Ứng dụng công nghệ pin sạc Li-ion và khí hydro xanh để giải quyết bài toán lớn về năng lượng
Pin sạc Li-ion đang được kỳ vọng là nguồn điện chủ yếu cho các loại phương tiện giao thông điện cũng như giải quyết bài toán lưu trữ năng lượng tái tạo, giúp giảm thiểu sự phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, hướng tới nền kinh tế không phát thải carbon, giảm ô nhiễm môi trường.
Ngày 18/8/2023, Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ TP.HCM (CESTI) tổ chức hội thảo “Công nghệ pin sạc Li-ion và công nghệ khí hydro xanh ứng dụng lưu trữ và chuyển hoá năng lượng”.
Theo PGS.TS Trần Văn Mẫn (Trường ĐH Khoa học Tự nhiên TP.HCM), năm 2021, tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới khoảng 590 Exjoules, trong đó năng lượng hóa thạch (than, dầu, khí đốt) chiếm 490 Exjoules, phần còn lại là hạt nhân, thủy điện, tái tạo.
Hiện nay, nhu cầu chuyển hóa và lưu trữ năng lượng điện là rất lớn. Điện được sản xuất tại nhà máy, truyền tải tới người sử dụng, chuyển hoá thành các dạng khác và đang được phát triển các hệ thống lưu trữ điện quy mô lớn. Ngoài ra, các loại năng lượng tái tạo (điện gió, mặt trời, rác, sinh khối) cũng được quan tâm phát triển nhằm góp phần xanh hóa nền kinh tế. Việc sử dụng, chuyển hóa, lưu trữ các loại năng lượng này đặt ra bài toán lớn cho nhân loại. Do vậy, làn sóng công nghệ chuyển đổi và lưu trữ năng lượng, đặc biệt là năng lượng tái tạo xuất hiện như một xu thế không thể đảo ngược.
Một trong những làn sóng công nghệ lớn là công nghệ pin sạc Li-ion. Pin sạc Li-ion được nghiên cứu ứng dụng nhằm giúp giải quyết 3 bài toán lớn là nguồn cho các thiết bị di động, nguồn cho các phương tiện giao thông điện và lưu trữ năng lượng tái tạo. Dự báo đến 2025, trên thế giới sẽ có khoảng 1 tỷ phương tiện giao tông chạy bằng điện. Pin sạc Li-ion đang được kỳ vọng là nguồn điện chủ yếu cho các loại xe điện, hay các loại xe sử dụng động cơ xăng lai điện (Hybrid Electric Vehicle - HEV), giúp giảm thiểu phát thải khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính từ các xe sử dụng động cơ đốt trong.
Tại Việt Nam, một trong những câu chuyện lớn hiện nay là hệ thống trạm sạc pin cho xe ô tô điện của VinFast. VinFast đặt mục tiêu phát triển 150.000 cổng sạc ngoài trời trên toàn quốc phục vụ cho hệ thống xe ô tô điện đầu tiên tại Việt Nam. Ngoài ra, Viettel đã phát triển 120.000 trạm phát sóng với 70 triệu khách hàng, điều này đặt ra bài toán về các hệ thống lưu trữ năng lượng cho trạm. Công nghệ lưu trữ đang được Viettel nghiên cứu ứng dụng là ắc quy khô và pin Li-ion LFP.
Theo PGS. Mẫn, trong công nghệ pin sạc Li-ion, vật liệu điện cực dương xoay quanh 4 loại và điện cực âm có 3 loại vật liệu chủ yếu (graphite, silic, SiO2). Các dạng thiết kế phổ biến của pin Li-ion hiện có pin dạng cúc áo (sản phẩm dự trữ năng lượng chuyên dụng cho các thiết bị điện tử nhỏ gọn như điều khiển thiết bị từ xa, đồng hồ, tay cầm máy tính, tai phone); pin túi (pouch-cell) thông dụng trong các thiết bị di động; pin dạng hình trụ; pin dạng lăng trụ.
PGS. TS. Trần Văn Mẫn (Trường ĐH Khoa học Tự nhiên TP.HCM) trình bày tại hội thảo.
Trên thị trường hiện nay, có 2 loại pin được lắp trên các loại xe điện là pin túi và pin dạng lăng trụ. Trong đó, đối với các sản phẩm của VinFast, sử dụng 2 dòng pin gồm dòng 2022 có khối lượng 625kg, điện áp khoảng 400V, dung lượng 221,8Ah, năng lượng chứa 82kWh; dòng 2023 viên pin gắn trên xe có khối lượng 540kg, dung lượng dung lượng 231,7Ah, năng lượng chứa 87,7kWh, thời gian sạc 26-35 phút, quãng đường đi được 400 – 500km.
Nhóm nghiên cứu Phòng Thí nghiệm Hóa Lý ứng dụng (Trường ĐH Khoa học Tự nhiên) đã nghiên cứu công nghệ pin sạc Li-ion sử dụng vật liệu silica/carbon có triển vọng thay thế một phần vật liệu graphite thương mại. Vật liệu được phát triển trên cơ sở vỏ trấu Việt Nam, khi ứng dụng thành công sẽ giúp "Việt hóa" các thành phần của vật liệu sản xuất pin Li-ion.
PGS. Mẫn cho rằng, nếu muốn tham gia vào lĩnh vực pin sạc Li-ion, có thể cân nhắc 4 cấp độ công nghệ gồm: đặt hàng thành phẩm pin, lắp ráp và bán ra với thương hiệu của mình; mua bán thành phẩm (điện cực dương, điện cực âm, điện giải…), lắp ráp pin/khối pin; đầu tư vật liệu, điện cực - bán thành phẩm - lắp ráp pin/khối pin; xây dựng nhà máy - tổng hợp hoá chất, vật liệu - lắp ráp khối pin hoàn chỉnh. Liên quan đến công nghệ pin sạc Li-ion còn phải quan tâm đến các phụ kiện cho khối pin như board mạch BMS, phần mềm, thiết bị đo kiểm pin, vai trò của công nghệ và nhân lực…
Tại hội thảo, PGS.TS Trần Văn Mẫn cũng trình bày về công nghệ khí hydro xanh dùng phương pháp điện phân nước sinh hydro, sản xuất khí hydro sử dụng để thay thế nhiên liệu hóa thạch. Hydro là chất khí nhẹ nhất, tan rất ít trong nước, không màu, không mùi, không vị. Khi hydro cháy, sản phẩm sinh ra duy nhất là nước - không phát thải carbon. Trên trái đất, hydro tồn tại trong nước, và trong sinh khối. Tùy vào phương pháp sản xuất, hydro có thể được phân loại thành 3 nhóm như grey hydrogen (hydro xám), blue hydrogen (hydro lam) và green hydrogen (hydro xanh). Trong đó, hydro xanh được coi là năng lượng sạch để hỗ trợ cho năng lượng gió và năng lượng mặt trời cung cấp năng lượng tại những nơi xa nhà máy năng lượng tái tạo.
Sản xuất hydro tại Việt Nam hiện nay chủ yếu gắn với các nhà máy sản xuất phân đạm. Các công nghệ sản xuất hydro phổ biến gồm công nghệ reforming khí metan, công nghệ khí hóa than, công nghệ điện phân, công nghệ quang - điện - hóa tách nước,… Về công nghệ chuyển hóa hydro, đã có các nghiên cứu ứng dụng pin nhiên liệu hydro trên xe hơi với nguyên lý chung là sử dụng lõi pin hydro công suất từ nhỏ đến rất lớn, tùy vào ứng dụng cho xe tải, tàu hỏa hay tàu thuyền…
Phần thảo luận với nhiều câu hỏi, ý kiến trao đổi xoay quanh chủ đề của hội thảo.
Nhóm nghiên cứu Phòng Thí nghiệm Hóa Lý ứng dụng (Trường ĐH Khoa học Tự nhiên) cũng đã tiến hành các nghiên cứu ứng dụng pin nhiên liệu hydro trên xe hơi, tập trung vào việc lựa chọn xúc tác và màng cho pin, công nghệ chế tạo pin nhiên liệu. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất hiện nay của pin nhiên liệu hydro là hệ thống sản xuất, tồn chứa và vận chuyển hydro. Vì vậy, để ứng dụng hydro, cần có chiến lược phát triển các trạm nạp loại nhiên liệu này. Trong quá trình sản xuất, con đường tốt nhất là dùng phương pháp điện phân nước sử dụng năng lượng mặt trời/năng lượng gió, bởi đây là dạng green hydrogen (hydro xanh).
Có thể thấy, tiềm năng và cơ hội phát triển hydro xanh còn rất lớn, thể hiện qua quyết tâm của Chính phủ. Trong Tổng sơ đồ Điện VIII, mục tiêu phấn đấu đến năm 2030 có 50% các tòa nhà công sở và 50% nhà dân sử dụng điện mặt trời mái nhà tự sản, tự tiêu (phục vụ tiêu thụ tại chỗ, không bán điện vào hệ thống điện quốc gia). Từ nay đến năm 2030, tổng công suất các nguồn điện mặt trời dự kiến tăng thêm 4.100 MW; định hướng đến năm 2050, tổng công suất 168.594 - 189.294 MW, sản xuất 252,1 - 291,5 tỷ kWh. Ngoài ra, định hướng phát triển mạnh điện gió ngoài khơi kết hợp với các loại hình năng lượng tái tạo khác (điện mặt trời, điện gió trên bờ…) để sản xuất năng lượng mới (hydro, amoniac xanh…) phục vụ nhu cầu trong nước và xuất khẩu. Các nguồn điện năng lượng tái tạo sản xuất năng lượng mới phục vụ nhu cầu trong nước và xuất khẩu được ưu tiên/cho phép phát triển không giới hạn trên cơ sở bảo đảm an ninh quốc phòng, an ninh năng lượng và mang lại hiệu quả kinh tế cao, trở thành một ngành kinh tế mới của đất nước.
Lam Vân (CESTI)
