Quá trình chuyển hoá năng lượng mặt trời và điện gió được sản xuất như thế nào?

Quá trình chuyển hóa năng lượng mặt trời và vai trò của pin lưu trữ trong hệ thống năng lượng tái tạo

Trong thời đại năng lượng sạch lên ngôi, quá trình chuyển hóa năng lượng mặt trời đã và đang mở ra một kỷ nguyên mới – nơi ánh sáng tự nhiên được biến thành dòng điện nuôi sống cả hành tinh. Nhưng đằng sau sự vận hành mượt mà đó là một loạt công nghệ hiện đại, trong đó pin lưu trữ năng lượng, đặc biệt là pin lithium-ion, đóng vai trò không thể thiếu.

Khai thác sức mạnh tự nhiên: Bắt đầu từ mặt trời và gió

Quá trình chuyển hóa năng lượng mặt trời bắt đầu khi các tấm pin mặt trời – được chế tạo từ bạc và silica – hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi nó thành điện năng. Trong khi đó, các tuabin gió khổng lồ hoạt động dựa trên chuyển động không khí, bổ sung thêm nguồn điện sạch cho lưới.

Hệ thống điện mặt trời và điện gió đang phát triển mạnh mẽ, nhưng không phải lúc nào cũng tạo ra điện đúng thời điểm mà con người cần. Đây chính là lý do công nghệ lưu trữ năng lượng ra đời và trở thành mắt xích then chốt trong hệ sinh thái năng lượng tái tạo.

Vì sao pin lại quan trọng trong chuyển hóa năng lượng mặt trời?

Khi mặt trời tỏa sáng và gió thổi mạnh, hệ thống điện tạo ra lượng lớn năng lượng. Nhưng nếu nhu cầu tiêu thụ không cao tại thời điểm đó, lượng điện sẽ bị dư thừa. Giải pháp chính là lưu trữ năng lượng bằng pin, để sử dụng vào ban đêm hoặc những ngày thời tiết không thuận lợi.

Ví dụ điển hình là hệ thống pin dòng chảy vanadi công suất 1 MW tại Pullman, Washington, giúp tích trữ điện từ năng lượng mặt trời và gió. Khi nhu cầu tăng cao, pin sẽ xả điện để duy trì ổn định cho lưới.

  Pin dòng chảy vanadi 1 megawatt (một công nghệ khác với lithium-ion, nhưng cũng được sử dụng để lưu trữ năng lượng) ở Pullman, Washington, được xây dựng bởi UniEnergy Technologies và thuộc sở hữu của Avista Utilities. Nguồn: UniEnergy Technologies.

Pin lithium-ion: Trái tim của hệ thống lưu trữ năng lượng

Mặc dù các hệ thống thủy điện bơm vẫn chiếm phần lớn lưu trữ năng lượng, pin lithium-ion đang ngày càng chiếm ưu thế nhờ tính linh hoạt và hiệu suất cao.

Ưu điểm của pin lithium-ion:

• Nhẹ, sạc được nhiều lần mà không giảm hiệu suất đáng kể.

• Ban đầu phổ biến trong laptop, điện thoại, nay thống trị thị trường xe điện và lưu trữ lưới điện.

• Sản lượng pin cho xe điện hiện gấp 35 lần lượng pin dùng cho lưu trữ năng lượng toàn cầu – một lợi thế lớn về chuỗi cung ứng.

     Hầu hết các loại pin lithium-ion lớn trên thế giới hiện nay được sử dụng trong xe điện nhưng ngày càng được sử dụng trong các hệ thống lưu trữ pin cho lưới điện.

Cấu tạo và vật liệu chính của pin lithium-ion

Một pin lithium-ion tiêu chuẩn gồm 5 thành phần chính:

1. Cực âm (Cathode)

Là nơi ion lithium quay lại khi pin xả. Vật liệu thường dùng:

• LiCoO₂: điện áp cao, dùng cho thiết bị điện tử.

• LiFePO₄: bền, an toàn, lý tưởng cho hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời.

• NMC, NCA: hiệu suất cao, cân bằng năng lượng và tuổi thọ – phổ biến trong EV và lưu trữ lưới điện.

2. Cực dương (Anode)

• Chủ yếu làm từ than chì (graphite) – rẻ, bền, hiệu quả.

• Các nghiên cứu đang hướng tới silicon, chứa được nhiều ion hơn nhưng còn hạn chế về độ bền.

3. Chất điện phân (Electrolyte)

• Hỗn hợp muối lithium (LiPF₆, LiClO₄…) hòa tan trong dung môi hữu cơ như EC, DMC, DEC.

• Dạng gel hoặc rắn (solid-state) đang được phát triển để tăng độ an toàn, chống cháy nổ.

4. Màng ngăn (Separator)

• Là lớp polymer mỏng như polyethylene (PE), polypropylene (PP).

• Ngăn điện tiếp xúc trực tiếp giữa hai cực, nhưng vẫn cho phép ion lithium di chuyển.

5. Bộ thu dòng điện (Current Collector)

• Làm bằng nhôm (cho cực âm) và đồng (cho cực dương) – giúp kết nối pin với mạch điện.

Quy trình sản xuất pin lithium-ion: Một chuỗi công nghệ tinh vi

1. Trộn bùn cực dương và cực âm với chất kết dính, phủ lên lá nhôm và đồng.

2. Cán và cắt lá điện cực, xếp chồng xen kẽ với màng ngăn (hoặc cuộn tròn với dạng tế bào hình trụ).

3. Bơm chất điện phân vào và đóng kín trong vỏ tế bào.

4. Kích hoạt và kiểm tra qua nhiều chu kỳ sạc/xả.

5. Quá trình “lão hóa” pin kéo dài vài tuần để đảm bảo độ ổn định điện áp và hiệu suất.

Thử nghiệm lithium-oxy trong buồng thủy tinh tại Phòng thí nghiệm . 

Pin lưu trữ: Chìa khóa cho hệ thống điện mặt trời bền vững

Không chỉ lưu trữ năng lượng sạch, pin còn giúp giảm phụ thuộc vào nhà máy điện peaker – loại nhà máy chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, gây ô nhiễm và kém hiệu quả.

Tháng 8/2022, hàng nghìn pin Tesla Powerwall tại California đã gộp năng lượng để hỗ trợ lưới điện trong giai đoạn cao điểm, thay thế cho nguồn điện hóa thạch một cách hiệu quả và nhanh chóng.

Tái chế pin: Hướng tới mô hình năng lượng tuần hoàn

Khi pin hết tuổi thọ, câu hỏi đặt ra là: Có thể tái sử dụng hoặc tái chế không? Câu trả lời là có. Các vật liệu như lithium, cobalt, niken có thể được thu hồi nếu được xử lý đúng cách, giảm lãng phí và hỗ trợ chuỗi cung ứng bền vững.

Kết luận

Quá trình chuyển hóa năng lượng mặt trời không đơn thuần chỉ là việc tạo ra điện từ ánh sáng. Đó là một hệ thống chặt chẽ, từ sản xuất, lưu trữ đến tiêu thụ – trong đó pin lithium-ion là cầu nối giúp duy trì độ ổn định, linh hoạt và bền vững cho hệ thống năng lượng tái tạo.

Tại Solar LV, chúng tôi không chỉ lắp đặt hệ thống điện mặt trời – chúng tôi đồng hành cùng bạn trong hành trình chuyển hóa năng lượng sạch, với các giải pháp lưu trữ pin hiệu quả, an toàn và đáng tin cậy.