Hình 1. Báo cáo Tương lai của lưu trữ năng lượng.

Hệ thống tích trữ năng lượng

Năng lượng là một dạng vật chất, chúng có thể được tích trữ bằng nhiều phương pháp khác nhau. Theo báo cáo “Tương lai của lưu trữ năng lượng”, hiện nay trên thế giới có 4 loại lưu trữ năng lượng cơ bản (điện hóa, hóa học, nhiệt và cơ học) với các mức độ hoàn thiện về công nghệ khác nhau. Tất cả các công nghệ đều thực hiện chức năng cốt lõi là tích trữ năng lượng tại thời điểm sản lượng điện năng lượng tái tạo dồi dào và giá bán điện tương đối thấp, sau đó phát điện vào thời điểm năng lượng tái tạo khan hiếm và giá bán điện cao. Tính linh hoạt của các hệ thống tích trữ năng lượng mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống điện ngày nay.

Một hệ thống lưu trữ năng lượng được đặc trưng bởi công suất tức thời tối đa (được đo bằng MW); dung lượng lưu trữ năng lượng (được đo bằng MWh) và hiệu suất một chu trình nạp – xả (RTE) (được đo bằng phần trăm năng lượng được sử dụng cho hệ thống để nạp lại năng lượng sau khi xả). Thời lượng lưu trữ của thiết bị (được đo bằng giờ) là tỷ số giữa dung lượng lưu trữ năng lượng và công suất tối đa của hệ thống, đây là khoảng thời gian mà thiết bị có thể cung cấp công suất tối đa khi bắt đầu sạc đầy. Hầu hết các hệ thống pin tích trữ hiện nay đều có thời lượng lưu trữ dưới 4 giờ, còn các nhà máy thủy điện tích năng (PSH) đều có thời lượng từ 8 đến 12 giờ hoặc hơn.

Các công nghệ lưu trữ còn khác nhau về mật độ năng lượng (là lượng năng lượng tối đa có thể được lưu trữ trên một đơn vị thể tích). Công nghệ pin có mật độ năng lượng cao, rất thích hợp để sử dụng cho xe điện (EV) và thiết bị điện tử di động. Tuy nhiên, các công nghệ tích trữ có mật độ năng lượng thấp hơn có thể được ứng dụng trong hệ thống điện, vì trong trường hợp này việc sử dụng không gian hiệu quả thường ít quan trọng hơn. Ngoài mật độ năng lượng, các thuộc tính khác của các loại công nghệ tích trữ năng lượng như: mức độ kinh tế theo quy mô hệ thống (diện tích sử dụng đất, tính mô-đun) và mức độ suy giảm hiệu suất khi sử dụng cũng khác nhau.

Theo báo cáo của MIT, các công nghệ tích trữ năng lượng có thể được chia thành ba nhóm chính dựa trên chi phí công suất và chi phí về dung lượng lưu trữ (chi phí năng lượng) (Hình 2). Theo đó, nhóm màu xanh lam là các công nghệ có chi phí năng lượng thấp và chi phí công suất điện cao, phù hợp với các ứng dụng tích trữ có thời lượng dài hơn (lên đến nhiều ngày) và chu kỳ nạp-xả không thường xuyên. Các công nghệ thuộc nhóm này có thể kể đến như: công nghệ tích trữ nhiệt, hóa chất, pin kim loại-không khí và thủy điện tích năng. Nhóm màu nâu là các công nghệ (bao gồm pin lithium-ion) phù hợp với các ứng dụng có thời lượng ngắn hơn (vài giờ) và nạp – xả thường xuyên hơn. Các công nghệ có các thuộc tính ở mức độ trung bình, bao gồm cả pin lỏng (flow battery), thuộc nhóm màu xanh lá.

Hình 2. Ba nhóm công nghệ lưu trữ năng lượng dựa trên chi phí dung lượng lưu trữ và chi phí công suất.

Tại sao cần tích trữ năng lượng?

Việc lưu trữ năng lượng có thể đóng vai trò như một sự thay thế tiềm năng hoặc bổ sung cho hầu hết mọi khía cạnh của hệ thống điện bao gồm phát điện, truyền tải và thay đổi phụ tải linh hoạt. Các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời thiếu sự ổn định, phụ thuộc vào thời tiết. Các hệ thống tích trữ năng lượng có thể giúp các hệ thống điện có tỷ trọng nguồn năng lượng tái tạo lớn duy trì độ tin cậy một cách hiệu quả về mặt chi phí, giúp quá trình khử cacbon sâu cho hệ thống điện hiệu quả hơn.

Sử dụng các công cụ mô hình hóa về công nghệ lưu trữ cũng như chính sách net-zero vào năm 2050, báo cáo nghiên cứu cho thấy sự cần thiết phải có một cách tiếp cận đa dạng để lưu trữ năng lượng và thiết kế hệ thống điện ở các vùng khác nhau của đất nước, tập trung vào ba khu vực riêng biệt của Hoa Kỳ nhằm mô hình hóa cho các quốc gia phát triển. Nhóm nghiên cứu cũng tập trung đến các quốc gia có nền kinh tế đang phát triển và thị trường mới nổi (EMDE), đại diện là Ấn Độ.

Hình 3. Khi phát triển hệ thống điện Ấn Độ với các kịch bản cho thấy: kịch bản nếu giá thành công nghệ lưu trữ năng lượng giảm thì tỉ trọng Năng lượng tái tạo (NLTT) tăng cao hơn và phát thải CO2 giảm thấp ở năm 2050 hơn các kịch bản hiệu suất AC cao hoặc kịch bản giá khí đốt thấp. (Các nguồn với tiền tố B thể hiện công suất đang có tại giai đoạn bắt đầu mô hình hóa vào năm 2020).

Các phát hiện làm nổi bật vai trò mạnh mẽ mà lưu trữ năng lượng có thể đóng góp cho các quốc gia đang phát triển. Các quốc gia này dự kiến ​​sẽ chứng kiến ​​sự tăng trưởng lớn về nhu cầu điện trong 30 năm tới, do tốc độ phát triển kinh tế tổng thể nhanh chóng và việc áp dụng ngày càng nhiều các công nghệ tiêu thụ điện. Lưu trữ năng lượng có thể giúp giảm chi phí điện năng cho các nền kinh tế đang phát triển đồng thời mang lại lợi ích môi trường cho địa phương và toàn cầu. Đặc biệt là đóng góp cho quá trình khử cacbon trong các nền kinh tế thiếu khả năng tiếp cận với khí đốt giá rẻ và hiện đang phụ thuộc vào sản xuất than.

Tương lai cho lưu trữ năng lượng

Nhiều nhà máy điện hiện tại đang ngừng hoạt động cũng được nghiên cứu đánh giá để có thể được chuyển đổi thành các cơ sở lưu trữ năng lượng hữu ích bằng cách thay thế các lò hơi sử dụng nhiên liệu hóa thạch bằng các pin lưu trữ nhiệt và các lò hơi mới phù hợp. Sự thay thế này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các công nghệ có sẵn trên thị trường đồng thời có lợi cho các chủ sở hữu và cộng đồng đối với các nhà máy có thể bị dỡ bỏ khi chuyển đổi sang năng lượng sạch.

Quá trình đổi mới công nghệ năng lượng và tất cả các công nghệ khác trải qua năm giai đoạn: 1) Sáng tạo ý tưởng; 2) Nghiên cứu và phát triển; 3) Thiết kế kỹ thuật ở quy mô thử nghiệm; 4) Trình diễn công nghệ; 5) Triển khai thực tế. Báo cáo đã khám phá những kiến thức cơ bản và nghiên cứu sâu về bốn loại công nghệ lưu trữ: điện hóa, nhiệt, hóa học và cơ học. Một số công nghệ chẳng hạn như pin lithium-ion, thủy điện tích năng và một số loại pin nhiệt đã được chứng minh và triển khai thương mại. Việc sử dụng hydro để lưu trữ sẽ phụ thuộc vào mức độ hydro được sử dụng trong nền kinh tế tổng thể, thúc đẩy bởi chi phí sản xuất, vận chuyển và lưu trữ hydro trong tương lai và bởi tốc độ đổi mới trong các ứng dụng sử dụng cuối cùng của hydro.

Báo cáo cũng chỉ ra sự cần thiết phải nhận biết sự khác biệt giữa phát thải "zero" và "net-zero". Các mục tiêu nhằm không phát thải cacbon (zero emission) phức tạp hơn và tốn kém hơn so với các mục tiêu trung hòa khí thải cacbon (net-zero). Việc theo đuổi zero emission thay vì một mục tiêu net-zero cho hệ thống điện có thể dẫn đến chi phí điện tăng cao khiến cho mục tiêu đạt được mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 trở nên rất khó khăn.

Nhu cầu đồng bộ hóa lưu trữ năng lượng với các yếu tố khác của hệ thống điện đòi hỏi những tiến bộ trong các công cụ phân tích cho phép lập kế hoạch, vận hành và điều độ hệ thống điện trong tương lai một cách đáng tin cậy và hiệu quả. Theo báo cáo, các lĩnh vực quan trọng bao gồm ổn định hệ thống và điều độ, đáp ứng đầy đủ nguồn lực và xây dựng thị trường điện bán lẻ. Tăng cường đầu tư vào nhân viên cơ quan quản lý, những người sẽ đối mặt với những thách thức mới cũng rất cần thiết.

Video: vai trò quan trọng của hệ thống lưu trữ năng lượng trong tương lai.

Báo cáo này tập trung vào “tương lai của lưu trữ năng lượng” trong bối cảnh các quốc gia trên thế giới thực hiện các cam kết về net-zero tại Hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu của Liên Hợp Quốc năm 2021 – COP26 và sắp tới đây là COP 27 thông qua việc chuyển đổi các nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch (than và khí tự nhiên) sang các nguồn năng lượng tái tạo chủ yếu là gió và mặt trời. Sự chuyển đổi đó ngụ ý một sự thay đổi to lớn trong cấu hình của hệ thống điện, bao gồm cả sản xuất, truyền tải và lưu trữ. Để đạt được một hệ thống điện với lượng khí thải carbon ròng bằng 0 sẽ đòi hỏi các chính sách và quy định mới, cũng như đầu tư ròng bổ sung mà McKinsey & Co. ước tính có thể lên tới 2,5 nghìn tỷ đô la cho đến năm 2035 (riêng đối với Hoa Kỳ). Ngoài ra, việc lập kế hoạch cho quá trình chuyển đổi này cũng đòi hỏi các giả định về nhu cầu điện trong tương lai sẽ bị ảnh hưởng bởi tăng trưởng kinh tế và quá trình khử cacbon trong các lĩnh vực ngoài điện, chẳng hạn như xây dựng, công nghiệp và giao thông vận tải.

Tổng hợp: Phạm Đức Trung

Tài liệu tham khảo

1. The Future of Energy Storage. MIT Study. 05/2022

2. Energy storage important to creating affordable, reliable, deeply decarbonized electricity systems.  https://news.mit.edu/2022/energy-storage-important-creating-affordable-reliable-deeply-decarbonized-electricity-systems-0516

3. MIT report says energy storage is crucial for combatting climate change. https://etn.news/energy-storage/mit-report-says-energy-storage-is-crucial-for-combatting-climate-change