Dự án lưu trữ năng lượng tái tạo mới: "cất điện" trong cần cẩu tháp cao rồi sử dụng lực hấp dẫn của chính Trái Đất để tạo điện

Tại thị trấn Arbedo-Castione nằm kế dãy núi Alps đồ sộ, chúng ta sẽ sớm thấy công trình kiến trúc lạ kỳ nhất Thụy Sĩ: một cần cẩu cao 120 mét với 6 cánh tay lực lưỡng, khéo léo nhấc và sắp xếp gọn gàng từng khối đất nén thành một ngọn tháp cao khuất tầm mắt; chứng kiến cần cẩu trăm mét vận hành, bạn sẽ ngay lập tức liên tưởng tới trò chơi City Bloxx trên máy Nokia thuở xưa. Khi cần cẩu đảo ngược lại quá trình xây tháp, lực hấp dẫn của Trái Đất sẽ kéo từng khối đất nén ấy xuống để rồi tạo ra năng lượng.

Doanh nghiệp tạo nên công trình này là Energy Vault, và cái cần cẩu cao đi kèm mong ước giải quyết vấn đề nan giải nhất nhì ngành năng lượng tái tạo: đó là lưu trữ được số năng lượng tạo ra được biến thiên theo giờ, bất ổn như thời tiết của các hệ thống tạo điện từ gió và Mặt Trời. Hai mô hình sinh năng lượng vừa nêu đều sạch, đều là ứng cử viên sáng giá trong chặng đường tìm kiếm thứ thay thế nhiên liệu hóa thạch, nhưng chúng quá bất ổn để trở thành nền móng cho nhân loại tương lai phát triển.

Cần cẩu tháp lưu trữ năng lượng tái tạo.

Nếu không tìm ra được cách tạo năng lượng khi trời nhiều mây và lặng gió, thì lưới điện thế giới nói chung và các ngành công nghiệp trọng yếu nói riêng không thể vận hành dựa trên năng lượng tái tạo.

"Bạn muốn 100% năng lượng được cung cấp cho lưới điện không tạo ra khí thải carbon, thế nhưng lại không nhiều cách tạo ra năng lượng như vậy", Eric Toone nhận định. Ông là giáo sư hóa học tại Đại học Duke và giám đốc điều hành của Breakthrough Energy Ventures - quỹ đầu tư mạo hiểm chuyên rót vốn cho những startup tìm cách cất trữ năng lượng sạch.

Cũng theo lời ông Toone nhận định, để loại bỏ khí thải carbon khỏi ngành năng lượng thông qua Mặt Trời và gió, khả năng lưu trữ năng lượng phải phát triển hơn nữa.

Nguồn tài nguyên vô tận nhưng chẳng biết cất đâu

Các nhà nghiên cứu, các nhà đầu tư dồi dào vốn liếng đang cố gắng tìm mọi cách để cất trữ năng lượng tái tạo cho hiệu quả.

Công nghệ được việc nhất hiện tại chính là pin lithium-ion, thứ công nghệ đang tiếp sức cho toàn bộ ngành điện tử thời điểm hiện tại và mang cả trọng trách cách mạng hóa giao thông vận tải. Quá trình tạo pin li-ion ngày một rẻ đi, nhưng tuổi thọ chúng không cao mà dây chuyền sản xuất cần tới đất hiếm - một thứ tài nguyên đã ít ỏi mà lại sở hữu quy trình sản xuất độc hại vô cùng. Nhiều công ty đang tìm cách sử dụng các chất hóa học rẻ hơn, sạch hơn và sẵn hơn như khí nén hay hydro, vẫn chưa ai tìm ra được cách thay thế pin li-ion hiệu quả nhất.

Energy Vault là một startup khác tiếp cận vấn đề lưu trữ năng lượng, họ cũng tìm kiếm một nguồn tài nguyên rẻ và sẵn. Hóa ra đó là lực hấp dẫn của chính hành tinh ta đang đứng.

Để biến công nghệ không tưởng này thành sự thật, công ty Thụy Sĩ nhận được số vốn 110 triệu USD từ Quỹ Vision của Softbank; công trình của họ là một cần cẩu tháp 6 tay cần, chịu trách nhiệm xếp và dỡ 35 tấn nguyên vật liệu được đúc thành từng khối vuông vắn để tạo năng lượng. 

Khi các hệ thống năng lượng tái tạo (như trang trại điện gió và điện Mặt Trời) tạo ra năng lượng thặng dư, thuật toán của Energy Vault sẽ ra lệnh cho cần cẩu tận dụng năng lượng đó để xếp các khối đất thành một tháp cao - những khối đất có được trong quá trình đào móng dựng lên chính cái cần cẩu kia.

Khi nhu cầu sử dụng điện tăng cao - những giờ cao điểm sử dụng điện của các hộ gia đình tới, cầu cẩu sẽ dỡ các khối đất khỏi tháp. Động lực tạo ra từ việc khối đất bị lực hấp dẫn của Trái Đất kéo xuống mặt đất sẽ làm quay máy phát và tạo điện.

Theo tính toán của Energy Vault, một dự án chuẩn với 20 cần cẩu tháp sẽ tạo ra lượng điện đủ dùng cho 40.000 hộ gia đình trong 24 giờ. Theo thời gian, chi phí sản xuất điện theo cách này sẽ thấp hơn việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

Ngoài công trình tại Arbedo-Castione, nhiều dự án tạo điện dựa trên lực hấp dẫn của Trái Đất đang được phát triển tại Scotland, Đức, Mỹ và Ma-rốc.

Startup Gravitricity có trụ sở tại Edinburgh, Scotland không tính tới chuyện xây tháp mà tận dụng những khu mỏ bỏ hoang. Những hệ thống trục sẽ kéo 12.000 tấn vật nặng lên để rồi thả cho nó rơi tự do xuống mỏ sâu. Gravitricity tin rằng họ có thể tạo ra điện với giá thành chỉ bằng nửa số tiền bỏ ra để sản xuất pin li-ion mà lại không hao tổn năng lượng.

Khác với cần cẩu của Energy Vault có thể tạo điện không ngừng trong khoảng thời gian 8-16 giờ, quả nặng đặt trong lòng đất của Gravitricity sẽ chỉ có thể tạo ra năng lượng trong khoảng thời gian từ 15 phút cho tới 8 giờ.

Đây là nỗ lực cải tiến cách tận dụng lực hấp dẫn

Ý tưởng đứng đằng sau các dự án này là hậu duệ của bơm hydro đã tồn tại cả thập kỷ nay: ta sử dụng điện thừa để bơm nước ngược lên cao, rồi khi cần điện lại đổ nước xuống để vận hành turbine. "Thế nhưng ta lại không thể xây đập mới bởi công chúng phản đối việc lấy đất xây đập và làm thay đổi quang cảnh khu vực", CEO của công ty Gravity Energy AG, Horatio von John nói. Ông von John hiểu rõ mình sẽ phải đối mặt với phản ứng dữ dội từ cộng đồng, nên đã đầu tư vào bể ngầm dưới đất, sử dụng năng lượng thừa để vận hành piston thủy lực.

Mô hình bơm hydro để tích trữ năng lượng tái tạo thừa.

"Với công nghệ bơm hydro, ta sẽ cần nhiều kilomet vuông ở vị trí đất đồi nào đó, với hồ trên cao và hồ dưới thấp và rồi đặt một nhà máy thủy điện nữa", ông nói. Còn bể ngầm của ông thì tiết kiệm diện tích hơn nhiều, chỉ có kích cỡ tương đương sân bóng và có khả năng tạo ra 1.000 megawatt điện trong khoảng 4 tới 10 giờ.

So sánh hai hệ thống của Gravitricity và Gravity Energy AG, ta đều thấy chúng kém hiệu quả hơn cần cẩu của Energy Vault. Theo lời các nhà phát triển cầu cẩu tháp tạo điện, chỉ với quy trình bảo trì cơ bản, hệ thống có thể vận hành được tới hơn 40 năm, rõ ràng là hiệu quả hơn pin truyền thống. Với khoản đầu tư tầm 8-9 triệu USD, họ có thể lưu trữ năng lượng với giá khoảng 1.100 VNĐ/kilowatt-giờ điện, đi kèm với việc "không tiêu hao năng lượng" và "chi phí vận hành thấp".

Với số tiền hơn 100 triệu USD nhận về từ SoftBank, Energy Vault sẽ tăng quy mô dự án lên thêm vài lần. Robert Piconi, CEO của Energy Vault, dự định xây cần cẩu tháp cao 150 mét bên cạnh những cần cẩu 120 mét như dự tính ban đầu.

Theo lời chuyên gia, hệ thống trữ và xả điện dựa vào lực hấp dẫn sẽ là phương pháp cân bằng lưới điện hữu hiệu. Lượng điện sản xuất được bằng các hệ thống điện Mặt Trời/gió bất thường, có thể sinh ra nhiều nhưng lại lệch với khung giờ sử dụng điện của các hộ gia đình; điện Mặt Trời sinh ra nhiều vào buổi sáng, nhưng làm gì có mấy hộ gia đình ở nhà để dùng điện? Mà điện Mặt Trời/gió lại quá bất ổn để duy trì hoạt động doanh nghiệp, từ đó dẫn đến tình trạng thặng dư năng lượng tái tạo.

Một hệ thống tận dụng lực hấp dẫn để lưu trữ điện vượt mặt pin li-ion ở hai điểm:

- Hệ thống sẽ không xuống cấp nhanh như pin: hiển nhiên vòng sạc-xả của một sợi cáp cần cẩu sẽ dẻo dai hơn phản ứng hóa học xảy ra bên trong một viên pin.

- Có thể dễ dàng điều chỉnh lượng năng lượng đầu ra của cần cẩu tháp điện thông qua việc điều chỉnh cân nặng của khối vật chất. Khối nhỏ được thả từ từ sẽ tạo ra lượng năng lượng vừa phải trong thời gian dài, còn khối lớn được thả rơi sẽ tạo ra luồng năng lượng lớn.

Thế nhưng đây không phải hệ thống hoàn hảo; công nghệ đứng đằng sau để tính toán cân nặng và vị trí đặt từng khối một cách chính xác. Theo lời ông Piconi, thuật toán của Energy Vault đã có thể bù được yếu tố thời tiết hay chất lượng cần cẩu giảm sút theo thời gian.

Chỉ dựa dẫm vào hệ thống mới này thì không đủ

Trong khi ứng dụng lực hấp dẫn để lưu trữ năng lượng tái tạo, khoa học vẫn cứ cải tiến công nghệ pin li-ion cũ, bên cạnh đó tìm thêm những hướng đi mới. Bấy lâu nay, ta vẫn cứ liên tục thấy tin tìm ra công nghệ pin mới hòng thay thế được pin lithium-ion dễ cháy nổ; đây là dấu hiệu tốt cho thấy khoa học dù chưa thành công những vấn đi được đúng hướng.

Có thể kể đến những cách sản sinh và lưu trữ năng lượng khác như biến năng lượng tái tạo thừa thành nhiệt năng. Startup Malta đang nghiên cứu việc sử dụng nhiệt để nung chảy muối ở nhiệt độ hơn 90 độ C, rồi dùng cả điện để làm lạnh một hợp chất khác. Khi cần năng lượng, hệ thống sẽ đảo ngược quá trình trên để có được dòng không khí lạnh và nóng, kết hợp chúng lại để tạo ra hơi nước vận hành turbine.

Mô hình thiết bị của starup Malta.

Thời gian gần đây, khoa học còn tìm cách tận dụng hydro - nguyên tố nhiều nhất trong Vũ trụ này - để làm nguồn nguyên liệu sạch. Ở thời điểm hiện tại, quá trình này vẫn còn tốn kém nhưng ít nhất, các nhà nghiên cứu vẫn đạt được những đột phá nhất định.

Nỗi khổ làm được ra điện sạch nhưng lại chẳng cất được vào đâu vẫn cứ đau đáu. Nhưng may mắn thay, ngành lưu trữ năng lượng đang có những bước đi đúng hướng. Ở thời điểm hiện tại, ta hãy cùng chờ sự xuất hiện của những cần cẩu tháp dự trữ năng lượng, cung cấp điện năng cho hộ gia đình bằng chính thứ lực đang níu giữ thực tại lại với nhau.