Buzz
Hệ thống này tận dụng nguyên lý về lực hấp dẫn, một hiện tượng tồn tại xung quanh chúng ta
Cuộc cách mạng về năng lượng sạch vẫn phải đối mặt với một vấn đề quan trọng. Khi gió thổi, sóng biển xô và ánh nắng mặt trời chiếu sáng rực rỡ, sản lượng điện từ nguồn năng lượng sạch trở nên phong phú. Nhưng vào những đêm đông tĩnh lặng, khi mọi thứ im lìm, chúng ta phải làm sao để có điện?
Trong năm 2021, chúng ta đã giải quyết vấn đề này bằng cách truyền thống: đốt nhiên liệu hóa thạch để cung cấp điện cho lưới điện toàn cầu. Chúng ta đang áp dụng giải pháp của thế kỷ trước để đối phó với thách thức của thời đại mới, một phương pháp gây tổn hại trực tiếp đến nỗ lực giảm lượng khí nhà kính.
Công nghệ lưu trữ năng lượng được nhìn nhận như một biện pháp cứu cánh cho ngành năng lượng sạch. Một số chuyên gia tin rằng việc giải quyết vấn đề này có thể thông qua việc phát triển hệ thống pin lithium-ion ngày càng hoàn thiện. Nhưng cũng có người cho rằng tương lai của ngành năng lượng nằm ở hydro sạch. Nhưng rồi, một quan điểm thứ ba xuất hiện, với ý định tận dụng sức mạnh vô hình vẫn tồn tại xung quanh chúng ta: lực hấp dẫn.
Phương thức này trong việc sản xuất điện khá giống với công nghệ thủy điện hiện đang được sử dụng rộng rãi, chiếm tới 90% sản lượng điện toàn cầu. Khi có dư thừa năng lượng, các máy bơm sẽ đẩy nước lên hồ thủy điện để sử dụng khi cần. Nước sẽ được xả ra để quay máy phát điện khi cần thiết.
Tại hầu hết các quốc gia, mô hình thủy điện đã được chứng minh là thành công, nhưng vấn đề sẽ nảy sinh khi kích thước của các đập ngày càng lớn.
Các dự án thủy điện có thể sản xuất lượng năng lượng khổng lồ, nhưng do chi phí cao và yêu cầu địa hình rộng lớn cùng nguồn nước lớn, các đập thủy điện không thể được triển khai khắp mọi nơi. Để thực hiện ước nguyện loại bỏ hoàn toàn lượng khí carbon thải ra, chúng ta cần một hệ thống lưu trữ năng lượng có thể xây dựng ở bất kỳ nơi nào, ở mọi quy mô.
Startup về năng lượng sạch Gravitricity đang mơ ước biến giấc mơ thành hiện thực. Trong tháng Tư năm ngoái, nhóm đã thành công trong việc tạo ra một thiết bị mẫu có tên gọi là “pin trọng trường”: một tòa tháp cao 15 mét được làm bằng thép, treo một khối sắt nặng 50 tấn. Sử dụng năng lượng sạch dư thừa, động cơ điện sẽ dần dần kéo khối sắt lên cao, sau đó thả nó để quay turbine và tạo điện khi cần thiết.
Mặc dù có vẻ như con số 15 và 50 là lớn, Jill Macpherson, một kỹ sư hàng đầu của Gravitricity, vẫn cho rằng quy mô của hệ thống pin trọng trường này còn nhỏ. Tuy nhiên, tòa tháp cao 15 mét đã tạo ra nguồn điện 250 kW, đủ để cung cấp điện cho 750 hộ gia đình trong một thời gian ngắn. Trong quá trình thử nghiệm, nhóm đã nhận ra tiềm năng lâu dài của hệ thống.
Mục tiêu của Gravitricity hiện tại là đào sâu xuống lòng đất. Trong năm 2021, các kỹ sư của startup đã tìm kiếm các mỏ than bãi bỏ tại Anh, Đông Âu, Nam Phi và Chi-lê. Giám đốc Gravitricity, ông Charlie Blair giải thích: “Tại sao lại cần xây tháp cao khi chúng ta có thể sử dụng năng lượng địa chất để giảm bớt trọng lượng?”
Có vẻ như mọi thứ đều đang hợp nhất vào nhau. Các mỏ than bãi bỏ trên toàn thế giới có thể cung cấp không gian cho nhiều hệ thống Gravitricity. Dự án càng trở nên khả thi hơn khi các nhà lập pháp bày tỏ ý định hạn chế sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Với đủ vốn và một chút may mắn, pin trọng trường thử nghiệm đầu tiên sẽ được triển khai tại Cộng hòa Séc trong năm 2024.
“Chúng ta cần phải kiểm tra kỹ các cấu trúc thiết bị hiện có, đảm bảo chúng an toàn và có khả năng nâng lên được trọng lượng lớn như hàng nghìn tấn,” ông Blair nói. “Cũng như những quy tắc an toàn liên quan đến khí methane và nguy cơ mỏ ngập nước.”
Sau khi cân nhắc, Gravitricity đang xem xét việc tự tạo ra các mỏ ngập cho các thiết bị của mình. Mặc dù phương pháp này có thể tốn kém ban đầu, nhưng có tiềm năng duy trì lâu dài.
Trong quá trình Gravitricity khám phá lớp vỏ Trái Đất, một số người khác vẫn đang mơ mộng xây dựng các tòa tháp cao. Tại thung lũng miền Nam Thụy Sĩ, một công trình của Energy Vault, một công ty hàng đầu trong sản xuất pin trọng trường, đứng thẳng bằng bê tông và thép. Tòa tháp của họ cao đến mức tương đương một tòa nhà 20 tầng.
Mỗi khi có năng lượng sạch dư thừa, một cần cẩu được điều khiển bởi trí tuệ nhân tạo sẽ nâng lên một khối nặng, có trọng lượng lên đến 30 tấn. Khi cần cầu, khối nặng sẽ giảm dần độ cao, tạo ra đủ năng lượng cho hàng ngàn hộ gia đình.
Sở hữu công nghệ hiệu quả và với số vốn lên tới 402 triệu USD, Energy Vault đã chuẩn bị cho giai đoạn thương mại hóa. Với số vốn lớn, công ty đã đầu tư vào việc phát triển tòa nhà mới có kế hoạch điều khiển khối nặng lên đến hàng ngàn tấn trên một hệ thống cáp treo. Họ gọi dự án này là “EVx”.
“Hãy tưởng tượng một kho chứa năng lượng ở dạng thang máy,” Robert Piconi, CEO của Energy Vault giải thích. “Khi có năng lượng dư thừa, các khối nặng sẽ được nâng lên và khi cần, chúng sẽ rơi xuống, tạo ra năng lượng cho hàng ngàn ngôi nhà trong một ngày.”
Kích thước và thiết kế của mỗi tháp sẽ quyết định khả năng chứa năng lượng của chúng. Theo ông Piconi, tháp nhỏ nhất cũng sẽ có diện tích hàng chục nghìn mét vuông. Ông không lo lắng quá nhiều về vấn đề này, bởi các tháp pin trọng trường thường sẽ được xây dựng gần các trang trại năng lượng sạch, xa khỏi khu dân cư.
Thị trường đang phát triển, khi có ngày càng nhiều doanh nghiệp đặt hàng tháp pin. Khi Trung Quốc quyết định thay đổi từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng sạch, sẽ có một bước tiến vững chắc hơn trong việc chuyển đổi.
Dù tưởng tượng vẫn còn xa xôi, nhưng sớm muộn các quốc gia sẽ cần phải tìm ra phương pháp lưu trữ năng lượng sạch. Một kho chứa năng lượng lâu dài, có thể cung cấp điện tức thì khi cần, sẽ trở thành điều cần thiết cho mọi quốc gia.
Một trong những thách thức quan trọng trong ngành năng lượng sạch là việc áp dụng các yêu cầu mới vào lưới điện hiện đại, mà không được thiết kế cho các hệ thống năng lượng tái tạo.
Sự kết hợp giữa trọng lượng của khối nặng và tốc độ rơi chậm tạo ra một lực xoắn mạnh mẽ, giúp hệ thống pin trọng trường sản sinh ra mức năng lượng tối đa gần như tức thì. Điều này giúp hệ thống duy trì cân bằng của lưới điện một cách linh hoạt, giảm nguy cơ hỏng hóc cơ sở hạ tầng và sự cố trong lưới điện.
Pin lithium, được sử dụng rộng rãi trong điện thoại, laptop, xe điện, đang ngày càng được sản xuất nhiều hơn và giá cả ngày một giảm. Ngoài ra, hiệu suất của pin lithium cũng tương đương với hệ thống pin trọng trường tiềm năng. Vậy tại sao không phát triển một hệ thống pin lithium lớn để lưu trữ năng lượng?
Để trả lời câu hỏi này, chúng ta có thể xem xét về chi phí vòng đời của một thiết bị. Pin trọng trường là những cấu trúc cơ học có thể hỏng hóc theo thời gian và theo nhiều cách khác nhau. Tuy nhiên, những hỏng hóc và sự thoái hóa đó không ảnh hưởng đến cấu trúc tổng thể. Từng phần riêng lẻ có thể dễ dàng được thay thế, giúp pin trọng trường có tuổi thọ lên đến 50 năm.
Tuy nhiên, pin lithium đối mặt với các vấn đề hóa học phức tạp hơn. “Các ô năng lượng lithium-ion sẽ suy giảm, điều này đồng nghĩa với việc dung lượng của pin giảm theo thời gian và không thể khôi phục lại”, nhà chuyên môn về lưu trữ năng lượng tại Đại học Quốc tế Rabat ở Ma-rốc, Asmae Berrada, phát biểu. Cô đã công bố một nghiên cứu cho thấy chi phí vòng đời của pin lithium-ion gần gấp đôi của “tháp pin” cao hàng chục mét.
Ngoài ra, pin lithium-ion đối mặt với các vấn đề nhạy cảm như vấn đề đạo đức và môi trường. Do đó, giải pháp không sử dụng lithium trở nên cần thiết trong lưu trữ năng lượng sạch. Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang phát triển một hệ thống lưu trữ năng lượng sạch sử dụng nước và lực hấp dẫn, đã nhận được sự hỗ trợ tài chính từ chính phủ Tây Ban Nha và Ma-rốc.
Thay vì sử dụng khối nặng lớn để tạo ra năng lượng, phương pháp mới này sử dụng năng lượng sạch dư thặng để đẩy nước qua turbine. Phương pháp tương tự đã được thử nghiệm tại Đức và Mỹ.
Đánh giá thành công của các tháp pin trọng trường không phải là điều dễ dàng. Tuy nhiên, không thể phủ nhận vai trò sáng tạo của chúng trong việc khám phá các phương pháp lưu trữ năng lượng mới.
Mặc dù chúng ta vẫn chưa có một phương pháp lưu trữ toàn diện, nhưng với tiềm năng của năng lượng hấp dẫn có thể tương tác trên khắp thế giới, việc sử dụng tháp lưu trữ năng lượng dưới dạng quả nặng treo vẫn là một giải pháp sáng tạo và đáng để khám phá.
