Chúng Ta Cần Một Pin Tốt Hơn. Nhưng Làm Thế Nào năm 2025?

“Điều đó sẽ không dễ dàng. Nó sẽ không ngay lập tức. Nhưng nó phải được thực hiện.” Với mệnh lệnh đó, Thống đốc Jerry Brown đã ký một luật yêu cầu California phải đạt được toàn bộ điện năng từ các nguồn như năng lượng mặt trời, gió và thủy điện vào năm 2045. Đó là một mục tiêu đầy thách thức, phù hợp với thách thức văn minh hóa giảm lượng khí carbon gây biến đổi khí hậu. Điều khó khăn duy nhất là cả Brown lẫn bất kỳ ai khác cũng không biết làm thế nào.

Nền kinh tế lớn thứ năm trên thế giới đã đang trên đà đạt được một nửa năng lượng từ nguồn sạch vào năm 2020. Nhưng bằng cách ký luật mới vào ngày 10 tháng 9, thống đốc đã cam kết một điều mà các công nghệ hiện tại không thể đảm bảo. Vấn đề với các nguồn năng lượng tái tạo tiên tiến như năng lượng mặt trời và gió là mặt trời không chiếu vào ban đêm và gió thổi không ổn định, cả hai đều có mùa (đặc biệt là ở California), mạnh mùa hè và yếu vào mùa đông. Hiện tại, các nhà kỹ thuật không biết làm thế nào để lưu trữ điện từ năng lượng tái tạo ở quy mô rộng rãi một cách rẻ và hiệu quả. Người hoặc nhóm giải quyết vấn đề đó sẽ là Prometheus của thời đại chúng ta.

Những người quan sát thoải mái về năng lượng sạch thường bất ngờ với nhược điểm của nó. Lượng khí thải nhà kính ở California đã giảm 13% kể từ năm 2004, ngay cả khi nền kinh tế đã tăng trưởng hơn một phần tư. Sự giảm đáng kể đó là kết quả của sự tăng cường sự phụ thuộc vào khí tự nhiên, nó sạch hơn than đá, nhưng chủ yếu là do giảm chi phí của năng lượng tái tạo. Thay đổi là tuyệt vời: Từ năm 2008 đến 2015, giá mà các công ty cung cấp năng lượng trả cho năng lượng mặt trời giảm 77%, và gió giảm 47%, theo báo cáo của Ủy ban Dịch vụ Công cộng California. Những giảm chi phí đó khuyến khích các nhà cung cấp năng lượng xây dựng các trang trại năng lượng mặt trời và gió khắp tiểu bang.

Nhưng sự tiến triển hứng khởi này trong "giảm carbon hóa ngành năng lượng" (theo ngôn ngữ của các nhà kinh tế năng lượng) là một sự hiểu lầm. Ngày nay, các công ty điện quản lý sự không liên tục và theo mùa của năng lượng tái tạo bằng cách kích hoạt các nhà máy điện "peaker" nhỏ, thường sử dụng khí tự nhiên, khi giá và nhu cầu cao. Nhưng việc tạo ra nhiều năng lượng từ năng lượng mặt trời và gió ở California sẽ đòi hỏi các công ty phải sản xuất lượng năng lượng dồi dào trong tháng mùa hè và lưu trữ năng lượng đó để sử dụng trong suốt năm. Theo một phân tích được công bố rộng rãi của một tổ chức nghĩa vụ chính sách năng lượng, Clean Air Task Force, việc tạo ra 80% năng lượng của California từ nguồn tái tạo tiên tiến sẽ đòi hỏi 9.6 triệu megawatt-giờ lưu trữ năng lượng. 100% sẽ đòi hỏi 36.3 triệu. Đối chiếu, tiểu bang hiện giữ chỉ 150,000 megawatt-giờ lưu trữ năng lượng, chủ yếu là thủy điện. Pin lithium cũng cung cấp một phần nhỏ.

Các pin lithium-ion trong điện thoại hoặc xe điện của chúng ta sẽ không giải quyết được thách thức đó. Mặc dù giá giảm đáng kể, chúng vẫn quá đắt đỏ và không lưu trữ năng lượng đủ lâu. Một nghiên cứu rõ ràng của các nhà nghiên cứu tại MIT và Argonne National Lab được công bố vào năm 2016 đã chỉ ra rằng "giảm chi phí đáng kể có lẽ cần để có lý do kinh tế cho triển khai quy mô lớn của các công nghệ lưu trữ [hiện tại]." Dịch bởi Clean Air Task Force: Ngay cả khi pin lithium-ion rẻ nhất có thể, California sẽ phải chi 360 tỷ đô la vào lưu trữ để đáp ứng mệnh lệnh của Brown. Trong toàn quốc, việc lưu trữ 12 giờ năng lượng sẽ tốn 2.5 nghìn tỷ đô la, theo một nghiên cứu khác trong Tạp chí Năng lượng và Môi trường. Tổng cộng, chi phí năng lượng sẽ tăng từ 49 đô la cho mỗi megawatt-giờ ở mức 50% lên 1,612 đô la ở mức 100%. Kinh tế là không khả thi; việc bán lý lịch cho người tiêu dùng, không thể thực hiện.

Nếu pin có vai trò của mình, chúng phải có giá thấp hơn một phần năm giá tối thiểu có thể (khoảng 100 đô la mỗi kilowatt giờ) của pin lithium-ion. Để giải quyết vấn đề đó, các nhà khoa học vật liệu đã chuyển sang các phương án thay thế cho lithium-ion, tạo ra các công ty có vốn hóa lớn như Aquion, chế tạo pin nước mặn, hoặc LightSail, muốn lưu trữ năng lượng dưới dạng khí nén. Ambri, một startup ở Boston được thành lập bởi Don Sadoway của MIT và được Bill Gates tài trợ, theo đuổi một ý tưởng đặc biệt radical: Công ty sử dụng vật liệu giàu chất đất để tạo ra pin kim loại lỏng, trong đó các điện cực âm và dương là chất lỏng và chất điện giải là muối nóng chảy. Nhưng Aquion và LightSail không tạo ra lưu trữ rẻ hơn so với pin lithium-ion. Ambri đã gặp khó khăn khi chuyển đổi nghiên cứu của mình thành sản phẩm thương mại mà các công ty điện sẽ mua. (Công ty không thể làm cho niêm phong trên pin của mình hoạt động, nhưng tuyên bố đã giải quyết vấn đề bằng cách từ bỏ magnesium và antimony để chuyển sang các vật liệu mới, chưa được tiết lộ.)

Khi tôi nói chuyện với Gates vài năm trước, ông nói với tôi: “Tôi đầu tư vào năm công ty pin, và cả năm đều gặp khó khăn. Khi mọi người nghĩ về giải pháp năng lượng, bạn không thể giả định sẽ có một kỳ tích về lưu trữ.” Gates không từ bỏ về điều kỳ diệu; ông tiếp tục đầu tư vào pin thông qua Breakthrough Energy Ventures, một liên minh của tỷ phú, bao gồm Jeff Bezos, Jack Ma và Richard Branson, cam kết đầu tư ít nhất 1 tỷ đô la để giảm lượng carbon phát ra mỗi đơn vị năng lượng xuống không. Trong số những đầu tư đầu tiên của BEV là một spin-out của MIT có tên Form Energy, do một số cái tên nổi tiếng nhất trong lưu trữ năng lượng sáng lập, bao gồm giáo sư MIT khác Yet-Ming Chiang, người đã khởi đầu năm công ty pin (bao gồm A123 Systems, một thập kỷ trước đã huy động được nửa tỷ đô la cũng như một khoản tài trợ 249 triệu đô la từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ trước khi phá sản và được một công ty Trung Quốc mua lại). Form Energy đang phát triển pin lưu trữ lưu hóa sulfur, hít thở và thở ra không khí theo một hóa học kỳ lạ: chúng kết hợp một anot sulfur tan trong nước với một catot dung dịch muối lỏng đủ oxy, nơi oxy lưu thông vào và ra khỏi catot, gây ra quá trình xảy ra pin. Các báo cáo khác nhau cho biết pin mới sẽ có giá từ 1 đến 10 đô la cho mỗi kilowatt-giờ, so với giá hiện tại của lithium là 200 đô la cho mỗi kilowatt-giờ, và lưu trữ năng lượng trong vài tuần hoặc thậm chí là tháng thay vì giờ hoặc ngày.

Phương pháp của Form Energy hứa hẹn, nhưng cũng như công nghệ của A123 Systems và một khu vườn của các startup pin trước đó. Nếu không có kỳ tích về lưu trữ, chúng ta sẽ làm thế nào để cứu thế giới? Ba phương án có thể được đề xuất để khắc phục tính không liên tục và theo mùa của năng lượng mặt trời và gió và giúp tạo ra năng lượng carbon-neutral. (Đó là, vượt ra khỏi hy vọng vĩnh cửu về hợp nhất. Các nhà vật lý nói đùa, “Hợp nhất là nguồn năng lượng của tương lai, và mãi mãi sẽ là vậy.”)

Thứ nhất, chúng ta có thể lưu trữ năng lượng tái tạo ở quy mô lớn mà không cần sử dụng pin điện hóa học. Ví dụ, những người ủng hộ hóa học mặt trời, hoặc quang hợp nhân tạo, đã đề xuất sử dụng năng lượng mặt trời để tách nước thành ôxi và hydro, một nhiên liệu có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu hoặc đốt cháy trong động cơ đốt trong. Chúng ta có thể thậm chí kết hợp hydro với carbon dioxide, được thu hồi từ các nhà máy phát điện khí tự nhiên, để tạo ra methane, một nhiên liệu có cơ sở hạ tầng toàn cầu. Thứ hai, chúng ta có thể tạo ra điện cơ bản với phân hạch hạt nhân, công nghệ năng lượng không carbon chúng ta đã có, tạo ra đủ năng lượng để phớt qua tính không liên tục và theo mùa của năng lượng mặt trời và gió. Cuối cùng, và phá hoại nhất, chúng ta có thể phá hủy mạng lưới hiện tại của chúng ta bằng các lưới trực tiếp truyền dẫn cao cấp mới, chuyển điện qua lục địa và phối hợp cung cấp điện với phần mềm dự đoán. Tất cả các lựa chọn này đều đối mặt với những vấn đề kỹ thuật, kinh tế và chính trị đáng kể, nhưng nếu tôi phải đặt cược, tôi sẽ đoán (giống như các tác giả của nghiên cứu MIT và Argonne Lab năm 2016) rằng chúng ta sẽ cần một số sự kết hợp của các công nghệ này và pin mới.

Nếu California đạt được mục tiêu của mình, đó sẽ là một mô hình cho các tiểu bang và quốc gia khác. Nhà máy phát điện chỉ chiếm 16% lượng khí nhà kính của tiểu bang, nhưng ô nhiễm hơn ở những nơi khác. Giao thông sản xuất 41% lượng phát thải của California, và điện sạch sẽ cho thế giới thấy rằng ô tô, xe tải và tàu hỏa có thể được điện hóa một cách sạch sẽ. Nhưng vấn đề về cách sản xuất 100% nhu cầu năng lượng của California từ nguồn tái tạo không thể giải quyết bởi chính tiểu bang này. Hệ thống khí hậu và năng lượng của chúng ta là chung, và có thể cần các giải pháp tăng cường nghiên cứu cơ bản về năng lượng trên toàn cầu, cộng với quy định thông minh như thuế carbon động.

Các kỷ nguyên được xác định bởi công nghệ năng lượng của họ, và mất vài thập kỷ trước khi chúng được áp dụng. Mất 150 năm cho nhân loại từ bỏ việc đốt gỗ để chuyển sang than đá. Các công nghệ gần đây hơn, như động cơ đốt cháy hoặc tuabin hơi, đã tiêu thụ 50 năm. Nếu chúng ta muốn hạn chế sự ấm lên toàn cầu ở mức nhiệt độ quản lý được, các quốc gia công nghiệp hóa cũ hơn phải không phát thải carbon vào năm 2050; toàn thế giới phải trở thành carbon-neutral vào cuối thế kỷ. Chúng ta không còn nhiều thời gian để tìm ra một viên pin tốt hơn hoặc một lựa chọn thay thế cho pin. Chúng ta phải nhanh chóng.

Nhiều bài viết tuyệt vời khác trên blog.mytour.vn

• Làm thế nào một chuyên gia xây dựng tác phẩm 15,000 mảnh ghép
• Robot siêu thực này sẽ khóc và chảy máu trên sinh viên y khoa
• Bên trong thế giới hỗn độn của các nhà môi giới điện ở Beirut
• Mẹo để tận dụng tối đa các tính năng mới của Gmail
• Làm thế nào NotPetya, một đoạn mã duy nhất, làm sập thế giới
• Đang tìm kiếm thêm? Đăng ký nhận bản tin hàng ngày của chúng tôi và đừng bao giờ bỏ lỡ những câu chuyện mới và tuyệt vời nhất của chúng tôi