Trong khi nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng nhanh, cung cấp nhiệt vẫn là mục đích sử dụng năng lượng lớn nhất. Hiện nay, hơn 50% lượng tiêu thụ năng lượng cuối cùng trên toàn cầu dùng vào việc tạo ra nhiệt, không phải điện. Trong đó, quy trình công nghiệp tiêu thụ 51% tổng năng lượng dùng cho nhiệt, trong khi các tòa nhà chiếm 46%, chủ yếu để sưởi ấm không gian và đun nóng nước. Tuy nhiên, dù chiếm ưu thế, nhiệt năng vẫn là một trong những dạng năng lượng khó lưu trữ hiệu quả nhất, đặc biệt là ở quy mô lớn.
Hệ thống pin cát của công ty Polar Night Energy
Không giống điện có thể lưu trữ bằng pin hoặc nạp vào lưới điện, nhiệt năng khó lưu giữ hơn nhiều. Nhiệt tiêu tán theo thời gian và hệ thống lưu trữ thường cồng kềnh, đắt đỏ hoặc kém hiệu quả. Thách thức này trở nên cấp bách hơn với sự gia tăng của những nguồn năng lượng tái tạo không liên tục như điện gió và điện mặt trời.
Khi việc sản xuất năng lượng không phù hợp với nhu cầu cao điểm, phần lớn năng lượng bị lãng phí. Nếu không thể lưu trữ nhiệt dài hạn, hiệu quả về chi phí, nguồn năng lượng tái tạo không thể đảm bảo độ tin cậy cho toàn hệ thống. Một trong những giải pháp ngày càng khả thi mà giới kỹ sư đang khám phá là lưu trữ nhiệt năng bằng cát.
Lý do chọn cát để lưu trữ nhiệt năng
Cát có vẻ không phải giải pháp công nghệ cao cấp để lưu trữ năng lượng, khả năng hấp thụ và giữ nhiệt của nó đã được khai thác từ hàng nghìn năm trước. Người Ai Cập cổ đại trộn cát, bùn và rơm để xây dựng nhà cửa hấp thụ nhiệt từ mặt trời vào ban ngày và giải phóng nhiệt vào ban đêm.
Các kỹ sư ngày nay đưa nguyên lý đó tiến xa hơn bằng cách sử dụng vật liệu tinh chế, silo thép cách nhiệt và hệ thống sưởi chính xác để xây dựng nguồn chứa nhiệt năng nhiệt độ bằng cát. Theo tiến sĩ Zhiwen Ma, kỹ sư cơ khí tại Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia của Bộ Năng lượng Mỹ (NREL), cát dễ tiếp cận, thân thiện với môi trường và ổn định trong phạm vi nhiệt độ rộng.
Từ góc độ kỹ thuật, cát là giải pháp ít cần bảo trì nhằm lưu trữ năng lượng dài hạn. Nó có một nhiệt dung riêng (nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của một đơn vị khối lượng một chất lên 1 độ) cao ở mức 0,84 J/g mỗi độ Celsius. Ngoài ra, nó có độ dẫn nhiệt thấp khoảng 0,2 watt mỗi mét-kelvin (W/mK). Điều này cho phép nó giữ nhiệt trong nhiều tuần hoặc thậm chí nhiều tháng mà chỉ tiêu hao khoảng 10% nhiệt.
Cát không bị phân hủy theo thời gian nên rất lý tưởng để lưu trữ năng lượng dài hạn. Nó cũng không độc hại, thân thiện với môi trường và an toàn khi xử lý, không có nguy cơ nổ giống pin lithium-ion (Li-ion).
Cách hoạt động của pin cát
Pin cát là hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn, nhiệt độ cao sử dụng cát làm phương tiện để lưu trữ nhiệt năng thay vì điện như trong pin thông thường. Nguyên lý cơ bản là sử dụng điện dư thừa từ nguồn tái tạo như điện gió và điện mặt trời để vận hành bộ gia nhiệt điện trở, làm nóng không khí. Không khí nóng này lưu thông qua một hệ thống khép kín.
Không khí di chuyển dần dần nâng nhiệt độ của cát lưu trữ trong bể thép cách nhiệt tốt hoặc silo, đạt đến 600 độ C. Tuy nhiên, một số thiết kế nhắm đến mức nhiệt 1.000 độ C. Cát sau đó lưu giữ nhiệt năng trong thời gian dài với mức tiêu hao tối thiểu.
Không khí mát được bơm vào và đi qua cát nóng, hấp thụ nhiệt lưu trữ khi cần thiết. Không khí đã làm nóng được dẫn đến các tòa nhà hoặc cơ sở công nghiệp, cung cấp năng lượng sạch theo yêu cầu. Pin cát là nguồn chứa nhiệt năng, lưu trữ năng lượng gió và mặt trời dư thừa khi nhu cầu thấp. Chúng có thể đạt hiệu suất lưu trữ nhiệt lên đến 99% khi được sử dụng trực tiếp để sưởi ấm.
Triển khai trong thực tế
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. Nó bao gồm một silo thép chứa khoảng 2.000 tấn đá xà phòng nghiền, dùng làm phương tiện lưu trữ nhiệt. Cao 13 m và rộng 15 m, nó lưu trữ khoảng 100 megawatt-giờ (MWh) năng lượng, đủ để sưởi ấm toàn bộ trung tâm thị trấn. Có thể đáp ứng nhu cầu sưởi ấm ở địa phương trong gần một tháng vào mùa hè và một tuần vào mùa đông, hệ thống này đi vào hoạt động đầy đủ hồi tháng 6/2025.
Ngoài Polar Night Energy, nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia của Bộ Năng lượng Mỹ (NREL) gần đây giới thiệu hệ thống lưu trữ nhiệt năng dài hạn 100 giờ dựa trên cát. Công ty Batsand của Latvia cung cấp pin cát quy mô gia đình bao gồm máy phát nhiệt và bình chứa cát có thể lưu trữ đủ nhiệt cho hai ngôi nhà vào mùa đông.
Tương lai của pin cát
Dù là công nghệ mới nổi, pin cát đang thu hút sự chú ý toàn cầu nhờ chi phí thấp, tính bền vững và tiềm năng tái sử dụng vật liệu thải. Chúng chưa phù hợp để cung cấp năng lượng cho điện thoại hoặc ô tô do chuyển đổi nhiệt lưu trữ trở lại thành điện vẫn còn kém hiệu quả. Tuy nhiên, pin cát có thể cung cấp nhiệt hiệu quả cho các tòa nhà, hỗ trợ hoạt động công nghiệp, giúp ổn định lưới điện địa phương.
Quy mô thị trường pin cát toàn cầu dự kiến sẽ tăng nhanh trong thập kỷ tới. Năm 2024, thị trường được định giá khoảng 1,2 tỷ USD và dự kiến sẽ tăng lên 4,86 tỷ USD năm 2034.