Các bộ phận trong hệ thống tích năng bằng pin lithium-ion
Hình dưới đây cung cấp tổng quan về các bộ phận trong hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin LIB nối lưới. Trong các hệ thống tích năng pin LIB, các pin được lắp ráp thành các mô đun sắp xếp thành các bộ pin. Các bộ pin bao gồm hệ thống quản lý pin (BMS). BMS là một hệ thống điện tử bảo vệ các pin vận hành trong khu vực vận hành an toàn. Một hệ thống quản lý nhiệt (TMS) điều chỉnh nhiệt độ cho pin và hệ thống tích năng.
TMS phụ thuộc vào các điều kiện môi trường, ví dụ như hệ thống được đặt trong nhà hay ngoài trời. Ngoài ra, có một hệ thống quản lý năng lượng (EMS) kiểm soát nạp điện/xả điện của hệ thống tích năng pin LIB nối lưới. Tùy theo ứng dụng và cấu trúc hệ thống điện, hệ thống biến đổi điện có thể bao gồm một hoặc nhiều bộ biến đổi điện (kết nối dòng DC/AC).
Để kết nối hệ thống, có thể cần một máy biến áp để tích hợp với các cấp điện áp trên lưới cao hơn. Sựtích hợp với lưới điện đem lại các dịch vụ cho lưới điện như cải thiện độ tin cậy, dịch chuyển phụ tải, điều tần, v.v. Các dịch vụ này được mô tả trong mục “Khả năng điều chỉnh và các dịch vụ hệ thống khác”. Các giá trị và lợi nhuận được tạo ra từ việc bán các dịch vụ này cho các Đơn vị vận hành hệ thống truyền tải điện. Việc xácđịnh hợp lý quy mô công suất pin và các hệ thống biến đổi điện năng có vai trò quan trong việc tối đa hóa doanh thu.
Đầu vào / Đầu ra
Đầu vào và đầu ra đều là điện năng. Điện năng được chuyển đổi sang năng lượng điện hóa trong quá trình nạp điện và chuyển đổi ngược lại thành điện năng trong quá trình phóng điện.
Công thức tính hiệu suất năng lượng và tổn thất
Các tổn thất năng lượng trong pin LIB có thể chia thành tổn thất trong vận hành và tổn thất khi ở trạng thái dự phòng. Các tổn thất trong vận hành xảy ra khi năng lượng nạp vào pin từ lưới điện hoặc năng lượng phóng ra từ pin vào lưới điện. Tổn thất này cũng bao gồm các tổn thất trong quá trình biến đổi năng lượng trong pin và tổn thất ở các thiết bị điện-điện tử sử dụng điện.
Khi pin LIB không vận hành, điện áp của pin U bằng EMF. Tuy nhiên, trong quá trình phóng điện hoặc nạp điện, điện áp của pin U thay đổi do dòng điện I chạy qua điện trở trong Ri của pin LIB. Thay đổi điện áp ΔU có thể xác định bằng định luật Ôm:
ΔU = U – EMF = RiI (1)
Còn tổn thất trong điện trở của pin được tính bằng công thức:
Ploss = ΔUI (2)
Phương trình (2) giải thích sự gia tăng tổn thất khi cường độ dòng điện tăng.
Pin LIB tạo ra dòng điện một chiều trong quá trình phóng điện và cần năng lượng đầu vào của dòng điện một chiều để nạp điện. Trước khi điện năng được giải phóng lên lưới, bộ biến đổi điện sẽ chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều. Tổn thất ở bộ biến đổi điện thường tăng dần từ khoảng 1% lên đến 2% khi gia tăng công suất biến đổi tương đối từ 0% lên đến 100%.
Các phản ứng hóa học không mong muốn gây ra rò rỉ dòng điện bên trong pin LIB. Tình trạng rò rỉ dòng điện sẽ dẫn tới quá trình tự phóng điện diễn ra chậm trong khi thiết bị ở trạng thái dự phòng. Tỷ lệ tự phóng điện gia tăng theo nhiệt độ và biểu đồ dưới đây thể hiện công suất nạp còn lại của pin LIB là hàm số của thời gian và nhiệt độ. Tỷ lệ phóng điện là độ dốc của đường cong và ở mức khoảng 0,1%/ngày ở nhiệt độ không khí.
Ngoài sự tự phóng điện trong pin, thì hệ thống tích trữ điện năng còn cần điện để vận hành các cụm thiết bị phụ của hệ thống (BOP). Tổn thất năng lượng tương đối giữa các phần phụ thuộc vào loại hình áp dụng, và một chiến lược vận hành cẩn thận là quan trọng để giảm tiêu thụ điện đến mức nhỏ nhất. Tổn thất dự phòng Estb là tổng tổn thất năng lượng trong thời gian pin ở trạng thái dự phòng sẵn sàng hoạt động do sự tự phóng điện trong pin và tiêu thụ điện năng của các thành phần phụ trợ.
Hiệu suất biến đổi hai chiều của pin LIB là thương của năng lượng phóng chia cho năng lượng nạp. Hiệu suất biến đổi của pin giảm đi khi dòng điện tăng vì Ploss tăng. Ví dụ về hiệu suất biến đổi năng lượng của pin LIB được thể hiện trong hình dưới đây. Tỷ lệ C là số nghịch đảo của thời gian cần để xả hết năng lượng của pin đã được nạp. Ở một tỷ lệ C là 2 thì mất 1/2 giờ và ở tỷ lệ C là 6 thì mất 10 phút.
Hiệu suất biến đổi hai chiều của hệ thống ηConversion có tính đến những tổn thất xuất hiện trong quá trình biến đổi từ năng lượng nạp ECharge, AC và năng lượng xả EDischarge, AC từ/đến lưới điện. Bao gồm những tổn thất biến đổi trong pin và trong các thiết bị điện tử, có thể tính theo công thức sau:
Tổng hiệu suất biến đổi hai chiều có tính thêm những tổn thất dự phòng:
Ở đây Estb là năng lượng lấy từ hệ thống điện để vận hành liên tục các hệ thống BOP và duy trì trạng thái nạp. Do có các loại tổn thất khác nhau nên hiệu suất tổng ηTotal phụ thuộc nhiều vào loại hình ứng dụng. Ví dụ, hệ thống LIB công suất11 MW/4,4 MWh lắp đặt tại Maui, Hawaii để quản lý điều chỉnh công suất điện gió, đảm bảo ổn định công suất ra của một trang trại điện gió 21MW.
Tổng hiệu suất biến đổi hai chiều của hệ thống này là khoảng 80 %. Lazard sử dụng số ước tính là 85%. Tổng kết lại, tổng tổn thất hai chiều đặc trưng bao gồm 2-5% ở pin, 2-4% ở các thiết bị điện tử và phần còn lại là tổn thất dự phòng.
Khả năng điều chỉnh và những dịch vụ phụ trợ hệ thống khác
Hệ thống LIB nối lưới có thể hấp thụ và giải phóng điện năng nhanh. Thời gian phản ứng của LIB nối lưới phụ thuộc nhiều vào các thành phần điều khiển, EMS, BMS và TMS cũng như hệ thống biến đổi điện.
Chi phí tích trữ điện năng tương đối thấp làm cho hệ thống tích trữ điện năng bằng ắc quy nối lưới (LIB BESS)
thích hợp cho một dải rộng các ứng dụng như san phụ tải đỉnh ở nơi mà BESS cung cấp hoặc tiêu thụ năng lượng để giảm phụ tải đỉnh trong hệ thống điện. Về mặt này, BESS có thể giúp thúc đẩy tích hợp năng lượng tái tạo, v.s. chuyển thời gian hoặc phụ tải của điện mặt trời từ ban ngày sang ban đêm. Ngoài ra, BESS có thể giúp làm giảm tắc nghẽn truyền tải ở nơi BESS làm giảm phụ tải trong mạng lưới truyền tải và phân phối điện.
Thời gian phản ứng nhanh tạo ra khả năng sử dụng rộng rãi BESS điều khiển sơ cấp. Những ứng dụng này bao gồm Điều chỉnh tần số ở những nơi BESS được sử dụng để giảm nhẹ sự chênh lệch tần số AC. BESS cũng có thể được sử dụng để tăng tính ổn định của lưới điện nhờ phản ứng ngay lập tức sau khi xảy ra sự cố.
Ở đây BESS có thể giúp duy trì sự ổn định trong hệ thống điện cho đến khi người vận hành đã tái điều độ nguồn phát điện. Ngoài ra, BESS có thể được sử dụng một cách hiệu quả cho khởi động đen lưới phân phối và hệ thống BESS cũng phù hợp cho tăng cường chất lượng điện và giảm chênh lệch điện áp trong lưới phân phối. BESS cũng có thể được sử dụng để cung cấp dự phòng quay công suất hữu công và công suất phản kháng, do đó cải thiện biểu đồ điện áp của lưới điện. Điều này có thể cải thiện sự tích hợp năng lượng tái tạo vì nó làm giảm số lần nhảy bảo vệ của các bộ biến đổi điện.
Thời gian tích trữ năng lượng đặc trưng
Nhiều đặc điểm của công nghệ LIB tạo thành giới hạn trên của thời gian có thể tích trữ năng lượng. Tỷ lệ tự phóng điện làm ngắn thời gian tích trữ điện vài tháng. Điện tự dùng tiêu thụ của các thiết bị phụ trợ (BOP) cho vận hành dự phòng làm tăng tổn thất ký sinh của hệ thống và cũng làm tăng thêm sự hạn chế thời gian dự phòng khả thi. Những phản ứng hóa học không mong muốn trong pin LIB làm pin bị xuống cấp dần dần và rút ngắn tuổi thọ. Đây là tín hiệu yêu cầu thời gian tích trữ năng lượng ngắn hơn để nhận đủ số chu trình, và đạt được doanh thu chắc chắn.
Đối với LIB tổng số chu trình nạp-phóng trong tuổi đời của pin bị giới hạn trong khoảng từ vài nghìn đến vài chục nghìn lần. Số chính xác phụ thuộc vào hóa chất, phương pháp chế tạo, các điều kiện thiết kế và vận hành như nhiệt độ, tỷ lệ C và thời gian tính theo dương lịch. Số này ảnh hưởng đến loại ứng dụng phù hợp. Ví dụ, do mức độ sử dụng khác nhau, có thể thấy hóa chất LTO được sử dụng nhiều hơn trên thị trường FCR-N14 trong khicác hóa chất khác như NMC được ưa chuộng hơn trên thị trường FCR-D.
Cho đến nay, phần lớn những hệ thống LIB đã được triển khai để thực hiện phản ứng nhanh làm phẳng biểu đồ phụ tải và ổn định điện năng lượng tái tạo với thời gian tích trữ trong khoảng từ vài giây đến vài phút. Gần đây, sự sử dụng các hệ thống này đã tăng lên cho việc dịch chuyển thời gian sử dụng điện năng lượng tái tạo với thời gian tích trữ điện là vài giờ.
Yêu cầu diện tích
Những giá đỡ và hộp pin được lắp trong các công ten nơ và năng lượng của mỗi công ten nơ 40 feet là 4-6MWh đối với pin NMC. Diện tích yêu cầu của một công ten nơ 40-feet là 29,7 m2. Như vậy, yêu cầu về diện tích là khoảng 5-7,5 MWh/m2.
>>Tham khảo thêm: Báo giá tấm pin năng lượng mặt trời
Ưu điểm / nhược điểm
Trong thập kỷ qua, lợi ích thương mại từ việc sử dụng các hệ thống LIB để tích trữ điện năng đã tăng đáng kể. Khối lượng sản xuất vẫn còn hạn chế và có tiềm năng hứa hẹn về giảm chi phí thông qua việc tăng quy mô công suất. Công nghệ này là độc lập và đòi hỏi tối thiểu các dịch vụ sau khi lắp đặt.
Các công ten nơ có kích thước tiêu chuẩn. Đối với các hệ thống nhỏ, điều này có ảnh hưởng tới CAPEX của hệ thống LIB, tuy nhiên khi quy mô của hệ thống vượt quá một số tổ máy thì giá này có thể được coi là tương đối tuyến tính. Ví dụ so với công nghệ pin nhiên liệu, CAPEX / công suất của pin tích trữ năng lượng là tương đối cao. Điều này là do điện năng được tích trữ trong các điện cực của pin tích trữ năng lượng, còn đối với pin nhiên liệu thì điện năng được tích trữ như một nhiên liệu riêng biệt. Suất CAPEX năng lượng tương đối cao kết hợp với sự tự phóng điện từ từ và tổn thất kí sinh trong các hệ thống phụ trợ đã làm cho công nghệ này kém hấp dẫn hơn khi cần thời gian tích trữ dài hơn vài ngày.
Môi trường
Một báo cáo của US-EPA năm 2013 nêu rằng trong số các hóa chất làm pin, thì tác động tiềm năng lớn làm ấm lên toàn cầu được gán cho quá trình sản xuất pin LIB bao gồm cả khâu khai thác vật liệu. Cụ thể hơn, một đánh giá gần đây về phân tích vòng đời (LCA) của pin Li-Ion ước tính là “trung bình, sự sản xuất 1Wh công suất tích trữ có liên quan với một nhu cầu năng lượng tích lũy là 328 Wh và gây ra phát thải khí nhà kính là 110g CO2 eq”.
Vật liệu để làm catôt của pin NMC LIB chứa cobalt (là chất độc) và ôxyt niken. Khoảng 60% sản lượng cobalt toàn cầu là từ Công Gô và những nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe, môi trường và các điều kiện làm việc liên quan đến khai thác cobalt gây ra những lo ngại về đạo lý. Những nhà tư bản quan sát và tin rằng đến năm 2020 hàm lượng cobalt trong NMC có thể sẽ giảm 10%.
Bắt đầu từ hai năm trước đây, có sự lo lắng về thiếu lithium đã làm tăng giá kim loại này lên 3 lần. Nhu cầu lithium sẽ không sớm giảm xuống – theo Bloomberg New Energy Finance, đến năm 2030, riêng sản lượng ôtô chạy điện dự kiến sẽ tăng hơn 30 lần. Tuy nhiên, sự khai thác của mười hai năm tới là chưa tới 1 phần trăm của trữ lượng trong lòng đất, theo BNEF. Nhưng những nhà chế tạo pin sẽ tăng nhanh công suất khai thác để đáp ứng nhu cầu.
Những triển vọng nghiên cứu và phát triển
Hiện nay, có nhiều nghiên cứu được các chính phủ và các ngành công nghiệp tài trợ đang được thực hiện ở các mức khác nhau như nghiên cứu vật liệu, nghiên cứu cell và hệ thống LIB. Một số nghiên cứu về vật liệu đang thực hiện để tăng thêm mật độ năng lượng của pin LIB bao gồm chất điện phân điện áp cao cho phép điện áp nạp pin lên đến 5 vôn và các phần tử nano silicon làm tăng công suất nạp. Nhiều hoạt động nghiên cứu và phát triển tập trung vào vòng đời của các pin LMO.
Một số công nghệ hứa hẹn nhất sau công nghệ Li-ion bao gồm pin Lưu huỳnh-Lithium, sử dụng lưu huỳnh làm chất hoạt tính. Lưu huỳnh có sẵn rất nhiều ở mức giá hợp lý và cho phép mật độ năng lượng rất cao lên tới 400Wh/kg. Pin không khí lithium cũng đã nhận được sự quan tâm lớn. Vì trong các vật liệu hoạt tính, Ô xy có thể lấy từ không khí. Pin không khí lithium có năng lượng tiềm năng và mật độ điện cao nhất trong tất cả các hệ thống pin tích trữ năng lượng. Do có những thách thức hiện nay đối với sự thụ động hóa của điện cực và khả năng chịu ẩm thấp nên sự thương mại hóa ở quy mô lớn pin không khí lithium chưa thể trở thành hiện thực trong những năm tới.
Nhiều hóa chất pin dựa vào chất phi lithium đang được khám phá. Pin nhôm-lưu huỳnh có thể đạt mật độ 1000Wh/kg với vật liệu điện cực tương đối phong phú nhưng còn đang ở giai đoạn đầu của phát triển.
Ngoài các hoạt động nghiên cứu vật liệu, những cải tiến thiết kế pin, công nghệ BMS, TMS và EMS và chiến lược vận hành cũng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất tích trữ năng lượng. Mặc dù các hệ thống LIB tích trữ điện năng hiện đã có về phương diện thương mại, hoạt động nghiên cứu và phát triển vẫn đang ở giai đoạn đầu và có triển vọng đóng góp vào giảm chi phí và cải thiện hiệu suất trong tương lai.
Dự báo hiệu suất hoạt động và chi phí
Giá trung bình của một gói LIB công nghiệp hiện nay theo Báo cáo triển vọng năng lượng 2018 của Bloomberg được biểu diễn trong hình ở dưới. Giá LIB hiện tại là gần 200USD/kWh và giá dự báo của pin (đường nét đứt) đến năm 2030 là 70USD/kWh. Ngoài ra công suất lắp tăng thêm được dự báo cho giai đoạn từ nay đến năm 2050 khoảng 1291 GW. Sử dụng tỷ lệ lĩnh hội kinh nghiệm của Bloombergs là 18% và tốc độ tăng trưởng đã dự báo, thì giá sẽ là 50USD/kWh vào năm 2040 và 40 USD/kWh vào năm 2050.
>> Sản phẩm pin lithium – ion:
TESLA thông qua nhà máy (Gigafactory) của mình báo cáo là đã đi trước 4 – 5 năm mức trung bình của ngành công nghiệp này với giá của một cụm pin là 190USUSD/kWh vào năm 2016 và có dấu hiệu sẽ giảm xuống 100USUSD/kWh trước năm 2020 và sau đó sẽ sớm giảm xuống 80USUSD/kWh.
Sự giảm giá có được là dựa vào sự tăng năng lực sản xuất LIB. Năng lực sản xuất dự báo sẽ tăng từ 28 GWh trong năm 2016 đến năm 2020 lên 174 GWh, tiêu biểu cho sự tăng ấn tượng năm lần trong bốn năm.
Sự giảm giá pin và sự tăng năng lực sản xuất được dự báo song hành với tỷ lệ tăng trưởng nhanh thị trường ứng dụng quy mô lớn như được thể hiện trong các hình sau. Công suất lắp đặt ước tính đạt 14 GW vào năm 2023. Dữ liệu toàn cầu dự báo đến năm 2020, có thể đạt được mức công suất này.
Intech Energy là một trong những tổng thầu EPC uy tín trong lĩnh vực cung cấp các giải pháp lắp đặt, cung cấp vật tư và thi công lắp đặt các dự án điện mặt trời trên toàn quốc quy mô từ hộ gia đình đến các dự án cho doanh nghiệp. Chúng tôi có hơn 10 năm kinh nghiệm làm việc trong ngành điện mặt trời và năng lượng tái tạo, luôn cam kết tư vấn tận tâm cho khách hàng để đem tới giải pháp hiệu quả với sản phẩm chất lượng, giá cả cạnh tranh với mục đích phát triển bền vững nguồn năng lượng sạch để “Kiến tạo cuộc sống xanh”.
*****
CÔNG TY CỔ PHẦN PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG XANH INTECH VIỆT NAM (INTECH ENERGY)
HOTLINE: 0966.966.819
Email: cskh.intechsolar@intech-group.vn
Website: intechsolar.vn
Intech Energy TP Hồ Chí Minh: Lô D6, KCN Bình Chiểu, Q. Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh
Intech Energy Tây Nguyên: Nguyễn Chí Thanh, Phường An Bình, Buôn Hồ, Đắk Lắk
Intech Energy Đà Nẵng: Số 215 Phan Đăng Lưu, Khuê Trung, Cẩm Lệ, Đà Nẵng
Intech Energy Hà Nội : Lô 5+6, Khu công nghiệp Lai Xá, Kim Chung, Hoài Đức, Hà Nội
