Chương 1 trình bày tổng quan về vấn đề tích trữ năng lượng trong hệ thống điện, so sánh các dạng tích trữ và sự kết hợp giữa hệ thống tích trữ năng lượng dạng bánh đà kết hợp năng lượng điện gió trong hệ thống điện cục bộ, giải quyết những vấn đề tồn tại và mở ra hướng giải quyết khi kết hợp giữa hai hệ thống đó nhằm đạt mục tiêu đáp ứng những yêu cầu của hệ thống điện.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Hệ thống năng lượng là một hệ thống đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển về các lĩnh vực kinh tế, an ninh, sinh hoạt hằng ngày của người dân,… do đó việc xây dựng và phát triển các nguồn năng lượng sạch mà nhất là nguồn năng lượng tái tạo có thể kể đến như là năng lượng gió, năng lượng mặt trời. Đặc điểm của các nguồn năng lượng này là khó tích trữ, không liên tục. Vì vậy, cần có một hệ thống để có thể giải quyết được vấn đề trên. Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay, sự phát triển của sản xuất và đời sống đòi hỏi nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày một tăng.
Việc sử dụng hiệu quả điện năng là cách để giải quyết những khó khăn của vấn đề năng lượng đang đặt ra, trong đó tích trữ điện cũng là một giải pháp khả thi. Dù hiệu quả nhưng không phải là “vô tận” nên điện năng có giá cả thay đổi tùy thuộc vào thời điểm sử dụng, giá điện giờ thấp điểm sẽ rẻ hơn và ngược lại cao hơn nhiều trong những giờ cao điểm. Việc tích trữ điện đã và đang được các kỹ sư cũng như các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu, phát triển; nhiều công nghệ tích trữ điện ra đời và thực tế đã đem lại hiệu quả.2 Các hệ thống tích trữ năng lượng trong hệ thống điện Các dạng tích trữ chủ yếu được chia thành năm nhóm chính, đó là tích trữ dạng cơ năng, dạng năng lượng điện hóa, dạng hóa năng, dạng điện năng và dạng nhiệt năng. Mỗi dạng tích trữ có các công nghệ riêng biệt của nó và được tóm tắt qua bảng sau: 2 CÁC DẠNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Dạng điện hóa Dạng cơ năng Pin thông thường Dạng hóa năng Dạng điện năng Dạng nhiệt năng Thủy điện tích năng (Chì axit, NiCd, NiMH, Li, NaS) Khí hydro, Siêu tụ điện Tích trữ nhiệt Khí nén Điện phân,Fuel muối nóng chảy Pin lưu lượng cell, SNG Từ trường A-CAES Bánh đà (Dòng oxi hóa khử, siêu dẫn Dòng hỗn hợp) Hình 1.1 Các dạng tích trữ năng lượng trong hệ thống điện.
So sánh các công nghệ tích trữ: So sánh công nghệ tích trữ theo sự phát triển và độ hoàn thiện: Các công nghệ tích trữ có thể được chia thành 3 loại theo sự phát triển của chúng: - Công nghệ hoàn thiện: PHS và pin chì axit được đánh giá là các công nghệ hoàn thiện và đã đưa vào ứng dụng trong hơn 100 năm qua. - Công nghệ đã phát triển: CAES, NiCd, NAS, ZEBRA, Li-ion, pin lưu lượng, SMEG, bánh đà, tụ điện, siêu tụ điện, TES là những công nghệ đã phát triển. Chúng mang tính thương mại cao và được ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên với các ứng dụng quy mô lớn vẫn còn chưa được phổ biến. khả năng cạnh tranh và độ tin cậy của chúng vẫn cần được thử nghiệm và kiểm tra nhiều hơn bởi các ngành công nghiệp điện và thị trường tiêu thụ.
- Công nghệ đang phát triển: pin nhiên liệu, pin Metal-air, năng lượng mặt trời vẫn đang phát triển. Chúng không phát triển mạnh và toàn diện trên thị trường mặc dù kỹ thuật tốt đã được nghiên cứu bởi các tổ chức khác nhau. Trong tương lai, với sự lớn mạnh của công nghiệp sẽ tạo tiềm năng lớn cho sự tiên tiến của các công nghệ này.2 Phân loại các loại công nghệ tích trữ theo sự phát triển và hoàn thiện của chúng [5]. So sánh công nghệ tích trữ theo công suất vận hành: Hình 1.3 So sánh công nghệ tích trữ dựa theo công suất vận hành [4].
4 Hình trên cho thấy PHS có khả năng thương mại cao với công suất và thời gian xả lớn (có thể lên đến hơn 1000 MW) cung cấp năng lượng được trong vài giờ đến vài ngày. Chúng tiện lợi khi được ứng dụng trong các hệ thống quản lý năng lượng. Bên cạnh đó, cạnh tranh với PHS là công nghệ CAESs với quy mô lớn (công suất tích trữ khoảng từ 10 – 500 MWh). Các siêu tụ điện với công suất tích trữ và công suất phát không cao, chúng thích hợp cho các ứng dụng có quy mô nhỏ và khả năng đáp ứng nhanh trong thời gian ngắn.
Những công nghệ cho phép hoạt động ở mức công suất và thời gian đáp ứng trung bình như pin lưu lượng, SMES, CAES quy mô nhỏ, bánh đà tốc độ cao và các loại pin điện hóa. So sánh công nghệ tích trữ theo công suất vận hành với các ứng dụng liên quan và thời gian xả: Hình 1.4 Các công nghệ tích trữ và độ ứng dụng của chúng [5]. Các công nghệ tích trữ năng lượng điện nhằm phục vụ các mục đích liên quan đến chất lượng điện năng, kết nối hệ thống điện và quản lý năng lượng. Dựa 5 biểu đồ trên, có thể thấy PHS và CAES là thích hợp nhất cho ứng dụng về quản lý năng lượng với công suất tích trữ lớn và thời gian sử dụng lâu dài.
Chúng có thể được sử dụng để quản lý năng lượng cho các trạm phát có quy mô lớn với công suất trên 100MW. Về độ tự xả, PHS và CAES thuộc nhóm công nghệ có độ tự xả thấp nhất nên hiệu quả đem lại được đảm bảo (độ tự xả PHS từ 0-0,05%/ngày, CAES từ 0 - 10%/ngày). Các loại pin quy mô lớn, pin lưu lượng,v.v thích hợp cho việc quản lý năng lượng với quy mô trung bình có công suất từ 10 - 100 MW. Pin chì axit hữu dụng trong hầu hết các lĩnh vực, công suất định mức từ một đến vài chục MW, thời gian xả ngắn trong vài phút.
Ưu điểm của pin là có độ tự xả thấp nhất trong những loại công nghệ khác (chỉ 5%/tháng). Về đảm bảo chất lượng điện năng, hệ thống bánh đà quy mô lớn, siêu dẫn và siêu tụ điện quy mô công suất lớn là lựa chọn thích hợp do đáp ứng nhanh nhạy với công suất cung cấp cho khả năng tiêu thụ cao. Tuy vậy, bánh đà và SMES có độ tự xả lớn (bánh đà từ 3 -20%/giờ, SMES từ 10 -12%/ngày). Là cầu nối với hệ thống năng lượng, các loại pin, pin lưu lượng, pin Metal- air không chỉ có phản ứng nhanh trong thời gian chưa tới một giây, mà thời gian xả tương đối dài (vài giờ), do đó chúng thích hợp cho việc kết nối hệ thống năng lượng điện.
Công suất tác dụng mà các hệ thống tích trữ này đáp ứng được khoảng 100kW – 10 MW. So sánh công nghệ tích trữ theo mật độ năng lượng: Xét theo mật độ năng lượng, pin Metal-air, NaS và Li-ion có kích thước nhỏ và nhẹ, với dung lượng lớn trong phạm vi 70 – 500 kWh/ton và từ 150 – 800 kWh/m3, thích hợp cho các ứng dụng di động trong phương tiện giao thông và các thiết bị cầm tay.5 So sánh các công nghệ tích trữ dựa theo mật độ năng lượng [4]. Loại có khối lượng và kích thước lớn như bánh đà chỉ tiện lợi trong các hệ thống năng lượng với quy mô lớn. So sánh công nghệ theo hiệu suất tổng thể: Hiệu quả của công nghệ tích trữ được đánh giá thông qua tỷ lệ giữa năng lượng đầu ra và năng lượng đầu vào.
Không kể đến tự xả, các kết quả có thể thấy từ hình trên. - Công nghệ có hiệu quả rất cao: SMES, bánh đà, siêu tụ, pin Li-ion là các công nghệ có hiệu suất cao lên đến hơn 90%. - Công nghệ có hiệu quả cao: PHS, CAES, các loại pin (trừ Li-ion), pin lưu lượng và tụ điện thường có hiệu suất đạt từ 60 – 90%.6 Hiệu suất của hệ thống tích trữ năng lượng điện trong một chu kỳ nạp xả [4]. - Công nghệ có hiệu quả thấp: Hydrogen, pin Metal-air, năng lượng mặt trời, TES có hiệu suất thấp hơn 60%, do chúng bị tổn hao nhiều trong việc chuyển đổi qua lại từ điện xoay chiều sang hệ thống lưu trữ.
So sánh công nghệ theo chi phí đầu tư: Chi phí đầu tư ban đầu được xem là một trong những yếu tố quan trọng nhất của việc ứng dụng các công nghệ tích trữ. Chi phí này được xét trên cùng một đơn vị năng lượng qua hình sau: Hình 1.7 So sánh công nghệ tích trữ theo chi phí đầu tư [4]. 8 Với cùng một đơn vị năng lượng, chi phí ban đầu của các công nghệ như siêu tụ điện, bánh đà quy mô lớn phải tiêu tốn là rất lớn, hơn 1000 $/kWh. Ở các mức thấp hơn cùng thời gian sử dụng lâu hơn là các loại công nghệ: pin điện hóa, bơm hydro, CAES, pin lưu lượng, v.
Những công nghệ có chi phí ban đầu càng ít thì càng đem lại hiệu quả quản lý năng lượng tốt hơn, theo đó thời gian đáp ứng càng ngắn thì chất lượng nguồn năng lượng càng được đảm bảo. Qua việc so sánh các công nghệ tích trữ, ta thấy rằng, muốn lựa chọn một công nghệ tối ưu cần tính toán và cân đối nhiều vấn đề liên quan như khả năng tích trữ, công suất vận hành, mật độ năng lượng, độ tổn hao năng lượng, hiệu suất tổng thể, độ ảnh hưởng đến môi trường và cả chi phí tổn hao. Để có hiệu quả cao, các công nghệ tích trữ cần được áp dụng thích hợp cho từng trường hợp như: trong lưới điện cô lập vùng sâu vùng xa, lưới điện có kết nối với hệ thống điện hoặc các máy phát phân tán, v. Ngoài ra cần quan tâm đến đặc điểm của nguồn điện được khai thác từ nhiên liệu tái tạo hay hóa thạch.3 Ý nghĩa của đề tài Chính tầm quan trọng trên của điện năng mà vai trò của tích trữ năng lượng trong hệ thống điện vì thế mà trở nên cần thiết hơn, đặc biệt là trong hệ thống điện cục bộ, khi lưới điện có kết nối với hệ điện và các nguồn máy phát phân tán.
Những quy mô cần có tích trữ: - Đối với nguồn phát điện có biến động mạnh: Tích trữ góp phần cải thiện sự tham gia vào hệ thống điện của máy phát để sản xuất công suất phản kháng và tác dụng theo yêu cầu nhằm đảm bảo sự hội nhập tốt hơn cho nguồn điện trong thị trường mở cửa của năng lượng.
