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 sự 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 năng của các ngành công nghiệp và các ngành kinh tế khác. Sự chuyển dịch công nghiệp này và mức tiêu thụ điện năng cao 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 phát điện đều phụ thuộc rất nhiều vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu và khí đốt) để đáp ứng nhu cầu này. Những lo ngại về khí hậu này ngăn cản 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 tiên tiến, ví dụ như việc sản xuất cánh 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 sản lượng điện tốt hơn trên mỗi diện tích sử dụng. Năm 2021, sản lượng điện từ các nguồn quang điện mặt trời (PV) đã 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 hệ thống năng lượng tái tạo, chủ yếu là tính khả dụng. Hầu hết các phương pháp này không sản xuất điện theo nhu cầu như các nhà máy điện than và dầu. Ví dụ, sản lượng điện mặt trời có thể đạt được trong suốt cả ngày, với sự thay đổi tùy thuộc vào góc chiếu sáng của mặt trời và vị trí lắp đặt tấm pin quang điện. Điện mặt trời không thể sản xuất điện vào ban đêm, trong khi sản lượng giảm đáng kể vào mùa đông và những ngày nhiều mây. Điện gió cũng chịu ảnh hưởng bởi sự biến động của 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 những giai đoạn 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 sau này. 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 các phản ứng hóa học giữa 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. Ngoài ra còn có các hệ thống lưu trữ khác, chẳng hạn như nhà máy thủy điện, chuyển đổi thế năng của nước được lưu trữ trong đập thành năng lượng điện. Nước chảy xuống sẽ làm quay bánh đà của tuabin, tạo ra điện năng. Một ví dụ khác là khí nén, khi được giải phóng, khí sẽ làm quay bánh đà của tuabin, tạo ra điện năng.

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 quy mô lớn, pin có thể được tích hợp liền mạch với 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 mới có thể được chứng minh là phù hợp.

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 còn những ứng dụng khác có thể được hưởng lợi rất nhiều từ các hệ thống này.

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 giảm thiểu biến động và mang lại sự ổn định hơn trong trường hợp nhu cầu cao điểm. Từ một góc độ khác, các hệ thống lưu trữ ngoài lưới điện có thể rất hữu ích để bù đắp cho bất kỳ sự cố kỹ thuật không lường trước nào 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. Ví dụ, có thể kể đến 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 khắc nghiệt.

Xe điện là một ứng dụng khác. Các nhà nghiên cứu đã nỗ lực hết mình 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 đã được sử dụng rộng rãi trên cả ô tô điện mới và xe buýt điện. Trong trường hợp này, pin tốt hơn có thể mang lại quãng đường di chuyển dài hơn nhưng cũng rút ngắn thời gian sạc nếu áp dụng đúng công nghệ.

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 và nguồn điện được cung cấp từ pin.

BESS là gì

Hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) 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. Hệ thống bao gồm nhiều pin được sắp xếp theo các cấu hình khác nhau (nối tiếp/song song) và có kích thước tùy theo nhu cầu. Chúng được kết nối với một bộ biến tần 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 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 tốn kém, nhưng vẫn có chi phí khá cao và cần bảo trì thường xuyên hơn tùy theo mức sử dụng.

Kích thước BESS và thói quen sử dụng

Một điểm quan trọng cần lưu ý khi lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng bằng 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.

Việc 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. Kỹ sư thường sẽ xem xét mức tiêu thụ điện trung bình của hộ gia đình và đánh giá cường độ bức xạ mặt trời trong năm tại từng địa điểm cụ thể. Số lượng pin và cấu hình lưới điện được lựa chọn sao cho phù hợp với nhu cầu sử dụng điện 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 hoàn toàn độc lập với lưới điện chính.

Việc duy trì mức sạc tương đối vừa phải hoặc không xả pin hoàn toàn có thể là điều thoạt đầu nghe có vẻ trái ngược. 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 có thể, nhưng đó 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 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 hơn. Chúng cũng có thể được xả ở phạm vi lớn hơn, nhưng điều này đi kèm với giá thành cao hơn. Có sự chênh lệch lớn về chi phí giữa các loại hóa chất khác nhau, pin axit chì có thể rẻ hơn từ 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 thế giới thứ ba và các cộng đồng nghèo.

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

Một điểm khác cần cân nhắc là tính an toàn. Với những tiến bộ trong sản xuất và công nghệ, pin hiện đại nhìn chung đã ổn định hơn về mặt hóa học. Tuy nhiên, do lịch sử xuống cấp và sử dụng sai mục đích, các cell pin có thể bị mất ổn định nhiệt, dẫn đến hậu quả thảm khốc và trong một số trường hợp, có thể 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 mức 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 điện mang lại cơ hội tuyệt vời để đạt được sự độc lập về điện năng với lưới điện chính, đồng thời cung cấp nguồn điện dự phòng trong thời gian ngừng hoạt động và thời gian phụ tải cao điểm. Sự phát triển của chúng 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 điện lên biến đổi khí hậu, đồng thời vẫn đáp ứng nhu cầu năng lượng với mức tiêu thụ tăng trưởng liên tục.

Hệ thống lưu trữ năng lượng pin là loại được sử dụng phổ biến nhất và dễ cấu hình nhất cho các ứng dụng hàng ngày khác nhau. Tuy nhiên, tính linh hoạt cao của chúng lại đi kèm với chi phí tương đối cao, dẫn đến việc phát triển các chiến lược giám sát nhằm kéo dài tuổi thọ pin càng nhiều càng tốt. Hiện nay, ngành công nghiệp và học viện đang nỗ lực nghiên cứu và tìm hiểu sự suy giảm chất lượng pin trong các điều kiện khác nhau.