Dự án mới về lưu trữ năng lượng tái tạo: 'cất điện' trong cần cẩu tháp cao, sử dụng lực hấp dẫn của Trái Đất để tạo ra điện

Bạn đã từng nghĩ rằng chúng ta có thể sử dụng lực hấp dẫn của Trái Đất để cung cấp năng lượng cho việc chiếu sáng trong nhà chưa?

Tại thị trấn Arbedo-Castione, gần dãy núi Alps, một công trình kiến trúc lạ mắt sắp xuất hiện: một cần cẩu cao 120 mét với 6 cánh tay, nhấc và sắp xếp khối đất nén thành một tháp cao. Khi cần cẩu đảo ngược, lực hấp dẫn của Trái Đất sẽ tạo ra năng lượng.

Công trình này do Energy Vault thực hiện, nhằm giải quyết vấn đề lưu trữ năng lượng từ các nguồn tái tạo, nhưng không ổn định do biến đổi khí hậu. Cần cẩu này là một giải pháp tiềm năng cho tương lai sạch hơn.

Nếu không tìm được cách lưu trữ năng lượng khi thời tiết xấu, lưới điện thế giới và các ngành công nghiệp không thể hoạt động dựa trên năng lượng tái tạo.

'Bạn muốn 100% năng lượng sạch cho lưới điện mà không tạo ra khí thải carbon, nhưng không có nhiều giải pháp như vậy', giáo sư Eric Toone nhận định. Ông là giám đốc điều hành của Breakthrough Energy Ventures, một quỹ đầu tư hỗ trợ các startup nghiên cứu về lưu trữ năng lượng sạch.

Theo ông Toone, để loại bỏ khí thải carbon từ ngành năng lượng Mặt Trời và gió, cần phải phát triển công nghệ lưu trữ năng lượng.

Nguồn tài nguyên vô tận nhưng không biết lưu trữ ở đâu

Các nhà nghiên cứu và nhà đầu tư đang cố gắng tìm cách lưu trữ năng lượng tái tạo hiệu quả.

Hiện nay, công nghệ pin lithium-ion đang thống trị, nhưng cần sự thay đổi để giảm chi phí sản xuất và tăng tuổi thọ.

Energy Vault đang tiếp cận vấn đề lưu trữ năng lượng bằng cách tận dụng lực hấp dẫn của Trái Đất.

Công ty Thụy Sĩ đã nhận vốn 110 triệu USD từ Quỹ Vision của Softbank để xây dựng cần cẩu tháp lưu trữ năng lượng.

Khi có năng lượng thặng dư từ các nguồn tái tạo, Energy Vault sẽ sử dụng cần cẩu để xếp các khối đất thành tháp, tận dụng lực hấp dẫn của Trái Đất.

Khi nhu cầu sử dụng điện tăng lên, trong những thời điểm cao điểm, các gia đình sử dụng điện nhiều hơn, cẩu sẽ dỡ các khối đất khỏi tháp để tạo ra điện từ lực hấp dẫn của Trái Đất.

Theo tính toán của Energy Vault, một dự án chuẩn với 20 cần cẩu tháp có thể sản xuất đủ điện cho 40.000 hộ gia đình trong vòng 24 giờ. Chi phí sản xuất điện theo cách này cũng sẽ thấp hơn việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch theo thời gian.

Ngoài công trình tại Arbedo-Castione, có nhiều dự án tạo điện từ lực hấp dẫn của Trái Đất đang được phát triển ở Scotland, Đức, Mỹ và Ma-rốc.

Startup Gravitricity có trụ sở tại Edinburgh, Scotland, họ không chỉ xây tháp mà còn tận dụng những khu mỏ bỏ hoang. Họ sử dụng hệ thống trục để tạo ra điện từ việc kéo 12.000 tấn vật nặng lên và thả chúng tự do xuống mỏ sâu. Gravitricity tin rằng họ có thể sản xuất điện với giá thành chỉ bằng nửa số tiền cần để sản xuất pin li-ion mà không cần tốn nhiều năng lượng.

Khác với cần cẩu của Energy Vault có thể sản xuất điện liên tục trong 8-16 giờ, quả nặng được đặt trong lòng đất của Gravitricity chỉ có thể tạo ra năng lượng trong khoảng thời gian từ 15 phút đến 8 giờ.

Các dự án này đại diện cho nỗ lực cải tiến trong việc tận dụng lực hấp dẫn của Trái Đất.

Ý tưởng đứng đằng sau các dự án này là một sự tiếp nối của công nghệ bơm hydro đã tồn tại trong nhiều thập kỷ. Chúng ta sử dụng điện thừa để bơm nước lên cao, sau đó sử dụng nước đó để vận hành turbine khi cần. Tuy nhiên, việc xây mới các đập thủy điện gặp nhiều phản đối từ công chúng vì sự ảnh hưởng đến môi trường. Do đó, Gravity Energy AG đã đầu tư vào việc sử dụng năng lượng thừa để vận hành piston thủy lực trong các bể ngầm dưới đất thay vì xây mới các đập.

'Với công nghệ bơm hydro, chúng ta cần một diện tích lớn trên địa hình đồi, với hồ trên cao và hồ dưới thấp, sau đó xây dựng nhà máy thủy điện,' ông giải thích. Bể ngầm của ông có diện tích nhỏ hơn nhiều, chỉ bằng sân bóng đá và có thể sản xuất 1.000 megawatt điện trong khoảng thời gian từ 4 đến 10 giờ.

So sánh hai hệ thống của Gravitricity và Gravity Energy AG, chúng ta thấy cả hai đều không hiệu quả bằng cẩu của Energy Vault. Theo các nhà phát triển cẩu tháp tạo điện, chỉ cần bảo dưỡng định kỳ, hệ thống có thể hoạt động được hơn 40 năm, rõ ràng là hiệu quả hơn pin truyền thống. Với khoản đầu tư 8-9 triệu USD, họ có thể lưu trữ năng lượng với giá khoảng 1.100 VNĐ/kilowatt-giờ điện, không tiêu hao năng lượng và có chi phí vận hành thấp.

Với hơn 100 triệu USD từ SoftBank, Energy Vault sẽ mở rộng dự án lên nhiều lần. Robert Piconi, CEO của Energy Vault, dự định xây cẩu tháp cao 150 mét bên cạnh các cẩu 120 mét như kế hoạch ban đầu.

Theo chuyên gia, hệ thống lưu trữ và phát điện dựa trên lực hấp dẫn sẽ giúp cân bằng lưới điện hiệu quả. Điện từ các hệ thống Mặt Trời/gió thường bất thường, có thể tạo ra nhiều điện nhưng không phù hợp với thời gian sử dụng của các hộ gia đình. Điện từ Mặt Trời/gió thường tăng vào buổi sáng, nhưng ít người ở nhà sử dụng điện vào thời điểm đó. Điện từ Mặt Trời/gió cũng không ổn định đủ để duy trì hoạt động kinh doanh, dẫn đến tình trạng thặng dư năng lượng tái tạo.

Hệ thống lưu trữ điện dựa trên lực hấp dẫn vượt trội so với pin li-ion ở hai điểm:

- Hệ thống không bị xuống cấp nhanh như pin: vòng sạc-xả của một cáp cẩu sẽ bền hơn so với phản ứng hóa học trong một viên pin.

- Có thể điều chỉnh dễ dàng lượng năng lượng đầu ra của cẩu tháp điện bằng cách điều chỉnh cân nặng của khối vật chất. Việc thả khối nhỏ từ từ sẽ tạo ra lượng năng lượng ổn định trong thời gian dài, trong khi thả khối lớn sẽ tạo ra luồng năng lượng mạnh mẽ.

Tuy nhiên, hệ thống này không hoàn hảo; công nghệ để tính toán cân nặng và vị trí của từng khối vẫn cần được cải tiến. Theo ông Piconi, thuật toán của Energy Vault đã có thể điều chỉnh được cho yếu tố thời tiết và sự mòn của cẩu theo thời gian.

Chỉ dựa vào hệ thống mới này là chưa đủ.

Trong khi tiếp tục phát triển công nghệ lưu trữ năng lượng tái tạo dựa trên lực hấp dẫn, khoa học vẫn cố gắng cải thiện công nghệ pin lithium-ion hiện đại và tìm kiếm những phương pháp mới. Dù không luôn thành công, việc nghiên cứu công nghệ pin mới là một dấu hiệu tích cực cho sự tiến bộ trong lĩnh vực này.

Ngoài việc sử dụng năng lượng tái tạo để tạo điện, còn có cách khác như biến năng lượng thừa thành nhiệt năng. Startup Malta đang nghiên cứu việc sử dụng nhiệt để nung chảy muối ở nhiệt độ cao hơn 90 độ C, sau đó sử dụng điện để làm lạnh một hợp chất khác. Khi cần năng lượng, hệ thống sẽ đảo ngược quá trình này để tạo ra dòng không khí nóng và lạnh, sau đó kết hợp chúng để vận hành turbine.

Gần đây, khoa học cũng tìm cách tận dụng hydro - nguyên tố phổ biến nhất trong Vũ trụ - làm nguồn nguyên liệu sạch. Quy trình này vẫn còn đắt đỏ, nhưng ít nhất, các nhà nghiên cứu đã đạt được một số tiến bộ đáng kể.

Dù đã sản xuất ra điện sạch nhưng vẫn gặp khó khăn trong việc lưu trữ, nhưng may mắn thay, ngành lưu trữ năng lượng đang có những tiến bộ đáng mừng. Hãy chờ đợi sự xuất hiện của những cẩu tháp dự trữ năng lượng, cung cấp điện cho hộ gia đình từ thứ lực đang được khai thác một cách hiệu quả.