Một Lưới Điện Xanh Thực Sự Sẽ Cần Những Chiếc Pin Lớn năm 2025

Đôi khi mặt trời chiếu quá sáng tại California. Bang này thèm khát năng lượng mặt trời—một triệu mái nhà lắp đặt panel mặt trời, hàng trăm trạm năng lượng mặt trời lớn—nó thường thu hoạch nhiều megawatt hơn mọi người có thể sử dụng hoặc lưới điện có thể xử lý. Trong vài tuần không có đám mây vào tháng 3 năm 2017, California thậm chí đã phải trả tiền cho Arizona để hút đi thặng dư. Thường xuyên hơn, giải pháp là giảm dòng năng lượng mặt trời thành chảy chậm, một quy trình gọi là giảm giới hạn. Và vào ban đêm, khi mặt trời không chiếu sáng? Bang này phải bù đắp khoảng trống bằng cách đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Hiện nay, California chiếm khoảng một phần ba điện của mình từ nguồn năng lượng tái tạo. Để trục xuất mọi khí thải carbon khỏi hệ thống vào năm 2045, theo đạo luật gần đây yêu cầu, nó sẽ phải tìm ra một cách sạch sẽ hơn để cân bằng lưới điện.

Một vài năm trước, San Diego Gas & Electric, công ty dịch vụ công cộng tư thứ ba lớn nhất của bang, hợp tác với Sumitomo Electric, một công ty sản xuất khổng lồ của Nhật Bản, để thử nghiệm một giải pháp có thể. Trên những đồi cát bụi ngay phía đông của San Diego, họ đã lắp đặt một cặp pin vanadium flow, có khả năng lưu trữ đủ năng lượng để cung cấp điện cho 1.000 ngôi nhà trong bốn giờ. Xóa đi hình ảnh tưởng tượng của bạn về pin lithium-ion nhỏ gọn đang ở trong túi sau của bạn hoặc trong cốp xe Prius của bạn. Những viên pin vanadium này là to lớn. Mỗi viên bao gồm năm container chứa đựng đầy đủ thiết bị, tám thùng dung dịch điện giải 10,000 gallon (thứ giữ sạch điện năng), và một mê cung của dây, bơi, công tắc và ống nhựa PVC. Chúng ngồi trong các hố an toàn bằng bê tông chống ăn mòn đủ lớn, trong trường hợp có rò rỉ, để chứa đựng tất cả 80,000 gallon dung dịch điện giải cộng với toàn bộ nước từ ngày mưa tồi tệ nhất của quận trong 100 năm qua.

Khi cài đặt pin trên quy mô lưới, cơ sở vật chất ở San Diego này khá nhỏ. Nó đóng vai trò như một bộ xử lý sốc, sạc và xả theo phản ứng với biến động trong nguồn cung cấp điện địa phương. Nếu có một đợt năng lượng mặt trời đột ngột một phút, pin lưu trữ nó lại; nếu có một tăng đột ngột trong nhu cầu ở lần tiếp theo, pin trả nó ra. Hiện nay, chỉ hơn một nửa lượng điện ở San Diego đến từ khí tự nhiên. Khi tỷ lệ chuyển sang năng lượng tái tạo, biến động sẽ trở nên lớn hơn và khó dự đoán hơn. Để đạt được mục tiêu 2045, các công ty điện ở khắp bang sẽ cần những giải pháp lưu trữ dài hạn—những hệ thống có thể tích trữ năng lượng mặt trời vào ban ngày và phân phối nó vào ban đêm, ví dụ, hoặc giữ lại năng lượng gió trong thời tiết gió lớn. Ngay cả khi California tăng gấp ba lượng năng lượng tái tạo của mình, điều tốt nhất mà nó có thể làm mà không có giải pháp lưu trữ năng lượng là giảm 72% khí CO₂ theo một nghiên cứu được công bố năm ngoái trong Nature Communications. Thêm vào đó sự kết hợp đúng đắn của các phương pháp lưu trữ, bao gồm cả pin, con số này tăng lên 90%.

Vậy tại sao San Diego lại chọn vanadium thay vì lithium-ion phổ biến hơn? Câu trả lời một phần là do quy mô kinh tế. Tất cả các pin hoạt động gần như những con đập. Có một hồ chứa electron ở một bên, và khi chúng chảy qua bên kia, chúng tạo ra một dòng điện. Với lithium-ion, cách chính để tăng dung lượng là kết nối nhiều con đập nhỏ và nhỏ—một hoặc hai cho điện thoại thông minh của bạn, có lẽ là sáu cho máy tính xách tay của bạn, hàng nghìn cho các cơ sở lớn như cài đặt 150 megawatt sắp tới của Tesla ở miền nam Australia. Nhưng với pin vanadium flow, thay vì xây thêm nhiều con đập, bạn xây một hồ chứa lớn hơn. Để gom nhiều năng lượng hơn, nói cách khác, bạn chỉ cần thêm điện giải vào bể.

Vanadium từng là một loại không tên cho đến khi Henry Ford nhặt nó từ quên lãng và sử dụng nó để tạo ra hợp kim thép nhẹ, bền bỉ cho mô hình T. Cho đến những năm 1980, nguyên tố này mới lần đầu tiên xuất hiện trong pin. Các nhà nghiên cứu tại NASA và nơi khác đã nghịch ngợm với một công thức khác, sắt-crom, và liên tục phát hiện ra rằng hai nguyên tố sẽ tràn qua màng ngăn cách chúng, làm giảm dung lượng pin. Sau đó, một nhóm kỹ sư hóa học ở Australia, trong số họ có một người phụ nữ tên là Maria Skyllas-Kazacos, đã có một sự giác ngộ giống như của Ford. “Cách duy nhất để tránh sự trộn lẫn là phải có cùng một nguyên tố ở cả hai nửa,” cô nói với tôi. Skyllas-Kazacos và đồng nghiệp của bà đã kiểm tra bảng tuần hoàn để tìm ứng viên. Họ phát hiện, vanadium, là một chất dẫn electron tốt. (Dung dịch điện giải thậm chí còn có một loại chỉ báo màu tích hợp: Với đủ electron, nó có màu lilac. Khi cạn kiệt, nó có màu vàng nhạt. Ở giữa, nó có màu xanh lam.) Đến năm 1986, Đại học New South Wales đã nộp đơn bằng sáng chế đầu tiên.

Và sau đó … thời gian trôi qua. Skyllas-Kazacos và đồng nghiệp tiếp tục hoàn thiện thiết kế của họ. Ban đầu, cô nói, họ nghĩ nhiều hơn về việc lưu trữ năng lượng cho cộng đồng xa xôi ở Outback hơn là giảm tác động nhà kính. Tuy nhiên, bà biết rằng sáng chế của đội của bà, mà bà sẽ được đặt tên vào Đạo kiện Australia, sẽ cuối cùng thu hút sự quan tâm của chính phủ và các công ty muốn áp dụng nhiều nguồn năng lượng tái tạo hơn. “Chúng tôi nghĩ rằng điều đó sẽ xảy ra sớm hơn nhiều,” Skyllas-Kazacos nói mỉa mai. Bản quyền đầu tiên hết hạn vào năm 2006; chỉ trong thập kỷ gần đây, lưu trữ năng lượng quy mô lớn mới thu hút sự chú ý rộng rãi.

Pin là những người mới đến trong cảnh lưu trữ. Công nghệ cũ hơn, ổn định hơn đã cho phép các công ty điện lực chuyển đổi điện giá rẻ, ngoại giờ thành năng lượng tiềm năng. Một lựa chọn: Nhồi các hang muối dưới lòng đất bằng khí nén, sau đó sử dụng nó sau này để đốt cháy máy phát điện. Một lựa chọn khác, là lựa chọn phổ biến nhất: Bơm nước từ hồ chứa thấp lên hồ chứa cao, tạo ra các con đập thủy điện có thể tái tạo. Nhưng các phương pháp khác nhau hoạt động tốt nhất ở các cộng đồng khác nhau. Khi bạn đối mặt với một cuộc khủng hoảng ảnh hưởng đến mọi góc trái đất, từ San Diego đến New South Wales, việc có nhiều lựa chọn là điều tốt.

Pin vanadium quy mô lưới có một số điểm yếu rõ ràng. Chúng phải lớn để có ích, điều này có nghĩa là chúng chiếm nhiều diện tích đất. Và vì vanadium vẫn là một thành phần quan trọng trong ngành thép, giá của nó có thể biến động: Khi Trung Quốc xây dựng, chi phí tăng. Nhưng như bất kỳ ai đã cố gắng kiểm tra hành lý tại sân bay biết, pin lithium-ion có thói quen tự châm ngổn. Chúng cũng suy giảm theo thời gian, đặc biệt là nếu chúng bị hết hoặc để không sử dụng trong thời gian dài. Ngược lại, pin vanadium không cháy và rất ổn định. Chúng có tuổi thọ lâu, lý thuyết là vô thời hạn. Một số bộ phận cần được thay thế đôi khi, nhưng tuổi thọ của điện giải không bao giờ bị cạn kiệt. Bạn có thể, kỹ sư San Diego nói với tôi với sự vui mừng rõ ràng, đổ dung dịch vào một chiếc xe tải và lái nó qua đường, và nó sẽ giữ nguyên độ sạc ở đầu kia của chuyến đi. Nó không bị mòn sau hàng trăm hoặc hàng nghìn chu kỳ sạc-xả. “Bạn có thể chạy lên xuống cả ngày,” Jose Cardenas, kỹ sư dự án nói—hoặc, chẳng hạn, cả đêm.

Khi bạn mua một sản phẩm bằng cách sử dụng liên kết bán lẻ trong câu chuyện của chúng tôi, chúng tôi có thể kiếm được một khoản hoa hồng nhỏ. Đọc thêm về cách điều này hoạt động.

EVA HOLLAND (@evaholland) là tác giả của Nerve: Cuộc phiêu lưu trong Khoa học về Sợ. Bà đã viết về y học dự phòng trong số 26.04.

Bài viết này xuất hiện trong số tháng 4. Đăng ký ngay bây giờ.

Hãy cho chúng tôi biết ý kiến của bạn về bài viết này. Gửi thư đến biên tập viên theo địa chỉ [email protected].

Vấn đề Khí hậu | Làm thế nào chúng ta sẽ đẩy năng lượng hóa thạch vào sự tuyệt chủng

• Wyoming Đối Mặt Với Số Phận Điện Gió của Mình
• Một Lưới Điện Xanh Thực Sự Sẽ Cần Những Chiếc Pin Lớn
• Trí Tuệ Nhân Tạo Tiết Kiệm Năng Lượng Đang Đến Với Bảng Điều Khiển Nhiệt Độ Văn Phòng Của Bạn
• Quản Lý Địa Cơ Là Một Lựa Chọn. Chỉ Cần Đọc Kỹ Văn Bản
• Năng Lượng Mặt Trời Là Bền Vững Cho Nền Kinh Tế, Quá
• Panel Năng Lượng Mặt Trời Có Thể Là Cây Cầu Thang Tốt Nhất Mọi Khi