Khi quá trình chuyển đổi sang năng lượng tái tạo ngày càng mạnh mẽ, nhu cầu đối với hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) ngày càng cao. Hệ thống này rất quan trọng để tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện, đảm bảo độ tin cậy và ổn định.
Tuy nhiên, sự lo ngại về sự cố, đặc biệt là nguy cơ hỏa hoạn do mất kiểm soát nhiệt của BESS, đặt ra những thách thức đáng kể, làm bộc lộ những hạn chế của các biện pháp làm mát và an toàn hiện tại.
Hiểu về mất kiểm soát nhiệt
Mất kiểm soát nhiệt xảy ra khi một ô pin tạo ra nhiệt nhanh hơn mức nhiệt có thể tản ra, dẫn đến phản ứng quá nhiệt dây chuyền, làm hỏng các ô liền kề. Hiện tượng này thường bắt đầu do tác nhân bên ngoài như hư hỏng vật lý, sạc quá mức, nhiệt độ cao, khiến các phản ứng hóa học bên trong pin diễn ra nhanh, không kiểm soát được.
Khi các phản ứng diễn ra, chúng tạo ra nhiệt, làm tăng hoạt động hóa học, có thể dẫn đến cháy hoặc nổ. Quá trình này gây ra mối nguy hiểm đáng kể về an toàn, làm giảm độ tin cậy và hiệu quả hoạt động của hệ thống lưu trữ năng lượng.
Hạn chế của các phương pháp làm mát hiện tại
Làm mát bằng không khí dựa vào sự lưu thông của không khí để tản nhiệt. Phương pháp này thường không hiệu quả trong các hệ thống bố trí dày đặc, nơi luồng không khí bị cản trở, dẫn đến phân phối nhiệt độ không đều, các điểm nóng có thể gây ra tình trạng mất kiểm soát nhiệt.
Làm mát bằng tấm lạnh lỏng, sử dụng các ống dẫn chất lỏng để hấp thụ và vận chuyển nhiệt ra khỏi các ô, giúp khả năng kiểm soát nhiệt tốt hơn. Nhưng phương pháp này chỉ xử lý nhiệt sau khi nhiệt được tạo ra, chứ không có biện pháp phòng ngừa chống lại tình trạng mất kiểm soát nhiệt.
Các hệ thống chữa cháy, mặc dù rất quan trọng, nhưng là một phương án xử lý đám cháy đã xảy ra, tập trung vào việc ngăn chặn hơn là phòng ngừa. Các phương pháp này kết hợp làm nổi bật hơn nhu cầu về một giải pháp chủ động, toàn diện hơn để kiểm soát nhiệt trong BESS.
Công nghệ ngâm pin
Làm mát bằng cách ngâm (nói ngắn gọn là làm mát ngâm) là công nghệ được cấp bằng sáng chế cho BESS của EticaAG (liên doanh giữa Etica Battery và AGI). Làm mát ngâm, bao gồm việc nhúng các ô pin vào chất lỏng điện môi, không bắt lửa.
Bằng cách giải quyết trực tiếp nguyên nhân gốc rễ của hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, công nghệ này cung cấp khả năng kiểm soát nhiệt tối ưu, nâng cao tính an toàn, độ tin cậy và hiệu suất pin so với các phương pháp thông thường. Cách thức hoạt động như sau:
● Chất làm mát hấp thụ nhiệt trực tiếp từ các ô pin, chảy đến bể chứa nơi nhiệt được tản ra.
● Hệ thống sử dụng máy bơm để luân chuyển chất lỏng, ngăn ngừa sự chênh lệch nhiệt độ.
● Hệ thống quản lý pin (BMS) tích hợp, hoạt động theo thời gian thực để luân chuyển chất làm mát trong toàn bộ hệ thống khi cần.
Với sự tuần hoàn chất lỏng bao quanh mỗi ô pin, nhiệt từ nguồn được truyền gần như ngay lập tức, đóng vai trò là môi trường tản nhiệt hiệu quả, ngăn ngừa các đột biến nhiệt độ, có thể dẫn đến mất kiểm soát nhiệt, đồng thời cô lập các ô pin khỏi oxy và các nguồn gây cháy tiềm ẩn.
Ngay cả trong trường hợp không may máy bơm bị hỏng, khả năng chống cháy vẫn hiệu quả. Vì bản thân chất lỏng không bắt lửa và liên tục bao quanh các ô pin, nên nó ngăn chặn sự lan truyền của lửa. Chức năng an toàn của hệ thống, cô lập ô pin khỏi oxy và các nguồn đánh lửa bên ngoài, vẫn luôn nguyên vẹn.
Lợi ích chính của phương pháp làm mát ngâm
Phương pháp làm mát ngâm, nhúng trực tiếp các ô pin vào chất lỏng điện môi, đảm bảo phân phối nhiệt độ đồng đều trên tất cả ô pin, ngăn ngừa các điểm nóng cục bộ. Làm mát ngâm sẽ giảm thiểu rủi ro mất kiểm soát nhiệt trong BESS, thông qua hai cơ chế chính:
● Cách ly oxy: Chất lỏng điện môi tạo thành rào cản vật lý xung quanh mỗi ô pin, ngăn ngừa tiếp xúc với oxy, yếu tố cần cho sự đốt cháy. Trong trường hợp ô pin bị hỏng, phương pháp cách ly này sẽ giảm thiểu nguy cơ đánh lửa và cháy lan.
● Giữ nhiệt và tản nhiệt: Nếu một ô pin bị mất kiểm soát nhiệt, chất lỏng xung quanh sẽ nhanh chóng hấp thụ và tản nhiệt dư thừa. Sự tản nhiệt này ngăn không cho các ô pin lân cận đạt đến nhiệt độ tới hạn, về cơ bản là “khoanh” lỗi ở một ô pin duy nhất.
Ngoài việc ngăn hỏa hoạn, làm mát ngâm còn tối ưu hóa hiệu suất pin bằng cách duy trì môi trường nhiệt độ ổn định được kiểm soát. Pin lithium-ion bị hỏng nhanh hơn khi tiếp xúc với nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ dao động. Làm mát ngâm làm giảm ứng suất nhiệt bằng cách:
+ Giảm sự thay đổi nhiệt độ: Chất lỏng bao quanh toàn bộ ô pin giúp giữ nhiệt độ của pin ổn định, ngăn vật liệu bên trong giãn nở hoặc co lại quá nhiều, có thể gây suy giảm pin theo thời gian.
+ Giảm phân hủy chất điện phân: Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ phân hủy chất điện phân bên trong pin, góp phần làm giảm dung lượng theo thời gian. Bằng cách duy trì phạm vi nhiệt độ tối ưu, làm mát ngâm làm chậm quá trình phân hủy, kéo dài tuổi thọ của pin.
+ Nâng cao hiệu quả năng lượng: Pin hoạt động hiệu quả hơn khi được giữ trong phạm vi nhiệt độ lý tưởng của chúng. Nhiệt độ ổn định và tối ưu, có nghĩa là hiệu quả sạc/xả được cải thiện, giảm tổn thất năng lượng.
Bằng cách giải quyết độ ổn định nhiệt và rủi ro cháy nổ, làm mát ngâm tăng cường tính an toàn và kéo dài tuổi thọ hoạt động của BESS. Điều này làm cho nó trở thành giải pháp lý tưởng trong vai trò hỗ trợ các ứng dụng của BESS như lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện, nguồn điện dự phòng thương mại công nghiệp, trung tâm dữ liệu,…
