Chuyển đổi năng lượng xanh và công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn

Việc hệ thống năng lượng toàn cầu chuyển hướng sang mô hình xanh và giảm thiểu carbon đang tạo ra một nhu cầu cấp thiết cho các công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn, trở thành điều kiện quan trọng để triển khai quy mô lớn các nguồn năng lượng tái tạo.

Những nỗ lực kiểm soát khí thải nhà kính và ngăn chặn xu hướng nóng lên toàn cầu đã trở thành vấn đề trọng tâm mà nhiều quốc gia đang nghiêm túc xem xét. Điện lực là ngành chính trong việc tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải. Ngành này đóng góp một phần ba tổng lượng phát thải carbon toàn cầu. Đồng thời, sự chuyển đổi sang năng lượng thấp carbon của các ngành khác cũng phụ thuộc rất nhiều vào sự tăng trưởng nhu cầu về điện tái tạo, như xe điện và sưởi ấm trong nhà.

Nhiều dự đoán cho thấy, để đạt được mục tiêu nhiệt độ toàn cầu, ngành điện lực cần đạt được mức không phát thải carbon vào năm 2040. Một tin vui là ngành điện lực toàn cầu đang từng bước thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch bằng công nghệ năng lượng mới như gió và mặt trời, mang lại những tiến bộ đáng kể trong việc giảm phát thải carbon.

Tuy nhiên, với sự gia tăng tỷ lệ năng lượng tái tạo trong cấu trúc điện lực, những thách thức mới cũng xuất hiện. Đặc biệt là sự gián đoạn và biến động của nguồn cung cấp năng lượng mới và năng lượng tái tạo, gây áp lực cấu trúc lên cơ sở hạ tầng phát điện và truyền tải phân phối hiện tại, bao gồm mất cân đối cung-cầu, thay đổi phương thức truyền tải và tăng cường bất ổn hệ thống.

Một báo cáo mới của McKinsey đã phân tích sâu rộng về vấn đề này, chỉ ra rằng công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn (Long-duration energy storage – LDES) là một giải pháp khả thi. Báo cáo này do Hội đồng LDES viết, là một tổ chức mới thành lập do các CEO dẫn dắt. Dựa trên hơn một vạn tập dữ liệu chi phí và hiệu suất từ các doanh nghiệp thành viên công nghệ của Hội đồng, báo cáo chỉ ra rằng nếu có sự hỗ trợ của chính phủ, thị trường lưu trữ năng lượng dài hạn có thể được thiết lập đúng thời điểm, giúp hệ thống năng lượng vận hành trơn tru ngay cả khi năng lượng tái tạo chiếm tỷ lệ lớn, từ đó góp phần đáng kể vào quá trình chuyển đổi năng lượng thấp carbon của mọi ngành.

LDES bao gồm một loạt các công nghệ truyền thống và tiên tiến như lưu trữ cơ học, lưu trữ nhiệt, lưu trữ điện hóa và lưu trữ hóa học. Những công nghệ này sau khi được tối ưu hóa triển khai có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng trong thời gian dài, đạt được quy mô kinh tế hiệu quả để đảm bảo cung cấp điện trong vài ngày hoặc thậm chí vài tuần. Ngoài ra, lưu trữ năng lượng dài hạn còn tăng tính linh hoạt của hệ thống điện, tức là lưu trữ điện năng dư thừa khi có và giải phóng khi cần, giúp giải quyết tình trạng thiếu hụt và điều chỉnh sự biến động cung cầu.

Hiện tại, mặc dù các công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn mới đang ở mức độ trưởng thành và khả năng thị trường khác nhau, nhưng chúng đã thu hút sự quan tâm chưa từng có từ chính phủ, ngành công nghiệp điện lực công cộng và các nhà điều hành lưới điện truyền tải, đồng thời lĩnh vực đầu tư cũng tăng mạnh: hơn 5 GW công suất và 65 GWh công suất lưu trữ đã được thông báo xây dựng hoặc đã đi vào hoạt động.

Tầm quan trọng của Lưu trữ Năng lượng Dài hạn

Theo các mô hình nghiên cứu của McKinsey, đến năm 2040, công suất lưu trữ năng lượng dài hạn toàn cầu có thể đạt 1,5 đến 2,5 TW, gấp 8 đến 15 lần tổng công suất lưu trữ năng lượng toàn cầu hiện tại. Tương tự, đến năm 2040, ngành lưu trữ năng lượng dài hạn có thể triển khai 85 đến 140 TWh công suất lưu trữ và lưu trữ tới 10% tổng lượng điện tiêu thụ. Điều này tương ứng với tổng vốn đầu tư từ 1,5 đến 3 nghìn tỷ đô la Mỹ.

McKinsey ước tính rằng đến năm 2040, thông qua việc triển khai công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn, toàn cầu có thể giảm được 1,5 đến 2,3 tỷ tấn khí thải CO2 mỗi năm, tương đương khoảng 10% đến 15% tổng lượng phát thải của ngành điện lực hiện nay. Chỉ riêng tại Hoa Kỳ, đến năm 2040, lưu trữ năng lượng dài hạn có thể giúp hệ thống điện hoàn toàn không phát thải carbon, giảm 35 tỷ đô la Mỹ tổng chi phí mỗi năm.

Các số liệu trên không chỉ cho thấy đa dạng các ứng dụng của công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn mà còn nhấn mạnh vai trò then chốt của nó trong việc cân bằng hệ thống điện, nâng cao hiệu quả hoạt động, bao gồm cải thiện độ ổn định của hệ thống điện, hoàn thiện các thỏa thuận mua điện doanh nghiệp, và tối ưu hóa năng lượng cho các ngành sử dụng đường dây truyền tải xa hoặc nguồn cung cấp điện không ổn định.

Lợi ích và Triển vọng của Lưu trữ Năng lượng Dài hạn

Một lợi thế chính của lưu trữ năng lượng dài hạn là chi phí lưu trữ biên thấp: nó cho phép tách biệt tốc độ nạp và xả điện; có thể triển khai rộng rãi và mở rộng; và có thời gian giao hàng ngắn so với việc nâng cấp lưới điện truyền tải phân phối. Điều này khiến nó cạnh tranh hơn so với các công nghệ lưu trữ năng lượng khác như pin lithium-ion, thiết bị năng lượng hydro có thể điều khiển và thủy điện bơm nước, và có lợi thế kinh tế hơn so với việc nâng cấp lưới điện tốn kém và mất thời gian.

Vì vậy, mặc dù công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn mới vẫn đang ở giai đoạn sơ khai, nhưng tốc độ triển khai có thể tăng nhanh trong những năm tới. Các mô hình của McKinsey dự đoán rằng trong kịch bản giảm phát thải nhanh chóng, đến năm 2025, công suất có thể đạt 30 đến 40 GW và công suất lưu trữ có thể đạt 1 TWh.

Nhiều quốc gia đặt mục tiêu khí hậu lớn đang mong muốn tỷ lệ năng lượng tái tạo trong hệ thống điện lớn đạt 60% đến 70% vào năm 2025-2035, đây sẽ là một cột mốc quan trọng cho công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn. Những quốc gia này có thể bao gồm Vương quốc Anh, Hoa Kỳ và nhiều quốc gia phát triển khác đã đưa ra cam kết “net-zero” trước Hội nghị Liên Hợp Quốc về Biến đổi Khí hậu lần thứ 26 (COP26) diễn ra tại Glasgow vào tháng 11/2021. Sự phổ biến rộng rãi của năng lượng tái tạo sẽ thúc đẩy việc triển khai công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn như một giải pháp hiệu quả về chi phí và linh hoạt.

Hỗ trợ Chính sách cho Lưu trữ Năng lượng Dài hạn

Để đạt được mục tiêu này, cần phải giảm đáng kể chi phí của công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn. Điều đáng mừng là các dự đoán từ các doanh nghiệp thành viên của Hội đồng LDES cho thấy việc giảm chi phí lớn này có thể đạt được và phù hợp với đường cong học hỏi của các công nghệ năng lượng mới nổi trong những năm gần đây như năng lượng mặt trời và gió. Mặt khác, mức độ giảm chi phí sẽ phụ thuộc vào việc cải thiện nghiên cứu và phát triển, tăng số lượng triển khai và đạt được lợi ích quy mô trong sản xuất.

Tương tự, quy mô triển khai công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn liên quan chặt chẽ đến tiến trình giảm phát thải carbon của ngành điện lực và việc triển khai các nguồn năng lượng tái tạo khác nhau.

Điều này đòi hỏi chính phủ phải hành động quyết liệt trong giai đoạn ngắn và trung hạn, bao gồm giảm chi phí, huy động vốn đầu tư cần thiết và xây dựng hệ sinh thái thị trường, giúp các nhà đầu tư có thể nhận được lợi nhuận hấp dẫn, từ đó khởi động thị trường lưu trữ năng lượng dài hạn. Các nhà hoạch định chính sách có thể hỗ trợ thông qua ba cách sau:

• Kế hoạch quy hoạch hệ thống dài hạn, bao gồm mục tiêu rõ ràng về tỷ lệ năng lượng tái tạo trong cấu trúc điện lực, và cơ sở hạ tầng cần thiết để duy trì sự ổn định của hệ thống điện, những điều này rất quan trọng để củng cố niềm tin của nhà đầu tư. Ví dụ, tiểu bang California của Hoa Kỳ và bang New South Wales của Úc đã bắt đầu thực hiện công việc này.
• Sự hỗ trợ tích cực của chính phủ trong giai đoạn triển khai ban đầu sẽ giúp giảm rủi ro thị trường cho các nhà đầu tư và mở rộng quy mô thị trường. Hỗ trợ chuyên biệt cho các nhà máy thử nghiệm quy mô lớn sẽ đảm bảo rằng các công nghệ này có thể phát huy hết tiềm năng về mặt kỹ thuật và giảm chi phí, đồng thời kiểm tra các cơ chế thị trường mới. Vương quốc Anh và Hoa Kỳ đã bắt đầu công việc này. Đầu năm 2021, chính phủ Vương quốc Anh đã khởi động một cuộc thi thử nghiệm công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn với tổng vốn đầu tư 100 triệu đô la Mỹ nhằm thúc đẩy thương mại hóa. Hiện nay, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đang giám sát việc thực hiện một kế hoạch với tổng vốn đầu tư 1 tỷ đô la Mỹ (chương trình “Earthshot”), nhằm giảm 90% chi phí của các hệ thống lưu trữ năng lượng dài hạn với thời gian lưu trữ hơn 10 giờ trong vòng 10 năm.
• Xây dựng cơ chế thị trường hỗ trợ, ví dụ như cơ chế công suất và các chính sách có thể tiếp cận toàn bộ giá trị của lưu trữ năng lượng dài hạn, giúp nhà đầu tư nhận được lợi nhuận trong phạm vi rủi ro chấp nhận được. Điều này hiện chưa thể thực hiện được vì hầu hết các thị trường điện đều ngắn hạn, tín hiệu thị trường trong nhiều ngày và nhiều tuần yếu hơn nhiều so với tín hiệu trong một ngày. Hơn nữa, các khoản bù đắp giảm phát thải carbon hoặc không tồn tại hoặc không đủ để bù đắp thêm chi phí của nhà đầu tư. Tuy nhiên, một số người dẫn đầu thị trường (như tiểu bang California và Arizona của Hoa Kỳ) đang thiết lập mô hình cho ngành công nghiệp – họ đã ban hành luật nhằm đáp ứng nhu cầu lưu trữ năng lượng dài hạn. Trong đó, tiểu bang Arizona đã đưa ra một chương trình khuyến khích, thông qua việc khuyến khích công nghệ lưu trữ năng lượng với thời gian xả liên tục hơn 5 giờ, để khuyến khích nghiên cứu và phát triển công nghệ lưu trữ năng lượng có thời gian xả liên tục lâu hơn.

Kết luận

Những biện pháp trên cuối cùng sẽ giúp đảm bảo việc chuyển đổi năng lượng với chi phí xã hội thấp nhất. Các dự đoán của McKinsey cho thấy thông qua việc triển khai sớm và xây dựng hệ sinh thái thị trường đi kèm, đầu tư vào công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn có thể đạt được tỷ suất lợi nhuận nội bộ (IRR) vượt xa mức lợi nhuận tối thiểu mà nhà đầu tư yêu cầu – tương đương với tỷ suất lợi nhuận chuẩn của các dự án năng lượng hiện đại. Với việc năng lượng mặt trời và gió trở thành công nghệ phát điện chính, việc triển khai quy mô lớn của công nghệ lưu trữ năng lượng dài hạn sẽ mang lại lợi ích rõ ràng cho toàn xã hội: các giải pháp thay thế có chi phí cao hơn và nếu không đầu tư vào tính linh hoạt của hệ thống điện, sẽ dẫn đến tình trạng không ổn định điện năng nghiêm trọng hơn khi tỷ lệ năng lượng tái tạo trong cấu trúc điện lực tăng lên.

Thêm vào đó, tất cả bằng chứng cho thấy thị trường lưu trữ năng lượng dài hạn rất hấp dẫn đối với các nhà đầu tư: đây là một ngành công nghiệp mới lớn với công suất lưu trữ từ 1,5 đến 2,5 TW, cần vốn đầu tư từ 1 đến 3 nghìn tỷ đô la Mỹ trước năm 2040 và có thể mang lại lợi nhuận cạnh tranh. Cơ hội đang ở đây, đã đến lúc hành động!