Một thị trấn nhỏ ở miền Nam Phần Lan đang sử dụng hệ thống pin cát thương mại lớn nhất thế giới để giải quyết một trong những thách thức lớn nhất của năng lượng tái tạo: tính gián đoạn.
Cao 13 m và rộng 15 m, công trình này sử dụng 2.000 tấn đá xà phòng (soapstone) nghiền nhỏ để lưu trữ năng lượng sạch dưới dạng nhiệt, với công suất lưu trữ 100 MWh. Lượng nhiệt này đủ đáp ứng nhu cầu sưởi ấm của 5.000 cư dân tại Pornainen trong gần một tháng vào mùa hè và khoảng một tuần vào mùa đông.
Được công ty sưởi ấm khu vực Loviisan Lampo đặt hàng và Polar Night Energy phát triển, hệ thống pin cát khổng lồ đi vào hoạt động năm ngoái nhằm đưa vào sử dụng một công nghệ sản xuất nhiệt linh hoạt hơn, đồng thời giảm lượng khí thải carbon từ mạng lưới sưởi ấm địa phương.
Polar Night Energy cho biết dự án ước tính đã giúp giảm gần 70% lượng phát thải khí nhà kính từ mạng lưới sưởi ấm và giảm khoảng 60% lượng dăm gỗ sử dụng. Một nhà máy điện chạy bằng dăm gỗ hiện vẫn hoạt động để dự phòng và đáp ứng nhu cầu phụ tải cao điểm.
Tommi Eronen, CEO Polar Night Energy, cho biết trước đây thị trấn Pornainen phụ thuộc vào việc đốt dầu và dăm gỗ để sưởi ấm. Tuy nhiên, pin cát hiện có thể cung cấp nhiệt mà không cần đốt nhiên liệu trong phần lớn thời gian của năm.
“Chúng ta đang chuyển từ một thế giới nơi các nhà máy điện lớn sản xuất năng lượng sang một thế giới nơi năng lượng được tạo ra từ Mặt Trời và gió. Khi đó, chúng ta cần một lượng lớn hệ thống lưu trữ,” Eronen nói với CNBC qua cuộc gọi video.
“Hy vọng một phần lớn trong số đó có thể là các hệ thống kiểu pin cát, nơi chúng ta không cần đến những vật liệu đất hiếm như trong nhiều loại pin hóa học, chẳng hạn pin lithium-ion.”
Dự án tại Pornainen lớn hơn khoảng 10 lần so với phiên bản được đưa vào hoạt động tại Phần Lan năm 2022, cho thấy tiềm năng để công nghệ pin cát đóng vai trò lớn hơn trong việc cắt giảm khí thải cả ở Phần Lan và các quốc gia khác.
Hệ thống lưu trữ năng lượng được kỳ vọng đóng vai trò then chốt trong quá trình chuyển đổi năng lượng. Trong đó, pin cát đã cho thấy tiềm năng đáng kể trong việc lưu trữ nhiệt ở quy mô khu vực. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn đối mặt với những trở ngại khi mở rộng, đặc biệt là khả năng chuyển đổi nhiệt trở lại thành điện năng một cách hiệu quả và mật độ năng lượng tương đối thấp so với các loại pin truyền thống.
Pin cát hoạt động như thế nào?
Về cơ bản, công nghệ pin cát hoạt động giống một chiếc bình thủy khổng lồ, với vật liệu bên trong có khả năng lưu trữ nhiệt.
Đầu tiên, hệ thống lấy điện từ lưới vào những thời điểm có nhiều điện từ gió hoặc Mặt Trời, sau đó dùng điện để làm nóng vật liệu lưu trữ lên nhiệt độ rất cao. Silo được cách nhiệt dày giữ nhiệt trong nhiều ngày hoặc nhiều tuần. Khi cần, nhiệt được giải phóng thông qua các bộ trao đổi nhiệt để làm nóng nước, cung cấp cho mạng lưới sưởi ấm khu vực.
“Có ba bước, và chìa khóa của toàn bộ hệ thống là cát cho phép tạo ra khoảng thời gian trễ giữa lúc bạn sử dụng điện và lúc sử dụng hơi nước,” Annette Hoglund-Donnes, Giám đốc thương mại của Polar Night Energy, nói với CNBC.
Bà nói thêm: “Khoảng thời gian trễ đó chính là lợi thế kinh doanh, bởi bạn có thể làm nóng cát khi giá điện rẻ và sử dụng hơi nước vào thời điểm mà việc sản xuất hơi nước từ lưới điện thường rất đắt đỏ — tức ban ngày, khi mọi người khác đều đang sử dụng điện”.
Khi được hỏi liệu dự án có thể được nhân rộng trên phạm vi quốc tế hay không, bà cho biết Polar Night Energy đã nhận được sự quan tâm từ các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp ở “tất cả các châu lục”, đặc biệt là những cộng đồng phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như than đá và dầu mỏ.
Các nhà khoa học khí hậu nhiều lần cảnh báo rằng cần cắt giảm đáng kể việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch để kiềm chế tình trạng Trái Đất nóng lên. Việc đốt than, dầu và khí đốt được xác định là nguyên nhân chính thúc đẩy cuộc khủng hoảng khí hậu.
Giải quyết tính gián đoạn của năng lượng tái tạo
Jan Rosenow, giáo sư chính sách năng lượng và khí hậu tại Đại học Oxford (Anh), cho rằng các công nghệ lưu trữ nhiệt điện như pin cát nhiều khả năng sẽ được nhân rộng trên toàn thế giới.
“Bạn không cần đất hiếm hay nguyên liệu thô quan trọng. Điểm tuyệt vời là bạn có thể sạc pin khi điện rẻ và xả năng lượng bất cứ khi nào cần nhiệt,” Rosenow nói với CNBC.
“Bạn có thể lưu trữ năng lượng trong thời gian dài, không chỉ 2 hoặc 4 giờ như pin lithium-ion mà có thể là nhiều ngày, thậm chí nhiều tuần.”
Những người chỉ trích năng lượng tái tạo thường chỉ ra rằng các công nghệ như điện Mặt Trời và điện gió chỉ sản xuất năng lượng khi Mặt Trời chiếu sáng hoặc gió thổi. Các hệ thống lưu trữ năng lượng như pin đóng vai trò then chốt trong việc khắc phục tính gián đoạn này bằng cách hấp thụ lượng điện dư thừa từ Mặt Trời và gió, sau đó cung cấp trở lại khi sản lượng giảm.
Mikko Paajanen, CEO của Loviisan Lampo, cho biết pin cát giúp giải quyết trở ngại này trong quá trình chuyển đổi năng lượng.
“Hiện nay, chúng tôi có thể cung cấp nhiệt vào mùa đông trong một tuần chỉ với một lần sạc pin, còn vào mùa hè, lượng nhiệt này thậm chí có thể kéo dài tới một tháng,” Paajanen nói. “Nhờ vậy, chúng tôi có thể tận dụng rất tốt những thời điểm giá điện giao ngay ở mức thấp.”
CEO của Loviisan Lampo cho biết công ty đặt mục tiêu cung cấp 55-60% sản lượng nhiệt của mạng lưới sưởi ấm khu vực từ pin cát trong những tháng đầu năm nay, tăng từ khoảng 30% vào năm 2025.
Bộ trưởng Khí hậu Phần Lan Sari Multala mô tả dự án pin cát tại Pornainen là một ví dụ “rất truyền cảm hứng” và sáng tạo về cách giải quyết thách thức lưu trữ năng lượng.
“Tôi hiểu điều đó khi đến thăm nhà máy vào thời điểm công trình được khánh thành. Hiện họ cũng đang phát triển các giải pháp để có thể sử dụng điện trong tương lai. Tất nhiên, điều đó sẽ mang tính đột phá — và là điều mà rất nhiều người sẽ nhìn thấy giá trị,” Multala nói với CNBC.
Hệ thống pin cát quy mô công nghiệp tại Pornainen, Phần Lan, có thể đáp ứng gần một tháng nhu cầu sưởi ấm của thị trấn vào mùa hè và tới một tuần vào mùa đông. Ảnh: Polar Night Energy
