Pin lưu trữ BESS: Thông số, phân loại và cách lựa chọn hiệu quả

Pin lưu trữ được coi là “trái tim” của hệ thống BESS, có nhiệm vụ lưu trữ năng lượng và giải phóng khi cần. Mật độ năng lượng, hiệu suất, tốc độ sạc/xả… trong loại pin này không giống nhau, tùy thuộc vào thành phần hóa học chính của pin. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu các loại pin lưu trữ BESS phổ biến nhất, cũng như cách lựa chọn pin BESS phù hợp. 

Đặc điểm của pin lưu trữ trong hệ thống BESS 

BESS thông thường không chứa các pin lưu trữ riêng lẻ mà là tập hợp của một hệ thống pin - cấu thành từ nhiều cell pin điện áp thấp được sắp xếp trong cùng một giá đỡ, đặt trong module hoặc vỏ container để đạt dung lượng, công suất cần thiết. Tại đây, các cell pin chịu trách nhiệm chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện để cung cấp dòng điện khả dụng cho các ứng dụng sinh hoạt, sản xuất. 

Nguyên tắc hoạt động đồng nhất của pin lưu trữ là sạc khi lưới điện ở thời điểm giá điện thấp hoặc năng lượng tái tạo dư thừa và xả khi giá điện cao hoặc năng lượng tái tạo không đủ đáp ứng. Nhờ đó, hệ thống BESS là giải pháp công nghệ tiên tiến giúp cân bằng nhu cầu cung cầu, ổn định lưới điện, tối ưu chi phí tiền điện và sử dụng hiệu quả hơn các nguồn năng lượng tái tạo. 

Đặc biệt, công nghệ pin lưu trữ sử dụng thuật toán, Al và các phần mềm tiên tiến để theo dõi, giám sát tình trạng sức khỏe của pin nên BESS được đánh giá là an toàn, hiệu quả, dễ dàng tích hợp và thân thiện với môi trường hơn các giải pháp cấp điện dự phòng như dùng máy phát điện từ xăng hoặc dầu diesel. 

Các thông số quan trọng của pin lưu trữ BESS

Các thông số này cho biết về tình trạng vận hành cũng như tình trạng sức khỏe của pin lưu trữ nói riêng và hệ thống lưu trữ năng lượng BESS nói chung. Đây cũng là cơ sở để các chuyên gia đánh giá tính hiệu quả của một hệ thống pin lưu trữ. 

Dung lượng của pin và độ xả sâu (DoD)

Dung lượng của pin là lượng năng lượng tối đa mà pin BESS có thể lưu trữ, quyết định thời gian cấp điện của hệ thống. Trong khi độ xả sâu đề cập đến tỷ lệ % năng lượng được xả so với tổng dung lượng danh định trong mỗi chu kỳ. 

Thông thường, pin lưu trữ có 2 chế độ xả là xả sâu (deep-cycle) và xả nông (shallow-cycle). Pin xả sâu có thể giải phóng năng lượng đến 50%, thậm chí là 80%. Để đạt được hiệu suất tương tự, pin xả nông phải có dung lượng lớn hơn. 

Ngoài ra, dung lượng tức thời và khả dụng của pin cũng bị ảnh hưởng bởi mức xả và nhiệt độ hoạt động. Ước tính, dung lượng pin sẽ giảm 1%/ độ C khi nhiệt độ dưới 20 độ C. Thế nhưng, nhiệt độ cao lại đẩy nhanh quá trình lão hóa, tự xả và làm suy giảm chất điện phân trong pin. Vì vậy, cần đảm bảo nhiệt độ hoạt động tiêu chuẩn phù hợp với mỗi loại pin trong hệ thống BESS. 

Tốc độ sạc/xả (C)

Tốc độ sạc xả của pin BESS được biểu thị bằng hệ số C. Ví dụ, 1C nghĩa là pin sẽ được sạc đầy từ 0-100% hoặc xả từ 100-0% trong vòng 1 giờ. 

Tuổi thọ pin

Tuổi thọ dự kiến trung bình của pin lưu trữ BESS là từ 5-15 năm. Tuy nhiên, thông số này có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. 

• Chu kỳ sạc/xả: Là số lần pin BESS có thể sạc và xả đầy trước khi phải thay mới. Pin lithium có chu kỳ sạc/xả trung bình từ 6.000 đến 7.000 lần, cao hơn nhiều so với các loại pin công nghệ cũ. 
• Độ xả sâu: Độ xả sâu cao giúp giảm chi phí đầu tư nhưng có thể làm giảm tuổi thọ của pin. Tuy nhiên, ắc quy deep-cycle có thể duy trì hơn 1.000 chu kỳ kể cả khi giá trị DoD >50%. Số lượng chu kỳ này ở ắc quy shallow-cycle thường thấp hơn. 
• Đặc tính sạc: Quá trình sạc “non” pin dễ khiến vật liệu suy giảm hoạt tính hoặc sunfat hóa ắc quy, ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của pin. 
• Nhiệt độ pin: Pin BESS hoạt động ở nhiệt độ cao quá mức tiêu chuẩn có thể xảy ra hiện tượng mất ổn định nhiệt, là nguyên nhân chính gây cháy nổ. 

Hiệu suất

Hiệu suất của pin BESS là tỷ lệ % năng lượng được lưu trữ hiệu quả so với năng lượng sạc vào sau một chu kỳ. Hiệu suất trung bình ở các loại pin rơi vào khoảng 70-75%, phần còn lại bị thất thoát dưới dạng nhiệt. Riêng pin lithium-ion có hiệu suất lên đến 85-92%. 

Yêu cầu bảo dưỡng

Pin lưu trữ BESS có yêu cầu bảo dưỡng không giống nhau. Ví dụ, pin chì-axit dễ mất nước do sự thất thoát của khí hydro và oxy nên cần phải bổ sung nước thường xuyên. Trong khi đó, pin gốc natri dễ bị ăn mòn nên cần môi trường bảo quản, bảo dưỡng tránh nước và độ ẩm cao. 

Đọc ngay: An toàn trong hệ thống BESS: Các tiêu chuẩn và biện pháp giảm thiểu nguy cơ cháy nổ

Loại pin

Mỗi loại pin lưu trữ trong hệ thống BESS sẽ có đặc điểm khác nhau về mật độ năng lượng, tuổi thọ, hiệu suất và tính an toàn. Tùy theo yêu cầu của từng hệ thống mà các nhà đầu tư sẽ lựa chọn loại pin phù hợp. 

Các loại pin lưu trữ BESS phổ biến

Việc phân loại pin lưu trữ BESS chủ yếu dựa trên thành phần hóa học của pin. Dưới đây là các loại pin được sử dụng phổ biến nhất trong hệ thống lưu trữ năng lượng. 

Pin lithium-ion (Li-Ion)

Phải có đến 90% hệ thống BESS trên thế giới đang sử dụng pin lithium-ion, với nhiều dạng khác nhau như: lithium-ion coban oxit (LiCoO2), lithium-ion niken coban nhôm oxit (NCA), lithium-ion niken mangan coban oxit (NMC), lithium-ion sắt phosphate (LiFePO4), lithium-ion titanat (LTO) và lithium-ion rắn, trong đó LFP và NMC là 2 loại phổ biến nhất.

Ưu điểm của dòng pin lithium-ion là mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài (từ 15-20 năm), thời gian sạc/xả nhanh và yêu cầu bảo trì tương đối thấp. 

Tuy nhiên, dòng pin này lại có nhược điểm là chi phí đầu tư cao, nhạy cảm với nhiệt độ khắc nghiệt nên dễ cháy nổ. Ước tính mỗi năm trên thế giới có khoảng 20 - 30 vụ cháy nổ hệ thống lưu trữ năng lượng, trong đó sự cố xảy ra ở cell pin lithium-ion chiếm khoảng 11%.  Tuy nhiên, công nghệ pin lithium-ion sắt phosphate ra đời đã mở ra một bước ngoặt mới cho pin BESS nhờ tuổi thọ dài hơn và độ an toàn cao hơn so với Li-Ion gốc niken. 

Pin chì - axit (PbA)

Là một trong những dòng pin sạc lâu đời nhất (khoảng 150 năm), pin chì-axit đã chứng minh được tầm quan trọng trong ngành công nghiệp EV và các ứng dụng lưu điện UPS. Tuy nhiên, pin chì-axit không phải lựa chọn tối ưu cho hệ thống BESS hiện đại do nhược điểm mật độ năng lượng thấp, tốc độ sạc chậm, tuổi thọ ngắn (5-10 năm) và quy trình bảo trì phức tạp (pin axit-chì không kín sẽ tạo hydro và oxy từ chất điện phân nước khi sạc quá mức nên cần phải làm mát liên tục bằng chất lỏng để tránh làm hỏng pin). 

Bù lại, pin PbA rẻ hơn rất nhiều so với pin lithium nên công nghệ này phù hợp sử dụng trong hệ thống điện ngoài lưới quy mô nhỏ của các hộ gia đình để tiết kiệm chi phí. Thực tế, một số hệ thống BESS cũ vẫn đang sử dụng pin chì-axit thay cho các công nghệ mới. 

Pin natri - lưu huỳnh (NaS)

Natri-lưu huỳnh là loại pin có mật độ năng lượng cao, công suất lớn, tuổi thọ dài và có khả năng hoạt động ổn định ở nhiệt độ khắc nghiệt (từ 300-500 độ C) nên ứng dụng phổ biến nhất là lưu trữ lưới điện cố định quy mô lớn và tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo.

Tuy nhiên, do hoạt động ở ngưỡng nhiệt cao nên pin Natri-lưu huỳnh cần có hệ thống sưởi đặc biệt để duy trì nhiệt độ vận hành. Chưa kể, natri là kim loại có tính khử mạnh, dễ bị ăn mòn và dễ cháy nổ nên khá nguy hiểm khi không được vận hành và bảo quản đúng cách. 

Dẫu tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ cao, pin gốc natri như Natri-lưu huỳnh vẫn nổi lên như đối thủ cạnh tranh của pin lithium-ion, nhất là trong ứng dụng lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Nguyên nhân là bởi, so với pin lithium-ion, pin Natri-ion trong BESS có chi phí sản xuất thấp hơn, với nguồn nguyên liệu dồi dào hơn, quá trình sản xuất - xử lý ít gây ô nhiễm hơn trong khi nguyên lý hoạt động, cấu trúc cell pin và đặc tính cấp điện của 2 loại pin này là tương tự. Hiện tại, hệ thống BESS sử dụng công nghệ ion natri lớn nhất nằm ở tỉnh Hồ Bắc (Trung Quốc) với công suất 50MW/100MWh. 

Pin dòng chảy (pin lưu lượng)

Khác với pin sạc thông thường lưu trữ năng lượng trong vật liệu điện rắn, pin dòng chảy lưu trữ và giải phóng năng lượng trong dung dịch điện phân tại các bể riêng biệt, sau đó chảy vào cell trung tâm nên có thể linh hoạt mở rộng và lưu trữ lâu dài. Do đó, loại này thường được sử dụng trong hệ thống năng lượng tái tạo quy mô lớn với ưu điểm tuổi thọ cao (25-30 năm) và an toàn hơn (chứa chất điện phân không bắt lửa). Nhược điểm của pin dòng chảy nằm ở mật độ năng lượng thấp, tốc độ sạc/xả không cao, hiệu suất bị phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường nhưng chi phí đầu tư lại cao. 

Trong số pin dòng chảy, pin oxy hóa khử Vanadi (VRB) là loại phổ biến nhất, cho thời lượng pin lên đến 8 giờ và linh hoạt về công suất đầu ra. 

Pin kẽm brom

Bản chất, pin kẽm brom cũng là một dạng của pin dòng chảy, dùng dung dịch điện phân kẽm bromua để lưu trữ năng lượng. Pin kẽm-brom được phát triển như giải pháp thay thế cho pin lithium-ion nhằm tối ưu chi phí trong các ứng dụng điện cố định. Chất điện phân gốc nước trong loại pin này giúp hạn chế tình trạng quá nhiệt, cháy nổ ở pin lithium. 

Pin thể rắn

Pin thể rắn được coi là công nghệ pin mới bằng cách thay thế chất điện phân lỏng bằng vật liệu rắn (gốm, vật liệu tổng hợp), cho khả năng cải thiện mật độ năng lượng, tính an toàn và tốc độ sạc. 

Tuy nhiên, công nghệ pin thể rắn vẫn đang trong giai đoạn phát triển do chi phí sản xuất cao. Ứng dụng phù hợp nhất của loại pin này là hệ thống lưu trữ quang điện quy mô lớn. 

Pin kẽm-không khí (Zinc-air)

Pin kẽm-không khí sử dụng oxy trong không khí làm cực dương và kẽm trong pin làm cực âm. Loại pin này ngày càng có tính ứng dụng phổ biến nhờ ưu điểm mật độ năng lượng cao nhất trong công nghệ pin BESS, nguyên liệu sản xuất rẻ, thân thiện với môi trường và ít có nguy cơ cháy nổ. 

Tuy vậy, hạn chế lớn nhất của pin kẽm-không khí là tuổi thọ hạn chế, thường chỉ sử dụng được một lần, chi phí sản xuất cao và hiệu suất phụ thuộc vào nồng độ oxy trong không khí nên được ứng dụng cho các hệ thống chuyên biệt như điện dự phòng và lưu trữ năng lượng quy mô nhỏ. 

Xem thêm: Các thành phần chính trong hệ thống lưu trữ điện năng BESS

Cách lựa chọn pin lưu trữ BESS

Pin lưu trữ cho hệ thống BESS được đánh giá là hiệu quả khi cân bằng được 2 yếu tố gồm hiệu suất và giá cả. Bạn có thể tham khảo các tiêu chí sau đây khi lựa chọn pin lưu trữ BESS. 

• Nhu cầu lưu trữ năng lượng

Để lựa chọn được loại pin lưu trữ phù hợp, trước hết cần xác định được nhu cầu lưu trữ năng lượng bằng cách tính toán dung lượng lưu trữ (kWh) và công suất đầu ra (kW) cần thiết cho ứng dụng. 

Nếu chỉ có mục đích lưu trữ năng lượng từ các tấm pin mặt trời dùng trong hộ gia đình, công nghệ chì-axit có thể cân nhắc nhờ ưu điểm giá rẻ. Ngược lại, nếu quy mô ứng dụng ở công ty điện lực, bạn cần hệ thống pin lithium-ion có mật độ năng lượng và tính tin cậy cao hơn.

• Vòng đời ứng dụng

Tuổi thọ của pin cho biết số lần sạc/xả cho phép của pin trước khi bị giảm hiệu suất. Ví dụ, pin dòng chảy có tuổi thọ 20.000 chu kỳ nhưng pin lithium-ion chỉ có khoảng 5.000 chu kỳ. Cần đánh giá được vòng đời của ứng dụng để lựa chọn loại pin tối ưu nhất. 

• Chi phí đầu tư

Đây là yếu tố quyết định đến chất lượng của pin lưu trữ BESS. Trong đó, pin lithium-ion có chi phí đầu tư đắt nhất, sau đó đến pin dòng chảy và pin natri-ion. Tham khảo thêm tại: Giá BESS tại Việt Nam và thế giới

• Tác động đến môi trường

Trong bối cảnh toàn cầu hướng tới mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính, việc lựa chọn pin lưu trữ cần xem xét đến cả dấu chân môi trường của công nghệ pin. Theo đó, pin lithium-ion tuy có mật độ năng lượng cao nhưng lại thải ra carbon nhiều hơn pin axit-chì hay pin natri-ion. Chưa kể, công nghệ tái chế pin vẫn còn nhiều hạn chế nên dẫu được kỳ vọng là góp phần chuyển đổi năng lượng xanh toàn diện, hệ thống lưu trữ năng lượng BESS vẫn tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm môi trường từ pin tái chế không đúng cách. 

Một số câu hỏi về pin lưu trữ BESS

Câu hỏi 1: Tuổi thọ trung bình của pin lưu trữ BESS là bao lâu?

Trả lời: Hầu hết các hệ thống pin lưu trữ có tuổi thọ từ 5 - 15 năm. Nếu muốn cải thiện tuổi thọ hệ thống, pin lithium-ion hoặc pin dòng chảy là lựa chọn tối ưu nhưng chi phí đầu tư ban đầu cao. 

Câu hỏi 2: Tại sao pin lithium-ion được sử dụng phổ biến nhất?

Trả lời: Pin lithium-ion có ưu điểm vượt trội gồm mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài (từ 15-20 năm), thời gian sạc/xả nhanh và yêu cầu bảo trì tương đối thấp. Do đó đây là loại pin phổ biến nhất trong các hệ thống BESS. 

Câu hỏi 3: Pin lưu trữ BESS có gây ô nhiễm môi trường không?

Trả lời: Hệ thống BESS được đánh giá là thân thiện với môi trường, giảm khí thải carbon. Tuy vậy, quá trình sản xuất, tái chế pin lưu trữ BESS vẫn có những tác động tiêu cực đến môi trường: 

• Việc khai thác kim loại như lithium, coban, niken có thể gây ô nhiễm đất và nước. 
• Sản xuất pin có thể phát thải khí Co2 và nhiều chất ô nhiễm khác. 
• Hóa chất trong pin khi bị rò rỉ sẽ gây ô nhiễm nguồn chất lỏng và tăng nguy cơ cháy nổ. 
• Việc tái chế pin cũng đòi hỏi quy trình phức tạp để giảm thiểu tác động đến tự nhiên. 

Các kiến thức khác liên quan đến hệ thống lưu trữ năng lượng BESS, bạn có thể tìm hiểu tại: https://btb-electric.com/vi/