Làm thế nào để lưu trữ điện năng mà không cần kết nối với lưới điện?

Trong 50 năm qua, lượng tiêu thụ điện năng toàn cầu đã liên tục tăng, ước tính đạt khoảng 25.300 terawatt-giờ vào năm 2021. Với sự chuyển đổi sang công nghiệp 4.0, nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới đang gia tăng. Con số này tăng lên mỗi năm, chưa kể nhu cầu điện năng của các ngành công nghiệp và các lĩnh vực kinh tế khác. Sự chuyển đổi 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 nhiều vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu và khí đốt) để đáp ứng nhu cầu này. Những lo ngại về khí hậu này cản trở việc sản xuất thêm năng lượng bằng các phương pháp truyền thống. 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 ổn định từ các nguồn năng lượng tái tạo.

Ngành năng lượng đã phản ứng bằng cách chuyển hướng 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 tiến, ví dụ như dẫn đến việc sản xuất cánh quạt tuabin 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 việc sản xuất năng lượng tốt hơn trên mỗi diện tích sử dụng. Năm 2021, sản lượng điện từ nguồn năng lượng mặt trời (PV) đã tăng đáng kể, đạt kỷ lục 179 TWh và tăng 22% so với năm 2020. Công nghệ năng lượng mặt trời PV hiện chiếm 3,6% tổng sản lượng điện toàn cầu và hiện là nguồn năng lượng tái tạo lớn thứ ba sau thủy điện và năng lượng gió.

Tuy nhiên, những đột phá này không giải quyết được một số nhược điểm vốn có của hệ thống năng lượng tái tạo, chủ yếu là vấn đề về tính khả dụng. Hầu hết các phương pháp này không sản xuất năng lượng theo yêu cầu như các nhà máy điện than và dầu mỏ. Ví dụ, năng lượng mặt trời có sẵn suốt cả ngày với sự biến đổi tùy thuộc vào góc chiếu xạ của mặt trời và vị trí lắp đặt tấm pin quang điện. Nó không thể sản xuất năng lượng vào ban đêm, trong khi sản lượng giảm đáng kể vào mùa đông và những ngày nhiều mây. Năng lượng gió cũng bị ảnh hưởng bởi sự dao động tùy thuộc vào tốc độ gió. Do đó, các 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 có sự 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 các phản ứng hóa học giữa các điện cực và chất điện giải.

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

Điều làm nên sự khác biệt giữa pin và các phương pháp lưu trữ khác là phạm vi ứng dụng tiềm năng của chúng. Từ các thiết bị nhỏ và hệ thống cung cấp điện cho ô tô đến các ứng dụng gia đình và các trang trại năng lượng mặt trời quy mô lớn, pin có thể được tích hợp liền mạch vào bất kỳ ứng dụng lưu trữ ngoài lưới điện nào. Mặt khác, thủy điện và phương pháp 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 quy mô rất lớn mới có thể được оправдать (có hiệu quả).

Các trường hợp ứng dụng của hệ thống lưu trữ năng lượng độc lập.

Như đã đề cập trước đó, hệ thống lưu trữ năng lượng độc lập có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng và phụ thuộc vào các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều ứng dụng khác có thể hưởng lợi rất nhiều từ các hệ thống này.

Lưới điện thành phố hướng đến việc cung cấp lượng điện phù hợp dựa trên cung và cầu của từng thành phố. Nhu cầu điện năng có thể dao động suốt cả ngày. Các hệ thống lưu trữ điện năng ngoài lưới đã được sử dụng để giảm thiểu sự dao động và mang lại sự ổn định hơn trong trường hợp nhu cầu cao điểm. Từ một góc nhìn khác, các hệ thống lưu trữ điện năng ngoài lưới có thể rất hữu ích để bù đắp cho bất kỳ sự cố kỹ thuật nào không lường trước được trong lưới điện chính hoặc trong các thời kỳ bảo trì theo lịch trình. Chúng có thể đáp ứng nhu cầu điện năng mà không cần phải tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế. Ví dụ, có thể kể đến trận bão băng ở Texas vào đầu tháng 2 năm 2023 đã khiến khoảng 262.000 người mất điện, trong khi việc sửa chữa bị trì hoãn do điều kiện thời tiết khắc nghiệt.

Xe điện là một ứng dụng khác. Các nhà nghiên cứu đã đầu tư rất nhiều công sức để tối ưu hóa quy trình sản xuất pin và các chiến lược sạc/xả 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 được sử dụng rộng rãi trong các xe điện mới cũng như xe buýt điện. Trong trường hợp này, pin tốt hơn có thể dẫn đến quãng đường di chuyển xa hơn, đồng thời giảm thời gian sạc nếu áp dụng đúng công nghệ.

Những tiến bộ công nghệ khác như máy bay không người lái (UAV) và robot di động đã được hưởng lợi rất nhiều từ sự phát triển của pin. Các chiến lược chuyển động và điều khiển của chúng phụ thuộc rất nhiều vào dung lượng và công suất pin.

BESS là gì?

Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) là một hệ thống lưu trữ năng lượng có thể được sử dụng để tích trữ năng lượng. Năng lượng này có thể đến từ lưới điện quốc gia hoặc từ các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Hệ thống bao gồm nhiều pin được sắp xếp theo các cấu hình khác nhau (nối tiếp/song song) và có kích thước phù hợp với yêu cầu. Chúng được kết nối với một bộ biến tần được sử dụng để chuyển đổi nguồn điện một chiều (DC) thành nguồn điện xoay chiều (AC) để sử dụng.hệ thống quản lý pin (BMS)Được sử dụng để theo dõi tình trạng pin và quá trình sạc/xả.

So với các hệ thống lưu trữ năng lượng khác, chúng đặc biệt linh hoạt trong việc lắp đặt/kết nối và không yêu cầu cơ sở hạ tầng quá đắt đỏ, nhưng vẫn có chi phí đáng kể và cần bảo trì thường xuyên hơn tùy thuộc vào 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 việc tính toán 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 xét về tiết kiệm chi phí và hiệu quả.

Việc này được thực hiện tùy từng trường hợp cụ thể vì phạm vi 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 pin quang điện. Kỹ sư thường sẽ xem xét mức tiêu thụ điện năng trung bình của hộ gia đình và đánh giá cường độ bức xạ mặt trời trong suốt cả năm tại vị trí cụ thể. Số lượng pin và cấu hình lưới điện được lựa chọn sao cho phù hợp với nhu cầu của hộ gia đình trong thời điểm 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 tự chủ về điện năng, không phụ thuộc vào lưới điện quốc gia.

Việc duy trì trạng thái sạc tương đối vừa phải hoặc không xả hết pin hoàn toàn thoạt nhìn có vẻ trái ngược với trực giác. Suy cho cùng, 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 điều đó có thể, nhưng đó có thể không phải là chiến lược tối đa hóa lợi nhuận đầu tư.

Một trong những nhược điểm chính của hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) là chi phí pin tương đối cao. Do đó, việc lựa chọn thói quen sử dụng hoặc chiến lược sạc/xả tối ưu hóa tuổi thọ pin là rất quan trọng. Ví dụ, pin axit chì không thể xả xuống 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 hơn. Chúng cũng có thể được xả trong phạm vi lớn hơn, nhưng điều này đi kèm với chi phí cao hơn. 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 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 đang phát triển và các cộng đồng nghèo.

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

Một điểm khác cần xem xét là vấn đề an toàn. Với những tiến bộ trong sản xuất và công nghệ, nhìn chung các loại pin hiện đại đã ổn định hơn về mặt hóa học. Tuy nhiên, do sự xuống cấp và lạm dụng trong quá trình sử dụng, các cell pin có thể bị quá nhiệt dẫn đến hậu quả thảm khốc và trong một số trường hợp gây nguy hiểm đến tính mạng 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 việc sử dụng pin, đồng thời theo dõi tình trạng hoạt động của pin nhằm cung cấp bảo trì kịp thời và tránh những hậu quả nghiêm trọng.

Phần kết luận

Hệ thống lưu trữ năng lượng lưới điện mang lại cơ hội tuyệt vời để đạt được sự độc lập về điện năng so với lưới điện chính, đồng thời cung cấp nguồn điện dự phòng trong thời gian mất điện và giờ cao điểm. Sự phát triển của các hệ thống này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển đổi sang các nguồn năng lượng xanh hơn, từ đó hạn chế tác động của việc sản xuất năng lượng đến biến đổi khí hậu, trong khi vẫn đáp ứng được nhu cầu năng lượng khi mức tiêu thụ không ngừng tăng lên.

Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin là loại được sử dụng phổ biến nhất và dễ cấu hình nhất cho nhiều ứng dụng hàng ngày khác nhau. Tính linh hoạt cao của chúng được bù đắp bằng chi phí tương đối cao, dẫn đến việc phát triển các chiến lược giám sát để kéo dài tuổi thọ của chúng càng nhiều càng tốt. Hiện nay, ngành công nghiệp và giới học thuật đang nỗ lực rất nhiều để nghiên cứu và tìm hiểu sự suy giảm hiệu suất của pin trong các điều kiện khác nhau.