Tăng trưởng hệ thống pin lưu trữ năng lượng (BESS): Mô hình hóa rủi ro

Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) đang trở thành một công nghệ trọng yếu trong quá trình chuyển dịch năng lượng toàn cầu, đồng thời giữ vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu điện ngày càng gia tăng trong tương lai. Tuy nhiên, cũng như mọi công nghệ mới, BESS tiềm ẩn những rủi ro cần được nhận diện và kiểm soát đúng mức.

Quản lý an toàn cho BESS

Hệ thống năng lượng toàn cầu đang bước vào giai đoạn chuyển đổi sâu rộng. Nhu cầu điện được dự báo tăng mạnh khi giao thông, công nghiệp và hệ thống sưởi ấm dần được điện khí hóa, trong khi năng lượng mặt trời và gió tiếp tục mở rộng với tốc độ nhanh. Đến năm 2040, năng lượng tái tạo được dự báo sẽ cung cấp hơn một nửa sản lượng điện toàn cầu.

Quá trình chuyển đổi này không thể diễn ra nếu thiếu sự phát triển song hành của hạ tầng lưu trữ năng lượng. Công suất lưu trữ kết nối lưới điện được dự báo sẽ tăng hơn 25 lần vào năm 2060, đưa BESS trở thành một trụ cột cốt lõi của hạ tầng năng lượng hiện đại. Nhờ khả năng cung cấp tính linh hoạt cho hệ thống, điều tần và công suất dự phòng, các dự án BESS cho phép tích hợp tỷ lệ lớn năng lượng tái tạo mà vẫn duy trì được sự ổn định của lưới điện.

Tuy nhiên, BESS không phải là giải pháp “không rủi ro”. Sự cố bên trong các cell pin lithium-ion có thể phát triển thành những tình huống nghiêm trọng, gây ảnh hưởng đến con người, tài sản và môi trường. Một số sự kiện đã được ghi nhận trong những năm gần đây cho thấy mức độ tiềm ẩn của các rủi ro này. Khi tốc độ triển khai BESS ngày càng nhanh, việc hiểu rõ và quản lý các vấn đề an toàn trở nên đặc biệt quan trọng đối với chủ đầu tư, đơn vị vận hành, cơ quan quản lý và lực lượng ứng cứu khẩn cấp.

Nhận diện rủi ro từ pin lithium-ion

Khác với nhiều công trình năng lượng truyền thống thường đặt tại khu vực công nghiệp xa khu dân cư, các cơ sở BESS ngày nay ngày càng được bố trí gần khu đô thị, cụm công nghiệp và hạ tầng trọng yếu. Điều này đồng nghĩa với việc hậu quả tiềm tàng của một sự cố có thể lớn hơn đáng kể.

Pin lithium-ion có thể suy giảm khi chịu tác động bất lợi về điện, nhiệt hoặc cơ học. Quá trình suy giảm ban đầu thường bắt đầu bằng hiện tượng thoát khí (off-gassing), khi một hoặc nhiều cell bị hư hỏng trong mô-đun pin giải phóng hơi khí dễ cháy và có khả năng độc hại. Nếu tình trạng tiếp diễn, sự cố có thể chuyển sang trạng thái mất kiểm soát nhiệt (thermal runaway) — một phản ứng dây chuyền tự duy trì, tạo ra nhiệt lượng lớn và xả khí mạnh, có thể kích hoạt hỏng hóc ở các cell hoặc mô-đun lân cận.

Mức độ nguy hiểm của các hiện tượng này phụ thuộc nhiều vào môi trường lắp đặt hệ thống và thời điểm xảy ra đánh lửa. Nếu khí phát thải bắt lửa sớm, hậu quả thường là cháy và khói; trong đó khói có thể chứa các thành phần độc hại sinh ra trong quá trình phân hủy cell, như hydro fluoride (HF). Ngược lại, nếu đánh lửa xảy ra muộn, khí có thể phân tán ra môi trường bên ngoài hoặc tích tụ thành đám mây dễ cháy trong không gian kín. Khi đó, việc phát nổ có thể xảy ra, tạo ra áp lực lớn, phá vỡ kết cấu bao che và mở ra các đường lan truyền mới cho lửa, khí và khói, đồng thời làm hư hại các mô-đun pin xung quanh và khiến sự cố leo thang.

Những rủi ro này có nhiều điểm tương đồng với các ngành công nghiệp quy trình truyền thống như dầu khí, hóa chất hay phát điện. Trong các lĩnh vực đó, việc quản lý cháy nổ và phát thải khí dễ cháy, khí độc đã là thực hành tiêu chuẩn trong nhiều thập kỷ. Do vậy, các phương pháp quản lý rủi ro đã được kiểm chứng hoàn toàn có thể được điều chỉnh để áp dụng cho cơ sở BESS.

Mô hình hóa hậu quả – nền tảng cho thiết kế an toàn

Các kịch bản sự cố của BESS có thể được mô phỏng bằng phần mềm mô hình hóa hậu quả nhằm dự đoán mức độ nghiêm trọng và phạm vi ảnh hưởng của một sự kiện. Cách tiếp cận này cho phép đưa ra các đánh giá định lượng, hỗ trợ ra quyết định trong toàn bộ vòng đời dự án – từ thiết kế ý tưởng, thẩm định kỹ thuật, cấp phép cho đến vận hành và xây dựng phương án ứng phó khẩn cấp.

DNV cung cấp bộ giải pháp phần mềm toàn diện và đã được kiểm chứng gồm Phast, KFX và EXSIM – những công cụ đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành dầu khí và các lĩnh vực có mức độ rủi ro cao khác trong nhiều năm qua. Với sự tương đồng về bản chất rủi ro, các công cụ này hoàn toàn có thể áp dụng cho dự án BESS, từ các đánh giá sàng lọc nhanh dựa trên mô hình thực nghiệm đến các phân tích kỹ thuật chuyên sâu sử dụng động lực học chất lưu tính toán (CFD).

Giải pháp phần mềm cho cơ sở BESS

Để mở rộng khả năng tiếp cận, DNV hiện tích hợp hỗ trợ chuyên biệt cho ứng dụng BESS trong nền tảng Phast Online – dịch vụ mô hình hóa hoàn toàn trên nền web. Một số mô hình từ phiên bản Phast desktop đã được chuyển thành các ứng dụng trực tuyến, chỉ yêu cầu tập dữ liệu đầu vào tối thiểu. Ứng dụng “Battery hazard” cho phép dự đoán khoảng cách nguy hiểm do khí độc phát sinh từ hiện tượng thoát khí và ước tính lượng khói trong trường hợp cháy; các chức năng mô phỏng bức xạ nhiệt sẽ tiếp tục được bổ sung trong giai đoạn phát triển tiếp theo.

Đối với các tình huống phức tạp hơn, KFX cung cấp phân tích CFD độ chi tiết cao về cháy, khói và phát tán khí trong không gian kín hoặc có thông gió, trong khi EXSIM cho phép mô phỏng nổ trong các cấu trúc hình học phức tạp, đánh giá tải trọng nổ, cơ chế hư hỏng và hiệu quả xả áp.

Hướng đi an toàn cho hệ thống pin lithium-ion

Khi BESS ngày càng giữ vai trò trung tâm trong hạ tầng năng lượng tương lai, thiết kế an toàn dựa trên cơ sở khoa học là điều kiện tiên quyết để bảo vệ con người, tài sản và niềm tin của xã hội. Việc đưa ra quyết định dựa trên mô hình hóa hậu quả đã được kiểm chứng, thay vì giả định chủ quan, cho phép các tổ chức thiết kế, cấp phép và vận hành hệ thống pin lithium-ion một cách chủ động và tự tin, đồng thời kiểm soát hiệu quả các rủi ro cháy, nổ và phát thải khí độc trong suốt vòng đời dự án.

Theo Jessica Pertolaw – DVN