'Pin' khổng lồ dưới lòng đất đang định hình tương lai của việc lưu trữ năng lượng tái tạo

Các tấm pin mặt trời và tua bin gió mang lại cho thế giới nguồn năng lượng dồi dào nhưng lại có một câu hỏi hóc búa. Khi trời nắng và gió, ở nhiều nơi, năng lượng tái tạo này tạo ra nhiều điện hơn mức thực sự cần thiết vào thời điểm đó. Sau đó, khi Mặt trời không chiếu sáng và gió không thổi, những nguồn năng lượng tái tạo đó sẽ cung cấp rất ít hoặc không có điện khi thực sự cần thiết.

Vì vậy, để lưới điện ngày mai có thể tái tạo 100%, nó cần lưu trữ nhiều năng lượng hơn. Bạn có thể đã nghe nói về pin lithium-ion khổng lồ dự trữ năng lượng đó để sử dụng sau này. Nhưng khi cung cấp nguồn điện dự phòng, ngay cả một cục pin lớn cũng thường cạn kiệt sau bốn giờ. Nhu cầu về một giải pháp thay thế khiến chính phủ Hoa Kỳ, các nhà nghiên cứu và các công ty khởi nghiệp phải nỗ lực phát triển thêm “bộ lưu trữ năng lượng lâu dài” có thể cung cấp tối thiểu 10 giờ điện dự phòng—thường bằng cách sử dụng các hồ chứa, hang động và các bộ phận khác của hệ thống điện. phong cảnh như pin.

Một nghiên cứu mới từ một số trường đại học và phòng thí nghiệm quốc gia ở Hoa Kỳ và Canada cho thấy việc triển khai quy mô lớn hệ thống lưu trữ năng lượng lâu dài không chỉ khả thi mà còn cần thiết để năng lượng tái tạo phát huy hết tiềm năng và thậm chí có thể cắt giảm hóa đơn tiện ích. Nó đặc biệt xem xét Western Interconnection, một phần của mạng lưới bao gồm miền Tây Hoa Kỳ và Canada, cùng với một phần phía bắc Mexico. Nghiên cứu cho thấy rằng việc xây dựng thêm kho lưu trữ năng lượng lâu dài ở đó sẽ giảm hơn 70% giá điện trong thời điểm nhu cầu cao.

Patricia Hidalgo-Gonzalez, giám đốc Phòng thí nghiệm Toán học nâng cao và Năng lượng tái tạo tại Đại học California, San Diego và đồng tác giả của bài báo đăng trên tạp chí, cho biết: “Nó giống như một dàn nhạc”. Truyền thông thiên nhiên. “Chúng ta cần suy nghĩ về tất cả những yếu tố này, cách chúng hoạt động. Nhưng việc tăng thêm dung lượng lưu trữ chỉ có thể giúp làm cho việc này trở nên hiệu quả hơn về mặt chi phí.”

Hiện đã có các công nghệ có khả năng lưu giữ năng lượng tái tạo trong ít nhất nửa ngày và sẽ còn nhiều hơn thế nữa. Một kỹ thuật được gọi là thủy điện tích năng: Khi lưới điện tràn ngập năng lượng tái tạo, một cơ sở sẽ bơm nước lên dốc vào hồ chứa. Sau đó, khi năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió ngừng hoạt động, cơ sở này sẽ để nước chảy ngược xuống một hồ chứa khác, làm quay các tua-bin sản xuất điện. Nó khai thác năng lượng từ gió và mặt trời, cùng với sức mạnh của trọng lực.

Martin Staadecker, nhà nghiên cứu hệ thống năng lượng tại Viện Công nghệ Massachusetts và là tác giả chính của nghiên cứu mới, cho biết: “Bản thân bộ lưu trữ pin — hay cái mà mọi người gọi là bộ lưu trữ năng lượng trong thời gian ngắn — rất quan trọng. “Nhưng bạn không thể chỉ dựa vào pin lithium-ion, vì sẽ rất tốn kém nếu có đủ năng lượng để cung cấp năng lượng cho cả tuần.”

Tính đến năm 2022, Hoa Kỳ có 43 cơ sở thủy điện tích năng với tổng công suất phát điện là 22 gigawatt. (Để so sánh, Hoa Kỳ có khoảng 150 gigawatt năng lượng gió và 140 gigawatt năng lượng mặt trời.) Theo Bộ Năng lượng, Hoa Kỳ có tiềm năng tăng gấp đôi công suất cho loại lưu trữ năng lượng đó. Vào năm 2021, chính quyền Biden đã triển khai Cú bắn lưu trữ thời lượng dài, một phần của sáng kiến ​​Ảnh chụp Trái đất năng lượng, nhằm giảm 90% chi phí của công nghệ trong một thập kỷ. Và năm ngoái, họ đã công bố 325 triệu USD cho 15 dự án lưu trữ năng lượng lâu dài, bao gồm một dự án lưu trữ năng lượng nhiệt trong bê tông và các dự án khác để sản xuất pin mới làm từ sắt, nước và không khí.

Các nhà nghiên cứu đã xem xét việc lưu trữ năng lượng trong thời gian dài mà không xem xét đến kỹ thuật cụ thể có liên quan, đồng thời đặt ra câu hỏi đâu là cách rẻ nhất để Kết nối phía Tây không phát thải 100%. Nghiên cứu của họ phát hiện ra rằng việc lưu trữ năng lượng trong thời gian dài sẽ đặc biệt có lợi cho khách hàng của tiện ích, giảm chi phí điện trong những thời điểm có nhu cầu cao trên lưới điện, chẳng hạn như vào buổi chiều muộn khi mọi người trở về nhà và bật các thiết bị cùng lúc với năng lượng mặt trời. trên lưới đang suy yếu dần. Nhiều dung lượng lưu trữ hơn cũng có nghĩa là có nhiều năng lượng dự phòng hơn cho những đợt nắng nóng ngày càng nóng hơn khi toàn bộ khu vực sử dụng thiết bị AC của họ.

Các công ty cũng đang tìm cách lưu trữ năng lượng dưới lòng đất. Một công ty tên là Hydrostor, có trụ sở tại Toronto, Canada, sử dụng năng lượng tái tạo dư thừa trên lưới điện để bơm khí nén vào các hang động ngầm chứa đầy nước. Điều đó buộc nước trên mặt đất vào một hồ chứa. Khi lưới điện cần điện, Hydrostor cho nước chảy ngược vào buồng, đẩy không khí trở lại bề mặt để làm quay tua-bin. Jon Norman, chủ tịch của Hydrostor cho biết: “Chúng tôi đang tạo ra một piston dưới nước. “Thực ra chúng tôi đang xây dựng một khoang bằng cách sử dụng các kỹ thuật mà họ sử dụng trong ngành lưu trữ hydrocarbon để lưu trữ propan và butan.”

Nếu một khu vực cạn kiệt năng lượng tái tạo, chẳng hạn như khi Mặt trời lặn, khu vực đó sẽ phải nhập khẩu điện không chứa carbon từ nơi khác. Nhưng điều đó đòi hỏi những đường dây truyền tải xuyên qua hàng trăm hoặc hàng ngàn dặm đất, rất khó được phê duyệt và xây dựng tốn kém. Nghiên cứu mới cho thấy sẽ tốn từ 83 tỷ đến 130 tỷ USD để triển khai lượng lưu trữ năng lượng dài hạn trong mô hình hóa—tùy thuộc vào mức giá của công nghệ giảm khi nó trưởng thành.

Với khả năng lưu trữ năng lượng lâu dài, các công ty điện lực có thể triển khai nhiều tấm pin mặt trời và tua bin gió hơn tại địa phương và lưu trữ năng lượng thay vì phải vận chuyển từ nơi khác. Kevin Schneider, một kỹ sư điện nghiên cứu lưới điện tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương nhưng không tham gia vào nghiên cứu mới, cho biết điều đó có thể giảm đáng kể chi phí xây dựng đường dây truyền tải đường dài. “Có được sự linh hoạt đó trong hệ thống, nơi bạn có thể có một nguồn điện mà bạn có thể tích trữ và sau đó giải phóng, đó là điều cho phép chúng tôi không phải xây dựng nhiều cơ sở hạ tầng và cũng có khả năng phục hồi tốt hơn một chút.”

Khi đó, lưới điện của ngày mai có thể hoạt động với năng lượng tái tạo được lưu trữ cả trong các ngân hàng pin khổng lồ nhưng cũng được lưu trữ trong chính cảnh quan. Năng lượng mặt trời và gió sẽ không còn bị lãng phí nữa.

Bài viết này ban đầu xuất hiện trên Grist tại https://grist.org/climate/long-duration-energy-storage-batteries-store-solar-wind-power/. Grist là một tổ chức truyền thông độc lập, phi lợi nhuận chuyên kể những câu chuyện về các giải pháp khí hậu và một tương lai công bằng. Tìm hiểu thêm tại Grist.org.