Lưu trữ năng lượng khí nén (CAES)

Lưu trữ năng lượng khí nén (CAES) sử dụng các bể chứa địa chất để lưu trữ lượng năng lượng lớn trong thời gian dài – một giải pháp rất kinh tế và hiệu quả cho các ứng dụng quy mô lớn.

1. Mô tả công nghệ

Nén/nở

Lưu trữ năng lượng khí nén (Compressed Air Energy Storage, CAES) là phương pháp lưu trữ điện năng cơ học, trong đó dùng đầu vào là điện năng tạo ra lực ép. Hình thức cơ bản nhất là nén khí vào trong các thùng chứa với áp suất cao hoặc với khối lượng lớn dưới lòng đất nếu có thể. Khi cần, khí nén được xả làm quay turbine để tạo ra điện. Khi không khí nở ra sẽ kéo theo sự giảm nhiệt độ.

Khi khí bị nén sẽ tạo nhiệt; nhiệt này tỏa môi trường ra làm mất năng lượng. Tuy nhiên, nếu có thể lưu trữ nhiệt lượng này ngay lập tức, ví dụ nếu dùng chất liệu gốm để thu lại nhiệt, thì lại có thể đưa lượng nhiệt này trở lại trong quá trình giãn nở, qua đó năng lượng không bị thất thoát ra môi trường. Điều đó ảnh hưởng lên hiệu suất chung (chuyển từ điện sang điện).

Hình thức này thường gọi là Lưu trữ năng lượng khí nén vi đoạn nhiệt (Adiabatic CAES, A-CAES) hoặc đôi khi gọi là Lưu trữ năng lượng khí nén vi đoạn nhiệt tiên tiến (Advanced Adiabatic CAES, AA-CAES) do không có sự trao đổi nhiệt giữa hệ thống lưu trữ và môi trường bên ngoài. Các hình thức Lưu trữ năng lượng khí nén CAES khác, ví dụ CAES đẳng nhiệt cũng đã được đề xuất. Các hình thức bổ sung này hiện nay không có hoạt động thương mại, vì vậy tài liệu này chỉ xem xét CAES và AA-CAES.

Công nghệ Lưu trữ năng lượng khí nén CAES hiện nay được sử dụng kết hợp với turbine khí đốt nhằm bù vào lượng nhiệt thất thoát. Do vậy, trong các hệ thống Lưu trữ năng lượng khí nén CAES truyền thống có phát thải CO2.

Tuy công nghệ CAES được cho là phù hợp với mục đích lưu trữ năng lượng biến đổi tái tạo từ nhiều năm nhưng cho đến nay mới chỉ có hai nhà máy được xây dựng. Nhà máy thứ nhất được xây dựng ở Huntorf (Đức) năm 1978 và nhà máy thứ hai tại McIntosh, Alabama (Mỹ) năm 1991.

Đáng chú ý là nhà máy tại Huntorf được xây dựng nhằm cân đối điện hạt nhân, tức là giúp nhà máy điện hạt nhân vận hành tối ưu, nhà máy CAES có chức năng cấp bù phần chênh lệch điện giữa sản xuất và tiêu thụ. Cả hai nhà máy đều không xây dựng theo hình thức A-CAES, mà chỉ theo CAES, hay nói cách khác hiệu suất khứ hồi khá thấp. Cả hai nhà máy đều dùng khí đốt để bù vào lượng nhiệt mất đi.

Trong một vài tài liệu kỹ thuật còn mô tả đầy đủ hơn công nghệ Lưu trữ năng lượng khí nén CAES và A-CAES. Hình dưới đây minh họa sơ đồ hai nhà máy Lưu trữ năng lượng khí nén CAES khác nhau.

Nhà máy Lưu trữ năng lượng khí nén tại Huntorf sử dụng 0,8 kWh điện và 1,6 kWh khí đốt để sản xuất 1 kWh điện. Khi đưa vào chạy thử năm 1978 đây là nhà máy CAES đầu tiên trên thế giới. Nhà máy Lưu trữ năng lượng khí nén tại McIntosh mới hơn và có một bộ phận thu hồi nhằm thu gom nhiệt thất thoát khi xả khí. Nhà máy này sử dụng 0,69 kWh điện và cần 1,17 kWh khí đốt để sản xuất ra 1 kWh điện.

Hiện nay, công nghệ Lưu trữ năng lượng khí nén A-CAES chưa được ứng dụng trong thực tế. Theo công nghệ này thì nhiệt tỏa ra sẽ được dùng để làm nóng chất liệu gốm, ví dụ đá hay gạch, lên tới 600 °C.

Hiện nay cũng không rõ sẽ có bao nhiêu nhà máy Lưu trữ năng lượng khí nén CAES kiểu truyền thống sẽ được xây dựng trong tương lai. Trong 25 năm qua nhiều nghiên cứu khá lạc quan đã được thực hiện, nhất là tại Mỹ, nhưng thực tế là đến nay vẫn chưa có nhà máy nào được xây dựng.

Số liệu về nhà máy kiểu CAES truyền thống tại Huntorf và McIntosh

Loại	Quy trình CAES đơn giản, buồng đốt khí tự nhiên 2 giai đoạn	Công nghệ CAES thế hệ 2, có bộ phận thu hồi, buống đốt khí tự nhiên 2 giai đoạn
Địa điểm	Huntorf, Đức	McIntosh, Mỹ
Chạy thử	1978	1991
Công suất turbine	320 MWel	110 MWel
Công suất phát	~ 1 GWh	2,6 GWh
Hiệu suất khứ hồi nhiệt	~ 42%	~ 52%
Chi phí riêng	320 DM/kWel	591 USD/kWel
Thời gian khởi động turbine	> 9 phút	14 phút

 Dung tích lưu trữ không khí

Lưu trữ năng lượng khí nén CAES hoàn toàn phụ thuộc vào thể tích lưu trữ. Các tổ máy nhỏ có thể sử dụng bình nén khí áp suất cao (trên mặt đất) nhưng nếu muốn lưu trữ nhiều năng lượng (hàng trăm MWh) thì phải sử dụng các địa tầng ngầm để chứa một khối lượng lớn khí nén. Có thể sử dụng các túi dầu, khí đã khai thác, mỏ nước, mỏ đá, các hang đá hoặc mỏ đã khai thác. Dưới đây là hình minh họa một số nguyên tắc mỏ lưu trữ.

Hai nhà máy Lưu trữ năng lượng khí nén CAES được kết nối với khoang trống tại mỏ muối. Xây dựng những hang trống này tương đối đơn giản, chi phí thấp, và các mỏ muối phù hợp có thể tìm thấy nhiều nơi trên thế giới. Tuy nhiên, việc sử dụng các mỏ muối này lại có thể phải tuân thủ các quy định về bảo vệ môi trường và có thể bị phản đối vì lí do chính trị.

Nhóm tác giả đã thực hiện nghiên cứu tại lưu vực sông Cửu Long phục vụ đánh giá khả năng lưu trữ ngầm tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cho thấy có hai địa tầng có thể sử dụng được tại Đồng Nai và Biên Hòa. Đây là 2 khối trầm tích gồm các lớp sa thạch có thể sử dụng tốt cho mục đích lưu trữ.

Đầu vào/Đầu ra

Hệ thống Lưu trữ năng lượng khí nén CAES sử dụng đầu vào là điện. Hệ thống lưu trữ năng lượng khí nén CAES truyền thống còn đòi hỏi một chút nhiên liệu (thường là khí tự nhiên) trong giai đoạn phát điện. Lưu trữ năng lượng khí nén A-CAES không đòi hỏi nhiên liệu, xem phía dưới. Đầu ra của CAES là điện. Hệ thống CAES truyền thống cũng tạo nhiệt trong quy trình nén trong khi hệ thống A-CAES thì lưu trữ lượng nhiệt này và vì vậy không phát nhiệt ra môi trường bên ngoài.

Hiệu suất và thất thoát năng lượng

Hình minh họa chi tiết năng lượng thất thoát khi sử dụng lưu trữ năng lượng khí nén CAES trong quy trình nén và xả. Các con số tính toán cho thấy hiệu suất sạc đạt khoảng 80%, hiệu suất xả đạt 70 %, vì vậy hiệu suất chu kì vào khoảng 55% (điện – điện). Nếu đưa thêm nhiên liệu hóa chất vào sẽ làm công thức tính toán thêm phức tạp vì khi đó sẽ phải trừ đi lượng điện đáng lẽ đã được sản xuất bằng nhiên liệu.

Nếu gán giá trị hiệu suất sản xuất điện của nhiên liệu hóa chất là 35% thì hiệu suất đầu ra trong Hình 23 sẽ là 44%, và khi đó hiệu suất chu kì sẽ là 44%.

Khả năng điều tiết và các dịch vụ hệ thống khác

Theo tài liệu về lưu trữ năng lượng khí nén CAES, thời gian khởi động cần 10 phút. Như vậy cho phép sử dụng một số dịch vụ phụ trợ, cụ thể như khởi động đen, dự trữ thứ cấp và dịch vụ công suất phản kháng. Ngoài ra, công nghệ này cũng rất phù hợp với dịch chuyển tải (mục tiêu ban đầu của nhà máy Huntorf) trong giới hạn lưu trữ và công suất có sẵn.

Đặc tính và công suất điển hình

Như đã nêu ở trên, cho đến nay mới chỉ có hai nhà máy CAES được đưa vào hoạt động nên không thể khẳng định các đặc tính và công suất điển hình của loại nhà máy này.

Số liệu mô tả nhà máy lưu trữ năng lượng khí nén Huntorf và McIntosh. Công suất nhiệt (nhiệt đầu vào tạo ra điện đầu ra) được tính toán là 1,96 kWh/kWh đối với nhà máy Huntorf và 1,20 kWh/kWh đối với nhà máy McIntosh

	Huntorf 1978, Đức	McIntosh 1991, Mỹ
Công suất tuabin / Thời gian xả	Cũ 290 MW / 2h Mới 320 MW / 3h	110 MW / 24h
Công suất nén / Thời gian sạc	60 MW / 8h	50 MW / 38h
Tỉ lệ công	0,19	0,45
Tỉ lệ thời gian sạc/xả	2,7	1,6
Áp suất hầm chứa	46 – 72 para	45 – 74 para
Công suất nhiệt	42% 6700 BTU/kWh (không thu nhiệt)	54% 4100 BTU/kWh (có thu nhiệt)
Thời gian hoạt động	> 90%	> 90%
Độ tin cậy	> 97%	> 97%
Độ tin cậy khi khởi động	> 95%	> 95%
Hầm chứa	2 x 150.000 m3 (hang muối)	538.000 m3 (hang muối)

Số liệu cho thấy các nhà máy lưu trữ năng lượng khí nén này được xây dựng với công suất sạc 50-60 MW và công suất xả 100-300 MW. Theo bảng trên thì công suất lưu trữ năng lượng khí nén nhà máy Huntorf là 480 MWh và nhà máy McIntosh là 1.900 MWh.

Mật độ năng lượng của khí nén tất nhiên là phụ thuộc vào chênh lệch áp suất giữa mức trên và mức dưới. Mật độ năng lượng nhà máy Huntorf vào khoảng 0,3 kWh/m3. Nhà máy McIntosh cũng tương tự. Tuy nhiên mật độ năng lượng (kWh/m3 và kWh/kg) trong công nghệ lưu trữ năng lượng khí nén CAES không phải là thông số phù hợp do đây là công nghệ tĩnh. Cả hai nhà máy đều sử dụng hang muối vòm để trữ khí nén. Các nhà máy đề xuất khác sử dụng hầm mỏ, tầng ngậm nước nhưng chưa được xây dựng.

Thời gian lưu trữ điển hình

Thời gian lưu trữ thực tế của CAES có thể ước tính dựa trên Hình 24, trong đó có thể thấy số lần khởi động hàng năm tại nhà máy Huntorf trong giai đoạn 1978-2000. Con số này dao động trong khoảng 50-200 lần, với ngoại lệ lên đến 400 hoặc xuống tới 25 lần. Nó cho thấy số lần sử dụng biến thiên tùy theo giờ, theo ngày. Nhưng đây chỉ là con số sử dụng thực tế chứ không phải công suất lí thuyết.

Do không khí được lưu trữ trong các hang dưới lòng đất trong các vòm muối là không gian rất kín (so với sử dụng hang muối để lưu trữ khí tự nhiên) nên có thể lưu trữ được rất lâu, nếu cần. Chi phí lưu trữ năng lượng quy dẫn sẽ tăng lên nếu áp dụng khoảng thời gian dài hơn, nhưng có thể dễ dàng thực hiện.

Yêu cầu về mặt bằng

Yêu cầu về mặt bằng đối với một nhà máy lưu trữ năng lượng khí nén CAES có thể tham khảo mặt bằng nhà máy CAES tại Huntorf. Theo đó, diện tích yêu cầu khoảng 200×200 m (40.000 m2) cho một nhà máy công suất 320 MWel. Tuy nhiên, cần 1 diện tích tương ứng với khoảng 4.000 m2 (63×63 m) cho mỗi 100 MW công suất đầu ra.

Địa điểm xây dựng nhà máy lưu trữ năng lượng khí nén CAES hoàn toàn phụ thuộc vào vị trí có thể lưu trữ khí nén với khối lượng lớn. Do năng lực lưu trữ dưới hang ngầm phụ thuộc vào địa tầng nên không thể đưa ra con số theo m2/MWh. Như đã nêu, hai nhà máy hiện có sử dụng hang muối vòm. Tuy có thể sử dụng các cấu trúc khác nhưng nhà đầu tư không thể xây dựng tại bất cứ nơi nào mong muốn và diện tích mặt bằng 200×200 m (cho nhà máy công suất 320 MW) cũng không phải là yêu cầu duy nhất.

2. Ưu điểm/nhược điểm

Ưu điểm:

Các ưu điểm theo tài liệu tham khảo:

• Nhà máy lưu trữ năng lượng khí nén CAES có thể cung cấp năng lực dự trữ lớn lên đến hàng nghìn MWh với chi phí khá thấp, khoảng 400 USD/kWac – 500 USD/kWac tính theo giá USD năm 2003. Nhà máy giúp quản lý tải với mức độ linh hoạt hầu như không hạn chế từ quy mô nhà máy đến quy mô vùng.
• Các loại thiết bị xả thuộc nhiều kích cỡ có thể được sử dụng. Các tổ máy thương mại có công suất từ 10-20 MWac (Rolls Royce-Allison) đến 135 MWac (Dresser-Rand) đến 300-400 MWac (Alstom).
• Công nghệ lưu trữ năng lượng khí nén CAES có thể được tối ưu hóa tùy theo điều kiện và bài toàn kinh tế cụ thể.
• Nhà máy lưu trữ năng lượng khí nén CAES có khả năng khởi động đen. Cả hai nhà máy Huntorf và McIntosh đều có khả năng khởi động đen và đôi khi cũng đã thực hiện như vậy.
• Nhà máy lưu trữ năng lượng khí nén CAES có thời gian khởi động nhanh. Nếu một nhà máy CAES được vận hành với chức năng dự trữ quay nóng thì nó có thể đạt công suất cực đại trong vòng vài phút. Thời gian khởi động khẩn cấp từ điều kiện lạnh tại nhà máy Huntorf và McIntosh là khoảng 5 phút, thời gian khởi động bình thường là 10-12 phút.
• Nhà máy lưu trữ năng lượng khí nén CAES có tốc độ điều chỉnh công suất khoảng 30% công suất cực đại/phút.

Nhà máy lưu trữ năng lượng khí nén CAES có thể (và trên thực tế đã) hoạt động như một tụ đồng bộ nếu cả hai bộ li hợp đều mở (ngắt động cơ phát ra khỏi bộ phận nén và bộ phận xả) và động cơ được đồng bộ hóa với mạng. Công suất phản kháng có thể được bù vào hoặc lấy ra khỏi mạng bằng cách điều chỉnh điện áp máy kích. Cả hai nhà máy Huntorf và McIntosh đều được sử dụng theo cách này. Do cách vận hành này không đòi hỏi phải có khí nén nên người điều hành có thể vận hành hình thức này bao lâu cũng được.

Nhược điểm:

• Nhà máy lưu trữ năng lượng khí nén CAES kiểu truyền thống vẫn sử dụng khí đốt nên vẫn gây phát thải CO2, nhưng nhà máy ACAES không gây phát thải hay xả hóa chất ra môi trường.
• Vị trí nhà máy phụ thuộc vào nơi nào có đủ hầm chứa khí với áp suất cao. Tuy có một số địa tầng ngầm phù hợp nhưng còn phải xét đến nơi nào có thể xây dựng được nhà máy CAES.
• Với một nhà máy đơn giản, không lưu nhiệt, thì hệ số chuyển đổi điện sang điện tương đối thấp, khoảng 45%.

3. Môi trường

Tác động môi trường chủ yếu, không kể đến thực tế là chiếm dụng mặt bằng trên mặt đất, là có sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong giai đoạn xả. Có thể khắc phục vấn đề này bằng cách xây dựng nhà máy kiểu ACAES (Adiabatic CAES), tức là lưu nhiệt trong quy trình nén và cấp lại nhiệt đó trong quy trình xả. Tuy nhiên, tác động môi trường còn liên quan trực tiếp tới quy mô và phương pháp xây dựng hầm ngầm.

Trong trường hợp sử dụng hầm muối lỏng đã khai thác, lượng muối đã hòa tan có thể chứa kim loại nặng, chưa đạt tiêu chuẩn bị xả vào sông, hồ, biển.

4. Nghiên cứu và phát triển

Hướng nghiên cứu là tìm cách nâng cao hiệu suất chu kỳ bằng cách lưu nhiệt ngay trong quy trình nén và sử dụng lại lượng nhiệt đó trong quy trình xả (ACAES). Hình 26 minh họa phác thảo bộ phận thu nhiệt trong nhà máy CAES của công ty RWE (Đức). Có thể lưu nhiệt tới 600°C hoặc cao hơn trong đá cứng hoặc chất liệu gốm.

Công nghệ lưu trữ năng lượng khí nén này đang được phát triển cho nhiều loại ứng dụng từ nhiều năm nay. Do vậy, có thể dự đoán công nghệ này sẽ được thương mại hóa trong vòng 10-15 năm tới. Nếu thành công nó sẽ giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi điện – điện lên 70% và làm cho công nghệ A-CAES đứng vào nhóm hiệu suất cao.

5. Ước tính chi phí đầu tư

Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã nghiên cứu và đưa ra số liệu ước tính chi phí công nghệ lưu trữ năng lượng đến năm 2030. Chi phí trung bình được tính căn cứ vào tài liệu nghiên cứu, nhưng không bao gồm các công nghệ cụ thể. Tổng chi phí, không kể trạm hạ thế/biến thế và đường đây trong phạm vi 5 km, vào khoảng 1.153 USD/kW (năm 2020).

Chi phí đầu tư trong tương quan với mở rộng công suất phát cũng được tính toán dựa trên giả định rằng chi phí hệ thống sẽ giảm 8% nếu công suất phát tăng 10 lần. Con số này được tính toán dựa trên điều chỉnh giá trị ước tính khi mở rộng thủy điện tích năng (giảm 16% mỗi khi công suất phát tăng 10 lần), và lấy nửa giá trị này, do thủy điện tích năng có lợi nhiều hơn khi mở rộng công suất vì yêu cầu mở rộng nhà máy điện ngầm và đặc điểm khai thác.

Chi phí đầu tư cơ bản công nghệ lưu trữ năng lượng khí nén CAES

Năm nghiên cứu	Địa điểm/hệ thống	MW	Thời gian (giờ)	Chi phí đầu tư USD/kW (Giá trị USD)	Ghi chú
1991	Nhà máy McIntosh	110	26	1068
1991	Nhà máy McIntosh	110	26	1198
2012	136	26	1042
2012	Dresser-Rand SMARTCAES	135	8-24	1204
2012	Dresser-Rand SMARTCAES	405	8-16	983
2012	CAES nhiên liệu thấp	369	8-16	1311
2014	ADELE – Nghiên cứu CAES đoạn nhiệt phục vụ cấp điện, Đức	90		712
2014		300-500	10	1758
2020	Siemens	400-600		9500
2020		160	10-30	1381

Trong quá trình đánh giá dự án lưu trữ năng lượng khí nén CAES cũng cần xem xét chi phí hầm chứa. Hầm muối vòm là lựa chọn kinh tế nhất vì chúng rộng và sâu. Nếu làm nền hầm thì chi phí sẽ tăng lên do bề sâu của hầm bị giảm. Chi phí hầm tại nhà máy công suất 110 MW vào khoảng 4,3 USD/kWh; số liệu của Siemens là 3,4-4 USD/kWh. Nhìn chung, chi phí hầm muối vòm vào khoảng 2-4 USD/kWh, nếu hầm có nền thì chi phí lớn hơn 10 USD/kWh. Chi phí trung bình là 3,66 USD/kWh.

Hình dưới minh họa cơ cấu chi phí một nhà máy lưu trữ năng lượng khí nén CAES trong đó có chi phí liên quan đến xây dựng hầm muối. Phần này chiếm khoảng 40% chi phí. Tuabin cũng là một hạng mục tốn kém khác của hệ thống, chiếm khoảng 30% chi phí. Đây là số liệu lấy từ báo cáo năm 2012, trong đó chi phí đầu tư vào khoảng 900 USD/kW. Dự kiến mức chi phí này sẽ ổn định đến năm 2050.

Cơ cấu chi phí đầu tư cơ bản một nhà máy CAES, giả định công suất thực khoảng 262 MW, lưu trữ 15 giờ, dùng hầm muối vòm làm kho chứa khí nén

Năm nghiên cứu	Địa điểm/hệ thống	MW	Thời gian (giờ)	Chi phí đầu tư USD/kW (Giá trị USD)	Ghi chú
1991	Nhà máy McIntosh	110	26	1068
1991	Nhà máy McIntosh	110	26	1198
2012	136	26	1042
2012	Dresser-Rand SMARTCAES	135	8-24	1204
2012	Dresser-Rand SMARTCAES	405	8-16	983
2012	CAES nhiên liệu thấp	369	8-16	1311
2014	ADELE – Nghiên cứu CAES đoạn nhiệt phục vụ cấp điện, Đức	90		712
2014		300-500	10	1758
2020	Siemens	400-600		9500
2020		160	10-30	1381

6. Ví dụ về các dự án hiện tại

Như đã nêu, hiện tại có 2 nhà máy lưu trữ năng lượng khí nén CAES hoạt động thương mại trên thế giới, một tại Đức và một tại Mỹ. Các nhà máy trình diễn và dự án thí điểm thì có khắp nơi trên thế giới, ví dụ cơ sở Hydrogenstor A-CAES tại Canada, dự án trình diễn LAES tại Vermont. Hydrogenstor chạy thử nhà máy A-CAES đầu tiên có công suất 2,2 MW/ 10 MWh tại Ontario, Canada. Đây là hệ thống A-CAES không phát thải, bù nước. Áp suất khí luôn được giữ ổn định nhờ sử dụng nước.

Nhà máy lưu trữ năng lượng khí nén trình diễn tại Vermont dự kiến sẽ có công suất lưu trữ hơn 8 giờ và cung cấp dịch vụ trì hoãn nâng cấp mạng truyền tải.

• Thủy điện tích năng – Tương lai ngành thủy điện và chuyển dịch năng lượng
• Lưu trữ năng lượng khí nén (CAES)
• Pin oxy hóa khử vanadium (pin dòng chảy vanadi)