Lưu Trữ Nhiệt Năng

nhu cầu tăng cường phụ thuộc vào năng lượng tái tạo thường xuyên nổi lên khi chúng ta cố gắng chống biến đổi khí hậu. Thỏa thuận COP28 mới nhất đã nêu rõ điều này, kêu gọi tăng gấp ba công suất năng lượng tái tạo và tăng gấp đôi cải thiện hiệu suất năng lượng vào năm 2030. Đây là một tham vọng táo bạo nhưng cần thiết để tiến gần đến việc đạt được mục tiêu phát thải ròng bằng không trong khung thời gian cần thiết.

Một chủ đề thường bị bỏ qua là cách quản lý tốt nhất sự khó lường của nguồn cung năng lượng tái tạo. Và, khi được thảo luận, nó thường tập trung vào các vấn đề ở cấp độ cao, như phân phối lưới điện và nguồn cung cấp điện quốc gia. Tuy nhiên, có thể mất tới 15 năm để mở rộng mạng lưới truyền tải và phân phối điện đi vào hiệu lực. Với nhu cầu hành động ngay lập tức để hạn chế tác động của biến đổi khí hậu, cấp bách cần phải nhìn xa hơn phát điện tập trung, hướng tới tạo nhiệt cục bộ.

Những đỉnh và đáy trong cung cấp từ nguồn tài nguyên gió và mặt trời, cùng với sự gia tăng đáng kể về nhu cầu khi nhiệt được điện khí hóa có nghĩa là hợp lý khi xem xét cơ hội cho những mối quan hệ cộng hưởng mới giữa các ngành điện và nhiệt.

Lưu trữ nhiệt năng (TES) và các hình thức lưu trữ năng lượng dài hạn khác (LDES) là hai hướng đi đầy hứa hẹn để tối đa hóa tiềm năng của tình hình đang phát triển.

Cần thiết phải áp dụng các phương pháp TES khi chúng ta tiếp tục hành trình hướng tới tương lai bền vững hơn là rõ ràng. Và, khi công nghệ phát triển để đáp ứng nhu cầu này, đáng để xem xét tác động rộng hơn mà những lựa chọn này có thể có đối với môi trường của chúng ta, ngoài các yếu tố như chi phí vốn, hiệu suất và sản lượng năng lượng. Ở đây chúng ta xem xét hai giải pháp thay thế và xem xét một số vấn đề này.

Ngày nay, các hình thức lưu trữ năng lượng phổ biến nhất cho nhiệt là lưu trữ nhiệt thông qua lưu trữ nhiệt cảm và nhiệt tiềm ẩn sử dụng vật liệu đổi pha (PCM), và lưu trữ nhiệt hóa học. Các lựa chọn lưu trữ điện hóa được chia thành hai loại; tụ điện và pin. Trong khi tụ điện cung cấp hiệu suất cao hơn và tuổi thọ tăng so với pin, chúng mang ít điện tích hơn trên mỗi đơn vị khối lượng.

Pin cũng đã là chủ đề của nhiều nghiên cứu về việc sử dụng chúng trong hệ thống lưu trữ năng lượng, bao gồm tích hợp với các hệ thống công nghệ tái tạo. Pin Lithium Iron Phosphate (LIPB) đã là chủ đề của nhiều nghiên cứu đánh giá việc sử dụng chúng, chẳng hạn như tại các trang điện gió để lưu trữ năng lượng khi gió không thổi. Hiệu suất của chúng cải thiện đáng kể khi sử dụng nhiều hơn một pin, cho phép chu kỳ sạc và xả hoàn chỉnh. Các nghiên cứu khác tập trung vào cải thiện hiệu suất, ví dụ bằng cách kiểm soát nhiệt độ vận hành bằng thảm nhiệt, hoặc xem xét tác động môi trường thông qua đánh giá vòng đời (LCA).

Tại Spirax Sarco, cùng với các đồng nghiệp tại Chromalox, chúng tôi đã phát triển một hình thức TES đổi mới: SteamBattery. Thiết bị này lưu trữ nhiệt tạo ra từ bộ gia nhiệt điện chìm dưới dạng nước nóng áp suất cao trong bình cách nhiệt tốt.

Khi cần hơi nước từ SteamBattery, hơi được lấy từ không gian khí (ullage) của bình, và được sử dụng trực tiếp dưới dạng hơi nước, hoặc gián tiếp thông qua bộ trao đổi nhiệt để kết nối với hệ thống sưởi ẩm. Hơi nước ngưng tụ được đưa trở lại bình. Khi hơi nước được sử dụng, áp suất giảm đến mức SteamBattery được xả hoàn toàn. Nó được sạc lại bằng bộ gia nhiệt điện chìm, có khả năng sử dụng điện từ nguồn tái tạo trực tiếp hoặc từ lưới điện khi nguồn điện tái tạo chi phí thấp sẵn có. Nó có thể vừa xả hơi nước vừa sạc đồng thời, mang lại tính linh hoạt trong cách sử dụng và như bộ lưu trữ đệm. Có khả năng sạc đầy trong vòng 8 giờ, nó có thể thực hiện qua đêm.

Sử dụng tài liệu hiện có về LIPB cùng với mô hình của chúng tôi, và các nghiên cứu hiện có cho SteamBattery, chúng tôi nhằm so sánh tác động môi trường của hai giải pháp lưu trữ năng lượng này. Có một số hạn chế, do ranh giới được thiết lập bởi các nghiên cứu LIPB; đáng chú ý là phương pháp từ nôi đến cổng không xem xét việc vận chuyển hoặc xử lý khi hết tuổi thọ.

Khi ranh giới hệ thống đã được thiết lập, một loạt các tác động môi trường so sánh có thể được đánh giá. Do sự khác biệt trong mô hình được sử dụng giữa nghiên cứu LIPB và nghiên cứu cho SteamBattery, chúng tôi phát hiện 10 trong 18 tiêu chí trong nghiên cứu LIPB cung cấp so sánh trực tiếp.

Đây là những tiêu chí liên quan nhất đến tác động biến đổi khí hậu, và được đo bằng kg tương đương carbon dioxide. Kết quả cho thấy SteamBattery sẽ phát thải 8,58 kg/1000 kWh năng lượng lưu trữ trong suốt tuổi thọ, trong khi LIPB phát thải 16,10/1000 kWh trong suốt tuổi thọ. Trên thực tế, SteamBattery có lượng phát thải CO2 bằng một nửa LIPB trong suốt thời gian sử dụng hữu ích.

Chúng tôi đã kiểm tra sáu danh mục tác động môi trường, bao gồm những danh mục đề cập đến độc tính sinh thái và phú dưỡng hóa trong môi trường biển và nước ngọt, cộng với axit hóa và độc tính sinh thái trên cạn. Đối với cả môi trường nước ngọt và biển, SteamBattery được phát hiện có tác động ít hơn 95% so với LIPB. Điều này phần lớn là do quy trình sản xuất tấm cực âm cần thiết cho LIPB.

Khi xem xét các tác động trên cạn, một bức tranh khác xuất hiện. Lượng phát thải lưu huỳnh dioxide của SteamBattery thấp hơn 83% so với LIPB. Tuy nhiên, lượng tương đương diclorobenzen cao hơn LIPB. Kiểm tra kỹ hơn, xem xét tải trọng tác động của cả hai sản phẩm across các danh mục môi trường khác nhau, kết luận rằng đây là lĩnh vực cải thiện tiềm năng chứ không phải một thiếu sót nghiêm trọng.

Đánh giá cũng nhấn mạnh thêm tác động giảm của SteamBattery đối với tài nguyên thiên nhiên, như nhiên liệu hóa thạch và nước. Đáng chú ý, tải trọng môi trường cao nhất chủ yếu liên quan đến LIPB, đặc biệt trong độc tính sinh thái biển và nước ngọt, trong khi tác động đáng kể nhất của SteamBattery thấp hơn đáng kể trong độc tính sinh thái trên cạn.

Khi nhu cầu về hệ thống hơi nước bền vững tăng lên, rõ ràng cần phải xem xét nhiều hơn là chỉ đơn giản tránh nhiên liệu hóa thạch. Khả năng phục hồi và tương lai của hành tinh phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác, với các cân nhắc môi trường ở vị trí cao trong danh sách. Nghiên cứu ban đầu này cho thấy một cuộc khảo sát toàn diện hơn về các lựa chọn tiềm năng luôn nên được xem xét trước khi đưa ra quyết định cuối cùng.

Nguồn:

Borbala Rebeka David, Sean Spencer, Jeremy Miller, Sulaiman Almahmoud, Hussam Jouhara:(Comparative environmental life cycle assessment of conventional energy storage system and innovative thermal energy storage system,2021).