Sự tăng trưởng mạnh mẽ của các nguồn năng lượng tái tạo chỉ ra rằng năng lượng tái tạo sẽ là một bộ phận quan trọng của hệ thống năng lượng quốc gia trong tương lai gần. Tuy nhiên, khi tỉ trọng các nguồn năng lượng tái tạo càng cao thì càng đặt ra các bài toán khó khăn cho các nhà vận hành do tính bất định cố hữu của chúng. Hệ thống tích trữ năng lượng cung cấp các giải pháp giúp hạn chế sự phụ thuộc vào thời tiết của các nguồn năng lượng tái tạo, cho phép thiết kế, vận hành khai thác hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo. Bài này trình bày tổng hợp công nghệ và ứng dụng một số dạng tích trữ năng lượng chính.

Công nghệ lưu trữ năng lượng bao gồm nhiều hệ thống khác nhau, có thể được phân thành 5 loại lớn, đó là: công nghệ cơ khí, điện hóa (hoặc pin), công nghệ lưu trữ nhiệt, điện và hydro.
Các công nghệ lưu trữ năng lượng tiên tiến có khả năng phân phối điện trong vòng mili giây hoặc vài giây và có thể cung cấp nguồn điện dự phòng trong khoảng thời gian từ vài phút đến nhiều giờ. Thời gian lưu trữ phù hợp (dài hay ngắn), quy mô của hệ thống (tính bằng MW và MWh) và thời gian đáp ứng phụ thuộc vào công nghệ, do đó điều quan trọng là phải lựa chọn công nghệ phù hợp theo các yêu cầu và ràng buộc của ứng dụng.

Lưu trữ cơ khí

Những công nghệ này lưu trữ năng lượng dưới dạng thế năng hấp dẫn, động năng (chuyển động) hoặc thế năng nén. Nó bao gồm:

• 1. Pumped hydro storage – Thủy điện tích năng (PHS).
  2. Lưu trữ năng lượng trọng lực.
  3. Compressed air energy storage – Hệ thống tích trữ năng lượng không khí nén (CAES).
  4. Flywheel energy storage – Lưu trữ năng lượng dạng bánh đà (FES).

• Thuỷ điện tích năng (PHS)

Trong các hệ thống này, năng lượng được lưu trữ dưới dạng năng lượng tiềm tàng của nước được giữ ở độ cao lớn hơn. Nói chung, điều này liên quan đến việc bơm nước vào một hồ chứa lớn ở độ cao lớn — thường nằm trên đỉnh núi hoặc đồi. Khi cần năng lượng, nước trong hồ chứa được dẫn qua một tuabin thủy điện, chuyển đổi năng lượng của nước chảy thành điện năng. PHS thường được sử dụng để lưu trữ năng lượng trong thời gian dài (8-24 giờ).

• Công nghệ lưu trữ trọng lực

Các công nghệ lưu trữ năng lượng dựa trên trọng lực sử dụng nguyên tắc tương tự như hệ thống PHS. Tuy nhiên, sự khác biệt quan trọng là xi măng hoặc gạch, hoặc đá được sử dụng khi có khối lượng di chuyển lên hoặc xuống thay vì nước. Ưu điểm quan trọng của điều này là kích thước của hệ thống nhỏ hơn nhiều do
mật độ của chất rắn cao hơn so với nước. Ngoài ra, có thể tránh được yêu cầu về các đặc điểm địa chất cụ thể.

• Lưu trữ năng lượng khí nén (CAES)

Một hệ thống CAES sử dụng năng lượng điện dư thừa để nén không khí bằng cách sử dụng một máy bơm điều khiển bằng điện, được lưu trữ trong hang ngầm hoặc trên mặt đất trong các bình chứa áp suất cao. lưới, nó được sử dụng để chạy một máy nén điện, nén không khí và lưu trữ nó dưới áp suất cao. Khi cần năng lượng điện, không khí nén được dẫn tới tuabin khí đã được cải tiến, tuabin khí này sẽ chuyển đổi năng lượng tích trữ thành điện năng.

• Lưu trữ năng lượng bánh đà (FES)

Bánh đà lưu trữ năng lượng điện dưới dạng năng lượng quay trong một khối quay hình trụ nặng. Hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà thường bao gồm một trụ quay lớn được hỗ trợ trên stato. Nhìn chung, bánh đà rất thích hợp cho các ứng dụng công suất lớn do khả năng hấp thụ và giải phóng năng lượng trong thời gian rất ngắn.

Lưu trữ điện hóa

Công nghệ lưu trữ điện hóa bao gồm các công nghệ pin khác nhau sử dụng các phản ứng điện hóa khác nhau để lưu trữ điện, cụ thể là pin axit-chì, pin lithium-ion (Li-ion), pin natri-lưu huỳnh (NAS), pin lỏng, pin Zn-air và siêu tụ điện. Các loại pin này, tùy thuộc vào loại, có thể phù hợp cho các ứng dụng thời lượng ngắn (vài phút) hoặc dài (hơn 8 giờ). Đối với các ứng dụng lưu trữ cố định, 2 trong số các thông số chính là tuổi thọ chu kỳ và hiệu suất chu kỳ nạp – xả (%) của pin.

Lưu trữ nhiệt

Nguyên tắc lưu trữ năng lượng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt về mặt khái niệm khác với các hệ thống lưu trữ năng lượng điện hóa hoặc cơ học. Ở đây, năng lượng bằng cách đốt nóng hoặc làm nguội các vật liệu thích hợp sử dụng năng lượng điện dư thừa. Khi được yêu cầu, quá trình ngược lại được sử dụng để phục hồi năng lượng. Loại công nghệ này bao gồm các hệ thống lưu trữ dựa trên đá, lưu trữ nước nóng và lạnh, lưu trữ muối nóng chảy và công nghệ lưu trữ đá.

• Lưu trữ nhiệt có thể cảm nhận

Năng lượng khả dụng được lưu trữ dưới dạng tăng hoặc giảm nhiệt độ của vật liệu, có thể được sử dụng để đáp ứng nhu cầu sưởi ấm hoặc làm mát. Một trong những công nghệ nổi tiếng nhất của loại hình này là bảo quản muối nóng chảy. Loại lưu trữ này thường được kết hợp với các nhà máy Điện mặt trời tập trung (CSP), nơi nhiệt lượng tạo ra được sử dụng để tăng nhiệt độ của muối nóng chảy. Một công nghệ quan trọng khác trong không gian này là trữ nước nóng và lạnh. Những điều này đặc biệt liên quan khi một phần lớn tải điện dành cho các ứng dụng sưởi ấm hoặc làm mát không gian.

• Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn

Trong các hệ thống này, năng lượng được lưu trữ trong một vật liệu trải qua sự thay đổi pha (chuyển đổi giữa chất rắn và chất lỏng) khi nó lưu trữ và giải phóng năng lượng. Ví dụ như bể chứa nước đá cho các ứng dụng làm mát gia đình hoặc công nghiệp. Trong khoảng thời gian dư thừa năng lượng và nhu cầu thấp (thường là vào ban đêm), nước lỏng được chuyển thành đá và được lưu trữ trong các bồn chứa lớn. Khi tải làm mát tăng vào ban ngày và buổi chiều, băng bị tan ra để làm mát không gian cho các tòa nhà được kết nối. Hai công ty hoạt động trong lĩnh vực này là Calmac và Ice Bear Energy Systems. Một loại công nghệ khác trong danh mục này là vật liệu thay đổi pha (PCM). PCM là các thành phần vật liệu cụ thể nóng chảy ở một nhiệt độ cụ thể được quan tâm.

• Lưu trữ nhiệt

Loại lưu trữ nhiệt thứ ba liên quan đến việc lưu trữ năng lượng trong các phản ứng hóa học thuận nghịch. So với hai công nghệ còn lại, chúng nhỏ gọn và nhẹ hơn nhiều. Có nhiều biến thể của công nghệ này, hầu hết chúng hiện đang trong giai đoạn phát triển nguyên mẫu ban đầu.

Lưu trữ điện

Hệ thống siêu tụ điện và hệ thống lưu trữ năng lượng từ tính siêu dẫn (SMES) lưu trữ điện năng trong điện trường và điện từ với mức tổn thất năng lượng tối thiểu. Một số hệ thống SMES nhỏ đã được bán trên thị trường, chủ yếu được sử dụng để kiểm soát chất lượng điện trong các nhà máy sản xuất như cơ sở chế tạo vi mạch. Những công nghệ này lý tưởng để lưu trữ và giải phóng mức năng lượng cao qua các đợt nổ ngắn do giá của chúng tính bằng đô la / kW (công suất) thấp hơn.

Công nghệ lưu trữ hydro

Khái niệm cơ bản của công nghệ lưu trữ hydro là sử dụng điện để thực hiện quá trình điện phân nước để tạo ra hydro và oxy. Hydro được tạo ra được lưu trữ trong các bình chứa áp suất cao và có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho quá trình đốt cháy trực tiếp (các ứng dụng nấu ăn và sưởi ấm) hoặc để phát điện thông qua Pin nhiên liệu PEM.