Trong 50 năm qua, mức tiêu thụ điện toàn cầu không ngừng tăng lên, với mức sử dụng ước tính 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 ngày càng tăng. Những con số này ngày càng tăng lên hàng năm, chưa kể nhu cầu điện năng của các ngành công nghiệp và các ngành kinh tế khác. Sự chuyển dịch công nghiệp và tiêu thụ điện năng cao này đi đôi với những tác động rõ ràng hơn của biến đổi khí hậu do lượng khí thải nhà kính phát thải quá mức. Hiện nay, hầu hết các nhà máy và cơ sở sản xuất điện đều phụ thuộc nhiều vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu khí) để đáp ứng nhu cầu đó. Những lo ngại về khí hậu này ngăn cản việc tạo ra năng lượng bổ sung 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 cung cấp năng lượng liên tục và đáng tin cậy từ các nguồn tái tạo.

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

Tuy nhiên, những đột phá này không giải quyết được một số nhược điểm cố hữu của hệ thống năng lượng tái tạo, chủ yếu là tính sẵn có. Hầu hết các phương pháp này không sản xuất được năng lượng theo yêu cầu như các nhà máy điện than, dầu. Ví dụ, đầu ra năng lượng mặt trời có sẵn suốt cả ngày với các biến thể tùy thuộc vào góc chiếu xạ mặt trời và vị trí tấm pin PV. Nó không thể tạo ra bất kỳ năng lượng nào vào ban đêm trong khi sản lượng của nó giảm đáng kể trong mùa đông và vào những ngày nhiều mây. Năng lượng gió cũng chịu sự dao động tùy thuộc vào tốc độ gió. Do đó, những giải pháp này cần được kết hợp với hệ thống lưu trữ năng lượng để duy trì nguồn cung cấp năng lượng trong thời kỳ sản lượng 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 xuất hiện hình thức chuyển hóa năng lượng giữa năng lượng dự 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 bằng các 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 đời sống hàng ngày. Hệ thống lưu trữ khác tồn tại như các nhà máy thủy điện chuyển đổi thế năng 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 xe tua-bin tạo ra công suất.

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

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

Như đã đề cập trước đây, hệ thống lưu trữ ngoài lưới 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, có những ứng dụng khác có thể được hưởng lợi rất nhiều từ các hệ thống như vậy

Lưới điện thành phố nhằm mục đích cung cấp lượng điện phù hợp dựa trên cung và cầu của từng thành phố. Công suất cần thiết có thể dao động trong ngày. Hệ thống lưu trữ ngoài lưới đã được sử dụng để giảm bớt sự biến động và mang lại sự ổn định hơn trong trường hợp nhu cầu cao điểm. Từ một góc nhìn khác, hệ thống lưu trữ ngoài lưới có thể mang lại lợi ích cao trong việc bù đắp cho mọi lỗi kỹ thuật không lường trước được trong lưới điện chính hoặc trong thời gian bảo trì theo lịch trình. Chúng có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng mà không cần phải tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế. Người ta có thể lấy ví dụ về trận 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 nỗ lực rất nhiều để tối ưu hóa các chiến lược sản xuất và sạc/xả pin nhằm kéo dài tuổi thọ và mật độ năng lượng của pin. Pin lithium-ion đã đi đầu trong cuộc cách mạng nhỏ này và đã được sử dụng rộng rãi trên ô tô điện mới cũng như xe buýt điện. Pin tốt hơn trong trường hợp này có thể mang lại quãng đường đi được nhiều hơn nhưng cũng giảm thời gian sạc bằng công nghệ phù hợp.

Những tiến bộ công nghệ khác như máy bay không người lái và robot di động đã được hưởng lợi rất nhiều từ việc phát triển pin. Ở đó các chiến lược chuyển động và chiến lược điều khiển phụ thuộc rất nhiều vào dung lượng pin và năng lượng được cung cấp.

BESS là gì

BESS hay hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin là một 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 yêu cầu. Chúng được kết nối với một biến tần được sử dụng để chuyển đổi nguồn DC thành nguồn AC để sử dụng. Hệ 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 trong việc bố trí/kết nối và không yêu cầu cơ sở hạ tầng đắt đỏ, nhưng chúng vẫn có chi phí đáng kể và yêu cầu bảo trì thường xuyên hơn tùy theo mức độ sử dụng.

Kích thước và thói quen sử dụng BESS

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

Việc này được thực hiện tùy từng trường hợp vì các ứng dụng có thể bao gồm từ các 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 quang điện. Nói chung, kỹ sư sẽ xem xét mức tiêu thụ điện năng trung bình của hộ gia đình và đánh giá bức xạ mặt trời trong năm đối với 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 điểm cung cấp năng lượng mặt trời thấp nhất trong năm mà không làm cạn kiệt pin hoàn toàn. Đây là giả định về một giải pháp để có được nguồn điện hoàn toàn độc lập với lưới điện chính.

Giữ trạng thái sạc tương đối vừa phải hoặc không xả hết pin hoàn toàn là điều ban đầu có thể phản trực giác. 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 nó có thể không phải là chiến lược tối đa hóa lợi tức đầu tư.

Một trong những nhược điểm chính của BESS là giá thành pin tương đối cao. Vì vậy, việc lựa chọn thói quen sử dụng hay chiến lược sạc/xả để tối đa hóa tuổi thọ của pin là điều cần thiết. Ví dụ, pin axit chì không thể được xả dưới mức 50% công suất mà không bị hư hỏng không thể phục hồi. Pin lithium-ion có mật độ năng lượng cao hơn, tuổi thọ dài. Chúng cũng có thể được xả bằng phạm vi lớn hơn, nhưng điều này phải trả giá bằng việc tăng giá. 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 cộng đồng nghèo.

Hiệu suất của pin bị ảnh hưởng nặng nề bởi sự xuống cấp trong suốt thời gian sử dụng, nó không có hiệu suất ổn định và dẫn đến hỏng hóc đột ngột. Thay vào đó, năng lực và nguồn cung cấp có thể giảm dần. Trên thực tế, tuổi thọ của pin được coi là đã hết khi dung lượng của nó đạt tới 80% công suất ban đầu. Nói cách khác, khi nó bị giảm công suất 20%. 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 của các hệ thống hoàn toàn độc lập và quãng đường mà xe điện có thể đi được.

Một điểm khác cần xem xét là sự an toàn. Với những tiến bộ trong sản xuất và công nghệ, các loại pin gần đây nhìn chung đã ổn định hơn về mặt hóa học. Tuy nhiên, do lịch sử xuống cấp và lạm dụng, các tế bào có thể rơi vào trạng thái thoát nhiệt, dẫn đến hậu quả thảm khốc và trong một số trường hợp khiến tính mạng của người tiêu dùng gặp nguy hiểm.

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

Phần kết luận

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

Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin 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 đi kèm với chi phí tương đối cao, dẫn đến việc phát triển các chiến lược giám sát để kéo dài tuổi thọ tương ứng càng nhiều càng tốt. Hiện tại, ngành công nghiệp và giới học thuật đang nỗ lực rất nhiều để điều tra và tìm hiểu sự xuống cấp của pin trong các điều kiện khác nhau.