5 xu hướng công nghệ lưu trữ năng lượng

Pin lithium-ion hiện tại cực kỳ dễ cháy, nhạy cảm với nhiệt độ cao, cần phải sạc quá mức hoặc xả hoàn toàn để bảo vệ pin và dễ bị chai. Nó cũng ảnh hưởng môi trường rất lớn vì người ta phải khai thác các thành phần để sản xuất pin. Chính vì thế, những tiến bộ trong công nghệ pin li-ion sẽ đứng đầu mọi danh sách xu hướng về lưu trữ năng lượng.

Nhiều nhóm từ các trường đại học, viện nghiên cứu và công ty khởi nghiệp đang tìm cách sửa đổi pin li-ion để tăng hiệu suất và tuổi thọ. Họ sử dụng các vật liệu nhẹ hơn và giàu năng lượng như li-po (dùng chất điện phân dạng polymer khô), li-air (dùng oxy không khí ở cực dương để tạo thành oxit lithium trong quá trình phóng điện), li-titanate (dùng oxit hỗn hợp của lithium và titan làm điện cực) và li-sulfur (dùng lưu huỳnh làm cực âm) để thay thế cho các điện cực lithium-coban truyền thống.

Ngoài ra, một số công ty khởi nghiệp như Lithium Recycling Inc (Canada), Duesenfeld GmbH (Đức), Fortum (Phần Lan) và Envirostream (Úc) đang nỗ lực tái chế pin đã qua sử dụng và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn. Bản thân việc tái chế li-ion đã là một xu hướng mới nhằm giải quyết vấn đề lãng phí pin. Nhiều hóa chất độc hại trong pịn như axit và kim loại nặng (chì, thủy ngân…) nếu bị giải phóng sẽ gây bất lợi cho môi trường.

Một số bên khác đang thay đổi quy trình sản xuất đề giảm tác động môi trường. Ví dụ, Green Li-ion là một công ty khởi nghiệp của Singapore chuyên tái chế pin lithium-ion để sản xuất điện cực âm. Những nhà máy xử lý của công ty này đang sử dụng công nghệ thủy luyện kim loại đồng kết tủa, thay vì phương pháp thông thường là sử dụng hóa chất để hòa tan, sau đó lọc và tách chiết kim loại. Thay đổi này có thể giúp nhà máy của Green Li-ion tăng độ tinh khiết và giảm thời gian tái tạo cực âm.

Tương tự, giải quyết vấn đề thời gian sạc của pin Li-ion cũng là một xu hướng. Một số công ty khởi nghiệp như Echion Technologies (Anh) hay Nyobolt (Mỹ) đang sản xuất những vật liệu cực dương mới cho mục đích sạc siêu nhanh chỉ trong vòng vài phút.

Bất chấp xu hướng nâng cấp công nghệ pin li-ion kể trên, tìm kiếm giải pháp thay thế cho lithium cũng là một xu hướng lớn trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng. Pin lithium không thân thiện với môi trường và ngày càng khó để theo kịp nhu cầu sử dụng lithium ngày càng tăng. Pin kẽm-không khí là một giải pháp thay thế khả thi vì nguồn cung kẽm dồi dào, ổn định và có độc tính thấp.

Một giải pháp hiệu quả khác là pin natri-lưu huỳnh. Những loại pin này có tuổi thọ cao hơn pin li-ion, chu kỳ sạc/xả lớn hơn, mật độ năng lượng nhiều hơn và được chế tạo bằng vật liệu tương đối rẻ tiền. Một số hóa chất pin đầy hứa hẹn khác có thể kể đến như pin ion nhôm, pin ion magie, pin niken-kẽm và pin làm từ silicon.

Một trong những startup đang phát triển công nghệ pin thay thế là Offgrid Energy Labs của Ấn Độ. Sản phẩm ZincGel của họ sử dụng chất điện phân kẽm dẫn điện cao và cực âm bằng carbon. Nó có khả năng tự phục hồi, ổn định nhiệt độ và tuổi thọ cao vì không bay hơi, đảm bảo rằng công nghệ này là một giải pháp an toàn và bền vững.

Gần đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Skoltech và Đại học Quốc gia Moscow (Nga) cũng công bố một vật liệu làm cực âm cho pin natri ion là hỗn hợp bột gồm natri, vanadi, phốt pho và flo với cấu trúc tinh thể đặc biệt. Chúng có thể lưu trữ năng lượng cao kỷ lục, xóa bỏ nút thắt cổ chai của công nghệ pin natri-ion mới nổi hiện nay.

Pin thể rắn là xu hướng loại bỏ chất điện phân lỏng trong pin lithium-ion thông thường bằng các loại polyme và hợp chất điện phân hữu cơ, nhằm tạo ra pin có độ dẫn ion cao hơn và giảm rủi ro cháy nổ hơn – vốn là những thách thức lớn khi sử dụng pin lithium-ion trong xe điện. Công nghệ này ngày càng nhận được sự chú ý và được đầu tư nghiên cứu để đi đến bước đột phá cuối cùng.

Công nghệ pin thể rắn cho xe điện hiện vẫn đang trong giai đoạn nguyên mẫu. Chỉ có một số ít công ty như TDK (Nhật Bản) đã đưa pin thể rắn thu nhỏ ra thị trường. Công ty khởi nghiệp SSB Incorporated (Mỹ) cũng sản xuất vật liệu điện phân rắn dựa trên polymer để cải thiện tính di động của ion trong pin.

Một công ty khởi nghiệp của Đức là Theion đang ủng hộ công nghệ phát minh ra pin lưu huỳnh tinh thể rắn, sử dụng dấu ấn tinh thể trực tiếp (DCi) để phát triển các tấm wafer từ lưu huỳnh nóng chảy khiến pin có vòng đời dài hơn, sạc nhanh hơn, an toàn hơn và chi phí tế bào điện thấp hơn. Công nghệ của Theion có thể dùng cho nhiều ứng dụng, từ pin cỡ nhỏ cho điện thoại thông minh và máy tính đến các bể lưu trữ năng lượng lớn cho ô tô và máy bay.

Liệt kê các xu hướng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo sẽ không đầy đủ nếu không đề cập đến lưu trữ nhiệt năng. Sản xuất điện tái tạo phụ thuộc vào thời điểm, do vậy lưu trữ nhiệt (theo mùa và ngắn hạn) là phương thức quan trọng để cân bằng chi phí trong quá trình sản xuất điện. Quá trình lưu trữ nhiệt năng bao gồm cung cấp nhiệt cho hệ thống lưu trữ để loại bỏ nhiệt dư thừa trên hệ thống sản xuất và sử dụng sau này.

Thông thường, các công ty cung cấp dịch vụ nhiệt ở địa phương sẽ có các bể cách nhiệt chứa nước nóng và nước lạnh để dùng khi nhu cầu tăng lên hoặc khi phải làm phẳng các đỉnh sưởi ấm và làm mát của người dân trong khu vực. Tuy nhiên gần đây, việc sử dụng những phương tiện mới như muối nóng chảy, eutectic và vật liệu đổi pha để lưu trữ nhiệt đã bắt đầu xuất hiện. Hệ thống điện mặt trời chính là ứng dụng phổ biến nhất để lưu trữ nhiệt lượng, đáp ứng nhu cầu phát điện ban đêm.

Công ty khởi nghiệp HeatVentors ở Hungary đang sản xuất các hệ thống lưu trữ nhiệt năng dựa trên vật liệu đổi pha và là một trong những ví dụ điển hình nhất của xu hướng này. Sản phẩm HeatTank của họ sử dụng vật liệu có thể nóng chảy và hóa rắn để trữ nhiệt, từ đó tiết kiệm không gian và chi phí nhờ vào việc cân bằng hiệu quả giữa các hệ thống điều hòa và sưởi ấm. Nhiều công ty cung cấp hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) đang sử dụng giải pháp này để cải thiện độ ổn định và quản lý hiệu suất của mình.

Hệ thống sản xuất và lưu trữ năng lượng truyền thống tuân theo kiến trúc tập trung. Điều này có thể làm tăng rủi ro hỏng hóc lưới điện khi nhu cầu năng lượng lên quá cao. Để giải quyết vấn đề này, người ta đã phát triển các hệ thống sản xuất điện và lưu trữ phân tán. Hệ thống phân tán cho phép các đơn vị riêng lẻ sản xuất năng lượng tại chỗ và giữ lại sử dụng cho riêng mình, phần dư thừa còn lại có thể bán lên lưới.

Những giải pháp lưu trữ phân tán - bao gồm xe điện, lưới điện siêu nhỏ (micro-grid) và nhà máy điện ảo (VPP) - có thể giúp giảm nhu cầu đầu tư thêm vào những nguồn điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch như than, dầu mỏ và khí đốt. Chúng cũng cho phép phụ thuộc nhiều hơn vào năng lượng tái tạo khi người ta tích hợp các giải pháp lưu trữ năng lượng cục bộ như pin mặt trời áp mái và tuabin gió nhỏ vào hệ thống.

Một trong những ví dụ điển hình là công ty khởi nghiệp MET3R của Bỉ. Doanh nghiệp này đang triển khai các sản phẩm quản lý phương tiện lên lưới, bao gồm ZenCharge, ZenSite và ZenGrid, sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để tối ưu hóa việc sạc cho đội xe và giảm tác động lên lưới bằng cách phân bổ các điểm sạc vào thời gian khác nhau.

Trong khi đó, Karit, một công ty khởi nghiệp của Úc, đang cung cấp các nhà máy điện ảo. Nó kết hợp một loạt tài sản năng lượng phân tán vào một nhà máy điện ảo để đảm bảo phân bổ và cung cấp điện hiệu quả cho khách hàng, đồng thời chuyển nguồn năng lượng dư thừa lên thị trường để giao dịch.