Lưu trữ năng lượng bằng nén không khí

Lưu trữ năng lượng bằng nén không khí (CAES) là một công nghệ chi phí thấp để lưu trữ 1 lượng lớn
năng lượng điện theo hình thức không khí áp suất cao. Nó là một trong số ít các công nghệ lưu trữ năng
lượng phù hợp với thời gian dài(hàng chục giờ), quy mô diện tích (hàng trăm đến hàng ngàn MW) ứng
dụng.
CAES nổi lên trong những năm 1970 như là một lựa chọn chạy phụ tải đỉnh đầy hứa hẹn. Giá dầu cao
cùng việc mở rộng ngành công nghiệp điện hạt nhân tạo ra một sự quan tâm trong công nghệ lưu trữ năng
lượng như CAES. Giá cao của phụ tải đỉnh và tiềm năng cho các phụ tải rẻ tiền điện hạt nhân hấp dẫn các
tùy chọn lưu trữ rẻ tiền ngoài giờ cao điểm điện và bán điện này trong giai đoạn nhu cầu cao điểm.

Lưu trữ năng lượng bằng khí nén là hình thức nén không khí lại và lưu trữ nó trong một kho lớn, chẳng
hạn như các hang động muối dưới lòng đất. Vào giờ cao điểm, không khí sẽ được phát ra làm qua một
tuabin. Chỉ có 2 CAES đang hoạt động: một tại Huntorf(Đức) và một ở McIntosh (Alabam). Điểm hạn
chế lớn nhất của CAES là không hiệu quả vì trong thực tế, nhà máy tại Huntorf chỉ có hiệu quả 42% và
nhà máy tại Alabama cũng không tốt hơn là bao. Vấn đề là khi không khí bị nén lại thì nóng lên và lạnh đi
khi loãng dần. Do đó hệ thống CAES trong thực tế bị mất năng lượng trong quá trình nén lại do nhiệt sinh
ra và phải làm nóng không khí trước khi xả ra. Người ta thường dung khí ga tự nhiên để tạo ra năng lượng
này (làm nóng) nên nó làm giảm hiệu quả và làm phát thải khí nhà kính.
CAES nén không khí và tích trữ trong hầm ngầm vào giờ phụ tải thấp để rồi khi cần, nhả không khí nén
ra và trộn với khí tự nhiên để đốt trong tuabin gia nhiệt lại ở áp suất cao và giãn nở ở áp suất thấp để phát
điện. Trong tuabin khí truyền thống, không khí khí quyển được nén tới áp suất cao hơn, nhiên liệu được
đưa vào buồng đốt, kết quả thu được là khói nóng ở áp suất cao, sau đó giãn nở trong tuabin. Hơn 60%
năng lượng được sử dụng để làm quay máy nén khí. Gần 40% là cơ năng để làm quay máy phát điện.
Ngược lại, trong chu trình CAES/tuabin khí, chu trình nén được tách ra khỏi các chu trình đốt và phát
điện, nhờ sử dụng điện năng giá rẻ vào thời gian phụ tải thấp hoặc điện năng dư thừa. Các máy nén khí
làm mát trung gian do động cơ kéo cung cấp không khí nén và tích trữ trong hầm chứa để rồi khi cần
thiết, được nhả ra tăng cường công suất cho một tuabin hơi để phát điện. Không khí nén được gia nhiệt
trong thiết bị thu hồi nhiệt (heat recovery unit – HRU) sử dụng khói xả ra từ tuabin khí. Nhờ đó có thể
nâng cao tính kinh tế trong vận hành tuabin khí CAES bởi vì đầu vào nhiên liệu có thể chưa đến 4.000
Btu cho 1 kWh điện năng tung lên lưới.
CÁC ĐỊA CHẤT PHÙ HỢP VỚI CAES:
1/ Muối địa chất: có thể xem đây là cách đơn giản nhất để phát triển và triển khai các dự án CAES, kỹ

thuật khai thác mỏ đáng tin cậy, chi phí thấp để phát triển khối lượng lưu trữ có kích thước cần thiết
( thường với chi phí vốn lưu trữ ~$2/kWh sản lượng từ lưu trữ). Hơn nữa do tính chất đàn hồi dẻo của
muối, hồ chứa lưu trữ khai thác từ muối gây ra tối thiểu nguy cơ rò rỉ khí. Tuy nhiên, xử lý nước muối,
“lỗ chuột” trong hang động, ăn mòn tuabin là những thách thức tiềm năng.
2/ Đá cứng: đây cũng là 1 lựa chon cho thiết kế CAES, nhưng với chi phí khai thác mới thường tương đối
cao (thường là $30/kWh sản xuất). Tuy nhiên trong 1 số trường hợp tái sử dụng lại được các mỏ đá cũ bỏ
hoang thì chi phí sẽ giảm xuống còn khoảng $10/kWh sản xuất. Do chi phí phát triển cao so với các loại
địa chất khác (đặc biệt là sự hạn chế về hang động tồn tại từ trước hoặc mỏ bị bỏ hoang), nên đây thường
không là sự lựa chọn đầu tiên cho việc phát triển CAES quy mô lớn.


3/Đá xốp: các tầng ngập nước mặn cũng thích hợp để phát triền CAES. Mặc dù tổng chi phí phát triển
một CAES hệ đá xốp sẽ phụ thuộc vào các đặc tính của tầng lưu trữ nhưng chi phí vốn chỉ vào khoảng
$2-$7/kWh dung lượng lưu trữ. Mặc dù có những chi phí phát triển thấp và sự phổ biến rõ ràng nhưng
cũng cần xét đến tính khả thi của dự án, đó là chi tiết thấm, độ xốp và cấu trúc của đá có phù hợp với hoạt
động lưu trữ hay không.
•

Ramping, Switching and Part-Load Operation:

Sự gia tăng tỉ lệ nhiệt ở bán tải là nhỏ so với tuabin khí thông thường vì cách sản lượng tuabin giản nở
được kiểm soát chứ không phải thay đổi động cơ tuabin. Nhiệt độ đầu vào như trong tuabin thông thường,
sản lượng CAES được kiểm soát bằng cách điều chỉnh tốc độ dòng chảy không khỉ với nhiệt độ đầu vào
giữ ổn định ở cả hai giai đoạn mở rộng. điều này dẫn đến việc sử dụng nhiệt tốt hơn và hiệu quả cao hơn
trong khi hoạt động bản tải.
Để bắt đầu hoạt động nén, tuabin thường đẩy cao tốc độ của động cơ. Sau khi đồng bộ hóa, tuabin được
tách rời để máy nén tiếp tục hoạt động. Điều này có nghĩa là các tuabin là để bắt đầu cả 2 quá trình nén và
sinh khí. Bộ chuyển mạch thời gian có thể có 1 tác động đáng kể để cân bằng sự dao động nhanh chóng
trong gió ở đầu ra.
Giới hạn thời gian hoạt động bộ chuyển mạch được loại bỏ hoàn toàn với thiết kể hệ thống mới tách nén

và tuabin giản nở. bằng cách tách riêng các thành phần chứ không phải liên kết chúng thông qua một trục
chung thông qua ly hợp như trong hệ thống ở McIntosh và Huntorf. Thay đổi này cũng có nghĩa là kích
thước máy nén có thể được tối ưu hóa.
•

Khối lượng liên tục và liên tục áp:

Một CAES có thể hoạt động trong một số cách tùy thuộc vào loại địa chất sử dụng cho các hồ chứa lưu
trữ. Chế độ phổ biến nhất là hoạt động các CAES trong điều kiện khối lượng không đổi. Chế độ này cung
cấp 2 tùy chọn thiết kế: (1) có thể thiết kế một hệ thống cho phép áp lực đầu vào tuabin mã lực thay đổi
với áp lực hang động (giảm sản lượng), hoặc (2) giữ cho áp lực đầu vào là hằng số bới không khí thượng
nguồn để áp suất cố định.
Một lựa chọn thứ ba là để giữ cho hang động lưu trữ ở áp suất không đổi trong suốt hoạt động bằng cách
sử dụng một đầu của nước áp dụng bởi một hồ chứa trên mặt đất. Việc sử dụng khối lượng lưu trữ bù
giảm thiểu thiệt hại và cải thiện hiệu quả của hệ thống, nhưng cần phải thận trọng để quản lý dòng chảy
bất ổn trong trục nước như cái gọi là hiệu ứng sâm banh.Kỹ thuật này không phù hợp với các hang động
muối do dòng chảy của nước sẽ hòa tan các bức tường hang động.
♦ Chỉ số hiệu suất cho hệ thống CAES:
Để tìm hiệu suất năng lượng của hệ thống CAES khá phức tạp do sự hiện diện của hai đầu vào năng
lượng rất khác nhau. Trước khi chuyển sang thảo luận về các lựa chọn thay thế cho hiệu suất của CAES, t
nên xem xét hai chỉ số hiệu suất áp dung cho mỗi năng lượng đầu vào: tỷ lệ nhiệt và tỷ lệ sạc điện.
•

Tỷ lệ nhiệt:

Tỷ lệ nhiệt (HR) hay lượng nhiên liệu tiêu thụ mỗi kWh đầu ra cho một CAES là một thông số chức năng
của nhiều hệ thống, nhưng thiết kế ảnh hưởng lớn nhất đến tỷ lệ nhiệt là bộ thu hồi nhiệt. Việc bổ sung hệ
thống cho phép thu hồi nhiệt từ ống xả của tuabin để làm nóng không khí rút từ hồ chứa lưu trữ.

Giá nhiệt cho các hoạt động CAES không có hệ thống thu hồi nhiệt thường là 5500-6000kJ/kWh, giá
nhiệt với một bộ thu hồi nhiệt thường là 4200-4500kJ/kWh. Việc bổ sung một thu hồi nhiệt làm giảm tiêu
thụ nhiên liệu.
•

Tỷ lệ sạc điện:

Chỉ số hiệu suất thứ hai cho CAES là tỷ lệ của sản lượng phát điện đầu ra và của động cơ máy nén ở đầu
vào- gọi là tỷ lệ sạc điện. tăng nhiệt độ tuabin đầu vào sẽ tăng cường tuabin và hiệu quả điện năng của
CAES.

•

Hiệu quả năng lượng

Chỉ số hiệu quả năng lượng là tỷ lệ năng lượng được tạo ra bởi các tuabin với tổng năng lượng điện cung
cấp cho động cơ máy nén và năng lượng nhiệt trong nhiên liệu
Khi CAES được sử dụng để chuyển đổi nhiệt điện phụ tải nền vào phụ tải đỉnh (thay cho tuabin khí, hoặc
các đơn vị chạy đỉnh khác). Hiệu suất năng lượng định nghĩa về hiệu quả nhiệt của các phụ tải nền của
nhà máy . Năng lượng của máy nén đầu vào được thay thế bằng một biểu thức cho năng lượng nhiệt đầu
vào cần thiết để tạo ra . Do đó, giá trị hiệu suất tổng thể phản ánh hiệu quả chuyển đổi năng lượng nhiệt
thành năng lượng điện:
•

Lựa chọn công nghệ:

Mặc dù nhà máy CAES thương mại đã hoạt động trong nhiều thập kỷ, nhưng công nghệ này vẫn còn
trong giai đoạn đầu của sự phát triển. Một lựa chọn đã thu hút sự quan tâm là giảm các yêu cầu nhiên liệu
CAES và liên quan đến khí thải nhà kính bằng cách phục hồi và lưu trữ nhiệt chất lượng cao bằng hệ
thống nén lưu trữ năng lượng nhiệt cao. Thu hồi nhiệt có thể được thực hiện ở một số hoặc tất cả giai

đoạn nén, do đó cho phép nhiệt được lưu giữ và sử dụng thay cho nhiên liệu hâm nóng không khí rút khỏi
hang CAES, do đó loại bỏ một phần hoặc hoàn toàn nhu cầu khí tự nhiên.
Một đề nghị khác là sử dụng nhiên liệu sinh học để hâm nóng khí bị thu hồi từ lưu trữ. Điều này có thể
làm giảm lượng khí thải nhà kính, hạn chế việc ảnh hưởng từ biến động giá nhiên liệu.
CAES sẽ mang lại sự thay đồi quan trọng cách lưu trữ không khí hoạt động và cách thức lưu giữ năng
lượng gió. Sau khi ra mắt thị trường, chi phí cho công nghệ mới như CAES có thể sẽ được giảm với tốc
độ nhanh hơn sau những cải tiến công nghệ.