Để cắt giảm một nửa lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính của Mỹ trong vòng một thập kỷ, Mỹ sẽ phải tăng cường sản xuất điện mặt trời và điện gió, đồng thời tích trữ được nguồn năng lượng tái tạo này.

Nguồn cấp năng lượng điện gió và điện mặt trời thường xuyên thay đổi theo mùa, theo thời tiết ngay trong một ngày, do đó lưu trữ năng lượng là yêu cầu thực tế để cung cấp dòng điện cho lưới điện liên tục.

Nhưng pin điện hiện nay có dung lượng khá nhỏ và chỉ lưu trữ được năng lượng dư thừa dùng cho một vài giờ. Để khai thác nhiều hơn tiềm năng điện gió và điện mặt trời, Mỹ cần nhiều kho dự trữ năng lượng dài ngày.

Các nhà khoa học đang nỗ lực phát triển những công nghệ pin lưu trữ, nhưng có một kỹ thuật lưu trữ lâu dài đơn giản đã được chứng minh và sử dụng ở Mỹ từ những năm 1920.

 Hai mô hình thủy điện tích nước, không yêu cầu  đắp đập ngăn sông. Ảnh: NREL.

Kỹ thuật này được gọi là tích trữ năng lượng thủy điện bằng bơm. Đó là phương pháp bơm bơm nước lên độ cao từ hồ chứa thấp lên hồ chứa khác cao hơn để lưu trữ, sau đó khi cần cung cấp điện lại xả nước chảy xuống qua các tuabin, sản xuất điện và đổ vào hồ chứa thấp.

Việc lưu trữ thủy điện bằng máy bơm không được chính phủ và các nhà khoa học Mỹ chú ý do lo ngại về tác động của thủy điện đối với những con sông. Tất cả đều không nhận thấy là hầu hết những địa điểm lưu trữ thủy điện tốt nhất đều không nằm trên các con sông.

Một nhóm nghiên cứu đã thu thập tập bản đồ thế giới về những địa điểm tiềm năng cho hệ thống thủy điện được bơm vòng kín, không bao gồm sông và xác định được 35.000 địa điểm ở Mỹ có tiềm năng trong việc xây dựng hệ thống lưu trữ điện năng bằng bơm. Có nhiều địa điểm ở địa hình hiểm trở và không phù hợp về địa chất, thủy văn, kinh tế, môi trường hoặc xã hội, nhưng chỉ cần vài trăm địa điểm đủ để lưu trữ 100% năng lượng điện tái tạo Mỹ.

 Dự án thủy điện được bơm Kidston ở Úc sử dụng một mỏ vàng cũ để làm hồ chứa. Ảnh: Genex Power

Để hoạt động hiệu quả, lưới điện quốc gia phải có khả năng đáp ứng nhu cầu điện năng trong thời gian thực, ngăn chặn nguy cơ thiếu hụt hoặc quá tải. Các nhà quản lý lưới điện sử dụng duy trì sự cân bằng điện với các nguồn sản xuất biến đổi như gió và mặt trời bằng kỹ thuật chia sẻ điện năng trên các vùng rộng lớn bằng đường dây tải điện cao thế giữa các tiểu bang, điều phối theo nhu cầu và sử dụng kỹ thuật lưu trữ năng lượng.

Pin được lắp đặt trong gia đình, trạm phát điện và xe điện vì thời gian lưu trữ năng lượng sử dụng vài giờ. Nhưng vẫn còn lượng dư thừa điện năng vào ban ngày và gia tăng nhu cầu vào buổi tối. Thủy điện bơm cho phép lưu trữ năng lượng lớn hơn và giữ nguồn năng lượng lâu dài hơn từ hệ thống sản xuất điện sử dụng năng lượng mặt trời và gió. Điện năng được lưu trữ với giá rẻ và thân thiện môi trường.

 Bản đồ các hồ chứa ngoài sông có khả năng được ghép nối thành thủy điện được bơm gần Castle Rock, Colorado. Ảnh: Andrew Blakers , CC BY.

Năm 2021, Mỹ đã có 43 nhà máy thủy điện bơm đang hoạt động với tổng công suất phát điện khoảng 22 gigawatt và công suất lưu trữ năng lượng là 553 gigawatt-giờ. Những nhà máy này chiếm 93% dung lượng lưu trữ điện mặt trời quy mô tiện ích trong cả nước. Trên toàn cầu, tỷ lệ lưu trữ năng lượng mặt trời của thủy điện được bơm còn cao hơn, khoảng 99% dung lượng lưu trữ năng lượng.

Những dự án thủy điện bơm có thể gây tranh cãi  khi liên quan đến những đập lớn trên các con sông làm ngập vùng đất để tạo ra các hồ chứa mới và làm ảnh hưởng đến hệ sinh thái.

Việc tạo ra các hệ thống khép kín sử dụng các cặp hồ hoặc hồ chứa hiện có thay vì sử dụng các dòng sông tránh được nhu cầu xây dựng các con đập mới. Trong đó, một dự án được lên kế hoạch ở Bell County, Kentucky, sử dụng hồ từ một mỏ than cũ, chỉ cần tăng cường đắp đập và lắp đặt đường dây tải điện .

Một hệ thống thủy điện bơm ngoài sông bao gồm một cặp hồ chứa cách nhau vài dặm với độ cao chênh lệch 200-800 mét (khoảng 650-2.600 feet) và được kết nối bằng các đường ống hoặc đường hầm. Những hồ chứa có thể là đào mới hoặc sử dụng những hồ nước hiện có hay những địa điểm khai thác mỏ cũ.

Trong những ngày nắng, gió, dư thừa điện tái tạo, nước được bơm lên bể chứa phía trên để lưu trữ. Ban đêm hoặc khi thiếu nắng, gió, nước được xả chảy ngược lại qua các tuabin để cung cấp năng lượng tích trữ.

Một cặp hồ chứa 250 mẫu Anh (1 000 km2), độ cao chênh lệch 600 mét (1.969 feet) và độ sâu 20 mét (65 feet) có thể lưu trữ 24 gigawatt-giờ năng lượng, hệ thống có thể cung cấp 1 gigawatt năng lượng trong 24 giờ, đủ dùng cho một thành phố triệu dân.

Nguồn nước có thể luân chuyển giữa các hồ chứa trên và dưới trong một trăm năm hoặc hơn. Thiết bị ngăn chặn sự bay hơi, những quả cầu nhỏ nổi trên mặt nước để giữ không khí ẩm giảm sự bốc hơi nước. Lượng nước cần thiết để lưu trữ hệ thống điện tái tạo 100% chỉ bằng 1/10 lượng nước sử dụng trong hệ thống làm mát của các nhà máy nhiệt điện của Mỹ.

Các hệ thống lưu trữ thủy điện bơm ít được xây dựng ở Mỹ những năm gần đây vì chưa có nhu cầu, nhưng tình hình điện năng đang thay đổi.

Năm 2020, khoảng 3/4 công suất điện mới được xây dựng là quang điện mặt trời hoặc điện gió. Do chi phí giảm nên các nhà máy điện tái tạo được xây dựng ở nhiều khu vực hơn so với nhiên liệu hóa thạch.

Úc đang phát triển công suất điện gió, điện mặt trời tính trên đầu người nhanh gấp ba lần so với Mỹ và đối mặt với nhu cầu lưu trữ điện năng dung lượng lớn. 2 hệ thống lưu trữ thủy điện bơm đang được xây dựng và 12 dự án khác đang được nghiên cứu. Các dự án lưu trữ này không xây dựng các đập mới trên sông và chi phí vận hành hàng năm thấp là ưu thế của kỹ thuật lưu trữ này.

Chuyển điện sang năng lượng tái tạo, sau đó điện khí hóa các phương tiện và hệ thống sưởi sẽ loại bỏ hầu hết lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Sự phát triển thủy điện được bơm ngoài sông sẽ thúc đẩy mở rộng năng lượng gió và mặt trời.