Giải cứu thế giới với hành trình giảm giá thành pin, từ lúc smartphone bùng nổ cho tới khi xe điện Tesla thịnh hành

Năm 2010, một khối pin lithium-ion 1 kWh - đủ năng lượng để vận hành một chiếc xe điện chạy với quãng đường từ 5-6km - có giá 1.000 USD. Theo số liệu từ BloombergNEF thì đến năm 2019, con số nghìn đô kia giảm xuống còn 156 USD. Một cú đổ dốc ấn tượng, và các chuyên gia dự đoán trong vòng một thập kỷ tới, giá pin li-ion sẽ còn giảm sâu nữa dù không còn nhanh được như thế. Nhiều người trong ngành nhận định đến giữa thập niên 2020, giá của pin li-ion 1 kWh sẽ có giá dưới 100 USD.

Đó là kết quả của quá trình mở rộng thị trường khiến cho pin ngày càng tốt hơn mà lại rẻ đi nhiều lần, cùng lúc đó động thái này khiến các khoản đầu tư, kèm theo đó là các tiến bộ kỹ thuật càng xuất hiện nhiều hơn. Xu hướng này có lợi trong hầu hết mọi mặt, nhất là khi nền kinh tế thế giới đang cố gắng tránh xa những nguồn năng lượng ô nhiễm như dầu mỏ và than đá.

Pin và động cơ điện đang trở thành công nghệ thay thế động cơ đốt trong tiềm năng nhất. Trong quá khứ, giá thành pin cao khiến giá xe điện đắt ngang những siêu xe sang trọng; nhưng khi mà giá pin rẻ đi, xe điện đã đại trà hơn và thậm chí giá thành ngày nay đã ngang ngửa xe chạy chất đốt. Giá trị sử dụng của xe điện cao hơn khi tính tới khả năng sạc, vậy nên giá pin càng rẻ thì xe điện sẽ càng thịnh hành.

Pin còn là công nghệ mấu chốt cho việc sản xuất năng lượng không khí thải carbon. Chúng ta không lạ lẫm gì với năng lượng Mặt Trời và năng lượng gió, nhưng cũng đồng thời quen thuộc với vấn đề chúng gặp phải: cả hai phương thức tạo năng lượng sạch này chỉ vận hành vào một số thời điểm nhất định, khi trời đầy nắng và nhiều gió. Rõ ràng người tiêu dùng cần một nguồn điện ổn định 24/7.

Pin chính là giải pháp rõ ràng nhất, nhưng lại một lần nữa giá thành của pin cản trở sự thành công của một lưới điện sạch của Mặt Trời và gió. Giá thành của pin hiện tại vẫn chưa tối ưu cho một hệ thống như thế, nên pin mới chỉ là giải pháp cung cấp điện tạm thời trong thời gian ngắn.

Nội trong vòng một thập kỷ qua, giá thành pin giảm 6 lần và dù tốc độ giảm có chậm đi, ta vẫn chưa thấy dấu hiệu dừng lại. Để hiểu được chặng đường phát triển để tới được lúc này, ta phải tính tới những yếu tố dù nhỏ nhất như ý tưởng lưới điện thông minh dần manh nha, hay tới nhu cầu ngày một lớn của thị trường.

Nói đến pin, ta không thể không nhắc tới cái tên Tesla. Rõ ràng, họ là người đại chúng hóa khái niệm xe chạy đường dài chỉ với một hệ thống pin, nhưng chúng ta thường quên rằng Tesla còn là một công ty pin chứ không đơn thuần là sản xuất xe. Tesla cũng nhận ra tiềm năng vô cùng lớn của thị trường pin, nhiều năm trước khi các công ty khác có được nhận định tương tự, để rồi họ đi trước đón đầu xu hướng, trở thành một trong những hãng lớn của ngành lưu trữ năng lượng đang sở hữu thị trường sẽ còn tăng trưởng mạnh trong thập kỷ tới.

Người tiêu dùng chúng ta không rõ chi phí chính xác của pin là bao nhiêu, khi mà thị trường dù lớn nhưng lại là sân chơi riêng của những tập đoàn khổng lồ, thường xuyên thương lượng kín với nhau. May mắn, chúng ta có BloombergNEF, tổ chức nghiên cứu và tư vấn có quan hệ với nhiều công ty, tập đoàn lớn trong lĩnh vực nghiên cứu sản xuất pin.

“Chúng tôi liên lạc với tất cả những cái tên liên quan tới mọi thành phần làm nên chuỗi giá trị”, James Frith, tác giả bài khảo sát pin của BloombergNEF cho hay. “Chúng tôi có quan hệ với người dùng cũng như nhà sản xuất, cùng cả những người làm trong ngành công nghiệp này. Chúng tôi đã có thể nói chuyện với những tập đoàn xe hơi có tham gia sản xuất xe điện và phần lớn những công ty pin lớn tại Trung Quốc, Châu Âu, Hoa Kỳ và Hàn Quốc”.

Dữ liệu thu về được cho thấy giá pin đã giảm hơn 6 lần tính từ năm 2010. Pin rẻ lại khiến thị trường ngày một rộng thêm, rồi thị trường lại tác động ngược lại khiến giá thành pin lại tiếp tục giảm.

Quá trình này diễn ra còn trước cả thời điểm 2010. Bạn hãy nhớ tới mốc thời gian năm 2003, khi mà Tesla chính thức được thành lập. Lúc ấy, thị trường laptop và điện thoại di động đã đang thúc đẩy ngành pin li-ion phát triển. Các công ty lớn đổ hàng triệu USD vào ban nghiên cứu và phát triển, tìm cách cải tiến pin cho rẻ, bền và mạnh hơn.

J.B. Straubel, kỹ sư điện sau này trở thành CTO của Tesla, nhận ra rằng công nghệ pin đã đủ tốt, rồi dần dần là đủ rẻ, để trở thành nguồn năng lượng vận hành xe điện. Straubel trình ý tưởng lên cho Elon Musk - người cũng nhận ra tiềm năng lớn để đầu tư những khoản tiền đầu tiên cho Tesla nhằm hiện thực hóa khái niệm mới. Một thập kỷ sau, Tesla và Panasonic xây dựng một nhà máy pin khổng lồ ở Nevada. Với tên gọi Gigafactory, nhà máy này có thể sản xuất 50 GWh pin hàng năm. Tesla trở thành công ty sản xuất và sử dụng pin li-ion lớn nhất thế giới.

Trong buổi đầu lập nghiệp của Tesla, pin vẫn còn đắt vô cùng nên chiến lược kinh doanh của công ty xe điện chỉ xoay quanh Roadster, chiếc xe điện thể thao với cái giá lên tới 6 chữ số. Nhưng khi pin ngày càng rẻ, Tesla có thể dựng nên chiếc Model S, rồi Model 3 với giá rẻ hơn - chỉ chưa đầy 40.000 USD.

“Model S được thiết kế và ra mắt 5 năm sau ngày Roadster trình làng, và chúng ta thấy sự cải thiện rõ rệt trong công nghệ pin là khoảng 40%, bên cạnh những biến chuyển cơ bản về cả yếu tố hóa học lẫn cấu trúc pin trong xe”, Straubel nói năm 2014.

Ngày nay, hiển nhiên người tiêu dùng vẫn mua điện thoại và laptop nhiều hơn xe điện. Thế nhưng xe cần pin với công suất lớn - khoảng từ 40-100 kWh, gấp smartphone tới cả ngàn lần - nên xe điện mới là nhân tố chính khiến nhu cầu pin li-ion toàn cầu tăng đáng kể. Điều này làm cho pin rẻ hơn nữa, đủ rẻ để trở thành một phần của lưới điện.

Năm 2017, Tesla hoàn thiện hệ thống pin khổng lồ đặt tại Trang trại Gió Hornsdale ở miền Nam nước Úc. Sức chứa của hệ thống này đạt 129 MWh, tương đương 2.000 chiếc Model 3 hay 10 triệu chiếc smartphone. Chủ sở hữu hệ thống này là Neoen, một công ty năng lượng tái tạo của Pháp; họ cho rằng hệ thống của Tesla thành công vang dội và dự định mở rộng quy mô thêm 50% nữa.

Tesla thiết kế hệ thống pin để cung cấp năng lượng ở mức 100 MW. Với khả năng lưu trữ 129 MWh, hệ thống sẽ hoạt động liên tục được hơn 1 giờ, đã là rất hữu ích trong những tình huống cấp bách. Để đảm bảo có điện liên tục, các công ty điều hành lưới điện thường sử dụng những “peaker plant”, tạm dịch là “trạm cao điểm”, thường là những máy phát chạy xăng có thể vận hành bất cứ lúc nào cần, nhằm giảm tải nhu cầu sử dụng điện lớn đè lên lưới điện. Bởi lẽ những trạm này chỉ vận hành vài giờ một năm, chi phí vận hành theo giờ không thấp chút nào. Đôi khi, các cơ sở cung cấp điện của Úc còn phải mua điện ngoài với giá rất cao.

Hệ thống pin đặt tại Hornsdale cho phép người dân nơi đây không phải lo mua điện với giá cắt cổ mỗi khi cần kíp. Neoen khẳng định rằng pin đã giúp người dân khu vực tiết kiệm tới hàng chục triệu USD, trong khi đó giúp lưới điện địa phương tránh cảnh mất điện cục bộ.

Tuy tiết kiệm được tiền, nhưng lợi ích môi trường lại chẳng nhiều. Có lẽ ta phải chờ tới giai đoạn tiếp theo, ảnh hưởng tốt tới môi trường mới rõ rệt hơn: ấy là khi ta đã lắp đặt đủ pin năng lượng vào lưới điện để lưu trữ được phần lớn lượng điện dùng trong ngày. Điều này cho phép lưới điện có trữ được nhiều giờ năng lượng Mặt Trời trong ban ngày nhiều nắng, và có thể xả ra để sử dụng ban đêm; đây sẽ là cách đưa năng lượng tái tạo vào trong lưới điện, và dần dần biến toàn bộ lưới điện thành hệ thống cung cấp năng lượng tái tạo. Khi hệ thống này đủ lớn, ta sẽ còn có thể lưu trữ điện trong mùa hè để mà sử dụng vào mùa đông.

Những thứ pin khẩn cấp dùng trong trường hợp nhu cầu tăng đột biến lại không phù hợp để lưu trữ năng lượng lâu dài. Các nhà khoa học đã đang để mắt tìm kiếm những công nghệ pin hiệu quả hơn, và dù công nghệ đó có là gì, nó cũng sẽ phải cạnh tranh với những phương cách lưu trữ năng lượng khác nữa. Ta đã thấy những khái niệm của hydro, không khí nén, lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt xuất hiện trong nhiều hệ thống lưu trữ năng lượng.

Pin đặt tại Hornsdale có thể giữ danh hiệu “lớn nhất nhì thế giới” trong khoảng thời gian này, nhưng sức chứa của nó vẫn chẳng thể so bì với nhu cầu sử dụng điện của nước Mỹ nói riêng. Người Mỹ tiêu thụ khoảng 10 terawatt-giờ điện mỗi ngày, gấp khoảng 70.000 lần sức chứa của pin Hornsdale. Khi mà giá thành pin tiếp tục giảm cũng như năng lượng tái tạo sẵn có hơn trước, nhu cầu lắp đặt pin lưu trữ năng lượng sẽ còn tăng nữa trong những năm tới. Trong báo cáo quý Một năm 2020, Tesla nói rằng họ đã nhận được một số đơn đặt hàng mới, với những hệ thống pin còn lớn hơn cả những gì Hornsdale đang có.

Càng nhiều đơn vị pin lưu trữ năng lượng xuất xưởng, giá thành sản xuất mỗi đơn vị sẽ có xu hướng giảm. Các nhà kinh tế học định nghĩa learning rate - tốc độ học là phần trăm giảm của giá thành với mỗi lần nhân đôi sản lượng sản xuất. Năm ngoái, BloombergNEF ước tính tốc độ học của pin là 18%, tức là giá thành pin có xu hướng giảm 18% mỗi khi sản lượng pin toàn cầu nhân lên gấp đôi.

Đây là yếu tố tối quan trọng để nhóm điều tra ước tính những lần giảm giá pin tiếp theo. Họ cho rằng thị trường sẽ tiếp tục phát triển, khi mà người dùng mua nhiều xe điện hơn và các cơ sở cung cấp điện mua thêm hệ thống lưu trữ năng lượng. BloombergNEF tin rằng đến năm 2023, thị trường pin sẽ đủ lớn để đẩy giá thành của mỗi kWh xuống dưới mốc 100 USD.

Vẫn còn một số yếu tố khác góp phần làm giá thành giảm. Đó là khía cạnh kinh tế của việc tăng quy mô, là những chi phí cho việc phát triển công nghệ pin mới. Việc xây nhà máy cũng rất quan trọng nếu muốn duy trì tốc độ học của pin, khi mà một nhà máy làm ra càng nhiều pin, các chi phí nêu trên sẽ càng dàn trải, cho phép mỗi đơn vị pin lại rẻ hơn chút đỉnh.

“Chúng tôi đã tận mắt chứng kiến quy mô các nhà máy tăng, từ 1 tới 2 GWh hồi năm 2010 mà đến giờ đã là 30 Gwh”, James Frith nói với ArsTechnica.

Những bước tiến về mặt kỹ thuật cũng giúp giá thành sản xuất pin giảm. Anh Frith chỉ ra rằng thuật ngữ “pin lithium-ion” là để chỉ chung một cơ số các loại pin sử dụng nhiều thành phần hóa học khác nhau. Theo thời gian, các nhà khoa học tạo ra những tổ hợp hóa học mới cho phép pin chứa được nhiều hơn lượng năng lượng trên mỗi kilogram pin. Điều này không chỉ khiến giá thành của các thành phần hóa học giảm, mà còn đồng nghĩa với việc pin nhỏ hơn, nhẹ hơn, từ đó làm giảm giá thành trên mỗi kWh cho các thành phần chế tạo pin khác.

Frith nói với phóng viên ArsTechnica rằng công nghệ pin thông dụng nhất trong thập kỷ qua là “NMC 111”, là những pin có ba phần kềm, mangan và coban với tỷ lệ 1:1:1. Hiện tại, các công ty đang dần chuyển qua tỷ lệ NMC 811 - 8 phần kền với mỗi phần mangan và coban. Kền rẻ hơn coban tới 5 lần khiến cho công thức làm pin nhiều kền rẻ hơn trước. Những pin NMC 811 cũng có mật độ năng lượng dày đặc hơn.

Nhưng NMC 811 vẫn có vấn đề: nó thiếu tính ổn định so với những sản phẩm tiền nhiệm. Nhưng những năm gần đây, ta đã tìm ra được các cách vượt qua khó khăn rủi ro cháy nổ. Thị trường pin càng lớn, các nhà sản xuất lại càng đổ nhiều tiền và nghiên cứu và phát triển, đột phá công nghệ càng sớm diễn ra hơn.

Tesla tiếp tục dẫn đầu mảng thành phần hóa học trong pin. Hồi tháng Năm, Reuters đưa tin rằng Tesla đang cộng tác với công ty CATL tới từ Trung Quốc để phát triển hai công nghệ pin mới: một thiết kế pin ít coban với chi phí sản xuất chỉ 100 USD/kWh, và một thiết kế pin sắt phốt-phát không coban có chi phí sản xuất chỉ 80 USD/kWh. Dẫn lời Reuters, Tesla mong muốn những pin mới này có thể cho phép xe điện vận hành một triệu dặm (tương đương 1,6 triệu km) thì mới cần thay. Cách đây ít lâu, Tesla đã công bố công nghệ pin mới.

Rõ ràng việc loại bỏ động cơ đốt trong sẽ khiến lượng khí thải CO2 giảm đáng kể. Thế nhưng, việc sạc xe bằng điện lưới vẫn sẽ thải CO2 gián tiếp, khi mà các nhà máy năng lượng vẫn dùng nhiên liệu hóa thạch để vận hành. Bên cạnh đó, quy trình sản xuất pin cũng tiêu tốn năng lượng và từ đó, cũng sinh ra CO2. Vậy việc đẩy mạnh tăng trưởng ngành pin có thực sự giúp ích cho môi trường?

Theo lời James Frith, thì câu trả lời là có.

“Ngay cả khi việc sản xuất pin được thực hiện bằng những lưới điện ô nhiễm nhất thế giới, thành phẩm vẫn có thân thiện với môi trường hơn là xe hơi chạy động cơ đốt trong”, James Frith trả lời phỏng vấn ArsTechnica. “Bạn cứ nhìn vào những lưới điện sạch đang có, đơn cử như ở Pháp hay ở Thụy Điển, ảnh hưởng môi trường của xe điện thấp hơn nhiều các động cơ đốt trong”.

Như chúng ta đã thấy, chi phí sản xuất pin giảm sẽ cho phép bản thân lưới điện trở nên sạch hơn. Nếu không có hệ thống lưu trữ năng lượng, ta sẽ gặp hạn chế trong việc đưa điện Mặt Trời vào trong lưới điện chung. Thế nhưng việc kết hợp pin Mặt Trời với pin lại là câu chuyện khác. Trên lý thuyết, pin có thể lưu trữ năng lượng Mặt Trời có được trong buổi sáng để rồi xả vào ban đêm. Trên thực tế, pin phải rẻ hơn nữa để có thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng điện khổng lồ của người dùng.

Khi mà pin lưu trữ năng lượng, pin Mặt Trời, turbine gió ngày một rẻ hơn và hiệu quả hơn, những phép tính tiền mới sẽ khiến ta an lòng. Dần dần, chi phí của cả hệ thống tạo điện Mặt Trời/điện gió lẫn dàn pin lưu trữ sẽ giảm sâu, cho phép chúng ta thay thế các cách sản sinh năng lượng điện hiện có bằng những biện pháp sạch hơn.

Đình Thành