Nghiên cứu mới có thể giúp các công ty điện lực giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu

Các nhà nghiên cứu đã đưa ra một phương pháp để xác định tác động của biến đổi khí hậu đối với việc cung cấp và biến đổi năng lượng tái tạo tại các địa phương.

Trang trại năng lượng mặt trời 576 kilowatt của Hiệp hội Điện Kotzebue là trang trại năng lượng mặt trời từ xa lớn nhất ở Alaska. Nguồn: Amanda Byrd

Sự gia tăng các kiểu thời tiết bất thường liên quan đến biến đổi khí hậu có nghĩa là nhu cầu về điện năng và sự sẵn có của năng lượng mặt trời, thủy điện và năng lượng gió… đều khiến cho tất cả mọi thứ trở nên thay đổi.

Phương pháp của các nhà nghiên cứu tại Viện Địa vật lý - Trường Đại học Alaska Fairbanks và các nhà nghiên cứu Tây Ban Nha sẽ giúp các nhà hoạch định năng lượng địa phương xác định được sự kết hợp tối ưu giữa các nguồn năng lượng tái tạo và nhu cầu tích trữ năng lượng.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Land số ra tháng 8. Uma Bhatt, giáo sư khoa học khí quyển của Viện Địa Vật lý là tác giả chính. “Điều quan trọng là xã hội phải hiểu tác động của biến đổi khí hậu và sự biến đổi đối với các nguồn năng lượng tái tạo để suy nghĩ thiết kế một hệ thống điện có khả năng chống chịu và chuẩn bị cho tương lai”, Bhatt nói.

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu khả năng gián đoạn, sản xuất điện và lưu trữ năng lượng trong bối cảnh dữ liệu khí hậu lịch sử tại hai địa điểm: thành phố Cordova của Alaska ở Prince William Sound, nơi có khí hậu đại dương cận cực và Palma de Mallorca, một thành phố trên một hòn đảo cận nhiệt đới của Tây Ban Nha. Các nhà nghiên cứu đã thu thập dữ liệu khí hậu 60 năm đối với từng địa điểm.

Gió, năng lượng mặt trời và thủy điện đều dễ bị ảnh hưởng bởi khí hậu ngày càng trở nên khó dự đoán và tạo ra nhiều hiện tượng thời tiết khắc nghiệt hơn. Độ che phủ của đám mây tăng lên có thể làm giảm khả năng cung cấp năng lượng mặt trời. Lượng mưa giảm có thể làm giảm sự sẵn có của thủy điện. Sản lượng gió gia tăng có thể làm tăng khả năng sẵn có của năng lượng gió.

Nếu không có quy hoạch thích hợp, lưới điện có nguy cơ trở nên kém tin cậy hơn khi năng lượng tái tạo ngày càng chiếm một phần lớn hơn trong nguồn cung cấp.

David Newman, giáo sư vật lý tại Viện Vật lý Địa cầu UAF, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Nếu tỷ lệ năng lượng tái tạo có độ biến thiên cao quá cao mà không có nguồn điện dự phòng thích hợp trong hệ thống, nó thực sự làm giảm độ tin cậy của hệ thống đi rất nhiều”.

Tình hình phức tạp hơn nữa đó là nhu cầu về điện thay đổi theo những cách không thể đoán trước khi thời tiết ngày càng trở nên biến đổi. Ngay cả khi nhu cầu là bình thường, sự sụt giảm đột ngột về nguồn năng lượng tái tạo - chẳng hạn như gió ngừng làm quay các tuabin - có thể gây mất điện nếu không có nguồn dự phòng để sử dụng ngay.

Newman nói: “Làm thế nào để có thể khắc phục vấn đề này? Chúng ta cần phải tìm cách ‘loại bỏ’ sự thay đổi hoặc có cách nhanh chóng bù đắp cho nó. Cách dễ nhất và rõ ràng nhất là đặt máy phát điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch ở chế độ chờ. Trong số này, máy phát điện chạy bằng khí tự nhiên có thể khởi động khá nhanh khi cần. Nhưng nó vẫn là một sản phẩm nhiên liệu hóa thạch, mặc dù sạch hơn các nguồn nhiên liệu hóa thạch khác”.

Một phương pháp khác, sạch hơn là lưu trữ năng lượng dư thừa được tạo ra từ các nguồn tái tạo trong thời gian phụ tải thông thường.

Những tiến bộ trong công nghệ đã cải tiến những loại pin tích trữ quy mô lưới, có thể lưu trữ năng lượng dư thừa để có thể phân phối sử dụng ngắn hạn trong thời gian mất điện trên diện rộng.

Các phương pháp lưu trữ khác bao gồm nhà máy thủy điện tích năng có hệ thống bơm (pumped storage hydropower), lưu trữ năng lượng trọng lực, lưu trữ năng lượng bánh đà và lưu trữ năng lượng khí nén. Tất cả đều là những phương pháp đơn giản về cơ bản và chi tiết cụ thể được giải thích bởi Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ.

“Đây là một trong những lĩnh vực nghiên cứu thực sự thú vị lúc này”, Newman nói.

Các nhà máy thủy điện tích năng (hay còn gọi là thủy điện có bơm) dự trữ năng lượng bằng cách sử dụng hệ thống gồm hai bể chứa thông nhau với một bể chứa ở độ cao hơn bể còn lại. Nước được bơm lên hồ chứa phía trên trong thời gian năng lượng tạo ra dư thừa (năng lượng này dùng để cung cấp cho bơm chuyển nước từ bể chứa thấp lên bể chứa cao). Và trong thời gian nhu cầu về năng lượng tăng lên, nước từ hồ chứa phía trên được xả ra, tạo ra điện khi nước đi qua các tuabin đảo chiều trên đường đến hồ chứa phía dưới.

Lưu trữ năng lượng bằng trọng lực liên quan đến việc tận dụng năng lượng dư thừa sẽ nâng các khối nặng lớn (quả tạ) bằng cát, sỏi, đá và treo lơ lửng các quả tạ này lên. Khi cần có điện, các quả nặng được hạ xuống, cùng với dây cáp đi kèm của chúng sẽ làm máy phát điện quay.

Hình ảnh Tháp lưu trữ năng lượng bằng trọng lực

Lưu trữ năng lượng bằng bánh đà (FES) thông thường được sử dụng trong các ứng dụng quy mô nhỏ và cho các nhu cầu năng lượng thấp hơn so với các phương pháp lưu trữ khác. Một động cơ cung cấp năng lượng cho một bánh đà, một bánh xe nặng quay tự do khi động cơ mất điện. Bánh xe quay tự do làm quay một máy phát điện, sản xuất điện trong vài phút.

Lưu trữ năng lượng khí nén có thể cung cấp điện trên quy mô lưới điện trong vài ngày. Điện được dùng để nén và lưu trữ không khí dưới lòng đất, thường là trong các hang muối. Khi cần thiết, không khí được giải phóng và làm nóng để giãn nở để cung cấp năng lượng cho máy phát điện.

Các tác giả của bài báo nghiên cứu cung cấp cảnh báo đáng chú ý đối với công trình của họ: Biến đổi khí hậu rất phức tạp và thay đổi theo từng địa điểm, cũng như các nguồn năng lượng tái tạo sẵn có.

Bhatt nói: “Cả khí hậu và năng lượng đều là những hệ thống phức tạp được kết nối với nhau, và điều quan trọng là chúng ta phải giáo dục thế hệ tiếp theo cách suy nghĩ xuyên suốt các lĩnh vực để họ sẵn sàng giải quyết những vấn đề phức tạp đang rình rập”.

P.T.T (NASATI), theo https://techxplore.com/news/2022-09- Electrical-account-climate.html, 27/9/2022