Bên trong cuộc đua công nghệ cao của châu Âu để cải thiện khả năng lưu trữ năng lượng

Một "tất chân kim loại" chôn sâu trong đất chứa đầy hydro. Bồn cát cháy nóng. Những trọng lượng lớn di chuyển rất, rất chậm lên và xuống cổ mỏ cũ. Liệu đây có phải là tương lai của năng lượng?

Bộ máy lạ lùng này và các bể chứa giữ nhiệt đang sẵn sàng xuất hiện trên khắp châu Âu khi lục địa này đang tìm cách lưu trữ năng lượng dư thừa do nguồn năng lượng tái tạo tạo ra. Ví dụ, Vương quốc Anh, lãng phí nửa tỷ bảng Anh cho năng lượng gió vào năm 2021 vì không có nơi để lưu trữ. Thiếu lưu trữ như vậy, điện phải được sử dụng ngay tại thời điểm nó được tạo ra.

Năng lượng gió tiếp tục bị lãng phí trên khắp châu Âu, Liên minh châu Âu đang chi số tiền kỷ lục — tỷ euro — để nhập khẩu khí đốt khi họ giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch từ Nga.

“Chúng ta đang ở một điểm uốn,” nói Dominic Walters, Giám đốc Công việc Công ty Highview Power, một công ty có trụ sở tại Vương quốc Anh đang nghiên cứu cách lưu trữ năng lượng dưới dạng khí lạnh. “Có một nhu cầu để tăng tốc mọi thứ ở mọi nơi,” ông thêm, đề cập đến loạt dự án lưu trữ năng lượng đa dạng hiện đang ở giai đoạn phát triển sớm ở châu Âu.

Những người ủng hộ các công nghệ lưu trữ năng lượng thay thế cho rằng pin lithium-ion chỉ đưa chúng ta đi xa một đoạn. Việc sản xuất của chúng phụ thuộc vào khai thác, chúng không có tuổi thọ lâu dài, và có lẽ không phải là lựa chọn lý tưởng để lưu trữ năng lượng trong thời gian dài hơn vài giờ.

“Nếu chúng ta không tìm cách ổn định lưới điện châu Âu sớm, chúng ta sẽ hối hận,” nói Jacopo Tosoni, trưởng phòng chính sách tại Hiệp hội Lưu trữ và Năng lượng Châu Âu (EASE): “Thường thì có rủi ro mất điện vào năm 2030.”

Cuộc đua giờ đây là để đặt các phương tiện lưu trữ cần thiết vào chỗ để năng lượng có thể được giữ sẵn sàng đến những khoảnh khắc cần thiết.

Áp lực đang tăng lên

Ở một góc công nghiệp của Kankaanpää, Phần Lan, một thị trấn có khoảng 12,000 dân, có một tấm silo màu xám đen cao 7 mét, chứa đầy cát. Cát có thể lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt.

“Hiệu suất quanh năm của hệ thống chúng tôi là khoảng 90%, nên mất 10%, điều đó rõ ràng khá tốt,” nói Tommi Eronen, Giám đốc điều hành và đồng sáng lập của Polar Night Energy, một công ty khởi nghiệp với tám nhân viên đã huy động được 1,25 triệu euro cho đến nay. Eronen mô tả cách cát, được làm nóng lên đến 600˚C bằng điện dư thừa, sẽ giữ nhiệt độ trong vài tháng liền nhờ cách nhiệt bên trong tường của container thép. Ống chứa không khí nóng chạy qua cát để truyền nhiệt vào hoặc ra khỏi đó.

Pin cát này được kết nối với một trao đổi nhiệt, theo Eronen, để người điều khiển có thể truyền năng lượng nhiệt đến hệ thống sưởi khu vực hoặc, trong các phiên bản kỹ thuật tương lai có thể là turbines để tạo điện.

Eronen giải thích rằng các phiên bản sớm của pin cát của công ty có quy mô tương đối nhỏ. Đơn vị Kankaanpää cung cấp 100kW công suất sưởi, hoặc dung lượng 8MWh, nhưng Polar Night Energy đang kế hoạch cho các đơn vị 100MW và hơn, có thể một ngày nào đó sản xuất được vài GWh năng lượng. Những đơn vị như vậy sẽ cao khoảng tám mét và có đường kính 44 mét, theo người phát ngôn của Polar Night Energy.

Dự kiến sẽ có thông tin về việc giao hàng phiên bản 2MW ngay từ mùa xuân năm nay, thêm vào đó Eronen.

Ở Hà Lan, GroeneWarmte đang làm việc trên một loại kho lưu trữ năng lượng nhiệt khác có tên là Ecovat, sử dụng nước được làm nóng đến nhiệt độ lên đến 95˚C thay vì cát nóng hơn được lựa chọn bởi Polar Night Energy. “Nó cơ bản chỉ lưu trữ nước trong một bể nước lớn dưới lòng đất,” nói kỹ sư dự án Marijn van den Heuvel. “Nó giống như một cảm ấm lớn.”

Có một chút công trình cần thiết trong việc thiết lập hệ thống này. “Cái cảm ấm” bằng bê tông phải được lắp đặt cẩn thận trong một lỗ tròn lớn ở dưới đất. Nhưng sau đó, nó có thể được đậy lại và quy trình lưu trữ sẽ hoạt động theo cách tương tự như thiết kế của Polar Night Energy. Nhiệt độ mà bể giữ, trong vài tháng nếu cần, sẽ được truyền qua trao đổi nhiệt đến hệ thống sưởi khu vực. Van den Heuvel nói rằng GroeneWarmte với đội ngũ 8 người đang hợp tác với một công ty Đan Mạch về việc triển khai công nghệ này lần đầu tiên.

Những phương pháp này khá mới, nhưng Highview Power đã xây dựng một cơ sở với công suất 50MW ở Carrington, Anh, nơi năng lượng sẽ được lưu trữ dưới dạng khí lạnh. Khu vực này sẽ tạo nên một loạt các tấm silo, ống dẫn và nền bê tông gom lại. Nó sẽ bao gồm các đơn vị lưu trữ nhiệt và lạnh cùng với các container cho khí lạnh chính nó.

“Chúng tôi lọc nó một cách hiệu quả đến nỗi đó là không khí sạch, không khí đó được đông lạnh bằng phương pháp cryogenic,” giải thích Walters, đề cập đến quy trình trong đó không khí được làm lạnh xuống gần -200˚C. Bằng cách làm nóng không khí lạnh này sau này, nó sẽ trở lại dạng khí và mở rộng, có thể được sử dụng để đưa điện trở lại lưới điện. Hệ thống đạt hiệu suất từ 55-65%, theo Highview, tương đương với các công nghệ lưu trữ khác. Một trong những lợi ích của phương pháp này là công nghệ này nên có tuổi thọ kéo dài nhiều thập kỷ, lâu hơn nhiều so với pin lithium ion, vì vậy chính phủ có thể dễ dàng lập kế hoạch quanh cơ sở hạ tầng như vậy hơn.

Walters cho biết khu Carrington nên đi vào hoạt động vào cuối năm 2024. Hiện tại, công ty với 55 người đang huy động một vòng quỹ 400 triệu bảng Anh, và đang kế hoạch triển khai thêm 19 cài đặt khác trên khắp Vương quốc Anh. Mục tiêu cuối cùng là cung cấp 4GW, tương đương 20%, nhu cầu lưu trữ năng lượng của Vương quốc Anh dự kiến vào năm 2035.

Một phương thức lưu trữ khác xuất hiện

Có lẽ khá đơn giản nhất trong số tất cả những khái niệm đang cạnh tranh nhau để có một vị trí trong cảnh quan lưu trữ năng lượng trong tương lai là pin trọng lực. Hầu hết chúng ta học về “năng lượng tiềm năng” khi còn học trường. Có thể nói, không có hình minh họa nào tốt hơn là một cái trọng lượng lớn, được giữ lên cao, chỉ chờ đợi để chịu tác động của trọng lực và rơi xuống sàn. Bằng cách gắn cáp vào một trọng lượng như vậy – đơn giản là kiên nghị nó – có thể làm chậm sự rơi của nó xuống còn khoảng một mét mỗi giây và sử dụng lực kéo mà nó tạo ra để tạo điện qua một turbine.

Cách tiếp cận của Gravitricity trong hướng này, ít nhất là ban đầu, là hạ trọng lượng của mình xuống hàng trăm mét trong các cống mỏ bị bỏ hoang với sự giúp đỡ của một cơ cấu hướng dẫn. Công ty, có 17 nhân viên, đã huy động được 7,5 triệu bảng Anh cho đến nay để biến tầm nhìn của mình thành hiện thực.

“Nếu nó đang đùa giỡn khắp nơi, sớm muộn bạn sẽ thấy cái cống sụt lún vào chính nó, đó rõ ràng không phải là điều chúng ta muốn,” giải thích Robin Lane, giám đốc thương mại. Ông ước tính một trọng lượng có thể cung cấp 4-8MW công suất, và có thể được điều chỉnh để cung cấp năng lượng trong một khoảng thời gian nhất định, chẳng hạn 15 phút hoặc một giờ. Hãy tưởng tượng một hệ thống với nhiều trọng lượng sẵn sàng rơi xuống, liên tiếp, theo một chuỗi đồng bộ cẩn thận để điện có thể được tạo ra ổn định. Các hệ thống thương mại sớm sẽ sử dụng sự kết hợp của các trọng lượng lớn tổng cộng 1,000 tấn.

Lane thừa nhận rằng phương pháp này chưa thể cạnh tranh được với pin lithium ion về chi phí trên cơ sở mỗi MW, nhưng ông cho rằng pin trọng lực sẽ có sức cạnh tranh về mặt kinh doanh cuối cùng. Ngoài ra, nên có khả năng nâng và hạ trọng lượng điều này lại và lại trong nhiều năm mà ít ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của hệ thống. Ngược lại, pin lithium ion có hạn chế nghiêm ngặt về chu kỳ sạc xạc.

Một công ty khác, Energy Vault, có 150 nhân viên, cũng đang theo đuổi công nghệ pin trọng lực. Đến nay, họ đã huy động được khoảng 410 triệu đô la.

Gravitricity cũng đang nghiên cứu những cách hoàn toàn khác nhau để ẩn năng lượng trong các cống mỏ cũ, chẳng hạn như lót chúng bằng kim loại và biến chúng thành đơn vị lưu trữ hydro.

“Đó là một chiếc vớt kim loại, bạn sẽ hạ xuống cống, sau đó bạn sẽ chôn chiếc vớt kim loại đó với một hỗn hợp của vật lưu và thép,” Lane nói. Điều này có thể làm cho việc lưu trữ hydro ở áp suất cao trở nên dễ dàng và rẻ hơn so với trên mặt đất, vì container có thể phụ thuộc vào địa chất hiện tại của cống để hỗ trợ cấu trúc. Hydro có thể đến từ các bộ điện phân liên kết với các trang trại điện gió và sử dụng năng lượng dư thừa để sản xuất khí từ nước.

Đối với Tosoni, sự đa dạng của các dự án lưu trữ năng lượng nổi lên ở châu Âu là một nguồn động viên, khi các quốc gia sẽ đối mặt với nhu cầu năng lượng dự kiến trong những năm tới. Nhưng không quan trọng bằng việc chọn một công nghệ hơn công nghệ khác là các chiến lược tài chính và chính trị cần thiết để mở rộng quy mô bất kỳ hệ thống nào.

“Vấn đề lớn là về nguồn lực,” ông nói, chú ý đến sự cảnh báo của một số nhà đầu tư. Ông đề xuất, chính phủ có thể giúp đỡ bằng cách đặt ra mục tiêu phát triển các cơ sở lưu trữ năng lượng có tham vọng hơn.

Nói chung, Eronen lạc quan về tương lai và chú ý rằng Polar Night Energy đang bắt đầu một vòng quỹ mới 5-10 triệu euro. Nhưng vẫn là một điều khó chịu khi chứng kiến cuộc khủng hoảng năng lượng hiện tại ở châu Âu, biết rằng, ngay cả với lòng mong muốn tốt nhất trên thế giới, những hệ thống này vẫn chưa sẵn sàng cho thời điểm chính xác này.

“Cảm giác thật tệ,” anh nói. “Chúng ta nhìn thấy khủng hoảng bây giờ và không có cách nào chúng ta có thể giúp được.”

Theo EASE, tốc độ lưu trữ được thêm vào mỗi năm tại châu Âu, 1GW, phải tăng mạnh lên 14GW mỗi năm nếu châu lục này muốn đạt được tổng dung lượng lưu trữ trên lưới dự kiến là 200GW vào năm 2030. Vì vậy, sự đẩy mạnh là điều chắc chắn.