Đăng ký thành viên

Khai thác phần mềm mô phỏng lão hóa của pin

Bằng cách mô phỏng hành vi của pin trong nhiều điều kiện khác nhau, các mô hình mô phỏng cho phép nhà điều hành tiên đoán tính năng và tuổi thọ của pin cũng như tối ưu hóa các thiết kế hệ thống.

Các mô hình mô phỏng hành vi của pin trong nhiều điều kiện khác nhau, cho phép nhà điều hành tiên đoán tính năng và tuổi thọ của pin và tối ưu hóa các thiết kế hệ thống (Ảnh st)

Công nghệ pin luôn đi đầu trong cuộc cách mạng năng lượng. Các hệ thống tích trữ điện bằng pin (BESS) đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển dịch năng lượng sạch. Chúng cung cấp thêm tính ổn định và sự linh hoạt, đồng thời chuẩn bị cho các lưới điện để vận hành hoàn toàn bằng năng lượng tái tạo. 

Tuy nhiên, với việc triển khai ngày càng tăng, những thách thức của BESS cũng trở nên hiển nhiên hơn. BESS là những hệ thống cực kỳ phức tạp. Chúng bao gồm các mạng lưới các ngăn pin, các bộ nghịch lưu, các hệ thống quản lý pin, cáp và các phần cứng khác. Một nghiên cứu gần đây do Viện Nghiên cứu Điện lực (EPRI, Mỹ), Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL, Mỹ), và Công ty công nghệ TWAICE (Đức) thực hiện cho thấy tỷ lệ sự cố hỏng hóc của BESS đã giảm 97% kể từ năm 2018. Tuy nhiên, các vấn đề về tính khả dụng và các thành phần hoạt động kém vẫn còn gây khó khăn cho nhiều nhà điều hành về tích trữ. Trong bối cảnh này, phần mềm đóng vai trò rất quan trọng trong việc xác định đúng kích cỡ, quản lý và tối đa hóa các hệ thống tích trữ cũng như tuổi thọ của chúng. 

Bằng cách mô phỏng hành vi của pin trong các điều kiện khác nhau, các mô hình mô phỏng cho phép nhà điều hành tiên đoán tính năng và tuổi thọ của pin và tối ưu hóa các thiết kế hệ thống. Đối với các công ty điện lực và các nhà điều hành năng lượng tìm cách triển khai BESS, việc triển khai với quy mô đúng đóng vai trò then chốt để đảm bảo họ khai thác lợi thế tối đa từ các khoản đầu tư. 

Các mô hình mô phỏng đóng vai trò rất quan trọng trong suốt vòng đời của một dự án BESS. Chúng giúp hài hòa các bên liên quan về các kỳ vọng tính năng thực tế trong quá trình lập kế hoạch, và giúp các nhà điều hành xác định pin sẽ hoạt động như thế nào trong các kịch bản sử dụng khác nhau, chẳng hạn như san bằng phụ tải đỉnh.

Các mô hình lão hóa và ứng dụng của chúng

Một tập hợp con quan trọng của phần mềm mô hình hóa là các mô hình lão hóa của pin. Các mô hình này mô phỏng các quá trình xuống cấp khác nhau xảy ra trong các ngăn pin theo thời gian. BESS quy mô lưới điện thường bị yêu cầu thực hiện nhiều chức năng khác nhau, từ san bằng phụ tải đỉnh và nguồn điện dự phòng đến tham gia thị trường bán buôn và hỗ trợ năng lượng mặt trời. Các mô hình lão hóa pin cung cấp những hiểu biết có giá trị về cách pin xuống cấp trong các điều kiện vận hành khác nhau này. 

Đối với các nhà quản lý tài sản, điều tối quan trọng là các ngăn pin phải chịu được mọi loại biến động. Ví dụ như đối với các ứng dụng tích trữ hộ sinh hoạt, thay đổi nhiệt độ là mối quan tâm chính. Các mô hình mô phỏng có thể cung cấp những hiểu biết cần thiết về vấn đề này. Tương tự như thách thức về nhiệt độ trong tích trữ hộ sinh hoạt, Công ty Khai thác mỏ Epiroc của Thụy Điển gần đây đã áp dụng phần mềm mô hình hóa để hiểu rõ hơn về cách pin xe điện của mình hoạt động và lão hóa khi hoạt động ở nhiệt độ cực cao trong lòng đất. Bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng, Epiroc đã chọn ngăn pin hoạt động tốt nhất. Với những hiểu biết này, Epiroc đã đảm bảo rằng các pin vẫn duy trì tính năng cao sau nhiều năm hoạt động. Các nhà điều hành tích trữ hộ sinh hoạt có thể áp dụng các mô hình mô phỏng tương tự để đánh giá tác động của các biến động nhiệt độ đến quá trình lão hóa pin.

Các biến động nhiệt độ có thể không phải là mối quan ngại đặc biệt đối với BESS quy mô lưới điện. Thông thường, các thùng chứa pin luôn được điều hòa không khí ở nhiệt độ ổn định. Tuy nhiên, các tham số khác như độ sâu xả, đường cong phụ tải và số chu kỳ mỗi ngày ảnh hưởng đến tuổi thọ và tính năng của BESS. Các mô hình lão hóa pin có thể tiên đoán tác động của tất cả các tham số này chứ không chỉ nhiệt độ. 

Các mô hình lão hóa mới còn cung cấp thêm một lợi thế nữa. Trong khi lithium-ion vẫn là công nghệ tích trữ bằng pin chiếm ưu thế, các hóa chất thay thế đang đạt mức độ thương mại hóa khi các nhà điều hành tích trữ tìm cách vượt qua những giới hạn của lithium, chẳng hạn như các mối quan ngại về chuỗi cung ứng. Các mô hình lão hóa có thể tiên đoán cách các loại pin thay thế sẽ phản ứng trong các kịch bản thế giới thực. Khi so sánh pin lithium-ion với pin natri-ion, các kỹ sư có thể thấy công nghệ nào phù hợp nhất về tính năng và tuổi thọ của pin. Ví dụ, mô hình tương thích với pin natri-ion giúp các nhà điều hành học hỏi thêm về công nghệ này. 

Mô hình tương lai

Mô phỏng lão hóa của pin đã cải thiện đáng kể trong những năm gần đây. Ví dụ, một tập hợp con của các mô hình mô phỏng khảo sát các hiệu ứng xuống cấp lý hóa và tích hợp chúng vào các phương pháp tiếp cận bán thực nghiệm. Nhờ đó, nó có thể nắm bắt các cơ chế xuống cấp phức tạp như mạ lithium. Mạ lithium là một quá trình trong đó các ion lithium lắng đọng dưới dạng kim loại trên bề mặt anot, có thể dẫn đến giảm dung lượng và có khả năng gây ra ngắn mạch. 

Các mô hình lão hóa mới cũng đơn giản hóa việc nhận diện các vấn đề xuống cấp. Chúng tóm tắt các vấn đề thành ba chế độ chính: Mất trữ lượng lithium, mất vật liệu dương cực (anode) hoạt tính, và mất vật liệu âm cực (cathode) hoạt tính. Việc phân loại này giúp cải thiện khả năng phân tích và tiên đoán tính năng cũng như tuổi thọ của pin. 

Vượt qua thách thức

Ngoài việc cung cấp thông tin về các chế độ xuống cấp, thế hệ mô hình lão hóa mới có thể mô hình hóa điện áp hở mạch (OCV) trong suốt vòng đời của pin. Đặc biệt với các pin Lithium-Sắt-Phosphate (LFP), thường sử dụng với tích trữ quy mô lưới điện, sự thay đổi trong OCV thường đóng vai trò chính. OCV là điện áp tại các đầu nối của pin khi pin đang nghỉ, tức là khi không có dòng điện chạy qua. OCV liên kết trực tiếp với Trạng thái sạc (SOC). 

Pin LFP có đường cong điện áp rất phẳng trên một phần lớn phạm vi sạc của chúng. Điều này có nghĩa là điện áp không thay đổi nhiều khi pin đang sạc hoặc phóng điện, đặc biệt là ở dải giữa của SOC. Tại sao điều này lại là một vấn đề? Đối với các pin LFP, rất khó ước tính SOC: Vì điện áp này thay đổi rất ít ở phạm vi giữa của SOC, nên rất khó xác định chính xác lượng điện còn lại trong pin chỉ bằng cách sử dụng điện áp.

Với pin đang lão hóa, mọi thứ thậm chí trở nên phức tạp hơn nữa: Theo thời gian, khi pin lão hóa, đường cong OCV có thể chuyển dịch đôi chút, dựa trên các chế độ xuống cấp đang diễn ra. Sự thay đổi này làm phức tạp hơn nữa việc ước tính SOC và có thể dẫn đến SOC sụt giảm đột ngột. Tuy nhiên, sự thay đổi của OCV nhiều khi bị bỏ qua trong các mô phỏng. Theo thời gian, độ chính xác của các mô hình mô phỏng bị giảm xuống. 

Các mô hình lão hóa mới có thể mô phỏng cách đường cong OCV thay đổi khi pin lão hoá. Đổi lại, nó dẫn đến ước tính chính xác hơn về SOC và Tình trạng sức khỏe, hai trong số các chỉ báo pin theo thời gian thực phổ biến nhất cho các nhà điều hành BESS. 

Ước tính trạng thái chính xác là một yếu tố quan trọng khi vận hành BESS. Trong trường hợp xấu nhất, các giá trị không chính xác sẽ dẫn đến các khoản phạt. Sự sụt giảm đột ngột của SOC sẽ làm giảm lượng năng lượng mà một hệ thống có thể cung cấp cho lưới điện. 

Cân bằng giao dịch với tình trạng pin bị lão hóa

Bên cạnh các khoản phạt, các công ty điện lực cũng cần phải nghĩ đến tuổi thọ của BESS. Trong các ứng dụng giao dịch, các nhà quản lý tài sản cần cân nhắc doanh thu tiềm năng so với tác động lâu dài đến tình trạng pin. Các đường cong xuống cấp tiêu chuẩn từ các nhà cung cấp pin quá chung chung để cung cấp thông tin chi tiết thực tế. Thông thường, dữ liệu lão hóa này giả định rằng pin đã được sạc đầy và xả cạn – điều này không xảy ra trong thực tế. 

Các mô hình mô phỏng đánh giá quá trình lão hóa của pin dựa trên các kịch bản thế giới thực tế, ví dụ như với độ sâu phóng điện khoảng 80%, qua đó cung cấp thông tin chi tiết thực tế về quá trình lão hóa của pin. Nhờ đó, chúng giúp phát triển các chiến lược giao dịch tạo ra doanh thu mà không đẩy nhanh quá mức quá trình lão hóa đang diễn ra. Điều này đảm bảo rằng hệ thống này vẫn hiệu quả chi phí trong toàn bộ vòng đời của nó. 

Đối với nhà phát điện tái tạo của châu Âu, việc điều chỉnh các thuật toán giao dịch theo quá trình lão hóa của pin là có lợi. Công ty điện lực này đã cải thiện lợi nhuận của mình hơn 1 triệu USD cho mỗi 10MWh nhờ sử dụng các kịch bản từ các mô hình lão hóa để nhận dạng các điều kiện vận hành giúp tối đa hóa tính năng và tuổi thọ của BESS. Lợi nhuận gia tăng nhờ vào việc kéo dài tuổi thọ của pin thêm 20%.

Ý nghĩa của thế hệ mô hình lão hóa mới

Các mô hình mô phỏng đánh giá quá trình lão hóa của pin dựa trên các kịch bản thực tế, ví dụ như với độ sâu phóng điện khoảng 80% (Ảnh st)

Những tiến bộ trong mô hình lão hóa vượt xa những hiểu biết về mặt lý thuyết. Sử dụng mô phỏng lão hóa, các bên liên quan có thể đảm bảo rằng họ có hoạt động tích trữ an toàn đồng thời nâng cao tính năng hệ thống và kéo dài tuổi thọ của khoản đầu tư tích trữ năng lượng. Cách tiếp cận quản lý tình trạng pin chủ động này giúp đảm bảo các công trình BESS hoạt động tối ưu, giảm thời gian chết và tối đa hóa lợi tức đầu tư. 

Với các mô hình mô phỏng, các kỹ sư có thể đưa ra quyết định sáng suốt liên quan đến việc lựa chọn ngăn pin, thiết kế hệ thống và vận hành, nhờ đó tối đa hóa hiệu quả và tuổi thọ của các hệ thống lắp đặt BESS. Các mô hình mô phỏng ngày càng tinh vi cho thấy sự thay đổi sâu sắc trong công nghệ pin.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “renewableenergyworld”, tháng 1/2025