Form Energy đặt tham vọng chế tạo pin rẻ hơn nhờ nguồn gỉ sét

Trong nỗ lực nhằm giảm lượng khí thải carbon đang khiến hành tinh ngày càng nóng lên, loại pin lithium-ion có thể sạc lại đã trở thành công nghệ cốt lõi.

Chúng có thể cung cấp năng lượng cho những chiếc ô tô điện với quãng đường lái hơn 480km mỗi lần sạc. Chúng có thể lưu trữ đủ điện để cung cấp cho hàng triệu ngôi nhà trong nhiều giờ. Và pin này là bộ phận chủ chốt giúp các nhà máy điện có thể lưu trữ lượng năng lượng tái tạo lớn hơn bao giờ hết.

Nhưng nếu được chế tạo không chuẩn, chúng có thể trở nên quá nóng dẫn đến cháy các hóa chất độc hại. Loại pin này không phải lúc nào cũng đáng tin cậy và ô tô điện không đáp ứng được quãng đường lái mà một số công ty tuyên bố. Chúng cũng đắt tiền: hợp chất vô cơ lithium carbonate để dùng sản xuất pin có giá hơn 37.600 đô la Mỹ/tấn, theo Trading Economics.

Thêm vào đó, pin lithium-ion chỉ giữ năng lượng trong nhiều giờ chứ không phải nhiều ngày. Và trong cuộc đua mở rộng quy mô năng lượng tái tạo, khuyết điểm này trở thành một vấn đề lớn vào những ngày trời nhiều mây hoặc không có gió.

Đó là lý do Mateo Jaramillo, cựu phó chủ tịch mảng kinh doanh năng lượng cố định của Tesla, đang tập trung chế tạo pin làm từ sắt, loại vật liệu dồi dào và rẻ tiền, có giá chỉ 115 đô la Mỹ/tấn. Jaramillo cho biết, công ty khởi nghiệp của ông, Form Energy, đã tạo ra pin sắt-không khí (iron-air) có thể lưu trữ điện trong ít nhất 100 giờ – lâu hơn nhiều so với khả năng lưu trữ từ 4-6 giờ của các khối pin lithium-ion.

Jaramillo, 46 tuổi, nói: “Trữ lượng sắt trên toàn cầu là lớn nhất, sau đó mới đến mọi thứ khác. Sản xuất được một loại pin làm từ sắt nghĩa là bạn có thể phát triển quy mô pin theo ý muốn. Không có giới hạn về nguyên liệu thô.”

Để thương mại hóa công nghệ pin của mình, Form Energy có trụ sở tại Boston đã huy động được hơn 810 triệu đô la Mỹ từ các nhà tài trợ bao gồm Breakthrough Energy Ventures, TPG và Energy Impact Partners của Bill Gates. Nhưng Jaramillo cũng nói ông không cố gắng thay thế pin lithium-ion, loại pin mà ông tin sẽ dần trở nên rẻ hơn trong thập niên này. Thay vào đó, đối tượng cạnh tranh của Form Energy là các máy phát điện chạy bằng khí tự nhiên dự phòng cho lưới điện khi nhu cầu năng lượng tăng đột biến, chẳng hạn như trong các đợt nắng nóng kéo dài.

Jaramillo đang nhắm đến một phần thị trường lưu trữ năng lượng toàn cầu, trị giá 430 tỉ đô la Mỹ vào năm ngoái và theo ước tính của Global Market Insights, có thể đạt 1,7 ngàn tỉ đô la Mỹ trong thập niên tới. Thị trường này bao gồm pin, hệ thống thủy điện tích năng và các công nghệ lưu trữ không dùng pin khác.

Các nhà nghiên cứu ước tính, để nâng cấp lưới điện của Hoa Kỳ nhằm xử lý năng lượng tái tạo ở cấp độ cao hơn nhiều và bổ sung thêm nhiều hệ thống lưu trữ năng lượng, chi phí sẽ rơi vào khoảng từ 5–21 ngàn tỉ đô la Mỹ trong những năm kế tiếp và thập niên tới.

Để khai thác hướng đầu tư đó, Form Energy đang xây dựng nhà máy đầu tiên của mình, trị giá 760 triệu đô la Mỹ, trên khu đất của một nhà máy thép cũ ở Weirton, Tây Virginia. Tiểu bang này đang đưa ra gói khuyến khích lên tới 290 triệu đô la Mỹ. Form Energy đặt mục tiêu sẽ bắt đầu cung cấp các mô-đun sắt-không khí cho các khách hàng trong mảng tiện ích, bao gồm Xcel Energy và Georgia Power, vào năm 2025.

Để đáp ứng mục tiêu quốc gia là sản xuất điện sạch 100% vào năm 2035, các cơ sở năng lượng mặt trời và tua-bin gió đang xuất hiện khắp Hoa Kỳ. Nhưng không phải lúc nào mặt trời cũng chiếu sáng và gió lúc nào cũng thổi. Do đó cần phải dự trữ năng lượng khi dư thừa và tiếp tục cung cấp điện khi việc sản xuất năng lượng tái tạo bị sụt giảm.

Pin không phải là lựa chọn duy nhất, nhưng chúng có thể được sử dụng ở bất cứ đâu, không giống như các lựa chọn thay thế tương đối rẻ tiền như hệ thống thủy điện tích năng (nước được bơm lên hồ chứa ở vị trí cao hơn khi dư thừa điện, sau đó được xả ra để quay tua-bin ở hồ chứa thấp hơn khi thiếu điện) hoặc hệ thống lưu trữ khí nén (sử dụng năng lượng dư thừa để nén không khí được giữ trong các bể chứa khí đốt tự nhiên rỗng và các không gian ngầm khác, sau đó khí này được giải phóng để cung cấp năng lượng cho tua-bin). Và pin lithium-ion là lựa chọn phổ biến nhất.

Cơ quan Thông tin năng lượng Hoa Kỳ ước tính, đến cuối năm 2022, nước này có hệ thống lưu trữ bằng pin quy mô lớn đạt 22,4 GWh gần như hoàn toàn là lithium-ion, trong đó dẫn đầu là các cơ sở lắp đặt lớn ở California và Texas. Lượng điện đó đủ cho gần 20 triệu ngôi nhà. Việc nhanh chóng bổ sung các hệ thống lưu trữ bằng pin là một trong những lý do khiến hai bang lớn này có khả năng vượt qua các đợt nắng nóng năm nay tốt hơn.

“Pin lithium-ion rất dễ mua và lắp đặt. Đó là giải pháp hiện nay, nhưng tôi không tin đó là giải pháp cho mọi nhu cầu lưu trữ trong tương lai,” chuyên gia năng lượng Michael Webber, giáo sư tại đại học Texas ở Austin, cho biết. “Vấn đề mà chúng tôi đang phải đối mặt là những thời điểm trời có nhiều ngày không gió và nhiều mây” – ông gọi đây là “rắc rối kéo dài từ 5–11 ngày.”

Webber, đồng thời là giám đốc công nghệ của Energy Impact Partners, nhà đầu tư của Form Energy, nói rằng hầu hết các công ty tiện ích đều đã tối ưu hóa loại pin mà họ sử dụng cho lưới điện để phát điện từ bốn giờ chiều đến tám giờ tối khi nhu cầu của khách hàng tăng lên và năng lượng tái tạo giảm xuống.

Lithium-ion hoạt động tốt trong trường hợp này vì nó có thể đưa năng lượng dự trữ đến khách hàng một cách nhanh chóng. Nhưng cũng cần một phương án lưu trữ lâu dài hơn cho lưới điện.

“Trong cách nghĩ của tôi thì như thế này: cơ thể chúng ta có cơ co giật nhanh và cơ co giật chậm, với một số cơ dùng để chạy nước rút và một số cơ dùng để chạy bền. Lithium-ion là loại cơ co giật nhanh, rất ổn khi phản ứng nhanh, nhưng đến một lúc nào đó, bạn hết năng lượng và phải chuyển sang cơ bắp của vận động viên chạy marathon, mọi chuyện sẽ khác,” ông nói.

Hệ thống của Form Energy muốn cạnh tranh với các nhà máy điện khí tự nhiên vốn rất giỏi trong việc tăng quy mô sản xuất điện để đáp ứng đa dạng nhu cầu hằng ngày không ổn định và là giải pháp chính phù hợp vào thời điểm hiện giờ.

Cần thêm năng lượng? Chỉ cần đốt thêm khí. Để thành công, Form Energy phải cung cấp một hệ thống an toàn, giá rẻ, có thể cạnh tranh về mặt chi phí với các nhà máy khí đốt tự nhiên, chứ không đơn giản chỉ cần loại bỏ lượng khí thải carbon.

Mục tiêu của công ty là cung cấp các mô-đun pin có giá 20 đô la Mỹ/ kWh, gần bằng mức giá vận hành của các hệ thống chạy bằng khí đốt tự nhiên (bên cạnh chi phí khoảng 300 triệu đô la Mỹ để xây dựng một nhà máy). Pin lithium-ion hiện có giá khoảng 150 đô la Mỹ/ kWh, nhưng mức giá đó có thể giảm 50% hoặc hơn nữa vào cuối thập niên này.

Halle Cheeseman, giám đốc chương trình tại cơ quan Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) thuộc sở Năng lượng, chuyên cung cấp các khoản tài trợ liên bang cho các công nghệ lưu trữ năng lượng đầy hứa hẹn, cho biết: Một hệ thống pin với thời lượng sử dụng dài có giá 20 đô la Mỹ/ kWh là điều rất hấp dẫn đối với các doanh nghiệp tiện ích. (Form Energy đã giành được giải thưởng trị giá 2,9 triệu đô la Mỹ vào năm 2019 cho hệ thống lưu trữ lưu huỳnh dạng nước, nhưng năm 2021 họ đã chuyển hướng).

Tuy nhiên mọi chuyện còn phụ thuộc vào tuổi thọ pin của Form Energy. Công ty cho rằng chúng có thể sử dụng được trong 10 năm và Jaramillo tin rằng tuổi thọ của chúng có thể kéo dài hai thập niên.

“Pin nói chung, đặc biệt là pin sạc, là hệ thống không ổn định về mặt nhiệt động. Bạn gắn chúng lại với nhau và chúng bắt đầu xuống cấp,” nhà khoa học về pin Robert Kostecki, giám đốc bộ phận lưu trữ năng lượng của phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley tại California, cho biết.

“Bạn có thể kiểm soát hiện tượng phân hủy này tốt đến mức nào, bất kể chúng có thể có tính chất hóa học cụ thể gì? Bạn có thể dùng những linh kiện rẻ tiền, nhưng nếu chúng xuống cấp quá nhanh, tổng chi phí sẽ khiến bạn tiêu tùng.”

Điều khiến pin sắt-không khí rẻ hơn nhiều là cách chúng hoạt động và sự phụ thuộc vào vật liệu giá rẻ. Halle Cheesman nói: “Về cơ bản, đó là một loại pin làm từ chất gỉ sét: sắt làm cực dương và không khí là cực âm. Thật khó để tưởng tượng loại vật liệu nào có thể rẻ hơn sắt và không khí.”

Cách thức hoạt động của pin như sau: Người ta dùng một tấm sắt xốp được ngâm trong dung dịch điện phân gốc nước. Nó tạo ra chu trình điện hóa là hiện tượng gỉ sét “có thể đảo ngược.” Khi phóng điện, pin sẽ hấp thụ oxy từ không khí và biến sắt thành gỉ sét. Khi sạc, dòng điện chạy vào sẽ chuyển gỉ sét trở lại thành sắt và pin sẽ giải phóng oxy. Tuy nhiên, bản thân sắt không bao giờ bị tiêu hao nên pin rất bền.

Không thể chế tạo những loại pin sắt-không khí này với kích cỡ nhỏ gần bằng pin lithium-ion, nhưng vì chúng được thiết kế cho các ứng dụng cố định chứ không phải cho ô tô nên kích thước cũng không phải là vấn đề. Bộ pin của Form Energy, chứa nhiều thanh pin riêng lẻ, sẽ được đóng gói trong một lớp vỏ bọc dài 12,1m và lưu được 5MW điện – đủ để cung cấp năng lượng cho 3.750 ngôi nhà. Có rất ít nguy cơ hỏa hoạn nên có thể đặt nhiều gói pin cạnh nhau, thậm chí xếp chồng lên nhau.

Sắt-không khí chỉ là một trong nhiều phương pháp hóa học khả thi mà các nhà khoa học và các công ty khởi nghiệp đang xem xét nhằm giữ điện trong thời gian dài. Các công nghệ đó bao gồm các loại pin dòng chảy, trong đó những thành phần hóa học hòa tan trong chất lỏng được bơm qua các mặt riêng biệt của lớp màng.

Loại pin thường gặp trong số này là pin sử dụng vanadi, ngoài ra còn có pin dòng chảy sử dụng sắt do đối thủ ESS của Form Energy sản xuất. Pin sử dụng natri và kẽm cũng cho thấy nhiều hứa hẹn. Hiện tại, những nhà phát triển các loại pin đó cho biết các gói pin dùng trong lưới điện của họ có thể lưu trữ năng lượng trong khoảng 12 giờ – ít hơn nhiều so với mục tiêu 100 giờ mà Form Energy hướng tới.

Nhưng theo Kostecki của phòng thí nghiệm Berkeley, đạt được mục tiêu đó với chi phí thấp có vẻ là thách thức, vì tuổi thọ pin sử dụng được trong thực tế vẫn chưa được xác minh. “Dù là loại pin nào, lithium-ion, vanadi, kẽm hay sắt, thì mối quan tâm lớn nhất của tất cả các hệ thống là mức chi phí cao gấp ba lần – chi phí cho mỗi kWh/ chu kỳ” so với khí đốt tự nhiên và hệ thống lưu trữ truyền thống không dùng pin.

Taylor Kelly, lãnh đạo kỹ thuật cấp cao của viện Nghiên cứu năng lượng điện (EPRI), nói rằng pin lithium-ion đã được điều chỉnh cũng có thể có khả năng duy trì năng lượng lâu hơn so với các phiên bản hiện có trên thị trường.

Bà cho biết: “Trước đây, người ta chỉ sử dụng pin lithium-ion trong bốn giờ và vì vậy chúng được thiết kế theo thời lượng ấy.” Nhưng trong cuộc kêu gọi gần đây của ủy ban Năng lượng California về hệ thống lưu trữ năng lượng 10 giờ, “pin lithium-ion đã thắng thầu,” bà nói. “Vì vậy, chúng tôi nhận thấy rằng pin này có thể được thúc đẩy để hoạt động trong thời gian dài hơn.”

Nhận được nguồn tài trợ và chuyển sang sản xuất thương mại trong 18 tháng tới, Jaramillo cho rằng Form Energy có lợi thế vì gia nhập thị trường trước khi xuất hiện các loại pin thời lượng dài có thể cạnh tranh với họ. Tuy vậy, Kostecki cho rằng vẫn chưa thể khẳng định loại pin nào sẽ là lựa chọn tốt nhất.

Ông nói: “Chúng ta không biết chắc chắn, mặc dù thật đáng khích lệ khi đạt được các bước tiến đáng kể, đồng thời bắt đầu khắc phục các vấn đề liên quan đến hóa học và sản xuất. Nhưng liệu mọi thứ có thể được hiện thực hóa ở quy mô terawatt không? Chúng ta vẫn chưa biết được.”

——————————————-

Biên dịch: Quỳnh Anh