa sản xuất và tiêu thụ năng lượng.
Ưu điểm của BESS
Khác với các công nghệ lưu trữ năng lượng khác (ví dụ: PHS hay CAES), BESS phù hợp với các địa điểm cụ thể. BESS có mật độ công suất và mật độ năng lượng cao hơn so với các công nghệ khác như PHS và CAES.
Pin lithium-ion trong BESS có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng như điều chỉnh tần số, điều chỉnh điện áp, chuyển đổi đỉnh, cân bằng tải, và điều chỉnh các tham số lưới.
Tuổi thọ của BESS rất dài.
BESS là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất trong ngành điện lực. Trong vòng 10 năm qua, tỷ lệ tăng trưởng toàn ngành đã tăng 48 lần, với tỷ lệ tăng trưởng trung bình hàng năm là 47%. Theo dự đoán của Bloomberg, công suất lưu trữ dự kiến sẽ vượt quá 1TW vào năm 2040.
BESS có khả năng giảm hoàn toàn nhu cầu cao điểm, giúp các nguồn năng lượng như gió và năng lượng mặt trời có thể sử dụng liên tục cả ngày lẫn đêm. Dự kiến, đến năm 2040, năng lượng tái tạo sẽ chiếm 90% tổng năng lượng của châu Âu, trong đó năng lượng gió và mặt trời sẽ chiếm 80%.
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ BESS đã giảm chi phí lưu trữ năng lượng xuống 50% trong hai năm qua. BESS tối ưu hóa cung ứng và cầu năng lượng, giảm nhập khẩu điện, và giảm thiểu các sự cố mất điện cũng như các chi phí liên quan, từ đó nâng cao an ninh năng lượng.