Hiện nay các quốc gia đang chạy đua phát triển các công nghệ lưu trữ năng lượng, nhiều công ty, tập đoàn đã đầu tư nghiên cứu để tìm ra các phương pháp có thể lưu trữ lượng điện lớn hơn, hiệu quả hơn. Sau đây là những công nghệ lưu trữ điện được cho là hiện đại và phổ biến nhất hiện nay:
1. Thủy điện tích năng
Thủy điện tích năng là phương pháp sử dụng điện (dư thừa khi sản xuất) để bơm nước từ hồ chứa thấp đến một hồ chứa cao hơn (ví dụ đặt trên núi hoặc đồi) làm nơi lưu trữ.
Khi thiếu điện hoặc khi cần sử dụng nhiều điện, người ta sẽ xả cho nước chảy từ hồ chứa trên cao xuống hồ chứa thấp thông qua một đường ống đặt ngầm trong núi, nước sẽ làm chạy tua-bin đặt trong đường ống và tạo ra điện.
Mô tả các hoạt động của thủy điện tích năng
Theo Wikipedia, thủy điện tích năng là một trong những dạng lưu trữ điện năng lớn nhất hiện nay, chiếm tới hơn 90% tổng lượng điện lưu trữ trên toàn cầu.
Nhà máy thủy điện tích năng đặt tại Virginia, Mỹ được gọi "viên pin lớn nhất thế giới" do có công suất lưu trữ tới hơn 3 gigawatts (GW), tương đương với sản lượng điện của nhà máy nhiệt điện Drax hoặc nhà máy điện hạt nhân Hinkley Point C.
Thủy điện tích năng có khả năng lưu giữ điện công suất lớn, nhưng hạn chế lớn nhất của nó là đòi hỏi phải có ngọn núi hoặc đồi phù hợp để triển khai. Do đó không phải nơi nào cũng có thể áp dụng thủy điện tích năng.
Vương quốc Anh không có nhiều địa hình đủ điều kiện để triển khai phương pháp này. Dù vậy họ vẫn xây dựng một số nhà máy thủy điện tích năng ấn tượng như Dinorwig ở xứ Wales.
Và giống như Drax, nó có biệt danh là Electric Mountain: vừa là nhà máy sản xuất điện năng vừa là một điểm thu hút khách du lịch.
2. Hệ thống bánh đà và siêu tụ điện
Có một hình thức lưu giữ điện cho tốc độ phản hồi cao là sử dụng bánh đà và siêu tụ điện. Công nghệ này cho thời gian nạp và xả điện nhanh như các loại pin thông thường.
Điện được sử dụng để làm quay bánh đà ở tốc độ cao. Quá trình này tạo ra động năng ngày càng gia tăng của bánh đà.
Và khi cần thiết, bánh đà giải phóng năng lượng được lưu trữ bằng cách áp mô-men xoắn đến tải cơ khí, kết quả làm tốc độ quay giảm. Tại thời điểm đó, động năng được chuyển đổi trở lại thành điện.
Một hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng tại Paris, Pháp
Các siêu tụ điện (hay tụ điện lớp kép) sử dụng cách tiếp cận tương tự nhưng lưu giữ nguồn năng lượng bằng chính nguồn điện.
Với các tính năng kết hợp của viên pin và tụ điện, siêu tụ điện lưu trữ năng lượng giống như một điện tích tĩnh, nhưng khác với pin thông thường là nó không xảy ra phản ứng hóa học trong quá trình nạp hoặc xả điện.
Mô tả cách hoạt động của siêu tụ điện
3. Pin Lithium-ion
Battery University cho biết công nghệ pin Lithium-ion hiện đã có thể cung cấp điện cho hầu hết các thiết bị điện gia dụng nhờ nguồn năng lượng dồi dào và tỷ lệ tự xả thấp.
Nhiều công ty đang nghiên cứu phát triển công nghệ tăng dung lượng lưu trữ và thời gian sử dụng pin Lithium-ion.
Nhờ đó ứng dụng pin Lithium-ion sẽ ngày càng mở rộng, nhất là trong lĩnh vực xe chạy điện (electric vehicles - EV), các thiết bị an ninh, cũng như cung cấp nguồn năng lượng cho mạng lưới điện khu vực và quốc gia.
Tại miền Nam nước Úc, Tesla đã hoàn thành nhà máy lưu trữ điện sử dụng pin Lithium-ion lớn nhất thế giới.
Với công suất 100 megawatt (MW), nó có thể cung cấp điện trong một giờ cho 30.000 ngôi nhà. Điều rất có ích trong những ngày thiếu điện hay khi tua-bin gió không sản sinh ra nhiều năng lượng.
Nhà máy lưu trữ điện sử dụng pin Lithium-ion của Tesla
Pin Lithium-ion hiện nay được sử dụng phổ biến nhất trong lĩnh vực EV. Tuy nhiên các nhà sản xuất xe điện vẫn đang phải đối mặt với thách thức giảm chi phí sản xuất pin nhằm đưa xe điện đến với nhiều người sử dụng hơn nữa.
Tesla được cho là đã làm được điều này. Công ty đã xây dựng nhà máy sản xuất pin khổng lồ Gigafactory ở sa mạc Nevada nhằm tăng sản lượng và giảm giá thành sản xuất của pin. Dù vậy, Tesla được cho là vẫn chưa đạt được những đột phá trong ứng dụng pin Lithium-ion.
4. Pin thể rắn
Nhược điểm của hầu hết các viên pin hiện nay, được sử dụng trong điện thoại thông minh hoặc EV, là thời lượng sử dụng không đủ lâu. Đây lại là điều mà pin thể rắn hoàn toàn có thể khắc phục.
Theo Wikipedia, điểm khác biệt cơ bản giữa các viên pin Lithium-ion phổ biến hiện nay với pin thể rắn là một bên sử dụng dung dịch điện phân dạng lỏng để điều hòa dòng mang điện, trong khi những viên pin thể rắn lựa chọn chất điện phân thể rắn.
Chất điện phân trong viên pin là một hỗn hợp hóa chất dẫn điện, cho phép dòng mang điện di chuyển giữa cực âm và cực dương.
So sánh cách hoạt động của pin thể rắn và pin Lithium-ion
Science Daily cho biết pin thể rắn nhỏ hơn, rẻ hơn và có khả năng lưu trữ năng lượng lớn hơn pin Lithium-ion. Chúng cũng có thể được nạp đầy nhanh hơn và tỏa ít nhiệt hơn.
Trong lĩnh vực EV, điều này sẽ giúp mang đến những hiệu quả tốt hơn, chi phí thấp hơn và hoạt động an toàn hơn. Vấn đề duy nhất là công nghệ pin thể rắn chưa thực sự khả thi ở quy mô lớn.
Cả Dyson và Toyota đều đang đầu tư rất lớn cho công nghệ này, dự kiến pin thể rắn sẽ chính thức được thương mại hóa vào năm 2020.
5. Pin nhiên liệu hydro
Hydro là một trong những nguyên tố hóa học phổ biến nhất trên trái đất, do đó đây sẽ là nhiên liệu dồi dào cho bất kỳ công nghệ năng lượng nào. Công nghệ pin nhiên liệu hydro đang có những bước phát triển rất nhanh trong những năm gần đây, đặc biệt là trong lĩnh vực xe hơi.
Viên pin nhiên liệu Hydro (màu xanh)
Theo Wikipedia, biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu hydro cũng tương tự như pin thông thường với hai điện cực tách nhau bằng điện phân. Không giống như pin hoặc ắc quy, tế bào nhiên liệu hydro không bị mất điện và cũng không có khả năng tích điện.
Tế bào nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu (hydro) và chất oxy hóa (oxy) được đưa từ ngoài vào.
Hydro cần phải được cung cấp thường xuyên để nó tiếp tục tạo ra điện - điều này dẫn đến sự gia tăng của các trạm tiếp nhiên liệu, nơi các xe chạy bằng hydro có thể được "đổ đầy" hydro khi pin đã cạn kiệt.
Ngoài việc cung cấp năng lượng cho ô tô, các pin nhiên liệu hydro cũng được sử dụng để cấp điện cho các tòa nhà và vệ tinh của NASA.
6. Hệ thống V2G
Đã bao giờ bạn nghĩ đến việc các xe điện EV có thể hoạt động như các hệ thống lưu trữ năng lượng? Như đã biết hầu hết các xe điện đều hoạt động trong thời gian dài khi di chuyển.
Hệ thống giao tiếp cho xe điện (Vehicle to grid - V2G) có thể tận dụng điều này nhằm giải phóng nguồn điện lưu trữ trong các EV để truyền tải qua lưới điện thông qua các trạm sạc, giúp đáp ứng nhu cầu sử dụng điện trong các giờ cao điểm. Xe EV khi đó sẽ trở thành các nhà máy điện mini.
Minh họa hệ thống V2G
Nissan và nhà cung cấp năng lượng Enel (Ý) đã lên kế hoạch phát triển hệ thống này. Họ hy vọng sẽ triển khai khoảng 100 điểm sạc xe hơi trên toàn nước Anh. Các xe EV sẽ kết nối với hệ thống này để sạc điện hoặc cung cấp năng lượng ngược trở lại cho lưới điện quốc gia khi cần thiết.
Trong mô hình V2G, các hệ thống sạc thông minh sẽ tự động cho và lấy điện từ xe EV. Mô hình này cũng góp phần giảm lượng khí thải carbon từ các phương tiện giao thông ra môi trường.
7. Hệ thống nén khí CAES
Phương pháp lưu trữ năng lượng bằng khí nén (CAES) có cách hoạt động tương tự như thủy điện tích năng, nhưng thay vì đẩy nước lên cao, lượng điện dư thừa được sử dụng để chạy máy nén khí nhằm bơm không khí vào một bình chứa lớn đặt dưới lòng đất.
Khi cần sử dụng tới điện, không khí nén sẽ được làm nóng lên, giải phóng nhiệt năng và làm quay tuabin phát điện.
Mô hình CAES
Theo hiệp hội năng lượng Mỹ, sau thuỷ điện tích năng, khí nén là dạng lưu trữ năng lượng phổ biến thứ hai hiện nay. Công nghệ này liên tục được phát triển trong những năm gần đây nằm tăng hiệu suất và ít phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch để làm nóng không khí.
Và cũng giống như thủy điện tích năng, đây là một phương tiện lưu trữ năng lượng cố định. Khí nén thường được bảo quản tốt nhất trong các cấu trúc địa chất, chẳng hạn như trong lòng núi đá hoặc mỏ muối cũ.
8. Pin axit chì
Dù rằng pin axit chì đã được phát minh từ năm 1859, nhưng cho đến tận bây giờ nó vẫn còn được ứng dụng rộng rãi.
Nhiều thập kỷ phát triển giúp cho pin axit chì có giá thành sản xuất rẻ.
Ngày nay, pin axit chì thường được sử dụng trong xe hơi bởi chúng có thể cung cấp những dòng điện cao đột biến, cần thiết để khởi động cho động cơ xe, đó là bởi vì tính dẫn điện đặc biệt cao của vật liệu cực dương của pin là chì oxit.
Pin axit chì thường được sử dụng trong xe hơi
Hiện pin axit chì cũng được phát triển để lưu trữ các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời. Nhược điểm của công nghệ này là phải sử dụng các hóa chất độc hại, cộng với tuổi thọ pin ngắn từ 300 đến 500 chu kỳ nạp, xả.
Tuy nhiên, các chương trình tái chế pin axit chì hiện đã mang đến những hiệu quả cao, 99% pin ở Mỹ từng được tái chế trong khoảng từ năm 2009 đến 2013.
Sự phát triển của công nghệ đã giúp tạo ra được những loại pin nhẹ hơn, thời gian sạc nhanh và lưu trữ nhiều năng lượng hơn, nhưng mô hình pin axit chì vẫn có chỗ đứng nhờ vào mức giá thành rẻ. Chúng hiện chủ yếu được sử dụng để lưu trữ điện ở quy mô nhỏ.
9. Pin Redox Flow
Pin Redox Flow sử dụng chất lỏng điện phân thường được dùng cho các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Các nhà nghiên cứu Harvard gần đây đã tạo ra một loại pin Redox Flow có thể hoạt động trong 10 năm với sự suy giảm tuổi thọ pin rất thấp.
Đây là một loại pin lí tưởng để lưu trữ năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió.
Loại pin này có ưu điểm nhỏ gọn, hoạt động hiệu quả hơn và có chi phí sản xuất rẻ hơn so với nhiều công nghệ pin khác hiện nay. Vấn đề hiện tại là pin Redox Flow vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và cần thêm một khoảng thời gian nữa để chính thức bước ra thị trường.
10. Khí hóa lỏng
Điện làm chạy máy làm lạnh không khí xuống mức -196 độ C và biến nó thành chất lỏng nén trong bình chứa. Như vậy nguồn điện đã được chuyển sang dạng lưu trữ lỏng. Khi không khí tiếp xúc với chất lỏng này trong đường ống, nó sẽ trở lại dạng khí và làm quay tuabin phát điện.
Một trong những lợi ích chính của công nghệ hóa lỏng khí chính là khả năng lưu trữ cao của nó: 700 lít không khí xung quanh có thể được giảm xuống chỉ còn 1 lít khí lỏng.
Hơn nữa, công nghệ này rất có tiềm năng phát triển bởi nó có thể tận dụng nhiệt độ từ các nhà máy nhiệt điện, nhà máy sản xuất thép hoặc tận dụng khí tự nhiên hóa lỏng (LNG).
Nhà máy khí hóa lỏng của Highview Power Storage
Công ty Highview Power Storage (Anh) hiện đang thử nghiệm công nghệ khí hóa lỏng tại nhà máy xử lý rác thải ở Pilisworth, nơi sẽ cung cấp năng lượng bằng cách chuyển đổi nhiệt lượng từ đốt rác thải thành năng lượng.