Căn nhà chỉ dùng điện Mặt Trời cần những gì?

Giả sử một ngôi nhà quyết định không sử dụng điện lưới nữa. Mọi thiết bị từ tủ lạnh, điều hòa, máy giặt đến bếp điện đều phải lấy năng lượng từ những tấm pin Mặt Trời trên mái.

Về mặt kỹ thuật, điều này hoàn toàn có thể xảy ra. Nhưng để căn nhà thực sự vận hành bằng 100% điện Mặt Trời, việc lắp một dàn pin đủ lớn mới chỉ giải quyết được một phần vấn đề.

Vấn đề đầu tiên nằm ở chính đặc tính của năng lượng Mặt Trời. Các tấm pin chỉ tạo ra điện khi có ánh sáng, trong khi nhu cầu sử dụng điện của một ngôi nhà kéo dài suốt 24 giờ. Ban ngày có thể là lúc hệ thống tạo ra nhiều điện nhất, nhưng đây chưa chắc là thời điểm gia đình tiêu thụ nhiều điện nhất.

Theo Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), pin Mặt Trời không thể tự duy trì nguồn điện cho một ngôi nhà khi lưới điện bị mất nếu không có hệ thống lưu trữ và bộ biến tần được cấu hình phù hợp. Pin lưu trữ giúp duy trì nguồn điện khi sản lượng Mặt Trời thay đổi hoặc khi công trình cần sử dụng điện ngoài thời gian có nắng.

Nói cách khác, nếu mục tiêu là "100% điện Mặt Trời", bài toán không chỉ là sản xuất đủ điện, mà còn phải giữ lại điện để dùng khi không có Mặt Trời.

Ban ngày dư điện, ban đêm lấy điện ở đâu?

Hãy thử đặt một tình huống đơn giản. Vào buổi trưa, các tấm pin đang hoạt động hết công suất trong khi cả gia đình đi làm, đi học. Điện được tạo ra nhiều nhưng mức tiêu thụ trong nhà lại thấp.

Đến tối, khi mọi người trở về, điều hòa, bếp điện, máy nước nóng và các thiết bị khác bắt đầu hoạt động. Đây lại là lúc các tấm pin không còn tạo ra điện trực tiếp.

Nếu vẫn kết nối với điện lưới, phần thiếu hụt có thể được bù từ nguồn điện bên ngoài. Nhưng nếu không dùng điện lưới, điện dư vào ban ngày phải được lưu trữ để sử dụng vào ban đêm.

Đó cũng là lý do hệ thống solar-plus-storage, tức điện Mặt Trời kết hợp lưu trữ, ngày càng quan trọng. DOE giải thích pin cho phép lưu điện được tạo ra khi Mặt Trời chiếu sáng để sử dụng vào những thời điểm khác.

Dung lượng pin vì thế trở thành một trong những giới hạn lớn nhất. Nếu pin quá nhỏ, điện có thể hết trước khi Mặt Trời mọc. Nếu muốn dự phòng cho những ngày nhiều mây, hệ thống lại cần nhiều dung lượng lưu trữ hơn.

Vấn đề còn phức tạp hơn khi nhu cầu điện trong nhà thay đổi. Một gia đình có thể dùng rất ít điện vào ngày thường nhưng tiêu thụ nhiều hơn khi chạy điều hòa liên tục, sạc xe điện hoặc sử dụng máy nước nóng. Vì vậy, hệ thống phải được tính theo mức tiêu thụ thực tế, thay vì chỉ dựa vào số lượng tấm pin có thể lắp trên mái.

Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ (NREL) cũng từng nghiên cứu mô hình kết hợp điện Mặt Trời, pin lưu trữ và điều chỉnh phụ tải trong nhà. Kết quả cho thấy việc phối hợp cả ba yếu tố có thể giúp tối ưu quy mô và cách vận hành hệ thống điện Mặt Trời dân dụng.

Nhưng ngay cả khi đã có pin đủ năng suất, một câu hỏi khác xuất hiện: nếu trời mưa nhiều ngày thì sao? Đây là lý do "100%" không đơn giản như việc tính tổng lượng điện tạo ra trong một năm.

Trời mưa nhiều ngày, ngôi nhà lấy điện ở đâu?

Một ngôi nhà có thể tạo ra lượng điện Mặt Trời tương đương tổng điện năng tiêu thụ trong cả năm nhưng vẫn phải sử dụng điện lưới vào một số thời điểm.

Ví dụ, hệ thống có thể tạo ra lượng điện dư rất lớn vào những ngày nắng, nhưng lại thiếu điện trong những ngày mưa kéo dài. Nếu không có lưới điện hoặc một nguồn dự phòng khác, căn nhà phải dựa hoàn toàn vào lượng điện đã lưu trữ.

Đây là vấn đề ở những khu vực có biến động thời tiết hoặc nhu cầu điện theo mùa. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), khi tỷ trọng điện Mặt Trời và các nguồn tái tạo biến đổi tăng lên, hệ thống điện cần thêm các nguồn linh hoạt như pin lưu trữ, điều chỉnh nhu cầu hoặc các nguồn phát điện có thể điều độ để cân bằng cung và cầu.

Ở quy mô một ngôi nhà, nguyên tắc này cũng tương tự: điện tạo ra phải phù hợp với thời điểm điện được sử dụng.

Vì vậy, để vận hành mà không cần điện lưới, một ngôi nhà cần dàn pin có công suất phù hợp, hệ thống lưu trữ đủ lớn và bộ biến tần tương thích. Việc giảm nhu cầu tiêu thụ điện cũng giúp giảm quy mô hệ thống cần thiết.

Theo IEA, pin lưu trữ ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc dịch chuyển điện từ thời điểm sản xuất sang lúc nhu cầu tăng cao, đặc biệt khi tỷ trọng điện Mặt Trời trong hệ thống điện ngày càng lớn.

Về mặt kỹ thuật, các hệ thống kết hợp điện Mặt Trời và lưu trữ hiện nay có thể giúp một ngôi nhà duy trì hoạt động mà không cần điện lưới trong một số tình huống. DOE cũng ghi nhận khả năng của các hệ thống này trong việc cung cấp điện khi lưới điện gặp sự cố.

Tuy nhiên, để duy trì nguồn điện ổn định trong mọi thời điểm vẫn là bài toán khó. Hệ thống phải đủ khả năng đáp ứng nhu cầu vào ban đêm, những ngày ít nắng hoặc khi lượng điện tiêu thụ tăng đột biến.