Các nhà nghiên cứu từ Đại học Bách khoa Hà Nội đã phát triển một loại ắc quy dòng chảy với chi phí thấp, tuổi thọ cao hỗ trợ đắc lực cho việc lưu trữ năng lượng tái tạo ở quy mô lớn. Họ lập ra công ty công nghệ BK PMST để thương mại hóa sản phẩm này.
Mắt xích còn thiếu của năng lượng tái tạo
Năm 2019 và 2020 là thời kỳ bùng nổ của các dự án điện mặt trời và điện gió ở Việt Nam nhưng nó cũng bộc lộ một điểm yếu mà nhiều người lường trước được: dư thừa điện trong những lúc nắng gió và thiếu điện trầm trọng khi không còn sự hỗ trợ của thiên nhiên.
Tính bất ổn của năng lượng tái tạo đã đặt gánh nặng tài chính lớn lên vai các chủ đầu tư đồng thời cũng khiến những người vận hành lưới điện quốc gia gặp khó khăn khi điều chỉnh biến động nguồn.
Trong bối cảnh đó, các hệ thống ắc quy lưu trữ năng lượng (Battery Energy Storage System – BESS) chính là mắt xích còn thiếu của năng lượng tái tạo. Theo ThS. Trịnh Việt Dũng, Phòng thí nghiệm Dynlab tại Đại học Bách khoa Hà Nội: “Để năng lượng mặt trời và gió được sử dụng hiệu quả, chúng ta cần một loại ắc quy có thể tích trữ điện năng lớn trong thời gian dài với chi phí phải chăng. Chúng tôi tin rằng có một vài công nghệ có thể đảm bảo được điều này và ắc quy dòng chảy là một công nghệ tiềm năng.”
Ắc quy dòng chảy (
Redox Flow Battery) hoạt động theo nguyên tắc bơm hai chất lỏng khác nhau vào một buồng trao đổi, khi đó các phân tử hòa tan sẽ trải qua phản ứng hóa học để tích trữ hoặc giải phóng năng lượng. Ắc quy dòng chảy phổ biến nhất hiện nay là ắc quy dòng chảy oxy hóa khử Vanadi (VRFB).
Theo công ty tư vấn toàn cầu Navigant, công nghệ ắc quy Li-ion và công nghệ ắc quy dòng chảy sẽ là hai công nghệ quan trọng nhất trong 10-15 năm tới và phân khúc thị trường của chúng có thể chồng lấn một phần. Cả hai đều phù hợp để lưu trữ điện tầm trung 10-100MW. Trên mức này, các công nghệ lưu trữ như thủy điện tích năng, hydrogen và lưu trữ khí nén tỏ ra ưu việt hơn.
Trong khi ắc quy Li-ion phù hợp với việc lưu trữ năng lượng từ vài phút đến ba giờ thì ắc quy dòng chảy tỏ ra ưu thế khi lưu trữ điện năng trong thời gian từ 8 - 12 giờ, thậm chí theo ngày.
Một sự khác biệt quan trọng của ắc quy Li-ion với ắc quy dòng chảy là kích thước của chúng. “Nếu ta muốn tích trữ một lượng năng lượng khổng lồ vào không gian hẹp thì công nghệ Li-ion rất ưu việt. Nó có mật độ năng lượng cao nên thường được dùng trong các thiết bị di động, máy tính xách tay và xe điện. Tuy nhiên cũng chính vì thế mà nó dễ xảy ra nguy cơ cháy nổ. Ngược lại, nếu ta không bị giới hạn về thể tích và không cần di chuyển nhiều thì các loại ắc quy dòng chảy – dù có hình dạng như các bồn container khổng lồ - đặt cạnh trang trại mặt trời lại rất an toàn và hợp lý”, ThS. Trịnh Việt Dũng giải thích.
Điểm cuối cùng là giá thành. Về cơ bản thì ắc quy Li-ion đắt hơn so với ắc quy Vanadi khi mở rộng quy mô tới MWh. Ắc quy Li-ion lưu trữ tất cả các thành phần bên trong một tế bào riêng lẻ nên nếu muốn tăng gấp đôi kích thước của một hệ thống ắc quy Li-ion, ta sẽ cần tăng gấp đôi số lượng tế bào - đồng nghĩa với việc tăng gấp đôi chi phí. Với ắc quy Vanadi, năng lượng được trữ trong hai bể dung dịch điện phân, do vậy có thể dễ dàng mở rộng công suất lưu trữ bằng cách tăng kích thước bể lên. Khi đó, giá mỗi kilowatt giờ sẽ giảm mạnh. Đột nhiên, giá của ắc quy Li-ion và ắc quy Vanadi đi theo hai chiều hướng trái ngược nhau.
Những loại ắc quy dòng chảy cũng cho phép năng lượng bền vững hơn vì chất điện phân được sử dụng trong ắc quy có thể được tái sử dụng, có nghĩa là không cần phải khai thác Vanadi hay Ceri mới để thay thế ắc quy. Điện tích của chất điện phân có thể được tái tạo thông qua kết nối với nguồn điện để đảo ngược quá trình phóng điện - “Nói cách khác, khi nguồn điện được kết nối, các bồn chứa sẽ sạc lại điện.” ThS. Trịnh Việt Dũng nói.
Ắc quy dòng chảy sẽ đến Bến Tre vào quý 4 năm nay.
BK PMST, công ty spin-off từ Đại học Bách khoa Hà Nội do ThS. Trịnh Việt Dũng đồng sáng lập đã đạt được thỏa thuận với một đối tác công nghiệp của Việt Nam để xây dựng hệ thống ắc quy dòng chảy đầu tiên với công suất 200kW/1MWh, bên cạnh một xưởng chế biến lắp đặt pin mặt trời áp mái.
“Đối tác của chúng tôi thực sự là những người rất năng động. Họ tìm đến chúng tôi và đặt vấn đề làm sao để xây được một hệ thống lưu trữ giúp tự sản tự tiêu năng lượng một cách hiệu quả nhất. Điện sẽ được tạo ra và lưu trữ trong khoảng 4-5 giờ. Họ có thể chọn để phát điện vào những khung giờ có nhiều giá trị nhất hoặc thậm chí bán lại cho những nhà máy bên cạnh trong khu công nghiệp. Nếu mô hình này thành công, họ sẽ tiếp tục đầu tư cho toàn bộ khu công nghiệp”, ThS. Trịnh Việt Dũng tiết lộ.
Dòng ắc quy cho hệ thống đầu tiên này sử dụng Vanadi-Ceri. Ceri là một loại đất hiếm khá dồi dào ở Việt Nam. Nó cũng là sản phẩm mà Công ty cổ phần Đất hiếm Việt Nam, một trong những cổ đông sáng lập của BK PMST, đang khai thác.
ThS. Trịnh Việt Dũng nói rằng họ sẽ phát triển các dòng ắc quy dòng chảy khác nhau dựa trên nguồn nguyên liệu sẵn có để nâng cao tính cạnh tranh và giảm giá thành. Thực chất, các vật liệu được sử dụng để thiết kế ắc quy lưu trữ sẽ dựa trên nhu cầu của khách hàng và công nghệ lõi của nhóm.
“Có những khách hàng chỉ cần công suất nhỏ, thời gian khấu hao ngắn từ 4-6 năm. Cũng có những khách hàng đòi hỏi thế hệ ắc quy mạnh mẽ hơn, chu kỳ sạc-xả nhiều hơn và vòng đời lên đến hàng chục năm. Tùy theo đó mà chúng tôi có thể dùng các vật liệu khác nhau như kẽm, sắt, Vanadi, Ceri, v.v”, anh nói.
Phát triển nguồn lực nội địa
Mặc dù mới thành lập từ cuối năm 2021 nhưng các công nghệ về ắc quy dòng chảy của BK PMST đã được phát triển trong phòng thí nghiệm Dynlab của Đại học Bách khoa Hà Nội ròng rã bảy năm. Trước đó, các nhà nghiên cứu cũng xem xét các loại ắc quy Li-ion. Tuy nhiên, do hạn chế về cơ sở vật chất nên họ không thể có được các buồng kín (glove box) để lắp đặt những hệ thống Li-ion tiên tiến. Các nhà khoa học sáng tạo bằng cách thu nhỏ các box và cho tất cả vật liệu vào để phát triển các dòng ắc quy mới. Đó là điểm khởi đầu để Dynlab chuyển hướng sang nghiên cứu ắc quy dòng chảy.
Dĩ nhiên, loại ắc quy dòng chảy đầu tiên được tạo ra là ắc quy dòng chảy Li-ion. Nhóm của anh Trịnh Việt Dũng nhanh chóng nhận ra giới hạn của Li-ion trong việc mở rộng quy mô và các ứng dụng tiềm năng. Hiện nay, BK PMST chủ yếu tập trung vào các loại all-Vanadi.
BK PMST có thể coi là đơn vị đầu tiên ở Việt Nam đã nghiên cứu, phát triển, gọi vốn và thử nghiệm được một hệ thống ắc quy lưu trữ khối lớn. Trước BK PMST, bối cảnh phát triển công nghệ ắc quy lưu trữ có khả năng thương mại ở Việt Nam tương đối trống trải. VinES thuộc tập đoàn VinGroup được xem như công ty nội địa mở đường cho việc phát triển và sản xuất ắc quy Li-ion. Các công ty ắc quy nổi tiếng trước đó như Đồng Nai, Pinaco chủ yếu phát triển công nghệ ắc quy chì. Nhiều công nghệ ắc quy khác vẫn đang được phát triển trong các phòng thí nghiệm.
Tuy nhiên, ngành công nghiệp này không phải không có cạnh tranh. Bản thân với ắc quy dòng chảy VRFB đã có công ty từ nước ngoài vào ngấp nghé, trong đó nổi bật nhất là ba doanh nghiệp Ultra Power của Úc, Vflow Tech của Singapore và VRB Energy của Trung Quốc. Họ đều là các startup nắm trong tay công nghệ lõi và đang thăm dò thị trường Việt Nam.
ThS. Trịnh Việt Dũng nói với Khoa học & Phát triển rằng để tạo lợi thế cạnh tranh, BK PMST sẽ phải xây dựng nhà máy sản xuất ở địa phương (local manufacturing) và mở rộng chuỗi cung ứng ắc quy dòng chảy đáng kể để đạt được mức sản lượng MWh-GWh.
“Sản xuất ở địa phương là một điểm cộng rất quan trọng, bởi việc vận chuyển hệ thống ắc quy dòng chảy không hề dễ dàng chút nào. Nếu như hệ thống dung dịch được vận chuyển từ nước ngoài sang thì chi phí sản xuất điện quy dẫn (LCOE) sẽ rất cao. Bản thân việc vận chuyển từ Bắc vào Nam đã là không khả thi về giá thành. Do vậy, chúng tôi buộc phải có những chiến lược khác nhau để sản xuất.” ThS. Trịnh Việt Dũng nhận xét.
Anh nói, đối với giai đoạn hiện nay, công ty đang xem xét hoạt động kinh doanh microgrid thay vì quy mô lớn vì chuỗi cung ứng cho ắc quy dòng chảy chưa phát triển mạnh. Anh đã bắt đầu làm việc với một số quỹ đầu tư nước ngoài và các nguồn vốn khác để huy động tài chính cho nhà máy sản xuất ắc quy và chuỗi cung ứng trong 3-5 năm tới. Đây chắc chắn là một dự án khổng lồ lên tới hàng trăm triệu USD. Tuy nhiên, nếu thành công, nó sẽ giúp công ty giảm chi phí LCOE xuống dưới 200 USD/kWh, thậm chí là thấp hơn.
Câu hỏi lớn đặt ra là làm cách nào để các nhà cung cấp năng lượng tăng cường đầu tư vào các loại máy móc và hệ thống lưu trữ năng lượng lớn để chuyển từ công suất sản xuất 10MW hằng năm lên 100MW và sau đó là 1GW. Quy hoạch điện VIII đang đặt ra quy mô năng lượng tái tạo gấp 10 lần như vậy vào năm 2030. Rõ ràng điều này sẽ cần tới các hỗ trợ chính sách và khuyến khích thích hợp, bao gồm các tín hiệu thị trường dài hạn, nguồn vốn tín dụng xanh dồi dào và nhiều hỗ trợ công nghệ trực tiếp khác.