Ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng BESS trong đảm bảo cấp điện liên tục cho hệ thống phòng cháy chữa cháy tại các nhà máy sản xuất

Tóm tắt:

Trong bối cảnh sự bùng nổ của các khu công nghiệp tại Việt Nam cùng với rủi ro cháy nổ tại các nhà xưởng có diện tích rộng và tải trọng chất cháy lớn, việc đảm bảo cấp điện liên tục, không gián đoạn cho các thiết bị PCCC là yêu cầu bắt buộc theo hệ thống quy chuẩn kỹ thuật quốc gia. Nghiên cứu trình bày khái niệm, cấu trúc hệ thống, nguyên lý vận hành và khả năng tích hợp của hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) với hạ tầng lưới điện hiện hữu của các nhà máy. Qua kết quả phân tích, tác giả đề xuất một số giải pháp nhằm ứng dụng BESS vào công tác PCCC đối với các nhà máy sản xuất nói riêng và công tác PCCC tại Việt Nam.

Từ khóa: hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS), phòng cháy chữa cháy (PCCC), khu công nghiệp, ESCO.

1. Đặt vấn đề

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và làn sóng thu hút đầu tư trực tiếp nước ngoài (FDI) mạnh mẽ tại Việt Nam, số lượng các khu công nghiệp (KCN), cụm công nghiệp và các tổ hợp nhà máy sản xuất quy mô lớn đang gia tăng nhanh chóng. Khác với công trình dân dụng, các nhà máy, xí nghiệp mang những đặc thù rủi ro cháy nổ rất phức tạp: diện tích mặt bằng trải rộng, tải trọng chất cháy rất lớn (nguyên vật liệu, hóa chất, bao bì, kho hàng thành phẩm) cùng hệ thống máy móc tiêu thụ điện năng cao. Theo thiết kế truyền thống, khi lưới điện quốc gia gặp sự cố mất hoặc bị ngắt khẩn cấp do hỏa hoạn, máy phát điện Diesel được coi là giải pháp duy nhất để duy trì hoạt động cho các hệ thống an toàn sinh mạng bao gồm: bơm chữa cháy màng nước, bơm Sprinkler, quạt tăng áp cầu thang, quạt hút khói và tủ điều khiển báo cháy trung tâm.

Tuy nhiên, thực tế vận hành chứng minh hệ thống máy phát điện Diesel mang nhiều hạn chế vật lý nghiêm trọng như độ trễ khởi động kéo dài từ 10 đến 30 giây, độ tin cậy khởi động thấp cũng như mâu thuẫn với tiêu chí phát triển bền vững do khi vận hành và chạy thử định kỳ máy phát Diesel phát sinh lượng lớn khí thải độc hại như NOx, SOx, CO2, ô nhiễm tiếng ồn.

Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 06:2022/BXD và tiêu chuẩn TCVN 3890:2023 (BXD, BKHCN., 2023), hệ thống PCCC tại các nhà xưởng, khu công nghiệp bắt buộc phải duy trì hoạt động liên tục, không gián đoạn ngay cả trong tình huống mất điện lưới cục bộ. Do đó, sự bứt phá về công nghệ và chi phí xây dựng một hệ thống BESS Lithium-ion ngày càng giảm đã mở ra một hướng tiếp cận hoàn toàn mới. BESS có khả năng thực hiện chuyển mạch tức thời (zero transfer time), cung cấp công suất quá tải động lực. Nghiên cứu này đặt mục tiêu phân tích đa chiều về mặt khoa học, kỹ thuật, kinh tế và pháp lý để đánh giá tính khả thi và đưa ra phương án tích hợp hệ thống BESS vào mạng lưới PCCC công nghiệp tại Việt Nam.

2. Tổng quan và lợi ích của hệ thống BESS trong công tác PCCC tại các nhà máy sản xuất

BESS là một tổ hợp cơ điện tử phức tạp bao gồm 5 phân hệ chính yếu: Pin lưu trữ (Battery Racks), Hệ thống quản lý pin (BMS), Bộ chuyển đổi công suất (PCS), tủ điều khiển năng lượng (EMS) và các hệ thống phụ trợ (LITHACO., 2023). Hiện nay, các hệ thống BESS hiện đại thường được thiết kế dưới dạng Container đặt ngoài trời để tối ưu hóa diện tích mặt bằng và cách ly an toàn với khu vực sản xuất.

Một hệ thống BESS hoàn chỉnh thường bao gồm:

Bảng 1. Cấu tạo của một hệ thống BESS

Hệ thống BESS mang lại nhiều lợi ích đa chiều cho doanh nghiệp từ việc triệt tiêu thời gian khởi động của hệ thống PCCC truyền thống, cải thiện chi phí năng lượng và tiến tới mục tiêu Net Zero, cụ thể như sau:

Thứ nhất, tối ưu hóa độ tin cậy kỹ thuật và triệt tiêu thời gian khởi động: Ưu thế kỹ thuật cốt lõi của hệ thống BESS nằm ở năng lực thực hiện chuyển mạch tức thời thông qua hệ thống khóa mạch tĩnh Static Transfer Switch. Khi xảy ra sự cố sa thải lưới điện khu vực do hỏa hoạn, bộ biến tần công suất PCS sẽ lập tức tiếp quản phụ tải và thiết lập trạng thái vi lưới điện độc lập trong thời gian dưới 5 ms. Cơ chế này loại bỏ hoàn toàn thời gian khởi động kéo dài từ 10 đến 30 giây vốn là nhược điểm vật lý cố hữu của máy phát điện Diesel. Việc duy trì dòng điện liên tục tuyệt đối giúp bảo vệ trạng thái của các thiết bị điện tử nhạy cảm, tủ điều khiển báo cháy trung tâm và hệ thống quản lý năng lượng (EMS/BMS) khỏi hiện tượng khởi động lại, đảm bảo chuỗi kịch bản tự động hóa PCCC vận hành chính xác ngay từ giây đầu tiên của sự cố.

Thứ hai, năng lực đáp ứng tải động lực và đỉnh xung công suất: Phụ tải PCCC trọng yếu tại các khu công nghiệp phần lớn là các động cơ công suất lớn (bơm chữa cháy Sprinkler, bơm màng nước Deluge, quạt hút khói trục dọc ). Quá trình khởi động trực tiếp các thiết bị này sinh ra dòng khởi động cực lớn, tạo ra dòng rotor bị khóa cao gấp 5 đến 8 lần so với dòng định mức (S.Gupta, C.Digest., 2019). Phương trình dòng điện quá độ trong giai đoạn khởi động động cơ được mô tả bằng biểu thức:

Khi sử dụng máy phát điện Diesel, dòng khởi động sẽ gây sụt áp nghiêm trọng trên tổng trở nguồn của máy phát, dẫn đến hiện tượng dao động tần số, sụt áp vi lưới và có thể kích hoạt các rơ-le bảo vệ quá dòng/thấp áp tự động cắt nguồn. Để khắc phục hiện tượng này, khi thiết kế bắt buộc phải áp dụng giải pháp tăng kích cỡ máy phát điện Diesel lên gấp 2.5 đến 3 lần công suất thực tế của tải. Nhờ đặc tính chịu tải, bộ PCS của BESS cho phép quá tải động lực lên đến 150% liên tục trong vòng 10 phút và đáp ứng dòng đỉnh xung tức thời lên tới 200% trong vòng 2 giây đến 5 giây mà không gây hiện tượng sụt áp hay sập nguồn vi lưới. Qua đó, thiết kế cơ điện không cần thiết phải tăng kích cỡ nguồn dự phòng lên gấp 2-3 lần so với công suất thực tế như phương pháp sử dụng máy phát điện Diesel, góp phần tối ưu hóa quy mô lưu trữ.

Thứ ba, hiệu quả kinh tế vi mô thông qua cơ chế tác vụ kép: Trái ngược với máy phát điện Diesel mang bản chất của một tiêu sản (chỉ phát sinh chi phí nhiên liệu, bảo dưỡng và chịu khấu hao thầm lặng), BESS tạo ra dòng tiền dương thông qua chiến lược quản lý năng lượng thông minh. Hệ thống EMS được cấu hình để khóa cứng một phần dung lượng pin (SoC Hard-Reserve) nhằm duy trì nguồn điện PCCC tối thiểu 120 phút theo quy định hiện hành. Phần dung lượng linh hoạt còn lại (thường chiếm 70%) sẽ tham gia vào cơ chế kinh doanh chênh lệch giá điện theo thời gian sử dụng (Peak-shaving) (Hassini et al., 2023) - tiến hành sạc vào giờ thấp điểm hoặc hấp thụ năng lượng mặt trời dư thừa và xả vào giờ cao điểm.

Phương trình phân bổ năng lượng tổng quát:

Trong đó:

SoC_active(t) là phần dung lượng linh hoạt (thường chiếm 60% đến 70% tổng dung lượng) được sử dụng vào các hoạt động thương mại hàng ngày như dịch chuyển đỉnh tải (Peak-shaving) hoặc kinh doanh chênh lệch giá điện theo khung giờ thấp/cao điểm (Energy Arbitrage).

SoC_hard-reserve(t) là phần dung lượng được khóa cứng bằng phần mềm, không sử dụng đối với các tác vụ thông thường. Khi lưới điện có điện, phần dung lượng này luôn được giữ ở trạng thái sạc đầy thông qua nguồn sạc ưu tiên.

Phân tích chi phí vòng đời (LCC) đối với các dự án BESS tại thị trường Việt Nam hiện nay theo thống kê dao động từ khoảng 4,5 đến 6 năm (BCT., 2025). Đây là mức thời gian hoàn vốn cực kỳ hấp dẫn đối với một dự án có tuổi thọ trên 12 năm như BESS.

Thứ tư, đóng góp vào lộ trình giảm phát thải và đáp ứng tiêu chuẩn ESG Vận hành hoàn toàn bằng năng lượng điện hóa, hệ thống BESS triệt tiêu sự phát thải các khí độc hại (NOx, SOx, CO2) và ô nhiễm tiếng ồn phát sinh từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Việc ứng dụng công nghệ BESS không chỉ bảo vệ tài sản và tính mạng con người mà còn là giải pháp kỹ thuật then chốt giúp các nhà máy đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường khắt khe, phù hợp với định hướng phát triển Khu công nghiệp sinh thái và hoàn thiện báo cáo ESG toàn cầu.

3. Thách thức kỹ thuật và pháp lý khi triển khai BESS

Mặc dù tính ứng dụng cũng như lợi ích của hệ thống BESS đem lại dành cho cho hệ thống PCCC nói riêng và hệ thống tiêu thụ điện đối với các doanh nghiệp sản xuất là rất lớn, tuy nhiên việc ứng dụng công nghệ này trong thực tế vẫn còn đối mặt với nhiều thách thức, cụ thể:

Rào cản về chi phí đầu tư ban đầu. Mặc dù chi phí sản xuất pin Lithium toàn cầu đang có xu hướng giảm, chi phí đầu tư ban đầu cho một hệ thống BESS hoàn chỉnh tích hợp PCS Grid-forming, tủ STS, BMS phân tầng và vỏ Container bảo vệ vẫn cao hơn đáng kể so với việc trang bị máy phát điện Diesel có cùng công suất danh định (IRENA., 2024). Đây là rào cản tài chính lớn đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ trong quá trình tiếp cận công nghệ.

Rủi ro mất an toàn nhiệt và hiện tượng tản nhiệt mất kiểm soát. Mặc dù pin LFP có độ ổn định nhiệt vượt trội và cấu trúc tinh thể bền vững, nguy cơ xảy ra hiện tượng tản nhiệt mất kiểm soát vẫn tồn tại nếu hệ thống bị đoản mạch nặng, hư hỏng cơ học, hoặc lỗi thuật toán BMS gây sạc/xả quá mức (IEC., 2022). Khi sự cố này xảy ra, cell pin giải phóng khí dễ cháy, có khả năng gây nổ áp suất và tạo ra đám cháy có nhiệt độ cực cao mà nước thông thường không thể dập tắt hiệu quả.

Sự thiếu hụt cơ sở pháp lý và tiêu chuẩn nghiệm thu. Hệ thống quy chuẩn kỹ thuật quốc gia hiện hành là QCVN 06:2022/BXD (và sửa đổi 1:2023) (BXD., 2023) kết hợp với tiêu chuẩn TCVN 3890:2023 (BKHCN., 2023) mới chỉ quy định cụ thể cho các nguồn dự phòng truyền thống (Diesel, UPS) và chưa có điều khoản cụ thể nào hướng dẫn thiết kế, nghiệm thu và phê duyệt cho công nghệ BESS đóng vai trò là nguồn điện dự phòng khẩn cấp. Việc thiếu vắng bộ hướng dẫn kỹ thuật mang tính pháp lý để công nhận, nghiệm thu và cấp phép cho BESS đóng vai trò là nguồn điện dự phòng khẩn cấp độc lập khiến quá trình thẩm duyệt và nghiệm thu công trình còn nhiều khó khăn.

Sự suy giảm dung lượng (SoH) ảnh hưởng đến dung lượng dự phòng PCCC. Theo số chu kỳ sạc xả, các cell pin Lithium sẽ bị thoái hóa tự nhiên, dẫn đến sự suy giảm SoH (IEC., 2022). Nếu không được giám sát và bù đắp bằng thuật toán điều khiển động, sự suy giảm này sẽ vô tình làm co hẹp phần năng lượng khóa cứng dành cho kịch bản PCCC, tiềm ẩn rủi ro hệ thống không đủ năng lượng duy trì cụm bơm chữa cháy trong 120 phút sau nhiều năm vận hành.

4. Thực trạng ứng dụng BESS trong công tác PCCC tại Việt Nam

4.1. Sự mất cân bằng trong mục đích ứng dụng

Hiện nay, công nghệ BESS tại Việt Nam chủ yếu được triển khai để giảm cắt giảm công suất tại các nhà máy năng lượng tái tạo hoặc tối ưu biểu giá ToU trong phân khúc công nghiệp. Việc thiết kế và tích hợp đồng bộ BESS làm nguồn dự phòng chuyên dụng cho PCCC hầu như mới chỉ dừng lại ở các mô hình nghiên cứu lý thuyết, chưa có nhiều dự án được triển khai và nghiệm thu chính thức.

4.2. Chi phí đầu tư và pháp lý

Do chưa có văn bản công nhận BESS thay thế máy phát điện, các chủ đầu tư rơi vào tình trạng tiến thoái lưỡng nan. Nếu đầu tư BESS, họ vẫn buộc phải lắp đặt song song cả hệ thống BESS lẫn một tổ máy phát điện Diesel để phục vụ nghiệm thu PCCC theo quy định, đẩy chi phí đầu lên cao, làm suy giảm động lực xanh hóa hạ tầng và đổi mới công nghệ của các doanh nghiệp trong nước.

4.3. Sự phụ thuộc vào chuỗi cung ứng ngoại nhập

Toàn bộ thiết bị lõi (Cell pin LFP, BMS, PCS) đều phải nhập khẩu hoàn toàn từ nước ngoài. Sự thiếu hụt chuỗi cung ứng nội địa và đội ngũ chuyên gia kỹ thuật sâu dẫn đến khó khăn trong bảo trì, thay thế linh kiện và xử lý sự cố phức tạp tại chỗ.

5. Đề xuất giải pháp thúc đẩy ứng dụng BESS trong công tác PCCC

5.1. Hoàn thiện hành lang pháp lý và nội hóa tiêu chuẩn quốc tế

Nghiên cứu và sửa đổi các quy định và tiêu chuẩn liên quan. Tham khảo một số tiêu chuẩn quốc tế như NFPA 855 (NFPA.,2023) (tiêu chuẩn lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng cố định) để làm căn cứ pháp lý, công nhận BESS là nguồn dự phòng khẩn cấp hợp pháp khi hệ thống đáp ứng đầy đủ rào cản an toàn kỹ thuật.

5.2. Xây dựng cấu trúc an toàn đa lớp

Để triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ cháy nổ, các hệ thống BESS lắp đặt tại khu công nghiệp phục vụ cho phụ tải PCCC bắt buộc phải áp dụng thiết kế module hóa với cấu trúc an toàn 3 lớp bảo vệ độc lập:

Lớp 1 (An toàn vật liệu): Chỉ cho phép sử dụng cell pin công nghệ LFP hoặc LMFP thế hệ mới vượt qua bài kiểm tra đâm xuyên nghiêm ngặt của tiêu chuẩn UL 1973 (UL.,2017). Tuyệt đối không sử dụng các dòng pin NMC có độ ổn định nhiệt kém trong các phòng cơ điện kín của nhà xưởng.

Lớp 2 (Kiểm soát chủ động bằng làm mát bằng chất lỏng): Thay thế toàn bộ hệ thống làm mát bằng quạt gió điều hòa truyền thống bằng công nghệ làm mát bằng chất lỏng được dẫn trực tiếp qua các tấm đồng áp sát vào bề mặt của từng cell pin. Công nghệ này đảm bảo duy trì nhiệt độ toàn bộ dải pin luôn dao động ổn định trong khoảng tối ưu (20°C đến 30°C) với độ lệch nhiệt độ giữa các cell cực kỳ nhỏ, triệt tiêu hoàn toàn rủi ro quá nhiệt cục bộ dẫn đến tản nhiệt mất kiểm soát.

Lớp 3 (Hệ thống dập cháy chuyên dụng): Khi xảy ra sự cố tản nhiệt mất kiểm soát ở một module đơn lẻ, việc lựa chọn chất chữa cháy tự động bên trong container mang tính quyết định đến khả năng dập tắt và ngăn ngừa thảm họa.

5.3. Chuẩn hóa quy trình vận hành và nâng cao năng lực chuyên môn

Thiết lập quy trình kiểm tra an toàn định kỳ, đồng bộ các thông số trạng thái SoC và SoH vào hệ thống giám sát tập trung SCADA/BMS của nhà máy. Đồng thời, cần tổ chức các chương trình đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật điện hóa cho đội ngũ kỹ sư cơ điện và tập huấn phương pháp cô lập và làm mát container từ khoảng cách an toàn bằng vòi phuc nước áp lực cao cũng như cần sử dụng các thiết bị đo khí độc để phát hiện khí HF trước khi quyết định mở cửa container khi gặp sự cố.

5.4. Thiết lập cơ chế khuyến khích kinh tế và tín dụng xanh

Chính phủ và các ngân hàng thương mại cần đưa dự án tích hợp BESS trong Khu công nghiệp vào danh mục dự án xanh nhằm tạo điều kiện tiếp cận các nguồn vốn vay ưu đãi với lãi suất thấp hoặc kết hợp với các dự án ESCO. Song song đó, cần đề xuất chính sách miễn, giảm thuế nhập khẩu đối với các linh kiện công nghệ cao để giảm chi phí đấu từ giúp gia tăng tính khả thi tài chính cho doanh nghiệp.

6. Kết luận

Trong bối cảnh nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cũng như hệ thống PCCC truyền thống vẫn còn nhiều nhược điểm. Việc áp dụng hệ thống BESS trong công tác PCCC đối với các nhà máy sản xuất tại Việt Nam không chỉ đem lại lợi ích về mặt kinh tế, kỹ thuật, an toàn mà còn góp phần quan trọng vào mục tiêu kiến tạo nên các Khu công nghiệp sinh thái, xanh và an toàn tuyệt đối.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

Bộ Xây dựng. (2023). Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 06:2022/BXD và Sửa đổi 1:2023.

Bộ Khoa học và Công nghệ. (2023). Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 3890:2023 về Phòng cháy chữa cháy.

Bộ Công Thương. (2025). Quyết định về Biểu giá bán lẻ điện năng theo thời gian sử dụng (TOU) cho sản xuất.

Gupta, S. (2019). Inrush Current - Causes, Effects, Protection Circuits and Design Techniques. Circuit Digest.

Hassini, M., Redondo-Iglesias, E., & Venet, P. (2023). Lithium–Ion Battery Data: From Production to Prediction.

IEEE Power & Energy Society. (2023). Dynamic Performance of Grid-Forming Inverters in BESS during Large Motor Starting.

IEC (International Electrotechnical Commission). (2022). IEC 62619:2022 - Safety requirements for large format secondary lithium cells and batteries for use in industrial applications.

IRENA. (2024). Cost-benefit analysis of Dual-use BESS in Industrial Microgrids and Peak-Shaving Algorithms.

LITHACO. (2023). Tìm hiểu các thành phần hệ thống pin lưu trữ năng lượng (BESS). LITHACO - Giải pháp điện mặt trời, lưu trữ năng lượng, trạm sạc xe điện.

National Fire Protection Association (Hoa Kỳ). (2023). NFPA 855: Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems.

National Fire Protection Association (Hoa Kỳ). (2018). NFPA 20: Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection

Underwriters Laboratories (UL). (2017). UL 9540A: Test Method for Evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in Battery Energy Storage Systems.

Application of Battery Energy Storage Systems to ensure continuous power supply for firefighting systems in manufacturing plants

Nguyen Hoai Nam

Electric Power University

ABSTRACT

In the context of the rapid expansion of industrial zones in Vietnam, coupled with the inherent fire risks in large-scale manufacturing facilities characterized by high fire loads, ensuring a continuous and uninterrupted power supply for fire protection systems is a mandatory requirement under national technical regulations. This article presents the concepts, system architecture, operational principles, and the integration capabilities of Battery Energy Storage Systems (BESS) with the existing power infrastructure of manufacturing plants. Based on the analysis, the author proposes several solutions for applying BESS to fire protection in manufacturing plants in particular and to fire safety practices in Vietnam in general.

Keywords: Battery Energy Storage System (BESS), fire protection, industrial zone, ESCO.