Điều gì sẽ xảy ra khi nhà nào cũng làm điện mặt trời
Hãy thử tưởng tượng, tại thành phố Hồ Chí Minh và vùng phụ cận với ước tính khoảng 3 triệu mái nhà và mỗi mái nhà xây dựng một trạm điện mặt trời áp mái (ĐMTAM) công suất 5kWp (Kilo Watt Peak). Về mặt tài chính, nếu tính theo thời giá của năm 2023, mức chi trả để lắp đặt trạm điện mặt trời áp mái công suất 5kWp vào khoảng 70.000.000 đồng cũng là không quá cao so với khả năng tài chính của đa số các hộ gia đình, cơ quan…
Với cường độ bức xạ trung bình tại thành phố Hồ chí Minh vào khoảng 5kWh/m2/ngày, phép tính cho ta thấy, mỗi ngày hệ thống nhà máy điện mini này sẽ cung cấp cho thành phố khoảng 75.000.000 kWh, tức là tương đương với mức điện năng cho tất cả các hoạt động của thành phố.
Tuy nhiên nếu điều đó xảy ra, chắc chắn rằng, thành phố Hồ Chí Minh cũng không thể “tự cung tự cấp” điện năng cho các hoạt động của mình được vì các lẽ sau:
Thứ nhất: Hầu hết điện năng do điện mặt trời áp mái tạo ra đều lệch pha về thời gian so với nhu cầu sử dụng. Cụ thể là những giờ cao điểm (đầu giờ sáng và buổi tối) khi nhu cầu sử dụng điện lớn thì lại không có điện mặt trời vì chưa có nắng hoặc đã hết nắng.
Thứ hai: Hầu hết điện mặt trời phải được phát lên lưới để chia sẻ cho các địa phương khác. Song, trong trường hợp này, chắc chắn lưới điện sinh hoạt của thành phố sẽ không thể chịu nổi vì quá tải. Sự cố quá tải lưới điện sinh hoạt có thể tiềm tàng nhiều nguy cơ hơn trường hợp quá tải ở lưới điện quốc gia. Chình vì vậy, cho đến thời điểm hiện tại (cuối năm 2023) chính phủ vẫn chưa cho phép điện mặt trời mái nhà mới xây dựng phát điện lên lưới.
Công nghệ lưu trữ điện phải đồng hành với điện mặt trời
Công nghệ lưu trữ điện đã ra đời cùng với sự xuất hiện của điện mặt trời. Song việc lưu trữ điện bằng ắc quy axit từ những năm 1980 - 2000 đã lỗi thời vì dung lượng nhỏ và tạo ra nhiều chất thải axit và chì ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe của con người.
Để lưu trữ điện cho những nhà máy điện mặt trời công suất lớn, người ta đã đưa ra nhiều giải pháp khác nhau. Giải pháp hữu hiệu đầu tiên là “Thủy điện tích năng”, tức là dùng năng lượng điện mặt trời lúc dư thừa để bơm nước lên những bể chứa lớn ở một độ cao nhất định rồi cho dòng nước chảy xuống một hồ chứa ở vị trí thấp hơn qua một đường ống, làm quay tua bin phát điện vào những giờ cao điểm (Hình 1). Phương pháp này hiện chiếm khoảng 90% điện năng lưu trữ trên toàn thế giới được áp dụng khá rộng rãi tại Hoa Kỳ, Trung Quốc và Nhật bản… Ở Việt Nam, chúng ta đã khởi công xây dựng nhà máy thủy điện tích năng ở Bắc Ái, Ninh Thuận (Hình 2) công suất 4 x 300 MW với vốn đầu tư 21.000 tỷ đồng và dự kiến vận hành vào năm 2029.
Ngoài ra, người ta cũng có thể dùng một loạt công nghệ khác như công nghệ Hydro (sử dụng điện mặt trời để điện phân Hydro làm nhiên liệu), công nghệ muối nóng (lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt năng của muối nóng), công nghệ khí nén (lưu trữ năng lượng bằng khí nén trong bể kín), công nghệ bánh đà (lưu trữ năng lượng bằng động năng của các bánh đà khổng lồ)… Nói chung các quá trình này đều tốn kém, và hiệu quả rất thấp.
Lưu trữ bằng pin
Khoảng mười năm nay, pin Lithium, tốt hơn, đã thay thế các loại ắc quy axit để lưu trữ điện mặt trời và trở thành công nghệ ưu việt, được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới. Người ta cũng đã xây dựng được nhiều nhà máy lưu trữ điện có dung tích hàng trăm MWh bằng pin Lithium tại Hoa Kỳ, Trung Quốc, Úc, Singapore… Hình 3).
Pin Lithium được nhà hóa học người Anh M. Stanley Whittingham phát minh vào 1970 và đạt giải thưởng Nobel hóa học 2019. Với những tính năng ưu việt như gọn nhẹ, mật độ năng lượng cao và tuổi thọ dài 5-10 năm, pin Lithium và các biến thể của nó đang được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết bị cầm tay và đặc biệt là trên phương tiện giao thông, tàu ngầm… Song pin Lithium cũng có nhiều nhược điểm, mà trước hết phải kể đến là dễ bị cháy nổ do phát nhiệt khi đang sạc hoặc sử dụng ở cường độ cao. Nói đến chuyện này, chắc ai ai cũng còn nhớ sự cố năm 2017 khi pin Lithium của điện thoại di động NOT7 của Samsung bị nổ dẫn đến chúng bị cấm hành khách mang theo khi đi máy bay. Sự cố này đã làm cho Samsung thiệt hại xấp xỉ 3 tỷ dolar. Trong một vài vụ hỏa hoạn nghiêm trọng gần đây tại Việt Nam, người ta đều cho rằng, nguyên nhân là do cháy nổ pin của xe điện khi đang nạp. Ngoài ra, pin Lithium khi hết hạn sử dụng là chất thải nguy hại có thể ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường
Pin Vanadium có thể là tương lai của công nghệ lưu trữ điện
Pin Vanadium được Maria Skyllas và Kazacos, trường đại học New South Wales (Australia) phát minh vào những năm 1980. Phát minh dựa trên một đặc tính hóa học đặc biệt của nguyên tố Vanadium là chúng có 4 hóa trị. Cụ thể là Vanadium có hóa trị hai trong VO, hóa trị ba trong V2O3, hóa trị bốn trong VO2 và hóa trị năm trong V2O5 (Hình 4). Người ta tạo ra hai hệ điện ly khác nhau bằng cách cho các oxyt trên hòa tan trong axit sulfuric (Hình 5).
Trong hình 5, phía trái (màu đỏ) là dung dịch điện li chứa các ion V5+, V4+, phía phải là dung dịch chứa các ion V3+ và V2+. Như vậy, ngay trong trạng thái bình thường, phía trái đã có điện thế dương so với phía phải tức là chúng đã tạo thành một cái pin. Giữa hai hệ điện li, người ta đặt một màng điện cực bằng vật liệu nano carbon. Màng này cho phép các ion có thể thẩm thấu qua. Các bơm tuần hoàn giúp ổn định mật độ các ion ở hai bên màng điện cực, giúp tất cả các ion đều được hoạt hóa để hệ pin luôn hoạt động ổn định ở công suất lớn. Bộ biến đổi AC/DC chính là tải hoạt động của pin Vanadium.
Trong quá trình sạc, các electron từ mạch ngoài (ở đây là điện lưới hoặc điện mặt trời) sẽ khử các ion V5+, V4+ thành V3+ và V2+, còn trong quá trình xả, các ion V3+ và V2+ sẽ mất các electron và trở thành V5+, V4+
Hiện nay, người ta đã tạo ra pin chảy trên nhiều nguyên tố như hệ pin Crome-Niken hay Zinc-Bromic.
Ưu điểm của các pin chảy là (1): Độ bền cao từ 20 đến 30 năm ứng với khoảng 20.000 chu kỳ phóng nạp (so với khoảng vài nghìn lần của pin Lithium hoặc vài trăm lần của pin a xít), (2): Khả năng phóng điện sâu đến 100%, trong khi Pin Lithium chỉ đạt 75%; (3): Có thể chế tạo với dung tích rất lớn hàng vài m3, thậm chí đã có những dự án xây dựng hệ pin chảy mà bể dung dịch điện phân lớn bằng một sân bóng đá, (4): Nhiệt độ hoạt động thấp vì chứa chủ yếu là nước nên không gây ra cháy nổ, (5): Điều quan trọng là pin Vanadium khá ít độc hại đối với môi trường vì các vật liệu sử dụng trong hệ pin Vanadium đều có thể tái sử dụng cho các hoạt động công nghiệp khác hoặc chế tạo các hệ pin Vanadium mới.
Nhược điểm chính của pin Vanadium khiến chúng chưa được sử dụng rộng rãi là mật độ năng lượng của nó thấp hơn nhiều so với pin Lithium. Nhược điểm này khiến các tổ hợp pin Vanadium thường cồng kền hơn so với các đối thủ của chúng. Ngoài ra giá của pin Vanadium cũng còn khá cao so với pin Lithium.
Hiện trạng thị trường pin Vanadium trên thế giới
Theo thống kê, năm 2019 có khoảng 365 GWh pin chảy pin Vanadium được sản xuất trên toàn thế giới, trong đó Trung Quốc (75%), Hoa Kỳ (9%), Hàn Quốc (7%) và Châu Âu (5%) và phần còn lại từ Thái Lan, Nhật Bản… Tuy nhiên đến 2023 toàn thế giới đã có 1500 GWh pin chảy, tức là tăng lên bốn lần so với 2019, trong đó Trung Quốc vần là nước đứng đầu với khoảng 65%.
Hiện nay, pin Vanadium được sản xuất với mọi dải dung lượng, từ một vài kWh với quy mô sử dụng trong gia đình đến hàng MWh trong các container, (Hình 6). Tuy nhiên các nhà sản xuất thường chú trọng sản xuất các container pin Vanadium lớn để lưu điện trong các nhà máy điện mặt trời hoặc chở đến những nơi không thể tiếp cận với điện lưới.
Như vậy, cùng với pin Lithium, pin Vanadium sẽ “sửa chữa khuyết điểm” cho các nguồn NLTT không liên tục, góp phần điều hòa, làm mịn công suất tải, và “kéo dài” thời gian phục vụ của điện mặt trời.
Hãy thử làm bài toán tài chính với pin Vanadium
Chúng ta có thể thấy rằng, pin Vanadium và các loại pin khác không chỉ đồng hành vớí điện mặt trời mà còn là “kho chứa” của các nhà máy điện truyền thống khác vào giờ thấp điểm. Cụ thể là nhiều nhà máy điện phải bán điện với giá thành rất thấp (đôi khi chỉ là 1000 đ/kWh vào giờ thấp điểm). Trong trường hợp này, người ta dùng hệ thống pin lưu trữ để lưu trữ điện vào những giờ thấp điểm (2g - 5g sáng) để phát vào giờ cao điểm lúc 6g - 8g sáng.
Về măt kinh tế, ta hãy làm một ví dụ dùng một container pin Vanadium điện lượng 1MWh vừa lưu trữ điện mặt trời dư thừa vừa nạp điện giờ thấp điểm để bán vào giờ cao điểm trong một ngày, với các dữ liệu sau:
(1): Giá một container pin Vanadium điện lượng 1MWh với đầy đủ các phụ kiện, sẵn sàng hoạt động, được đóng thành một container có giá 10 tỷ VNĐ tức là đắt gấp gần ba lần so với pin Lithium.
(2): Chênh lệch giá điện giờ cao điểm và thấp điểm trung bình là 2.000 đ/kWh (cao nhất có thể tới 3.000 đ/kWh).
(4): Nạp đầy điện mặt trời dư thừa (giá 0 đồng/kWh) và bán hết trong khung giờ cao điểm buổi tối với giá 2.500 đ/kWh.
(5): Giả sử pin phóng sâu được 90% (thực ra là xấp xỉ 100%).
Ta tính được:
(6): Buổi sáng bán 900kWh với số tiền lãi 1.500.000 đồng, tổng thu 1.350.000 đồng
(7): Buổi tối bán 900kWh với số tiền lãi 2.500 đồng, tổng thu 2.250.000 đồng
(8): Mỗi ngày thu được 3.600.000 đồng, mỗi năm thu được 1.314.000.000 đồng
(9): Thờ gian hoàn vốn: 10.000.000.000 đ/1.314.000.000đ/năm = 7,6 năm = 8 năm
(10): Sau thời gian hoàn vốn, chủ đầu tư sẽ có lãi 1.314.000.000đ/năm trong 12 năm còn lại trong vòng đời của pin lưu trữ Vanadium sẽ thu được khoảng 15,7 tỷ đồng. Đây có thể là một hình thức kinh doanh thực sự ích nước, lợi nhà.
Những vướng mắc hiện tại và hãy tin ở tương lai
Hiện tại, nhà nước chưa có chủ trương và chính sách cho việc phát điện lên lưới từ nguồn điện lưu trữ. Tuy nhiên, theo nhận thức của người viết, vướng mắc này chỉ là nhất thời. Với các mục tiêu của Quy hoạch điện VIII và đặc biệt là các cam kết mạnh mẽ của Việt Nam về Net-Zero tại COP 26 và gần đây nhất là COP 28 (12/2023) tại Dubai, công nghệ lưu trữ điện năng sẽ được triển khai mạnh mẽ trong một tương lai gần và pin Vanadium nhất định sẽ có tương lai ở Việt Nam./.
Tài liệu tham khảo:
1. Lê Hải Hưng, “Nhận thức đúng những hạn chế của của điện Mặt Trời để có quyết sách đúng về năng lượng”, Tạp chí Ánh sáng và Cuộc sống 9/2019.
2. Lê Hải Hưng, “ĐHXD Điện Mặt Trời hộ gia đình, tương lai của năng lượng tái tạo Việt Nam”, Hội thảo KHCN Việt Nam - Vương quốc Bỉ, DDHXD, 6/2019.
3. Lương Bằng, “Điện mặt trời mái nhà lâm cảnh “Ăn cơm nhà vác tù và hàng tổng”, Vietnamnet 11/12/2023.
4. Vanadium Redox Battery Wikipedia.
5. Một số thông tin từ EVN và Internet.
