Lưu Trữ Năng Lượng: Những Nhận Biết Cơ Bản

Lưu trữ điện và công nghệ nâng cao hiệu suất nguồn năng lượng tái tạo Việt Nam Với cam kết mạnh mẽ của Thủ tướng Chính phủ Việt Nam tại Hội nghị COP26: “Việt Nam sẽ đưa phát thải khí nhà kính về “0” ròng vào năm 2050”, việc tăng tỷ lệ điện gió và mặt trời trong hệ thống nguồn điện cần được hết sức ưu tiên. Tuy là nguồn năng lượng sạch nhưng tính không ổn định của hai loại điện này đang gây khó khăn và làm tăng chi phí vận hành hệ thống điện Việt Nam. Việc ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng/điện trở nên cần thiết, quan trọng, cả hiện tại và trong tương lai. Hội thảo khoa học “Ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng và Công nghệ nâng cao hiệu suất cho các dự án năng lượng tái tạo của Việt Nam” vừa được Hội đồng Khoa học Tạp chí Năng lượng Việt Nam tổ chức tại Hà Nội. Hội thảo là cơ hội để các bên liên quan chia sẻ về nhu cầu, các thách thức và kinh nghiệm trong việc áp dụng các hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) tại Việt Nam.

Tại sao phải tích trữ năng lượng?

Sử dụng điện ngoài lưới là một thị trường ngách trong thế kỷ 20, nhưng nó đã mở rộng đáng kể và trở thành thị trường quan trọng trong thế kỷ 21. Các thiết bị di động được sử dụng trên toàn thế giới. Các tấm pin mặt trời đang trở nên phổ biến hơn ở các vùng nông thôn. Trong thế giới hiện tại, dự tính đến 2030, do sự ngộ nhận về biến đổi khí hậu, có thể 2/3 công suất phát điện bằng nguồn năng lượng (NL) hóa thạch sẽ phải được thay thế bằng nguồn NL mặt trời và gió với hy vọng nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) này có thể giúp loài người giảm lượng phát thải. Tuy nhiên, các nguồn này lại đòi hỏi phải nâng cao hơn nữa tính linh hoạt của hệ thống điện bằng việc bổ sung các nguồn điện khác để dự phòng và/hoặc phải gắn các nguồn NLTT này với các phụ tải tiêu dùng điện tại chỗ. Ngoài ra, việc áp dụng công nghệ “smart home” đang ngày càng phát triển với tốc độ tăng trưởng hàng năm trung bình 18,5%. Dự báo đến năm 2022, trên thế giới (TG) sẽ có khoảng 939,7 triệu thiết bị tiêu dùng điện ngắn với “ngôi nhà thông minh”. Xu hướng này cũng ảnh hưởng đáng kể đến việc lưu trữ điện.

Các phương pháp tích trữ năng lượng?

Năng lượng là một dạng vật chất. Chúng có thể được tích trữ bằng nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp có sử dụng nhiều công nghệ khác nhau. Cụ thề như sau:

1/ Phương pháp tự nhiên: Lưu trữ các nguồn nhiên liệu hóa thạch.

2/ Phương pháp cơ học: Lưu trữ NL bằng khí nén (CAES), đầu máy hơi nước; siêu bánh đà siêu; thế năng của trọng lực; bộ tích trữ; nhà máy thủy điện tích năng (có bơm)

3/ Phương pháp điện, điện từ: Bình ngưng; siêu tụ điện; nam châm siêu dẫn và cuộn dây siêu dẫn (H01F6)

4 Phương pháp sinh học: Glycogen; tinh bột

5/ Phương pháp điện hóa (hệ thống lưu trữ năng lượng pin, BESS): Pin lưu lượng (dòng chảy); pin dung lượng (thông thường); siêu pin (Ultra Battery).

6/ Phương pháp nhiệt: Ắc quy nhiệt; hệ thống lưu trữ đông lạnh Eutectic, lưu trữ năng lượng không khí lỏng (LLAE); động cơ Derman Cryogenic; trữ năng lượng bằng mumu; sự chuyển pha của vật chch; trữ nhiệt năng theo mùm; hồ năng lượng mặt trời; ác quy hơi nướn; bảo ôn.

7/ Phương pháp hóa chất: Nhiên liệu sinh học; muối ngậm nướn; lưu trữ hydro; hydrogen peroxide; công nghệ Power-to-Gas (P2G); vanadi oxit (V2O5).

Năng lượng có thể được tích trữ như thế nào?

Tích trữ cơ học: Năng lượng có thể được lưu trữ trong nước được bơm lên một độ cao lớn bằng cách sử dụng bơm, hoặc bằng cách di chuyển vật chất rắn đến những nơi cao hơn (pin trọng lực). Các phương pháp cơ học khác liên quan đến việc nén không khí và bánh đà, biến năng lượng điện thành động năng và trả lại (biến động năng thành điện) khi nhu cầu sử dụng điện ở mức cao nhất.

Các nhà máy thủy điện thông thường có hồ chứa có thể được vận hành để cung cấp điện trong giờ cao điểm. Nước được lưu trữ trong hồ chứa trong thời gian nhu cầu thấp và được giải phóng khi nhu cầu cao. Hiệu quả tương tự như tích lũy với bơm, nhưng không có tổn thất của người phục vụ. Mặc dù nhà máy thủy điện không trực tiếp tích trữ năng lượng từ các nguồn khác, nhưng nó hoạt động theo cách tương đương, làm giảm sản lượng điện từ các nguồn khác trong thời kỳ dư thừa điện. Trong chế độ này, đập là một trong những hình thức lưu trữ năng lượng hiệu quả nhất, vì chỉ cần thay đổi thời gian phát điện của các tua bin được xây dựng. Tua bin thủy điện có thời gian khởi động chỉ vài phút.

Các nhà máy thủy điện tích năng (PSPP) là hình thức lưu trữ năng lượng lớn nhất và được áp dụng trên quy mô lớn. Hiệu suất năng lượng của PSPP khác nhau, trên thực tế, từ 70% đến 80%.

Trong thời gian nhu cầu điện thấp, công suất phát điện vượt mức được sử dụng để bơm nước từ hồ chứa thấp hơn lên hồ chứa cao hơn. Khi nhu cầu điện tăng lên, nước được cho chảy trở lại bể chứa dưới thông qua một tua bin phát điện. Các cụm máy phát tua bin đảo chiều hoạt động như một máy bơm (khi bơm nước lên) và như một tua bin (thường là tua bin Francis) khi phát điện bằng động năng của dòng nước có thế năng.

Bộ tích năng lượng khí nén sử dụng năng lượng dư thừa để nén không khí, sau đó để phát ra điện. Khí nén được lưu trữ trong một bể chứa ngầm.

Bộ tích năng lượng khí nén có thể thu hẹp khoảng cách giữa nguồn và phụ tải điện. Bộ tích lũy khí nén đáp ứng nhu cầu năng lượng của người tiêu dùng bằng cách cung cấp hiệu quả năng lượng sẵn có để đáp ứng nhu cầu. Các nhà máy lưu trữ năng lượng khí nén có khả năng lưu trữ năng lượng dư thừa từ các nguồn năng lượng tái tạo. Năng lượng dự trữ này có thể được sử dụng khi nhu cầu sử dụng điện tăng lên, hoặc khi các nguồn điện khác bị giảm.

Sự nén của không khí tạo ra nhiệt: Khi bị nén, không khí nóng lên. Mặt khác, sự giãn nở đòi hỏi năng lượng nhiệt. Nếu không bổ sung năng lượng, không khí sẽ bị lạnh đi sau khi giãn nở. Nếu nhiệt sinh ra trong quá trình nén có thể được lưu trữ và sử dụng trong quá trình giãn nở, thì hiệu suất được cải thiện đáng kể.

Lưu trữ năng lượng bằng bánh đà (FES) hoạt động bằng cách tăng tốc rôto (bánh đà) đến tốc độ rất cao để tích trữ năng lượng quay. Khi năng lượng được trích xuất, tốc độ của bánh đà bị giảm; việc bổ sung năng lượng theo đó làm tăng tốc độ bánh đà. Hầu hết các hệ thống FES sử dụng điện để tăng tốc và giảm tốc bánh đà, nhưng các thiết bị sử dụng trực tiếp năng lượng cơ học cũng có thể được dùng để tăng và giảm tốc.

Hệ thống FES có các rôto làm bằng vật liệu tổng hợp sợi carbon có độ bền cao được treo trên các ổ trục từ tính và quay ở tốc độ 20.000 đến hơn 50.000 vòng/phút trong một vỏ chân không. Những bánh đà này có thể đạt tốc độ tối đa (“sạc”) trong vài phút. Hệ thống bánh đà được kết nối với động cơ điện/tua bin - máy phát điện.

Hệ thống FES có tuổi thọ sử dụng tương đối dài (hàng thập kỷ mà ít, hoặc không cần bảo dưỡng; vòng đời đầy đủ của bánh đà thay đổi từ 105 đến 107 chu kỳ sử dụng), mật độ năng lượng và công suất riêng của bánh đà cao (100÷130 Wh/kg hoặc 360÷500 kJ/kg).

Trữ năng lượng hấp dẫn của khối rắn: Sự thay đổi chiều cao của khối rắn có thể tích trữ hoặc giải phóng năng lượng thông qua hệ thống nâng được điều khiển bằng động cơ điện/máy phát điện. Các phương pháp này sử dụng đường ray và cần trục để di chuyển các khối bê tông lên và xuống. Năng lượng mặt trời được sử dụng để hỗ trợ cho các tời nâng và hạ các khối bê tông.

Pin lưu trữ năng lượng chứa một hoặc nhiều nguyên tố điện hóa. Pin có đủ hình dạng và kích cỡ, từ nút bấm đến hệ thống điện công suất hàng megawatt.

Pin có thể sạc lại có tổng chi phí sử dụng thấp hơn và tác động đến môi trường thấp hơn so với pin không thể sạc lại (dùng một lần). Một số loại pin có thể sạc lại có sẵn ở các định dạng giống như pin dùng một lần. Pin sạc có chi phí ban đầu cao hơn nhưng có thể sạc lại rất rẻ và sử dụng nhiều lần.

- Pin niken cadmium (NiCd): Sử dụng hydroxit của ô xít Niken và kim loại cadmium làm điện cực. Cadmium là một nguyên tố độc hại và đã bị Liên minh châu Âu cấm sử dụng vào năm 2004. Pin niken cadmium gần như đã được thay thế hoàn toàn bằng pin niken kim loại hiđrua (NiMH).

- Pin Nickel Metal Hydride (NiMH): Có các mẫu thương mại đầu tiên xuất hiện vào năm 1989. Hiện đang là một sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng thông thường. Pin có điện cực âm là một hợp kim hút hydro (thay cho cadmium). Pin lithium-ion là sự lựa chọn của nhiều người tiêu dùng trong ngành điện tử. Là một trong các loại pin có tỷ lệ năng lượng trên trọng lượng cao nhất và tự xả rất chậm khi không sử dụng. Pin lithium-ion đầu tiên được Sony sản xuất vào năm 1991. Kể từ đó, mật độ công suất riêng của pin trên thực tế đã tăng 200% từ 110 Wh/kg lên 200 Wh/kg.

- Pin Lithium Ion Polymer: Có trọng lượng nhẹ và có thể được sản xuất ở bất kỳ hình dạng nào. Toyota đã sản xuất pin lithium hoàn toàn ở trạng thái rắn với chất điện phân lỏng, hoặc gel bên trong. Chúng sẽ đặc hơn, nhỏ hơn và nhẹ hơn so với hiện tại và có tuổi thọ lâu dài. Dự kiến đến 2023, doanh thu của loại pin này trên thế giới sẽ vượt mức 18 tỷ U$.

- Pin ion natri: Trong các loại pin này, natri được sử dụng như các ion di chuyển giữa các điện cực. Pin này chi phí thấp, nhưng nhược điểm chính của loại pin này là dung lượng nhỏ. Các nhà khoa học tại Đại học Stanford đã phát triển một cực âm natri mới để tăng điện dung. Mặc dù thực tế là cho đến nay mới chỉ trải qua các thử nghiệm ban đầu, nhưng trong tương lai, các nhà khoa học có kế hoạch tối ưu hóa vật liệu và cấu trúc của cực dương để tạo ra một loại pin hiệu quả chính thức.

- Pin lưu lượng hoạt động bằng cách cho dung dịch đi qua màng nơi các ion được trao đổi để sạc/xả tế bào. Điện áp hiện tại được xác định về mặt hóa học theo phương trình Nernst, và trong thực tế, nó nằm trong khoảng từ 1,0 đến 2,2 V. Dung lượng lưu trữ phụ thuộc vào thể tích của các bình chứa dung dịch. Về mặt kỹ thuật, pin lưu lượng gần với pin nhiên liệu và pin điện hóa. Các ứng dụng thương mại được thiết kế cho thời gian bán hủy dài, chẳng hạn như nguồn dự phòng.

- Siêu tụ điện, còn được gọi là Tụ điện hai lớp (EDLC) hoặc siêu tụ điện, là những thuật ngữ chung để chỉ một họ tụ điện hóa học không có chất điện môi rắn thông thường. Công suất được xác định bởi hai tham số tích lũy: dung lượng hai lớp và dung lượng giả.

Công nghệ Power-to-Gas là công nghệ chuyển đổi điện năng thành nhiên liệu khí như hydro hoặc metan. Có ba phương pháp sử dụng điện để chuyển nước thành hydro và oxy thông qua quá trình điện phân: (i) Hydro được bơm vào mạng lưới khí đốt tự nhiên; (ii) Phản ứng hydro với carbon dioxide để tạo ra metan, sử dụng phản ứng metan hóa (chẳng hạn như phản ứng Sabatier) hoặc metan hóa sinh học. Khí mêtan sau đó có thể được đưa vào mạng lưới khí đốt tự nhiên; (iii) Sử dụng khí đầu ra từ máy tạo khí đốt củi hoặc hầm khí sinh học sau khi khí sinh học được trộn với hydro từ máy điện phân để cải thiện chất lượng khí sinh học.

Hydrogen (H2) cũng có thể được xem như một thiết bị lưu trữ năng lượng: Điện trong trường hợp này được sản xuất bằng pin nhiên liệu hydro. Cần khoảng 50 kWh (180 MJ) năng lượng mặt trời để tổng hợp một kg hydro, vì vậy chi phí điện năng là rất quan trọng.

Hydro có thể được lưu trữ dưới lòng đất trong các hang động ngầm, vòm muối, và các mỏ dầu khí đã cạn kiệt. Imperial Chemical Industries đã lưu trữ một lượng lớn khí hydro trong các hang động dưới lòng đất trong nhiều năm mà không gặp bất kỳ vấn đề gì. Dự án Hyunder của châu Âu năm 2013 đã cho thấy để tích lũy năng lượng gió và mặt trời bằng cách sử dụng hydro cần sử dụng 85 hang động dưới lòng đất.

Mêtan (CH4) là hyđrocacbon đơn giản nhất có công thức phân tử CH4. Mêtan dễ bảo quản và vận chuyển hơn hiđro. Có một cơ sở hạ tầng hoàn chỉnh để lưu trữ và đốt (đường ống, đồng hồ đo khí, nhà máy điện).

Khí tự nhiên tổng hợp (khí tổng hợp hoặc SNG) có thể được tạo ra trong một quá trình nhiều giai đoạn bắt đầu với hydro và oxy. Hydro phản ứng với carbon dioxide trong phản ứng Sabatier, tạo ra metan và nước. Khí mêtan có thể được lưu trữ và sau đó được sử dụng để phát điện. Nước thu được sẽ được tái chế, giảm nhu cầu sử dụng các nguồn bên ngoài. Trong giai đoạn điện phân, oxy được lưu trữ để đốt cháy mêtan trong môi trường oxy sạch tại nhà máy điện gần đó.

Khi cháy, metan sẽ tạo ra khí cacbonic (CO2) và nước. Carbon dioxide có thể được tái sử dụng để tăng tốc quá trình SaSabati, còn nước có thể được tái chế để tiếp tục điện phân.

Cabon (C): Dưới dạng nhiên liệu hóa thạch (than đá) có thể được thay thế cho nhiều loại nhiên liệu sinh học khác nhau như diesel sinh học, dầu thực vật, nhiên liệu cồn hoặc sinh khối. Các quá trình hóa học có thể chuyển đổi carbon và hydro (trong than, khí tự nhiên, sinh khối động thực vật và chất thải hữu cơ) thành hydrocacbon đơn giản, thích hợp để thay thế cho nhiên liệu hydrocacbon truyền thống. Ví dụ như dầu diesel Fischer-Tropsch, metanol, đimetyl ete và khí tổng hợp. Nguồn nhiên liệu diesel này đã được sử dụng rộng rãi trong Thế chiến thứ hai ở Đức, nước bị hạn chế trong việc tiếp cận nguồn cung cấp dầu thô. Vì những lý do tương tự, Nam Phi sản xuất phần lớn nhiên liệu diesel từ than đá.

Nhôm (Al): Một số nhà nghiên cứu đã đề xuất nhôm như một thiết bị lưu trữ năng lượng. Đương lượng điện hóa của nhôm gần gấp bốn lần của liti. Năng lượng có thể được chiết xuất từ ​​nhôm bằng cách tương tác với nước để tạo thành hydro. Tuy nhiên, để phản ứng với nước, nhôm phải được tách ra khỏi lớp oxit tự nhiên của nó. Đó là một quá trình yêu cầu nghiền và phản ứng hóa học với các chất hoặc hợp kim ăn mòn. Một sản phẩm phụ của phản ứng tạo hydro là alumin, có thể được tái chế trở lại thành nhôm trong quy trình Hall-Heroult, làm cho phản ứng có thể tái tạo về mặt lý thuyết. Nếu quy trình Hall-Herult được bắt đầu sử dụng năng lượng mặt trời, hoặc năng lượng gió, thì nhôm có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng và quy trình này hiệu quả hơn so với điện phân trực tiếp bằng năng lượng mặt trời.

Pin sạc làm từ nhôm: Được một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã nghiên cứu như một giải pháp rẻ tiền, cho phép tích lũy và lưu trữ năng lượng mặt trời. Pin gồm một cực dương bằng nhôm và cực âm bằng than chì được nhúng trong chất điện phân. Chất điện phân, cho đến nay chúng ta mới dừng lại ở urê, một hợp chất hóa học được sử dụng tích cực như một loại phân bón.

Pin như vậy được sạc đầy trong 45 phút và không bị cháy, không giống như pin lithium-ion. Hiện các nhà khoa học đang nghiên cứu một phiên bản thương mại của pin, chủ yếu để kéo dài tuổi thọ của nó - phiên bản hiện tại chỉ có thể chịu được 1.500 chu kỳ.

Boron, silicon và kẽm cũng được coi là thiết bị lưu trữ năng lượng thay thế.

Hợp chất hữu cơ norbornadiene, trong phản ứng chuyển hóa thành chu kỳ bốn, khi tiếp xúc với ánh sáng, sẽ tích trữ năng lượng mặt trời dưới dạng năng lượng liên kết hóa học. Một nguyên mẫu hoạt động được phát triển ở Thụy Điển và được bán trên thị trường như một hệ thống nhiệt mặt trời phân tử.

Pin sạc nhanh hữu cơ: Công ty khởi nghiệp StoreDot của Israel đã công bố loại pin dành cho xe điện, dựa trên công nghệ của chính họ. Họ sử dụng các lớp vật liệu nano và các hợp chất hữu cơ mà công ty cho biết chưa từng được sử dụng trong pin trước đây. Kết quả là pin sạc trong 5 phút và có thể đi được 300 dặm sau 1 lần sạc. Giám đốc điều hành StoreDot Doron Myersdorf cho biết việc sạc sẽ giúp thúc đẩy sự phổ biến của xe điện. Đầu tiên, vì tốc độ sạc. Thứ hai, vì FlashBattery an toàn hơn pin lithium-ion - nó có thể chịu được nhiệt độ cao hơn và không bị cháy.

Tụ điện là một thành phần điện hai cực thụ động được sử dụng để lưu trữ năng lượng tĩnh điện. Trong thực tế, các tụ điện rất khác nhau, nhưng chúng đều chứa ít nhất hai vật dẫn điện (bản) được ngăn cách bởi một chất điện môi (chất cách điện). Tụ điện có thể lưu trữ năng lượng điện khi nó bị ngắt kết nối khỏi mạch sạc, vì vậy nó có thể được sử dụng làm pin tạm thời, hoặc các loại hệ thống lưu trữ năng lượng có thể sạc lại khác. Tụ điện thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử để duy trì nguồn điện khi pin được thay thế (điều này ngăn ngừa mất thông tin trong bộ nhớ). Trung bình, các tụ điện có mật độ nhỏ hơn 360 jun/kg, trong khi ở pin kiềm thông thường thông số này vào khoảng 590 kJ/kg.

Tụ điện tích trữ năng lượng trong trường tĩnh điện giữa các bản cực. Do sự khác biệt về điện thế giữa các vật dẫn (ví dụ, khi một tụ điện được gắn vào pin), một điện trường đi qua chất điện môi, làm cho một điện tích dương (+Q) thu về một cực và một điện tích âm (-Q) trên cực kia. Nếu pin được kết nối với tụ điện trong một thời gian đủ, không có dòng điện nào có thể chạy qua tụ điện. Tuy nhiên, nếu điện áp được đặt trên các dây dẫn của tụ điện, thì dòng điện phân cực có thể được tạo ra.

Trong thực tế, chất điện môi truyền một lượng nhỏ dòng điện rò giữa các bản cực và có giới hạn cường độ điện trường được gọi là điện áp đánh thủng. Tuy nhiên, hiệu quả của sự phục hồi điện môi sau khi đánh thủng điện áp cao có thể dẫn đến việc tạo ra một thế hệ tụ điện tự phục hồi mớm.

Siêu tụ điện thu hẹp khoảng cách giữa tụ điện và pin thông thường. Chúng lưu trữ lượng năng lượng lớn nhất trên một đơn vị thể tích hoặc khối lượng (mật độ năng lượng) của bất kỳ tụ điện nào. Chúng hỗ trợ tới 10.000 farads/1,2V, gấp 10.000 lần so với tụ điện, nhưng phân phối hoặc nhận ít hơn một nửa công suất trên một đơn vị thời gian (mật độ công suất). Trong khi siêu tụ điện có năng lượng riêng và mật độ năng lượng riêng khoảng 10% so với pin, mật độ năng lượng của chúng thường cao hơn 10-100 lần. Điều này dẫn đến chu kỳ sạc/xả ngắn hơn nhiều. Ngoài ra, chúng sẽ chịu được nhiều chu kỳ sạc và xả hơn so với pin. Siêu tụ điện có phạm vi ứng dụng rộng rãi bao gồm:

- Nguồn cung cấp dòng điện thấp cho bộ nhớ dự phòng trong bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (SRAM).

- Cung cấp năng lượng cho ô tô, xe buýt, tàu hỏa, cần trục và thang máy, bao gồm thu hồi năng lượng trong quá trình phanh, lưu trữ năng lượng ngắn hạn và cung cấp điện trong chế độ xung.

Siêu tụ điện là những con lai của tụ điện (một thành phần điện tử có khả năng lưu trữ, tạo ra điện tích) và nguồn dòng điện hóa học (pin hoặc bộ tích điện). So với pin lithium-ion, siêu tụ điện có tốc độ sạc - xả nhanh hơn và tuổi thọ dài hơn.

Trong một cuộc phỏng vấn với EnergyLand.info, người đứng đầu dự án Congran, Semyon Chervonobrodov, nói rằng, nhóm của ông đã thành công trong việc tạo ra nguyên mẫu của hai thiết bị lưu trữ năng lượng điện, khác nhau cơ bản về nguyên lý hoạt động của chúng. Đầu tiên là siêu tụ điện có dung lượng riêng cao cho loại tích trữ năng lượng. Thứ hai là siêu tụ điện lai lithium-ion với cực âm mới về cơ bản. Một chất điện phân mới, thân thiện với môi trường dựa trên axit polyamino cũng đã được tạo ra.

Ngành vận tải là lĩnh vực ứng dụng chính của siêu tụ điện. Bây giờ công việc đang được tiến hành để giảm chi phí sản xuất.

Bộ lưu trữ cảm ứng siêu dẫn (SPIN): Là một thiết bị lưu trữ năng lượng trong từ trường được tạo ra bởi dòng điện một chiều trong cuộn dây siêu dẫn đã được làm mát đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn siêu dẫn của nó. Một hệ thống SPIN điển hình bao gồm một cuộn dây siêu dẫn, hệ thống điều hòa không khí và tủ lạnh. Một khi cuộn dây siêu dẫn được tích điện, dòng điện không phân rã và năng lượng từ trường có thể được lưu trữ vô thời hạn.

Năng lượng tích trữ có thể được chuyển vào lưới điện bằng cách phóng điện cuộn dây. Một biến tần/bộ chỉnh lưu phù hợp cung cấp khoảng 2-3% tổn thất năng lượng ở mỗi hướng. SPIN mất ít điện năng nhất trong quá trình lưu trữ năng lượng so với các phương pháp lưu trữ năng lượng khác.

Do yêu cầu năng lượng của việc làm mát và chi phí của dây siêu dẫn, SPIN được sử dụng để lưu trữ ngắn hạn, chẳng hạn, để cải thiện chất lượng điện. Hệ thống lưu trữ này cũng được sử dụng trong việc cân bằng lưới điện.

Tích trữ điện trong gia đình:

Việc lưu trữ năng lượng trong gia đình dự kiến ​​sẽ trở nên phổ biến hơn, do tầm quan trọng ngày càng tăng của việc sản xuất năng lượng tái tạo phân tán (đặc biệt là quang điện) và tỷ lệ tiêu thụ năng lượng đáng kể trong các tòa nhà dân cư. Để tăng khả năng tự cung tự cấp (độc lập) lên 40% trong một ngôi nhà được trang bị các thiết bị quang điện, việc lưu trữ năng lượng là cần thiết. Một số nhà sản xuất sản xuất pin để lưu trữ năng lượng, thường là để trữ năng lượng mặt trời, gió dư thừa. Để lưu trữ năng lượng trong gia đình, pin lithium-ion được ưa chuộng hơn pin axit-chì, do chi phí tương tự, nhưng hiệu suất cao hơn nhiều.

Tesla Motors ra mắt hai mẫu thông dụng Tesla Powerwall (10 và 7 kWh mỗi tuần) cho các ứng dụng mang tính chu kỳ hàng ngày. Phiên bản Telsa Powerpack 2, có giá $398/kWh để lưu trữ điện, ở mức 12,5 cent/kWh (giá điện lưới trung bình của Hoa Kỳ), có ROI dương nếu giá điện không vượt quá 30 cent/kWh (thời giá năm 2016).

Enphase Energy đã công bố một hệ thống tích hợp cho phép người dùng gia đình lưu trữ, giám sát và quản lý điện năng. Hệ thống tiết kiệm 1,2 kWh năng lượng và 275 W/500 W công suất đầu ra.

Lưu trữ năng lượng gió, hoặc năng lượng mặt trời bằng cách sử dụng thiết bị lưu trữ năng lượng nhiệt, mặc dù kém linh hoạt hơn, nhưng ít tốn kém hơn đáng kể so với pin. Ví dụ, một máy nước nóng điện khoáng 150 lít đơn giản có thể lưu trữ khoảng 12 kWh năng lượng để bổ sung nước nóng hoặc sưởi ấm cho một phòng.

Hệ thống tích trữ năng lượng công nghiệp BESS:

Hệ thống lưu trữ năng lượng pin (Battery Energy Storage System- BESS) là công nghệ lưu trữ năng lượng bằng cách sử dụng loại pin ion litium (Li-ion) được thiết kế đặc biệt. Ý tưởng cơ bản là năng lượng dự trữ này có thể được sử dụng sau này. Các hệ thống này bổ sung cho các nguồn năng lượng như năng lượng mặt trời và năng lượng gió để cân bằng giữa sản xuất và tiêu thụ năng lượng.

Ưu điểm của BESS:

Các công nghệ tích trữ năng lượng khác như thủy điện tích năng (PHS), tích trữ NL bằng khí nén (CAES) chỉ phù hợp với một số địa điểm có hạn vì bị giới hạn về nguồn nước và/hoặc về khả năng truyền tải điện đi xa.

Điểm khác biệt về mật độ và công suất lưu trữ năng lượng của các công nghệ có thể so sánh như sau:

Công nghệ tích trữ năng lượng	Mật độ công suất	Mật độ năng lượng
Thủy điện tích năng (PHS)	0.1-0.2	0.2-2
Tích trữ bằng khí nén (CAES)	0.2-0.6	2-6
Ác quy (pin) ion litiun (Li-ion)	1300-10000	200-400
Ác quy (pin) axit-chì	90-700	50-80
Kho lưu trữ mạng (NAS)	120-160	150-300

+ Các công nghệ PHS và CAES có giá thấp về dung lượng lưu trữ, nhưng giá cao tính theo công suất.

+ Pin/ác quy Li-ion: Dùng cho ô tô, có chu kỳ nạp thấp hơn mức trung bình và có mức độ nguy hiểm về cháy-nổ cao hơn mức trung bình.

+ Pin/ác quy axít-chì: Có mật độ năng lượng thấp, thời gian sử dụng ngắn, công nghệ lạc hậu.

Các ưu điểm của BESS có so với các công nghệ khác gồm:

+ Gọn và không bị giới hạn về vị trí sử dụng.

+ Pin Li-ion có mật độ cao về năng lượng và về công suất.

+ Có thể sử dụng để điều tần; bù áp; bù lưới trong các giờ cao điểm; cân bằng phụ tải; điều chỉnh các thông số của lưới; và làm nguồn dự phòng v.v...

+ Có tuổi thọ cao.

Hệ thống lưu trữ năng lượng BESS là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất trong ngành điện. Qua 10 năm, toàn ngành đã tăng trưởng 48 lần, với tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm là 47%. Theo dự báo của Bloomberg, tổng dung lượng lưu trữ sẽ vượt quá 1 TW vào năm 2040.

Hệ thống lưu trữ năng lượng BESS giúp loại bỏ hoàn toàn việc phát “đỉnh” cao và làm cho năng lượng từ các nhà máy điện gió và năng lượng mặt trời luôn sẵn sàng hoạt động suốt ngày đêm. Theo báo cáo Triển vọng năng lượng mới, 2019, đến năm 2040, năng lượng tái tạo sẽ chiếm 90% tổng năng lượng của châu Âu, trong đó gió và mặt trời chiếm 80%.

Yếu tố chính đằng sau sự tăng trưởng nhanh chóng trong việc sử dụng công nghệ BESS là trong hai năm qua chi phí lưu trữ năng lượng đđ giảm 50%. Các cơ sở lưu trữ năng lượng nhỏ có thể giải quyết tình trạng thiếu hụt lưới điện trong thời gian cao điểm và hoãn nhu cầu trang bị thêm các mạng lưới phân phối tốn kém hoặc lắp đặt thêm công suất cao điểm.

Công nghệ BESS tăng cường an ninh năng lượng bằng cách tối ưu hóa cung và cầu năng lượng, giảm nhu cầu nhập khẩu điện thông qua các đầu nối, cũng như giảm nhu cầu điều chỉnh liên tục công suất của các tổ máy phát điện.

Ngoài ra, BESS có thể đảm bảo an toàn hệ thống bằng cách cung cấp điện trong thời gian mất điện, giảm thiểu gián đoạn và chi phí liên quan đến mất điện./.

TỔNG HỢP: TS. NGUYỄN THÀNH SƠN - TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Tài liệu tham khảo:

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BF%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D0%B8

https://greensystem.com.ua/sistemy-nakopleniya-energii/sistemy-nakopleniya-energii-dlya-predpriyatii/promyslennye-sistemy-xraneniya-energii-bess-texnologiya