Khả năng pin trọng lực ’soán ngôi’ pin lithium-ion

Khác với pin lithium-ion, pin trọng lực dựa vào các nguyên lý vật lý cơ bản thay vì đất hiếm.

Khả năng thay thế

Energy Vault Hệ thống pin trọng lực công ty Energy Vault xây dựng tại Thụy Sĩ. Ảnh: Energy Vault

Theo trang Interesting Engineering (Mỹ), trong bối cảnh quá trình chuyển đổi toàn cầu sang năng lượng tái tạo tăng tốc, việc lưu trữ điện được tạo ra từ năng lượng tái tạo không liên tục, ví dụ như Mặt Trời và gió, trở nên ngày càng cấp thiết. Sản lượng điện thường giảm mạnh khi Mặt Trời lặn hoặc gió yếu. Đồng thời, nhu cầu có thể tăng đột biến bất ngờ, gây áp lực lên lưới điện.

Hơn thế nữa, xe điện (EV) phổ biến hơn trên đường phố cũng báo hiệu tương lai nhu cầu điện có thể tăng vọt. Bên cạnh đó, Interesting Engineering đánh giá rằng sự mở rộng nhanh chóng của các ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI), đòi hỏi sức mạnh tính toán khổng lồ, làm tăng nhu cầu về năng lượng ổn định, đáng tin cậy.

Các lưới điện truyền thống có thể gặp khó khăn với hàng loạt nhu cầu cao này. Do đó, lưu trữ năng lượng quy mô lớn, thường được đo bằng megawatt-giờ (MWh) hoặc gigawatt-giờ (GWh), là điều cần thiết để đảm bảo khả năng cung cấp điện.

Giải pháp được ưa chuộng cho đến nay là pin lithium-ion. Mặc dù phổ biến nhưng công nghệ lithium-ion vẫn có những vấn đề riêng. Một trong số đó là việc khai thác lithium và một số nguyên tố đất hiếm có thể gây tổn hại đến môi trường.

Hơn thế nữa, theo trang Live Science, khi hoạt động trong môi trường nhiệt độ thấp, số liệu hiệu suất của pin lithium-ion như dung lượng, công suất đầu ra và tuổi thọ chu kỳ, giảm đáng kể. Các nghiên cứu cho thấy, trong môi trường có nhiệt độ xuống dưới -40 độ C, dung lượng pin lithium-ion có thể giảm 12%.

Không những vậy, pin lithium-ion còn xuống cấp theo thời gian, mất đi dung lượng và mang nhiều thách thức trong việc tái chế. Chi phí của chúng dao động theo địa chính trị và sự phụ thuộc vào chuỗi cung ứng. Trung Quốc hiện kiểm soát khoảng 72% thị trường lithium-ion. Những yếu tố này thúc đẩy các chính phủ và công ty tìm kiếm các giải pháp thay thế. Từ đây, tân binh tiềm năng xuất hiện, đó là pin trọng lực.

Cơ chế hoạt động của pin trọng lực

Pin trọng lực, về bản chất là tận dụng năng lượng tiềm năng. Mỗi khi bạn nâng một vật thể, bạn đã đầu tư năng lượng vào khối lượng đó. Nhờ vào trọng lực, năng lượng này sẽ được lưu trữ cho đến khi vật thể rơi xuống. Vào bất kỳ thời điểm nào, bạn có thể để vật thể hạ xuống một cách có kiểm soát, sử dụng máy phát điện hoặc tua-bin để chuyển đổi năng lượng động học từ sự rơi xuống thành điện năng.

Khác với năng lượng hóa học trong pin, vốn bị suy giảm qua các chu kỳ lặp lại, năng lượng tiềm năng trọng lực không hao mòn theo thời gian. Miễn là các bộ phận cơ học vẫn hoạt động, năng lượng lưu trữ có thể được giải phóng khi cần.

Mặt khác, pin trọng lực sử dụng trọng lượng rắn có thể được chế tạo theo những cách linh hoạt hơn. Loại pin này chủ yếu bị giới hạn bởi chiều cao có sẵn để nâng và hạ khối lượng.

Ví dụ nổi bật nhất về chuyển dịch sang pin trọng lực là tại Rudong, Trung Quốc, nơi công ty Thụy Sĩ Energy Vault và chính phủ Trung Quốc đã tạo ra hệ thống EVx. Hệ thống EVx cao hơn 120 mét là một tòa tháp cơ khí khổng lồ dùng để nâng những khối nặng 24 tấn. Khi lưới điện đòi hỏi nhiều hơn, các khối khổng lồ được hạ xuống và năng lượng tiềm tàng của chúng huyển đổi trở thành điện.

EVx có tổng công suất là 100 MWh. Tuổi thọ hoạt động ước tính của EVx là 35 năm, cho thấy đây là giải pháp lâu dài mạnh mẽ.

Mỗi khối 24 tấn được làm từ các vật liệu có sẵn như đất, cát hoặc rác thải tái chế. Việc xây dựng hệ thống dựa vào nguồn lao động và tài nguyên địa phương. Điều này cần chi phí thấp hơn so với việc dựa vào lithium nhập khẩu hoặc các kim loại hiếm khác.

Trong bối cảnh Trung Quốc đẩy mạnh phát triển năng lượng tái tạo, nhiều dự án EVx đã được lên kế hoạch, từ hệ thống 100 MWh đến 660 MWh, thậm chí là một dự án lắp đặt 2 GWh được đề xuất tại Khu tự trị Nội Mông. Tổng cộng, chi phí vốn cho các nhà máy này là hơn 1 tỷ USD.

Tại Scotland, công ty khởi nghiệp Gravitricity trong khi đó đang hướng đến triển khai công nghệ này tại các mỏ khai thác bỏ hoang. Thay vì xây dựng một công trình đồ sộ trên mặt đất, họ có kế hoạch treo những vật nặng khổng lồ dưới lòng đất. Một số mỏ bỏ hoang thậm chí đạt độ sâu tới 3 km.

Việc tái sử dụng các mỏ không sử dụng thổi luồng sinh khí mới vào nền kinh tế địa phương. Bằng cách khai thác cơ sở hạ tầng hiện có, Gravitricity tránh được khoản đầu tư vốn lớn cần thiết để xây dựng các công trình mới lớn.

Mặc dù pin trọng lực có nhiều tiềm năng nhưng chúng không phải là giải pháp chung, đặc biệt là đối với việc lưu trữ năng lượng ở quy mô cá nhân hoặc gia đình. Trong một nghiên cứu, các sinh viên kỹ thuật đã thử nâng một khối bê tông nặng 2.000 kg trong một ngôi nhà, chỉ để thấy rằng nó lưu trữ năng lượng tương đương với 12 cục pin AA. Ngoài ra, sự hao mòn vật lý trên các bộ phận cơ khí như cáp, ròng rọc hoặc thang máy có thể là mối lo ngại sau nhiều thập niên hoạt động.

Không có công nghệ lưu trữ đơn lẻ nào có thể giải quyết được tính phức tạp của lưới điện hiện đại. Thay vào đó, các chuyên gia dự đoán sự kết hợp của các giải pháp như pin trọng lực, thủy điện bơm, hệ thống lithium-ion, pin nhiên liệu hydro và lưu trữ nhiệt đều có thể cùng tồn tại, mỗi loại đều đóng vai trò riêng.