Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng, việc cung cấp nhiệt vẫn chiếm tỷ trọng lớn nhất trong tổng mức tiêu thụ năng lượng. Đáng chú ý, hơn một nửa năng lượng tiêu thụ trên toàn cầu được sử dụng để tạo ra nhiệt, vượt xa nhu cầu điện năng. Cụ thể, các quy trình công nghiệp tiêu thụ đến 51% tổng năng lượng nhiệt, trong khi các tòa nhà chiếm 46%, chủ yếu cho mục đích sưởi ấm và đun nước. Mặc dù nhu cầu lớn, việc lưu trữ nhiệt năng hiệu quả, đặc biệt ở quy mô lớn, vẫn là một thách thức đáng kể.
Không giống như điện năng có thể dễ dàng lưu trữ bằng pin hoặc truyền tải qua lưới điện, nhiệt năng lại khó lưu giữ hơn nhiều. Nhiệt có xu hướng tiêu tán theo thời gian, và các hệ thống lưu trữ nhiệt thường cồng kềnh, tốn kém, hoặc kém hiệu quả. Vấn đề này càng trở nên cấp thiết hơn khi các nguồn năng lượng tái tạo không ổn định như năng lượng gió và mặt trời ngày càng được sử dụng rộng rãi.
Sự không đồng đều giữa sản xuất và nhu cầu năng lượng dẫn đến lãng phí đáng kể. Nếu không có giải pháp lưu trữ nhiệt dài hạn hiệu quả về chi phí, các nguồn năng lượng tái tạo khó có thể đảm bảo độ tin cậy cho toàn bộ hệ thống. Một giải pháp đầy hứa hẹn đang được các kỹ sư nghiên cứu là sử dụng cát để lưu trữ nhiệt năng.
Mặc dù có vẻ không phải là một công nghệ tiên tiến, khả năng hấp thụ và giữ nhiệt của cát đã được ứng dụng từ hàng nghìn năm trước. Người Ai Cập cổ đại đã sử dụng hỗn hợp cát, bùn và rơm để xây dựng nhà cửa, tận dụng khả năng hấp thụ nhiệt từ mặt trời vào ban ngày và giải phóng nhiệt vào ban đêm.
Ngày nay, các kỹ sư đã phát triển nguyên lý này lên một tầm cao mới bằng cách sử dụng vật liệu tinh chế, các silo thép cách nhiệt và hệ thống sưởi chính xác để tạo ra các kho chứa nhiệt năng sử dụng cát. Theo Tiến sĩ Zhiwen Ma, kỹ sư cơ khí tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ, cát là một vật liệu dễ kiếm, thân thiện với môi trường và ổn định trong một phạm vi nhiệt độ rộng.
Về mặt kỹ thuật, cát là một giải pháp lưu trữ năng lượng dài hạn ít cần bảo trì. Nó có nhiệt dung riêng cao, khoảng 0,84 J/g trên mỗi độ Celsius, nghĩa là cần một lượng nhiệt đáng kể để làm tăng nhiệt độ của nó. Đồng thời, độ dẫn nhiệt của cát lại thấp, khoảng 0,2 watt trên mỗi mét-kelvin (W/mK), cho phép nó giữ nhiệt trong nhiều tuần hoặc thậm chí nhiều tháng, với mức tiêu hao chỉ khoảng 10%.
Cát không bị phân hủy theo thời gian, làm cho nó trở nên lý tưởng cho việc lưu trữ năng lượng dài hạn. Nó cũng không độc hại, thân thiện với môi trường, an toàn khi xử lý và không có nguy cơ cháy nổ như pin lithium-ion (Li-ion).
Pin cát là một hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn, nhiệt độ cao, sử dụng cát như một phương tiện để lưu trữ nhiệt năng thay vì điện năng như trong pin thông thường. Nguyên lý hoạt động cơ bản là sử dụng điện năng dư thừa từ các nguồn tái tạo như năng lượng gió và mặt trời để vận hành một bộ gia nhiệt điện trở, làm nóng không khí. Luồng không khí nóng này sau đó được lưu thông qua một hệ thống khép kín.
Không khí nóng dần dần làm tăng nhiệt độ của cát được lưu trữ trong một bể thép hoặc silo cách nhiệt tốt, đạt đến 600 độ C, thậm chí một số thiết kế còn hướng đến mức nhiệt 1.000 độ C. Cát sau đó giữ nhiệt năng trong một thời gian dài với mức tiêu hao tối thiểu.
Khi cần thiết, không khí mát được bơm vào và đi qua lớp cát nóng, hấp thụ nhiệt đã được lưu trữ. Luồng không khí đã được làm nóng này sau đó được dẫn đến các tòa nhà hoặc cơ sở công nghiệp, cung cấp năng lượng sạch theo yêu cầu. Pin cát hoạt động như một kho chứa nhiệt năng, lưu trữ năng lượng gió và mặt trời dư thừa khi nhu cầu thấp. Khi được sử dụng trực tiếp để sưởi ấm, chúng có thể đạt hiệu suất lưu trữ nhiệt lên đến 99%.
Pin cát thương mại đầu tiên trên thế giới được triển khai vào năm 2022 bởi công ty khởi nghiệp Polar Night Energy tại Kankaanpää, Phần Lan. Hệ thống này bao gồm một silo thép chứa khoảng 2.000 tấn đá xà phòng nghiền, được sử dụng làm vật liệu lưu trữ nhiệt. Với chiều cao 13 mét và chiều rộng 15 mét, nó có thể lưu trữ khoảng 100 megawatt-giờ (MWh) năng lượng, đủ để sưởi ấm toàn bộ trung tâm thị trấn. Hệ thống này có khả năng đáp ứng nhu cầu sưởi ấm của địa phương trong gần một tháng vào mùa hè và một tuần vào mùa đông, và đã đi vào hoạt động đầy đủ từ tháng 6 năm 2023.
Ngoài Polar Night Energy, một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) gần đây đã giới thiệu một hệ thống lưu trữ nhiệt năng dài hạn 100 giờ dựa trên cát. Công ty Batsand của Latvia cũng cung cấp các pin cát quy mô gia đình, bao gồm một máy phát nhiệt và một bình chứa cát, có khả năng lưu trữ đủ nhiệt cho hai ngôi nhà trong mùa đông.
Mặc dù là một công nghệ mới nổi, pin cát đang thu hút sự chú ý trên toàn cầu nhờ chi phí thấp, tính bền vững và tiềm năng tái sử dụng vật liệu thải. Tuy nhiên, chúng chưa phù hợp để cung cấp năng lượng cho điện thoại hoặc ô tô, do hiệu quả chuyển đổi nhiệt đã lưu trữ trở lại thành điện vẫn còn thấp. Dù vậy, pin cát có thể cung cấp nhiệt hiệu quả cho các tòa nhà, hỗ trợ các hoạt động công nghiệp và giúp ổn định lưới điện địa phương.
Thị trường pin cát toàn cầu dự kiến sẽ tăng trưởng nhanh chóng trong thập kỷ tới. Năm 2024, quy mô thị trường được định giá khoảng 1,2 tỷ USD và dự kiến sẽ tăng lên 4,86 tỷ USD vào năm 2034, cho thấy tiềm năng to lớn của công nghệ lưu trữ nhiệt độc đáo này.
Admin
Nguồn: VnExpress
