Pin lưu trữ điện năng lượng mặt trời (điện năng) là tương lai của năng lượng sạch, một trong những công nghệ tất yếu, bắt buộc phải đồng hành với phát triển năng lượng tái tạo khi con người hạn chế xây dựng các nguồn năng lượng hóa thạch, nhằm giảm phát thải khí nhà kính.
Những khó khăn trong việc tạo ra nguồn pin lưu trữ điện năng lượng mặt trời
Những nỗ lực để nâng cao sản xuất điện và lưới điện của chúng ta vào thế kỷ 21 là một nỗ lực nhiều mặt. Chúng cần một hỗn hợp ở thế hệ mới của các nguồn carbon thấp bao gồm thủy điện, năng lượng tái tạo và hạt nhân, các cách thu giữ carbon mà không tốn một triệu đô la và các cách để làm lưới điện thông minh.
Nhưng công nghệ pin lưu trữ điện năng lượng mặt trời đã gặp khó khăn trong việc theo kịp thời đại. Và chúng rất quan trọng đối với bất kỳ thành công nào trong một thế giới hạn chế carbon sử dụng các nguồn không liên tục như năng lượng mặt trời và gió, hoặc gây lo lắng về khả năng phục hồi khi đối mặt với thiên tai và những nỗ lực phá hoại ác ý.
Điều này đã được thúc đẩy trong tuần này bởi quyết định của Bộ Năng lượng về việc xây dựng một tổ hợp nghiên cứu lưới điện trị giá hàng triệu đô la tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương. Và hơn thế nữa, lượng pin lớn hơn là một thành phần chính của nghiên cứu này.
Jud Virden, Phó Giám đốc Phòng thí nghiệm PNNL về năng lượng và môi trường, lưu ý rằng phải mất 40 năm để pin lithium-ion hiện tại đạt được trạng thái công nghệ hiện tại. Họ không có 40 năm để đạt được cấp độ tiếp theo. Họ cần làm điều đó trong 10 năm.
Họ đã không thành công rực rỡ. Công nghệ pin ngày càng tốt hơn. Gần đây, Jack Goodenough, người phát minh ra pin Li-ion, đã đưa ra một công nghệ pin sạc nhanh mới sử dụng điện cực thủy tinh thay vì điện cực lỏng, natri thay vì lithium và có thể có mật độ năng lượng cao gấp ba lần như pin lithium-ion để lưu trữ điện năng lượng mặt trời.
Và ngoài pin, chúng tôi còn có các công nghệ khác để lưu trữ năng lượng gián đoạn, chẳng hạn như lưu trữ năng lượng nhiệt, cho phép tạo ra khả năng làm mát vào ban đêm và được lưu trữ để sử dụng vào ngày hôm sau trong thời gian cao điểm.
Các phương pháp dùng để lưu trữ năng lượng sạch
Hiện nay, phương pháp tích trữ được sử dụng rộng rãi nhất là tích trữ thủy điện bằng bơm, sử dụng lượng điện dư thừa để bơm nước lên hồ chứa sau đập. Sau đó, khi nhu cầu sử dụng năng lượng cao, nước tích trữ sẽ được giải phóng thông qua các tua-bin trong đập để tạo ra điện.
Thủy điện bơm được sử dụng trong 99% lưu trữ lưới ngày nay, nhưng có những hạn chế về địa chất và môi trường đối với nơi có thể triển khai thủy điện bơm.
Chúng tôi thậm chí đã xem xét các hệ thống lưu trữ năng lượng sạch dựa trên trọng lực khác, như Lưu trữ năng lượng đường sắt nâng cao, sử dụng năng lượng mặt trời và gió dư thừa để di chuyển hàng triệu cân đá lên dốc trong các toa tàu điện đặc biệt lăn xuống dốc, chuyển đổi thế năng hấp dẫn này điện đi ra lưới điện.
Nhưng chúng ta thực sự cần bộ lưu trữ pin hóa học quy mô tiện ích để đối phó với khả năng gián đoạn nhanh chóng trong cả quá trình phát điện năng lượng sạch và nhu cầu thay đổi nhanh chóng trong việc sử dụng trong suốt ngày thương mại. Những nhu cầu này rất lớn nhưng rất ổn định và lâu dài.
Pin Lithium-ion
Pin Lithium-ion là những gì chúng ta biết bây giờ. Chúng có thể tích trữ nhiều năng lượng trong một viên pin nhỏ, nhẹ, khiến chúng trở thành loại pin được lựa chọn trong các thiết bị điện tử nhỏ như máy tính xách tay và điện thoại di động.
Nhưng pin Li-ion có tuổi thọ hoạt động quá ngắn và có các vấn đề như sinh nhiệt nhanh. Trong tương lai gần, họ sẽ thống trị thị trường phân khúc khối lượng nhỏ như thiết bị cá nhân và xe điện, nhưng đối với thị trường pin thương mại quy mô tiện ích, chúng ta cần những hệ thống lớn hơn có tuổi thọ cao hơn.
Pin vanadium-flow
Công nghệ mới nhất xuất hiện là pin oxy hóa khử vanadi, còn được gọi là pin vanadium-flow. Và loại tốt nhất dường như là của WattJoule, đặc biệt là vì giá thành của chúng thấp hơn rất nhiều so với các loại pin V-flow khác.
Pin V-flow được đóng hộp hoàn toàn, không cháy, nhỏ gọn, có thể tái sử dụng trong chu kỳ bán vô hạn, xả 100% năng lượng được lưu trữ và không bị suy giảm trong hơn 20 năm. Vỏ Trái đất có nhiều vanadi hơn liti, và chúng ta tạo ra lượng V nhiều gấp đôi Li mỗi năm.
Hầu hết pin sử dụng hai hóa chất thay đổi hóa trị (hoặc điện tích hoặc trạng thái oxy hóa khử) để phản ứng với dòng điện tử chuyển hóa năng lượng thành năng lượng điện và ngược lại. Pin dòng V sử dụng nhiều trạng thái hóa trị của chỉ vanadi để lưu trữ và giải phóng điện tích trong chất điện phân gốc nước có chứa muối vanadi.
V có thể tồn tại dưới dạng một số ion có điện tích khác nhau trong dung dịch, V (2 +, 3 +, 4 +, 5 +), mỗi ion có số electron khác nhau xung quanh hạt nhân (xem hình vẽ). Càng ít electron càng mang điện tích dương cao hơn. Năng lượng được tích trữ bằng cách cung cấp các electron tạo thành V (2 +, 3 +), và năng lượng được giải phóng khi mất electron để tạo thành V (4 +, 5 +).
Pin dòng chảy bao gồm hai bình chứa chất lỏng, chỉ cần đặt ở đó cho đến khi cần thiết. Khi được bơm vào lò phản ứng hóa học, hai dung dịch chảy liền kề nhau qua một lớp màng, và tạo ra điện tích bằng cách di chuyển các electron qua lại trong quá trình sạc và phóng điện.
Loại pin này có thể cung cấp dung lượng năng lượng gần như không giới hạn chỉ đơn giản bằng cách sử dụng các bình chứa chất điện phân lớn hơn. Nó có thể được xả hoàn toàn trong thời gian dài mà không bị ảnh hưởng xấu, làm cho việc bảo trì đơn giản hơn so với các loại pin khác.
Việc thương mại hóa các hệ thống pin vanadi dòng đã phải chịu chi phí cao của V. Vì vậy, bạn phải lưu trữ nhiều điện năng lượng mặt trời hoặc năng lượng sạch hơn với cùng một lượng V thông qua hóa học được cải thiện, đồng thời cải tiến thiết kế ngăn xếp và tế bào. Hoặc giảm chi phí của V. Hoặc cả hai.
Greg Cipriano, Phó Giám đốc Phát triển Kinh doanh và Đồng sáng lập của WattJoule cho biết: “Làm việc với các đối tác chiến lược của chúng tôi, phương pháp chiết xuất đa kim loại tích hợp được đề xuất của chúng tôi là chìa khóa để giảm giá vanadi. Cách khai thác kim loại thông thường cũ không hiệu quả và lãng phí. Về phía trước, điều này chỉ đơn giản là không có ý nghĩa kinh tế hoặc môi trường. “
Khai thác nhiều kim loại từ nguồn đầu vào giàu vanadi, hoặc quặng tươi đào từ lòng đất hoặc xỉ, chất xúc tác đã qua sử dụng hoặc tro bay dầu – những thứ được coi là phế phẩm công nghiệp – mang lại doanh thu bổ sung. Các kim loại không phải vanadi, chẳng hạn như sắt, titan và niken, sau đó được bán theo giá thị trường để trợ cấp cho việc khai thác vanadi.
Có rất nhiều tro bay dầu và chất thải than. Khoản trợ cấp này đã được chứng minh là bù đắp đáng kể chi phí vanadi, và trong một số trường hợp, nó có thể giảm chi phí xuống còn 0.
Ngược lại với việc bán vanadi ngày nay vào thị trường luyện kim hàng hóa có tính cạnh tranh cao, được định hướng chi phí ngày nay, vốn chỉ là giao dịch một lần.
Các loại pin V-flow này có thể khá lớn và phù hợp nhất với các ứng dụng quy mô công nghiệp và tiện ích. Chúng không bao giờ có thể phù hợp với một chiếc ô tô điện, vì vậy pin Tesla hiện tại vẫn an toàn. Nhưng pin V-flow vượt trội hơn Li-ion và bất kỳ loại pin rắn nào khác, cho các ứng dụng quy mô tiện ích. Chúng chỉ an toàn hơn, có thể mở rộng hơn, bền hơn và rẻ hơn – ít hơn một nửa chi phí cho mỗi kWh.
Tích trữ điện năng lượng mặt trời cũng như năng lượng sạch cho tương lai ngày càng trở nên quan trọng hơn khi quá trình sản xuất điện phát triển và chúng ta cần phải sáng tạo hơn và ít tốn kém hơn so với chúng ta hiện nay. Chúng ta có các công cụ – pin, bộ lưu trữ được bơm, nhiệt – chỉ cần triển khai chúng thật nhanh.