Cuộc cách mạng pin: Liệu lưu trữ năng lượng có thể giúp thế giới đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0?

Vietstock - Cuộc cách mạng pin: Liệu lưu trữ năng lượng có thể giúp thế giới đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0?

Cuộc cách mạng pin đang diễn ra mạnh mẽ, mở ra kỳ vọng lớn trong việc thúc đẩy quá trình khử carbon toàn cầu. Khi thế giới ngày càng phụ thuộc vào năng lượng tái tạo, vai trò của công nghệ lưu trữ, đặc biệt là pin, trở nên then chốt để đảm bảo tính ổn định của hệ thống điện.

Tuy nhiên, bên cạnh tiềm năng tăng trưởng, ngành lưu trữ năng lượng cũng đối mặt với những thách thức về nguyên liệu, chi phí và chính sách cần được giải quyết đồng bộ.

Quy mô thị trường và tốc độ phát triển công nghệ pin

Thị trường lưu trữ năng lượng đang bùng nổ với tốc độ chưa từng có. Theo BloombergNEF, để đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050, thế giới cần lắp đặt 722GW pin vào năm 2030, tăng đáng kể từ mức 36GW vào cuối năm 2022, và đạt 2.8TW vào năm 2050^[1]. Đây là con số khổng lồ khi so sánh với tổng công suất pin hiện tại trên toàn cầu.

McKinsey & Company dự báo nhu cầu pin lithium-ion sẽ tăng trưởng mạnh với tốc độ 32% mỗi năm trong giai đoạn 2020-2030, chủ yếu được thúc đẩy bởi quá trình chuyển đổi sang xe điện trong lĩnh vực giao thông vận tải^[2].

Hiện nay, pin lithium-ion vẫn chiếm ưu thế trên thị trường nhờ vào sự cải tiến liên tục về mật độ năng lượng và giảm chi phí. Tuy nhiên, các công nghệ mới trở thành đối thủ cạnh tranh tiềm năng. Báo cáo của Transport & Environment cho thấy pin thể rắn (solid-state batteries - SSB) có thể tăng mật độ năng lượng lên tới 60% so với pin lithium-ion thông thường, đồng thời giảm 24% tiềm năng gây nóng toàn cầu khi sử dụng điện cực dương oxide và catot NMC-811^[3]. Các nhà sản xuất ô tô hàng đầu như Toyota và Volkswagen (ETR:VOWG_p) đã thông báo rằng các phương tiện sử dụng SSB có thể ra mắt trong vòng 3-4 năm tới, trong khi một số nhà sản xuất Trung Quốc thậm chí còn tuyên bố thời gian ngắn hơn.

Dữ liệu từ Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA) cho biết dung lượng lưu trữ điện không phải thủy điện tích năng dự kiến tăng từ 162GWh năm 2017 lên 5,821 - 8,426GWh vào năm 2030, nghĩa là tăng ít nhất 17 lần so với hiện tại^[4].

Trong khi đó, Hiệp hội Lưu trữ Năng lượng Trung Quốc (CNESA) dự báo thị trường lưu trữ năng lượng mới ở quốc gia này sẽ tăng trưởng nhanh chóng với tốc độ CAGR trên 50% trong 5 năm tới, đạt 97 - 138.4GW vào năm 2027 trong các kịch bản khác nhau^[5].

Về đầu tư, BATTERY 2030+, sáng kiến nghiên cứu pin hợp tác đa ngành lớn của châu Âu, đề ra lộ trình đầy tham vọng để duy trì vị thế hàng đầu trong lĩnh vực này. Thông qua cách tiếp cận "chemistry-neutral", họ không chỉ nhắm vào việc cải thiện pin lithium-ion hiện tại mà còn hướng tới các công nghệ pin mới trong tương lai, bao gồm cả pin dòng chảy (flow batteries)^[6]. Nỗ lực đang được hỗ trợ bởi các khoản đầu tư lớn từ cả khu vực công và tư nhân.

Trung Quốc hiện dẫn đầu trong sản xuất pin, về công suất lẫn chuỗi giá trị. Theo báo cáo năm 2023 của CNESA, nước này đã chứng kiến sự tăng trưởng kỷ lục về công suất lưu trữ năng lượng mới được lắp đặt, với các dự án quy mô 100MW trở thành tiêu chuẩn^[7]. Tuy nhiên, Mỹ và EU cũng đang đẩy mạnh nỗ lực để giảm sự phụ thuộc vào chuỗi cung ứng pin từ Trung Quốc thông qua các chính sách như Đạo luật Giảm lạm phát (IRA) của Mỹ và Quy định về Pin của EU.

Lưu trữ năng lượng giúp đạt Net Zero như thế nào?

Vai trò quan trọng nhất của lưu trữ năng lượng trong việc đạt mục tiêu Net Zero là khả năng hỗ trợ tích hợp năng lượng tái tạo biến đổi như điện mặt trời và điện gió vào hệ thống điện.

IRENA cho hay để đáp ứng mục tiêu của Thỏa thuận Paris về hạn chế sự tăng nhiệt độ toàn cầu ở mức 1.5°C hoặc thấp hơn vào năm 2100, tỷ trọng năng lượng tái tạo biến đổi trong sản xuất điện toàn cầu cần đạt trên 60% vào năm 2050, gấp 6 lần so với mức 10% hiện tại^[8].

Hiện nay, lĩnh vực mà công nghệ lưu trữ năng lượng pin đóng góp nhiều giá trị nhất cho việc tích hợp năng lượng tái tạo là quản lý sự biến động ngắn hạn trên lưới điện. Sạc và xả trong thời gian ngắn có thể cung cấp các dịch vụ điều tiết tần số và theo dõi tải khi phát điện từ gió và mặt trời biến động cùng với tải hệ thống.

Ngoài ra, lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện còn cung cấp phản ứng nhanh để bơm hoặc rút điện nhằm duy trì sự ổn định của lưới điện sau những gián đoạn nghiêm trọng và sự cố khẩn cấp.

Báo cáo của IEA chỉ ra rằng khoảng 60% lượng giảm phát thải CO2 vào năm 2030 của lĩnh vực năng lượng có liên quan đến pin^[9]. Tuy nhiên, đáng chú ý là nhiều khu vực đã tích hợp được mức độ đáng kể điện gió và mặt trời mà không cần đến lưu trữ năng lượng pin. Ví dụ, ERCOT (Texas) đã tạo ra hơn 15% tải hàng năm từ các nguồn tái tạo vào năm 2016, đạt tới 50% thâm nhập tức thời; SPP vượt quá 17% hàng năm và 52% tức thời; Ireland đã vượt quá 20% hàng năm và 60% tức thời^[10].

Tại Mỹ, theo nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL), IRA dự kiến sẽ thúc đẩy việc lắp đặt pin lưu trữ với tốc độ trung bình 7GW mỗi năm, so với 3GW mỗi năm trong kịch bản tham chiếu không có IRA[11]. Đáng chú ý, tổng công suất pin lưu trữ tích lũy ở Mỹ chỉ đạt 7GW tính đến năm 2022, điều này có nghĩa là với IRA, dự báo cho thấy mức lắp đặt hàng năm sẽ vượt quá tổng công suất năm 2022 trong thập kỷ tới.

Đức, quốc gia dẫn đầu thị trường châu Âu trong kỷ nguyên chuyển đổi năng lượng, đang cung cấp cơ hội cho các công ty phát triển, thử nghiệm và tiếp thị các giải pháp lưu trữ năng lượng mới. Theo Germany Trade & Invest (GTAI), với mục tiêu giảm 80% khí nhà kính vào năm 2050 so với mức năm 1990 và loại bỏ dần tất cả nhà máy điện hạt nhân vào năm 2023, Đức đang đầu tư mạnh vào lưu trữ năng lượng để hỗ trợ tỷ lệ năng lượng tái tạo đạt ít nhất 80% trong tiêu thụ điện vào năm 2050^[12]. Đặc biệt, thị trường pin quy mô nhỏ cho hộ gia đình và doanh nghiệp đang phát triển mạnh, khối lượng lắp đặt hàng năm trên 50,000 hệ thống vào năm 2020, nhờ vào chi phí hệ thống PV và pin giảm.

Trung Quốc cũng đang thúc đẩy mạnh mẽ việc triển khai lưu trữ năng lượng. Theo CNESA, năm 2022, công suất mới lắp đặt của lưu trữ năng lượng mới đạt mức kỷ lục, và các dự án quy mô 100MW trở thành tiêu chuẩn. Đáng chú ý, 10 tỉnh đã triển khai các mục tiêu kế hoạch và tạo động lực phát triển cho việc thực hiện các dự án.

Thách thức về nguyên liệu và chuỗi cung ứng

Báo cáo của IEA cho thấy các khoáng sản như lithium, niken, coban, đồng, graphite và đất hiếm trở thành tâm điểm chính sách toàn cầu trước nhu cầu gia tăng, biến động giá cả, tắc nghẽn logistics và lo ngại địa chính trị[^13].

Pin lithium-ion, loại pin chiếm ưu thế hiện nay, sử dụng các vật liệu cathode chứa lithium, niken, coban và mangan; còn anode thường sử dụng graphite. Tuy nhiên, nguồn cung các vật liệu này lại tập trung ở một số quốc gia, dẫn đến rủi ro gián đoạn nghiêm trọng.

Trung Quốc hiện thống trị toàn bộ chuỗi giá trị, từ khai thác, chế biến nguyên liệu thô cho đến sản xuất pin, khiến các quốc gia khác ngày càng lo ngại về an ninh năng lượng. Theo báo cáo của CNESA, các doanh nghiệp Trung Quốc đang đẩy mạnh đầu tư vào các dự án pin lithium ở nước ngoài, làm gia tăng tính phụ thuộc của thị trường toàn cầu vào nguồn cung từ một khu vực địa lý.

Bên cạnh các rủi ro về địa chính trị, quá trình khai thác và chế biến nguyên liệu cũng gây ra những hệ lụy môi trường không nhỏ. Dù pin thể rắn (SSB) được kỳ vọng sẽ làm giảm phát thải carbon so với pin lithium-ion truyền thống, báo cáo của Transport & Environment cho thấy loại pin này vẫn tồn tại “điểm nóng” phát thải liên quan đến lithium kim loại ở anode và vật liệu hoạt tính tại cathode^[14]. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về đánh giá toàn diện vòng đời sản phẩm từ khai khoáng, sản xuất, sử dụng đến tái chế để kiểm soát tác động môi trường một cách có hệ thống.

Trước thực trạng trên, các hướng phát triển công nghệ mới đang được đẩy mạnh nhằm giảm phụ thuộc vào vật liệu hiếm và độc quyền. Pin thể rắn giúp cải thiện về mật độ năng lượng, tăng độ an toàn nhờ sử dụng chất điện phân không dễ cháy.

Báo cáo của Transport & Environment cho biết SSB có thể giảm thiểu đáng kể nguy cơ cháy nổ và tăng hiệu quả thiết kế hệ thống lưu trữ. Cùng với đó, châu Âu đang dẫn đầu trong nghiên cứu các công nghệ thay thế như pin lithium-sulfur, natri-ion và kẽm-không khí, những lựa chọn có thể sử dụng các vật liệu phổ biến hơn và ít ảnh hưởng môi trường hơn. Sáng kiến BATTERY 2030+ nhấn mạnh cách tiếp cận “chemistry-neutral” để không phụ thuộc vào một công nghệ duy nhất^[15].

Ngoài đổi mới công nghệ, khâu tái chế và tái sử dụng pin cũng là giải pháp chiến lược. Chương trình PLI của Ấn Độ đặt ra các yêu cầu về nội dung tái chế, tỷ lệ giá trị gia tăng nội địa ít nhất 25% trong hai năm và tăng lên 60% sau 5 năm^[16]. Song song đó, hệ thống “Battery Passport” sẽ bắt buộc ghi nhận chi tiết toàn bộ vòng đời pin, từ nguồn gốc nguyên liệu đến hiệu suất sử dụng và quy trình xử lý khi thải bỏ^[17].

Tương lai và chính sách hỗ trợ

Sự phát triển của thị trường lưu trữ năng lượng đang được thúc đẩy bởi loạt chính sách hỗ trợ từ các nền kinh tế lớn.

Tại Mỹ, IRA đã mở rộng nhiều chương trình cho vay và bảo lãnh các dự án năng lượng tái tạo và lưu trữ thông qua Bộ Năng lượng và Bộ Nông nghiệp[18]. Theo phân tích của NREL, IRA có thể giúp giảm chi phí năng lượng ròng từ 10-52 tỷ USD mỗi năm, tương đương khoảng 73-370 USD/hộ gia đình vào năm 2035, chủ yếu nhờ giảm chi tiêu nhiên liệu hóa thạch^[19].

Ở châu Âu, Quy định về Pin yêu cầu áp dụng Battery Passport từ năm 2027 cho tất cả pin xe điện, pin công nghiệp và pin giao thông hạng nhẹ trên 2 kWh^[20], giúp tăng cường tính minh bạch và khả năng truy xuất chuỗi cung ứng.

Trung Quốc dẫn đầu cả về công suất sản xuất lẫn chính sách hỗ trợ. Trong năm 2022, hơn 600 chính sách liên quan đến lưu trữ năng lượng mới đã được ban hành tại cấp quốc gia và địa phương, gấp đôi so với năm 2021. Các chính sách này gồm ưu đãi giá điện, trợ cấp lắp đặt, yêu cầu tích hợp lưu trữ vào dự án điện mặt trời và điện gió. Theo CNESA, các tỉnh như Sơn Đông, Quảng Đông, Hà Bắc đang đẩy mạnh các dự án thử nghiệm với quy mô lên đến hàng trăm MW.

Ấn Độ triển khai Chương trình PLI nhằm giảm phụ thuộc vào nhập khẩu pin, đặc biệt từ Trung Quốc^[21].

Dù tiềm năng tăng trưởng lớn, thị trường lưu trữ năng lượng vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Trong đó, chi phí là rào cản lớn nhất, dù đã giảm mạnh trong một thập kỷ qua, mức giá lưu trữ vẫn cần tiếp tục hạ để cạnh tranh với các giải pháp truyền thống.

Bên cạnh đó, các sự cố liên quan đến pin lithium-ion vẫn tiếp diễn trong năm 2022. Trong dài hạn, BloombergNEF và IEA dự báo công suất pin lưu trữ toàn cầu sẽ đạt từ 722–1,200GW vào năm 2030 và lên tới 2.8TW vào năm 2050^{[22] [23]}. Riêng tại Trung Quốc, công suất lắp đặt tích lũy có thể đạt 138.4GW vào năm 2027 trong kịch bản lý tưởng.

[1] https://assets.bbhub.io/professional/sites/24/Scaling-the-Residential-Energy-Storage-Market.pdf

[2] https://worldmaterialsforum.com/files/Presentations2022/WMF2022-PS1-Frank-Bekaert-McKinsey.pdf

[3] https://te-cdn.ams3.cdn.digitaloceanspaces.com/files/2022_07_TE_solid-state-batteries_study.pdf

[4] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2017/Oct/IRENA_Electricity_Storage_Costs_2017_Summary.pdf

[5] http://en.cnesa.org/s/CNESA-White-Paper-2023.pdf

[6] https://battery2030.eu/wp-content/uploads/2022/07/BATTERY-2030-Roadmap_Revision_FINAL.pdf

[7] https://battery2030.eu/wp-content/uploads/2022/07/BATTERY-2030-Roadmap_Revision_FINAL.pdf

[8] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Nov/IRENA_Innovation_Outlook_TES_2020.pdf

[9] https://iea.blob.core.windows.net/assets/cb39c1bf-d2b3-446d-8c35-aae6b1f3a4a0/BatteriesandSecureEnergyTransitions.pdf

[10] https://www.osti.gov/servlets/purl/1429811

[11] https://www.nrel.gov/docs/fy24osti/85847.pdf

[12] https://www.gtai.de/resource/blob/64514/5e629c11f7d8ea20e814d95d84a866d6/fact-sheet-energy-storage-market-germany-en-data.pdf

[13] https://www.iea.org/reports/global-critical-minerals-outlook-2024

[14] https://te-cdn.ams3.cdn.digitaloceanspaces.com/files/2022_07_TE_solid-state-batteries_study.pdf

[15] https://battery2030.eu/wp-content/uploads/2022/07/BATTERY-2030-Roadmap_Revision_FINAL.pdf

[16] https://www.grantthornton.in/globalassets/1.-member-firms/india/assets/pdfs/pli_scheme_bridging_the_gap_in_acc_battery_storage_production.pdf/1000

[17] https://cirpassproject.eu/wp-content/uploads/2024/03/B2-BP_Johannes_Simboek.pdf

[18] https://www.nyserda.ny.gov/-/media/Project/Nyserda/Files/Programs/Clean-Energy-Siting/IRA-Guide-for-Solar-and-Storage-Summary.pdf

[19] https://www.nrel.gov/docs/fy24osti/85847.pdf

[20] https://cirpassproject.eu/wp-content/uploads/2024/03/B2-BP_Johannes_Simboek.pdf

[21] https://www.grantthornton.in/globalassets/1.-member-firms/india/assets/pdfs/pli_scheme_bridging_the_gap_in_acc_battery_storage_production.pdf/1000

[22] https://assets.bbhub.io/professional/sites/24/Scaling-the-Residential-Energy-Storage-Market.pdf

[23] https://iea.blob.core.windows.net/assets/cb39c1bf-d2b3-446d-8c35-aae6b1f3a4a0/BatteriesandSecureEnergyTransitions.pdf

Nguyễn Nhiều Lộc