'Pin sinh học' cho phép chúng ta lưu trữ năng lượng mặt trời và năng lượng gió
của Christina Benjaminsen, Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy
Đây là những gì xảy ra với các phân tử của vật liệu PCM được sử dụng trong hệ thống lưu trữ nhiệt. Ảnh: Doghouse / Knut Gangåssæther
Cho đến nay, đó là một thách thức để lưu trữ năng lượng mà chúng ta tạo ra khi mặt trời chiếu sáng và gió thổi. Nhưng các nhà nghiên cứu tại một phòng thí nghiệm ở Trondheim ở Na Uy đã thành công trong việc chỉ làm điều này - và hoàn toàn không có bất kỳ hình thức công nghệ pin tiên tiến nào.
Nhìn từ bên ngoài, nó giống như một chiếc container màu bạc với một cửa sổ tròn nhỏ được cắt bên cạnh và một số đường ống dẫn vào và ra. Đầu tiên, nhiệt được hút vào hệ thống và sau đó, sau một thời gian, lại được thoát ra ngoài.
“Thùng chứa” này giúp chúng ta có thể tích trữ nhiệt năng sinh ra trong những ngày nắng gió và giải phóng trở lại khi thời tiết trở lạnh. Công nghệ điều khiển hệ thống dựa trên cái được gọi là "vật liệu thay đổi pha" (PCM) kết hợp với máy bơm nhiệt.
Trên thực tế, nguồn năng lượng có thể là bất cứ thứ gì từ điện năng được tạo ra từ các tấm pin mặt trời, nhiệt thải từ một tòa nhà nhà máy hoặc năng lượng dư thừa từ tuabin gió. Tại đây, tại phòng thí nghiệm ZEB (Tòa nhà không phát thải) do SINTEF và NTNU điều hành, năng lượng để lưu trữ được lấy từ các tấm pin mặt trời bao phủ hầu hết mái của tòa nhà và mặt tiền quay về hướng Nam.
Nước là vật liệu thay đổi pha phổ biến nhất trên thế giới
Nhưng vật liệu thay đổi pha là gì? Alexis Sevault là Giám đốc Nghiên cứu tại SINTEF Energy Research và rất vui được giải thích.
Trên thực tế, nước là vật liệu thay đổi pha ở dạng đơn giản và quen thuộc nhất. Nó có thể biến thành các tinh thể băng khi nhiệt độ giảm xuống dưới 0 độ C, trở thành chất lỏng khi nhiệt độ tăng lên và chuyển thành hơi nước khi nhiệt độ đến gần 100 độ. Nước cũng có khả năng hoạt động khác nhau trong các pha khác nhau của nó và quan trọng nhất là có thể lưu trữ nhiệt ở dạng lỏng.
Các nhà khoa học đặt tên cho các vật liệu thay đổi giai đoạn, hoặc PCM, cho các vật liệu hoạt động khác nhau trong các giai đoạn khác nhau của chúng và cũng có thể lưu trữ nhiệt.
Có nhiều PCM có thể lưu trữ nhiệt khi ở dạng lỏng. Điều làm cho những vật liệu này trở nên thú vị và không kém phần thiết thực trong bối cảnh này là điểm nóng chảy của chúng không phải là 0 độ.
Điểm nóng chảy: 37 độ C
Thuộc tính này cho phép các PCM được sử dụng như cái gọi là "ngân hàng nhiệt". Nói cách khác, như pin. Thùng lớn màu bạc trong phòng thí nghiệm ZEB chứa PCM nóng chảy ở nhiệt độ cơ thể.
Sevault cho biết: “Thiết bị chứa ba tấn biowax dạng lỏng dựa trên dầu thực vật không thể dùng làm thực phẩm. Ông nói: “Cũng giống như cách mà nước biến thành đá, sáp sẽ trở thành một vật liệu rắn, kết tinh khi nó trở nên đủ lạnh.“ Lạnh ”đối với loại sáp cụ thể này có nghĩa là dưới 37 độ, và tiếp tục nói thêm:
"Nhưng có những loại biowax khác có điểm nóng chảy khác nhau, tất cả đều mang lại cơ hội cho nhiều ứng dụng tương tự."
Phân tử thông minh
Nếu chúng ta xem xét chi tiết về biowax, chúng ta thấy rằng nó được tạo thành từ các phân tử hoạt động rất kinh tế về nhiệt.
Để tiết kiệm năng lượng, các phân tử tự sắp xếp rất gần nhau khi biowax ở trong pha rắn của nó. Chúng tập trung gần nhau và giữ tương đối yên tĩnh, không khác gì một đàn chim cánh cụt lạnh giá trên tảng băng.
Khi vật chất tan chảy, các liên kết giữ các phân tử lại với nhau bị nới lỏng và chúng bắt đầu chuyển động với cái mà chúng ta gọi là động năng. Khi nhiệt lượng được cung cấp nhiều hơn từ môi trường xung quanh, các phân tử trở nên kích thích hơn. Cuối cùng, chúng được giải phóng khỏi liên kết của chúng và có thể dao động tự do và độc lập. Khi điều này xảy ra, biowax đã thay đổi pha và trở thành chất lỏng.
Và điều ngược lại là đúng. Khi sáp chuyển từ thể lỏng sang thể rắn, các phân tử giải phóng một phần lớn động năng của chúng ra môi trường xung quanh. Chúng ngừng rung và bắt đầu tụ lại với nhau để tiết kiệm năng lượng. Sau đó, sáp chuyển sang dạng rắn.
Dựa trên sinh học và không cần bảo trì
Đây là hiện tượng mà các nhà nghiên cứu đang khai thác trong thùng đựng bạc. Năng lượng được thu thập bởi các tấm pin mặt trời bên ngoài của tòa nhà được dẫn qua một máy bơm nhiệt vào "pin" lớn, và chính tại đây, các phân tử biowax tự do nhảy theo nội dung của trái tim - chứa đầy năng lượng lỏng của chúng.
Khi đến thời điểm khai thác năng lượng, nước lỏng được giao nhiệm vụ của "vật mang năng lượng thực tế". Trước hết, nước lạnh được đưa qua hệ thống lưu trữ nhiệt. Sau một thời gian ngắn, nước nóng được thoát ra khỏi thiết bị và dẫn đến bộ tản nhiệt và hệ thống thông gió, cung cấp không khí nóng cho tòa nhà.
Một hệ thống chức năng, hiệu quả
Công nghệ này hiện đã được sử dụng như một phần của hệ thống sưởi ấm của Phòng thí nghiệm ZEB trong hơn một năm.
Alexis Sevault cho biết: “Hệ thống lưu trữ nhiệt dựa trên PCM đang mang lại hiệu suất chính xác mà chúng tôi mong đợi. "Chúng tôi
đang sử dụng nhiều nhất có thể năng lượng mặt trời tự sản xuất của tòa nhà. Chúng tôi cũng nhận thấy rằng hệ thống này rất phù hợp với cái gọi là 'cạo đỉnh cao' ", ông nói.
Sevault cho biết: “Bằng cách sạc pin sinh học trước những thời điểm lạnh nhất trong ngày, chúng tôi ngăn tòa nhà tiêu thụ điện lưới có giá trị vào những thời điểm mà phần còn lại của Trondheim cũng đang có nhu cầu lớn. "Điều này cung cấp cho chúng tôi một mức độ linh hoạt cũng có thể được sử dụng để khai thác các biến động của giá giao ngay. Chúng tôi có thể sạc pin khi tiếp cận với năng lượng từ mặt trời, gió và nhiệt thải, đồng thời trích xuất sản lượng khi giá điện cao ," anh ấy giải thích.
Hơn nữa, năm đầu tiên hoạt động đã cung cấp khối lượng lớn dữ liệu mà các nhà nghiên cứu đang sử dụng để tối ưu hóa cả thiết kế và vận hành của hệ thống để có thể trích xuất nhiều đầu ra nhất có thể.
Phù hợp nhất với các ứng dụng công nghiệp
Do đó, hệ thống này ít phức tạp hơn nhiều so với pin truyền thống - nhưng nó không phù hợp với tất cả các tòa nhà. Vì là công nghệ mới nên chi phí đầu tư vẫn cao. Hạn chế là một hệ thống như vậy sẽ không hoạt động cho tất cả mọi người. Ít nhất là không phải hiện tại.
Sevault nói: “Hệ thống này sẽ lý tưởng cho các tòa nhà công nghiệp và văn phòng cũng như các khu vực lân cận nơi nhiệt lượng có thể được phân phối. Ông nói: “Phần tốt nhất của nó là công nghệ này hầu như không cần bảo trì. Nó sẽ tồn tại ít nhất 25 năm.
Các nhà nghiên cứu cũng đang nghiên cứu để phát triển các hệ thống điều khiển thông minh với mục đích tối ưu hóa sản lượng. Những điều này sẽ cho phép toàn bộ hệ thống đáp ứng và được điều chỉnh phù hợp với nhu cầu của môi trường xung quanh nó. Điều này có nghĩa là trên thực tế, cách thức khai thác hệ thống có thể được hướng dẫn bởi các yếu tố như dự báo thời tiết và biến động giá điện. Nghiên cứu này đang được thực hiện bởi SINTEF phối hợp với NTNU. Cùng với nhiều bộ phận nghiên cứu khác trong NTNU và SINTEF, các nhà nghiên cứu đã thành lập Trung tâm Gemini có tên là Kho lưu trữ năng lượng nhiệt.
Một spin-off của SINTEF
Các nhà nghiên cứu đã phát triển "pin sinh học" hay hệ thống lưu trữ nhiệt PCM như các chuyên gia gọi, hiện đang trong quá trình thành lập một công ty với mục đích thương mại hóa công nghệ này. Điều này đang diễn ra với sự hợp tác của bộ phận hỗ trợ khởi nghiệp nội bộ của SINTEF, SINTEF TTO.
Sevault nói: “Chúng tôi dự kiến rằng sau vài tháng thử nghiệm tại phòng thí nghiệm ZEB, chúng tôi có thể bắt đầu một cách an toàn khái niệm này trên hành trình thương mại hóa. Ông nói: “Chúng tôi cũng đã thiết lập mối liên hệ với nhiều người dùng cuối quan tâm đến việc lắp đặt hệ thống thử nghiệm vào năm 2023 hoặc 2024. Nhiều người trong số này là các công ty công nghiệp có đủ nguồn lực để mở rộng khái niệm.
