Ảnh: nguyên lý hoạt động của pin dòng chảy. (Nguồn: wikipedia)
Tổng thống đắc cử Donald Trump đã hứa sẽ cho khai thác nhiên liệu hóa thạch trở lại trong những năm tới, bởi vì ông không tin vào biến đổi khí hậu. Chính sách này hoàn toàn ngược lại với những nỗ lực bảo vệ môi trường mà chính quyền Biden đã thực hiện. Nước Mỹ đang loay hoay, mất định hướng trong vấn đề cứu địa cầu trước những thảm họa thiên nhiên ngày càng khốc liệt mà người dân Mỹ đang phải gánh chịu trong vài năm qua.
Có vẻ như Hoa Kỳ là quốc gia phát triển duy nhất trên thế giới không thể có một chính sách nhất quán về vấn đề nguồn nhiên liệu cho tương lai. Những quốc gia công nghiệp khác, trong đó có Nhật Bản, vẫn giữ vững nguyên cam kết về vấn đề bảo vệ môi trường. Một bài viết đăng trên washingtonpost.com đã tóm tắt nỗ lực của xứ sở hoa anh đào trong việc tận dụng nguồn năng lượng gió và mặt trời thông qua một công nghệ mới: ‘flow battery’ (pin dòng chảy). Câu chuyện được Washington Post kể xảy ra tại Hokkaido, hòn đảo phía Bắc của Nhật Bản.
Trong hàng trăm năm qua, các công ty điện lực phải xây dựng các kho chứa than, khí đốt để vận hành nhà máy điện. Ngày nay, khi thế giới chuyển từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng sạch như gió và mặt trời, các nhà máy điện cần phát triển một phương pháp lưu trữ năng lượng phù hợp: pin hay bình điện.
Hiện tại, công nghệ sản xuất turbine gió và tấm pin mặt trời để phát điện có những bước tiến khổng lồ, đạt được chi phi thấp và quy mô lớn. Theo Cơ Quan Năng Lượng Quốc Tế, năng lượng gió và mặt trời hiện chiếm 15% điện trên toàn cầu. Nhưng nếu không tìm ra được giải pháp lưu trữ, các nhà máy điện gió và mặt trời sẽ để lãng phí điện năng sản xuất.
HIện tại, pin lithium-ion- loại pin dùng cho điện thoại, máy tính xách tay và xe hơi- là kỹ thuật phổ biến được sử dụng, nhưng chúng có nhiều bất tiện. Đó là lý do tại sao công ty Lưới Điện Hokkaido (HEPCO) đang phát triển khai kỹ thuật pin dòng chảy, một loại pin mới có thể lưu trữ năng lượng trong các thùng chứa chất lỏng kim loại khổng lồ.
Sumitomo Electric, công ty xây dựng nhà máy Hokkaido, cũng đã chế tạo pin dòng chảy tại Đài Loan, Bỉ, Úc, Morocco và California. Hệ thống pin dòng chảy của Hokkaido là lớn nhất thế giới khi nó được khánh thành vào tháng 4 năm 2022. Nhưng kỷ lục này chỉ tồn tại một tháng, trước khi Trung Quốc xây dựng một hệ thống lớn gấp tám lần, có công suất tương đương một nhà máy khí đốt tự nhiên trung bình của Hoa Kỳ. Đừng nói rằng Trung Quốc không có ý thức bảo vệ môi trường, không sử dụng nhiên liệu sạch. Một khi bắt đầu thấy một công nghệ mới hoạt động có hiệu quả, Trung Quốc sẽ nhanh chóng mở rộng quy mô sản xuất để giảm chi phí, điều mà họ đã và đang làm rất thành công.
Hình ảnh của các nhà máy điện trong tương lai: Thay vì cất giữ than và khí đốt bên cạnh lò hơi hoặc turbine khí đốt, nhà máy sẽ sử dụng electron để lưu trữ năng lượng bên trong các bộ pin khổng lồ. Nếu thế giới muốn sử dụng năng lượng tái tạo, thì cần phải chuẩn bị ngay từ bây giờ.
Turbine gió và tấm pin mặt trời không gây ô nhiễm, nhưng chúng không thể tạo ra nhiều điện hơn theo nhu cầu. Chúng chỉ sản xuất ra lượng điện năng mà mặt trời và gió cung cấp; với công suất thường xuyên thay đổi trong ngày và trong năm tùy thuộc vào thời tiết. Một cách để giải quyết vấn đề này là sử dụng pin để lưu trữ năng lượng khi nó dồi dào và sử dụng sau đó.
Các công ty điện lực đã xây dựng các cánh đồng pin ở những khu vực có nhiều năng lượng gió và năng lượng mặt trời, chẳng hạn như California và Texas. Cho đến nay, hầu hết các loại pin này đều là pin lithium-ion. Chúng đang được sản xuất hàng loạt cho các ngành công nghiệp khác, nên trở thành lựa chọn mặc định cho các công ty điện lực. Nhưng các chuyên gia cho rằng có những lựa chọn tốt hơn. Pin lithium-ion phù hợp cho điện thoại vì chúng nhẹ và nhỏ gọn. Nhưng chúng không bền, phải thay thế thường xuyên. Các công ty điện có những ưu tiên khác: Họ cần lưu trữ nhiều năng lượng hơn hàng triệu lần; và họ có nhiều không gian để xây dựng các bộ pin. Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế cho rằng nhà máy điện có thể sử dụng những loại pin khác phù hợp hơn, thí dụ như pin dòng chảy vanadium.
Bên trong một nhà kho rộng lớn hai tầng, HEPCO lưu trữ điện trong 130 thùng thép và nhựa sáng bóng. Họ có thể tích trữ đủ năng lượng để cung cấp điện cho hơn 27,000 ngôi nhà trong bốn giờ. Mỗi thùng chứa 10,000 gallon chứa các hạt kim loại vanadium nhỏ, trôi nổi trong nước.
Vanadi là kim loại có thể thay đổi trạng thái. Nếu thêm hoặc bớt electron khỏi nguyên tử của nó, điện tích của nguyên tố sẽ trở nên dương hoặc âm hơn, và màu sắc của nó sẽ thay đổi từ tím sang xanh lá cây, xanh lam và vàng. Khả năng thay đổi điện tích của vanadi là điều khiến nó trở nên hữu ích trong công nghệ pin.
Nguyên lý hoạt động của pin dòng chảy vadani có thể mô tả đơn giản như sau: Một thùng chứa vanadium có điện tích dương hơn; trong khi thùng còn lại chứa vanadi có điện tích âm hơn. Chúng giống như các cực + và - của cục pin gia dụng. Vanadi từ hai thùng chảy qua tế bào pin qua một tấm màng lọc ion, đó là lý do tại sao nó được gọi là pin dòng chảy.
Để sạc pin, năng lượng từ các tua-bin gió sẽ di chuyển các electron từ phía dương sang phía âm; electron hơn được tích tụ vào bình âm. Khi sử dụng năng lượng lưu trữ bên trong pin, các electron sẽ chảy theo hướng ngược lại. Chuyển động của chúng tạo ra dòng điện, cung cấp điện cho các ngôi nhà và doanh nghiệp trên khắp hòn đảo Hokkaido.
Pin dòng chảy vadani được thiết kế để các bình chứa khổng lồ có thể lưu trữ nhiều năng lượng trong thời gian dài. Để tăng khả năng lưu trữ của chúng, chỉ cần xây dựng bình lớn hơn và thêm nhiều vanadi hơn. Đó là một lợi thế lớn so với pin lithium-ion.
Các loại pin dòng chảy nhà máy Hokkaido được thiết kế để lưu trữ năng lượng trong khoảng bốn giờ sử dụng, ngang bằng với pin lithium-ion. Nhưng Sumitomo Electric cho biết họ kỳ vọng sẽ hướng tới mục tiêu tăng gấp đôi thời lượng đó, từ tám đến mười giờ. Đó là khoảng thời gian cần phát điện qua đêm khi các tấm pin mặt trời không hoạt động; hoặc thời gian giữa các đợt gió có thể quay turbine.
Một trong những vấn đề của pin dòng chảy là tìm đủ nguồn cung vanadi. Ba phần tư nguồn cung vadanium của thế giới hiện nay đến từ 10 nhà máy ở Trung Quốc và Nga. Úc, Nam Phi và Hoa Kỳ cũng sản xuất vanadi, nhưng với số lượng nhỏ hơn nhiều. Hiện nay, một số công ty khởi nghiệp về pin dòng chảy đang tìm cách thay thế vanadi bằng các vật liệu khác dễ tìm hơn.
Một trở ngại khác là chi phí đầu tư ban đầu. Pin dòng chảy vanadium đắt gấp đôi so với pin lithium-ion; và các ngân hàng thường ngần ngại tài trợ cho những công nghệ mới. Nhưng các chuyên gia cho biết pin dòng chảy có thể rẻ hơn về lâu dài, vì chúng dễ bảo trì hơn và bền hơn. Pin lithium-ion thường phải thay thế sau 10 năm. Sumitomo Electric cho biết pin dòng chảy của mình vẫn hoạt động tốt trong 20 năm. Và lượng vanadi bên trong có thể được tái sử dụng mãi mãi trong các loại pin trong tương lai.
Cho đến nay, pin dòng chảy vadani đang hoạt động tốt ở Hokkaido, nơi đang sử dụng 20% điện năng từ gió và mặt trời. Tại đây không phải đối mặt với tình trạng mất điện, và lãng phí điện năng gần như bằng không. Hokkaido đang tiếp tục xây dựng nhiều năng lượng tái tạo hơn, tiến gần hơn đến mục tiêu cắt giảm khí thải nhà máy điện xuống mức bằng 0 vào năm 2050.
Các chuyên gia cho rằng thế giới sẽ cần xây dựng thêm nhiều kho pin tương tự để đáp ứng mục tiêu cắt giảm khí thải nhà kính xuống mức bằng 0 vào năm 2050. Theo Cơ Quan Năng Lượng Quốc Tế, trong sáu năm tới, các công ty điện sẽ phải xây dựng số lượng pin gấp 35 lần so với hiện nay để hấp thụ tất cả năng lượng tái tạo bổ sung sẽ được đưa vào sử dụng.
Việt Báo biên dịch
Gửi ý kiến của bạn
