Rào cản đối với việc triển khai lưu trữ pin của Hoa Kỳ: Giá cả và sản phẩm

Mặc dù Hoa Kỳ hiện có nhiều công nghệ có thể khử cacbon cho lưới điện, nhưng các rào cản xã hội, tài chính và chính trị có thể ngăn cản việc triển khai các công nghệ hiện đại này trong khung thời gian cần thiết để ngăn chặn sự thay đổi môi trường. Quan điểm này nêu bật 2 trong số những rào cản lớn nhất đối với việc triển khai không gian lưu trữ pin: giá cả và sản phẩm. Đặc biệt, chi phí cho không gian lưu trữ pin thông thường (công nghệ hiện đại) thường tiếp tục ở mức quá cao. Một nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Hiện đại Massachusetts đã khám phá một loạt chiến lược chính trị và tài chính do chính phủ Hoa Kỳ phát triển và cung cấp để thúc đẩy việc giải phóng không gian lưu trữ năng lượng nhanh hơn và cũng giảm thiểu chi phí. Báo cáo lưu ý rằng giá cả tăng cao là giá trị tương đối cao của vật liệu pin. Và chuỗi cung ứng có quy mô nhỏ hơn và được sắp xếp hợp lý sẽ làm nổi bật tính cấp thiết của các sản phẩm pin, tăng giá và thách thức việc mở rộng quy mô nhanh chóng. Ngoài các dịch vụ công nghệ và kinh tế, còn có những yếu tố giải thích cho điều này, một số yếu tố đã được MIT phân tích. Thông thường, có một số mối quan hệ đối lập giữa lợi thế cạnh tranh của một công ty (tức là bố trí và sản xuất độc quyền) và sản xuất tiết kiệm hơn (tức là tập trung hóa, tiêu chuẩn hóa, v.v.) cần được khắc phục thông qua các phần thưởng chính trị và kinh tế. Cuối cùng, cần có sự cấp bách cao hơn trong các lĩnh vực công cộng cũng như đầu tư chuyên biệt để giải quyết vấn đề biến đổi môi trường với tốc độ tăng trưởng nhanh chóng cũng như việc thực hiện các giải pháp hiệu quả nhất.

Trong số các giải pháp quan trọng nhất để ngăn chặn sự biến đổi khí hậu thêm là khử cacbon trong ngành năng lượng điện. Theo dữ liệu do Cơ quan Quản lý Chi tiết Năng lượng (EIA) của liên bang đưa ra, vào năm 2020, tổng lượng khí thải carbon do thị trường điện tạo ra chiếm khoảng 32% tổng lượng khí thải carbon ở Hoa Kỳ. Bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như gió và năng lượng mặt trời, năng lượng có thể được sản xuất mà không thải ra carbon dioxide, chất gây ô nhiễm chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu. Tuy nhiên, năng lượng tái tạo gặp phải những vấn đề tái diễn về sản xuất vì nguồn cung của nó phụ thuộc vào điều kiện khí hậu không chắc chắn cũng như sự kiểm soát của con người trong quá khứ, đây là một sự khác biệt đáng kể so với các cơ sở sản xuất nhiên liệu hóa thạch có thể cung cấp nhiều năng lượng hơn bất cứ lúc nào. Có nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết tình trạng không liên tục và đảm bảo nhu cầu luôn được đáp ứng: ví dụ, các cơ sở sản xuất năng lượng tái tạo có thể được xây dựng quá mức để khi không đủ nắng hoặc gió, năng lượng điện được tạo ra vẫn có thể đáp ứng nhu cầu cung cấp. Tuy nhiên, phương pháp này tốn kém cũng như đòi hỏi phải cắt giảm. Một dịch vụ khác là sử dụng một lượng tối thiểu nguồn cung cấp năng lượng có thể quản lý được (chẳng hạn như hydro thân thiện với môi trường cũng như năng lượng hạt nhân, v.v.), lý tưởng nhất là nguồn năng lượng gọn gàng không tạo ra CO2 (chẳng hạn như hydro xanh, amoniac, nhiên liệu sinh học, v.v.). Tuy nhiên, những đổi mới mới nổi này vẫn đang nỗ lực để đạt được các chỉ số hiệu quả và chi phí khả thi khi được tạo ra bằng cách sử dụng các quy trình trung hòa carbon. Mặc dù cần có nhiều phương pháp nhưng hệ thống không gian lưu trữ năng lượng là một giải pháp cực kỳ hứa hẹn cũng như cung cấp nhiều lựa chọn thiết kế.

Ý nghĩa của việc chiếm không gian lưu trữ điện là chuyển đổi năng lượng điện được cung cấp bởi nguồn năng lượng tái tạo thành các loại năng lượng khác như nhiệt năng, năng lượng điện hóa, năng lượng điện, v.v. khi có đủ nguồn điện, có thể được lưu trữ cũng như giải phóng để đáp ứng nhu cầu trong thời gian cung cấp. Các cơ sở sản xuất thủy điện được bơm đã là một loại không gian lưu trữ năng lượng hiệu quả và được ghi chép rõ ràng trong hơn 100 năm; Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), thủy điện được bơm hiện chiếm 95% khả năng lưu trữ năng lượng của tất cả các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô tiện ích ở Hoa Kỳ. Tuy nhiên, cần có nhiều dung lượng không gian lưu trữ năng lượng hơn để khử cacbon cho lưới điện ở mức cao hơn: theo báo cáo nghiên cứu của Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (EIA), Hoa Kỳ hiện có ít hơn 2GW hệ thống không gian lưu trữ năng lượng quy mô tiện ích được triển khai, cũng như có thể cần hàng trăm gigawatt không gian lưu trữ năng lượng vào năm 2050 để hỗ trợ quá trình khử cacbon sâu. Thủy điện bơm khó mở rộng quy mô do nó thường chỉ mang lại lợi nhuận cho các dự án không gian lưu trữ năng lượng lớn, sử dụng nhiều vốn và địa điểm triển khai bị hạn chế về mặt địa lý cũng như những hạn chế cho phép. Ngoài ra, lưới điện là một tập hợp các dịch vụ, mỗi dịch vụ phụ thuộc vào công suất đặc trưng khác nhau cũng như nhu cầu điện năng, thời gian phản ứng, v.v., đòi hỏi nhiều dịch vụ không gian lưu trữ năng lượng. Số liệu thống kê phổ biến nhất được sử dụng để giúp xác định xem công nghệ lưu trữ năng lượng có lý tưởng về mặt thực tế và kinh tế cho một ứng dụng hay không, đó cũng là thời điểm cần sạc đầy hoặc cấp lại năng lượng cho pin. Do đó, có thể khám phá các lựa chọn chạy ở nhiều khoảng thời gian khác nhau. Do không gian thiết kế lớn mà chúng cung cấp để đạt được nhiều khoảng thời gian cũng như các lợi ích khác được đề cập trong bài viết này, pin sử dụng một loạt công nghệ không gian lưu trữ năng lượng hấp dẫn cho các nhiệm vụ lưu trữ năng lượng.

Pin là một thiết bị lưu trữ điện hóa sử dụng sự chênh lệch năng lượng giữa các phản ứng 'oxy hóa khử' để biến đổi năng lượng điện, từ đó tiết kiệm điện năng dưới dạng năng lượng hóa học hoặc tiết kiệm điện năng từ năng lượng hóa học. Pin có rất nhiều lợi thế tiềm năng so với các loại công nghệ lưu trữ năng lượng khác. Ví dụ, các phản ứng điện hóa thường đáng tin cậy hơn nhiều so với các phản ứng nhiệt hóa trong lưới khử cacbon (và nói chung là lưới điện) do giải phóng trực tiếp năng lượng điện (thường ở mức nhiệt độ và áp suất thông thường).

Ngoài ra, còn có nhiều kế hoạch lưu trữ năng lượng phản ứng oxi hóa khử khác nhau để bạn lựa chọn, cung cấp không gian bố trí rộng rãi cho các công nghệ hiện đại lưu trữ năng lượng dựa trên ứng dụng. Ví dụ: hãy xem xét số lượng pin kinh doanh được sử dụng trong thiết bị điện tử của khách hàng, chỉ chiếm một phần nhỏ trong hệ thống lưu trữ năng lượng pin quy mô lưới có sẵn để sử dụng trong các thiết kế khác nhau: lithium-ion, axit chì, niken-cadmium, pin kẽm-cacbon, v.v. Hơn nữa, pin có thể được triển khai thực tế ở mọi nơi, không giống như bộ lưu trữ nhiệt hoặc trọng lực, thường yêu cầu vị trí lưu trữ chi tiết về mặt địa lý. Những lợi ích này cho phép pin không chỉ được sử dụng cho các hoạt động của lưới điện ngoài quá trình khử cacbon mà còn mang lại giá trị gia tăng dưới dạng dịch vụ phụ; ví dụ như pin góp phần tăng cường khả năng độc lập về năng lượng cũng như độ tin cậy. Hãy xem xét sự cố sập lưới điện của Puerto Rico trong cơn bão Maria năm 2017. Các thiết kế lưới điện siêu nhỏ phân tán bao gồm các cơ sở sản xuất tài nguyên tái tạo và hệ thống không gian lưu trữ năng lượng có thể ngăn chặn tình trạng mất điện nghiêm trọng trên diện rộng. Điều này là do việc phát điện phân tán làm giảm việc xây dựng và trang bị thêm hệ thống truyền tải (chẳng hạn như đường dây điện và cột điện) giúp phân tán điện nhưng lại có nguy cơ gặp phải các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt.

Ngoài ra, việc sản xuất điện phân tán sẽ loại bỏ khả năng xảy ra một điểm hỏng hóc duy nhất. Chắc chắn, những lo ngại về tự do tài chính và chính trị của cộng đồng cũng cần được xem xét. Nhiều quốc gia không có nguồn tài nguyên nhiên liệu không thể tái tạo lớn mang tính thực tế về mặt kinh tế, do đó, việc thay đổi thị trường năng lượng tái tạo có thể thúc đẩy sản xuất điện trong nước, giảm nhu cầu nhập khẩu điện cũng như từ đó thúc đẩy tự do địa chính trị. Hoa Kỳ đặc biệt thừa nhận những thách thức tài chính mà sự phụ thuộc quyền lực có thể gây ra, từng trải qua tình trạng thiếu dầu do địa chính trị gây ra trong những năm 1970 và 1980.

Ngày nay có rất nhiều loại công nghệ pin, mỗi loại có kiểu dáng mẫu mã khác nhau, nhiều loại trong số đó có thể phù hợp với một loạt loại hóa chất cũng như sử dụng nhiều lựa chọn thay thế. Pin lithium-ion (LIB) được coi là công nghệ pin chủ đạo; Trong những năm 1990 và sau đó, pin lithium-ion chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị điện tử và di động, trong khi những năm gần đây, pin lithium-ion chủ yếu được sử dụng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng cố định cũng như Ô tô điện (EV) tại 2 thị trường quy mô lớn này. Phần lớn những cải tiến về pin được nghĩ đến để sử dụng trong ngành điện vẫn còn khá sớm và có thể cần nghiên cứu thử nghiệm và báo lỗi toàn diện, nhưng công việc đạt được cho đến nay thực tế chỉ là triển khai nhỏ hoặc quy trình thương mại tối thiểu, thường là do chúng vẫn hoạt động kém hoặc chỉ phù hợp với ứng dụng Lưới điện. Ví dụ về những đổi mới như vậy bao gồm pin tuần hoàn oxy hóa khử (RFB) và cả pin kim loại-không khí (MAB).

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, đến năm 2030, phần lớn mức giảm phát thải CO2 chắc chắn sẽ đến từ các công nghệ hiện đại hiện đang được phát hành hoặc trên thị trường hiện nay, và đến năm 2050, khoảng 50% lượng carbon giảm sẽ phụ thuộc vào những đổi mới hiện có trong đổi mới năng lượng ở giai đoạn thử nghiệm hoặc nguyên mẫu. Vì vậy, các chính phủ liên bang cũng như các nền văn hóa trên thực tế đang đi đúng hướng trong việc giải quyết vấn đề biến đổi môi trường. Tuy nhiên, có nhiều trở ngại chính trị, tài chính và xã hội tiềm ẩn khác cần phải vượt qua để đảm bảo rằng các công nghệ năng lượng lý tưởng được triển khai đủ nhanh để mức giảm này đủ lớn để tránh thiệt hại trên quy mô lớn hơn (Hình 1). Mặc dù các yếu tố cần xem xét này không độc lập với các khía cạnh kỹ thuật nhưng chúng có thể yêu cầu các cách tiếp cận và giải pháp khác nhau. Công việc này kiểm tra hai thách thức quan trọng trong việc triển khai pin trên phạm vi rộng hơn: giá pin và các hạn chế về sản phẩm. Một loạt công nghệ pin với các thuộc tính hiệu quả phù hợp hiện đang tồn tại, tuy nhiên chi phí trả trước cao có thể trì hoãn hoặc ngừng phát triển rộng rãi hơn, đặc biệt ở quy mô sản xuất thấp hiện nay. Cuối cùng, ngay cả khi một công nghệ pin nhất định đáp ứng các chỉ số hiệu suất và giá cả thiết yếu, thì khả năng tiếp cận và chuỗi cung ứng của các thành phần quan trọng của nó có thể cản trở sự tích hợp nhanh chóng và sâu sắc. Do đó, những lo ngại này phải được giải quyết càng nhanh càng tốt để đạt được các mục tiêu chính về khử cacbon. Công việc này khám phá các kỹ thuật tài chính và chính trị để vượt qua hoặc phá vỡ những rào cản này.
Rào cản chính 1: Chi phí pin

Chi phí là yếu tố cốt lõi cần xem xét liệu pin có thể được sử dụng trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng lưới hay không. Không giống như các thị trường pin khác như thiết bị lâm sàng, thiết bị điện tử tiêu dùng, xe tải điện, v.v., các ứng dụng lưới điện cần các dịch vụ năng lượng sạch có chi phí thấp hơn nhiều để cạnh tranh với các cơ sở sản xuất nhiên liệu hóa thạch giá cả phải chăng. Bởi vì việc giải phóng lưới điện đòi hỏi những khoản đầu tư lớn, thường xuyên đòi hỏi khả năng tiếp cận nguồn tài trợ (ví dụ như nguồn vốn), chi phí tài nguyên thực sự là một rào cản đáng kể đối với việc áp dụng tài nguyên tái tạo và do đó cũng là dấu hiệu trung tâm về tính khả thi về mặt kinh tế-kỹ thuật của nó. Đối với pin, chi phí thường phụ thuộc vào giá nguyên liệu cũng như phạm vi sản xuất. Bộ Điện lực Hoa Kỳ thường đặt mức trần từ 100 USD/kWh đến 150 USD/kWh làm mức giới hạn chi phí đầu tư cho một hệ thống lưu trữ điện lưới thực tế về mặt tài chính.

Pin lithium-ion hiện là một trong những công nghệ lưu trữ năng lượng pin được triển khai nhiều nhất trong các ứng dụng lưới điện. Pin lithium-ion đã có khả năng đẩy nhanh sự phát triển kể từ những năm 1990 vì chúng lần đầu tiên được sử dụng rộng rãi ở các thị trường có giá trị cao bao gồm các thiết bị điện tử tiêu dùng và xe tải điện. Ở những thị trường này, các nhà cung cấp pin có thể tiếp thị các sản phẩm pin ít cải tiến hơn nhưng giá cao hơn vì chúng là lựa chọn duy nhất. Điều này giúp pin lithium-ion có thể được tạo ra ở quy mô lớn và giá cả phù hợp, đồng thời tối đa hóa hiệu suất hơn nữa. Vì vậy, khi công nghệ này được xem xét cho các hệ thống không gian lưu trữ năng lượng, pin lithium-ion đã thực sự cho thấy hiệu quả mạnh mẽ, hiệu suất sạc và xả của loại pin này hiện rất cao, thường cao tới 95% và chuỗi cung ứng được thiết lập để đảm bảo giá thấp hơn. Cụ thể với sự phát triển của ô tô điện, giá pin lithium-ion thực tế đã giảm mạnh trong những năm qua; Pin lithium-ion, bao gồm các tế bào pin đã lắp ráp, hệ thống quản lý và an ninh, đã giảm trong phạm vi có thể được Bộ Điện lực Hoa Kỳ xác định (khoảng 140 USD/kWh), dự kiến ​​sẽ giảm xuống dưới 100 USD/kWh trong tương lai. Khả năng sản xuất pin lithium-ion quốc tế ước tính vượt quá 700GWh hàng năm và ngày nay là lĩnh vực trị giá gần 50 tỷ USD. Mặc dù đây là sự phát triển xuất sắc nhưng vẫn cần một loạt biện pháp khắc phục để cho phép tất cả các dịch vụ lưới điện hoạt động và đạt được mục tiêu khử cacbon sâu. Hơn nữa, các vấn đề về chuỗi cung ứng được xem xét trong phần tiếp theo có thể cản trở phạm vi triển khai của hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium-ion. Một số công nghệ pin hiện đại khác thậm chí còn cung cấp các dịch vụ tiết kiệm hơn, đặc biệt là trong thời gian dài hơn (trên 4 giờ), tuy nhiên chúng không thu được lợi ích từ các vấn đề thị trường tương tự như Li-ion và đang gặp khó khăn trong việc cạnh tranh.

Nhiều thiết kế cũng như sản phẩm pin thay thế có lợi thế cơ bản về giá so với pin Li-ion. Ví dụ, pin tuần hoàn sử dụng thiết kế hệ thống phân chia công suất và công suất một cách duy nhất, cho thấy cả hai có thể mở rộng quy mô độc lập với nhau. Điều này cho phép tăng dung lượng lưu trữ năng lượng ở mức hợp lý, khiến những loại pin như vậy có giá cả cạnh tranh hơn nhiều trong thời gian dài hơn. Mặt khác, một hệ thống khép kín như pin lithium-ion kết hợp giữa năng lượng và năng lượng, khiến chi phí cho bộ lưu trữ năng lượng của nó trở thành một tiêu chí cố định hợp lý. Mặc dù người ta đã chỉ ra rằng chi phí lâu dài không phải là yếu tố cần cân nhắc so với chi phí trả trước, nhưng kiểu mở của pin dòng chảy (RFB) hoặc pin không khí kim loại (MAB) cũng tạo điều kiện tiết kiệm chi phí dài hạn bằng cách cho phép bảo trì các bộ phận mục tiêu. Người ta có thể trực tiếp bổ sung hoặc thay thế nó bằng chất điện phân (thành phần pin có tác dụng nhanh nhất), trong khi các hệ thống khép kín thông thường như pin lithium-ion cần cải tiến hoặc thay thế toàn bộ bộ pin, điều này sẽ tạo ra một lượng chất thải nhất định. Cuối cùng, cũng có những loại pin sử dụng các sản phẩm có giá thành thấp hơn, hàm lượng cao hơn pin lithium-ion, giúp giảm chi phí trong tương lai.

Bất chấp những lợi ích vốn có này, các giải pháp lưu trữ năng lượng mới phát sinh khó có thể hoàn thiện vì nhiều lý do. Ban đầu, mặc dù phong cách tối ưu của lưới điện được khử cacbon sâu tích hợp một loạt dịch vụ lưu trữ pin, nhưng kịch bản này khác xa với thực tế hiện có. Bởi vì những cải tiến pin mới này thực sự chỉ mang lại hiệu quả về mặt chi phí cho các ứng dụng quy mô lưới điện và không thể tiếp cận được các thị trường có giá trị cao hơn, nên vẫn chưa rõ chính xác làm thế nào để giảm giá và nâng cao hiệu quả để chúng có thể cạnh tranh với pin lithium-ion khi có nhu cầu, các dịch vụ lưu trữ năng lượng lâu dài hoặc thay thế các cơ sở sản xuất nhiên liệu hóa thạch có thể được đáp ứng với chi phí thấp hơn.

Làm trầm trọng thêm vấn đề con gà và quả trứng này là một câu hỏi hóc búa tương tự nữa: Những đổi mới đang phát sinh này đương nhiên sẽ rủi ro hơn. Điều này khiến chúng kém hấp dẫn hơn đối với những người giám sát dự án, nhà tài trợ hoặc những người đưa ra quyết định khác, khiến những công nghệ hiện đại này ít được chấp nhận và thể hiện hơn, cũng như kết quả luôn được coi là rủi ro. Do những trở ngại này, nhiều dự án đề xuất sử dụng các công nghệ pin mới nổi này đã phải đấu tranh để đảm bảo nguồn tài trợ bằng đầu tư tài chính của công ty, tài chính công việc, v.v. Những vấn đề này có thể không chỉ được giải quyết bởi khu vực tư nhân và việc xử lý của chính phủ có thể làm giảm rủi ro công nghệ cũng như giảm giá thành của các giải pháp khắc phục không gian lưu trữ năng lượng vốn chỉ bắt mắt đối với lưới điện nhưng có thể góp phần khử cacbon sâu. Thông thường, các cuộc biểu tình quy mô lớn chắc chắn sẽ cần phải được thử nghiệm và duy trì bằng việc mua sắm trực tiếp. Một cách để thực hiện điều này là thông qua việc tài trợ của chính phủ liên bang cho các hoạt động kinh doanh, như đã được thực hiện trước đây với Đạo luật Phục hồi và Tái đầu tư của Mỹ. Hiện tại, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cung cấp nguồn tài chính đáng kể cho các dự án không gian lưu trữ năng lượng demo. Tuy nhiên, nguồn tài chính này thực tế trước đây đã được trao cho các phòng thí nghiệm nghiên cứu quốc gia của Hoa Kỳ, không phải do công chúng chào mời, điều này sẽ thu hút khu vực tư nhân và cũng có khả năng đẩy nhanh tiến độ. Ngoài ra, chính phủ Hoa Kỳ có thể phát triển một chương trình chuyên biệt để trình bày về lưu trữ điện lưới, điều này đã cho thấy nhiều hứa hẹn trong nhiều dự án phát triển giai đoạn đầu của nước này. Nhu cầu này gần đây đã được đáp ứng một phần nhờ Chương trình Nghiên cứu Nghiên cứu Tiên tiến của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Chương trình Cơ quan Năng lượng (ARPA-E) dành cho những tiến bộ quan trọng trong công nghệ năng lượng chưa được khai thác. Tương tự như vậy, Văn phòng Trình diễn Năng lượng Sạch của Hoa Kỳ là một bước đi khác theo hướng tốt nhất: công ty được thành lập vào năm 2021 với mục tiêu giới thiệu các dự án lưu trữ năng lượng lớn (thậm chí hàng tỷ đô la), đồng thời hợp tác với khu vực tư nhân để Đẩy nhanh việc áp dụng và triển khai các công nghệ hiện đại về năng lượng sạch.

Các công nghệ tồn tại ngày nay có thể góp phần khử cacbon trong trường điện. Tuy nhiên, có những lo ngại về khả năng tạo ra và triển khai các công nghệ hiện đại này một cách nhanh chóng và tiết kiệm chi phí, một nhiệm vụ hiện chưa được thực hiện. Với những ưu đãi phù hợp, sự đối xử của chính phủ có thể giúp đạt được và đẩy nhanh các kết quả mong muốn. Hơn nữa, nhiều cách tiếp cận và quy trình khác nhau có thể giúp khắc phục một số trở ngại này nếu được sử dụng một cách khôn ngoan và nhanh chóng. Bất chấp cách tiếp cận này, cần có thời gian cũng như khả năng tiếp cận công chúng và đầu tư độc quyền là rất quan trọng