Các nhà khai thác lưới điện đã đổ tiền vào vấn đề lưu trữ trong nhiều năm nay và kết quả là khắp nơi. Một số thị trường nhận thấy việc lắp đặt tăng nhanh hơn bất kỳ ai dự đoán, trong khi những thị trường khác không thể nhận được dự án thông qua việc cấp phép mặc dù có nhu cầu rõ ràng.
Sự không phù hợp giữa thế hệ và tải không phải là mới. Năng lượng mặt trời không tạo ra gì vào ban đêm, gió lặng trong thời gian lặng gió và bất chấp điều đó, ai đó vẫn phải bật đèn. Các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn tiếp tục được coi là giải pháp, nhưng mô hình triển khai cho thấy các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật rất khác nhau tùy thuộc vào điều kiện địa phương.
Tại sao nên triển khai hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn?
Không có một câu trả lời. Quy định tần số cần thời gian đáp ứng tính bằng mili giây. Kinh doanh chênh lệch giá năng lượng đòi hỏi thời gian kéo dài hàng giờ. Việc cạo đỉnh đòi hỏi các kiểu đạp xe khác với nguồn điện dự phòng. Các nhà vận hành lưới điện cần các công cụ có thể xử lý nhiều yêu cầu và các nhà máy điện truyền thống đã cung cấp điều này thông qua các đặc điểm vốn có mà pin phải tái tạo thông qua phần mềm và bộ điều khiển.
Trung Quốc đã lắp đặt hơn 16 GW bộ lưu trữ-quy mô lưới điện mới chỉ riêng trong năm 2023. Con số đó lấn át những gì Châu Âu và Bắc Mỹ cộng lại đã triển khai được. Khoảng cách này phản ánh lợi thế sản xuất, hỗ trợ chính sách tích cực và ít rào cản pháp lý hơn đối với việc kết nối lưới điện. Liệu các khu vực khác có thể thu hẹp khoảng cách đó hay không vẫn còn là vấn đề đáng nghi ngờ khi những lợi thế đó đã trở nên vững chắc như thế nào.
Dự trữ năng lượng Hornsdale của Tesla ở Nam Úc đã đi vào hoạt động vào năm 2017 với công suất 100 MW / 129 MWh và hoàn vốn trong vòng khoảng ba năm dựa trên báo cáo của nhà điều hành từ https://arena.gov.au. Tuy nhiên, dự án đó được hưởng lợi từ các điều kiện thị trường cụ thể ở Nam Úc không tồn tại ở mọi nơi - biến động giá bán buôn cao, các bộ kết nối đã cũ và các yêu cầu điều chỉnh tần số coi trọng thời gian phản hồi nhanh hơn thời lượng.
Sự cân bằng giữa thời lượng và mật độ-
Pin lithium{0}}ion cho bạn thời gian xả 2-4 giờ ở công suất định mức. Mật độ năng lượng nằm trong khoảng 250-340 Wh/kg đối với các chất hóa học hiện nay. Các thông số kỹ thuật đó hoạt động tốt đối với các dịch vụ tần số và chu kỳ hàng ngày nhưng lại không hiệu quả khi bạn cần khả năng lưu trữ theo mùa hoặc khả năng sao lưu nhiều ngày.
Hiệu suất-khứ hồi 85-95% nghe có vẻ hợp lý cho đến khi bạn tính đến sự xuống cấp trong vòng đời dự án 15-20 năm. Công suất giảm dần không phải là tuyến tính, tải phụ sẽ tiêu hao năng lượng sẵn có và quản lý nhiệt tiêu thụ năng lượng không thể hiện ở con số hiệu suất tiêu đề.
Thủy điện được bơm vẫn chiếm hơn 90% công suất lưu trữ toàn cầu và sẽ tiếp tục trong nhiều thập kỷ. Các cơ sở này hoạt động trong 50+ năm với mức độ suy giảm tối thiểu, có thể xả trong 6-20 giờ tùy thuộc vào kích thước hồ chứa và có các đặc tính hiệu suất có thể dự đoán được. Tuy nhiên, giới hạn về mặt địa lý nơi các địa điểm mới có thể được phát triển và việc cấp phép phải mất nhiều năm khi các mối lo ngại về môi trường tăng lên.
Động lực chi phí không đơn giản
Giá bộ pin đã giảm từ khoảng 1.100 USD/kWh năm 2010 xuống dưới 140 USD/kWh vào năm 2023 theo theo dõi của Bloomberg tại https://bnef.com - quỹ đạo đó đã làm thay đổi tính kinh tế của dự án trên nhiều thị trường. Nhưng chi phí nguyên vật liệu tạo ra mức giá sàn mà chỉ quy mô sản xuất không thể vượt qua được.
Giá lithium tăng vọt vào năm 2022 trước khi giảm đi phần nào. Chuỗi cung ứng niken và coban phải đối mặt với những hạn chế của riêng mình. Giả định rằng chi phí sẽ tiếp tục giảm theo tỷ lệ lịch sử không còn đúng khi sự sẵn có của nguyên liệu thô trở thành hạn chế ràng buộc hơn là hiệu quả sản xuất.
Một số thị trường hiện nay chứng kiến việc lưu trữ cạnh tranh với các đỉnh cao về khí đốt về mặt kinh tế thuần túy mà không có trợ cấp. Những người khác vẫn cần thanh toán năng lực hoặc các cơ chế khác để thu hẹp khoảng cách tài chính. Sự chênh lệch giữa các kết quả này phụ thuộc vào giá điện tại địa phương, mức độ thâm nhập của năng lượng tái tạo, hạn chế truyền tải và cơ cấu thế hệ hiện có theo những cách không chỉ đơn giản là các công thức đơn giản.
Mã lưới không được thiết kế để lắp đặt pin 300 MW có thể xoay 600 MW trên hệ thống trong vòng vài giây bằng cách chuyển từ sạc sang xả. Các nhà khai thác truyền tải đã phải viết lại các sơ đồ bảo vệ và quy trình vận hành. Một số vùng thích nghi nhanh chóng. Những người khác tạo ra những nút thắt khiến các dự án bị trì hoãn trong nhiều năm bất chấp nền kinh tế khả thi.
Phần mềm quan trọng hơn mọi người nhận ra
Các thuật toán kiểm soát tạo ra hoặc phá vỡ các dự án lưu trữ-quy mô tiện ích. Tối ưu hóa chu kỳ sạc/xả, quản lý sự xuống cấp, tham gia đồng thời vào nhiều dịch vụ thị trường, phối hợp với các nhà điều hành lưới điện - độ phức tạp của các hệ thống này sẽ quyết định liệu các dự án có đáp ứng được dự báo tài chính hay không. Một số cài đặt ban đầu hoạt động kém hiệu quả vì các chiến lược kiểm soát không phù hợp với mức độ phức tạp mà chúng gặp phải.
Việc xếp chồng doanh thu nghe có vẻ đơn giản cho đến khi bạn gặp phải các quy tắc thị trường cấm tính cùng một công suất nhiều lần hoặc tham gia vào nhiều thị trường cùng một lúc. Một hệ thống có khả năng cung cấp một số dịch vụ về mặt vật lý có thể bị giới hạn theo hợp đồng hoặc theo quy định trong việc chỉ kiếm tiền từ một hoặc hai dịch vụ. Những hạn chế này khác nhau đáng kể giữa các khu vực pháp lý và thay đổi khi các cơ quan quản lý tìm ra cách xử lý các tài nguyên lưu trữ không phù hợp với các danh mục phát hoặc tải truyền thống.
Các công nghệ thay thế tiếp tục gặp khó khăn về lực kéo
Pin dòng chảy, bộ lưu trữ khí nén, bộ lưu trữ năng lượng không khí lỏng - những giải pháp thay thế này được thảo luận liên tục như các giải pháp trong thời gian dài hơn với chi phí trên mỗi MWh thấp hơn. Tuy nhiên, số lượng triển khai vẫn còn rất nhỏ.
Highview Power đã vận hành một cơ sở không khí lỏng công suất 50 MW / 250 MWh ở Vương quốc Anh trong năm 2022 như được ghi lại tại https://highviewpower.com, đại diện cho một trong số ít các giải pháp thay thế quy mô thương mại-ngoài lithium-ion và bơm thủy điện. Việc điều này báo hiệu việc áp dụng rộng rãi hơn hay vẫn là một ứng dụng thích hợp còn phụ thuộc vào quỹ đạo chi phí chưa thành hiện thực.
Có sự bất đồng cơ bản về yêu cầu về thời lượng. Lưới cần bao nhiêu 8+ giờ lưu trữ so với các hệ thống có thời lượng-ngắn hơn cộng với các tài nguyên bổ sung? Các nghiên cứu từ các tổ chức khác nhau đưa ra kết luận trái ngược nhau về yêu cầu lưu trữ đối với các kịch bản thâm nhập năng lượng tái tạo cao, với mức chênh lệch phản ánh các giả định về tính linh hoạt của nhu cầu, mở rộng truyền tải và khả năng tiếp tục sử dụng nhiên liệu hóa thạch hơn là phân tích kỹ thuật.
Các ngân hàng đang cảm thấy thoải mái hơn với các dự án lưu trữ khi hồ sơ theo dõi hoạt động tăng lên, mặc dù các điều khoản tài chính có sự khác biệt đáng kể. Một số thị trường có hợp đồng được chuẩn hóa và có tiền lệ. Những người khác coi mỗi dự án là đánh giá rủi ro duy nhất đòi hỏi sự thẩm định tùy chỉnh. Chi phí bảo hiểm cho rủi ro cháy pin giảm do hệ thống an toàn được cải thiện nhưng vẫn là một chi tiết đơn hàng ảnh hưởng đến tính toán khả năng tồn tại.
Quy trình phát triển cho thấy việc lắp đặt các cơ sở có - 500 MW lớn hơn mà cách đây một thập kỷ dường như không thực tế đã trở thành thông lệ và các dự án quy mô 1 GW{2}}đang trong giai đoạn lập kế hoạch. Việc mở rộng quy mô này giúp giảm chi phí trên mỗi{4}MW thông qua tiêu chuẩn hóa và cơ sở hạ tầng dùng chung, đồng thời tập trung rủi ro về độ tin cậy của lưới điện vào một điểm duy nhất. Liệu sự cân bằng-đó có hợp lý hay không tùy thuộc vào quan điểm của bạn về độ tin cậy của công nghệ và các yêu cầu dự phòng của lưới điện.
Những hạn chế trong sản xuất gây khó khăn hơn dự kiến
Công suất nhà máy dành cho các tế bào và hệ thống tăng lên đáng kể nhưng chuỗi cung ứng vẫn bị kéo căng khi nhu cầu tăng cao. Thời gian thực hiện các bộ phận chính kéo dài đến 12-18 tháng. Tình trạng thiếu nguyên liệu gây ra sự chậm trễ của dự án mà không liên quan gì đến sự sẵn sàng về công nghệ hoặc nguồn tài chính.
Trung Quốc sản xuất hơn 75% sản lượng tế bào ion lithium{1}} toàn cầu. Sự tập trung đó tạo ra lợi thế về chi phí thông qua các lỗ hổng về quy mô và chuỗi cung ứng, tùy thuộc vào quan điểm địa chính trị. Các khu vực khác đang đổ vốn vào sản xuất trong nước, nhưng việc bắt kịp cần có thời gian khi kinh nghiệm sản xuất cũng quan trọng như đầu tư vốn.
Các cân nhắc về khả năng phục hồi khí hậu ảnh hưởng đến việc triển khai lưu trữ ngoài lợi ích tích hợp năng lượng tái tạo. Cơn bão mùa đông năm 2021 ở Texas cho thấy thế hệ điện thông thường có thể ngừng hoạt động vào đúng thời điểm cần thiết nhất. Bộ lưu trữ cung cấp khả năng sao lưu khó định lượng bằng các số liệu về độ tin cậy truyền thống nhưng ngày càng được các cơ quan quản lý và các công ty điện lực đánh giá cao khi phải đối mặt với tần suất thời tiết khắc nghiệt gia tăng.
Sự phát triển công nghệ vượt xa việc thích ứng khung pháp lý. Điều có ý nghĩa đối với việc quy hoạch lưới điện cách đây 5 năm không phản ánh được khả năng hoặc chi phí hiện tại. Khoảng cách này tạo cơ hội cho các dự án có thể tiến triển nhanh chóng trong khi các tiện ích đã có sẵn hoạt động thông qua các chu kỳ lập kế hoạch và quy trình phê duyệt dài hơn vốn không được thiết kế cho tài nguyên lưu trữ.
Quỹ đạo của ngành cho thấy sự tăng trưởng nhanh chóng sẽ tiếp tục, mặc dù sự phân bổ giữa các khu vực và ứng dụng vẫn không đồng đều. Năng lực kỹ thuật phần lớn đã bắt kịp các yêu cầu - về mặt kinh tế và khung pháp lý hiện quyết định tỷ lệ triển khai nhiều hơn mức độ sẵn sàng về công nghệ.
Việc tham gia thị trường trở nên phức tạp nhanh chóng
Các thị trường điện bán buôn khác nhau có các quy tắc khác nhau về cách thức tham gia lưu trữ và những dịch vụ nào được tính vào nghĩa vụ công suất. PJM xử lý việc lưu trữ khác với CAISO, vốn sử dụng các cấu trúc khác với ERCOT. Các dự án cần hiểu rõ thiết kế thị trường địa phương trước khi hoàn thiện các thông số kỹ thuật vì những gì hiệu quả ở một thị trường có thể chưa tối ưu ở những thị trường khác.
Thị trường dịch vụ phụ trợ mang lại doanh thu đáng kể ở một số khu vực nhưng hầu như không tồn tại ở những khu vực khác. Giá trị của quy định tần số thay đổi dựa trên đặc điểm lưới điện, thành phần đội máy phát điện hiện có và mức độ thâm nhập của năng lượng tái tạo. Một dự án có ý nghĩa trong một kết nối có thể gặp khó khăn trong việc xác định khoảng cách 200 dặm dưới sự điều hành của một nhà điều hành lưới điện khác với các quy tắc thị trường khác nhau.
Hàng đợi kết nối bị tắc nghẽn do các dự án lưu trữ đang chờ nghiên cứu tác động của lưới điện và phân bổ chi phí nâng cấp. Thời gian chờ đợi kéo dài hàng năm đối với một số vùng. Trong khi đó, công nghệ tiếp tục được cải thiện và chi phí tiếp tục giảm, điều đó có nghĩa là các dự án đã được xếp hàng chờ hai năm trước có thể cần thiết kế lại để kết hợp các thiết bị mới hơn, rẻ hơn vào thời điểm chúng được chấp thuận kết nối.
Hỗ trợ chính sách rất khác nhau
Tín dụng thuế đầu tư đã chuyển đổi kinh tế dự án ở một số khu vực pháp lý. Các khu vực khác dựa vào thị trường năng lực hoặc các yêu cầu về năng lượng tái tạo để gián tiếp khuyến khích việc lưu trữ. Một số nơi hầu như không thực hiện chính sách nào-nhưng vẫn triển khai vì các nguyên tắc cơ bản của thị trường hoạt động mà không cần trợ cấp.
Độ bền của hỗ trợ chính sách cũng quan trọng như sự hào phóng của nó. Các nhà đầu tư cần tin tưởng rằng các khuôn khổ sẽ không thay đổi đáng kể giữa vòng đời dự án 20 năm. Những thay đổi chính sách có hiệu lực hồi tố ở một số thị trường châu Âu đã khiến các nhà phát triển lo sợ và làm chậm quá trình triển khai trong nhiều năm ngay cả sau khi các khuôn khổ ổn định hơn cuối cùng đã được triển khai.
Các chính sách-cấp tiểu bang ở Hoa Kỳ tạo ra một loạt các yêu cầu và khuyến khích chắp vá khiến cho các chiến lược phát triển ở quy mô-quy mô quốc gia trở nên khó khăn. Các yêu cầu tích cực về lưu trữ của California đã thúc đẩy việc triển khai sớm nhưng tạo ra những tắc nghẽn trong chuỗi cung ứng khi các nhà phát triển cạnh tranh vì năng lực sản xuất hạn chế. Các bang khác hành động chậm hơn và được hưởng lợi từ những bài học kinh nghiệm cũng như khả năng sẵn có của công nghệ được cải thiện.
Quá trình lập kế hoạch truyền tải cần cập nhật để tính đến khả năng lưu trữ. Quy hoạch truyền thống giả định nguồn lực phát điện vẫn ở các vị trí cố định, nhưng pin có thể được triển khai ở hầu hết mọi nơi có kết nối lưới. Tính linh hoạt này tạo ra giá trị mà các nhà quy hoạch truyền tải chưa tìm ra cách kết hợp đầy đủ vào các mô hình và phân tích chi phí-lợi ích của họ.
Các quyết định triển khai phía sau đồng hồ đo và phía sau đồng hồ đo{2}}- liên quan đến các nhóm bên liên quan, cơ cấu tài chính và giám sát theo quy định khác nhau. Một số ứng dụng rõ ràng thuộc về một danh mục, nhưng nhiều ứng dụng có thể thuộc một trong hai cách tùy thuộc vào mô hình sở hữu và chiến lược tối ưu hóa doanh thu. Sự phân chia giữa các phương thức triển khai này thay đổi khi thị trường phát triển và các quy định thay đổi.
Các yêu cầu về an toàn phòng cháy chữa cháy tiếp tục được sửa đổi khi có nhiều kinh nghiệm vận hành hơn. Việc lắp đặt ban đầu sử dụng các hệ thống quản lý nhiệt đơn giản hơn nhưng tỏ ra không phù hợp trong một số chế độ lỗi nhất định. Các dự án mới hơn kết hợp nhiều hệ thống an toàn dự phòng làm tăng thêm chi phí nhưng giảm phí bảo hiểm và sự giám sát theo quy định. Điểm cân bằng giữa chi tiêu an toàn và rủi ro có thể chấp nhận được tiếp tục thay đổi khi ngành này trưởng thành.