Đề tài hệ thống lưu trữ năng lượng

Do vậy lưu trữ năng lượng điện được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như phát điện, mạng lưới phân phối và truyền tải, tài nguyên năng lượng phân tán, năng lượng tái tạo.Lịch sử của lưu trữ

Đề tài: Hệ thống lưu trữ năng lượng

1, Giới thiệu.

Lưu trữ năng lượng điện đề cập đến quá trình chuyển đổi năng lượng điện từ mạng lưới điện thành một dạng có thể được lưu trữ để chuyển đổi trở lại năng lượng điện khi cần Quy trình như vậy cho phép sản xuất điện khi nhu cầu phụ tải thấp hoặc từ các nguồn năng lượng không liên tục và được sử dụng vào những thời điểm nhu cầu phụ tải cao hoặc khi không có sẵn các phương tiện phát điện khác Do vậy lưu trữ năng lượng điện được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như phát điện, mạng lưới phân phối và truyền tải, tài nguyên năng lượng phân tán, năng lượng tái tạo.

Lịch sử của lưu trữ năng lượng điện bắt nguồn từ đầu thế kỷ 20, khi các trạm phát điện thường bị tắt qua đêm,người ta sử dụng các bộ ác-quy axit-chì cấp điện cho tải trên các mạng điện một chiều Nhận thấy tầm quan trọng của tính linh hoạt mà việc lưu trữ năng lượng mang lại trong các mạng lưới, hệ thống lưu trữ năng lượng đầu tiên, thủy điện tích năng (PHS), được đưa vào sử dụng vào năm 1929 Tính đến năm 2005, hơn 200 hệ thống PHS đã được sử dụng trên khắp thế giới, cung cấp tổng công suất phát điện hơn 100 GW Tuy nhiên, việc đầu tư vào thủy điện tích năng đã giảm xuống do vấn đề môi trường, thay vào đó, các hệ thống tích lũy năng lượng khác lại được quan tâm do một số vấn đề như sự phụ thuộc ngày càng nhiều vào điện của các ngành công nghiệp, vấn đề chất lượng của năng lượng được cung cấp, sự phát triển nhanh chóng của các nguồn năng lượng tái tạo,…Những yếu tố trên cộng với sự phát triển công nghệ nhanh chóng của các hệ thống lưu trữ năng lượng khiến những ứng dụng thực tế của chúng trở lên hấp dẫn trong những năm gần đây Một số hệ thống lưu trữ năng lượng: thủy điện tích năng, hệ thống lưu trữ năng lượng khí nén, pin, pin nhiên liệu,

2, Tính cấp bách và những ứng dụng của hệ thống lưu trữ năng lượng.

EES là nhu cầu khẩn cấp của ngành công nghiệp sản xuất điện thông thường Không giống như bất kỳ thị trường hàng hóa nào khác, các ngành sản xuất điện thông thường có rất ít hoặc không có cơ sở lưu trữ Hệ thống truyền tải và phân phối điện được vận hành để vận chuyển một chiều đơn giản từ các nhà máy điện lớn và xa đến người tiêu dung Điều này có nghĩa là điện phải luôn được sử dụng bằng lượng sản xuất ra Tuy nhiên, nhu cầu về điện thay đổi đáng kể, hàng ngày và theo mùa, phụ tải cực đại có thể chỉ kéo dài vài giờ mỗi năm Điều này dẫn đến các nhà máy có thiết kế không hiệu quả và đắt tiền Với hệ thống lưu trữ năng lượng, bằng cách có sẵn khả năng lưu trữ điện quy mô lớn bất cứ lúc nào, chúng ta chỉ cần xây dựng nhà máy với công suất phát điện đủ để đáp ứng nhu cầu điện trung bình thay vì nhu cầu cao điểm, diều này đặc biệt quan trọng với những hệ thống phát điện lớn.

Hơn nữa, EES được coi là một công nghệ cấp thiết cho các hệ thống nguồn năng lượng phân tán (DER) Khác với hệ thống điện thông thường có các tổ máy lớn, tập trung, DER thường được lắp đặt ở cấp phân phối, gần nơi sử dụng và tạo ra công suất thường trong phạm vi nhỏ từ vài kW đến vài MW DER được coi là một giải pháp thay thế bền vững, hiệu quả, đáng tin cậy và thân thiện với môi trường cho hệ thống năng lượng thông thường Tuy nhiên, các biến động phụ tải mạnh hơn và sụt áp đột ngột trong hệ thống DER do công suất nhỏ hơn và khả năng xảy ra lỗi đường dây cao hơn so với hệ thống công suất thông thường EES được xác định là giải pháp quan trọng để bù đắp tính linh hoạt của nguồn điện và cung cấp nguồn điện liên tục trong các trường hợp sụt áp tức thời đối với hệ thống nguồn năng lượng phân tán.

Cấp thiết hơn, các hệ thống lưu trữ năng lượng rất quan trọng đối với các hệ thống cung cấp năng lượng tái tạo không liên tục như quang điện mặt trời, gió,… Việc khai thác các nguồn tài nguyên tái tạo có thể thay thế một lượng đáng kể năng lượng được sản xuất bởi các nhà máy điện truyền thống Tuy nhiên, tính gián đoạn và không kiểm

soát được của các hệ thống phát điện dựa trên năng lượng tái tạo đã trở thành rào cản lớn đối với khả năng mở rộng của năng lượng tái tạo và ngành công nghiệp điện xanh Một hệ thống lưu trữ năng lượng phù hợp là giải pháp hiệu quả để đối phó với vấn đề trên : năng lượng dư có thể được lưu trữ khi năng lượng sản xuất vượt quá nhu cầu tải và sau đó được sử dụng khi nhu cầu tải lớn hơn so với lượng sản xuất.

3, Một số hệ thống lưu trữ năng lượng.

3.1, Thủy điện tích năng(PHS).

Thủy điện tích năng(PHS) là hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn được thực hiện rộng rãi nhất Như được thể hiện dưới dạng giản đồ trong Hình 1, một hệ thống như vậy thường bao gồm (1) hai bể chứa nằm ở các độ cao khác nhau, (2)một bộ phận để bơm nước lên độ cao (để lưu trữ điện năng dưới dạng thế năng thủy lực trong giờ thấp điểm), và (3) một tua bin để tạo ra điện với nước quay trở lại độ cao thấp (chuyển đổi thế năng thành điện trong giờ cao điểm).

PHS là một công nghệ với lượng lưu trữ lớn, thời gian lưu trữ dài, hiệu quả cao và vốn chi phí trên một đơn vị năng lượng tương đối thấp Nếu tính đến lượng thất thoát do bay hơi và chuyển hóa, có thể lấy lại được 71% đến 85% năng lượng điện được sử dụng để bơm nước vào hồ chứa trên cao Công suất điển hình của PHS là khoảng 1000 MW (100 MW – 3000 MW) và các cơ sở tiếp tục được lắp đặt trên toàn thế giới với tốc độ lên đến 5 GW mỗi năm Xếp hạng PHS là cao nhất trong số các hệ thông năng lượng hiện có, do đó nó thường được áp dụng để quản lý năng lượng, kiểm soát tần số và dự trữ

Hạn chế chính của PHS nằm ở chỗ điều kiện địa lý để thết kế hai hồ chứa lớn và một hoặc hai đập Thời gian xây dựng dài (thường là 10 năm) và chi phí cao (thường là hàng trăm đến hàng nghìn triệu đô la) cho các vấn đề về xây dựng và môi trường (ví dụ

như loại bỏ cây cối và thảm thực vật khỏi một lượng lớn đất trước khi hồ chứa bị ngập) là ba hạn chế chính trong việc triển khai PHS.

Hình 1 Giản đồ nhà máy thủy điện tĩnh năng.

3.2, Lưu trữ năng lượng khí nén(CAES).

CAES là công nghệ thương mại duy nhất hiện nay (bên cạnh PHS) có khả năng cung cấp khả năng lưu trữ năng lượng rất lớn( hơn 100MW với mỗi tổ máy).

Hình 2 là giản đồ hệ thống lưu trữ năng lượng khí nén.Nó bao gồm năm thành phần chính: (1) Động cơ / máy phát điện (2) Một máy nén khí từ hai cấp trở lên với bộ làm mát giữa và bộ làm mát sau, để đạt được hiệu quả nén và giảm độ ẩm của khí nén.

(3) Một dãy tuabin, có cả tuabin cao áp và thấp áp (4) Một khoang / thùng chứa để lưu trữ khí nén, có thể là các hang đá dưới lòng đất được tạo ra bằng cách đào các hố đá tương đối cứng và không thấm nước, các hang muối được tạo ra bằng cách khai thác muối dạng dung dịch hoặc khô hoặc các mỏ khí hoặc dầu đã cạn kiệt (5) Thiết bị điều khiển và phụ trợ như bộ phận lưu trữ nhiên liệu và bộ trao đổi nhiệt.

CAES hoạt động trên cơ sở máy phát điện tuabin khí thông thường Nó tách các chu kỳ nén và giãn nở của tuabin khí thông thường thành hai quá trình riêng biệt và lưu trữ năng lượng dưới dạng thế năng đàn hồi của khí nén Trong thời gian nhu cầu thấp, năng lượng được lưu trữ bằng cách nén không khí vào một không gian kín khí Để sử dụng năng lượng dự trữ, không khí nén được hút từ khoang chứa, được làm nóng và sau đó được đưa qua một tuabin áp suất cao, thu được một số năng lượng trong khí nén Sau đó không khí được trộn với nhiên liệu và đốt cháy với ống xả được mở rộng thông qua một tuabin áp suất thấp Cả tuabin áp suất cao và thấp đều được kết nối với máy phát điện để sản xuất điện Nhiệt thải của khí thải có khả năng được thu giữ thông qua bộ thu hồi nhiệt trước khi thải ra ngoài.

Hệ thống CAES được thiết kế hoạt động theo chu kì ngày Cách thiết kế này cho phép CAES chuyển đổi nhanh chóng từ chế độ phát điện sang chế độ nén khí Do đó CAES rất phù hợp cho các hệ thống có tải thay đổi đáng kể trong chu kỳ hàng ngày và với chi phí thay đổi đáng kể theo mức độ phát điện hoặc thời gian trong ngày CAES có thời gian lưu trữ tương đối dài, chi phí vốn thấp và hiệu quả cao Đánh giá điển hình cho hệ thống CAES nằm trong khoảng 50–300 MW, cao hơn nhiều so với các công nghệ lưu trữ khác (trừ PHS) Thời gian lưu trữ có thể trên một năm Hiệu quả lưu trữ của CAES nằm trong khoảng 70–89%.

Hình 2 Giản đồ hệ thống lưu trữ năng lượng khí nén

Tương tự như PHS, rào cản lớn đối với việc thực hiện CAES cũng là sự phụ thuộc vào địa lý, do đó nó chỉ khả thi về mặt kinh tế đối với các nhà máy điện có mỏ đá, hang muối, tầng chứa nước hoặc các mỏ khí đã cạn kiệt gần đó Ngoài ra, CAES không phải là một hệ thống độc lập và phải được liên kết với một nhà máy tuabin khí Nó không thể được sử dụng trong các loại nhà máy điện khác như nhà máy nhiệt điện than, hạt nhân, tuabin gió hoặc quang điện mặt trời Quan trọng hơn, do yêu cầu cần đốt cháy nhiên liệu hóa thạch và phát thải gây ô nhiễm khiến CAES kém hấp dẫn hơn Do đó, một số hệ thống CAES cải tiến được đề xuất hoặc đang được nguyên cứu(AACAES).

Có hai nhà máy CAES trên thế giới Nhà máy CAES đầu tiên ở Huntorf, Đức, đi vào hoạt động từ năm 1978 Nhà máy này có thể tích ~310.000 m3, được chuyển đổi từ một mỏ muối khai thác dung dịch nằm dưới lòng đất 600 m, kết hợp với máy nén 60 MW cung cấp áp suất tối đa 10 MPa Nó chạy theo chu kỳ hàng ngày với 8 giờ sạc và có thể tạo ra 290 MW trong 2 giờ

3.3, Pin.

Pin có thể sạc lại / thứ cấp là hình thức lưu trữ điện lâu đời nhất, lưu trữ điện dưới dạng năng lượng hóa học Pin bao gồm một hoặc nhiều tế bào điện hóa và mỗi tế bào bao gồm chất điện phân lỏng, sệt hoặc rắn cùng với điện cực dương (cực dương) và điện cực âm (cực âm) Trong quá trình tích điện, các phản ứng điện hóa xảy ra ở hai cực điện tử tạo ra dòng electron chạy qua mạch ngoài Các phản ứng có thể đảo ngược, cho phép sạc lại pin bằng cách đặt một điện áp bên ngoài qua các điện cực.

Có thể nói pin rất thích hợp cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng điện Chúng không chỉ cung cấp tính đa dạng của nhiên liệu và các lợi ích về môi trường, mà còn mang lại một số lợi ích quan trọng trong hệ thống điện do có thể phản hồi rất nhanh với những thay đổi về tải, nâng cao tính ổn định của hệ thống Pin thường có tổn thất ở chế độ chờ rất thấp và có thể có hiệu suất năng lượng cao (60–95%)

Tuy nhiên, việc lưu trữ pin quy mô lớn vẫn còn hiếm cho đến khá gần đây vì mật độ năng lượng thấp, khả năng lưu trữ điện nhỏ, chi phí bảo trì cao, vòng đời ngắn và khả năng xả điện hạn chế Ngoài ra, hầu hết các loại pin đều chứa các vật liệu độc hại Do đó, tác động sinh thái từ việc vứt bỏ pin không được kiểm soát phải luôn được xem xét Các loại pin đang được sử dụng hoặc có khả năng thích hợp cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng pin bao gồm axit chì, niken cadimi, lưu huỳnh natri, natri niken clorua và Li-ion.

3.3.1 Pin axit-chì(Ác qui axit chì).

Pin axit chì, được phát minh vào năm 1859, là thiết bị điện hóa có thể sạc lại lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi nhất Một pin axit chì bao gồm (ở trạng thái tích điện) các điện cực bằng kim loại chì và ôxit chì trong chất điện phân là axit sunfuric có nồng độ khoảng 37% Ở trạng thái xả điện, cả hai điện cực đều biến thành chì sunfat và chất điện phân mất axit sunfuric và chủ yếu trở thành nước Các phản ứng hóa học xảy ra là: (i) Anot: Pb + SO42- ↔ PbSO4 + 2e-

(ii) Catốt: PbO2 + SO42- + 4H+ +2e-↔ PbSO4 + 2H2O Quá trình này ngược lại ở trạng thái xả.

Có một số loại ắc quy axit chì bao gồm: ắc quy cần bảo dưỡng yêu cầu châm nước thường xuyên, ắc quy không cần bảo dưỡng không cần châm thêm nước sử dụng trong khởi động và ắc quy có van điều chế Ắc quy axit chì có chi phí thấp (300–600 đô la / kWh), độ tin cậy và hiệu quả cao (70–90%) Nó là một lựa chọn phổ biến cho một số ứng dụng về chất lượng điện, UPS và dự trữ quay Tuy nhiên, ứng dụng của nó về quản lý năng lượng còn rất hạn chế do vòng đời ngắn (500–1000 chu kỳ) và mật độ năng lượng thấp (30–50 Wh / kg) Mặc dù vậy, pin axit chì đã được sử dụng trong một số ứng dụng quản lý năng lượng quy mô lớn và thương mại như hệ thống 8,5 MWh / 1 h ở Nhà máy BEWAG (Berlin, Đức), hệ thống 14 MWh / 1,5 giờ ở PREPA (Puerto Rico) Hệ thống lớn nhất là hệ thống 40 MWh ở Chino, California (Mỹ), hoạt động với công suất định mức 10 MW trong 4 giờ

3.3.2 Pin Li-ion.

Pin Lithium ion, lần đầu tiên được đề xuất vào những năm 1960, được thương mại đầu tiên được Sony sản xuất vào năm 1991 Kể từ đó, sự phát triển vật liệu được cải thiện đã dẫn đến những cải tiến lớn về mật độ năng lượng (tăng từ 75 lên 200 Wh / kg)

và tuổi thọ chu kỳ (tăng lên tới 10.000 chu kỳ) Hiệu suất của pin Li-ion gần như 100% - một ưu điểm quan trọng khác so với các loại pin khác.

Hình 3 mô tả quá trình nạp, xả của pin Li-ion Cực âm trong loại pin này là (LiCoO2, LiMO2, LiNiO2, v.v.) và cực dương được làm bằng than chì có cấu trúc phân lớp Chất điện phân được tạo thành từ các muối liti (chẳng hạn như LiPF6) hòa tan trong các muối cacbonat hữu cơ Khi pin được sạc, các nguyên tử lithium trong cực âm trở thành ion và di chuyển qua chất điện phân về phía cực dương carbon, nơi chúng kết hợp với các điện tử bên ngoài và được lưu trữ giữa các lớp than chì dưới dạng nguyên tử lithium Quá trình này được đảo ngược trong quá trình xả Khi xả, ion liti (mang điện dương) di chuyển từ cực âm, qua dung dịch điện ly, sang cực dương Để cân bằng điện tích giữa 2 cực, cứ mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương (cathode) trong lòng pin, thì ở mạch ngoài, lại 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, nghĩa là sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm

Mặc dù pin Li-ion chiếm hơn 50% thị trường thiết bị di động nhỏ, nhưng có một số thách thức đối với việc sản xuất pin Li-ion quy mô lớn, rào cản lớn nhất là chi phí cao (> 600 đô la / kWh) do các mạch bảo vệ quá tải bên trong

Hình 3 Quá trình nạp, xả pin Li-ion

3.4, Bánh đà.

Bánh đà đã được sử dụng để lưu trữ năng lượng trong hàng nghìn năm Chúng tích trữ năng lượng dưới dạng mômen động lượng của một khối quay Ở chế độ nạp nguồn điện xoay chiều đi qua bộ lọc tới bộ biến đổi AC/DC chuyển thành dòng điện 1 chiều dẫn vào động cơ điện Động cơ điện quay kéo theo bánh đà quay và tích trữ năng lượng dưới dạng động năng Ở chế độ xả khi nguồn điện bị ngắt, bánh đà vẫn quay kéo theo rotor của máy phát quay , dòng điện tạo ra đi qua bộ biến đổi DC/AC chuyển thành dòng xoay chiều Dòng điện xoay chiều này qua bộ lọc được cấp ngược lại lên lưới điện Tốc độ quay của bánh đà được cảm biến ghi lại và truyền lên bộ điểu khiển chuyển đổi năng lượng để điểu chỉnh tỉ lệ các thông số biến đổi AC/DC, DC/AC sao cho phù hợp Tổng năng lượng của hệ thống bánh đà phụ thuộc vào kích thước và tốc độ của rôto, và công suất định mức phụ thuộc vào động cơ-máy phát.

Hình 4 Hệ thống bánh đà

Hình 4 cho thấy một thiết bị lưu trữ bánh đà điển hình bao gồm một bánh đà quay với vận tốc rất cao để có thể lưu trữ tối đa động năng quay, một hệ thống ngăn chứa cung cấp môi trường chân không để giảm thiểu tổn thất do gió và bảo vệ cụm rôto khỏi các nhiễu động bên ngoài, giá đỡ từ giảm tổn thất quay cho rôto bánh đà và hệ thống điều khiển và chuyển đổi công suất để vận hành bánh đà để tích trữ năng lượng hoặc phát công suất tiêu thụ điện theo yêu cầu.

Ưu điểm chính của bánh đà so với pin là chúng có tuổi thọ cao, có khả năng hoạt động hàng trăm nghìn chu kỳ sạc - xả đầy Hiệu suất của bánh đà cao và thường nằm trong khoảng 90–95% Các ứng dụng của bánh đà chủ yếu là trên các ứng dụng công suất cao / thời gian ngắn (ví dụ: 100 giây kW / 10 giây giây) Ứng dụng phổ biến nhất là để cung cấp khả năng vượt qua các gián đoạn dài đến 15 giây hoặc để làm cầu nối chuyển dịch từ nguồn điện này sang nguồn điện khác Các hệ thống như vậy có thể