Tính toán, thiết kế hệ thống lưu trữ điện năng bằng ắc quy

.............................................................................................................4
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ...................................................................5
ụ

...................................................................................................7

Danh mục các hình vẽ, ồ thị ...................................................................................8
....................................................................................................................9
Ề
1.1.

ị

..........10

....................................................................................10
ữ

1.2.
1.2.1.

Ắ

1.2.2.

Ắ

ệ

1.2.4.
B

1.2.5.
1.2.6.

......................................................................11

...................................................................................11
...................................................................................12

ụ

1.2.3.

ệ

ệ .................................................................................................13
ữ

.....................................................13

à

ữ ..............................................................13

ệ

...........................................................................15
ữ siêu dẫn từ .........................................................17

1.2.7.

ậ

1.2.8.
à

1.3.

ệ

ữ

ệ

..............17

..........................................................................19

1.4.

ữ .......................................................................................20

1.5.

............................................................................................20

1.6.

ệ
ế

1.7.
1.8.

..................................................................................21

ế

......................................................................22

ậ ......................................................................................................23
B

...........................................................................26

1


ế

2.1.

ế ệ

B
ắ

2.1.1.
ế

2.1.2.

ế

2.3.

ế ệ

ế
ế

ệ

B

ề
ệ

ế ệ

ữ

à
ữ
ữ

ệ

ệ

ắ

,

à

3.2.2.

ụ

.............37

...............................................39

à

à

,

F

...................................40

............................................................40

ắ

ế .............................................................41
ệ

,

..............................................................................41

ệ

à
ệ

3.3.

B

......36

a% ..................................................................39

ể ,

3.1.4.

ị

B

........34

...................................................39

,

3.2.1.

B

ắ

3.1.2.

3.2.

.....32

....................................................................39

ỷ ệ

ề

ắ

ắ

ữ

ệ

3.1.3.

ệ

ệ

B

3.1.1.

............................28

ệ ....................................................33

ệ

2.4.

3.1.

..........26
B

ệ

2.5.

à

à

2.1.3.

2.2.

............................................................................26

.................................................................41
B

..........................................................42

3.3.1.

ệ

...........................................42

3.3.2.

,

...............................................43

ắ

3.3.3.

......................................................................43
ắ

3.4.

..........................................44
B

,

.....................48

ế ..............................48

2


à

ệ

à

à

.51

à ..................................53

à
ế

ữ

ệ

B

56

ậ ..........................................................................................................63
ẾT QU VÀ BÀN LUẬN ............................................................64

Ế

Ậ

Ế

................................................................................66
......................................................................................67

3


Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
T c giả

ế

4

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

A:

ệ thống lưu tr điện năng

AL-TES:

ăng lượng lưu tr siêu

BESS:

ưu tr năng lượng

C:

ng c quy

n từ

ng h n n

Thủy điện t ch năng

CAES:

c quy a l – Niken

CB:

c quy ana i oxi h a h

CES:

c quy poli sunfua Brom

CF:

ăng lượng lưu tr l nh

CL:

ư c nhiệt đ thấp

Co:

c quy năng lượng m thanol trực tiếp

CO:

ệ số m o

d:

ông suất tham hảo

DCE :

ông suất hệ thống

DMFC:

ng t ng

Th i gian xả

EboBESS:

ung lượng xả

EbwBESS:

i tr hiệu

F:
Fo:


ng của c c

ng điện ậc cao

chuy n đ i năng lượng
àm m c tiêu
Th i gian c o cao đi m

i:

hi ph tiết iệm được hi s

In,hd:

hi ph l p đ t vận hành hệ thống

KW :

ch làm việc của hệ thống

KWC :

hi ph phải trả hi hông c hệ thống

KWD :

hi ph phải trả hi c hệ thống

l:

ng hệ thống

Tu i th hệ thống

Op :

iệu suất của qu trình s c xả năng lượng

P(t):

ăng lượng cung cấp cho

5

trong chế đ s c


PB:

ăng lượng cung cấp trong th i gian xả

PCS:

hi ph vốn an đ u

PSB:

hi ph vốn vận hành

Psh:

T lệ tăng trư ng tải

PHS:

ự thay đ i tải trong

QB :

hi u ài trung chuy n

ra :

hi ph vốn

Sa:

hu c u ph tải tối đa

SL :

hi ph phải trả trong năm

Smax:

hi ph phải trả trong năm thứ n

SMES:

gi

i suất

TB :

T lệ chiết hấu

Te:

hi ph đi vay

THD:

hi ph

VRB:

ông suất cực đ i

iên

WBCh:

T ng năng lượng cung cấp trong

WBDCh:

hi ph năng lượng h c nhau

WT :

hi ph s c năng lượng

ZEBRA:

hi ph xả năng lượng

6

gi

ụ
ảng :

c t nh

thuật của c c hệ thống lưu tr điện năng…………………… 7

ảng : hi ph vốn của hệ thống

…………………………………………38

ảng 3: ệ số α, β, γ.…………………………………………………..…………
ảng :

c tham số đ c trưng cho sự thay đ i tải trong

7

gi ………………… 3


Danh mục các hình vẽ, ồ thị
ình : c quy điện h a…………………………………………………………...
ình :

ô hình l p đ t và ho t đ ng của hệ thống

ình 3:

ối quan hệ gi a c c thông số liên quan đến

ình :

c thành ph n của hệ thống

ình :

đ thiết ế hệ thống chuy n đ i năng lượng

……………………….. 6
...…………………… 7

………………………………………. 9

ình 6: i u đ nhu c u tải trong tu n trong ngày ch c

……………………3
th i đi m nhu c u cao

nhất ……………………………………………………………………………….. 0
ình 7: i u đ nhu c u ph tải trong tu n trong ngày c

th i đi m nhu c u cao

nhất ……………………………………………………………………………….. 0
ình 8: hi ph

iên của năng lượng điện…………………………………………

ình 9: ự thay đ i tải trong

gi ………………………………………………. 3

ình 0: i u đ s c xả trong

gi

i

cao đi m tải ……………………….

ình

: i u đ s c xả trong

gi

i

cao đi m tải ………………………. 6

ình

:

ình 3:

ô ph ng nhu c u công suất trong tu n………………………………...
ối quan hệ gi a chi ph năng lượng và công suất…………………….. 3

ình

: ư ng đ c t nh tải trong ngày………………………………………….. 6

ình

.

ối quan hệ gi a

v i TB…………………………………………..6

8


T i sao l i c n đ lưu tr năng lượng và c th là năng lượng điện? ưu tr
năng lượng là m t ph n quan tr ng của sản xuất, của các ngành công nghiệp d ch
v , ngành công nghiệp năng lượng tái t o trong tư ng lai, và của tất cả các thiết b
điện t

i đ ng mà chúng ta đang s

ng hàng ngày.

lượng hiện đ i, s d ng pin lithium-ion

ếu hông c lưu tr năng

i-ion , thì thập k của điện tho i thông

minh, iPad, và iPod sẽ hông c sựu ph t tri n như ngày hôm nay. ên c nh giải trí,
lưu tr năng lượng đ ng m t vai trò quan tr ng trong sản xuất công nghệ cao, đ là
sự c n thiết đ có m t ngu n điện liên t c v i t n số hông đ i. Ta c th thấy được
trong m t

o c o thì m i năm ngành công nghiệp oa

yếu là mất điện.

ỳ

mất 80 t đô la vì chủ

cải thiện tình tr ng này thì việc lưu tr điện năng là rất quan

tr ng. Trên thế gi i c ng đ c rất nhi u đ tài, công trình nghiên cứu nh m giải
quyết vấn đ cấp thiết của thực tế này. T i

ph ng th nghiệm quốc gia an ia

đ c m t chư ng trình xuyên suốt nghiên cứu v hệ thống lưu tr điện năng
v i c c công trình nghiên cứu được công ố từ nh ng năm 987 đến năm 0 3.
c đ ch nghiên cứu của luận văn là nh m giúp cho nh ng h ch hàng công
nghiệp, h ch hàng sản xuất inh oanh, nhà phân phối điện,… c th c m t c ch
tiếp cận m i v chi ph đ u tư, hả năng ứng
thực tế.

ng của hệ thống

giải quyết vấn đ trên ta đi vào tìm hi u c

nay, nh ng thành quả nghiên cứu và ứng
cứu nh ng đ c t nh c

vào đi u iện

ản c c hệ thống lưu tr hiện

ng đ đ t được. Từ đ đi sâu vào nghiên

ản của hệ thống

, lên thiết ế t ng quan v hệ thống,

đưa ra c c tiêu ch đ nh gi , xây ựng hệ thống

ph hợp v i đi u iện c th

nh m tối ưu h a chi ph của hệ thống. hư ng ph p nghiên cứu là ta đi tìm hi u từ
t ng quan hệ thống sau đ đi sâu vào phân t ch chi tiết c c thành ph n, c c đ c t nh
của hệ thống, mối quan hệ gi a c c thành ph n của hệ thống đ . Từ đ c nh ng
đ nh gi , thiết ế hệ thống cho ph hợp v i yêu c u thực tế. uận văn là nh ng đúc
ết cô đ ng nhất c th v hệ thống lưu tr điện năng

ng c quy, giúp cho nhà

nghiên cứu, nhà sản xuất, nhà phân phối điện c c i nhìn sâu s c h n v hệ thống.

9

Ề

1.1.

ị
Trong vài thập k qua, c rất nhi u c c t chức và c nhân đ thực hiện
nghiên cứu rất nhi u công việc phát tri n và đ nh gi c c công nghệ m i m ng
lư i các hệ thống lưu tr năng lượng. h ng công trình nghiên cứu này có th
được theo dõi tr l i vào đ u năm 9 0 .

c nhà nghiên cứu như Arli

Graham Sterling , nhà hoa h c tr đến từ MIT , ông đ

t đ u nghiên cứu

các thiết b lưu tr năng lượng ti m năng[1]. Trong luận án của mình, ông
ành riêng đ thiết kế m t hệ thống lưu tr năng lượng

nh đà

ng cho ứng

ng c o cao đi m tải lư i điện. ng là ngư i đ u tiên tuyên bố r ng hệ thống
lưu tr

nh đà là hông inh tế và hả thi v m t k thuật.

năm 80, phòng thí nghiệm quốc gia Sandia của

đ

ào gi a nh ng

t đ u nghiên cứu hệ

thống lưu tr năng lượng. M t trong nh ng chủ đ chính trong hàng lo t các
nghiên cứu và c ng trong luận án này là các hệ thống lưu tr năng lượng
c quy(BESS).

đ c nh ng nghiên cứu tìm hi u v sự ph t tri n của công

nghệ sản xuất c quy và c c
năm 999.

ng

o c o i m tra từ nh ng năm 98 đến nh ng

c ng đ c m t báo cáo chi tiết k thuật liên quan đến ứng

ph t tri n mô hình c quy Kẽm / Brôm
nghiên cứu của i l r vào năm 1999[5].

ng

ng đ san lấp m t ph ng tải v i
ến nh ng năm 000 h đ

tđ u

nghiên cứu nh ng hả năng ết hợp việc lưu tr điện năng vào thực tế, đưa ra
h i niệm cấu trúc cho hệ thống
math rs, ouglas , A hil, A

as,…[12].

v i c c nghiên cứu của
ến th ng

00 v i nghiên cứu

của y r, James M.,Iannucci, Joseph J., Corey, Garth P. v lợi ch của việc lưu
tr năng lượng và s tay phân t ch đ mô tả m t mức đ cao công nghệ chung
đ nh gi lợi ích ti m năng từ t nh hiệu quả và inh tế v việc s d ng hệ thống
lưu tr điện năng cho c c ứng d ng tiện ch liên quan đến điện[6].
02/2010 Eyer, Jim, Corey, Garth đ đưa ra nghiên cứu v
tr cho lư i điện: Lợi ích và th trư ng -

10

ư ng d n

ến th ng

ăng lượng lưu

nh gi ti m năng”[7].

ến 0

0

cho nung, usan đ nghiên cứu và đưa ra

o c o c c phư ng

pháp tính giá tr hiện t i của hệ thống và chi phí ho t đ ng đối v i m t số công
nghệ lưu tr năng lượng cho các ứng d ng tiện ch điện tiêu i u[11].
m t bản cập nhật từ c c
d ng.

ến th ng

cứu của h v
việc

là

o c o trư c đ , phân lo i theo thông số s d ng ứng

2012 Bhatnagar, Dhruv, oos ,

rn đ đưa ra nghiên

T nh to n v hệ thống lưu tr năng lượng:

t nhận thức cho

hà nư c đi u tiết điện”[3], nghiên cứu này cung cấp m t quan đi m v

các vấn đ liên quan đến việc tri n khai các tiện ích mua s m tài nguyên lưu
tr năng lượng điện.

ối tượng ao g m c quan nhà nư c quản l điện.

đ ch của n là đ thông

c

o cho đ n v quản l v nh ng c h i ti m năng cho

các công nghệ lưu tr năng lượng đ đ ng m t vai trò l n h n trong phát tri n
th trư ng điện và lư i điện. Sự gia tăng của đ u tư vào năng lượng tái t o
trong thập k qua, đ c biệt là năng lượng gi và năng lượng m t tr i đ

ch

th ch quan tâm đến lưu tr năng lượng. Nh ng công nghệ này có khả năng cân
b ng sự thay đ i vốn có trong nhi u công nghệ năng lượng t i t o. Trong 15
năm g n đây, c c
và đ được ứng

thuật lưu tr năng lượng đ được phát tri n nhanh chóng
ng trong nhi u l nh vực m i.

ữ

1.2.
1.2.1.

Ắ

ệ
ệ

c quy điện bao g m hai ho c nhi u h n c c tế ào điện hóa.
Các tế bào s d ng phản ứng hóa h c đ t o ra m t dòng chảy của các
điện t -

ng điện. Các yếu tố chính của m t tế bào bao g m các

ình, hai điện cực (cực ư ng và cực âm), và vật liệu điện. Chất điện
phân là tiếp xúc v i c c điện cực. Hiện t i được t o ra b i quá trình
oxy hóa kh liên quan đến phản ứng hóa h c gi a các chất điện phân
và điện cực của tế bào.

hi c quy ết nối v i tải, c c ion t ch điện

trong chất điện phân tập trung l i g n m t điện cực điện t cung cấp
của tế bào (quá trình oxy hóa) trong khi các ion g n điện cực khác của
tế bào chấp nhận điện t (giảm , đ hoàn tất quá trình. Quá trình này

11


được đảo ngược đ s c pin, trong đ
phân. Nh ng lo i c quy ph

ao g m ion hóa của chất điện

iến g m axit chì, nickel-cadmium

(NiCad), pin lithium-ion (Li-ion , natri

lưu huỳnh (Na / S), kẽm /

brom (Zn / Br), vanadi oxi hóa kh , nickel-metal hydride (Ni-MH),….

1.2.2.

Ắ
c quy s c dòng là m t lo i

c quy s c đ c biệt trong đ

chất l ng v i điện tích trái dấu (chất điện phân) sẽ trao đ i ion,
chuy n đ i h a năng trực tiếp thành điện năng.

c chất điện phân

thư ng được phân tách b i m t l p màng m ng, cho phép chúng trao
đ i ion mà không b tr n vào nhau. Chất điện phân được lưu tr đ c
lập trong các cell pin,
được

đây là c c th ng chứa l n và chất điện phân

m và c c c ll hi c n.

i u này c ngh a hệ thống có th dễ

àng đi u ch nh t lệ ch đ n giản b ng c ch thay đ i

ch thư c của

thùng chứa. Qua đ , ngư i ta có th t o ra các hệ thống pin v i nhi u
ung lượng khác nhau, từ vài Wh đến vài MWh. Bên c nh khả năng
đi u ch nh t lệ, pin s c dòng còn mang l i nhi u ưu đi m, ch ng h n
như chúng c th đ nguyên không s d ng trong m t th i gian dài
mà không mất điện tích, th i gian phản h i nhanh và có th s c/xả
nhanh b ng cách thay dung d ch điện phân. V i nh ng ưu đi m này,
trong nhi u năm trư c, các nhà nghiên cứu đ cải tiến đ s c nhanh
pin trên x h i. Tuy nhiên, pin s c

ng c ng phức t p h n so v i

nh ng lo i pin thông thư ng. M i hệ thống pin phải đ i h i phải có

12


m y

m và c c cảm biến. Thêm n a, mật đ năng lượng c ng thấp

h n so v i pin Li-ion.
ụ

1.2.3.

ệ
T điện lưu tr năng lượng điện như m t điện t ch t nh điện.

T điện c công suất l n ngày càng ph t tri n, có nh ng đ c đi m rất
phù hợp đ s d ng cho việc lưu tr năng lượng.

húng c đ c t nh

ph ng xả điện h nhanh ch ng, đ cung cấp m t số lượng đ ng
năng lượng trong m t th i gian ng n o vậy chúng rất ph hợp cho
các ứng d ng năng lượng cao đ i h i phải có khoảng th i gian xả
ng n ho c rất ng n.
ữ

1.2.4.

ưu tr năng lượng

ng h n n liên quan đến việc nén không

khí s d ng năng lượng r ti n đ không khí nén có th được s d ng
đ t o ra điện hi năng lượng có giá tr h n.

chuy n đ i năng

lượng lưu tr thành năng lượng điện, h n n được đưa vào m t hệ
thống m y ph t điện tua in h đốt. Thông thư ng, khi không khí

được đưa vào, n được làm n ng và sau đ được th i qua tuốc bin của
hư c c tua in quay, n quay m y ph t điện đ sản xuất

hệ thống.
điện.

ối v i c c nhà m y l n h n, h n n được lưu tr

ư i lòng

đất, ch ng h n như c c m muối, t ng chứa nư c, và h đốt tự nhiên.
ối v i c c nhà m y nh h n, h n n được lưu tr trong các b ho c
đư ng ống như nh ng thiết kế cho truy n tải áp suất cao h đốt tự
nhiên (trong h u hết trư ng hợp, b , đư ng ống là trên m t đất).
1.2.5.

B

à

ữ
nh đà là m t thiết b c

tr năng lượng quay.

h quay được s

d ng đ lưu

nh đà c mô-men quán tính l n, và o đ

chống l i sự thay đ i tốc đ quay. ượng năng lượng được lưu tr
trong m t

nh đà t lệ v i ình phư ng tốc đ quay của n .

lượng được chuy n giao cho m t

13

nh đà

ăng

ng cách áp d ng mô-men


xo n đối v i n , o đ gây ra tốc đ quay của n , và o đ năng
lượng lưu tr của n , gia tăng.

gược l i,

nh đà giải ph ng năng

lượng được lưu tr b ng cách áp mô-men xo n đến tải c
làm tốc đ quay giảm.

nh đà c

h , ết quả

a s d ng chủ yếu:

 Chúng cung cấp năng lượng liên t c khi các ngu n năng lượng
không liên t c. Ví d ,

nh quay được s d ng trong đ ng c

pit-tông b i vì các ngu n năng lượng (mô-men xo n từ đ ng
c

là hông liên t c.

 Chúng cung cấp năng lượng
ngu n năng lượng.
lượng trong

mức vượt quá khả năng của m t

i u này đ t được b ng cách thu thập năng

nh đà th o th i gian và sau đ giải ph ng năng

lượng m t cách nhanh chóng, v i tốc đ vượt quá khả năng của
ngu n năng lượng.
 Chúng ki m so t đ nh hư ng của m t hệ thống c
các ứng d ng như vậy, xung lượng góc của m t

h . Trong
nh đà là cố ý

chuy n tải m t hi năng lượng được chuy n đến ho c từ bánh
đà.
nh đà thư ng được làm b ng th p và xoay v ng i thông thư ng,
đây là nh ng gi i h n t
RPM. M t số

lệ cu c cách m ng của m t vài nghìn

nh đà hiện đ i được làm b ng vật liệu sợi carbon và

s d ng từ tính cho phép chúng xoay

tốc đ lên đến 60.000 RPM.

nh đà thư ng được s d ng đ cung cấp năng lượng liên t c trong
các hệ thống n i mà c c ngu n năng lượng không liên t c. Ví d , m t
nh đà được s

d ng đ

duy trì liên t c vận tốc góc của tr c

khu u trong m t đ ng c pit-tông. Trong trư ng hợp này,

nh đà

được g n vào năng lượng tr c khu u khi mô-men xo n tác d ng lên
nó b ng cách b n m t piston, và nó giải ph ng năng lượng đ tải c
khí của n

hi hông c piston là đưa mô-men xo n vào nó. M t ví d

khác của việc này là ma s t đ ng c , s d ng năng lượng

14

nh đà v i


các thiết b điện như đ ch i x h i. M t

nh đà c ng c th được s

d ng đ cung cấp năng lượng t i c c n i tốc đ truy n tải năng lượng
vượt quá khả năng của ngu n năng lượng của nó, ho c làm gi n đo n
việc cung cấp năng lượng (ví d như m ng lư i điện công c ng . i u
này đ t được b ng c ch t ch l y năng lượng được lưu tr trong bánh
đà trong m t khoảng th i gian, v i m t tốc đ tư ng th ch v i các
ngu n năng lượng, và sau đ giải ph ng năng lượng v i tốc đ cao
h n nhi u trong m t th i gian tư ng đối ng n. Ví d ,

nh quay được

s d ng trong búa máy, m y t n đinh, n i chúng lưu tr năng lượng từ
đ ng c và ph t hành hi nện búa ho c ho t đ ng t n đinh.

nh đà

có th được s d ng ki m so t đ nh hư ng của m t hệ thống c

Trong nh ng trư ng hợp như vậy, xung lượng góc của

h.

nh đà được

chuy n tải trong quá trình chuy n năng lượng. hi đà g c c nh là m t
số lượng vector, chuy n nhượng của xung lượng g c giúp đ nh hư ng
các tải m t tr c đ c biệt.
ệ

1.2.6.

Thủy điện t ch năng là nhà m y thủy điện i u

m t ch l y,

hông c nhiệm v sản xuất thêm điện năng mà ch g p ph n đi u h a
lượng điện th o sự thay đ i nhu c u ph tải gi a gi cao đi m và thấp
đi m.

th là tận

đi m đ

ng lượng điện thừa của hệ thống vào gi thấp

m nư c lên

chứa h chứa t ch năng .

ến gi cao

đi m, lượng nư c này được xả xuống đ ph t điện. ượng điện
đ

ng

m lên h là h l n, nhưng o gi điện gi thấp đi m thấp, trong
hi gi
ảo

n điện vào gi cao đi m l i rất cao nên ph n lợi nhuận đảm
đ p chi ph .

i u quan tr ng là n g p ph n cung ứng điện

trong gi cao đi m.

h c v i thủy điện thông thư ng phải xây đập

ngăn sông t o h chứa nư c r i cho chảy xuống h lưu làm quay
tua in m y ph t điện, nhà m y thủy điện t ch năng c n c
nư c, g i là h trên” và h

15

ư i”.

ai h này

h chứa

đ cao chênh nhau


hoảng vài trăm m t.

ào gi cao đi m, nhu c u ph tải của hệ thống

điện lên cao, nư c từ h trên được xả xuống h
ph t điện lên lư i.

ào gi thấp đi m, nhu c u ph tải t đi, lượng

điện lư i ư thừa sẽ được tận
chứa c th được tận

trên.

ư i qua tua in đ

ng đ

m nư c từ h

ư i lên h

ng m t h nư c sẵn c , ho c xây đập

ngăn sông, hay ho t sâu vào l ng đất t o thành h trên m t hu đất
ng ph ng.

t tuyến đư ng h m

n nư c ch u p lực cao làm

ng êtông ho c th p c ng đi xuyên trong l ng đất từ h trên đến
nhà m y và
thư ng

tuyến đi từ nhà m y xuống h

ng hiện nay là m y

ngu n điện thì m y

ư i.

ệ thống tua in

m – tua in” h n hợp.

m ho t đ ng đưa nư c từ h thấp

hi nối v i
m lên h

cao; hi c n ph t điện thì cho nư c chảy từ h cao xuống h thấp làm
quay tua in. ợi ch của thủy điện t ch năng là: Thủy điện t ch năng

được coi là phư ng n ự tr năng lượng an toàn và tiết iệm nhất.
i nhà m y thủy điện t ch năng ch ch y -7 tiếng m i ngày vào gi
cao đi m.

o vậy, ung t ch h

hông c n qu l n

ư i

m ,

hông sợ ảnh hư ng đến môi trư ng tự nhiên và sinh th i trong xây
ựng nhà m y. Trong trư ng hợp c c ngu n điện g p sự cố thì c c
nhà m y nhiệt điện phải c n hàng gi hay vài ngày đ
nhưng nhà m y thủy điện t ch năng ch mất mấy phút.

h i đ ng l i
hi c c nhà

m y thủy điện t ch năng h a vào lư i điện quốc gia, hiệu suất s

ng

của c c nhà m y h c sẽ tăng lên

ng

đ

o điện năng thừa đ được tận

m nư c lên cao , g p ph n nâng cao hiệu quả của toàn

thống lư i điện.

hệ

n n a, h c v i c c nhà m y thủy điện c c nh

n tua in, c th đi u ch nh công suất l n t n số rất nh y thì c c nhà
m y nhiệt điện ho c điện h t nhân l i đi u ch nh công suất rất h
hăn.

ì vậy, c c nhà m y thư ng ch n giải ph p ch y vô công”

trong gi thấp đi m.

iệc tận

ng điện năng "vô ch" gi thấp đi m

đ sản sinh điện vào gi cao đi m của thủy điện t ch năng sẽ giải

16


quyết ài to n vừa thừa, vừa thiếu của hệ thống điện hiện nay.
thuận tiện trong vận hành, nhà m y thủy điện t ch năng thư ng được
ch n xây ựng g n nhà m y nhiệt điện, đư ng ây 00

tải l n đ c th đấu vào hi c n thiết.
thế gi i đ s

, g n ph

iện nay, rất nhi u nư c trên

ng thủy điện t ch năng rất hiệu quả.
ữ siêu dẫn từ

1.2.7.

ăng lượng lưu tr siêu d n từ (SMES) là hệ thống lưu tr
năng lượng trong từ trư ng t o ra b i dòng chảy m t chi u trong m t
cu n dây siêu d n đ được làm l nh t i nhiệt đ
đ t i h n của nó. M t hệ thống

ư i siêu d n - nhiệt

đi n hình bao g m ba ph n:

cu n ây siêu d n, hệ thống đi u hoà năng lượng và
M t khi các cu n dây siêu d n được s c điện,

phận làm l nh.

ng điện sẽ không th

phân hu và năng lượng từ tính có th được lưu tr vô th i h n. ăng
lượng lưu tr có th được phát tr l i vào m ng b ng cách xả cu n

dây. Hệ thống đi u hoà năng lượng s d ng m t biến t n / b ch nh
lưu đ chuy n đ i điện xoay chi u điện chi u A

đ trực tiếp hiện

ho c chuy n đ i DC tr l i ngu n AC. Các biến t n / ch nh lưu sẽ t n
hao khoảng 2-3% năng lượng trong m i hư ng. T n hao của hệ thống
SMES là ít nhất trong qu trình lưu tr năng lượng so v i c c phư ng
pháp khác của lưu tr năng lượng. Hệ thống SMES là có hiệu quả
cao, hiệu quả của qu trình s c xả l n h n 9 %. Tuy nhiên do nhu c u
năng lượng của

phận làm l nh và chi phí của ây điện siêu d n cao

nên SMES hiện đang được s d ng đ lưu tr năng lượng th i gian
ng n.

ođ

thư ng được dành cho việc cải thiện chất lượng

điện năng.
ậ

1.2.8.
ảng :
ệ

c t nh

ệ

ữ

ệ

thuật của c c hệ thống lưu tr điện năng[9].
à

ữ

17


ông suất

Th i

gian

xả

ự

tự Th i

ph ng

gian $/kW

$/kWh

lưu tr ph

điện ngày hợp
PHS

100–5000

1–24 h+

ất nh

- 600–2000

5–100

- 400–800

2–50

Th ng

MW
CAES

i

5–300 MW

1–24 h+

h

i
Th ng

Axit - hì 0–20 MW

iây - i

0.1–0.3%

hút - gày 300–600

200–400

NiCd

0–40 MW

iây - i

0.2–0.6%

hút - gày 500–1500

800–1500

NaS

50kW-

iây - i

~20%

iây - i

300–500

1000–

8MW

3000

ZEBRA

0–300 kW

iây - i

~15%

iây - i

Li-ion

0–100 kW

hút - i

0.1–0.3%

hút - gày 1200–

150–300

100–200
600–2500

4000
Fuel cells

0–50 MW

u như

Giây–24 h+

i - Th ng

10,000+

ng 0
Metal-Air 0–10 kW

Giây–24 h+

ất nh

i

- 100–250

10–60

- 600–1500

150–1000

- 700–2500

150–1000

- 700–2500

150–1000

Th ng
VRB

30

kW–3 Giây–10 h

h

Th ng

MW
ZnBr

50

kW–2 Giây–10 h

h

1–15 MW

i
Th ng

MW
PSB

i

Giây –10 h

h

i
Th ng

ăng

0–10 MW

u như

1–24 h+

lượng

ng 0

i

-

Th ng

m t tr i
SMES

100 kW–10 Mili giây–8 10–15%

18

hút - i

200–300

1000–


nh đà

MW

s

10,000

0–250 kW

Mili giây–

iây - hút

100%

250–350

15 phút
T

0–50 kW

Mili giây–

1000–
5000

40%

iây - i

200–400

500–1000

20–40%

iây - i

100–300

300–2000

60 phút
iêu t

0–300 kW

Mili giây–
60 phút

AL-TES

0–5 MW

1–8 h

0.5%

hút - gày

20–50

CES

100–

1–8 h

0.5–1.0%

hút - gày 200–300

3–30

1–24 h+

0.05–

hút

30–60

1.0%

Th ng

300 MW
HT-TES

0–60 MW

-

à

1.3.

nh gi công suất của c c hệ h c nhau được so sánh trong bảng .
T m l i hệ thống lưu tr điện năng c th phân thành a lo i theo các ứng
d ng của từng hệ như sau:


ối v i nh m quản l năng lượng: PHS, CAES và CES phù hợp cho
các ứng d ng trong quy mô trên 100 MW v i th i gian cung cấp trong
hàng gi đến hàng ngày. húng c th được s d ng đ quản l năng
lượng cho các hệ quy mô l n như san lấp m t b ng tải, ự tr quay,...
c quy l n, c quy s c

ng, năng lượng m t tr i,

và T

ph

hợp cho quản l năng lượng quy mô vừa v i công suất 10-100 MW.


ối v i nh m chất lượng điện:

nh đà, c quy, SMES, t điện và

siêu t có m t phản ứng nhanh ch ng và o đ c th được s d ng
cho c c ứng

ng n đ nh chất lượng điện năng như giảm điện áp tức

th i, giảm thi u nhấp nhấp nhô ngu n điện và làm UPS th i gian ng n
(mili giây). ông suất cho các lo i hình ứng d ng là thấp h n
 C u nối điện:

c quy,

c quy s c

W.

ng, pin nhiên liệu và pin b ng

kim lo i - không khí không ch có phản ứng tư ng đối nhanh (<1

19


giây) mà c n c ng c th i gian xả tư ng đối dài (gi , o đ n phù
hợp h n cho ứng

ng c u nối điện . ông suất cho các lo i ứng d ng

này là khoảng 100kW - 10 MW.

ữ

1.4.
Bảng

c ng cho thấy sự tự xả tiêu hao năng lượng) m i ngày của

các hệ thống lưu tr năng lượng. Ta c th thấy r ng hệ thống

, A

,

pin nhiên liệu, pin b ng kim lo i - hông h , năng lượng m t tr i và c quy
s c

ng c t lệ tự xả rất nh vì vậy rất thích hợp cho ứng

ng c th i gian

lưu tr lâu.
c quy hì-axit, NiCd, Li-ion, TESs và CES có m t t lệ tự xả trung bình và
phù hợp v i th i gian lưu tr

hông l n h n ch c ngày.

NAS, ZEBRA, SMES, t điện và siêu t có t lệ tự tự xả rất cao 10-40% m i
ngày. T lệ tự xả cao của NAS và ZEBRA là từ nhiệt đ làm việc cao mà c n
phải được tự làm n ng đ duy trì việc s d ng c c năng lượng lưu tr . Bánh
đà sẽ xả 00% năng lượng được lưu tr nếu th i gian lưu tr

ài h n hoảng

1 ngày. Th i gian lưu tr thích hợp phải n m trong hàng ch c phút.
hệ thống này ph hợp v i ứng

h ng

ng yêu c u thực hiện trong th i gian theo

chu kỳ ng n tối đa là vài gi .
1.5.
hi ph đ u tư là m t trong nh ng yếu tố quan tr ng nhất đối v i sự
ph t tri n của hệ thống lưu tr năng lượng.

được th hiện trong c c tiêu

ch như: chi ph cho m i kWh, m i kW và m i kWh m i chu kỳ. Tất cả các
chi phí trên m t đ n v năng lượng được th hiện trong bảng đ được chia
cho hiệu quả lưu tr đ c được chi ph năng lượng cho m i đ u ra (h u ích).
Chi phí cho m i chu kỳ được x c đ nh là chi phí cho m i đ n v năng lượng
chia cho chu kỳ ho t đ ng là m t trong nh ng cách tốt nhất đ đ nh gi chi
ph lưu tr năng lượng trong m t ứng d ng s c / xả thư ng xuyên, ch ng h n
như san lấp m t b ng tải. Ví d , trong khi chi phí vốn của pin axít chì là
tư ng đối thấp, n có th không nhất thiết phải là lựa ch n ít tốn kém cho

20


quản l năng lượng (san lấp m t b ng tải) do chu ì ho t đ ng ng n của mình

cho lo i ứng d ng này. Chi phí vận hành và bảo trì, x lý, thay thế và chi phí
s h u h c hông được xem xét, b i vì n không có sẵn đối v i m t số
công nghệ m i.
A

,

c quy im lo i - không h ,

vốn cho m i Wh thấp.

c lo i

,T

s và

c chi ph

c quy im lo i - không khí có th xuất

hiện là sự lựa ch n tốt nhất dựa trên mật đ năng lượng cao và chi phí thấp,
nhưng n c m t chu kỳ ho t đ ng rất h n chế và v n c n đang ph t tri n.
Trong số các k thuật đang ph t tri n, CAES có mức chi ph đ u tư thấp nhất
so v i tất cả các hệ thống khác. Chi phí vốn của

c quy và c quy s c

là cao h n m t chút so v i so v i PHS m c dù khoảng c ch đang
h p l i.

c

,

ng

n d n thu

nh đà, t điện và siêu t phù hợp v i công suất cao và

các ứng d ng th i gian ng n, vì h có giá r trên c s công suất đ u ra
nhưng n l i tốn kém v khả năng lưu tr năng lượng.
Chi phí cho m i chu kỳ Wh của

và A

là m t trong nh ng

hệ thống c mức thấp nhất trong số tất cả các công nghệ lưu tr năng lượng,
chi phí cho m i chu kỳ của c quy và c quy s c

ng v n c n cao h n nhi u

so v i PHS và CAES m c dù chi ph đ giảm trong nh ng năm g n đây.
c ng là m t công nghệ đ y hứa h n cho các chi phí thấp. Tuy nhiên, hiện nay
không có sản phẩm thư ng m i có sẵn. Pin nhiên liệu có chi phí cho m i chu
kỳ cao nhất và nó sẽ mất m t th i gian ài đ có th c nh tranh v kinh tế.
Năng lượng m t tr i thì đang trong giai đo n phát tri n an đ u. Ta c ng c n
lưu

r ng chi phí vốn của hệ thống lưu tr năng lượng có th khác nhau

đ ng

so v i ư c t nh đưa ra o ph thu c công nghệ, th i gian xây dựng,

v trí của nhà m y, và
1.6.

ch thư c của hệ thống.

ệ
Hiệu suất chu kỳ được x c đ nh 

out

in, v i out và in là hiệu

suất chu ỳ đ u vào điện và sản lượng điện tư ng ứng.

21

đây ta hông t nh


đến qu trình tự xả của hệ thống. Ta c th thấy r ng hệ thống lưu tr năng
lượng c th được phân chia thành ba nhóm:


h m c hiệu suất rất cao:

,

nh đà, sup rcapacity và pin i-

ion có hiệu quả chu kỳ rất cao> 90%.


h m hiệu suất cao:

, A

, pin trừ i- on , c quy s c

ng và

t điện thông thư ng có hiệu suất chu kỳ của 60-90%. Ta c ng có th
thấy r ng lưu tr điện b ng c ch n n và xả của không khí b ng cách
s d ng

A

thư ng ít hiệu quả h n so v i

m và xả nư c v i

vì làm n ng hông h đ ng th i c ng phải tăng p lực của nó do
đ làm cho tiêu th nhi u năng lượng h n.
 Nh m c hiệu suất thấp: Hydro, DMFC, kim lo i - hông h , năng

lượng m t tr i, TESs và CES có hiệu suất thấp h n 60% chủ yếu là o
t n hao l n trong khi chuy n đ i từ ph a A

thư ng m i v i bên hệ

thống lưu tr . Ví d , lưu tr hy ro điện có hiệu suất năng lượng tư ng
đối thấp (20-50%) do sự kết hợp của sự

ch chuy n chất và hiệu suất

của tái chuy n đ i tr l i điện.
húng ta c n phải lưu
suất, t nhất

r ng có m t sự đ nh đ i gi a chi phí vốn và hiệu

m t mức đ . Ví d , m t công nghệ lưu tr v i chi ph đ u tư

thấp nhưng hiệu suất thấp c ng c th c nh tranh v i chi ph cao, hiệu suất
công nghệ cao.
1.7.

ế
Ta có th thấy r ng năng lượng m t tr i và CES có ảnh hư ng tích
cực đối v i môi trư ng.

ăng lượng m t tr i s d ng năng lượng t i t o

hoàn toàn, năng lượng m t tr i đ sản xuất điện và n lưu tr
nhiên liệu xanh như hy ro.

ư i d ng

iệc s d ng các nhiên liệu năng lượng m t tr i

có th làm giảm qu trình đốt ch y nhiên liệu h a th ch và o đ là lành t nh
đối v i môi trư ng. CES có th lo i b chất bẩn trong không khí trong quá
trình hóa l ng (s c , trong đ sẽ giúp giảm thi u các vấn đ môi trư ng tiêu
cực liên quan đến việc đốt các nhiên liệu hóa th ch. Các h t b i trong không

22


khí không mong muốn c ng c th được lo i b trong quá trình sản xuất khí
hóa l ng.
, A

, c quy, c quy s c

ng, c c pin nhiên liệu và SMES có

ảnh hư ng tiêu cực đến môi trư ng do các lý do khác nhau. Xây dựng hệ
thống PHS ch c ch n liên quan đến việc phá hủy cây cối và đất đai cho việc
xây ựng c c h chứa. Việc xây dựng các h chứa c ng c th thay đ i hệ
sinh th i đ a phư ng, trong đ c th gây ra hậu quả nghiêm tr ng đến môi
trư ng. CAES dựa trên công nghệ tua- in h thông thư ng và liên quan đến
qu trình đốt cháy nhiên liệu hóa th ch o đ lượng khí thải có th là m t
mối quan tâm v môi trư ng. c quy sau hi s

ng là chất thải ảnh hư ng

đ c h i đến môi trư ng trong th i gian ài. c quy s c

ng và c c pin nhiên

liệu có vấn đ tư ng tự như c c lo i c quy h c.

c liên quan đến từ

trư ng m nh có th có h i cho sức kh

c hệ thống lưu tr

con ngư i.

năng lượng h c tuy có ảnh hư ng tư ng đối nh đối v i môi trư ng như
hông liên quan đến qu trình đốt cháy, thiệt h i cảnh quan nhưng v n còn
đ c h i.
1.8.

ế

ậ

Dựa trên việc xem xét


ệ thống lưu tr

trên, chúng ta c th rút ra m t số kết luận như sau:

năng lượng là rất cấp thiết b i các ngành công

nghiệp truy n thống, DER và hệ thống cung cấp năng lượng liên t c
được làm m i.

ng cách s d ng hệ thống lưu tr năng lượng, th ch

thức phải đối m t của ngành công nghiệp năng lượng có th được
giảm đ ng

.

 M c dù có rất nhi u hệ thống lưu tr năng lượng thư ng m i, tuy
nhiên không có hệ thống lưu tr duy nhất đ p ứng tất cả các yêu c u
cho m t hệ thống lưu tr năng lượng l tư ng - là hoàn hảo, có tu i
th lâu dài, chi phí thấp, mật đ cao, hiệu quả cao, và thân thiện v i
môi trư ng. M i hệ thống hệ thống lưu tr năng lượng có ph m vi
ứng d ng phù hợp. PHS, CAES, c quy to, c quy s c

23

ng, pin nhiên


liệu, nhiên liệu, năng lượng m t tr i, TES và CES phù hợp v i ứng
d ng quản l năng lượng; Bánh đà, c quy, t điện và siêu t điện là
phù hợp h n cho ứng

ng liênn quan đến chất lượng điện năng và

UPS th i gian ng n, trong khi pin, c quy s c

ng, pin nhiên liệu và

pin kim lo i- hông h đang hứa h n cho ứng


ng

ng c u nối.

và c quy axit-chì v m t k thuật đ ch n mu i; CAES, NiCd,
NAS, ZEBRA Li-ion, c quy s c

ng,

,

nh đà, t điện, siêu

t , AL-TES và HT-TES đang được phát tri n v m t k thuật và
thư ng m i; pin nhiên liệu, pin im lo i- hông h , năng lượng m t
tr i và

đang được phát tri n. hi ph đ u tư của CAES, pin kim

lo i- hông h , PHS, TES và CES thấp h n so v i c c hệ thống lưu
tr năng lượng h c. CAES có chi phí vốn thấp nhất trong số các
công nghệ đang phát tri n. Pin kim lo i-không khí có khả năng là r
nhất trong số các hệ thống lưu tr năng lượng hiện đang được biết

đến.


iệu suất của
quy s c

,

nh đà, t điện/siêu t ,

, A

, c quy, c

ng là cao v i chu kỳ hiệu suất trên 60%. Pin nhiên liệu,

DMFC, kim lo i- hông h , năng lượng m t tr i, TES và CES có m t
hiệu suất thấp chủ yếu là do t n hao l n trong khi chuy n đ i từ AC
thư ng m i v i hình thức năng lượng lưu tr .


ng đ i của hệ thống lưu tr năng lượng dựa trên công nghệ điện,
ch ng h n như

, t điện và siêu t , là cao.

AL-TES, CES và HT-T
c quy, c quy s c

, A

, c ng c m t v ng đ i dài.

,

nh đà,

ng đ i của

ng và các pin nhiên liệu là hông cao như c c hệ

thống khác do suy giảm hóa h c v i th i gian ho t đ ng. Pin kim lo ikhông h có th i gian sống ít nhất là thấp nhất hiện nay.
 PHS, CAES, c quy, c quy s c

ng, pin nhiên liệu và

được

xem là có m t số t c đ ng tiêu cực đối v i môi trư ng do m t ho c
nhi u đi u sau đây: qu trình đốt cháy, từ trư ng m nh, thiệt h i cảnh

24


quan, và v n c n đ c h i. Nhiên liệu năng lượng m t tr i và CES là
thân thiện v i môi trư ng h n.
Dựa trên sự phát tri n của hệ thống lưu tr năng lượng chúng ta c th thấy
được xu thế ph t tri n của hệ thống lưu tr năng lượng như sau:
 Hệ thống lưu tr điện năng đang ph t tri n v i tốc đ nhanh. Mức đ
lưu tr dự kiến của hệ thống sẽ tăng 0-15% (hiện t i là hoảng 3%)

M và c c nư c châu Âu, và thậm ch cao h n

hật Bản trong tư ng

lai g n. i u này sẽ c giá tr rất l n trong ngành công nghiệp điện.
 PHS sẽ v n là m t hệ thống lưu tr năng lượng gi vai tr chi phối ít
nhất là trong tư ng lai rất g n. CAES dự kiến sẽ có m t sự phát tri n
thư ng m i nhanh ch ng đ c biệt là
như


c c nư c c đ a chất thuận lợi

.

c quy c

ung lượng lưu tr l n như c quy axit chì và c quy NiCd

dự kiến sẽ được từng ư c thực hiện trong l nh vực quản l năng
lượng v i việc giảm giá thành và tăng v ng đ i.
lượng lưu tr trung bình, ch ng h n như c quy
nickel, c quy s c

c quy c

ung

A và natri clorua,

ng và AL-TES, có th s

ng trong c c ứng

d ng d ch v công nghiệp và thư ng m i như c o cao đi m và UPS.


c hệ thống như

,

nh đà và t điện / siêu t thì đang tiếp t c

được ph t tri n đ c th s

ng cho thư ng m i. Hiệu suất của c c

hệ thống đ dự kiến c ng sẽ được tăng cư ng đ ng

. Ứng d ng của

n v n đang tập trung vào các ứng d ng cải thiện chất lượng điện
năng t nhất là trong tư ng lai rất g n. Các pin nhiên liệu dự kiến sẽ
được s d ng chủ yếu trong các ứng d ng ành cho xe c .
 Các công nghệ m i như năng lượng m t tr i, CES và c quy

im

lo i- hông h sẽ thu hút nhi u sự quan tâm nghiên cứu và phát tri n
do lợi thế của chúng là thân thiện đối v i môi trư ng và có mật đ

năng lượng rất cao.

25