Đăng ký thành viên

Pin dòng chảy oxy hóa khử có thể ngăn ngừa các vụ mất điện như thế nào?

Lưới điện siêu nhỏ sử dụng pin dòng chảy oxy hóa khử có thể là giải pháp cho các vụ mất điện do thiên tai (Ảnh st)

Các thảm họa thiên nhiên như cháy rừng gây ra các vụ mất điện khẩn cấp và luân phiên. Khi xảy ra mất điện, lưới điện cục bộ triển khai các biện pháp ứng phó để cấp điện từ pin tích trữ điện của chúng cho các tủ phân phối phụ tải quan trọng cụ thể. Tuy nhiên, cần có các biện pháp ứng phó rộng lớn hơn để cung cấp nhiều điện hơn cho các vùng lớn hơn. Pin dòng oxy hóa khử có thể là giải pháp.

Pin dòng chảy oxy hóa khử hoạt động như thế nào?

Tổ chức Năng lượng Mới và Phát triển Công nghệ Công nghiệp (NEDO, Nhật Bản) và Công ty Sumitomo Electric (Nhật Bản) cộng tác với chính quyền bang California (Mỹ) và Công ty Khí đốt và Điện San Diego (SDG&E) đã vận hành một dự án lưới điện siêu nhỏ pin dòng chảy oxy hóa khử (RFB) tại bang California (Mỹ) từ năm 2015. Nhà điều hành hệ thống RFB là Sumitomo Electric, đã nhận Giải thưởng Mạng lưới Hành động Lưới điện Thông minh Quốc tế (ISGAN) năm 2024 vì sự thành công của dự án này.

Hệ thống pin dòng chảy oxy hóa khử ở San Diego (Ảnh st)

Pin dòng chảy oxy hóa khử là gì?

RFB hoạt động thông qua phản ứng oxy hóa khử (khử oxy và oxy hóa), trong đó các ion vanadi lưu thông trong chất điện phân xung quanh pin và trải qua quá trình oxy hóa và khử oxy để xả và sạc. Trạng thái hóa trị của các ion vanadi thay đổi trong quá trình này.

Trong quá trình phóng điện, phản ứng oxy hóa khiến các ion vanadi mất các electron ở điện cực âm (sau đó đi vào mạch ngoài). Các electron này di chuyển đến điện cực dương, được chấp nhận và trải qua phản ứng khử oxy. Quá trình này tạo ra dòng điện. Trong quá trình sạc, quá trình này xảy ra theo chiều ngược lại, cũng như hướng dòng điện, cho phép tích trữ năng lượng trong hệ thống vì các ion vanadi ở phía âm của pin tích trữ các electron dư thừa bằng cách thay đổi trạng thái hóa trị của chúng. Các ion hydro tích điện dương cân bằng hệ thống, duy trì trạng thái trung hòa điện tích.

Cấu trúc pin dòng oxy hóa khử (Ảnh st)

Trong các RFB, chất điện phân và vật liệu tác dụng được bơm qua các điện cực xốp (thường làm bằng than chì), với màng ngăn cách ion để ngăn cách hai điện cực này. Do đó, RFB là hệ thống cồng kềnh hơn vì chúng cần hai bể chứa hóa chất để chứa dung dịch điện phân chứa các ion vanadi.

Tuy nhiên, vì quá trình này không liên quan đến việc xen kẽ hoặc loại bỏ xen kẽ các ion mà dựa vào việc thay đổi trạng thái hóa trị, nên điện cực ít bị hư hại. Điều này khiến các RFB trở thành môi chất tích trữ năng lượng có tuổi thọ cao. Pin cũng sử dụng các vật liệu không cháy và chống cháy, do đó khả năng cháy pin là thấp. Người ta có thể đo trạng thái sạc (SOC) và dễ dàng thay đổi công suất đầu ra (kW) và dung lượng điện (kWh) bằng cách thay đổi lượng chất điện phân có thể.

Lắp đặt pin dòng chảy oxy hóa khử Sumitomo tại California

Từ năm 2015 đến năm 2021, Sumitomo đã lắp đặt một pin 2MW/8MWh tại bang California có thể cấp điện cho 1.000 hộ gia đình trong bốn giờ. SDG&E đã lắp đặt RFB tại một trạm biến áp của mình để khảo sát tính linh hoạt và độ tin cậy của phương pháp lưới điện siêu nhỏ RFB.

Dự án này đã chứng minh rằng lưới điện siêu nhỏ RFB có thể cấp điện cho các khu vực bị mất điện. Pin RFB có thể sử dụng như một nguồn điện độc lập trong các tình huống đã lên kế hoạch trước và khẩn cấp và tạo ra doanh thu thông qua các giao dịch trên thị trường điện trong các tình huống hoạt động bình thường. Đây là dự án đầu tiên ở Mỹ cũng như ở Nhật Bản, nơi một lưới điện siêu nhỏ hoạt động trên một mạng lưới phân phối thương mại sử dụng pin tích trữ làm nguồn điện sơ cấp.

Dự án cũng đã chứng minh rằng RFB có thể ổn định điện áp và tần số của các đường dây phân phối điện thông qua việc sạc hoặc xả năng lượng dựa trên cung và cầu tại các thời điểm khác nhau. Nó cũng có thể giúp ổn định các biến động trong quá trình sản xuất điện từ năng lượng mặt trời trong các lưới điện siêu nhỏ. Các RFB có thể chuyển đổi liền mạch từ trạng thái kết nối lưới điện sang trạng thái độc lập, cho phép chúng khởi động mà không cần bất kỳ nguồn điện phụ trợ nào trong quá trình khởi động đen và đảm bảo không mất điện.

Các RFB chỉ giảm một lượng nhỏ dung lượng, ngay cả khi sạc và phóng điện hoàn toàn trong khoảng từ 0% đến 100% SOC. Các RFB có thể duy trì dung lượng danh định là 8MWh trong ít nhất 20 năm. Dự án cũng đã xác nhận rằng các RFB bị suy giảm rất ít, không có sự cố hệ thống lớn nào và độ khả dụng là 99%.

Các tính năng chính của pin dòng chảy oxy hóa khử của Sumitomo

Dự án California lựa chọn các RFB của Sumitomo vì chúng có nhiều ưu thế về độ dẻo dai lưới điện cao và bảo vệ khỏi tình trạng mất điện (ngoài khả năng chuyển dịch giữa các trạng thái hoạt động).

Các hợp chất vanadi sunfat sử dụng trong RFB không bắt lửa, vì vậy ngay cả khi chất lỏng ở phía dương và phía âm của pin hòa lẫn vào nhau, chúng cũng sẽ không gây ra hỏa hoạn. Các vật liệu chống cháy sử dụng ở các bộ phận khác của pin. RFB cũng thân thiện với môi trường hơn vì các điện cực không bị phân hủy chẳng hạn như hòa tan hoặc lắng đọng trong quá trình sạc và phóng điện, vì vậy chúng có thể tồn tại lâu hơn. Người ta có thể tái chế và tái sử dụng các dung dịch điện phân.

Vì không bị suy thoái nên RFB có thể sử dụng trong thời gian dài, dẫn đến chi phí vòng đời thấp hơn. Khả năng tái chế chất điện phân cũng giúp giảm chi phí vòng đời.

Vòng đời của pin RFB so với pin lithium-ion (Ảnh st)

Cuối cùng, việc vận hành và thiết kế cũng đơn giản. RFB không yêu cầu những hệ thống phức tạp để vận hành hoặc thay đổi công suất đầu ra và nhiều chồng pin có thể xếp trong thùng chứa pin để thay đổi công suất đầu ra. Mỗi chồng pin đều thiết kế độc lập với nhau, do vậy có thể dễ dàng bổ sung nhiều hoặc ít chồng pin nhằm thay đổi dễ dàng công suất đầu ra. Bởi vì trạng thái sạc là như nhau với tất cả các pin nên dễ dàng xác định lượng sạc còn lại của từng chồng pin độc lập.

Nhìn về Nhật Bản và Mỹ

Mỹ và Nhật Bản đều có nhiều thảm họa thiên nhiên và cả hai đều là những địa điểm thử nghiệm chính cho các hệ thống RFB nhằm tăng cường độ dẻo dai của lưới điện. Sau thành công của dự án California, NEDO và Sumitomo cho biết họ sẽ tiếp tục nỗ lực để tăng cường độ dẻo dai của lưới điện.

Biên dịch: Hồ Văn Minh

Theo “Eepower”, tháng 11/2024