Pin cát là gì? Mọi thứ bạn cần biết

Tin tức về một loại pin cát ở Phần Lan gần đây đã trở thành tiêu đề báo, mặc dù hệ thống đó chỉ lưu trữ và giải phóng nhiệt.

Lưu trữ nhiệt không phải là công nghệ mới, nhưng dự án thí điểm này nêu bật một số khả năng trong tương lai của công nghệ và hệ thống năng lượng xanh.

Bài viết này đề cập đến công nghệ lưu trữ năng lượng bằng cát cũng như các công nghệ tương tự và ý nghĩa của chúng đối với thế giới.

Năng lượng từ cát?

Cát tự nhiên sở hữu nhiều đặc tính khiến nó trở thành môi trường lý tưởng để lưu trữ năng lượng nhiệt. Bạn có thể đun nóng nó đến nhiệt độ trên 1,000°C (1,832°F) mà không có vấn đề gì và nó có thể giữ nhiệt trong nhiều ngày, nhiều tuần và thậm chí nhiều tháng với tổn thất tối thiểu.

Nếu bạn coi pin là phương tiện lưu trữ năng lượng được tạo ra tại một thời điểm cụ thể, do đó có thể sử dụng vào thời điểm khác, thì cát được đun nóng bằng năng lượng điện để lưu trữ và sử dụng sau này cũng chính là pin.

Pin cát virus từ Phần Lan

Ở quận Kankaanpää phía tây Phần Lan có một hệ thống năng lượng lưu trữ nhiệt được cấp bằng sáng chế do Đêm cực. Nó sử dụng năng lượng điện dư thừa từ các nguồn tái tạo để làm nóng cát trong một silo cao 7 mét và rộng 4 mét lên đến 600°C (1,112°F) để lưu trữ và sử dụng sau này trong mạng lưới sưởi ấm khu vực.

Một số điều quan trọng cần lưu ý ở đây. Đầu tiên, năng lượng được sử dụng là năng lượng dư thừa từ các nguồn tái tạo như gió và mặt trời. Điều này loại bỏ mọi so sánh khách quan với các hệ thống lưu trữ năng lượng khác cho mục đích thương mại.

Thứ hai, hệ thống này chỉ được sử dụng để lưu trữ và phân phối nhiệt – tức là năng lượng điện được chuyển thành nhiệt và được lưu trữ trong cát. Sau đó, khi cần, nhiệt được trích xuất và phân phối đến các hộ gia đình và nhà máy nơi cần đến.

Thứ ba, cát tự nhiên có thể chứa một lượng năng lượng khá ấn tượng. Ví dụ, pin Polar Night của Phần Lan này chứa 100 tấn cát ở nhiệt độ khoảng 600 độ C, tổng cộng là 8MWh năng lượng được lưu trữ ở công suất sưởi ấm 100kW. Điều này khiến cát trở thành một phương tiện lưu trữ năng lượng cực kỳ rẻ mà không cần công nghệ, lắp đặt hay yêu cầu nguy hiểm.

Về lưu trữ năng lượng nhiệt theo mùa

Lưu trữ năng lượng nhiệt theo mùa hay viết tắt là STES đã có từ rất lâu. Ở dạng đơn giản nhất, bạn có thể thu thập nước nóng từ mái nhà vào mùa hè và lưu trữ trong một bể ngầm, sau đó bạn có thể sử dụng để sưởi ấm vào mùa đông.

Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống STES đều lưu trữ nhiệt ở nhiệt độ dưới 100°C, thích hợp để sưởi ấm nhà ở và văn phòng, nhưng lại không lý tưởng cho các mục đích sử dụng công nghiệp khác hoặc phát điện.

Phương pháp này rất đơn giản, bạn phơi bày bất kỳ môi trường nào có thể bẫy và giữ nhiệt với nguồn bức xạ, chẳng hạn như mặt trời, chất thải nhiệt công nghiệp, v.v. Hiệu quả của hệ thống phụ thuộc vào phương pháp trao đổi nhiệt và hiệu suất của nó.

Tiếp theo, bạn sẽ phải lưu trữ môi trường được làm nóng trong một vỏ bọc cách nhiệt, để giảm thiểu tổn thất năng lượng. Một số vỏ bọc có thể giữ nhiệt tốt trong nhiều tháng.

Cuối cùng, môi trường lưu trữ được bơm ra ngoài vào mùa đông để cung cấp nhiệt cho nhà ở và văn phòng bằng cách truyền qua một bộ trao đổi nhiệt khác như lò sưởi tản nhiệt. Các vật liệu thường được sử dụng làm môi trường lưu trữ STES bao gồm nước, dầu, đất, muối hydrat, v.v.

Những cách sử dụng phổ biến của năng lượng nhiệt được lưu trữ

Năng lượng nhiệt được lưu trữ có nhiều công dụng, tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Sau đây là những công dụng phổ biến nhất:

1. Sưởi ấm nhà ở & văn phòng – Nhiệt dự trữ có thể dễ dàng cung cấp nhiệt cho không gian sống và làm việc vào mùa đông.
   
2. Nước nóng – Nhiệt cũng có thể được truyền đi để luôn cung cấp nước nóng phục vụ nhu cầu sử dụng hàng ngày.
   
3. Ứng dụng công nghiệp – Nước nóng được sử dụng cho nhiều ứng dụng công nghiệp, từ pha trộn đến làm sạch, chế biến thực phẩm, làm dung môi, khử trùng và nhiều hơn nữa.
   
4. Sản xuất điện  – Bạn cũng có thể sử dụng năng lượng nhiệt được lưu trữ để đun nước thành hơi và làm quay tua-bin, từ đó quay máy phát điện tạo ra điện năng.

Kinh tế của Pin Cát

Nước có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn so với cát, nhưng nó trở nên không ổn định từ 100°C (212°F) trở lên, trong khi cát có thể dễ dàng chứa nhiệt độ 600°C (1112°F).

Nước cũng sẽ giữ nhiệt lâu hơn cát, điều này khiến nước trở thành môi trường tốt hơn để lưu trữ năng lượng theo mùa. Tuy nhiên, nếu bạn đang cân nhắc một ứng dụng sử dụng hết nhiệt trong vài giờ hoặc chỉ vài ngày, thì cát lại trở thành lựa chọn hàng đầu. Nó hoàn hảo để bổ sung cho các nguồn năng lượng không liên tục như năng lượng mặt trời PV và gió.

Quay trở lại với pin cát của Phần Lan, thùng chứa bằng thép cao 7 mét được thiết kế để chứa 100 tấn cát, có khả năng chứa tới 8MWh năng lượng.

Để so sánh, một ngôi nhà trung bình ở Hoa Kỳ sử dụng khoảng 10MWh năng lượng mỗi năm, trong khi con số đó thay đổi ở Châu Âu từ khoảng 2MWh ở Romania đến 9MWh ở Thụy Điển. Ngoài ra, 30-50% năng lượng được sử dụng để sưởi ấm trong suốt mùa đông.

Điều này có nghĩa là một hồ chứa cát cao 7 mét có thể sản xuất đủ điện để sưởi ấm một vài ngôi nhà trong suốt mùa đông, và tùy thuộc vào vị trí của bạn. Nhưng đây sẽ là một ứng dụng không thực tế ở các trung tâm đô thị có mật độ dân số đông đúc, xét đến quy mô của nó.

Ngược lại, việc chuyển đổi công suất sưởi ấm 100kW thành điện ở mức 30% có thể sản xuất đủ điện cho hơn 20 ngôi nhà vào ban ngày và nhiều ngôi nhà hơn nữa vào ban đêm.

Vì vậy, nếu được tối ưu hóa đúng cách, một loại pin cát có giá khoảng 5 đô la cho mỗi kWh có thể là một giải pháp thay thế tuyệt vời cho chi phí hiện tại là 100 đô la trở lên cho mỗi kWh đối với hệ thống pin axit chì và pin lithium-ion. Đúng, nó có thể cồng kềnh hơn, nhưng lại rẻ hơn nhiều.

Pin Cát Cho Sản Xuất Điện

Việc lưu trữ năng lượng nhiệt để sử dụng sau này trong sản xuất điện là một công nghệ đã được chứng minh và đáng tin cậy đã được triển khai tại Điện mặt trời tập trung (CSP) dự án trong nhiều thập kỷ.

Năng lượng trong hệ thống CSP hiện đại được giữ lại bằng cách tập trung hàng trăm hoặc hàng nghìn tấm gương trong một lò nung. Những tấm gương này sau đó theo dõi mặt trời trong ngày để đảm bảo nhiệt độ liên tục tại lò nung lên đến 565°C (1,049°F).

Các cơ sở lắp đặt CSP thường rất lớn, trải rộng trên diện tích hàng triệu feet vuông (~1+km2), với các máy thu năng lượng mặt trời ở trung tâm và công suất phát điện trong phạm vi 100+ Megawatt.

Một hỗn hợp muối nóng chảy với 60% natri nitrat và 40% kali nitrat được sử dụng để lưu trữ năng lượng trong hệ thống CSP để tạo ra điện vào ban đêm. Tuy nhiên, không giống như pin cát, hỗn hợp muối này nóng chảy ở nhiệt độ cao để làm cho nó chảy như chất lỏng.

Cả hệ thống CSP và pin cát đều chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng nhiệt với hiệu suất gần như bằng nhau là 15-20%. Nhưng trong khi hệ thống muối nóng chảy CSP có hiệu suất chuyển đổi nhiệt được lưu trữ thành điện khoảng 50%, thì pin cát của Phần Lan có hiệu suất lý thuyết là 20-25%.

Hệ thống CSP có tính khả thi về mặt thương mại, vì vậy nếu bạn có thể điều chỉnh loại pin của Phần Lan này để đạt hiệu suất chuyển đổi nhiệt thành điện trên 30% thì nó có thể trở thành công nghệ khả thi để lưu trữ và cung cấp điện tái tạo với giá rẻ.

Công nghệ lưu trữ tương tự

Có nhiều hình thức lưu trữ năng lượng khác, mỗi hình thức đều có ưu và nhược điểm riêng. Các loại phổ biến nhất bao gồm:

1. Lưu trữ năng lượng điện hóa – Giống như pin, phương pháp này tận dụng hiệu điện thế giữa hai thành phần để lưu trữ và giải phóng năng lượng bằng các phản ứng điện hóa thuận nghịch.
   
2. Lưu trữ năng lượng cơ học – Điều này bao gồm nhiều phương pháp khác nhau, trong đó có sử dụng bánh đà và lò xo, cũng như hệ thống trọng lực lưu trữ năng lượng trong vật thể bằng cách kéo vật thể lên và tăng độ cao.
   
3. Lưu trữ năng lượng muối nóng chảy (MSES) – Lưu trữ ở đây là lưu trữ nhiệt, chẳng hạn như sử dụng kết hợp 60% natri nitrat và 40% kali nitrat.
   
4. Nước nóng nhiệt – Phương pháp này có thể lưu trữ tới 6kWh năng lượng trong một bể nước nóng 50 gallon.
   
5. Bơm Hydro – Hình thức lưu trữ năng lượng rẻ nhất. Tuy nhiên, vấn đề chính của nó là địa điểm triển khai có hạn.
   
6. Khí nén – Tương tự như thủy điện, phương pháp này chỉ nén không khí để lưu trữ năng lượng. Sau đó, khi bạn cần năng lượng, bạn giải phóng khí nén để cung cấp năng lượng cho tua-bin.
   
7. tay lái máy bay – Bạn chỉ cần sử dụng năng lượng để làm quay một bánh xe cân bằng, lưu trữ nó dưới dạng động năng có thể được sử dụng để di chuyển hoặc tạo ra điện năng.
   
8. Pin lưu lượng – Đây là hệ thống lưu trữ điện hóa, trong đó chất điện phân nằm trong các bình khác nhau và phải chảy từ bình đã sạc đầy sang bình sạc rỗng. Sau đó, để sạc chất điện phân, bạn chỉ cần đảo ngược dòng chảy. Phương pháp này có thể tạo ra pin rất mạnh vì hai chất điện phân tương tác qua một màng mà bạn có thể mở rộng quy mô.
   
9. Vật liệu thay đổi giai đoạn – Các vật liệu này hấp thụ năng lượng khi chúng nóng chảy, sau đó giải phóng năng lượng khi chúng đông đặc. Chúng lý tưởng để lưu trữ năng lượng nhiệt ở nhiệt độ chính xác.

Những câu hỏi thường gặp (FAQs)

Kết luận

Chúng ta đã đi đến hồi kết của cuộc khám phá về pin cát và tiềm năng kinh tế của chúng. Và như bạn đã nhận ra, chúng mang lại nhiều khả năng.

Từ việc cung cấp nhiệt cho cộng đồng đến phát điện, giá thành cực rẻ của cát silic khiến nó trở thành môi trường đầy hứa hẹn cho các dự án năng lượng trong tương lai.