Những nhược điểm của hệ thống lưu trữ năng lượng cấp lưới có tồn tại không?
Khi chúng ta nói về năng lượng tái tạo, luôn có con voi này trong phòng mà dường như mọi người đang nhảy múa xung quanh bộ lưu trữ -. Việc lưu trữ năng lượng ở cấp độ lưới điện nghe có vẻ tuyệt vời trên lý thuyết và nó chắc chắn cần thiết nếu chúng ta muốn làm cho năng lượng gió và mặt trời hoạt động trên quy mô lớn. Nhưng những nhược điểm của hệ thống lưu trữ năng lượng ở cấp độ lưới sẽ tăng lên khá nhanh khi bạn tìm hiểu kỹ các tài liệu quảng cáo tiếp thị và trợ cấp của chính phủ.
Điều đầu tiên đập vào mắt bạn là chi phí. Không chỉ chi phí vốn trả trước đủ-mắt, mà cả chi phí hoạt động khiến tiền liên tục chảy ra từ năm này qua năm khác. Ví dụ như Dự án Dự trữ năng lượng Hornsdale ở Nam Úc - dự án pin lớn của Tesla từ năm 2017 mà mọi người đều yêu thích coi đó là một câu chuyện thành công. Chắc chắn, nó sẽ ổn định lưới điện trong các sự kiện tần số, nhưng hệ thống 150 MW / 194 MWh có giá khoảng 90 triệu đô la Úc (www.abc.net.au). Dung lượng lưu trữ tương đương khoảng 600.000 USD mỗi megawatt{15}}giờ. Dành cho một hệ thống bị suy giảm chất lượng sau mỗi chu kỳ sạc.
Pin lithium{0}}ion hiện đang thống trị thị trường lưu trữ lưới, mất khoảng 2-3% công suất mỗi năm chỉ do lịch cũ, ngay cả khi bạn không sử dụng chúng nhiều. Sau đó là sự suy thoái chu kỳ trên đó. Hầu hết các hệ thống pin thương mại đều được bảo hành ở mức khoảng 80% dung lượng sau 10 năm, điều đó có nghĩa là về cơ bản bạn đang phải trả tiền cho dung lượng lưu trữ đang dần bốc hơi. Tính kinh tế chỉ có ý nghĩa trong các trường hợp sử dụng cụ thể như quy định tần số khi bạn được trả mức phí bảo hiểm cho thời gian phản hồi một phần nghìn giây.
Những lo ngại về an toàn cũng không được quan tâm đầy đủ. Mọi người đều nhớ khi cơ sở sản xuất pin Moss Landing ở California bốc cháy vào năm 2021. Đó là cơ sở lắp đặt công suất 300 MW / 1.200 MWh -, một trong những cơ sở lớn nhất thế giới vào thời điểm đó - và nó đã phải ngừng hoạt động trong nhiều tháng. Sau đó, nó lại bốc cháy vào năm 2022 (www.energy{10}}storage.news). Đây không phải là những vụ cháy bếp nhỏ mà chúng ta đang nói đến. Các sự kiện thoát nhiệt ion lithium{14}}rất khó để dập tắt và giải phóng khí độc. Về cơ bản, sở cứu hỏa phải để nó tự cháy trong khi giữ cho mọi thứ khác không bị cháy.
California đã điên cuồng lắp đặt bộ lưu trữ pin, nhưng họ đang gặp phải vấn đề cơ bản là pin chỉ có thể xả trong khoảng 4 giờ ở công suất định mức. Điều đó phù hợp cho việc cạo râu vào cao điểm buổi tối khi mặt trời tắt, nhưng nó vô dụng đối với các sự kiện thời tiết kéo dài nhiều ngày hoặc sự thay đổi theo mùa. Bạn sẽ cần dung lượng lưu trữ gấp 50-100 lần để xử lý những khoảng thời gian nhiều mây kéo dài cả tuần vào mùa đông, điều này khiến cho nền kinh tế vốn đã nhiều nghi vấn trở nên hoàn toàn vô lý.
Hãy để tôi ném một số con số kỹ thuật vào bạn. Hệ thống pin lithium-ion tiện ích điển hình có hiệu suất-khứ hồi khoảng 85-90%, điều này nghe có vẻ ổn cho đến khi bạn nhận ra rằng 10-15% năng lượng của bạn vừa biến thành nhiệt. Cứ 100 MWh bạn lưu trữ, bạn chỉ nhận lại được 85-90 MWh. So sánh điều đó với hệ thống lưu trữ thủy điện được bơm với hiệu suất 70-80% - vâng, nó thấp hơn, nhưng thủy điện được bơm có thể lưu trữ năng lượng trong nhiều tháng mà không bị thất thoát đáng kể, trong khi pin tự xả ở mức khoảng 1-3% mỗi tháng.
Mặt môi trường cũng trở nên lộn xộn. Khai thác lithium, coban, niken - đây không phải là những quy trình sạch. Có báo cáo năm 2020 này cho thấy rằng việc sản xuất pin tạo ra lượng khí thải CO2 đáng kể, dao động trong khoảng 60-150 kg CO2 trên mỗi kWh công suất pin tùy thuộc vào hỗn hợp năng lượng được sử dụng trong sản xuất. Nếu lưới điện của bạn vẫn chạy bằng than trong khi bạn đang xây dựng bộ lưu trữ pin, thì về cơ bản, bạn chỉ đang thay đổi lượng khí thải carbon thay vì loại bỏ chúng.
Sau đó là vấn đề về chuỗi cung ứng nguyên liệu. Chúng ta đã chứng kiến giá lithium tăng đột biến và đó là trước khi{1}}hoạt động sản xuất xe điện tăng mạnh. Hệ thống lưu trữ điện và xe điện đang cạnh tranh để có cùng loại vật liệu pin và đơn giản là không có đủ năng lực sản xuất để đáp ứng cả hai thị trường ở quy mô đang được thảo luận. Một số nhà phân tích dự đoán tình trạng thiếu lithium sẽ xảy ra vào năm 2025 hoặc 2026. Chúc may mắn xây dựng được kho lưu trữ terawatt-giờ khi bạn không thể tìm được nguồn nguyên liệu.
Pin dòng chảy tiếp tục được quảng cáo là giải pháp, nhưng chúng đã "sắp xuất hiện" trong nhiều thập kỷ nay. Mật độ năng lượng rất khủng khiếp. Pin dòng vanadi - quản lý được khoảng 20-30 Wh/kg so với 200+ Wh/kg của lithium{7}}ion. Điều đó có nghĩa là những thùng chứa dung dịch điện phân khổng lồ, rất nhiều hệ thống ống nước có thể bị rò rỉ, máy bơm tiêu thụ điện năng và cần phải bảo trì. Và bất chấp tất cả những lời hứa hẹn, số lượng pin dòng được lắp đặt trên toàn cầu vẫn còn rất nhỏ so với lithium-ion. Có lẽ có lý do cho điều đó.
Thủy điện được bơm hiện chiếm khoảng 95% dung lượng lưu trữ của lưới điện toàn cầu, nhưng bạn không thể xây dựng nó ở bất cứ đâu. Bạn cần có vị trí địa lý phù hợp - hai hồ chứa lớn ở các độ cao khác nhau, tốt nhất là gần cơ sở hạ tầng truyền tải. Chỉ riêng việc cấp phép môi trường đã mất nhiều năm. Khi Pacific Gas & Electric đề xuất một cơ sở bơm thủy điện ở California gần đây, họ đã xem xét việc cấp phép và nghiên cứu môi trường trong 8-10 năm trước khi động thổ. Và đó là giả định không có vụ kiện nào từ các nhóm môi trường lo lắng về môi trường sống của cá.
Những thách thức về tích hợp lưới điện đáng được thảo luận riêng. Việc bổ sung dung lượng lưu trữ lớn đòi hỏi phải nâng cấp máy biến áp, hệ thống bảo vệ, cơ sở hạ tầng điều khiển. Đây không phải là cắm-và-chơi. Khi pin phóng điện nhanh, chúng có thể tạo ra các vấn đề về chất lượng điện năng - dao động điện áp, biến dạng sóng hài. Lưới điện không được thiết kế cho hàng nghìn hệ thống pin phân tán, tất cả đều sạc và xả bán-ngẫu nhiên dựa trên sản lượng năng lượng mặt trời và thời gian{8}}sử dụng-các tín hiệu định giá.
Nhà điều hành mạng lưới CAISO của California đã phải phát triển các quy tắc thị trường và hệ thống đấu thầu hoàn toàn mới để đáp ứng nhu cầu lưu trữ và họ vẫn đang tìm cách giải quyết vấn đề đó. Bộ lưu trữ có thể tham gia vào thị trường năng lượng, thị trường công suất, thị trường dịch vụ phụ trợ - nhưng các quy tắc ở mỗi khu vực pháp lý khác nhau và chúng liên tục thay đổi. Sự không chắc chắn về quy định đó khiến việc cấp vốn cho các dự án trở nên khó khăn hơn vì các nhà đầu tư không biết họ có thể tin tưởng vào nguồn doanh thu nào.
Ngoài ra còn có vấn đề kỳ lạ về con gà-và-quả trứng trong việc lưu trữ và triển khai năng lượng tái tạo. Bạn cần nhiều bộ nhớ hơn để sử dụng nhiều năng lượng tái tạo hơn, nhưng bộ nhớ đắt tiền, khiến hệ thống kết hợp trở nên đắt đỏ hơn, làm chậm quá trình triển khai năng lượng tái tạo. Đức đã phát hiện ra điều này một cách khó khăn - họ đã lắp đặt một lượng lớn năng lượng mặt trời và gió nhưng gần như không đủ dung lượng lưu trữ, vì vậy, họ cuối cùng đã cắt giảm nguồn năng lượng tái tạo khi sản xuất vượt quá nhu cầu hoặc đốt cháy các nhà máy sử dụng nhiên liệu hóa thạch khi gió không thổi.
Vấn đề tuổi thọ làm tôi khó chịu hơn hầu hết các yếu tố khác. Nhà máy điện khí tự nhiên có thể hoạt động trong 30-40 năm nếu được bảo trì thường xuyên. Các cơ sở thủy điện được bơm có tuổi thọ 50-100 năm. Pin lithium-ion? Bạn đang xem xét 10-15 năm trước khi thay thế, có thể là 20 năm nếu bạn nuôi chúng và không sạc/xả đầy đủ. Điều đó có nghĩa là phải thay thế toàn bộ việc lắp đặt pin nhiều lần trong suốt thời gian sử dụng của các tấm pin mặt trời hoặc tua-bin gió mà chúng phải hỗ trợ. Chi phí vòng đời không tăng lên một cách thuận lợi.
Và tôi thậm chí còn chưa hiểu được yêu cầu sử dụng đất. Việc lắp đặt pin cần không gian rộng rãi, các tòa nhà-được kiểm soát khí hậu, hệ thống chữa cháy, hàng rào an ninh. Một cơ sở sản xuất pin 100 MWh có thể chiếm vài mẫu đất. Nhân số đó với hàng trăm hoặc hàng nghìn cơ sở như vậy cần thiết cho việc lưu trữ ở quy mô lưới-nghiêm trọng và bạn đang nói về rất nhiều đất đai. Ở những nơi như Nhật Bản hay Singapore, nơi đất đai có giá cao, điều này trở thành một hạn chế lớn.
Vậy nhược điểm của hệ thống lưu trữ năng lượng cấp lưới có tồn tại không? Vâng, họ hoàn toàn làm được. Điều đó không có nghĩa là không cần thiết phải lưu trữ hoặc chúng ta không nên xây dựng nó. Nhưng giả vờ như những thách thức này không tồn tại hoặc chúng sẽ tự giải quyết một cách kỳ diệu với đủ trợ cấp và sự lạc quan là điều ngu ngốc. Đây là những vấn đề thực tế về kỹ thuật, kinh tế và khoa học vật liệu cần có giải pháp thực tế chứ không chỉ là cổ vũ.