"Pin nhiệt": Giải pháp mới lưu trữ hiệu quả năng lượng tái tạo

Các ngân hàng pin quy mô lớn (cũng sử dụng pin lithium-ion phổ biến hiện nay) là một trong những giải pháp. Nhưng ở quy mô lưới điện, giải pháp này rất đắt tiền và chỉ có thể lưu trữ năng lượng trong vài giờ, trong khi thời tiết có thể nhiều ngày trời không nắng hoặc lặng gió.

Một ý tưởng khác là "pin nhiệt": một bể kim loại lỏng hoặc một khối than chì được đốt nóng lên vài nghìn độ bằng điện gió hoặc điện mặt trời dư thừa. Nhiệt lượng từ khối pin này sau đó được dùng để tạo ra điện khi cần. Tuy nhiên, do các vấn đề hiệu suất chuyển đổi, pin nhiệt vẫn chỉ dừng lại ở ý tưởng và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm suốt vài chục năm qua. Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã cải tiến được một cấu phần quan trọng trong giải pháp này là thiết bị chuyển nhiệt lượng thành điện, đưa pin nhiệt đến gần hơn với thực tế.

Về lý thuyết, khối pin nhiệt có thể tạo ra điện bằng cách làm cho hơi nước vận hành tuabin. Nhưng có sự đánh đổi: nhiệt độ càng cao thì hiệu suất chuyển đổi càng cao, nhưng vật liệu tuabin bắt đầu phân hủy ở khoảng 1.500°C. Vì thế các nhà khoa học ứng dụng một công nghệ khác để chuyển đổi hiệu quả hơn: vật liệu nhiệt điện (TPV). Thay vì dùng nhiệt lưu trữ để đun nước, thì truyền nhiệt vào màng hoặc dây tóc kim loại, làm cho kim loại nóng lên và phát sáng giống như dây vonfram trong bóng đèn sợi đốt, sau đó TPV hấp thụ ánh sáng phát ra và chuyển thành điện năng.

Nhưng ngay cả với TPV, pin nhiệt cũng không trở nên khả quan hơn. TPV đầu tiên được phát minh vào những năm 1960 chỉ chuyển đổi một vài phần trăm nhiệt năng thành điện năng. Hiệu suất này tăng lên khoảng 30% vào năm 1980, nhưng từ đó đến nay không cải thiện thêm. Nguyên nhân là vonfram và các kim loại khác có xu hướng phát xạ các photon trong một phổ rất rộng, từ tia cực tím năng lượng cao đến tia hồng ngoại năng lượng thấp. Trong khi đó TPV chỉ hấp thụ và chuyển đổi các photon trong một phổ hẹp, cụ thể là các tia có tần số cao hơn. Các tia tần số thấp sẽ bị lãng phí.

Đối với thiết bị mới, kỹ sư cơ khí Asegun Henry tại MIT đã thiết kế lại cả nguồn phát sáng và TPV. Các hệ thống trước đây lấy nhiệt từ pin để tạo ra nguồn sáng có nhiệt độ khoảng 1.400°C, giúp tối đa hóa độ sáng của chúng trong dải bước sóng phù hợp nhất với TPV. Nhóm của Henry đã đẩy nhiệt độ nguồn sáng lên 2.400°C, làm cho vonfram phát ra nhiều photon năng lượng cao hơn, cải thiện quá trình chuyển đổi năng lượng, sau đó thiết kế lại TPV để tương thích với nguồn sáng này.

Hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ, nhóm Henry dùng hơn hai chục lớp chất bán dẫn mỏng để tạo ra hai phần vật liệu TPV riêng biệt xếp chồng lên nhau. Phần nằm trên cùng hấp thụ hầu hết các photon có thể nhìn thấy và tia cực tím, trong khi phần phía dưới chủ yếu hấp thụ tia hồng ngoại. Có thêm một tấm vàng mỏng đặt ở dưới cùng để phản chiếu ngược trở lại các photon năng lượng thấp mà TPV chưa thể thu hoạch. Kết quả, như nhóm báo cáo trên tạp chí Nature, là một TPV có thể chuyển đổi 41,1% năng lượng phát ra từ dây tóc vonfram 2.400°C thành điện năng.

TPV của nhóm MIT được làm từ các chất bán dẫn III-V (gọi tên theo vị trí của các nguyên tố thành phần trong bảng tuần hoàn), đắt hơn silicon trong pin mặt trời trên mái nhà. Nhưng các bộ phận khác của hệ thống pin nhiệt, chẳng hạn như than chì, thì có giá thành rất rẻ. Trong một bài báo năm 2019, Henry và các đồng nghiệp tính toán rằng chỉ cần chuyển đổi ở hiệu suất 35% thì pin nhiệt sẽ khả thi về mặt kinh tế.

“Đây là lần đầu tiên TPV đạt được phạm vi hiệu suất thực sự hứa hẹn đối với nhiều ứng dụng thực tế,” theo kỹ sư vật liệu Andrej Lenert tại Đại học Michigan, Ann Arbor.

Gần đây, Henry đã mở một liên doanh - Thermal Battery Corp. để thương mại hóa công nghệ của nhóm. Họ ước tính có thể lưu trữ điện với giá 10 USD cho mỗi kilowatt giờ, thấp hơn 10% so với chi phí sử dụng các ngân hàng pin lithium-ion quy mô lớn. Giải pháp pin nhiệt cũng có thể lưu trữ năng lượng trong nhiều ngày.

Không giống như các nhà máy nhiên liệu hóa thạch chỉ hoạt động hiệu quả ở quy mô lớn, hệ thống lưu trữ điện năng bằng pin nhiệt có tính mô-đun. Có nghĩa là hệ thống năng lượng tái tạo - pin nhiệt - thiết bị chuyển đổi có thể cung cấp điện một cách hiệu quả cho một ngôi làng nhỏ hay một lưới điện lớn, tùy vào quy mô muốn triển khai. Pin nhiệt cũng có thể lưu trữ điện cho các trang trại điện gió, điện mặt trời cho dù quy mô lớn hay nhỏ.