Vai trò của mật độ năng lượng đối với ắc quy quy mô lưới
Hình ảnh vệ tinh và hình ảnh của một số pin lưu lượng lithium-ion và vanadi lớn nhất được triển khai cho đến nay. Ảnh: Energy Advances (2023). DOI: 10.1039/D3YA00208J
Bởi vì mặt trời không chiếu sáng vào ban đêm nhưng tất cả các màn hình của chúng ta đều có, nên chúng ta cần lưu trữ năng lượng để chuyển quá trình sản xuất năng lượng mặt trời vào ban ngày sang khi cần vào buổi tối. Để đối phó với sự gián đoạn này của năng lượng tái tạo, chúng ta không thể dựa vào sản xuất gió, điều này cũng không cố định; do đó, hàng nghìn pin lithium-ion có kích thước bằng thùng hàng đã được lắp đặt trong các lưới điện trên khắp thế giới.
Nhà điều hành hệ thống độc lập California CAISO đã đạt được thành công lớn với hệ thống pin của họ. Trong đợt nắng nóng vào tháng 9 năm ngoái, pin của họ đã cung cấp 3,3 GW hay 6,8% tổng nguồn điện khi nhu cầu đạt đỉnh khi mọi người bật điều hòa sau giờ làm việc. Điều này đã giúp ổn định lưới điện và ngăn chặn tình trạng mất điện trong lưới điện sử dụng nhiều năng lượng tái tạo của California.
Chúng ta đặt tất cả những cục pin đó ở đâu?
Các hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin quy mô lưới (BESS) thường được triển khai ở các vùng nông thôn, thường gần các trang trại năng lượng mặt trời lớn, nơi chi phí đất đai chiếm một phần nhỏ trong ngân sách và có thể dễ dàng giảm thiểu rủi ro về an toàn. Tuy nhiên, BESS lớn cũng sẽ phải được triển khai ở những khu vực đông dân cư. Sự không phù hợp về thời gian giữa sản xuất và nhu cầu là rõ ràng, nhưng thực tế là cũng có sự không phù hợp về địa điểm ít được biết đến.
Nhu cầu không đồng nhất trên toàn bộ lưới điện và nếu năng lượng rẻ nhất không thể tự do lưu thông đến nơi cần thiết, thì biểu giá tắc nghẽn sẽ khiến chi phí năng lượng tăng đột biến. Do đó, BESS gần các nút lưới chiến lược có thể giúp quản lý tắc nghẽn mà không phải chịu chi phí xây dựng các đường truyền tải mới rất tốn kém.
Ở đây, hóa chất của pin trở nên rất phù hợp vì an toàn và dấu chân là những cân nhắc thiết kế quan trọng, chẳng hạn như trong các khu dân cư. Nếu bạn lắp đặt pin trị giá vài megawatt trong khu dân cư, tốt hơn hết chúng nên an toàn.
Pin lithium-ion rất an toàn để vận hành, với tỷ lệ lỗi tế bào được báo cáo là dưới 1 trên 10 triệu. Tuy nhiên, ở quy mô megawatt, rủi ro tăng lên khi có khoảng 150.000 pin riêng lẻ trong mỗi đơn vị BESS. Trái ngược với tỷ lệ lỗi tế bào thực sự thấp, tỷ lệ lỗi đơn vị BESS lithium-ion gần bằng 1 trên 1.000. Ở đây, hỏng hóc có nghĩa là quá nhiệt, hỏa hoạn, khí độc và trong trường hợp xấu nhất là nổ.
Sơ đồ so sánh các hệ thống lưu trữ năng lượng pin sử dụng pin lithium-ion hoặc pin lưu lượng. (a) Lithium-ion BESS ở cấp độ tế bào và đơn vị có mật độ năng lượng cao nhưng không thể sử dụng trong nhà. (b) Không thể triển khai BESS lithium-ion theo chiều ngang ở quy mô lớn tại các khu vực đô thị. (c) Pin lưu lượng có mật độ năng lượng thấp hơn ở cấp độ đơn vị nhưng có thể được lắp đặt trong các tòa nhà do tính không bắt lửa vốn có. (d) Quy mô theo chiều dọc của pin lưu lượng chuyển thành sử dụng đất hiệu quả cao. (e) Pin lưu lượng theo tỷ lệ dọc cho phép triển khai các trung tâm năng lượng có dấu chân nhỏ ở trung tâm thành phố để đảm bảo nguồn cung cấp, năng lượng dự phòng khẩn cấp cho cơ sở hạ tầng quan trọng như bệnh viện hoặc kho lưu trữ tại chỗ cho các trạm sạc xe điện được tích hợp trong cơ sở hạ tầng bãi đậu xe. Tín dụng: Energy Advances (2023). DOI: 10.1039/D3YA00208J
Chất điện giải gốc nước
Một vấn đề quan trọng là chất điện phân dễ cháy được sử dụng trong pin lithium-ion hiện đại. Thay vào đó, một cách tiếp cận đầy hứa hẹn cho các ứng dụng quy mô lớn là sử dụng chất điện phân gốc nước vốn không bắt lửa. Nhóm nghiên cứu cho biết: “Có rất nhiều chất hóa học và cấu trúc pin nước, nhưng tất cả chúng đều có mật độ năng lượng chỉ bằng một phần nhỏ mà pin lithium-ion có thể cung cấp”.
Ví dụ, pin dòng oxy hóa khử là một công nghệ đầy hứa hẹn cho việc lưu trữ ở quy mô lưới vì chúng có khả năng mở rộng cao. Thay vì lưu trữ năng lượng trong các điện cực rắn, pin dòng chảy sử dụng chất điện phân lỏng được bơm qua một tế bào điện hóa để cung cấp năng lượng. Những chất điện phân này không bắt lửa vì chúng dựa trên nước, làm cho pin lưu lượng hoạt động an toàn. Nhưng mật độ năng lượng thấp thường được cho là một hạn chế lớn của công nghệ.
Nó có quan trọng không?
Đối với pin dòng chảy, mật độ năng lượng được liên kết chặt chẽ với độ hòa tan của vật liệu hoạt động. Tôi đã làm việc để cải thiện khả năng hòa tan của các vật liệu hoạt động trong hai năm và điều đó khá khó khăn. Tôi tự hỏi, nếu chúng ta có thể xây dựng các bể điện phân cao hoặc xếp chồng các hộp chứa pin lên nhau vì hóa chất rất an toàn, thì mật độ năng lượng ở cấp độ tế bào có thể quan trọng như thế nào đối với các hệ thống lắp đặt lớn?
Tôi đã truy cập Google Earth và theo dõi BESS quy mô megawatt trên toàn cầu. "Khi sử dụng hình ảnh vệ tinh, tôi đã đo diện tích của các hệ thống lắp đặt. Tôi nhận thấy rằng công suất năng lượng trên mỗi khu vực, hay kilowatt giờ trên một mét vuông, trong nhiều trường hợp có thể so sánh được giữa pin lithium-ion và pin lưu lượng. Nhưng ở cấp độ tế bào, nó khác nhau bởi một thứ tự độ lớn.
Việc hủy liên kết này của dấu chân hệ thống lưu trữ BESS
từ mật độ năng lượng ở cấp độ tế bào trong cài đặt quy mô lưới làm nổi bật rằng số liệu này không quan trọng đối với ứng dụng này. Đối với các trường hợp sử dụng khác, chẳng hạn như pin gia đình, đó là một câu chuyện khác.
Cuối cùng nó đi xuống để chi phí. Dữ liệu của chúng tôi thực sự cho thấy rằng các hóa chất dạng nước hiện tại có mật độ năng lượng đủ cao và chúng tôi cần tập trung nhiều hơn vào các khía cạnh như tuổi thọ, khả năng mở rộng, khả năng sản xuất tự động, khả năng tái chế và an toàn chuỗi cung ứng mà không loại bỏ bất kỳ công nghệ nào dựa trên số liệu hơi cường điệu của mật độ năng lượng.
Phần kết luận
Ngược lại, pin gốc nước có thể là ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng mà BESS cần phải được thu nhỏ theo chiều dọc do quỹ đất hạn chế. Các hệ thống không cháy vốn có có thể được triển khai ở các khu vực đông dân cư hoặc thậm chí trong các tòa nhà đa dụng. Điều này mở ra những cánh cửa vẫn bị khóa đối với BESS lithium-ion tiên tiến nhất.
Không có công nghệ pin nào phù hợp với một kích cỡ hoàn hảo cho mọi trường hợp sử dụng có thể, nhưng rõ ràng đã đến lúc dành cho các giải pháp quy mô megawatt, tập trung vào an toàn và các nỗ lực nghiên cứu cần tập trung nhiều hơn vào chi phí, tuổi thọ và khả năng sản xuất , thay vì mật độ năng lượng.
Câu chuyện này là một phần của Hộp thoại Science X, nơi các nhà nghiên cứu có thể báo cáo những phát hiện từ các bài báo nghiên cứu đã xuất bản của họ. Truy cập trang này để biết thông tin về ScienceX Dialog và cách tham gia.
Thông tin thêm: David Reber và cộng sự, Ngoài mật độ năng lượng: thiết kế pin lưu lượng được thúc đẩy bởi sự an toàn và vị trí, Những tiến bộ về năng lượng (2023). DOI: 10.1039/D3YA00208J
Tiểu sử: David Reber là trưởng nhóm SNSF Ambizione tại Phòng thí nghiệm Khoa học và Công nghệ Vật liệu Liên bang Thụy Sĩ (Empa). Trước khi đảm nhận vị trí hiện tại, Tiến sĩ Reber là Nghiên cứu sinh sau Tiến sĩ trong nhóm của Giáo sư Michael Marshak tại Đại học Colorado Boulder. Dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Corsin Battaglia và Giáo sư Frank Nüesch, ông đã nhận bằng Tiến sĩ tại École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) vào năm 2020.
