Thiết bị lưu điện và bước chuyển đổi từ ắc quy axit-chì sang Pin Lithium Ion

Trong hơn nửa thế kỷ đã qua, ắc quy axit- chì đã được sử dụng như một phương án lưu trữ điện năng hữu hiệu được các nhà sản xuất thiết bị lưu điện lựa chọn để cung cấp giải pháp bảo vệ nguồn điện từ quy mô nhỏ (máy tính cá nhân..) đến quy mô lớn (trung tâm dữ liệu, dây truyền sản xuất …). Công nghệ dùng ắc quy axit- chì đã và đang được sử dụng nhờ ưu điểm là chi phí đầu tư ban đầu ở mức trung bình, trong khi thời gian lưu điện có thể đáp ứng từ vài phút đến hàng giờ – phù hợp cho rất nhiều nhu cầu bảo vệ nguồn điện.

Tuy nhiên, những thách thức trong việc nghiên cứu thử nghiệm, đưa ra ứng dụng một giải pháp mới hơn, hiệu quả hơn phương án lưu trữ điện năng bằng ắc quy axit-chì được các chuyên gia chỉ ra như:

Giảm diện tích và trọng lượng của thành phần lưu trữ năng lượng để cho phép sử dụng không gian hiệu quả và linh hoạt hơn.
Giảm chi phí điện năng cần thiết để làm mát UPS và thành phần lưu trữ năng lượng kèm theo.
Tăng khả năng lưu trữ năng lượng và khả năng giám sát trạng thái, dự đoán lỗi.
Kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì cho UPS và thành phần lưu trữ năng lượng kèm theo.

Với những vấn đề trên, trong khi công nghệ lưu trữ năng lượng mới sử dụng pin Lithium Ion (Li-ion) được phát triển và chính thức đưa ra sản xuất công nghiệp để ứng dụng rộng rãi cho các thiết bị điện tử (điện thoại thông minh), ô tô điện … các nhà sản xuất thiết bị lưu điện cũng lập tức đưa ra những thử nghiệm và cung cấp giải pháp UPS dùng pin Li-ion cho các sản phẩm thiết bị lưu điện. Vậy pin Li-ion có thực sự giải quyết được mong muốn ở trên? Người sử dụng có thể tham khảo những đánh giá dưới đây từ các chuyên gia hàng đầu của hãng Schneider Electric:

Đầu tiên, pin Li-ion có thể cung cấp năng lượng và mật độ công suất lớn hơn nhiều lần so với ắc quy axit- chì có van điều chỉnh (VRLA). Do đó, cùng một mức công suất điện yêu cầu, pin Li-ion chỉ chiếm khoảng không gian bằng một phần ba hoặc ít hơn so với giải pháp ắc quy axit-chì VRLA. Không gian lắp đặt yêu cầu ít hơn đồng nghĩa với linh hoạt hơn trong lựa chọn vị trí lắp đặt, giảm thiểu chi phí xây dựng mới hoặc cải tạo mặt bằng có sẵn.

Mật độ năng lượng theo khối lượng và thể tích của các công nghệ tích trữ năng lượng

Mức dung lượng suy hao do tự xả của pin Li-ion (khi UPS hoặc pin Li-ion lưu kho) nhỏ hơn đến gần 4 lần so ắc quy axit- chì. Điều này cùng với khả năng đáp ứng thời gian sạc lại nhanh hơn giúp UPS kết hợp pin Li-ion giảm thiểu chi phí nạp bổ sung định kì, tăng tính sẵn sàng đáp ứng lưu điện.
Chu kì phóng nạp của pin Li-ion cao hơn đến 10 lần (tùy đặc tính loại pin Li-ion như thành phần hóa học, công nghệ chế tạo, nhiệt độ vận hành, số chu kì phóng sâu) so với ắc quy axit-chì nên tuổi thọ vận hành của pin Li-tion kéo dài hơn.
Các ứng dụng dùng pin Li-ion luôn được đi kèm với hệ thống giám sát pin (BMS), cung cấp thông tin rõ ràng về thời gian lưu điện và tình trạng pin. Trong khi đó ắc quy VRLA hoạt động dựa qui trình điện phân hóa học nên khó dự đoán chính xác khi nào chúng sẽ hỏng. Một ví dụ về ắc quy ô tô: hôm nay nó có thể hoạt động hoàn toàn tốt nhưng ngày hôm sau trời hơi lạnh và ắc quy bị hỏng mà không báo trước. Điều này gần như không xảy ra với pin Li-ion.

Bảng so sánh mật độ năng lượng, tuổi thọ, số lần sạc/ xả, thời gian nạp lại của hai loại lưu trữ

Tất nhiên, không có công nghệ mới nào ra đời mà không gặp phải những thách thức triển khai nhất định và pin Li-ion cũng không ngoại lệ. Đầu tiên là nhu cầu tìm loại pin Li-ion phù hợp nhất cho ứng dụng UPS. Các yêu cầu của UPS khá khác so với các yêu cầu đối với ắc quy ô tô điện. Pin Li-ion ô tô được thiết kế để lưu trữ nhiều năng lượng cho phép ô tô có thể đi được quãng đường càng xa càng tốt trước khi sạc lại. Với pin UPS, mối quan tâm không phải là thời gian chạy mà là nhu cầu cung cấp nhiều điện năng một cách nhanh chóng trong một khoảng thời gian ngắn, thường chỉ vài phút cho đến khi máy phát điện dự phòng hoạt động.

Ngoài ra, đối với UPS, các nhà sản xuất cũng không thực sự quan tâm đến loại pin có thể bật và tắt hàng nghìn lần, vì UPS không hoạt động nhiều ở chế độ dùng pin. Đúng hơn, chúng ta cần nó phải có độ tin cậy và an toàn cao, với tuổi thọ dài.

Thêm nữa, chúng ta cần một loại pin có thể mang lại tổng chi phí sở hữu (TCO) thấp hơn so với ắc quy VRLA. Pin Li-ion đã có tính cạnh tranh trên mặt trận đó. Chúng có thể có giá ban đầu cao hơn nhưng sẽ có tuổi thọ gấp đôi ắc quy VRLA. Pin Li-ion cũng có kích thước nhỏ hơn nhiều, giúp giảm cả yêu cầu về không gian và làm mát – giúp tiết kiệm chi phí hơn nữa.

Tuy nhiên, pin Li-ion cũng có một số yếu điểm so với ắc quy axit- chì VRLA dẫn đến sự chậm chạm trong chuyển đổi công nghệ lưu trữ năng lượng:

Chi phí đầu tư ban đầu của pin Li-ion cao hơn khoảng 1,2 đến 2 lần cho cùng một mức năng lượng do nguyên liệu sản xuất pin Li-ion và chi phí quản lý quy trình sản xuất pin Li-ion cao hơn.
Các yêu cầu về qui trình vận chuyển chặt chẽ hơn làm phát sinh chi phí vận chuyển cao.
Xét về chi phí sở hữu TCO (TCO = chi phí đầu tư ban đầu + chi phí vận hành + chi phí quản lý + chi phí thay thế + chi phí khác) ở một vòng đời sản phẩm pin Li-ion là 12 năm tính ở thị trường Việt Nam thường có giá rẻ hơn 26%/1kW so với sử dụng ắcquy axit chì. Tuy nhiên, việc thuyết phục khách hàng thay đổi cách nhìn về đầu tư dài hạn không phải lúc nào cũng thuận lợi.

Bảng so sánh chi phí sở hữu TCO sau 10 năm giữa pin Li-ion và ắcquy axit chì

Công nghệ pin Lithium-ion trong ứng dụng UPS mang lại lợi thế hơn so với ắcquy truyền thống. Pin li-ion nhỏ hơn, nhẹ hơn, sạc nhanh hơn và có tuổi thọ gấp đôi hoặc hơn so với ắcquy – công nghệ lưu trữ năng lượng chủ yếu được sử dụng ngày nay trong bộ lưu điện dự phòng UPS. Li-ion được cho là một giải pháp thân thiện với môi trường hơn. Và, có lẽ đáng ngạc nhiên là chi phí mua sắm cao hơn nhưng tổng chi phí sở hữu (TCO) lại thấp hơn. Nó phù hợp với các doanh nghiệp hướng tới phát triển xanh bền vững, chú trọng phát triển lâu dài.