Nhiều quốc gia trên thế giới đang đặt mục tiêu gia tăng tỷ lệ năng lượng tái tạo trong cơ cấu năng lượng quốc gia, hướng đến mục tiêu giảm phát thải khí CO2. Tuy nhiên, năng lượng tái tạo, điển hình là năng lượng mặt trời và năng lượng gió, đều có một nhược điểm là thiếu ổn định. Điều này đặt ra một câu hỏi quan trọng, làm thế nào để duy trì và cung cấp nguồn năng lượng tái tạo khi không sản xuất (khi mặt trời lặn hoặc khi không có gió)?

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh Gaurav J – TheElectricalGuy, với những chia sẻ trực tiếp tại nhà máy về hệ thống BESS, giúp cung cấp một số phân tích và góc nhìn thực tế hơn về một trong những giải pháp chiến lược trong lĩnh vực lưu trữ và cung cấp năng lượng hiện nay.

Sự gia tăng nhanh chóng của năng lượng tái tạo trong lưới điện
Hiện nay chúng ta đang chứng kiến sự tích hợp nhanh chóng của năng lượng tái tạo vào lưới điện. Phần lớn các quốc gia đã đặt ra những mục tiêu rất tham vọng nhằm tăng tỷ trọng năng lượng tái tạo trong hệ thống điện. Ví dụ, Ấn Độ đặt mục tiêu đạt 500 GW công suất năng lượng tái tạo vào năm 2030, một con số rất ấn tượng.

Để hình dung rõ quy mô của con số này, cần hiểu rằng gigawatt (GW) là đơn vị đo công suất điện ở quy mô hệ thống. 1 GW tương đương một tỷ W, tức là công suất của một nhà máy điện lớn trong hệ thống điện quốc gia. Ở mức tiêu thụ trung bình, 1 GW có thể cung cấp điện cho khoảng một triệu hộ gia đình tại cùng một thời điểm. 

Năng lượng tái tạo mang lại lợi ích to lớn vì đây là nguồn năng lượng sạch, không phát thải. Tuy nhiên, vấn đề của các nguồn năng lượng này là tính không kiểm soát được và sự dao động liên tục trong sản lượng. Trong khi đó, lưới điện truyền thống không được thiết kế để tiếp nhận nguồn điện có tính biến động như vậy. Điều này tạo ra nhiều thách thức cho việc vận hành hệ thống điện.

Sự dao động và thiếu ổn định
Có bốn vấn đề chính mà lưới điện phải đối mặt khi tích hợp năng lượng tái tạo. Vấn đề đầu tiên là sự dao động và tính không kiểm soát được của công suất phát. Công suất của các nguồn năng lượng tái tạo phụ thuộc mạnh vào điều kiện tự nhiên. Ví dụ, nhà máy điện mặt trời chỉ phát điện khi có ánh sáng mặt trời. Khi mặt trời lặn, công suất phát giảm xuống bằng 0. Ngay cả vào ban ngày, sự xuất hiện của mây cũng có thể khiến công suất phát dao động liên tục.

Tình huống tương tự cũng xảy ra với điện gió, nơi sản lượng điện phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ gió. Trong khi đó, lưới điện truyền thống được thiết kế dựa trên các nhà máy điện thông thường có công suất ổn định và có thể dự đoán trước. Hệ thống này vốn không được thiết kế để xử lý các biến động công suất nhanh và liên tục, điều này gây ra những thách thức lớn trong việc duy trì sự ổn định của lưới điện.

Vấn đề quán tính hệ thống khi tăng tỷ lệ năng lượng tái tạo
Vấn đề thứ hai – và cũng là một trong những vấn đề lớn nhất, là sự suy giảm quán tính của hệ thống điện. Các nhà máy điện truyền thống sử dụng máy phát đồng bộ lớn với rotor quay có khối lượng lớn. Các rotor quay này tích trữ năng lượng động học, được gọi là quán tính. Chính quán tính này giúp ổn định tần số của lưới điện khi xảy ra các sự cố.

Một ví dụ đơn giản là bánh xe đạp. Khi bánh xe đã quay, nó vẫn tiếp tục quay trong một khoảng thời gian ngay cả khi ngừng đạp. Năng lượng được tích trữ trong chuyển động quay đó chính là quán tính. Tương tự, khi một máy phát điện bị ngắt hoặc khi có sự thay đổi tải đột ngột, quán tính của các máy phát đồng bộ sẽ cung cấp sự hỗ trợ tức thời, làm chậm tốc độ thay đổi tần số và tạo thêm thời gian để hệ thống phản ứng.

Tuy nhiên, phần lớn các nguồn năng lượng tái tạo được kết nối với lưới điện thông qua các bộ biến đổi điện tử công suất, vốn không có các bộ phận quay cơ học. Khi tỷ lệ năng lượng tái tạo tăng lên, quán tính tổng thể của hệ thống giảm xuống, khiến việc kiểm soát tần số trở nên khó khăn hơn và làm tăng nguy cơ xuất hiện các biến động tần số nhanh trong hệ thống điện.

Thiếu khả năng quan sát và điều khiển trong hệ thống điện
Vấn đề thứ ba là sự thiếu hụt khả năng quan sát và điều khiển. Trong hệ thống điện truyền thống, các đơn vị vận hành hệ thống có khả năng quan sát và kiểm soát tập trung đối với các nguồn phát điện. Công suất từ các nhà máy nhiệt điện, thủy điện và điện hạt nhân có thể được lập kế hoạch và điều chỉnh theo nhu cầu.

Tuy nhiên, nguồn điện tái tạo mang tính không chắc chắn. Việc dự báo chính xác sản lượng điện từ mặt trời hoặc gió trong cả ngắn hạn và dài hạn là rất khó vì nó phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Ngoài ra, các nhà máy năng lượng tái tạo thường được phân tán trên nhiều khu vực trong lưới điện và đôi khi được kết nối tại những điểm có hệ thống điện yếu. Điều này làm giảm khả năng kiểm soát tập trung và khiến việc điều phối, điều độ và quản lý lưới điện theo thời gian thực trở nên phức tạp hơn đối với các đơn vị vận hành hệ thống.

Thiếu khả năng kiểm soát công suất phản kháng
Vấn đề thứ tư là sự thiếu hụt khả năng kiểm soát công suất phản kháng (reactive power) (*). Nhiều người thường nghĩ rằng công suất phản kháng không có vai trò quan trọng, nhưng điều đó không đúng. Nếu xem xét các phương pháp điều khiển điện áp trong hệ thống điện, chúng ta sẽ thấy rằng phần lớn đều dựa trên việc điều chỉnh công suất phản kháng.
(*) Công suất phản kháng (reactive power) là thành phần công suất trong hệ thống điện xoay chiều (AC) không trực tiếp tạo ra công hữu ích như quay động cơ, phát nhiệt hay chiếu sáng, mà chủ yếu dùng để duy trì các điện trường và từ trường cần thiết cho hoạt động của các thiết bị điện.

Các thiết bị như cuộn kháng bù ngang (shunt reactor) và tụ bù (capacitor bank) được sử dụng để điều khiển công suất phản kháng nhằm duy trì điện áp ổn định trong hệ thống. Vì vậy, công suất phản kháng đóng vai trò rất quan trọng đối với sự ổn định của lưới điện. Tuy nhiên, khi tỷ lệ năng lượng tái tạo tăng lên, ngày càng nhiều inverter điện mặt trời được đưa vào vận hành và các thiết bị này thường không cung cấp công suất phản kháng. Điều này khiến vấn đề kiểm soát công suất phản kháng ngày càng trở nên rõ ràng hơn trong hệ thống điện.

Công nghệ lưu trữ năng lượng – giải pháp cho lưới điện
Như vậy, chúng ta đã thấy rằng các vấn đề này không hề nhỏ mà là những thách thức rất lớn đối với hệ thống điện. Đồng thời, chúng ta cũng hiểu rằng không thể quay trở lại hoàn toàn với các nguồn năng lượng truyền thống vì chúng gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Việc tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện là điều tất yếu.

Vì vậy, cần phải tìm ra một giải pháp có thể giải quyết những vấn đề này, và giải pháp đó chính là công nghệ lưu trữ năng lượng. Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) không phải là công nghệ lưu trữ năng lượng duy nhất. Ngoài ra còn có nhiều công nghệ khác như thủy điện tích năng, bánh đà, lưu trữ nhiệt và lưu trữ hydrogen.

Mỗi công nghệ đều có những ứng dụng riêng nhưng không công nghệ nào có thể đáp ứng tất cả các yêu cầu của lưới điện. Thủy điện tích năng có thể lưu trữ lượng năng lượng rất lớn nhưng yêu cầu điều kiện địa lý đặc biệt và thiếu tính linh hoạt cho các dịch vụ lưới điện nhanh. Hệ thống bánh đà có khả năng phản ứng rất nhanh nhưng chỉ lưu trữ được năng lượng trong thời gian ngắn. Lưu trữ nhiệt thường chỉ phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Lưu trữ hydrogen có tiềm năng dài hạn nhưng vẫn đang trong giai đoạn phát triển và gặp nhiều thách thức về chi phí và hiệu suất.

Do những hạn chế về thời gian phản ứng, khả năng mở rộng và tính linh hoạt, các công nghệ này không thể đáp ứng tất cả nhu cầu của lưới điện. Tuy nhiên, có một công nghệ nổi bật có khả năng giải quyết nhiều vấn đề trong số đó – đó chính là hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin, BESS.

Nguyên lý hoạt động và vai trò của BESS
Đúng như tên gọi, BESS sử dụng pin để lưu trữ năng lượng điện. Khi lưới điện có lượng điện dư thừa so với nhu cầu sử dụng, thay vì lãng phí năng lượng đó, chúng ta có thể lưu trữ nó trong pin và đưa trở lại lưới điện khi cần thiết. Điều này có thể xảy ra vào buổi tối khi điện mặt trời không còn sản xuất điện hoặc khi nhu cầu tiêu thụ điện tăng cao.

Có thể hình dung BESS như một bộ sạc dự phòng khổng lồ cho toàn bộ lưới điện. Tuy nhiên, BESS không chỉ đơn thuần lưu trữ năng lượng mà còn tương tác với lưới điện theo thời gian thực. Hệ thống có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau như: 
– Cắt đỉnh phụ tải (peak shaving): Tại các thời điểm có nhu cầu sử dụng năng lượng cao, một phần điện năng sẽ được cung cấp từ hệ thống lưu trữ năng lượng, giúp giảm áp lực lên hệ thống điện 
– Kinh doanh chênh lệch giá điện (energy arbitrage): Hệ thống sẽ lưu trữ điện năng khi giá điện thấp và bán/ sử dụng khi giá điện cao, tận dụng sự chênh lệch giá điện theo thời gian
– Hỗ trợ tần số (frequency support): Điều chỉnh công suất phát hoặc tiêu thụ để giữ cho tần số lưới điện ổn định (50 hoặc 60 Hz tùy quốc gia)
– Ổn định công suất từ năng lượng tái tạo: Lưu trữ năng lượng (gió, mặt trời) thu được khi sản xuất dư thừa và sử dụng khi sản xuất gặp biến động
– Khởi động đen (black start): Khả năng của một nguồn phát điện có thể tự khởi động mà không cần nguồn điện hỗ trợ từ lưới bên ngoài, từ đó từng bước khôi phục lại hệ thống điện
– Và nhiều ứng dụng khác

Một ưu điểm quan trọng của BESS là khả năng mở rộng rất linh hoạt. Ví dụ, trong video là một tủ pin dung lượng 250 kWh. Nhờ thiết kế dạng module, có thể lắp thêm một tủ nữa để tăng dung lượng lưu trữ lên gấp đôi, giúp đáp ứng nhu cầu kéo dài thời gian cung cấp điện. Bên cạnh đó, công suất của hệ thống cũng có thể được điều chỉnh thông qua bộ chuyển đổi công suất (PCS). Việc sử dụng PCS có công suất lớn hơn hoặc bổ sung thêm PCS giúp hệ thống đáp ứng các yêu cầu công suất khác nhau. Khả năng mở rộng linh hoạt và đơn giản là ưu điểm lớn giúp BESS có thể hoạt động ở nhiều quy mô khác nhau.

Cấu trúc pin trong hệ thống BESS
Thành phần đầu tiên của hệ thống BESS dĩ nhiên là pin. Tuy nhiên, đây không phải là một khối pin lớn duy nhất mà được cấu thành từ nhiều cell pin nhỏ. Các cell được kết nối với nhau tạo thành module. Nhiều module được kết nối với nhau tạo thành pack pin hoặc rack pin.

Trong video, các module được kết nối nối tiếp để tạo ra tổng dung lượng 250 kWh. Thiết kế dạng module mang lại lợi ích lớn. Nếu một module gặp sự cố, có thể tháo module đó ra và thay thế bằng module mới mà không cần thay thế toàn bộ hệ thống.

Hiện nay thị trường BESS chủ yếu sử dụng công nghệ pin lithium-ion. Hệ thống trong video đang sử dụng công nghệ lithium-ion LFP. Lý do lithium-ion chiếm ưu thế là vì chi phí hợp lý và khả năng lưu trữ năng lượng lớn trong một kích thước nhỏ gọn.

Tuy nhiên pin hoạt động bằng dòng điện một chiều (DC), trong khi lưới điện hoạt động bằng dòng điện xoay chiều (AC). Vì vậy cần có một thiết bị trung gian để chuyển đổi giữa hai dạng điện này. Thiết bị đó chính là hệ thống chuyển đổi công suất (hay hệ thống chuyển đổi năng lượng) – Power Conversion System (PCS).

Hệ thống chuyển đổi công suất PCS
PCS đảm nhận hai chức năng chính. Thứ nhất, nó chuyển đổi điện từ lưới điện sang dạng DC để sạc pin, hoạt động như một bộ chỉnh lưu. Thứ hai, khi pin xả điện, PCS sẽ chuyển đổi dòng điện DC từ pin thành dòng điện AC để đưa trở lại lưới điện, hoạt động như một inverter.

PCS có thể được tích hợp trong cùng tủ với pin hoặc được đặt trong một tủ riêng biệt, điều thường thấy trong các dự án BESS quy mô lớn. Đây là một thiết bị rất quan trọng. Hệ thống PCS trong video có thể nhận điện áp 415 V từ lưới điện, chuyển đổi thành khoảng 830 V DC để sạc pin. Khi xả điện, điện áp DC này lại được chuyển đổi trở lại thành 415 V AC để hòa vào lưới điện.

Nếu PCS gặp sự cố thì toàn bộ hệ thống sẽ không thể hoạt động vì không thể sạc hoặc xả pin.

Hệ thống quản lý pin BMS
Để đảm bảo tất cả các cell pin hoạt động an toàn và đồng đều, BESS sử dụng hệ thống quản lý pin (Battery Management System – BMS). Đây là một hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện một số chức năng cụ thể.

BMS liên tục theo dõi nhiệt độ, điện áp và dòng điện của từng cell pin. Nếu phát hiện bất kỳ bất thường nào, BMS sẽ gửi tín hiệu đến hệ thống phân phối để ngắt module bị lỗi nhằm tránh sự cố lan rộng. Ngoài ra, BMS còn cung cấp thông tin về trạng thái sạc của hệ thống để tối ưu hiệu suất vận hành.

BMS cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giao tiếp dữ liệu giữa các thành phần như PCS và hệ thống quản lý năng lượng EMS. Có thể xem BMS như hệ thống giám sát trung tâm của toàn bộ hệ thống pin.

Hệ thống quản lý nhiệt TMS
Pin lithium-ion hoạt động hiệu quả nhất trong khoảng nhiệt độ từ 20 đến 40°C (tùy vào thành phần hóa học của pin và nhà sản xuất). Nếu nhiệt độ quá thấp, hiệu suất pin sẽ giảm. Nếu nhiệt độ quá cao, có thể xảy ra hiện tượng thermal runaway, một phản ứng dây chuyền gây quá nhiệt nguy hiểm.

Vì vậy cần có hệ thống quản lý nhiệt (Thermal Management System – TMS). Trong video, giải pháp làm mát bằng chất lỏng được sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ. Các bơm sẽ tuần hoàn chất làm mát qua các module pin để loại bỏ nhiệt. Trong một số hệ thống khác, HVAC (*) cũng có thể được sử dụng tùy theo thiết kế.
(*) HVAC là viết tắt của Heating, Ventilation, and Air Conditioning, nghĩa là hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí. Đây là hệ thống kỹ thuật dùng để kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí trong không gian kín, như tòa nhà, nhà máy, trung tâm dữ liệu hoặc container thiết bị công nghiệp.         

Hệ thống chữa cháy
Do hệ thống lưu trữ một lượng năng lượng rất lớn nên nguy cơ cháy nổ luôn tồn tại. Vì vậy BESS được trang bị hệ thống chữa cháy với nhiều loại cảm biến như cảm biến khói, cảm biến khí, cảm biến nhiệt độ và cảm biến độ ẩm.

Trong video, hệ thống chữa cháy aerosol được lắp đặt ở cấp độ module. Nếu phát hiện sự cố, ống aerosol sẽ kích hoạt và giải phóng chất chữa cháy để khống chế đám cháy trong phạm vi module đó.

Hệ thống quản lý năng lượng EMS
Hệ thống quản lý năng lượng (Energy Management System – EMS) là bộ não của toàn bộ hệ thống BESS. Đây là một giải pháp phần mềm giúp quyết định khi nào nên sạc và khi nào nên xả pin.

Ví dụ, nếu hệ thống được sử dụng để kinh doanh chênh lệch giá điện nhưng lại sạc điện khi giá điện cao và xả điện khi giá điện thấp thì sẽ gây thua lỗ. EMS giúp đưa ra các quyết định thông minh này và tự động điều khiển PCS dựa trên các chương trình được thiết lập trước.

Container bảo vệ hệ thống
Trong video, tất cả các thành phần trên được đặt trong một container đạt chuẩn IP55 (*), phù hợp cho lắp đặt ngoài trời. Container này được thiết kế để bảo vệ toàn bộ thiết bị khỏi các điều kiện môi trường khắc nghiệt.
(*) IP55 là một cấp độ bảo vệ theo tiêu chuẩn IP (Ingress Protection), quy định mức độ chống bụi và chống nước của vỏ thiết bị. Tiêu chuẩn này được định nghĩa trong IEC 60529, thường dùng để đánh giá độ kín của tủ điện, thiết bị công nghiệp, container kỹ thuật hoặc thiết bị ngoài trời.

Thiết kế của hệ thống cũng hoàn toàn dạng module. Nếu cần tăng dung lượng lưu trữ, chỉ cần bổ sung thêm các container mới.

Kết luận
Sự gia tăng nhanh chóng của năng lượng tái tạo đang đặt ra những thách thức mới cho hệ thống điện, từ sự dao động công suất, suy giảm quán tính hệ thống cho đến vấn đề điều khiển điện áp và quản lý lưới điện theo thời gian thực. Trong bối cảnh đó, các hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin đang trở thành một thành phần quan trọng của hạ tầng điện hiện đại. Không chỉ đơn thuần là nơi lưu trữ điện năng, BESS còn có khả năng hỗ trợ ổn định tần số, điều hòa công suất từ các nguồn tái tạo, cung cấp dự phòng và tham gia vào nhiều dịch vụ vận hành lưới điện khác.

Thông qua cấu trúc gồm nhiều thành phần kỹ thuật, BESS hoạt động như một hệ thống phức tạp nhằm đảm bảo khả năng lưu trữ, chuyển đổi và điều phối năng lượng một cách an toàn và hiệu quả. Khi được triển khai ở quy mô lưới điện, công nghệ này không chỉ giúp tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng tái tạo mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao tính linh hoạt và độ ổn định của hệ thống điện trong tương lai.

Để xem các tin bài khác về “BESS”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Gaurav J – TheElectricalGuy