Làm thế nào để lưu trữ điện ngoài lưới điện?

Trong 50 năm qua, mức tiêu thụ điện toàn cầu liên tục tăng, ước tính vào khoảng 25.300 terawatt-giờ vào năm 2021. Với quá trình chuyển đổi sang công nghiệp 4.0, nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới cũng tăng theo. Những con số này tăng lên hàng năm, chưa kể nhu cầu điện của các ngành công nghiệp và các ngành kinh tế khác. Sự chuyển dịch công nghiệp và mức tiêu thụ điện năng cao này đi kèm với những tác động rõ rệt hơn của biến đổi khí hậu do lượng khí thải nhà kính quá mức. Hiện nay, hầu hết các nhà máy và cơ sở sản xuất điện đều phụ thuộc rất nhiều vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu và khí đốt) để đáp ứng nhu cầu đó. Những lo ngại về khí hậu này cấm việc sản xuất thêm năng lượng bằng các phương pháp thông thường. Do đó, việc phát triển các hệ thống lưu trữ năng lượng hiệu quả và đáng tin cậy ngày càng trở nên quan trọng để đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng liên tục và đáng tin cậy từ các nguồn tái tạo.

Ngành năng lượng đã phản ứng bằng cách chuyển dịch sang năng lượng tái tạo hoặc các giải pháp “xanh”. Quá trình chuyển đổi này được hỗ trợ bởi các kỹ thuật sản xuất được cải thiện, ví dụ như dẫn đến việc sản xuất cánh tua bin gió hiệu quả hơn. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã có thể cải thiện hiệu suất của các tế bào quang điện, dẫn đến sản xuất năng lượng tốt hơn trên mỗi diện tích sử dụng. Năm 2021, sản lượng điện từ các nguồn quang điện mặt trời (PV) tăng đáng kể, đạt mức kỷ lục 179 TWh và tăng trưởng 22% so với năm 2020. Công nghệ PV mặt trời hiện chiếm 3,6% sản lượng điện toàn cầu và hiện là nguồn năng lượng tái tạo lớn thứ ba sau thủy điện và gió.

Tuy nhiên, những đột phá này không giải quyết được một số nhược điểm cố hữu của các hệ thống năng lượng tái tạo, chủ yếu là tính khả dụng. Hầu hết các phương pháp này không tạo ra năng lượng theo nhu cầu như các nhà máy điện than và dầu. Ví dụ, đầu ra năng lượng mặt trời có sẵn trong suốt cả ngày với các biến thể tùy thuộc vào góc chiếu xạ mặt trời và vị trí lắp đặt tấm pin quang điện. Nó không thể tạo ra bất kỳ năng lượng nào vào ban đêm trong khi đầu ra của nó giảm đáng kể trong mùa đông và vào những ngày rất nhiều mây. Năng lượng gió cũng bị ảnh hưởng bởi các biến động tùy thuộc vào tốc độ gió. Do đó, các giải pháp này cần được kết hợp với các hệ thống lưu trữ năng lượng để duy trì nguồn cung cấp năng lượng trong các giai đoạn đầu ra thấp.

Hệ thống lưu trữ năng lượng là gì?

Hệ thống lưu trữ năng lượng có thể lưu trữ năng lượng để sử dụng ở giai đoạn sau. Trong một số trường hợp, sẽ có một hình thức chuyển đổi năng lượng giữa năng lượng được lưu trữ và năng lượng được cung cấp. Ví dụ phổ biến nhất là pin điện như pin lithium-ion hoặc pin axit chì. Chúng cung cấp năng lượng điện thông qua phản ứng hóa học giữa các điện cực và chất điện phân.

Pin, hay BESS (hệ thống lưu trữ năng lượng pin), là phương pháp lưu trữ năng lượng phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng cuộc sống hàng ngày. Có những hệ thống lưu trữ khác như nhà máy thủy điện chuyển đổi năng lượng tiềm tàng của nước được lưu trữ trong đập thành năng lượng điện. Nước rơi xuống sẽ làm quay bánh đà của tuabin tạo ra năng lượng điện. Một ví dụ khác là khí nén, khi giải phóng khí sẽ làm quay bánh đà của tuabin tạo ra điện.

Điểm khác biệt giữa pin và các phương pháp lưu trữ khác là phạm vi hoạt động tiềm năng của chúng. Từ các thiết bị nhỏ và nguồn điện ô tô đến các ứng dụng gia đình và các trang trại năng lượng mặt trời lớn, pin có thể được tích hợp liền mạch vào bất kỳ ứng dụng lưu trữ ngoài lưới điện nào. Mặt khác, các phương pháp thủy điện và khí nén đòi hỏi cơ sở hạ tầng lưu trữ rất lớn và phức tạp. Điều này dẫn đến chi phí rất cao đòi hỏi các ứng dụng rất lớn để có thể biện minh được.

Các trường hợp sử dụng hệ thống lưu trữ ngoài lưới điện.

Như đã đề cập trước đó, các hệ thống lưu trữ ngoài lưới điện có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng và phụ thuộc vào các phương pháp năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Tuy nhiên, vẫn có những ứng dụng khác có thể hưởng lợi rất nhiều từ các hệ thống như vậy

Lưới điện thành phố hướng đến mục tiêu cung cấp lượng điện phù hợp dựa trên cung và cầu của từng thành phố. Lượng điện cần thiết có thể dao động trong ngày. Các hệ thống lưu trữ ngoài lưới điện đã được sử dụng để làm giảm các dao động và cung cấp sự ổn định hơn trong trường hợp nhu cầu cao điểm. Theo một góc độ khác, các hệ thống lưu trữ ngoài lưới điện có thể rất có lợi để bù đắp cho bất kỳ lỗi kỹ thuật nào không lường trước được trong lưới điện chính hoặc trong các giai đoạn bảo trì theo lịch trình. Chúng có thể đáp ứng nhu cầu điện mà không cần phải tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế. Người ta có thể trích dẫn ví dụ về cơn bão băng ở Texas vào đầu tháng 2 năm 2023 khiến khoảng 262.000 người không có điện, trong khi việc sửa chữa bị trì hoãn do điều kiện thời tiết khó khăn.

Xe điện là một ứng dụng khác. Các nhà nghiên cứu đã bỏ ra rất nhiều công sức để tối ưu hóa sản xuất pin và các chiến lược sạc/xả nhằm kéo dài tuổi thọ và mật độ công suất của pin. Pin lithium-ion đã đi đầu trong cuộc cách mạng nhỏ này và đã được sử dụng rộng rãi trong những chiếc ô tô điện mới cũng như xe buýt điện. Trong trường hợp này, pin tốt hơn có thể dẫn đến quãng đường đi được lớn hơn nhưng cũng rút ngắn thời gian sạc với các công nghệ phù hợp.

Những tiến bộ công nghệ khác như UAV và robot di động đã được hưởng lợi rất nhiều từ sự phát triển của pin. Các chiến lược chuyển động và chiến lược điều khiển của chúng phụ thuộc rất nhiều vào dung lượng pin và nguồn điện được cung cấp.

BESS là gì

BESS hay hệ thống lưu trữ năng lượng pin là hệ thống lưu trữ năng lượng có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng. Năng lượng này có thể đến từ lưới điện chính hoặc từ các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Nó bao gồm nhiều pin được sắp xếp theo các cấu hình khác nhau (nối tiếp/song song) và có kích thước dựa trên các yêu cầu. Chúng được kết nối với một bộ biến tần được sử dụng để chuyển đổi nguồn điện DC thành nguồn điện AC để sử dụng. AHệ thống quản lý pin (BMS)được sử dụng để theo dõi tình trạng pin và hoạt động sạc/xả.

So với các hệ thống lưu trữ năng lượng khác, chúng đặc biệt linh hoạt khi lắp đặt/kết nối và không yêu cầu cơ sở hạ tầng quá đắt đỏ, nhưng vẫn có chi phí khá cao và đòi hỏi bảo trì thường xuyên hơn tùy theo mức sử dụng.

Kích thước BESS và thói quen sử dụng

Một điểm quan trọng cần giải quyết khi lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng pin là kích thước. Cần bao nhiêu pin? Cấu hình như thế nào? Trong một số trường hợp, loại pin có thể đóng vai trò quan trọng về lâu dài về mặt tiết kiệm chi phí và hiệu quả

Điều này được thực hiện tùy theo từng trường hợp cụ thể vì ứng dụng có thể đa dạng từ hộ gia đình nhỏ đến các nhà máy công nghiệp lớn.

Nguồn năng lượng tái tạo phổ biến nhất cho các hộ gia đình nhỏ, đặc biệt là ở khu vực thành thị, là năng lượng mặt trời sử dụng các tấm pin quang điện. Nhìn chung, kỹ sư sẽ xem xét mức tiêu thụ điện trung bình của hộ gia đình và đánh giá bức xạ mặt trời trong năm cho từng địa điểm cụ thể. Số lượng pin và cấu hình lưới điện của chúng được chọn để phù hợp với nhu cầu của hộ gia đình trong thời gian nguồn cung cấp điện mặt trời thấp nhất trong năm mà không làm cạn kiệt hoàn toàn pin. Điều này giả định một giải pháp có thể hoàn toàn độc lập về nguồn điện với lưới điện chính.

Duy trì trạng thái sạc tương đối vừa phải hoặc không xả hết pin hoàn toàn là điều có thể trái ngược với trực giác lúc đầu. Rốt cuộc, tại sao lại sử dụng hệ thống lưu trữ nếu chúng ta không thể khai thác hết tiềm năng của nó? Về lý thuyết thì có thể, nhưng có thể đó không phải là chiến lược tối đa hóa lợi tức đầu tư.

Một trong những nhược điểm chính của BESS là chi phí pin tương đối cao. Do đó, việc lựa chọn thói quen sử dụng hoặc chiến lược sạc/xả để tối đa hóa tuổi thọ pin là điều cần thiết. Ví dụ, pin axit chì không thể xả dưới 50% dung lượng mà không bị hư hỏng không thể phục hồi. Pin lithium-ion có mật độ năng lượng cao hơn, tuổi thọ chu kỳ dài. Chúng cũng có thể được xả bằng phạm vi lớn hơn, nhưng điều này phải trả giá bằng giá tăng. Có sự chênh lệch lớn về chi phí giữa các loại hóa chất khác nhau, pin axit chì có thể rẻ hơn hàng trăm đến hàng nghìn đô la so với pin lithium-ion có cùng kích thước. Đây là lý do tại sao pin axit chì được sử dụng nhiều nhất trong các ứng dụng năng lượng mặt trời ở các nước thế giới thứ 3 và các cộng đồng nghèo.

Hiệu suất của pin bị ảnh hưởng nặng nề bởi sự xuống cấp trong suốt vòng đời của nó, nó không có hiệu suất ổn định kết thúc bằng sự cố đột ngột. Thay vào đó, dung lượng và khả năng cung cấp có thể giảm dần. Trong thực tế, tuổi thọ của pin được coi là hết khi dung lượng của nó đạt 80% dung lượng ban đầu. Nói cách khác, khi nó bị giảm 20% dung lượng. Trong thực tế, điều này có nghĩa là có thể cung cấp lượng năng lượng thấp hơn. Điều này có thể ảnh hưởng đến thời gian sử dụng đối với các hệ thống hoàn toàn độc lập và số dặm mà một chiếc EV có thể đi được.

Một điểm khác cần xem xét là tính an toàn. Với những tiến bộ trong sản xuất và công nghệ, pin gần đây nhìn chung ổn định hơn về mặt hóa học. Tuy nhiên, do lịch sử xuống cấp và lạm dụng, các cell pin có thể bị mất kiểm soát nhiệt, có thể dẫn đến hậu quả thảm khốc và trong một số trường hợp có thể gây nguy hiểm đến tính mạng của người tiêu dùng.

Đây là lý do tại sao các công ty đã phát triển phần mềm giám sát pin (BMS) tốt hơn để kiểm soát mức sử dụng pin nhưng cũng theo dõi tình trạng sức khỏe để bảo trì kịp thời và tránh hậu quả nghiêm trọng.

Phần kết luận

Hệ thống lưu trữ năng lượng lưới điện cung cấp cơ hội tuyệt vời để đạt được sự độc lập về điện năng từ lưới điện chính nhưng cũng cung cấp nguồn điện dự phòng trong thời gian ngừng hoạt động và thời gian tải cao điểm. Sự phát triển của chúng sẽ tạo điều kiện chuyển dịch sang các nguồn năng lượng xanh hơn, do đó hạn chế tác động của việc tạo ra năng lượng đối với biến đổi khí hậu trong khi vẫn đáp ứng được nhu cầu năng lượng với mức tiêu thụ tăng trưởng liên tục.

Hệ thống lưu trữ năng lượng pin là hệ thống được sử dụng phổ biến nhất và dễ cấu hình nhất cho các ứng dụng hàng ngày khác nhau. Tính linh hoạt cao của chúng bị chi phí tương đối cao cản trở, dẫn đến việc phát triển các chiến lược giám sát để kéo dài tuổi thọ tương ứng càng nhiều càng tốt. Hiện nay, ngành công nghiệp và học viện đang nỗ lực rất nhiều để điều tra và hiểu về sự suy giảm của pin trong các điều kiện khác nhau.