Tôi đã dành quá nhiều giờ để tìm hiểucông nghệ lưu trữ năng lượng. Thành thật mà nói, điều bắt đầu là sự tò mò về cách bố trí pin của người hàng xóm của tôi đã trở thành nỗi ám ảnh. Đây là những gì tôi đã tìm ra-và tin tôi đi, một số điều trong số này đã làm tôi ngạc nhiên.
Cảnh quan đã thay đổi đáng kể. Năm năm trước, về cơ bản chúng ta đã nói về lithium{1}}ion và thủy điện được bơm. Đó là nó. Hiện nay? Các lựa chọn gần như áp đảo.
Câu chuyện về ion lithium{0}}
Mọi người đều biết đến lithium{0}}ion. Điện thoại, máy tính xách tay, có thể là ô tô của bạn-ở khắp mọi nơi. Nhưng đây là nơi mọi thứ trở nên thú vị đối với các ứng dụng gia đình và quy mô lưới-.
Mật độ năng lượng là đáng chú ý. Chúng ta đang nói về 150-250 Wh/kg, nghĩa là bạn có thể đóng gói dung lượng lưu trữ lớn vào các thiết bị tương đối nhỏ gọn. So sánh điều đó với axit chì-có thể ở mức 35-40 Wh/kg và bạn bắt đầu hiểu tại sao lithium-ion lại chiếm lĩnh nhanh đến vậy. Nó thậm chí còn không gần.
Hiệu suất chuyến đi khứ hồi-là khoảng 85-95%. Điều đó thật đáng kể. Với mỗi 100 kWh bạn đưa vào, bạn sẽ nhận lại được 85-95. Năng lượng còn lại trở thành nhiệt, đó là lý do tại sao việc quản lý nhiệt lại quan trọng đến vậy trong các hệ thống này. Tôi đã thấy những cài đặt có khả năng làm mát kém làm giảm hiệu suất xuống 10-15 điểm phần trăm. Sai lầm đắt giá.
Vòng đời rất khác nhau tùy thuộc vào hóa học và cách sử dụng. Các tế bào LFP (lithium iron phosphate) có thể đạt 4.000-6.000 chu kỳ ở độ sâu phóng điện 80%. hóa học NMC? Khoảng 1.500-2.000 trong điều kiện tương tự. Sự khác biệt đó rất quan trọng khi bạn tính toán giá trị trọn đời.
Đường cong xuống cấp là điều mà các nhà sản xuất không phải lúc nào cũng nhấn mạnh. Bạn mất khoảng 2-3% công suất mỗi năm ngay cả khi sử dụng tối ưu. Sau một thập kỷ, cục pin 10 kWh đó thực tế đã trở thành pin 8 kWh. Lập kế hoạch cho phù hợp.
Pin dòng chảy: Lựa chọn không được đánh giá cao
Tôi phải thừa nhận rằng tôi đã đánh giá thấp pin dòng chảy trong nhiều năm. Có vẻ như đó là một công nghệ thích hợp sẽ không bao giờ thực sự mở rộng được quy mô. Tôi đã sai.
Ý tưởng này rất hay: hai dung dịch điện phân được lưu trữ trong các thùng riêng biệt, được bơm qua ngăn xếp tế bào nơi chúng trao đổi ion qua màng. Công suất đầu ra phụ thuộc vào kích thước ngăn xếp. Công suất năng lượng phụ thuộc vào kích thước bể. Bạn có thể mở rộng quy mô một cách độc lập-điều này thực sự hữu ích cho một số ứng dụng nhất định.
Pin dòng oxi hóa khử Vanadi (VRFB) hiện đang thống trị thị trường thương mại. Hiệu suất-khứ hồi thấp hơn lithium-ion-thường là 65-75%-nhưng vấn đề là: chất điện phân không làm suy giảm chất lượng như các điện cực lithium-ion. Một số nhà sản xuất yêu cầu 20,{9}} chu kỳ với mức giảm công suất tối thiểu. Bản thân chất điện phân có thể được tái chế gần như vô thời hạn.
Dấu chân là đáng kể mặc dù. Bạn cần không gian cho bể chứa, máy bơm, ngăn xếp tế bào, hệ thống làm mát. Đối với việc cài đặt quy mô tiện ích-với yêu cầu về thời lượng là 4+ giờ, tính kinh tế bắt đầu có vẻ hấp dẫn. Đối với khu dân cư? Không thực tế. Ít nhất là chưa.
Thủy điện được bơm: Vẫn là gã khổng lồ
Đây là lúc tôi cần dành chút thời gian, vì thủy điện được bơm bị bỏ qua trong các cuộc thảo luận về lưu trữ năng lượng thời thượng và đó là một sai lầm.
Trên toàn cầu, thủy điện được bơm chiếm khoảng 95% công suất lưu trữ năng lượng-quy mô lưới điện được lắp đặt. Hãy để điều đó chìm vào. Tất cả các tiêu đề về lithium{4}}ion, tất cả các thông cáo báo chí về pin dòng chảy-họ đang cạnh tranh để giành 5% còn lại. Những con số thật đáng kinh ngạc: hơn 160 GW công suất thủy điện được bơm trên toàn thế giới, lưu trữ năng lượng tính bằng hàng trăm GWh.
Nguyên tắc không thể đơn giản hơn. Bơm nước lên dốc khi điện rẻ hoặc dồi dào. Hãy để nó chảy ngược xuống tuabin khi bạn cần điện. Thế năng hấp dẫn được tích trữ và giải phóng. Không có vật liệu lạ, không có hóa học phức tạp, không có mối lo ngại về sự xuống cấp theo nghĩa truyền thống.
Hiệu suất-khứ hồi dao động từ 70-85%, tùy thuộc vào thiết kế lắp đặt. Không cao bằng lithium{9}}ion nhưng cạnh tranh với pin dòng. Và đây mới là điều quan trọng: hệ thống sẽ tồn tại lâu dài. Trạm Lưu trữ Bơm Quận Bath ở Virginia đã hoạt động từ năm 1985. Gần bốn thập kỷ hoạt động đáng tin cậy. Hãy thử tìm một cục pin 40 năm tuổi vẫn còn hoạt động.
Thời gian phản hồi đã được cải thiện đáng kể với các tua-bin-bơm tốc độ-có thể thay đổi. Các cài đặt hiện đại có thể đi từ mức 0 đến mức đầu ra đầy đủ trong vòng chưa đầy hai phút. Tốc độ này đủ nhanh cho hầu hết các nhu cầu ổn định lưới điện.
Hạn chế rõ ràng là địa lý. Bạn cần chênh lệch độ cao và nước. Rất nhiều địa điểm phù hợp đã được phát triển ở những nơi như Na Uy, Thụy Sĩ và một số vùng của Hoa Kỳ. Nhưng-và điều này thật thú vị-ngày càng có nhiều người quan tâm đến các hệ thống khép kín-không phụ thuộc vào các vùng nước tự nhiên. Các mỏ bị bỏ hoang, các hồ chứa-được xây dựng có mục đích, thậm chí cả hang động dưới lòng đất.
Chi phí xây dựng vẫn ở mức cao. Chúng ta đang nói đến hàng tỷ đô la cho những công trình lắp đặt lớn và cho phép các mốc thời gian được tính bằng năm, đôi khi là hàng thập kỷ. Khoản đầu tư-trước đó là rào cản chính cho sự phát triển mới, chứ không phải hạn chế về mặt kỹ thuật.
Khí nén
CAES-lưu trữ năng lượng khí nén. Hiện chỉ có hai nhà máy quy mô lớn{2}}đang hoạt động: Huntorf ở Đức (từ năm 1978) và McIntosh ở Alabama (từ năm 1991). Cả hai đều sử dụng hang muối dưới lòng đất. Hiệu suất là khoảng 40-50% đối với các thiết kế đoạn nhiệt truyền thống, mặc dù các phương pháp đẳng nhiệt tiên tiến hứa hẹn mang lại 70%+. Công nghệ thú vị, khả năng triển khai hạn chế. Tiếp tục nào.
Câu hỏi về hydro
Tôi đi đi lại lại bằng hydro. Đôi khi, tôi nghĩ đó chính là tương lai của việc lưu trữ-dài hạn. Những ngày khác, tổn thất về hiệu quả dường như không thể vượt qua.
Đây là phép toán cơ bản khiến mọi người bối rối. Quá trình điện phân chạy với hiệu suất khoảng 60-80%. Việc nén hoặc hóa lỏng tiêu tốn một lượng năng lượng khác. Khi bạn chuyển đổi trở lại thành điện thông qua pin nhiên liệu, bạn sẽ thấy hiệu suất có thể là 40-60%. Xếp chồng những thứ đó lại với nhau và hiệu quả của chuyến đi khứ hồi đạt khoảng 25-45%. Điều đó... không tuyệt lắm.
Nhưng hiệu quả không phải là tất cả. Hydro cung cấp một thứ mà các công nghệ khác không thể: lưu trữ theo mùa thực sự mà không bị suy thoái. Sản xuất hydro vào mùa hè khi sản lượng mặt trời đạt đỉnh, lưu trữ nó trong hang hoặc bể chứa dưới lòng đất và sử dụng vào mùa đông khi nhu cầu tăng đột biến. Chắc chắn là chất điện phân trong pin dòng vẫn hoạt động sau sáu tháng không hoạt động, nhưng hydro chỉ ... nằm ở đó. Không cần lo lắng-tự xả.
Ưu điểm khác là tính linh hoạt. Đúng vậy, hydro được lưu trữ có thể trở lại thành điện năng. Nhưng nó cũng có thể cung cấp năng lượng cho các quy trình công nghiệp, cung cấp nhiên liệu cho xe cộ hoặc tạo ra nhiệt. Tính tùy chọn đó có giá trị thực sự, ngay cả khi khó định lượng.
Lưu ý nhanh về bánh đà
Gần như quên mất bánh đà. Chúng lưu trữ động năng trong một rôto quay-thường là vật liệu tổng hợp sợi carbon chạy trong chân không để giảm thiểu ma sát. Thời gian đáp ứng về cơ bản là tức thời, điều này khiến chúng trở nên hoàn hảo cho việc điều chỉnh tần số. Nhưng năng lực năng lượng có hạn. Bạn đang xem dung lượng lưu trữ theo số phút chứ không phải theo giờ. Beacon Power vận hành một cơ sở 20 MW ở New York có khả năng điều chỉnh tần số rất tốt. Để lưu trữ số lượng lớn? Hãy tìm nơi khác.
Lưu trữ nhiệt trở nên thú vị
Muối nóng chảy, cát nóng, chất lỏng đông lạnh, nước đá-ở đây có nhiều loại khác nhau hơn mọi người nhận ra.
Các nhà máy điện mặt trời tập trung đã sử dụng phương pháp lưu trữ muối nóng chảy trong nhiều năm. Nhà máy Gemasolar ở Tây Ban Nha có thể tạo ra điện trong tối đa 15 giờ mà không cần ánh nắng trực tiếp bằng cách sử dụng nhiệt được lưu trữ trong muối nitrat nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 565 độ. Đó là công nghệ đã được chứng minh.
Điều làm tôi phấn khích gần đây là kho chứa cát và sỏi được nung nóng. Các hệ thống này sử dụng vật liệu rẻ tiền, dồi dào có thể chịu được nhiệt độ trên 1000 độ. Không có chuỗi cung ứng kỳ lạ nào phải lo lắng. Một công ty Phần Lan tên là Polar Night Energy đã chế tạo một loại pin cát 100 MWh đang hoạt động thương mại từ năm 2022.-Hiệu suất của chuyến đi khứ hồi thấp hơn-có thể là 50-60% điện-thành{11}}điện-nhưng nếu ứng dụng chính của bạn là sưởi ấm, bạn có thể đạt tới 90%+.
Lưu trữ đá cho các ứng dụng làm mát cũng đáng được đề cập. Làm đá vào ban đêm khi điện rẻ, dùng để điều hòa vào giờ cao điểm buổi chiều. Đơn giản, hiệu quả và đã được triển khai tại hàng nghìn tòa nhà thương mại. Không quyến rũ, nhưng nó hoạt động.
Vậy họ thực sự so sánh như thế nào?
Câu trả lời trung thực là: nó phụ thuộc vào những gì bạn đang cố gắng làm. Tôi ghét câu trả lời đó, nhưng đó là sự thật.
Yêu cầu về thời lượng
Đối với nhu cầu phản hồi phụ-giây và thời lượng-ngắn (giây đến phút), bánh đà và siêu tụ điện sẽ chiếm ưu thế. Chúng đắt tiền trên mỗi kWh nhưng không thể đánh bại về tốc độ. Lithium-ion xử lý cực kỳ tốt khoảng thời gian 1-4 giờ-đây là nơi diễn ra hầu hết các hoạt động triển khai thương mại và dân cư. Sau khi bạn vượt qua 8-10 giờ, pin thủy lực và dòng chảy sẽ trở nên tiết kiệm hơn. Để lưu trữ theo mùa kéo dài hàng tuần hoặc hàng tháng, hydro thực sự là lựa chọn khả thi duy nhất hiện nay.
Thực tế chi phí
Chi phí của gói lithium{0}}ion đã giảm mạnh-từ khoảng 1.100 USD/kWh năm 2010 xuống còn khoảng 140 USD/kWh vào năm 2024. Đó là một quỹ đạo đáng kinh ngạc. Nhưng chi phí pin chỉ là một phần của phương trình. Cân bằng hệ thống, lắp đặt, kết nối lưới điện, cho phép-những "chi phí mềm" này ngày càng chi phối ngân sách dự án. Một hệ thống dân dụng 100 kWh có thể tốn 20.000-35.000 USD lắp đặt, tùy thuộc nhiều vào địa điểm và quy định của địa phương.
Thủy điện được bơm có chi phí lưu trữ được phân cấp thấp nhất cho các ứng dụng có thời gian dài-, thường là $50-80/MWh trong suốt thời gian dự án. Điều hấp dẫn là yêu cầu về vốn trả trước mà tôi đã đề cập trước đó. Bạn cần những nhà đầu tư kiên nhẫn.
Pin dòng vẫn đắt-có thể là $300-500/kWh đối với hệ thống hoàn chỉnh-nhưng tuổi thọ dài hơn sẽ làm thay đổi bài toán về chi phí quy dẫn. Nếu ứng dụng của bạn yêu cầu chu kỳ 10,{5}} trong 20 năm, hãy chạy các con số một cách cẩn thận.
Cân nhắc về môi trường
Đây là nơi tôi có một chút thuyết giảng, xin lỗi. Việc sản xuất ion lithium-có tác động thực sự đến môi trường-điều kiện khai thác coban, việc sử dụng nước khai thác lithium, những thách thức về tái chế-cuối-thời gian sử dụng. Chúng ta đang tiến bộ hơn về tất cả những điều này, nhưng việc giả vờ pin hoàn toàn sạch là điều ngây thơ. Thủy điện được bơm làm thay đổi cảnh quan và hệ sinh thái, mặc dù thiết kế- khép kín giúp giảm thiểu tác động. Hydro từ quá trình điện phân chỉ sạch khi có nguồn điện cung cấp cho nó. Những sự cân bằng này rất quan trọng và xứng đáng được thảo luận trung thực.
Những gì tôi thực sự muốn giới thiệu
Đối với hầu hết các gia đình và doanh nghiệp nhỏ? Liti-ion, cụ thể là hóa học LFP. Công nghệ đã hoàn thiện, người lắp đặt hiểu nó và giá cả đã trở nên thực sự hợp lý. Ghép nối nó với năng lượng mặt trời trên mái nhà và bạn sẽ có một hệ thống sẽ phục vụ tốt cho bạn trong 10-15 năm.
Đối với các dự án quy mô lưới-có yêu cầu về thời lượng là 4+ giờ, cuộc trò chuyện sẽ trở nên thú vị hơn. Tôi sẽ đánh giá nghiêm túc pin dòng chảy cùng với lithium-ion, đặc biệt nếu ứng dụng yêu cầu số lượng chu kỳ cao. Và đừng loại bỏ bơm thủy điện chỉ vì nó có vẻ cổ điển-lỗi thời-ở những nơi địa lý cho phép, nhưng đây thường là khoản đầu tư dài hạn-tốt nhất.
Hãy để mắt đến các công nghệ mới nổi. Pin ion natri-đang đạt đến khả năng thương mại hóa và có thể giảm giá thành pin lithium{2}}ion trong vòng vài năm tới. Pin sắt{4}}không khí cung cấp mật độ năng lượng vượt trội cho các ứng dụng có thời lượng-lâu dài. Lưu trữ trọng lực bằng cách sử dụng khối rắn thay vì nước đang được thương mại hóa.
Cảnh quan đang phát triển nhanh chóng. Những gì có vẻ tối ưu ngày nay có thể không phải là câu trả lời trong 5 năm nữa. Sự không chắc chắn đó khiến bạn khó chịu nếu cần đưa ra quyết định ngay bây giờ, nhưng nó cũng thực sự thú vị. Chúng ta đang trải qua một sự chuyển đổi trong cách thế giới dự trữ năng lượng và tốc độ đổi mới không hề chậm lại.