Bùng nổ lưu trữ điện bằng pin: Bước ngoặt cho năng lượng tái tạo?

Hệ thống lưu trữ điện tại Pháp. (Ảnh: AFP)

Tại California, việc giá các bộ pin này giảm đã thúc đẩy mạnh sự phát triển của mô hình tự tiêu thụ điện từ các tấm pin quang điện lắp trên mái nhà. Quan trọng hơn, nó còn mở ra triển vọng lớn cho việc phát triển các hệ thống lưu trữ tĩnh quy mô lớn dạng container, có khả năng cung cấp độ linh hoạt theo ngày và các dịch vụ hệ thống, mà các hệ thống khai thác điện chủ yếu dựa vào năng lượng tái tạo gián đoạn (sau đây gọi là ENRi) còn thiếu. Vì vậy, bên cạnh các bộ pin cá nhân, California cũng đang phát triển các cơ sở lưu trữ quy mô lớn nhằm quản lý ở cấp độ toàn hệ thống các biến động theo ngày của sản lượng điện mặt trời.

Nhưng liệu đây có thực sự là khởi đầu của một cuộc cách mạng năng lượng có thể làm đảo lộn cơ cấu điện năng đang chuyển đổi theo hướng chủ yếu dựa vào ENRi như người ta vẫn công bố hay không? Đặc biệt, liệu giải pháp này có dễ dàng áp dụng cho mọi quốc gia đang theo đuổi quá trình chuyển đổi carbon thấp hay không?

Kinh nghiệm của California

Trước hết, hãy phân tích kinh nghiệm của California. Thực tế, sự phát triển hiện nay của hệ thống điện tại bang này được đánh dấu bởi vai trò ngày càng lớn của điện mặt trời quang điện (bao gồm các trang trại điện mặt trời và các hệ thống cá nhân): Tổng công suất điện mặt trời PV đã tăng hơn gấp đôi trong vòng năm năm, từ 24 GW công suất tích lũy năm 2020 lên 55 GW vào cuối năm 2025, trong khi công suất pin lưu trữ được lắp đặt tăng gấp hai mươi lăm lần trong cùng giai đoạn, từ 0,7 GW lên 17 GW vào cuối năm 2025, theo Ủy ban Năng lượng California. Cụ thể, công suất của các cơ sở pin lưu trữ quy mô lớn đã đạt 14,4 GW (48,3 GWh) vào thời điểm đó. Bên cạnh đó còn có 150.000 hệ thống pin cá nhân với tổng công suất đạt 2,4 GW.

Cơ quan điều hành lưới điện California (Caiso) cho biết hiện nay lưu trữ bằng pin có thể cung cấp tới 20% điện năng trong các giai đoạn tiêu thụ cao điểm vào cuối ngày. Ví dụ, vào lúc 20 giờ ngày 16 tháng 4 năm 2024, công suất 6.100 MW được bơm lên lưới từ các hệ thống pin còn vượt cả từng nguồn phát điện khác (5.100 MW từ các nhà máy điện khí, 4.400 MW từ thủy điện, 4.600 MW từ các nguồn tái tạo khác).

Tại California, các hệ thống lưu trữ thương mại có thời gian xả điện khoảng bốn giờ trước khi cần sạc lại (mức trung bình tại California), đủ để bù đắp sự suy giảm ánh nắng vào cuối ngày. Để tạo doanh thu, chúng thực hiện hoạt động kinh doanh chênh lệch giá giữa các khung giờ giá thấp - khi sản lượng điện mặt trời dồi dào - bằng cách lưu trữ lượng điện MWh mua với giá rẻ trên thị trường rồi bán lại vào cuối ngày, trong các giờ cao điểm nhu cầu khi giá điện tăng trở lại mức bình thường. Hiện tượng này được gọi là “đường cong con vịt”, tức đường cong giá điện theo giờ trong ngày có hình dạng giống một con vịt. Dưới ảnh hưởng của các chu kỳ nạp/xả pin hằng ngày, “bụng con vịt” sẽ có xu hướng thu hẹp khi giá điện giữa trưa tăng trở lại.

Với mức giá điện theo giờ ngày càng thấp vào giữa trưa hiện nay, doanh thu từ hoạt động kinh doanh chênh lệch giá lẽ ra phải đủ lớn để giúp hoàn vốn cho các khoản đầu tư vốn rất tốn kém vào những hệ thống này. Nhưng thực tế không hề đơn giản khi đưa ra quyết định đầu tư như vậy. Doanh thu kỳ vọng từ hoạt động chênh lệch giá không chỉ biến động mạnh mà còn tiềm ẩn sự bất định về dài hạn, bởi việc ngày càng có thêm nhiều hệ thống lưu trữ được đưa vào vận hành chắc chắn sẽ dần thu hẹp khoảng chênh lệch giá điện trong ngày, từ đó làm giảm nguồn thu từ hoạt động này. Giới chuyên môn gọi hiện tượng đó là “tự ăn mòn lợi nhuận”. Để thúc đẩy phát triển các cơ sở lưu trữ như vậy, cơ quan điều tiết tại California đã triển khai các hợp đồng công suất dài hạn dành riêng cho loại hình thiết bị này, bảo đảm nguồn thu cố định hằng tháng tính theo kW trong thời gian từ 15 đến 20 năm.

Về phía các hệ thống pin cá nhân kết hợp với các tấm pin mặt trời PV, thành công của chúng được giải thích bởi bối cảnh giá điện bán lẻ cho hộ gia đình ở mức rất cao (giá trung bình khoảng 400 USD/MWh). Các hộ dân và doanh nghiệp cũng mong muốn tự chủ hơn về điện năng sau những cuộc khủng hoảng liên tiếp của hệ thống điện California trong những năm gần đây, vốn đã dẫn tới nhiều đợt mất điện. Việc lắp đặt pin tăng tốc từ năm 2022 cũng được thúc đẩy bởi quy định bắt buộc lắp điện mặt trời trên các tòa nhà mới, cùng với chính sách tín dụng thuế rất ưu đãi dành cho việc lắp đặt đồng thời điện mặt trời PV và pin lưu trữ trong khuôn khổ Đạo luật Giảm lạm phát cũ (IRA), có hiệu lực từ năm 2022 đến cuối năm 2025, trong khi đến nay Ủy ban Năng lượng California vẫn chưa đưa ra cơ chế thay thế.

Bài toán phức tạp của việc kết hợp lưu trữ điện với năng lượng tái tạo gián đoạn

Việc kết hợp điện mặt trời PV với pin lưu trữ ở cấp độ cá nhân, và đặc biệt ở cấp độ toàn hệ thống điện, là một giải pháp rất hiệu quả cho quá trình chuyển đổi điện năng tại California, cho phép khai thác tối đa nguồn bức xạ mặt trời dồi dào của bang này. Tuy nhiên, không thể xem sự kết hợp đó là “liều thuốc vạn năng” để giải quyết mọi vấn đề duy trì cân bằng hệ thống ở các thang thời gian khác nhau do sự phát triển của các nguồn điện gián đoạn gây ra trong hệ thống điện. Trước hết, vấn đề đặt ra rất khác nhau tùy theo điều kiện khí tượng của từng quốc gia và cơ cấu của hệ thống điện, tức là tùy theo tỷ trọng tương ứng giữa điện mặt trời PV, điện gió trên bờ, điện gió ngoài khơi và các nguồn phát có thể điều khiển được.

Tiếp đó, việc duy trì cân bằng theo giờ, theo ngày, theo mùa và theo năm trong các hệ thống có tỷ trọng lớn ENRi vốn dĩ là một nhiệm vụ rất phức tạp. Việc phát triển ENRi ở quy mô lớn, do đặc tính tăng giảm công suất nhanh, kéo theo nhu cầu ngày càng lớn về điều chỉnh điện áp và tần số. Điều này được thực hiện thông qua các dịch vụ hệ thống mà các thiết bị phát điện truyền thống và các hệ thống lưu trữ có thể cung cấp. Bên cạnh đó, sự biến động sản lượng của từng loại ENRi theo các thang thời gian giờ, ngày, mùa và năm - vốn mang tính đặc thù riêng cho từng loại - đòi hỏi phải có những công cụ linh hoạt phù hợp với từng khoảng thời gian để luôn bảo đảm sự cân bằng giữa điện khai thác và điện tiêu thụ. Điều này được thể hiện rõ trong các nghiên cứu về vai trò của từng giải pháp, dựa trên những mô hình rất phức tạp, như các nghiên cứu do RTE tại Pháp thực hiện trong các Báo cáo dự báo thường niên và các kịch bản Futurs 2050.

Lưu trữ bằng pin (cũng như các hệ thống thủy điện bơm tích năng quy mô nhỏ), với thời gian xả điện chỉ kéo dài vài giờ, giúp bảo đảm cân bằng hệ thống ở các thang thời gian ngắn. Vì vậy, giải pháp này không phù hợp để quản lý cân bằng theo tuần, và càng không thích hợp cho cân bằng giữa các mùa - vốn là một trong những đặc điểm riêng của tính biến động trong sản lượng điện gió trên bờ và ngoài khơi.

Trong khi đó, các nhà máy thủy điện tích năng quy mô lớn (STEP) phù hợp hơn để quản lý cân bằng trong nhiều ngày liên tiếp, còn thủy điện hồ chứa lại cho phép bảo đảm cân bằng giữa các mùa. Riêng giải pháp lưu trữ “hydro xanh” được khai thác bằng điện phân rồi sau đó đốt trong turbine khí - thường được nhắc tới tại Liên minh châu Âu và Đức như một giải pháp lưu trữ theo mùa - ngay từ đầu đã bị xem là thiếu tính khả thi do chi phí bổ sung quá cao và hiệu suất quá thấp, kể cả trong trường hợp tận dụng các giai đoạn sản lượng điện dư thừa tạm thời khi giá điện xuống thấp, bằng 0 hoặc thậm chí âm.

Các hệ thống lưu trữ điện quy mô lớn bằng pin thực sự chỉ triển vọng đối với những hệ thống điện chủ yếu dựa vào điện mặt trời PV tại các quốc gia nhiều nắng và có mức chênh lệch bức xạ mặt trời giữa các mùa không lớn, như các nước có khí hậu Địa Trung Hải hoặc nằm gần xích đạo. Tại những quốc gia có sự khác biệt lớn về lượng bức xạ mặt trời giữa các mùa, cũng như ở những nước có tỷ trọng điện gió cao, lưu trữ bằng pin không thể được triển khai ở quy mô cần thiết, trừ khi xây dựng những cơ sở khổng lồ với chi phí hoàn toàn vượt quá khả năng chấp nhận.

Dù vậy, các hệ thống lưu trữ bằng pin, ngoài vai trò đáp ứng nhu cầu điều tiết phụ tải theo ngày, còn hữu ích cho việc điều chỉnh tần số và điện áp bằng cách cung cấp các dịch vụ hệ thống cho lưới điện. Hơn nữa, trong những hệ thống điện mà sự phát triển của các trang trại điện mặt trời và điện gió ở cấp địa phương hoặc khu vực đang tạo ra, hoặc sẽ tạo ra, tình trạng quá tải tại một số điểm trên lưới điện, việc đơn vị quản lý lưới truyền tải (GRT) - hoặc các đơn vị được ủy quyền - lắp đặt các hệ thống lưu trữ như vậy sẽ giúp tránh phải đầu tư nâng cấp các đường dây truyền tải. Điều này cũng giúp hạn chế việc “cắt giảm công suất” đối với các cơ sở điện mặt trời hoặc điện gió bị ảnh hưởng bởi tình trạng tắc nghẽn lưới, trong khi các khoản bồi thường mà GRT phải trả cho các đơn vị đó ngày càng trở nên tốn kém. Tất cả những lý do này sẽ thúc đẩy đầu tư vào lưu trữ điện, với điều kiện phải tìm ra được mô hình kinh doanh phù hợp.

Những khác biệt rõ rệt trong phát triển lưu trữ điện

Nhiều quốc gia đã đặt ra những mục tiêu đầy tham vọng cho giai đoạn 2030-2035 và điều đó cần được chú ý, như biểu đồ của Bloomberg NEF công bố tháng 6/2025 cho thấy.

Tuy nhiên trên thực tế, việc phát triển các hệ thống lưu trữ điện tĩnh mới chỉ thực sự được triển khai mạnh tại Mỹ (với tổng cộng 37 GW, tương đương 103 GWh, nếu tính cả California, Texas - 15 GW; 48,3 GWh - và một số bang miền Nam - tổng cộng 9 GW; 31 GWh) và Trung Quốc (42 GW lắp đặt tính đến cuối năm 2025). Thành công tại Trung Quốc trước hết xuất phát từ nhu cầu tiêu thụ lượng pin khai thác dư thừa của các siêu nhà máy chế tạo pin hiện nay. Nó cũng là kết quả của quy định do các tỉnh của Trung Quốc áp đặt, yêu cầu việc lắp đặt các trang trại điện gió và điện mặt trời phải đi kèm với hệ thống lưu trữ bằng pin - một quy định hầu như không tồn tại ở nơi khác.

Ngoài Trung Quốc, hiện vẫn còn ít dự án kết hợp giữa trang trại điện mặt trời và hệ thống lưu trữ, dù mô hình kết hợp này thoạt nhìn rất hấp dẫn. Thực tế, một hệ thống lai ghép có thể “điều khiển” lượng điện MWh đưa lên lưới tùy theo giá thị trường, đồng thời giúp quản lý rủi ro về sản lượng liên quan đến sự biến động trong phát điện của trang trại điện mặt trời. Một số quốc gia lại ưu tiên một hướng kết hợp linh hoạt hơn, đó là các nhà máy điện ảo (VPP). Tại Úc, Tesla, phối hợp với chính quyền bang Nam Úc và nhà cung cấp điện địa phương, đã khởi xướng một nhà máy điện ảo công suất 250 MW bao gồm mạng lưới 50.000 hệ thống điện mặt trời PV (5 kW) và pin lưu trữ Tesla (5 kW/13,5 kWh) lắp trên mái các tòa nhà.

Dù vậy, các hệ thống lưu trữ thương mại tĩnh đang bắt đầu phát triển tại những quốc gia nhiều nắng đặt cược vào điện mặt trời PV: Úc - tại các bang khác ngoài Nam Úc - hiện có 4,9 GW và đặt mục tiêu đạt 15-20 GW vào năm 2030; Tây Ban Nha đã lắp đặt 1 GW và đặt mục tiêu 22,5 GW vào năm 2030; còn Ý đang triển khai lắp đặt 1,9 GW với mục tiêu đạt 15 GW vào năm 2030.

Ở các quốc gia phía Bắc, nơi chủ yếu dựa vào điện gió trên bờ và ngoài khơi cùng với một phần điện mặt trời PV, người ta chứng kiến sự phát triển của các hệ thống lưu trữ thương mại quy mô lớn bằng pin, với mô hình kinh doanh dựa trên nguồn thu từ việc cung cấp dịch vụ hệ thống và các hợp đồng công suất dài hạn, nhằm trả tiền cho vai trò bảo đảm cung ứng điện trong mọi tình huống. Vì vậy, logic phát triển ở đây không phải là khai thác tính bổ trợ giữa điện mặt trời và pin lưu trữ ở cấp độ toàn hệ thống như tại các quốc gia nhiều nắng.

Vương quốc Anh là nước đi xa nhất theo hướng này nhờ các gói đấu thầu đặc biệt trong cơ chế trả công cho công suất dự phòng. Đến cuối năm 2025, công suất lưu trữ được lắp đặt tại Anh đạt 6,9 GW (12,9 GWh), và nước này dự kiến đạt 35 GW vào năm 2030. Đức thì kém tham vọng hơn nhiều. Cho tới nay, lưu trữ điện tại Đức chủ yếu phát triển dưới dạng kết hợp với các hệ thống điện mặt trời PV cá nhân, với 1,5 triệu hệ thống, tổng công suất gần 4 GW, trong khi các cơ sở lưu trữ thương mại chỉ đạt 1,6 GW. Tuy nhiên, mục tiêu của Đức là đạt 15 GW công suất lắp đặt vào năm 2030.

Còn tại Pháp, nơi mức độ cấp bách không giống như ở các nước trên, RTE thông báo công suất pin lưu trữ được lắp đặt đạt 1,6 GW vào cuối năm 2025, trong đó hai phần ba là các hệ thống cá nhân. Tuy vậy, một doanh nghiệp tư nhân ký hợp đồng với RTE là tập đoàn NW đã lắp đặt 450 đơn vị lưu trữ công suất 1 MW tại nhiều điểm khác nhau trên lưới điện của RTE.

Một số sáng kiến khác cũng đáng chú ý: Một nhà vận hành của Anh là Harmony đang đầu tư vào một cơ sở lưu trữ 100 MW gần Nantes, trong khi tập đoàn Neoen vừa công bố vào tháng 4 việc lắp đặt 54 container pin với công suất 240 MW/480 MWh tại khu vực Vernou ở vùng Île-de-France. Còn phải chờ xem kết quả sẽ ra sao.