# Lưu trữ năng lượng siêu rẻ cho điện mặt trời

## Giới thiệu về Standard Thermal

Standard Thermal là công ty mà tôi đã dẫn dắt trong khoảng hai năm qua. Mục tiêu của chúng tôi là cung cấp năng lượng từ điện mặt trời có sẵn 24/7/365 với mức giá cạnh tranh với khí đốt tự nhiên tại Mỹ.

Công nghệ của chúng tôi hoạt động bằng cách lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt trong vật liệu lưu trữ rẻ nhất có sẵn – những đống đất lớn. Các mảng điện mặt trời đồng vị cung cấp năng lượng (dưới dạng điện) và đơn giản hơn, rẻ hơn so với các trang trại điện mặt trời kết nối với lưới điện. Các bộ sưởi điện được nhúng vào các đống đất chuyển đổi điện thành nhiệt. Các đường ống đi qua đống đất, và chất lỏng chảy qua chúng lấy nhiệt để cung cấp cho khách hàng.

Chi phí vốn, không bao gồm điện mặt trời, so sánh được với lưu trữ khí đốt tự nhiên với chi phí dưới 0,10 đô la mỗi kilowatt giờ nhiệt và rẻ 1000 lần so với pin.

## Thách thức về lưu trữ năng lượng

Điện mặt trời vẫn cần hệ thống lưu trữ đủ rẻ để di chuyển năng lượng giữa các mùa. Trong những năm qua, chi phí điện mặt trời trực tiếp đã trở nên rẻ hơn nhiên liệu hóa thạch ở nhiều nơi. Tuy nhiên, năng lượng cực rẻ từ điện mặt trời chỉ có ý nghĩa nếu nó không ở đúng dạng hoặc không có sẵn khi cần thiết.

Các loại pin sẽ xử lý phần lớn lưu trữ điện hàng ngày và ổn định. Nhưng cần thêm một số công nghệ khác để điện mặt trời đạt được tiềm năng đầy đủ. Một trong số đó là hệ thống lưu trữ rất rẻ, hiệu quả hợp lý có thể chứa được vài tháng năng lượng để san bằng sự khác biệt theo mùa trong sản xuất điện mặt trời (một ngách thường được phục vụ bởi nhiên liệu).

## Công nghệ lưu trữ nhiệt của Standard Thermal

### Nguyên tắc hoạt động

Trong hệ thống Standard Thermal, điện mặt trời cung cấp năng lượng. Điện mặt trời đã là nguồn năng lượng rẻ nhất ở nhiều nơi trên thế giới. Hệ thống lưu trữ nhiệt của chúng tôi đủ rẻ và có khả năng mở rộng để cho phép cung cấp 24/7/365 mà không cần xây dựng quá nhiều mảng điện mặt trời.

Một địa điểm điển hình là một nhà máy, nhà máy điện hoặc thị trấn với một gò đất lớn ở rìa. Gò đất này có thể có kích thước như một ngôi nhà cho nhà máy nhỏ hơn, và lên đến nhiều sân bóng cho một nhà máy điện lớn. Xung quanh gò đất sẽ là các mảng điện mặt trời mật độ cao, chiều thấp.

Điện từ các mảng điện mặt trời chảy đến các bộ sưởi trong gò đất, tích tụ nhiệt. Nhiệt độ lưu trữ là 600°C hoặc cao hơn. Khối lượng bên ngoài của gò đất, cùng với tỷ lệ thể tích-diện tích thuận lợi, cách nhiệt và giảm thiểu mất nhiệt. Các đường ống nhúng trong gò đất mang chất lỏng cung cấp nhiệt cho người dùng.

### Tại sao sử dụng đất làm vật liệu lưu trữ?

Yêu cầu luôn xác định các lựa chọn kỹ thuật có sẵn. Mục tiêu hạn chế làm hẹp các lựa chọn. Việc so sánh chi phí lưu trữ khí đốt tự nhiên là một mục tiêu hạn chế tốt. Lưu trữ khí đốt trong các mỏ cạn có cực kỳ rẻ, với chi phí vốn từ 0,05-0,10 đô la mỗi kWh. Để tham khảo, các loại pin đạt dưới 100 đô la mỗi kWh là điều thú vị, nhưng chi phí lưu trữ trên mỗi đơn vị cao hơn 1000 lần.

Chỉ có vài vật liệu có thể cạnh tranh được về chi phí đó. Chúng là phản ứng hóa học năng lượng cao, nước, không khí và đất/đá.

Lưu trữ hóa học hoạt động rất tốt; đó chính là khí đốt tự nhiên và hydrocarbon khác. Chúng sẽ luôn có lợi thế trong một số ứng dụng. Nhưng các bước chuyển đổi bổ sung làm tăng chi phí sản xuất hoặc khai thác chúng.

Các nhiên liệu hóa học khó đánh bại đến mức chúng mang rất nhiều năng lượng trên mỗi đơn vị khối lượng, và chi phí khối lượng đó rất thấp so với hầu hết các sản phẩm con người sản xuất. Theo mặc định, việc lưu trữ năng lượng bằng các phương pháp kém hiệu quả hơn về khối lượng đòi hỏi khối lượng gần như miễn phí để cạnh tranh.

Nước và không khí gần như miễn phí, vì vậy chúng đáng để xem xét. Thật không may, cả hai đều là dạng lưu trữ trọng lực/áp suất, có mật độ rất thấp, khoảng 100 lần tệ hơn lưu trữ nhiệt. Nước và không khí rẻ, nhưng việc quản dụng容器 và di chuyển chúng thì không. Không khí còn có vấn đề thêm là có thể nén được, vì vậy việc nén và thu hồi năng lượng đắt hơn và kém hiệu quả hơn so với nước.

Lưu trữ nhiệt cũng có thể hấp dẫn. Một phần lớn năng lượng sử dụng của con người ở dạng nhiệt. Mất chuyển đổi cho các ứng dụng này có thể nhỏ. Chuyển đổi trở lại điện là 40-45%, không hoàn hảo, nhưng tốt hơn nhiều lựa chọn thay thế. Diện tích bề mặt cũng rất tốt, tốt khoảng một lần so với pin vì các đống đất cao và gần nhau hơn nhiều so với container vận chuyển pin. Một đống đất có thể chạy cho nhà máy điện lớn trong nhiều tháng sẽ trông nhỏ so với hồ chứa nước làm mát.

### Phân tích chi phí lưu trữ nhiệt đơn giản

Có hai chỉ số chi phí có thể điều chỉnh: chi phí vật liệu lưu trữ và nhiệt được lưu trữ trên mỗi đơn vị. Hầu hết lưu trữ nhiệt là lưu trữ hợp lý, nghĩa là nhiệt làm thay đổi nhiệt độ của vật liệu lưu trữ hoặc giải phóng nhiệt thay vì thay đổi pha hoặc phản ứng.

Vật liệu cần rất rẻ và chịu được dao động nhiệt độ cao để đạt được các con số $/kWh chấp nhận được.

Đất và đá gần như miễn phí ở nơi chúng có sẵn, nhưng việc vận chuyển, sắp xếp và xử lý đất làm tăng chi phí rất nhanh. Các gò đất hoặc đê đất khổng lồ sử dụng vật liệu gần đó có giá khoảng 1 đô la/tấn. Vận chuyển cát hoặc sỏi bằng xe tải tốn 20-50 đô la/tấn. Gạch chịu lửa làm từ đất tinh chế khoảng 500 đô la/tấn.

Các tính chất nhiệt của đất tương tự như gạch chịu lửa. Nó được cấu tạo từ các vật liệu tương tự, như silica và oxit nhôm. Các oxit này có thể chịu được nhiệt độ rất cao khi tiếp xúc với không khí. Gạch có cấu trúc đồng nhất hơn đất, nhưng đất chất đống không cần độ bền va đập hoặc giãn n nhiệt nhất quán. Đất là một giá trị tuyệt vời với chi phí lưu trữ trên mỗi đơn vị thấp hơn trăm lần.

Đất lưu trữ khoảng 20 kilowatt giờ nhiệt trên mỗi tấn cho mỗi 100 độ C thay đổi nhiệt độ. Một dao động 400 độ C sẽ lưu trữ 80 kilowatt giờ trên mỗi tấn và có chi phí vốn 0,013 đô la mỗi kilowatt giờ nhiệt, giả sử chi phí vận chuyển đất là 1 đô la/tấn. Điều này rất cạnh tranh với lưu trữ khí đốt tự nhiên, nhưng việc chọn vật liệu lưu trữ rẻ tiền chỉ là một phần nhỏ của cuộc chiến. Các hệ thống thêm và loại bỏ nhiệt bên trong gò đất không thể tốn hơn 0,05-0,08 đô la mỗi kilowatt giờ nhiệt. Standard Thermal đã phải bỏ rất nhiều công sức để đạt được chi phí trong khoảng này. Các hệ thống lưu trữ nhiệt khó xây dựng hơn nhiều so với chi phí vật liệu để cho thấy.

## Các thị trường chúng tôi muốn phục vụ

### Người dùng năng lượng cô lập

Một số người dùng nhiệt ở nông thôn xa khỏi cơ sở hạ tầng năng lượng hiện có, và các hệ thống giao hàng nông thôn không thể đáp ứng nhu cầu của họ. Họ phải chuyển sang các loại nhiên liệu đắt đỏ hơn dễ vận chuyển hơn, như khí propane hoặc dầu nhiên liệu.

Các ví dụ trong danh mục này là khai thác mỏ và nông nghiệp. Những khách hàng này có đất trống gần đó và chịu chi phí năng lượng cao. Một mảng điện mặt trời và hệ thống lưu trữ nhiệt Standard Thermal có thể rẻ hơn ngay hôm nay. Khoảng 10 đến 40 gigawatt công suất điện mặt trời có thể đáp ứng nhu cầu tại Mỹ, đòi hỏi đầu tư hơn 10 tỷ đô la.

Từ góc độ toàn cầu hơn, hầu hết con người và các hoạt động của họ là người dùng năng lượng cô lập. Điện mặt trời đồng vị và lưu trữ nhiệt rẻ có thể cung cấp chi phí tương đương với năng lượng rẻ ngày nay. Các loại nhiệt quá trình hơi điển hình không có quyền truy cập vào khí hoặc giá cả hợp lý cần vài terawatt điện mặt trời để đáp ứng nhu cầu ngày nay và nhiều hơn trong tương lai khi thế giới trở nên giàu có hơn.

### Nhà phát triển điện mặt trời vĩ độ cao

Các mảng điện mặt trời có thể tạo ra 5-6 lần nhiều điện hơn vào mùa hè so với mùa đông ở các vùng vĩ độ cao. Các loại pin đắt đỏ quá mức để di chuyển điện dư thừa giữa các mùa. Nhưng, tấm pin mặt trời rẻ, và việc xây dựng quá nhiều mảng điện mặt trời để đáp ứng nhu cầu điện cơ bản (đèn, v.v.) vào các tháng không phải mùa hè là phổ biến. Các tấm pin vẫn tạo ra điện khi trời nhiều mây hoặc mặt trời thấp hơn trên bầu trời, nhưng chỉ không phải nhiều như vào mùa hè. Công suất điện mặt trời bổ sung bao gồm nhiều ngày hơn.

Một giao dịch rõ ràng là lưu trữ điện dư thừa mùa hè từ các mảng điện mặt trời quá kích thước dưới dạng nhiệt để cung cấp nhiệt mùa đông. Các con số kinh tế trông rất hấp dẫn vì điện là “miễn phí” để sử dụng. Và nhiên liệu mùa đông thường đắt đỏ ở những nơi này, đặc biệt là ở châu Âu và châu Á.

Khái niệm này có thể cung cấp giải pháp tổng quát cho biến đổi điện mặt trời theo mùa. Một thị trấn có thể có mảng điện mặt trời ở rìa thị trấn để cung cấp điện gần như quanh năm. Nó sẽ lấp đầy lưu trữ với phần dư thừa mùa hè để cung cấp cho hệ thống sưởi khu vực của nó vào mùa đông. Nhu cầu năng lượng cho các hệ thống sưởi khu vực hiện có sẽ cần 3 đến 5 terawatt điện mặt trời để đáp ứng (nhiều lần tổng số lắp đặt điện mặt trời toàn cầu).

### Hoạt động lại các nhà máy nhiệt điện

Lưu trữ điện theo mùa là ứng dụng hấp dẫn (và lớn nhất). Động cơ tuabin từ các nhà máy nhiệt điện hiện có bằng cách tạo hơi từ lưu trữ nhiệt là con đường kinh tế nhất để lưu trữ điện. Các nhà máy điện đắt đỏ, và có rất nhiều nhà máy hiện có. Nó có thể cần đến ~25 terawatt điện mặt trời để chuyển đổi tất cả chúng.

Lưu trữ nhiệt có thể làm cho các nhà máy điện này hoạt động hiệu quả hơn. Các máy lọc khí xả không khí có chi phí cố định và biến động hoạt động cao không cần thiết. Hiệu suất nhiệt được cải thiện vì không bị mất nhiệt ra ống khói, trong chất rắn hoặc khi chạy các máy lọc. Các cơ sở có thể bắt đầu nhanh hơn, làm cho chúng có liên quan hơn trong thị trường điện. Chi phí và hồ sơ hoạt động mô phỏng nhà máy điện khí tự nhiên.

Con số lý tưởng về số lượng nhà máy chuyển đổi là câu hỏi khó hơn một chút vì khó dự đoán các nguồn tạo ra khác, như điện mặt trời kết nối với pin, sẽ cung cấp bao nhiêu.

Một số quốc gia có nhu cầu điện đang phát triển có thể muốn các cơ sở chạy trong cấu hình “cơ sở tải” hơn trong ngắn hạn. Phép toán đơn giản: Nhiệt điện mặt trời rẻ hơn than cộng với các hiệu quả kém của than? Các con số có thể ủng hộ điện mặt trời so với nhập khẩu than, nhưng các nhà máy điện gần mỏ than sẽ mất nhiều thời gian hơn để vượt qua.

Có nhiều cách để mô hình hóa câu hỏi dài hạn, và một bài báo gần đây tôi đồng tác giả với một số nhà nghiên cứu Stanford là một mục nhập. Hầu hết các kết quả hội tụ xung quanh một công nghệ như lưu trữ nhiệt rẻ cung cấp điện ổn định vào những ngày sản lượng điện mặt trời kém và giá điện cao hơn. Lưu trữ nhiệt có thể cung cấp khoảng 10% tổng cung cấp điện trong cấu hình này. Đánh bại than trở nên dễ dàng hơn nhiều trong kịch bản này vì các yếu tố công suất thấp hơn của nhà máy than gây hại cho kinh tế.

Than cung cấp khoảng một phần ba điện toàn cầu ngày nay, và nhu cầu điện nên tiếp tục phát triển. Một phần đáng kể các nhà máy có thể undergo chuyển đổi trong kịch bản lạc quan nhất.

## Tại sao lưu trữ nhiệt là lựa chọn tốt?

### Vật liệu lưu trữ sẵn có

Yêu cầu luôn xác định các lựa chọn kỹ thuật có sẵn. Mục tiêu hạn chế làm hẹp các lựa chọn. Việc so sánh chi phí lưu trữ khí đốt tự nhiên là một mục tiêu hạn chế tốt. Lưu trữ khí đốt trong các mỏ cạn có cực kỳ rẻ, với chi phí vốn từ 0,05-0,10 đô la mỗi kWh. Để tham khảo, các loại pin đạt dưới 100 đô la mỗi kWh là điều thú vị, nhưng chi phí lưu trữ trên mỗi đơn vị cao hơn 1000 lần.

Chỉ có vài vật liệu có thể cạnh tranh được về chi phí đó. Chúng là phản ứng hóa học năng lượng cao, nước, không khí và đất/đá.

Lưu trữ hóa học hoạt động rất tốt; đó chính là khí đốt tự nhiên và hydrocarbon khác. Chúng sẽ luôn có lợi thế trong một số ứng dụng. Nhưng các bước chuyển đổi bổ sung làm tăng chi phí sản xuất hoặc khai thác chúng. Các lựa chọn rẻ hơn, ngay cả khi chúng không thể làm mọi thứ một loại nhiên liệu có thể, sẽ là tốt.

Các nhiên liệu hóa học khó đánh bại đến mức chúng mang rất nhiều năng lượng trên mỗi đơn vị khối lượng, và chi phí khối lượng đó rất thấp so với hầu hết các sản phẩm con người sản xuất. Theo mặc định, việc lưu trữ năng lượng bằng các phương pháp kém hiệu quả hơn về khối lượng đòi hỏi khối lượng gần như miễn phí để cạnh tranh.

Nước và không khí gần như miễn phí, vì vậy chúng đáng để xem xét. Thật không may, cả hai đều là dạng lưu trữ trọng lực/áp suất, có mật độ rất thấp, khoảng 100 lần tệ hơn lưu trữ nhiệt. Nước và không khí rẻ, nhưng việc quản dụng容器 và di chuyển chúng thì không. Không khí còn có vấn đề thêm là có thể nén được, vì vậy việc nén và thu hồi năng lượng đắt hơn và kém hiệu quả hơn so với nước.

Lưu trữ nhiệt cũng có thể hấp dẫn. Một phần lớn năng lượng sử dụng của con người ở dạng nhiệt. Mất chuyển đổi cho các ứng dụng này có thể nhỏ. Chuyển đổi trở lại điện là 40-45%, không hoàn hảo, nhưng tốt hơn nhiều lựa chọn thay thế. Diện tích bề mặt cũng rất tốt, tốt khoảng một lần so với pin vì các đống đất cao và gần nhau hơn nhiều so với container vận chuyển pin. Một đống đất có thể chạy cho nhà máy điện lớn trong nhiều tháng sẽ trông nhỏ so với hồ chứa nước làm mát.

### Thách thức của sạc và xả nhanh

Có một sự neo vào ý tưởng rằng các công nghệ lưu trữ năng lượng thay thế cần sạc và xả nhanh. Vòng tuần hoàn nhanh là một bất lợi khổng lồ đối với lưu trữ nhiệt vì hai lý do:

**Chuyển nhiệt chậm**

Các vật liệu rẻ tiền và chịu được nhiệt độ cao khi tiếp xúc với không khí có xu hướng là các oxit cách nhiệt (đất, cát, đá, gạch, v.v.). Độ dẫn nhiệt kém, và khó rút nhiệt từ hơn vài centimet trong vài phút hoặc vài giờ.

Một khối lượng nóng có kích thước vài chục mét có thể mất vài năm để hoàn toàn làm mát. Điện địa nhiệt đá khô kêu gọi các mạng lưới vết nứt khổng lồ giữa hai giếng để vượt qua hạn chế chuyển nhiệt.

Trao đổi nhiệt tái sinh tại các nhà máy thép là một trong số ít ứng dụng lưu trữ nhiệt được mở rộng quy mô. Chúng sử dụng các viên gạch “lỗ tổ ong” đặc biệt duy trì tỷ lệ diện tích bề thể tích cao để xử lý khoảng 25 chu kỳ mỗi ngày.

**Nhiệt độ chu kỳ gây hại**

Vật liệu bị nung nóng undergo các chuyển đổi. Chúng có xu hướng mở rộng khi nóng và co lại khi nguội, nhưng cũng có các điểm đứt gãy mà cấu trúc cơ bản có thể thay đổi. Các vật liệu được thiết kế kỹ lưỡng hoặc có trật tự trở nên rối loạn và sụp đổ khi tiếp xúc với chu nhiệt.

Hầu hết các khái niệm lưu trữ nhiệt đòi hỏi các hệ thống được thiết kế kỹ để đạt được mục tiêu tốc độ sạc/xả, tạo ra một thách thức kinh tế-kỹ thuật rất nghiêm trọng.

May mắn là không có lý do thị trường nào cho việc chu kỳ nhanh. Chúng ta không phải chống lại vật lý.

### Trường hợp cho xả chậm

Tốc độ sạc và xả theo thứ tự tháng là ổn.

**Nhiều khách hàng sử dụng năng lượng ổn định**

Hơn 10% tiêu thụ năng lượng thế giới là nhiệt quá trình công nghiệp. Hầu hết các cơ sở này hoạt động 24/7 hoặc trong các chuỗi hàng ngày được xác định. Sử dụng năng lượng trong bất kỳ ngày nào so với tổng lưu trữ cần thiết để chuyển đổi sản xuất dư thừa mùa hè sang nhu cầu nhiệt mùa đông là rất nhỏ. Các mô hình dự báo 1500 megawatt giờ lưu trữ cho mỗi 1 megawatt công suất đầu ra ở vị trí điển hình tại Mỹ. Sạc bằng điện mặt trời đòi hỏi tốc độ cao hơn so với việc đáp ứng nhu cầu vì nó cung cấp cùng lượng năng lượng với hệ số công suất thấp hơn. Tốc độ sạc vẫn thoải mái và được hưởng lợi từ khả năng cung cấp nhiệt độ sạc cao của điện.

**Lưu trữ mùa đông hiện tại chậm**

Nhu cầu mùa đông là ứng dụng đã sử dụng lưu trữ theo mùa. Ví dụ rõ ràng nhất là khí đốt. Tiêu thụ tại Mỹ thấp hơn cung cấp vào mùa hè và mùa chuyển tiếp, nhưng cao hơn vào mùa đông. Ngành công nghiệp lưu trữ lượng khí lớn gần khách hàng cho tiêu thụ mùa đông. Nhiều địa điểm lưu trữ này là các mỏ khí cạn. Chúng không thể lấp hoặc làm trống nhanh hơn theo thang thời gian của tháng. Thêm các giếng khai thác và bơm vào đắt đỏ, và không cần thiết.

May mắn là mọi người không sử dụng toàn bộ lượng nhiên liệu sưởi mùa đông của họ trong 1-2 ngày. Họ sử dụng năng lượng đều đặn hơn nhiều, và việc sử dụng hàng ngày nhỏ so với tổng số được lưu trữ.

**Pin giải quyết chu kỳ nhanh trong thị trường điện**

Tôi thuộc phân vị 99% về sự lạc quan đối với pin, điều này không bình thường đối với một người làm việc trên các công nghệ lưu trữ thay thế. Sự cải tiến công nghệ pin trong hai mươi năm qua đã đáng kinh ngạc. Chúng đã là cách rẻ nhất để thêm công suất đỉnh lưới điện, và chúng sẽ di chuyển một phần ngày càng lớn của sản xuất điện hàng ngày.

Mọi người đánh giá thấp pin. Vẫn còn không gian đáng kể để giảm chi tế trong tế bào, gói đóng, và xây dựng/tích hợp. Chi phí lắp đặt dưới 100 đô la mỗi kWh đã có mặt ở nhiều nơi trên thế giới và nên đến ngay cả ở Mỹ theo thời gian (thuế, giấy phép, và mã điện là các rào cản). Các chi phí này mang tính chuyển đổi ngay cả trong các mô hình đơn giản, nhưng các dòng doanh thu khác nhau cho pin cũng bị đánh giá thấp. Chúng có thể chênh lệch giá theo thời gian, cung cấp dịch vụ phụ trợ, và chênh lệch các ràng buộc truyền tải. Chi phí lắp đặt thấp hơn và nhiều dòng doanh thu có nghĩa là sự chênh lệch hàng ngày giữa giá điện cao và thấp sẽ chặt chẽ hơn nhiều, giống như vài chục đô la mỗi megawatt giờ. Sự chênh lệch chặt chẽ đó bất lợi cho các công nghệ tận dụng biến động hàng ngày với sạc hoặc xả nhanh.

Thay vào đó, thị trường sẽ gửi tín hiệu cho các nguồn tạo ra có chi phí cố định thấp có thể cung cấp nguồn ổn định trong nhiều ngày khi điện mặt trời, gió, hoặc khí bị hạn chế. Pin vẫn đắt đỏ quá mức để chênh lệch hiệu quả các sự khác biệt theo mùa. Lưu trữ nhiệt điện rẻ hơn nhiều lần cho lưu trữ, nhưng kém hơn trong chu kỳ hàng ngày. Nó có thể đóng vai trò bổ sung cho pin và lấp đầy ngách thị trường.

## Năng lượng từ mặt trời

Ngay cả lưu trữ miễn phí cũng không hữu ích nếu chi phí năng lượng từ các mảng điện mặt trời cao hơn khí đốt. Báo cáo hàng năm của Lazard là tiêu chuẩn ngành cho chi phí mỗi megawatt giờ của điện mặt trời. Phiên bản 2025 xác định chi phí tốt nhất tại Mỹ là 38 đô la mỗi megawatt giờ, tương đương hơn 11 đô la mỗi MCF khí đốt. Giá tại trung tâm giao dịch cho khí đốt đã là 3-4 đô la mỗi MCF vào năm 2025 (và nhiều năm trước đó), phơi bày một vấn đề đáng kể cho luận điểm của chúng tôi.

Nhìn kỹ hơn cho thấy vấn đề. Chi phí vận hành của một trang trại điện mặt trời rất thấp ở 4 đô la mỗi megawatt giờ, nhưng chi phí vốn vào ở mức 1150 đô la mỗi kilowatt tại Mỹ, đóng góp 34 đô la mỗi megawatt giờ. Tấm pin hàng hóa có giá 80 đô la mỗi kilowatt trên toàn cầu và 200-250 đô la mỗi kilowatt tại Mỹ, có nghĩa là có rất nhiều lãng phí (và cơ hội) trong chi phí vốn điện mặt trời ngày nay.

Cắt đầu tiên vào các chi phí này đến từ việc đồng vị mảng điện mặt trời với hệ thống lưu trữ. Hơn 300 đô la mỗi kilowatt chi phí đến từ việc chuẩn bị điện để xuất khẩu hoặc kết nối với lưới điện. Các mục này bao gồm biến tần, biến áp điện trung thế, thiết bị đóng cắt, trạm biến áp, biến áp điện cao thế, đường dây điện đến lưới điện, và tất cả chi phí quản lý dự án để xây dựng các hệ thống này.

Giai đoạn tiếp theo là đơn giản hóa các mảng điện mặt trời. Hầu hết các hệ thống quy mô công nghiệp tại Mỹ sử dụng các hệ thống theo dõi giữ các tấm pin hướng về mặt trời trong suốt ngày. Chúng đắt đỏ, thêm nhiều độ phức tạp cơ học, và bao phủ nhiều đất hơn để các hàng không che khuất nhau. Thay vào đó, mảng có thể sử dụng giá đỡ cố định nơi các tấm pin gần như nằm phẳng. Các cấu trúc này rất nhẹ và đơn giản vì tải gió thấp hơn. Tổng diện tích nhỏ 2-3 lần so với các mảng theo dõi vì khoảng cách giữa các tấm chặt chẽ hơn. Ngay cả chi phí vận hành cũng giảm vì có ít thứ hỏng hơn và ít đất hơn phải cạo hoặc trả tiền thuê.

Hàm ý tài chính của sự thay đổi giá đỡ là sâu sắc. Lao động lắp đặt và chi phí giá đỡ trực tiếp giảm, chi phí vận hành gần như giảm một nửa. Điện dây điện giảm 50%, làm cho các đường dây điện không tăng điện áp nhiều hơn thực tế. Diện tích giảm mở các địa điểm bị hạn chế về đất. Chuỗi cung ứng ngắn đáng kể vì có ít bộ phận độc đáo hơn và các vật có thời gian chờ đợi dài hơn. Các mảng đơn giản đủ để một công ty EPC bên ngoài không cần thiết, loại bỏ một phần chi phí nữa. Mỗi tấm pin tạo ra ít điện hơn không có hệ thống theo dõi, nhưng tấm pin tương đối rẻ, và các lợi ích khác hoàn toàn xứng đáng với hình phạt này.

Kết quả của những thay đổi này là chi phí lắp đặt cho mảng điện mặt trời là chi phí tấm pin cộng với 100-150 đô la mỗi kW. Một mảng tại Mỹ sẽ là 300-350 đô la mỗi kWh, và chi phí giảm xuống còn thấp nhất là 16 đô la mỗi megawatt giờ, hoặc 4,70 đô la mỗi MCF khí. Một mảng với giá module thị trường tự do sẽ tương đương với 3 đô la mỗi MCF.

Các chi phí này đưa chúng ta vào phạm vi giá khí đốt tại Mỹ, và có lợi trong hầu hết các thị trường quốc tế. Cân nhắc là khách hàng thực sự trả gì chứ không phải giá tại trung tâm giao dịch. Có một số người dùng khí lớn, hãy nghĩ về một nhà máy amoniac khổng lồ, nằm gần mỏ khí có thể trả ít hơn giá tại trung tâm giao dịch. Những điều này sẽ mất một số thời gian để vượt qua về mặt kinh tế. Ở hầu hết Mỹ, khách hàng trả 1,5 đến 3 lần giá tại trung tâm giao dịch để bao gồm vận chuyển, lưu trữ, và phân phối. Hoặc các nhà máy điện có thể trả 100 lần giá bình thường cho khí trong các đợt thiếu điện. Cung cấp năng lượng cố định qua điện mặt trời đồng vị sẽ là một lợi thế lớn cho một nhà máy điện được chuyển đổi. Ngay cả với giá module Mỹ cao, vẫn có cơ hội cạnh tranh ở nhiều khu vực.

## Tiến độ và thương mại hóa

Không có nghi ngờ gì rằng một công nghệ như vậy về mặt kỹ thuật là có thể. Tất cả rủi ro nằm ở việc đạt được những chi phí cực kỳ thấp. Một trong những câu hỏi quan trọng nhất là hệ thống cần được thiết kế kỹ đến mức nào. Các vật liệu tinh khiết và được thiết kế có thể giúp mọi thứ trở nên dự đoán được và đáng tin cậy, nhưng chúng đắt đỏ. Siêu rẻ đòi hỏi phải sử dụng chúng tiết kiệm. Một mối quan tâm khác là các chi phí chưa biết. Thông thường, các dự án không đạt được ước tính chi phí không phải vì một hạng mục được ước tính kém, mà vì cả các mục dòng đều bị bỏ qua. Xây dựng một hệ thống đầu-cuối trở thành một trong những ưu tiên hàng đầu để kiểm tra các giả thuyết này.

Cho đến nay chúng tôi đã:

– Xây dựng một mảng điện mặt trời 100 kilowatt để cung cấp năng lượng cho thử nghiệm.
– Hoàn thành mảng trong vòng 6 tháng sau khi nói “Bắt đầu”, bao gồm giấy phép, thời gian đặt hàng, và xây dựng (mà chỉ là vài tuần vào cuối). Một phần tốc độ đó là sự đơn giản và không có kết nối lưới điện, và một phần là lập kế thông minh (và may mắn). Chúng tôi hoàn thành tất cả kỹ thuật, mua sắm, và xây dựng để chứng minh tính khả thi.
– 10 tháng thử nghiệm bộ sưởi phá hủy.
– Kỳ tích chi phí lớn nhất là các bộ sưởi. Đặt hàng các hệ thống đóng gói từ các nhà cung cấp hiện có có thể dễ dàng tốn hàng trăm đô la mỗi kilowatt, ngay cả khi vật liệu điện trở chỉ là 1-2 đô la mỗi kilowatt. Cấu trúc, cách nhiệt, điều khiển, và lắp ráp có chi phí thiên văn. Các bổ sung đó tồn tại vì các bộ sưởi cần kéo dài nhiều năm, nhưng có thể chết trong một giây trong điều kiện ngoài ranh giới. Chỉ có vài vật liệu có thể chấp nhận được làm điện trở.

Mục tiêu chi phí của chúng tôi cho các bộ sưởi là 10 đô la mỗi kW, gần với chi phí vật liệu điện trở. Một mục tiêu tham vọng như vậy đòi hỏi phải thiết kế và xây dựng các bộ sưởi của riêng chúng tôi. Chúng tôi có nhiều đống bộ sưởi chết, và giờ đây biết mọi cách một cái chết chết. Thử nghiệm mới nhất của chúng tôi cho thấy chúng tôi sẽ đạt được mục tiêu chi phí và độ tin cậy, và nỗ lực để đến đó đã đáng kinh ngạc.
– Thiết kế lại tích hợp và an toàn điện của điện mặt trời.
– Một bất ngờ khác là toàn bộ ngành điện mặt trời dựa vào một con đường quy định hẹp liên quan đến biến tần và kết nối AC. Thiết bị cần thiết để đáp ứng mã điện cho mảng điện mặt trời ngoài lưới DC không tồn tại ở bất kỳ quy mô nào mà không đi đến biến tần định hình lưới (chúng tôi phải mua một số thiết bị ngừng sản xuất trên eBay để hoàn thành địa điểm thử nghiệm). Các công ty thường nhúng các hệ thống này vào biến tần kết nối lưới, mà chúng tôi không có.
– An toàn mảng điện mặt trời thách thức so với dây điện trong nhà hoặc nhà máy do điện trực tiếp và bản chất điện liên tục của các mô-đun mặt trời. Chúng tôi đã phải thiết kế bộ điều khiển và hệ thống an toàn của riêng mình để có triển vọng triển khai dự án thương mại. Chúng thường được “thuê ngoài” cho các nhà sản xuất biến tần chuyên biệt.
– Di chuyển đất.
– Xây dựng một đống đất rẻ là một chuyện, nhưng nhúng đường ống và bộ sưởi trong khi giữ nó rẻ là chuyện khác. Chúng tôi đã thử qua ít nhất nửa tác cấu hình trước khi cuối cùng quyết định phương pháp xây dựng khả thi.
– Sưởi đất.
– Thử nghiệm quy mô phòng thí nghiệm của việc sưởi đất là dễ dàng. Nhưng, dòng nhiệt trong một gò đất lớn có thể phức tạp hơn với các đường khuếch tán dài hơn nhiều, đặc biệt trong các giai đoạn đầu (sưởi lần đầu tiên giống như làm gạch tại chỗ). Sưởi trong gò thử nghiệm đã quan trọng để phát triển các mô hình đáng tin cậy ở quy mô lớn.

### Đội ngũ

Chúng tôi hiện có ba nhân viên toàn thời gian. Jimmy Williams gia nhập vào mùa hè năm 2024 để tập trung vào việc giải quyết thách thức chi phí và độ tin cậy của bộ sưởi. Brian Pal gia nhập gần đây hơn để giải quyết các rào cản kỹ thuật hệ thống cuối và tinh chỉnh các nguyên mẫu của chúng tôi thành các thiết kế thương mại mạnh mẽ và có thể nhân rộng.

Chúng tôi cũng có một đội ngũ các nhà thầu có năng lực giúp xây dựng hoặc cung cấp dịch vụ kỹ thuật và quy chế chuyên biệt.

Làm việc với đội ngũ này đã là trải nghiệm tuyệt vời, và khả năng cũng như kinh nghiệm cực kỳ cụ thể của họ đã cắt giảm hàng năm và hàng chục triệu (hoặc hàng trăm triệu?) đô la khỏi quá trình phát triển.

### Áp lực liên tục về chi phí và hệ thống khách hàng đầu tiên

Chi phí có thể bùng nổ ở mỗi bước. Gần như mọi thành phần hệ thống đã undergo ít nhất một cuộc khủng hoảng chi phí, nếu không phải là nhiều, trong đó thành phần đơn lẻ đó có thể phá vỡ toàn bộ ngân sách dự án. Có một thành phần tốn bất cứ điều gì để mua và lắp đặt là một vấn đề khi mọi thứ phải gần như miễn phí.

Các chi phí cân bằng hệ thống và chi phí mềm là thách thức nhất, như ví dụ bộ sưởi. Lý thuyết, nhiều thứ có thể rất rẻ, nhưng chỉ dưới các điều kiện cực kỳ hẹp. Bất kỳ sự xáo trộn nào nhanh chóng đòi hỏi một loạt các biện pháp giảm thiểu làm tăng chi phí và độ phức tạp. Hiếm khi các cửa sổ hẹp này cho các hệ con khác nhau phù hợp.

Làm ra các chi tiết đã là bài toán tối ưu hóa toàn cầu cực đoan nhất mà tôi đã làm. Tôi đã phải phát triển sự hiểu biết chi tiết về tế bào mặt trời, mã điện, chuyển nhiệt không ổn định, và nhiều chủ đề khác (sản xuất blog của tôi giảm vì tôi phải học vào ban đêm thay vì viết bài blog). Chúng tôi giờ biết cần xây gì và sẽ hoàn thiện thiết kế thương mại trong vài tháng tới.

Mục tiêu là xây dựng hệ thống khách hàng đầu tiên vào năm 2026. Chúng tôi đang làm việc với một số khách hàng tiềm năng để đảm bảo hệ thống của chúng tôi có thể tích hợp thành công với việc sử dụng năng lượng của họ (thiết kế một hệ thống phổ thông, sao chép và dán có thể tích hợp dễ dàng với các cơ sở khách hàng khác nhau là một phần khác của bài toán tối ưu hóa toàn cầu). Hệ thống đầu tiên của chúng tôi có thể cung cấp tiết kiệm cho người dùng dầu nhiên liệu, propane, và người dùng khí đốt tự nhiên giá cao. Các hệ thống tiếp theo, đặc biệt lớn hơn vài megawatt, có thể đạt được chi phí lưu trữ khí đốt tự nhiên dưới 0,10 đô la mỗi kWh. Việc so sánh chi phí năng lượng phụ thuộc vào vị trí và chi phí tấm pin mặt trời.

Nếu đăng ký một hệ thống như vậy quan tâm đến bạn, xin vui lòng liên hệ với tôi tại [email protected].

## Duy trì lợi thế cạnh tranh

### Khác biệt với các công ty khởi nghiệp lưu trữ nhiệt hiện có

Tôi sẽ không làm việc trên vấn đề này nếu tôi đồng ý với con đường phát triển của các công ty khác trong lĩnh vực này.

Mọi nỗ lực nghiêm túc khác là một hệ thống được thiết kế kỹ lưỡng có khả năng lưu trữ nhiệt trong một ngày đến vài ngày. Điều đó có nghĩa là cạnh tranh trực tiếp với pin, mà chi phí đã dưới nhiều ứng viên lưu trữ nhiệt.

Hệ thống Standard Thermal có khả năng lưu trữ hàng tháng, chi phí mỗi kilowatt giờ thấp hơn nhiều lần so với các hệ thống được thiết kế kỹ lưỡng, và có khả năng mở rộng với một phần vốn và nguồn nhân lực.

### Chiến lược

“Con hào với một đống đất là gì?” là một câu hỏi phổ biến. Hầu hết các địa điểm sẽ có hào thoát nước, nhưng điều đó thường không phải là câu trả lời mọi người đang tìm kiếm.

Sự khác biệt chính giữa các dự án năng lượng như vậy và phần mềm là khó khăn trong việc mở rộng và độ dính của khách hàng. Công nghệ tự nó xa không đủ để đạt được quy mô do các bụi rậm quy định, giấy phép, chứng nhận, áp lực chi phí, và các rào cản tài chính làm tăng ma sát cho tăng trưởng. Tuy nhiên, bản chất tại chỗ của các dự án đảm bảo mối quan hệ dài hạn với khách hàng. Quy mô dự án mở ra chi phí thu hút khách hàng thấp.

Có một con đường được mài giũa tốt để mở rộng công nghệ cơ sở hạ tầng. Vốn đắt đỏ xây dựng các ví dụ đầu tiên. Sau đó có thể có tài chính nợ có sẵn để vay chống lại một dự án đang hoạt động. Sau đó nợ cho xây dựng mới. Và cuối cùng, người khác trả tiền cho các dự án mới.

Lý đằng sau con đường này là quy mô và hiệu quả vốn. Phát triển dự án đòi hỏi, và một công ty chỉ có thể đảm nhận nhiều trước khi chi phí chung và rủi ro trở nên tàn phá. Mỗi bậc thang lên trên thang chiến lược giảm yêu cầu vốn và rủi ro công ty.

Có thể có hàng chục công ty phát triển năng lượng tái tạo với vốn hóa thị trường hơn một tỷ đô la. Không người chơi nào có thể thống trị do ma sát và rào cản trong mỗi dự án. Mỗi dự án có độc quyền gần như trên vị trí cụ thể đó cũng duy trì giá trị của các hệ thống hiện có. Quy mô công ty liên quan đến quy mô dự án – các công ty lớn có dự án lớn. Cùng một mẫu hình tồn tại trong các ngành khác, như dầu khí, nơi các công ty dẫn đầu vận hành các mỏ năng suất cao nhất và tập trung vào các dự án khổng lồ. Ngay cả trong ngành đá phiến, những người chơi thành công nhất đã tìm ra các mỏ lớn nhất có tỷ suất lợi nhuận cao. Công ty với tầm nhìn toàn diện về việc ở trong mọi mỏ, Chesapeake, đã nộp đơn phá sản trong khi người sáng lập qua đời một cách không đúng lúc.

Một đặc điểm khác của lưu trữ siêu rẻ là lưu trữ thực tế là một phần nhỏ của chi phí. Doanh thu và tính khả thi dự án hoàn toàn phụ thuộc vào nó. Các cho vay phải đánh giá rủi ro dựa trên hiệu suất hệ thống lưu trữ, không phải các mảng điện mặt trời rủi ro thấp hoặc khách hàng có tín dụng tốt.

Một chiến lược đa giai đoạn xuất hiện từ những thực tế này:

1. **Xây dựng các dự án ban đầu** – Các dự án đầu tiên cần xác thực công nghệ, cung cấp một số doanh thu, và tạo thành tích cho tài chính trong tương lai. Không có “vực thẳm của sự chết chóc” vì cả hệ thống điện mặt trời ngoài lưới và lưu trữ đều có thể mở rộng xuống vài megawatt mà không bị phạt nặng. Sự đa dạng của người dùng năng lượng là đủ để có những khách hàng tiềm năng có năng lượng đắt đỏ ở phạm vi này.
2. **Mở rộng quy mô và tài chính** – Các dự án ở quy mô chục megawatt có lợi ích chi phí và bảo tồn chi phí công ty, cho phép tăng trưởng nhanh hơn. Thành tích của các dự án ban đầu nên mở ra tài chính.
3. **Giảm tỷ lệ cho vay và chi phí** – Nhiều xu hướng làm cho công nghệ khả thi ở nhiều vị trí hơn. Tấm pin mặt trời là một phần đáng kể CAPEX, và sự tiếp tục giảm chi phí có tác động không tương xứng đến chi phí giảm nhiệt được giao. Cải thiện hiệu suất tấm pin mặt trời giảm đất cần thiết và tiết kiệm tiền về giá đỡ và lao động. Các thành phần tùy chỉnh khác, như hệ thống an toàn điện và bộ điều khiển, giảm chi phí với quy mô. Tỷ lệ lãi vay để vay chống lại các dự án giảm, có tác động không tương xứng đến điểm hòa vốn dự án.
4. **Cung cấp giá trị không ai khác có thể** – Công nghệ chỉ có thể tiếp tục mở rộng bằng cách cho phép nhiều công ty phát triển triển khai nó. Trở thành một phiên bản của công ty kỹ thuật, mua sắm và xây dựng (EPC) là cần thiết. Tính khả năng cho vay và hệ thống chuyển khóa có thể tạo ra thặng dư mua xuất sắc bằng cách giảm chi phí chung và chi phí giảm nhiệt cho toàn bộ dự án. Cung cấp giá cả hợp lý cộng với ma sát từ bằng sáng chế để lại ít cơ hội cho người mới tham gia và duy trì mối quan hệ vận hành và bảo trì dài hạn.
Nhiều thành phần cần thiết để nhân bản hệ thống yêu cầu thời gian (thử nghiệm, chứng nhận, v.v.). Chi phí hệ thống của chúng tôi sẽ tiếp tục giảm và trở nên khả năng cho vay hơn. Điều đó tăng lỗ tiền mặt miễn phí và thời gian ra thị trường cho một người mới phải đối mặt. Sẽ dễ dàng hơn nhiều để kiếm tiền bằng cách mua hệ thống lưu trữ nhiệt và phát triển các dự án thay vì cố gắng sao chép nó.

5. **Mở rộng quy mô dự án hơn nữa và lặp lại** – Các dự án lớn hơn cho phép công ty phát triển mà không bị nghẽn chi phí. Các dự án này gần chắc chắn sẽ là chuyển đổi nhà máy điện hoặc sưởi khu vực toàn thành phố, thường lớn 10-100 lần so với các ứng dụng nhiệt quá trình điển hình. Cùng một động thái tiếp theo sang EPC mở ra quy mô toàn cầu.

Việc thực hiện kế hoạch đòi hỏi sự thực hiện xuất sắc, nhưng điều này luôn luôn đúng với các công ty khởi nghiệp. Mỗi bậc trên thang解锁 giá trị bền vững. Không đạt được mục tiêu có thể dễ dàng có nghĩa là là một nhà phát triển dự án kỳ lân thay vì bị xóa sổ.

## Kết luận

Xử lý biến đổi điện mặt trời theo mùa cao, giải quyết 10% cuối cùng của sản xuất điện trong các lưới điện thống trị năng lượng tái tạo không có nhiên liệu hóa thạch, và giảm gánh nặng chi phí năng lượng ở các vùng nghèo nhiên liệu đã được phân loại là các vấn đề gần như không thể vào các thời điểm khác nhau.

Điều hiếm thấy khi làm việc trên một thứ gì đó có tiềm năng tác động lớn và cũng hưởng lợi từ niềm đam mê của tôi đối với năng lượng và các chi tiết kỹ thuật hoặc tối ưu hóa toàn cầu ở mức độ thấp. Tôi biết ơn điều đó. Có một khối lượng công việc khổng lồ phía trước để làm cho điều không thể trở nên có thể, và tôi chưa bao giờ có động lực hơn để xem xét nó đến cùng và mở rộng công nghệ.