Trong 50 năm qua, đã có sự gia tăng liên tục trong tiêu thụ điện toàn cầu, với mức sử dụng ước tính khoảng 25.300 giờ Terawatt trong năm 2021. Với sự chuyển đổi sang Công nghiệp 4.0, có sự gia tăng nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới. Những con số này đang tăng lên mỗi năm, không bao gồm các yêu cầu quyền lực của các lĩnh vực công nghiệp và kinh tế khác. Sự thay đổi công nghiệp và mức tiêu thụ năng lượng cao này được kết hợp với các tác động biến đổi khí hậu hữu hình hơn do khí thải của khí nhà kính quá mức. Hiện tại, hầu hết các nhà máy sản xuất điện và các cơ sở phụ thuộc rất nhiều vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu khí) để đáp ứng nhu cầu như vậy. Những mối quan tâm về khí hậu cấm sản xuất năng lượng bổ sung bằng các phương pháp thông thường. Do đó, sự phát triển của các hệ thống lưu trữ năng lượng hiệu quả và đáng tin cậy đã 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 đáp ứng bằng cách chuyển sang các giải pháp năng lượng tái tạo hoặc các giải pháp màu xanh lá cây. Việc chuyển đổi đã được giúp đỡ bởi các kỹ thuật sản xuất được cải thiện, ví dụ như sản xuất hiệu quả hơn các lưỡi tuabin gió. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã có thể cải thiện hiệu quả của các tế bào quang điện, dẫn đến việc tạo ra năng lượng tốt hơn trên mỗi khu vực sử dụng. Năm 2021, việc sản xuất điện từ các nguồn quang điện mặt trời (PV) tăng đáng kể, đạt kỷ lục 179 TWH và đại diện cho mức tăng trưởng 22% so với năm 2020. Nguồn năng lượng sau khi thủy điện và gió.
Tuy nhiên, những đột phá này không giải quyết được một số nhược điểm vốn có của các hệ thống năng lượng tái tạo, chủ yếu là sẵn có. Hầu hết các phương pháp này không tạo ra năng lượng theo yêu 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 định vị bảng điều khiển PV. Nó không thể tạo ra bất kỳ năng lượng nào trong đêm trong khi sản lượng của nó giảm đáng kể trong mùa đông và vào những ngày rất nhiều mây. Năng lượng gió cũng chịu sự dao 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 thời gian sản lượng thấp.
Hệ thống lưu trữ năng lượng là gì?
Hệ thống lưu trữ năng lượng có thể lưu trữ năng lượng để được 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 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, hoặc Bess (hệ thống lưu trữ năng lượng pin), đại diện cho phương pháp lưu trữ năng lượng phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng cuộc sống hàng ngày. Hệ thống lưu trữ khác tồn tại như các nhà máy thủy điện chuyển đổi năng lượng tiềm năng của nước được lưu trữ trong đập thành năng lượng điện. Nước rơi xuống sẽ biến bánh đà của một tuabin tạo ra năng lượng điện. Một ví dụ khác là khí nén, khi phát hành khí sẽ biến bánh xe của công suất sản xuất tuabin.
Điều tách pin với các phương pháp lưu trữ khác là các 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 các trang trại năng lượng mặt trời lớn, pin có thể được tích hợp liền mạch cho bất kỳ ứng dụng lưu trữ ngoài lưới nào. Mặt khác, các phương pháp khí hóa 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 đòi hỏi các ứng dụng rất lớn để nó được biện minh.
Sử dụng các trường hợp cho các hệ thống lưu trữ ngoài lưới.
Như đã đề cập trước đây, các hệ thống lưu trữ ngoài lưới có thể tạo điều kiện 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 năng lượng phù hợp dựa trên nguồn cung và cầu của mỗi thành phố. Sức mạnh cần thiết có thể dao động trong suốt cả ngày. Các hệ thống lưu trữ ngoài lưới đã được sử dụng để làm giảm biến động và cung cấp sự ổn định hơn trong các trường hợp nhu cầu cao nhất. Từ góc độ khác, các hệ thống lưu trữ lưới có thể rất có lợi để bù đắp cho bất kỳ lỗi kỹ thuật không lường trước nào trong lưới điện chính hoặc trong thời gian bảo trì theo lịch trình. Họ có thể đáp ứng các yêu cầu năng lượng mà không cần phải tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế. Người ta có thể trích dẫn ví dụ như cơn bão băng 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 đổ rất nhiều nỗ lực để tối ưu hóa các chiến lược sản xuất pin và sạc pin để mở rộng tuổi thọ và mật độ pin của pin. Pin lithium-ion đã đi đầu trong cuộc cách mạng nhỏ này và đã được sử dụng rộng rãi trong những chiếc xe điện mới mà còn cả xe buýt điện. Pin tốt hơn trong trường hợp này có thể dẫn đến một số dặm lớn hơn nhưng cũng giảm thời gian sạc với các công nghệ phù hợp.
Những tiến bộ công nghệ khác thích UAV và robot di động đã được hưởng lợi rất nhiều từ việc phát triển pin. Có các chiến lược chuyển động và các chiến lược kiểm soát phụ thuộc rất nhiều vào dung lượng pin và năng lượng được cung cấp.
Bess là gì
Bess hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng 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 trong các cấu hình khác nhau (sê -ri/song song) và có kích thước dựa trên các 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 các điều kiện pin và hoạt động sạc/xả.
So với các hệ thống lưu trữ năng lượng khác, chúng đặc biệt linh hoạt để đặt/kết nối và không yêu cầu cơ sở hạ tầng rất tốn kém, nhưng chúng vẫn phải trả giá đáng kể và yêu cầu bảo trì thường xuyên hơn dựa trên việc sử dụng.
Thói quen sử dụng và kích thước của Bess
Một điểm quan trọng để giải quyết khi cài đặt hệ thống lưu trữ năng lượng pin là kích thước. Cần bao nhiêu pin? Trong cấu hình nào? Trong một số trường hợp, loại pin có thể đóng một vai trò quan trọng trong thời gian dài về mặt tiết kiệm chi phí và hiệu quả
Điều này được thực hiện trên cơ sở từng trường hợp cụ thể vì các ứng dụng có thể 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. Kỹ sư nói chung sẽ xem xét mức tiêu thụ năng lượng trung bình của hộ gia đình và khẳng định sự chiếu xạ mặt trời trong suốt cả năm cho vị trí cụ thể. Số lượng pin và cấu hình lưới của chúng được chọn để phù hợp với nhu cầu của hộ gia đình trong quá trình cung cấp năng lượng mặt trời thấp nhất trong năm trong khi không hoàn toàn làm cạn kiệt pin. Đây là giả sử một giải pháp để có sự độc lập hoàn toàn năng lượng từ lưới chính.
Giữ trạng thái sạc tương đối vừa phải hoặc không hoàn toàn xả pin là thứ có thể phản trực giác lúc đầu. Rốt cuộc, tại sao sử dụng một hệ thống lưu trữ nếu chúng ta không thể trích xuất nó đầy đủ tiềm năng? Về lý thuyết là 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 chi phí pin tương đối cao. Do đó, việc 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 được thải ra dưới 50% công suất mà không bị thiệt hại không thể đảo ngược. Pin lithium-ion có mật độ năng lượng cao hơn, tuổi thọ dài. Chúng cũng có thể được xuất viện bằng cách sử dụng phạm vi lớn hơn, nhưng điều này có chi phí tăng giá. Có một sự khác biệt cao về chi phí giữa các hóa chất khác nhau, pin axit chì có thể là hàng trăm đến hàng ngàn đô la rẻ hơn 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 tuổi thọ của nó, nó không có hiệu suất ổn định kết thúc với sự thất bại đột ngột. Thay vào đó, năng lực và được cung cấp có thể mờ dần dần. Trong thực tế, tuổi thọ pin được coi là đã hết khi công suất của nó đạt 80% công suất ban đầu. Nói cách khác, khi nó trải qua một công suất 20% mờ dần. Trong thực tế, điều này có nghĩa là một lượng năng lượng thấp hơn có thể được cung cấp. Điều này có thể ảnh hưởng đến thời gian sử dụng cho các hệ thống độc lập hoàn toàn và số lượng số dặm mà EV có thể bao gồm.
Một điểm khác để xem xét là an toàn. Với những tiến bộ trong sản xuất và công nghệ, pin gần đây nói chung là ổn định hơn về mặt hóa học. Tuy nhiên, do sự xuống cấp và lịch sử lạm dụng, các tế bào có thể đi vào nhiệt tình có thể dẫn đến kết quả thảm khốc và trong một số trường hợp khiến cuộc sống 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 cung cấp bảo trì kịp thời và tránh những hậu quả nghiêm trọng hơn.
Phần kết luận
Trong số các hệ thống lưu trữ năng lượng lưới cung cấp một cơ hội tuyệt vời để đạt được sự độc lập năng lượng từ lưới chính nhưng cũng cung cấp một nguồn năng lượng dự phòng trong thời gian ngừng hoạt động và thời gian tải cực đại. Có sự phát triển sẽ tạo điều kiện cho sự thay đổi 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 các yêu cầu năng lượng với sự tăng trưởng liên tục trong tiêu dùng.
Các hệ thống lưu trữ năng lượng 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 họ được chống lại bởi một 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 học viện đang đổ rất nhiều nỗ lực để điều tra và hiểu sự xuống cấp của pin trong các điều kiện khác nhau.
