Đi tìm nguồn năng lượng 'thông minh' Tom Espiner The Disruptors

Bản Quyền hình ảnh AFP/Getty Images Image caption Các turbin giúp tạo năng lượng từ gió

Con người muốn có ánh sáng, nắm bắt thông tin và chất lượng cuộc sống được cải thiện. Bởi vậy, họ cần năng lượng.

Vì biến đổi khí hậu thúc đẩy nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo, các công ty đua tranh tìm giải pháp thông minh để khai thác nó.
Năng lượng - gặp sự đột phá
Ở nhiều nơi trong thế giới phát triển, người ta cho rằng chỉ cần gạt nhẹ công tắc là có thể bật đèn, bật máy giặt, bật TV hay máy tính.

Và ở hầu hết các nước đang phát triển, con người ngày càng muốn có điện năng và không muốn trở thành ngồi trong bóng tối khi đã quen dùng mạng lưới điện.
Trong chừng mực nào đó, tất cả các nguồn cung cấp năng lượng đều không ổn định. Vì bản chất của nó, sự tạo ra năng lượng tái tạo dẫn đến việc cung cấp năng lượng quá nhiều hoặc quá ít so với nhu cầu tại một thời điểm nào đó.

Điều đó giải thích lý do vì sao sự gia tăng của các nguồn năng lượng tái tạo dự kiến cũng sẽ dẫn đến bùng nổ lưu trữ năng lượng - bởi vì năng lượng lưu trữ có thể được sử dụng để giải quyết những biến động cung cấp đó.
Benjamin Sovacool, giáo sư về chính sách năng lượng trường đại học Sussex ở Anh nói:
"Tôi nghĩ rằng nhu cầu lưu trữ thực sự bắt đầu khi bạn hiểu được mức độ cực kỳ khó khăn.. để tạo ra điện."
"Ý tôi đó chính là sét được đóng chai ... và điều đó cực kỳ phức tạp. Đó là một sản phẩm độc nhất, cung phải đáp ứng nhu cầu ngay lập tức."
Mặc dù khoảng 176 quốc gia trên thế giới hiện nay có chính sách năng lượng sạch, thế giới vẫn dựa vào dầu mỏ, khí đốt và than - các chuyên gia về khí hậu của Liên Hiệp Quốc tin rằng nhiên liệu hóa thạch sẽ có "những tác động nghiêm trọng, bao trùm và không thể đảo ngược cho con người và hệ sinh thái" nếu chúng ta tiếp tục sử dụng chúng.
Giáo sư John Goodenough, một nhà tiên phong và nhà đột phá khoa học chủ chốt, cho biết nhân loại cần phải ngẫm nghĩ lại tận gốc cách thức sản xuất và lưu trữ năng lượng.

Bản quyền hình ảnh Getty Images

Image caption John Goodenough, người đứng sau chiếc pin lithium-ion, trong phòng thí nghiệm vào năm 2015.

"Xã hội hiện đại sử dụng nguồn năng lượng chứa trong nhiên liệu hóa thạch, và sự phụ thuộc đó không bền vững. Vì vậy, trong tương lai gần chúng ta phải tìm cách để có thể thu hoạch năng lượng từ mặt trời, và lưu trữ nó bằng ắc quy [trên quy mô lớn], " ông nói.
Viện sĩ 95 tuổi, có công trình nghiên cứu vào cuối những năm 1970 dẫn tới việc phát minh ra pin li-ion, hiện vẫn đang nghiên cứu về công nghệ pin tại trường đại học Texas ở Austin.
"Tôi hy vọng chúng ta có thể làm tốt hơn pin quang điện, chúng vẫn còn khá đắt tiền, nhưng tỏ ra là hoạt động tốt, vì vậy chúng ta có thể thu hoạch năng lượng từ mặt trời."
"Vấn đề là, sau khi bạn chuyển đổi nó sang điện năng, bạn phải dự trữ nguồn năng lượng này để có thể sử dụng nó cung cấp cho nhu cầu thay đổi."
Và, như giáo sư Goodenough chỉ ra, những loại ắc quy li-ion lớn có nhược điểm của chúng.
"Mọi người phải rất cẩn thận. Nếu bạn tạo ra ắc quy cỡ lớn, mọi người phải theo dõi rất nhiều pin nhỏ cấu thành nó. Chẳng hạn, động cơ xe Tesla bao gồm 7000 pin nhỏ, tất cả đều phải được quản lý, và [ông chủ Elon Musk của tập đoàn Tesla] đã rất khéo quản lý việc đó."
Tesla đã và đang đầu tư vào công nghệ và sản xuất ắc quy cho xe chạy điện của tập đoàn này, và hiện tại đã chuyển sang lưu trữ trên quy mô lớn tại những nơi bị mất điện, gần đây đã kích hoạt kho ắc quy li-ion lớn nhất thế giới tại Hornsdale ở Nam Úc.
Lưu trữ Lưu động
Xe điện cũng có thể được khai thác như những kho dự trữ năng lượng. Hệ thống "xe-nối-mạng", viết tắt là V2G, chủ yếu sử dụng những xe chạy điện như những ắc quy lưu động.

Các nhà sản xuất ô tô như Nissan, BMW và Honda đang khảo sát những dự án xe-nối-mạng cùng với các công ty năng lượng và phần mềm.
Tại khu Frederiksberg ở Đan Mạch, Nissan đang hợp tác với công ty tiện ích địa phương, Frederiksberg Forsyning, công ty phần mềm Nuvve và tập đoàn năng lượng Ý, Enel.

 Bản quyền hình ảnh Jens Panduro Image caption Một bãi đỗ cho xe chạy điện
Frederiksberg Forsyning đã thay thế 10 chiếc xe của họ bằng những chiếc xe tải van hoàn toàn chạy điện của Nissan và đã lắp đặt 10 điểm nạp đặc biệt "lưỡng chiều".
Các kỹ sư của họ đã tháo nạp điện những xe này vào buổi sáng, đi công việc của họ xung quanh thành phố và trả xe đến điểm nạp vào buổi chiều.
Sau đó các ắc quy xe này được hòa vào lưới điện.
Phần mềm của Nuvve, được thiết kế bởi trường Đại học Delaware ở Hoa Kỳ, kết nối với lưới điện và liên tục theo dõi các yêu cầu năng lượng của lưới điện. Nếu có một sự thay đổi bất thường về điện, nó có thể gọi nhiều ắc quy trên hệ thống, để cân bằng điện trong vài giây.

Năng lượng: Lưu trữ Lưu động

Marc Trahand, giám đốc điều hành của Nuvve ở châu Âu nói:
"Chúng tôi gọi đây là một nhà máy điện ảo". "Tất cả những ắc quy nhỏ này được ghép với nhau ... trở thành một nhà máy điện lớn mà bạn có thể kích hoạt vào lưới điện."
Nhưng bạn làm thế nào để đảm bảo rằng các kỹ sư tuy không đến nơi làm việc nhưng vẫn biết lưới điện đã "lấy đi" tất cả điện trong ắc quy của họ?
Kristian Beyer, giám đốc nhân viên và chiến lược của Frederiksberg Forsyning nói:
"Hoạt động hàng ngày là quan trọng nhất".
Các nhân viên được trang bị một phần mềm ứng dụng để giúp họ kiểm soát mức điện trong xe của họ, ông nói, và bằng cách thử nghiệm qua sai sót, công ty đã tính được lượng điện nạp vào ắc quy mỗi buổi sáng.
Những xe này không chỉ giúp ích khi nhu cầu của lưới điện cao, mà cả khi có sự dư thừa cung cấp ở Đan Mạch đầy gió này, ông Beyer nói:
"Chúng ta có thể lưu trữ hay sử dụng năng lượng càng nhiều khi nó sẵn có, chúng ta càng có thể sử dụng cơ sở hạ tầng của chúng ta tốt hơn, bởi vì đôi khi chúng ta lãng phí năng lượng sẵn có đối với chúng ta và sự lựa chọn tốt hơn sẽ là lưu trữ và sử dụng thay vì các nhà máy điện và dạng tương tự."
Các chương trình xe-nối-mạng được thiết kế để bù đắp cho tài xế khi đưa xe của họ vào lưới điện.
Tuy nhiên, Tiến sĩ Kotub Uddin, một chuyên gia về xe-nối-mạng trường đại học Warwick, và hiện là người phụ trách bộ phận lưu trữ năng lượng của OVO Energy, nói rằng để công nghệ xe-nối-mạng có thể thương mại hóa, mọi người phải được khẳng định chắc chắn là ắc quy xe của họ không bị hư hỏng.
Lấy điện ra khỏi ắc quy và nạp điện ắc quy lặp đi lặp lại có thể làm ắc quy xuống cấp tùy thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ môi trường xung quanh khi nạp ắc quy, và cách thức sử dụng xe của chủ sở hữu.
Câu trả lời cho những vấn đề này là nạp thông minh, ông nói.
"Trong một hệ thống thông minh bạn có cách thực hiện xe-nối-mạng mà sẽ giảm thiểu sự xuống cấp và thực sự có thể kéo dài tuổi thọ của ắc quy."
Giữ ở mức Địa phương

Theo các chuyên gia, ở các nước đang phát triển, có hơn một tỷ người không có điện.
Koen Peters, giám đốc điều hành Hiệp hội Ánh sáng cho Khu vực không có điện Toàn cầu (Gogla), cho biết có thêm một tỷ người nữa với nguồn cung cấp điện không đáng tin cậy. Ông nói rằng những con số này chỉ ra một thị trường khổng lồ cho nguồn năng lượng tái tạo không kết nối mạng lưới, đặc biệt là ở những nơi không thích hợp về mặt kinh tế để kết nối mạng lưới.

"Chúng tôi mới chỉ chạm vào bề mặt của thị trường sẵn có," ông nói:
Sự quan tâm ngày càng tăng này trong việc tăng tốc phân phối năng lượng tập trung, và cho phép lưu trữ cục bộ, được thể hiện qua các con số. Theo Gogla, từ năm 2010, doanh số bán hàng năng lượng mặt trời cộng dồn đã tăng khoảng 60%.
Các công ty dẫn đầu thị trường như M-Kopa Solar, và Azuri, D.light và BBoxx đang khai thác thị trường này và cạnh tranh để bán bảng năng lượng mặt trời, đèn, và ắc quy cho các hộ gia đình ở Trung, Đông, và Tây Phi và một số khu vực ở Châu Á.
Các công ty lắp đặt bảng năng lượng mặt trời tại các hộ gia đình, và những bảng này được sử dụng để nạp ắc quy trong ngày. Từ đó khách hàng có thể sử dụng điện được lưu trữ trong ắc quy để thắp sáng ban đêm, cũng như để nạp điện thoại di động.

 Bản quyền hình ảnh ALLAN GICHIGI
Có một số phụ kiện khác sẵn có như là truyền hình vệ tinh trả tiền theo nhu cầu sử dụng, hoặc radiô, như các khoản thêm tùy chọn.
Monica Keza Katumwine, giám đốc quản lý tại Rwanda của Bboxx cho biết công ty của bà có thể giám sát từ xa sự thực hiện của hệ thống để xem khi nào mọi người cần thêm lưu trữ.
"Về cơ bản đời sống của tất cả chúng tôi được nâng lên, mọi người đều có điện từ mạng lưới... Những gì chúng tôi đang làm thay đổi hôm nay là có nguồn điện đó, nhưng hoàn toàn không cần có dây và cột điện và tất cả những thứ khác... nó cung cấp dịch vụ tương tự như mạng lưới điện cung cấp, nhưng hoàn toàn không có sự kết nối hữu hình, tất cả được thực hiện từ xa. Vì vậy, đó mới thực là sự đột phá".
Bà nói rằng 95% số tiền thanh toán được thực hiện qua tiền di động, thông qua các thỏa thuận với các công ty viễn thông. Mọi người có thể trả hàng tháng. Khách hàng cũng có thể đến ngân hàng để đặt cọc tiền trả.
Giống với các công ty khác cùng lĩnh vực, Bboxx cung cấp tài chính, chiều hướng tích cực của nó là "hiển nhiên", ông Peters nói. Mọi người có thể đủ khả năng để kết nối mạng lưới bằng cách dàn chải qua nhiều lần thanh toán.
Tuy nhiên, nhược điểm là chi phí đắt cho các công ty cung cấp tài chính và chi phí đó được chuyển vào khách hàng.
Ông Peters nói: "Việc cung cấp tài chính ở các nước đang phát triển rất đắt", dẫn đến "một dấu hiệu đáng lưu ý" về sản phẩm.
Nhưng các điểm lợi còn vượt trội hơn nhiều những điểm bất lợi, ông Peters nói.
"Nếu bạn tiếp cận các dịch vụ này thì chúng có tác động rất lớn đến chất lượng cuộc sống."

Mối quan tâm vào lĩnh vực năng lượng mặt trời ngoài mạng lưới điện của các nhà đầu tư ngày càng gia tăng kể từ năm 2014, Gogla nói. Tuy nhiên, tiếp cận vốn là một trong những trở ngại lớn nhất đối với sự mở rộng, bà Monica Keza Katumwine nói.
"Những công nghệ năng lượng mặt trời vẫn còn khá mới mẻ, và điều làm các nhà đầu tư bỏ tiền vào lĩnh vực kinh doanh này, vốn dĩ không có nhiều thông tin cơ bản, là kinh nghiệm, khi nó hoạt động trong hơn 30 năm hoặc 100 năm. Chúng tôi không có kinh nghiệm đó, vì vậy việc khiến người ta quan tâm đầu tư vào công ty chúng tôi vẫn là một thử thách," bà nói.
BBoxx và các công ty như vậy đang giao dịch với từng hộ gia đình, nhưng một cách để tăng khả năng và độ tin cậy của các hệ thống phát điện, có thể là năng lượng mặt trời, thủy điện hoặc nhiên liệu sinh khối, là kết nối các hộ này với nhau thành một mạng lưới nhỏ để phục vụ cộng đồng.
Sarah Best, một chuyên gia về mạng lưới nhỏ thuộc Học viện Môi trường và Phát triển Quốc tế (IIED), nói rằng những mạng lưới nhỏ - có thể được thiết lập bởi các tổ chức "đa dạng" - sẽ khuyến khích nền kinh tế địa phương vì chúng cung cấp đủ điện cho các thiết bị hàn hoặc mộc, khuyến khích tinh thần kinh doanh.
Tư duy Lớn
Nạn đói năng lượng trên thế giới chỉ có tăng lên khi dân số toàn cầu tăng lên, với nhu cầu được dự báo tăng lên nhiều nhất ở Ấn Độ, Trung Quốc và Châu Phi đến năm 2040.
Thách thức là sự mở rộng khả năng của các nguồn năng lượng tái tạo để phục vụ cho sự tăng trưởng dân số, đặc biệt là ở những khu vực thành thị.
Chúng ta không thể dựa vào nhiên liệu hóa thạch - các quy định về thay đổi khí hậu đã tăng gấp 20 lần trong 20 năm qua, dẫn đến thỏa thuận Paris năm 2015.
Vì vậy, những phương pháp sáng tạo để tăng lưu trữ năng lượng quy mô lớn cùng với sự phát triển năng lượng tái tạo và việc tìm kiếm sự hiệu quả là gì?
Kho chứa bơm thủy điện - nơi nước được bơm từ hồ chứa thấp lên hồ chứa cao hơn và xả khi cần thiết để tạo ra năng lượng thủy điện - hiện chiếm khoảng 96% trữ năng trên toàn thế giới. Nó có thể được mô tả như một công nghệ đã trưởng thành - công nghệ này được sử dụng lần đầu tiên vào cuối thế kỷ 19.
Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (Irena) cho biết mặc dù dạng lưu trữ đã được thiết lập này tiếp tục phát triển, sự thống trị của nó dự đoán sẽ giảm xuống còn một nửa so với lượng lưu trữ toàn cầu vào năm 2030, vì các dạng lưu trữ năng lượng khác đuổi kịp.
Ravi Manghani, giám đốc lưu trữ năng lượng của Greentech Media nghĩ rằng các ý tưởng lưu trữ khác là đáng khám phá:
"Khí nén là một công nghệ thú vị," ông nói. "Nó có thể là một dạng lưu trữ loạt lớn."
Một công ty đã khảo sát khí lạnh nén là Alacaes ở Thụy Sĩ - công ty đang khoan một lỗ ở phía bên một ngọn núi để chứa không khí mà có thể được dùng để quay tuabin.

Bản quyền hình ảnh Getty Images

Image caption Kho lưu trữ dưới lòng đất của Alacaes

"Nhược điểm là nó phải dựa vào các thành tạo địa chất cụ thể ... Nó cần các hầm ngầm mà tự thân điều đó là một giới hạn", ông Manghani nói về công nghệ này.
Các công nghệ khác như kho khí lạnh sẽ cần phải chứng minh cho thị trường rằng chúng "đáng tin cậy" như những công nghệ được thiết lập khác, ông nói.
Tuy nhiên, Highview Power Storage, được thành lập ở Vương quốc Anh năm 2005, thuyết phục bởi tiềm năng của không khí lạnh và đang phát triển một công nghệ không khí lạnh khác mà nó nói là đầu tiên trên thế giới, và có thể được đặt "gần như bất cứ nơi nào".
Sử dụng kỹ thuật lạnh, công ty làm lạnh không khí cho đến khi nó ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ âm 196 độ C và lưu trữ ở áp suất thấp.
Hóa lỏng là một công nghệ được thử nghiệm và kiểm tra, nhưng Highview đã chuyển nó sang một mức độ cao hơn.
Tại cơ sở lưu trữ năng lượng Pilsworth ở Bury, gần Manchester, công ty đã xây dựng một nhà máy trình diễn nơi sử dụng nhiệt sinh ra từ việc đốt khí thải từ bãi chôn lấp, để tái nở nitơ lỏng (một trong những khí chính trong không khí xung quanh chúng ta). Sau đó, nó được đẩy qua một tuabin khí nở để dẫn động máy phát điện và đưa điện trở lại lưới điện.
Nhà máy này sẽ được kết nối với lưới điện của Vương quốc Anh trong vài tháng tới.

 Bản quyền hình ảnh Getty Images

Stuart Nelmes, giám đốc kỹ thuật của công ty cho hay, thị trường lưu trữ "vẫn còn rất nhiều việc phải làm trong giai đoạn phát triển."
"Trên toàn cầu, người ta đang nhận ra rằng lưu trữ trong thời gian dài, ở quy mô lưới thực sự là một điều kiện cần thiết nếu chúng ta hướng tới một tương lai khử độc tố cacbon, và công nghệ này sẽ đóng một vai trò chủ chốt trong đó."
Hóa lỏng không khí nghĩa là những khối năng lượng lớn có thể được lưu trữ trong một khoảng thời gian dài. "Ắc quy vẫn là công nghệ hướng tới, mọi người đều quen thuộc với ắc quy, ở một quy mô nhỏ hơn ... đó thực sự là một sự đột phá, vì đây thực sự là một công nghệ kỳ lạ và chúng ta cần phải thay thế các công nghệ đã thiết lập, chính thống hơn trong thị trường" ông nói.
Không phải tất cả các chuyên gia đều được thuyết phục bởi những công nghệ lưu trữ năng lượng gần như chưa được kiểm chứng.
Giáo sư Sovacool nói ông nghĩ rằng lưu trữ năng lượng khí lỏng (LAES) có một vài hứa hẹn, nhưng nói chung, ông hoài nghi về các công nghệ mà "khả thi về mặt kỹ thuật nhưng vẫn [còn] nhiều việc phải làm".
Ông nói rằng "hiện tại - trong tương lai gần - điều mà người ta có thể tranh cãi có tính quan trọng nhất cho các mục tiêu của thỏa thuận Paris và sự lành mạnh của hành tinh của chúng ta, là các hệ thống lưu trữ quy mô lớn khả thi về mặt kinh tế hoặc xã hội duy nhất sẽ là lưu trữ năng lượng khí nén, bơm thủy điện, và có thể cả bánh đà".
Bất kể công nghệ nào đứng trụ chăng nữa, cảnh quan thay đổi đã làm cho các công ty năng lượng, các công ty xe hơi và các công ty dữ liệu xích lại cùng nhau.
Và bởi vì không có một công nghệ "nhiệm màu", hiển nhiên là các vấn đề về lưu trữ năng lượng sẽ được giải quyết bằng nhiều cách khác nhau - bởi các cá nhân, các doanh nghiệp mới thành lập, các cộng đồng và các thành phố - thách thức các tập đoàn năng lượng mà đã chi phối cảnh quan cho đến nay.