Tích trữ năng lượng xanh “xanh hơn”

Giải pháp năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời hoạt động theo lịch trình tự nhiên. Nguồn năng lượng dồi dào khi có ánh sáng mặt trời và gió, tuy nhiên khi người tiêu dùng cần nhiều năng lượng hơn như trong đêm hè lặng gió và nóng bức thì giải pháp này bị hạn chế.

Việc tích trữ năng lượng từ các nguồn không liên tục làm dấy lên sự quan tâm, thực tế do nhu cầu phát triển kinh tế và ngành hóa học cơ bản đã hạn chế việc sử dụng rộng rãi nguồn năng lượng xanh này bởi vì việc tích trữ điện cho phát triển không thể đáp ứng khi giá điện tái tạo quá cao. Trong khi nhiên liệu hóa thạch vẫn duy trì là nguồn năng lượng chính của thế giới do chi phí tương đối thấp.

Để tìm lại cơ hội cho nguồn năng lượng tái tạo, một nhóm nghiên cứu gồm các kỹ sư và các nhà hóa học của Đại học Harvard sẽ dành một năm và sử dụng nguồn tài trợ cho sáng kiến đổi mới trị giá 600 nghìn USD từ Chương trình Năng lượng của Cơ quan Quản lý các dự án nghiên cứu cao cấp (ARPA-E) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ để phát triển một loại pin tích trữ mới. Tài trợ này có thể được gia hạn hơn một năm, tùy thuộc vào hiệu suất. Đây là một phần trong nỗ lực tài trợ 130 triệu USD của ARPA-E thông qua Chương trình “Open 2012”, được xây dựng nhằm hỗ trợ các công nghệ năng lượng tiên tiến.

Được gọi là pin sạc dòng, công nghệ này mang lại triển vọng về tích trữ năng lượng điện quy mô mạng lưới hiệu quả chi phí được dựa trên các phân tử hữu cơ nhỏ thân thiện sinh thái. Bởi lẽ việc triển khai thực tiễn là yếu tố quan trọng đối với chương trình nên các nhà nghiên cứu đang kết hợp với Sustainable Innovations của LLC, một công ty phát triển hệ thống điện hóa thương mại.

Theo nhà khảo sát hàng đầu Michael Aziz, Gene và Tracy Sykes, giáo sư về vật liệu và công nghệ năng lượng tại Trường Kỹ thuật và khoa học ứng dụng Harvard (SEAS), việc tích trữ một lượng rất lớn năng lượng là thiết yếu nếu chúng ta muốn sản xuất một lượng lớn điện từ các nguồn tái tạo không liên tục như tua bin gió và pin mặt trời. Hiện nay, chưa có giải pháp nào hiệu quả về chi phí để giải quyết vấn đề tích trữ năng lượng quy mô lớn này. Pin sạc dòng có thể tích trữ ổn định và hiệu quả trong thị trường và điều đó sẽ cho phép năng lượng gió và năng lượng mặt trời có thể thay thế nhiều nhiên liệu hóa thạch.

Loại pin nhiên liệu có thể sạc lại, pin sạc dòng phù hợp cho việc tích trữ một lượng lớn điện năng dưới dạng các hóa chất lỏng chảy qua phần cứng chuyển đổi điện hóa và được tích trữ bên ngoài ở các bình có kích thước lớn tùy ý với chi phí thấp. Điều này cho phép nhà thiết kế lựa chọn kích thước một cách độc lập cho phần cứng chuyển đổi điện hóa (thiết lập công suất điện tối đa) và các bình đựng hóa chất (thiết lập công suất năng lượng).

Ngược lại, trong các pin điện cực rắn như thường thấy trong các xe hơi và các thiết bị di động, phần cứng chuyển đổi năng lượng và công suất năng lượng được đóng chung trong cùng một thiết bị và không thể tách rời. Do đó chúng có thể duy trì nguồn điện sạc tối đa trong gần một giờ đồng hồ trước khi được dùng kiệt. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, việc tạo ra các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời và hòa vào lưới điện hiện nay mất từ 1-2 ngày.

Ví dụ, để tích trữ năng lượng từ một tuabin gió 1 megawatt (50 MW-giờ) trong 50 giờ, giải pháp khả thi sẽ là mua pin điện cực rắn với khả năng tích trữ 50 megawatt-giờ. Kết quả phải chi trả cho 50 MW công suất điện trong khi chỉ cần 1 megawatt, tuy nhiên nó cũng mang lại một chút lợi ích kinh tế.

Aziz cho biết, không chỉ pin ở trạng thái rắn hiện nay không khả thi cho việc tích trữ nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời không liên tục mà pin sạc dòng hiện nay đang phát triển có hàng loạt những hạn chế riêng của nó. Các hóa chất được sử dụng cho việc tích trữ trong pin sạc dòng có thể rất đắt hoặc khó duy trì. Ví dụ, pin sạc dòng oxy hóa khử va-na-đi - loại hóa chất nhận được sự quan tâm nhiều nhất - đã hạn chế quá trình thương mại vì giá va-na-đi cho tích trữ mỗi KW/giờ cao. Pin Sodium-sulfua, hoạt động với các thành phần ở trạng thái nóng chảy, yêu cầu bình chứa phải được giữ ở nhiệt độ rất cao trong buồng nóng. Cả hai đều tốn kém và phức tạp, hạn chế việc sử dụng.

Aziz tin rằng, việc sử dụng một lớp đặc biệt gồm các phân tử hữu cơ nhỏ có thể là một giải pháp. Các phân tử, mà nhóm của ông đang nghiên cứu, được phát hiện trong các cây thực vật và có thể được tổng hợp nhân tạo với chi phí rất thấp. Chúng cũng không độc hại và có thể được bảo quản ở nhiệt độ phòng. Hơn nữa, chúng hoạt động theo chu trình rất hiệu quả giữa các trạng thái hóa học cần thiết cho việc tích trữ năng lượng.

Theo Aziz, cách tiếp cận đặc biệt của nghiên cứu sẽ có lợi thế hơn các pin sạc dòng, chẳng hạn như mật độ năng lượng cao hơn, hiệu quả cao, các hóa chất rẻ hơn và kiểu tích trữ năng lượng an toàn hơn. Sự thành công của chương trình này sẽ giúp cho các nguồn năng lượng tái tạo không liên tục như năng lượng gió và quang điện có thể chuyển đi theo ý muốn và do đó cho phép chúng đáp ứng một phần lớn nhu cầu điện của chúng ta.

Theo dự đoán của Aziz, pin sạc dòng thế hệ tiếp theo được sử dụng để tích trữ năng lượng cục bộ, chẳng hạn như trong tầng hầm của một ngôi nhà hay văn phòng mà được trang bị các tấm pin năng lượng mặt trời trên mái nhà hoặc ở một quy mô lớn hơn, nó sẽ được sử dụng để tích hợp trực tiếp vào các trang trại gió và năng lượng mặt trời. Thậm chí, công nghệ này có thể cạnh tranh với pin axit chì để tích trữ năng lượng mặt trời ở vùng sâu vùng xa mà không cần kết nối với mạng lưới.

Khi chưa từ bỏ được nhiên liệu hóa thạch thì việc tích trữ năng lượng của pin sạc dòng sẽ có tiềm năng loại bỏ được rào cản trong hệ thống và thị trường năng lượng hiện nay. Chỉ riêng kỹ thuật và hóa chất tốt nhất cũng chưa đủ để giải quyết những thách thức năng lượng của chúng ta. Sự tương thích với cơ sở hạ tầng hiện nay và khả năng phát triển kinh tế luôn là điều thiết yếu. Pin sạc dòng có thể đóng một vai trò to lớn trong quá trình chuyển đổi nhiên liệu hóa thạch của chúng ta.  

Theo Sciencedaily