CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ CÁC GIẢI PHÁP 1.1: Lưu trữ năng lượng: Những nhận biết cơ bản Trong thế kỷ 20, điện được tạo ra chủ yếu bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch. Các vấn đề về vận chuyển năng lượng, ô nhiễm không khí và sự nóng lên toàn cầu đã dẫn đến việc gia tăng sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, mặt trời. Năng lượng gió phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và thời tiết. Năng lượng mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa lý, độ che phủ của mây.
Nó chỉ có sẵn vào ban ngày, trong khi nhu cầu thường đạt đỉnh điểm sau khi mặt trời lặn. Do đó, mối quan tâm đến việc tích lũy năng lượng từ các nguồn này ngày càng tăng trên toàn cầu.2: 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 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.3: Các phương pháp tích trữ năng lượng? 1.Lưu trữ năng lượng bằng công nghệ Pin Lithium 2.Dòng oxy hóa khử pin 3.Lưu trữ năng lượng bánh đà 4.Lưu trữ năng lượng khí nén 5.Lưu trữ nhiệt năng 6.Tích trữ thủy điện có bơm (thủy điện tích năng) 2 1.4: Năng lượng có thể được tích trữ như thế nào? 1.Lưu trữ năng lượng bằng công nghệ Pin Lithium: Pin Li-ion hay pin lithi-ion / pin lithium-ion, có khi viết tắt là LIB, là một loại pin sạc. trong quá trình sạc, các ion Li chuyển động từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả (quá trình sử dụng). LIB thường sử dụng điện cực là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp (layered structure compounds), khi đó trong quá trình sạc và xả, các ion Li sẽ xâm nhập và điền đầy khoảng trống giữa các lớp này, nhờ đó phản ứng hóa học xảy ra. Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực dương là các hợp chất ô xít kim loại chuyển tiếp và Li, như LiCoO 2, LiMnO2, v.; dùng cho điện cực âm là graphite.
Dung dịch điện ly của pin cho phép các ion Li chuyển dịch từ cực nọ sang cực kia nghĩa là có khả năng dẫn ion Li, tuy nhiên, yêu cầu là dung dịch này không được dẫn điện. Ion liti di chuyển trong pin, cũng từ cực âm sang cực dương. Khi sạc, dưới điện áp sạc, electron di chuyển đến anode (lúc này trở thành cực dương), để cân bằng điện, trong lòng pin, ion liti di chuyển từ cathode (lúc này trở thành cực âm) sang anode. Pin Li-ion có mật độ năng lượng cao, bền, và ít bị tự xả.
Hiện nay ở các nước phát triển, LIB đang được chú trọng phát triển trong quân đội, ứng dụng cho các phương tiện di chuyển chạy điện và kĩ thuật hàng không, lưu trữ năng lượng từ quy mô gia đình, cho đến doanh nghiệp, công nghiệp. Thành phần hóa học, hiệu năng, giá thành và độ an toàn là các yếu tố cơ bản quy định các loại LIB khác nhau. Các thiết bị điện cầm tay (như điện thoại di động, laptop) hiện nay hầu như sử dụng LiCoO2 (viết tắt LCO) lithium coban oxit làm cực âm. Chất này có mật độ năng lượng cao, nhưng kém an toàn, đặc biệt nguy hiểm khi pin bị rò rỉ.
Lithium sắt phosphate (LiFePO 4, hay LFP), lithium mangan oxit (LiMn2O4, Li2MnO3, hay gọi chung là LMO) và lithium niken mangan coban oxit (LiNiMnCoO2, hay NMC) là các vật liệu dương cực phổ biển khác, tuy nhiên chúng có mật độ năng lượng thấp hơn LCO, nhưng lại có vòng đời lâu hơn và an toàn hơn. Những pin dùng các vật liệu này thường được dùng trong các thiết bị điện y tế. Đặc biệt NMC hiện nay là ứng viên hàng đầu cho pin ứng dụng trong xe chạy điện. Liti niken coban nhôm oxit (LiNiCoAlO2 hay NCA) và liti titanat (Li4Ti5O12 hay LTO) được sử dụng trong 3 những mục đích đặc biệt.
Pin liti-S (lưu huỳnh) hay pin liti-sunfua là loại pin mới được phát triển, mang nhiều triển vọng nhờ hiệu năng cao và khối lượng nhỏ.Dòng oxy hóa khử pin: Một giải pháp lưu trữ năng lượng tiên tiến khác là pin dòng oxy hóa khử (pin nhiên liệu), thay thế các điện cực rắn bằng các hợp chất điện phân đậm đặc năng lượng (hydro-lithium bromate, bromine-hydro, hữu cơ, v.) được ngăn cách bởi một màng sạc và phóng điện như chất lỏng, luân chuyển trong không gian tương ứng của riêng họ. Trao đổi ion xảy ra thông qua màng phân tách khi các chất điện phân trải qua quá trình khử và oxy hóa (khử) và do đó có thể lưu trữ một lượng lớn năng lượng, hoàn hảo để gắn vào lưới điện.Lưu trữ năng lượng bánh đà: Chức năng lưu trữ năng lượng của bánh đà bằng cách tăng tốc rôtơ lên tốc độ cao và duy trì công suất dưới dạng năng lượng quay. Khi năng lượng đó được rút ra khỏi hệ thống, tốc độ quay của bánh đà bị giảm và được tăng tốc khi năng lượng được đưa vào lại. Hầu hết các hệ thống bánh đà tiên tiến đều được thiết kế các rôtơ composite có độ bền cao được treo bằng các ổ trục từ tính và khi có nguồn điện, bánh đà có thể quay trong vài phút lên 20.000 vòng/phút, đạt công suất năng lượng nhanh hơn so với các hình thức lưu trữ khác.
Tập đoàn tự động hóa Thụy Sĩ ABB gần đây đã triển khai giải pháp bánh đà/lưới điện siêu nhỏ thông minh ở Kodiak Alaska để có cơ hội mở rộng năng lượng tái tạo và ổn định lưới điện.Lưu trữ năng lượng khí nén: Các nhà máy lưu trữ năng lượng khí nén (CAES) tương tự như các nhà máy thủy điện bơm; Chỉ thay vì bơm nước từ ao thấp lên ao trên, không khí xung quanh được nén và lưu trữ dưới áp suất trong các hang ngầm để tích trữ năng lượng. Khi cần năng lượng đó, không khí có áp được làm nóng và giãn nở trong tuabin, do đó tạo động lực cho máy phát điện để sản xuất điện. Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương đang trong quá trình phát triển hệ thống CAES cho các nhà máy điện ở các khu vực nội địa Washington và Oregon khi cần thêm nguồn điện cho nhu cầu cao điểm.Lưu trữ nhiệt năng: Có một số loại lưu trữ nhiệt năng khác nhau, bao gồm lưu trữ năng lượng tiềm ẩn và nhiệt hóa học. Tuy nhiên, lưu trữ hợp lý được sử dụng nhiều nhất và 4 thường được ghép nối với các nhà máy điện mặt trời.
Hệ thống nhiệt hợp lý sử dụng môi trường lỏng hoặc rắn: Nước, cát, đá hoặc muối nóng chảy hoặc được làm nóng hoặc làm lạnh để lưu trữ năng lượng thu được. Dự án Crescent Dunes của SolarReserve là một ví dụ tuyệt vời về việc sử dụng hệ thống TES, sử dụng muối nóng chảy để lưu trữ 1.100 MegaWatt điện trong hai bể kim loại lớn được che chắn nhiệt và có thể lưu trữ năng lượng đó trong 40 năm mà không bị suy giảm.Tích trữ thủy điện có bơm (thủy điện tích năng): Tích trữ thủy điện có bơm dự trữ năng lượng bằng cách sử dụng nước chứa trong hồ chứa phía trên được bơm bằng điện từ hồ chứa phía dưới. Trong thời gian nhu cầu điện cao điểm, năng lượng bổ sung được sản xuất bằng cách giải phóng lượng nước tích trữ thông qua các tuabin giống như cách làm đập thủy điện truyền thống. Khi nhu cầu năng lượng giảm xuống, nước sau đó được chuyển ngược trở lại vào bể chứa cao hơn thường bằng các tuabin giống nhau, có thể hoạt động như cả máy bơm và máy phát điện.
Theo các chuyên gia : sự gia tăng của các công nghệ mới, thay đổi kỳ vọng và hành vi của người tiêu dùng cũng như sự tiến hóa về cấu trúc của hệ thống phát và phân phối điện trong thập kỷ qua đang tạo ra mảnh đất màu mỡ cho sự xuất hiện của bộ lưu trữ điện đang phát triển công nghệ là thành phần chính của bối cảnh mới trong lĩnh vực điện năng. Trước đây người ta quan điểm rằng việc lưu trữ năng lượng rất tốn kém, thì hiện nay quan niệm này đã thay đổi, khi có nhiều dự án đã được thực hiện trong vài năm qua, đặc biệt là liên quan đến các nguồn năng lượng tái tạo.5: 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. Lưu trữ năng lượng gió, hoặc năng lượng mặt trời bằng cách sử dụng thiết bị lưu 5 trữ năng lượng nhiệt, mặc dù kém linh hoạt hơn, nhưng ít tốn kém hơn đáng kể so với pin.6: 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.