Ngày nay, các quốc gia trên thế giới đều hướng tới mục tiêu tối đa hóa sản lượng điện được tạo ra từ các nguồn năng lượng tái tạo. Ví dụ, Ấn Độ đã đặt mục tiêu đến năm 2030 sẽ sản xuất 500 GW điện từ các nguồn phi hóa thạch, chiếm gần 50% tổng công suất phát điện lắp đặt của quốc gia này – đây là một thành tựu đáng kể. 

Tuy nhiên, một thách thức hiện nay đối với các nguồn năng lượng tái tạo là tính gián đoạn trong khả năng cung cấp. Các nguồn cung năng lượng tái tạo này thường không sẵn sàng vào những thời điểm nhu cầu cấp thiết nhất. Do vậy, việc tối ưu hóa khả năng sử dụng năng lượng tái tạo là cần thiết, và giải pháp chính là Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (Battery Energy Storage System – BESS). 

Trong tin bài lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh Youtube Gaurav J -TheElectricalGuy, giới thiệu một số thông tin về hệ thống BESS, các thành phần chính, vị trí lắp đặt tiềm năng và những lợi ích liên quan đến hệ thống này.

Vấn đề đối với sản xuất năng lượng tái tạo
Việc sản xuất năng lượng tái tạo, ví dụ như từ các nhà máy điện mặt trời hay điện gió, là minh chứng rõ ràng cho vấn đề nêu trên. Nhà máy điện mặt trời thường cung cấp lượng điện lớn vào buổi chiều khi có nhiều ánh nắng, nhưng đây lại không phải thời điểm nhu cầu tiêu thụ điện đạt đỉnh vì nguồn cung cơ bản đã được đáp ứng bởi các nhà máy nền. 

Vấn đề thực sự phát sinh vào buổi tối khi mặt trời lặn, điện mặt trời dừng sản xuất – đúng vào lúc nhu cầu tiêu thụ điện đạt đỉnh, khi chúng ta cần năng lượng tái tạo nhất. Tương tự, điện gió cũng có thể được sản sinh khi nhu cầu thấp và vắng mặt khi nhu cầu cao. Do đó, năng lượng tái tạo không được khai thác hiệu quả 100% do vấn đề sản xuất điện khi không cần và lại hạn chế khi cần.

Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của BESS
BESS xuất hiện như một giải pháp cho vấn đề này. Nguyên lý hoạt động của BESS căn bản như sau: Khi điện năng từ các nguồn như năng lượng mặt trời hoặc gió được tạo ra dư thừa, phần dư này được dùng để sạc vào pin nhằm lưu trữ và sau đó xả ra (sử dụng) khi nhu cầu tăng cao. Ngoài ra, điện dư trên lưới cũng có thể được lưu vào các ngân hàng pin (battery bank) để sử dụng sau này. Điều này giúp hòa nhập năng lượng tái tạo vào lưới điện một cách hiệu quả hơn, bởi các nguồn này không phải lúc nào cũng sẵn sàng tức thời.

Mặc dù về mặt ý tưởng khá đơn giản – sử dụng ngân hàng pin để lưu trữ và phát điện trở lại khi cần thiết, nhưng để triển khai một hệ thống BESS là vô cùng phức tạp với nhiều thành phần quan trọng. 

Đầu tiên, ở phía pin, cần có thiết bị đóng ngắt (DC switchgear) (1) để quản lý an toàn dòng công suất lớn. Hệ thống quản lý pin (Battery Management System – BMS) (2) là không thể thiếu nhằm theo dõi tình trạng, hiệu suất, chu kỳ sạc/ xả cũng như đảm bảo kết nối hai chiều giữa người vận hành với pin. Do pin chỉ lưu trữ điện một chiều (DC), cần có biến tần (inverter) để chuyển đổi sang dòng xoay chiều (AC), phục vụ việc hòa vào lưới điện. Sau chuyển đổi, điện áp thường chưa đủ cao nên cần máy biến áp để nâng lên mức trung áp hoặc cao áp, rồi tiếp tục sử dụng thiết bị đóng ngắt phía AC trước khi kết nối vào lưới.
(1) DC switchgear là tập hợp các thiết bị đóng – cắt, bảo vệ, cách ly và phân phối điện một chiều (DC) trong hệ thống điện. Chức năng chính của DC switchgear là kiểm soát dòng điện DC, bảo vệ thiết bị và con người khỏi các sự cố như quá dòng, ngắn mạch, quá áp, đồng thời cho phép vận hành, bảo trì và cô lập mạch điện một cách an toàn.
(2) Battery Management System (BMS) là hệ thống quản lý pin có nhiệm vụ giám sát, điều khiển và bảo vệ pin hoặc bộ pin trong suốt quá trình vận hành. BMS theo dõi liên tục các thông số quan trọng như điện áp, dòng điện, nhiệt độ, trạng thái sạc (State of Charge – SoC) và tình trạng sức khỏe pin (State of Health – SoH), từ đó đảm bảo pin hoạt động an toàn, ổn định và đạt tuổi thọ tối ưu.

Ngoài ra, do BESS thường là giải pháp dạng container chứa hàng loạt mô-đun pin, kiểm soát nhiệt độ là vô cùng cần thiết. Hệ thống làm mát (Thermal Management System – TMS) giúp kiểm soát nhiệt độ của pin, có thể sử dụng làm mát tự nhiên, làm mát nhân tạo hoặc thậm chí làm mát bằng chất lỏng. Khi xảy ra quá nhiệt hoặc hỏa hoạn, hệ thống cách ly và chữa cháy cũng trở nên cực kỳ quan trọng để đảm bảo an toàn. Toàn bộ các yếu tố này đều không thể thiếu đối với một hệ thống BESS vận hành đáng tin cậy.

Các loại pin phổ biến hiện nay
Ở thời điểm hiện tại, pin lithium-ion đang chiếm lĩnh thị trường BESS do lợi thế về giá thành. Nhờ sản xuất quy mô lớn, giá pin lithium-ion đã giảm khoảng 70% trong thập kỷ qua, khiến chúng trở thành lựa chọn khả thi nhất cho các hệ thống lưu trữ lớn. Tuy nhiên, pin lithium-ion vẫn tồn tại nhiều hạn chế, như thời gian lưu trữ điện chỉ hiệu quả trong khoảng 1-4 giờ. Dù đã xuất hiện các công nghệ thay thế khác (tuy đắt đỏ hơn) với thời gian lưu trữ dài hơn, nhưng lithium-ion hiện nay vẫn là giải pháp chính.

Vị trí lắp đặt BESS trong hệ thống điện
Ứng dụng của BESS rất đa dạng, có thể tích hợp ở nhiều vị trí khác nhau trong hệ thống điện. Hệ thống có thể được lắp đặt tại lưới truyền tải – phân phối, tận dụng điện năng dư thừa vào thời gian sản xuất cao điểm để nạp pin, rồi phát lại khi nhu cầu lên cao. Việc đặt BESS gần các trung tâm phụ tải (load center) còn giúp giảm tổn hao truyền tải – phân phối. Một số hệ thống đã được triển khai trong các khu công nghiệp tư nhân, nơi những sự cố mất điện đột xuất có thể gây thiệt hại tài chính lớn. Ngoài ra, BESS còn có thể gắn trực tiếp với các nhà máy điện mặt trời – điện gió nhằm lưu trữ sản lượng dư thừa, và một số hãng sản xuất đã tích hợp BESS vào nhà máy điện nhiệt để tăng hiệu quả bằng việc thu giữ lượng điện năng dư để sử dụng khi cần thiết.

Lợi ích của BESS đem lại
BESS mang lại nhiều lợi ích nổi bật. Trước hết, hệ thống này giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch bằng cách cho phép hòa nhập nhiều hơn nguồn năng lượng tái tạo, từ đó giảm thiểu tác động tiêu cực tới môi trường. Sự ổn định và tin cậy hệ thống lưới điện được cải thiện nhờ khả năng chủ động điều tiết cung – cầu, tránh được tình trạng mất cân bằng, điều tiết phụ tải hoặc mất điện diện rộng. 

Tiết kiệm chi phí cũng là một ưu điểm lớn: vào giờ cao điểm khi giá điện cao, việc sử dụng điện từ pin thay vì phải mua điện từ bên ngoài giúp giảm chi phí cho cả nhà máy điện lẫn người tiêu dùng. Không những thế, hiệu suất khai thác tổng thể của hệ thống cũng tăng lên nhờ tối ưu hóa mọi nguồn lực sẵn có, đặc biệt là từ năng lượng tái tạo.

Thách thức khi triển khai BESS Hiện nay
Tuy nhiên, việc ứng dụng BESS vẫn gặp nhiều thách thức. Hệ thống thường đặt ngoài trời, cần diện tích lớn để chứa nhiều container 20 feet lắp đầy pin – gây hạn chế tại những nơi mặt bằng eo hẹp trừ khi mật độ lưu trữ của công nghệ được cải thiện. Mặt khác, pin tồn tại hiện tượng tự xả do tổn hao bên trong – tương tự pin điện thoại, dù không sử dụng nguồn điện tích trữ cũng giảm dần theo thời gian, làm cho hiệu quả lưu trữ không đạt 100%. Giải quyết các tổn hao này là bài toán lớn với ngành công nghiệp BESS.

Kết luận 
BESS là một công nghệ hứa hẹn, góp phần giải quyết nhược điểm gián đoạn của các nguồn năng lượng tái tạo nhờ khả năng lưu trữ và phát điện hiệu quả theo nhu cầu. Hệ thống gồm nhiều thành phần kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi lắp đặt và vận hành cẩn trọng, mang lại hiệu quả rõ rệt trong giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch, nâng cao độ tin cậy lưới điện, giảm chi phí và tăng hiệu suất năng lượng. Tuy vậy, vấn đề yêu cầu diện tích lớn và tổn hao bên trong vẫn là rào cản cần vượt qua. Nhờ đổi mới công nghệ, BESS được kỳ vọng sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong tiến trình chuyển dịch năng lượng bền vững toàn cầu.

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

 

Nguồn: Gaurav J – TheElectricalGuy