Sau cuộc xâm lược Ukraine của Nga, dẫn đến việc xuất khẩu khí đốt và dầu sang châu Âu bị đình trệ, nhiều người dân phải đối mặt với viễn cảnh không đủ hệ thống sưởi trong mùa đông và không đủ điều hòa vào mùa hè.
Tuy nhiên, Chiến tranh Nga-Ukraina đã vô tình thúc đẩy một khía cạnh quan trọng của quá trình chuyển đổi năng lượng sạch – sự phát triển của pin làm từ vật liệu tự nhiên dồi dào và rẻ tiền để lưu trữ nhiệt.
Khái niệm sử dụng các nguyên tố như cát, muối, nhiệt và không khí để lưu trữ năng lượng đã có từ nhiều thế kỷ trước.
Người Ai Cập cổ đại sử dụng nhà của họ để thu nhiệt mặt trời vào ban ngày, sau đó giải phóng nhiệt này để mang lại hơi ấm trong những đêm sa mạc mát mẻ hơn. Người dân bản địa ở châu Mỹ coi trọng gạch nung, hỗn hợp đất, nước và các vật liệu hữu cơ như rơm rạ hoặc phân, vì khả năng phục vụ cùng một mục đích.
Đối với các xã hội hiện đại phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu hóa thạch để phát triển công nghiệp, những vật liệu này mang đến một triển vọng đột phá: không còn khả năng đốt cháy.
Mục đích của những loại pin tự nhiên này là giúp các quốc gia khai thác nguồn năng lượng dồi dào từ tua-bin gió và các tấm pin mặt trời ngay cả khi mặt trời không chiếu sáng hoặc gió không thổi. Mặc dù chi phí của năng lượng tái tạo đã thấp hơn so với nhiên liệu hóa thạch, nhưng việc lưu trữ lâu dài và tiết kiệm chi phí vẫn là một thách thức đáng kể đối với cuộc cách mạng năng lượng xanh.
Tại các cơ sở của Polar Night Energy ở Tampere và Kankaanpää, Phần Lan, các thùng thép lớn chứa những đống cát được nung nóng đến khoảng 1.000 độ F. Năng lượng dự trữ này hỗ trợ ổn định các biến động của lưới điện và cung cấp dự phòng cho mạng lưới sưởi ấm của khu vực, đảm bảo rằng các ngôi nhà, văn phòng, phòng tắm hơi và bể bơi luôn ấm áp.
Khoa học đằng sau pin tự nhiên
Hoạt động của pin tự nhiên khá hấp dẫn. Trong khi các cảm biến và van dùng để theo dõi hiệu suất của chúng được coi là công nghệ cao thì bản thân thiết kế của pin thực sự khá đơn giản.
Để bắt đầu, cát được đưa vào từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạn như các tòa nhà bị phá hủy hoặc cồn cát. Vì cát quá dồi dào nên các công ty năng lượng gần như không tốn đồng nào để mua nó. 500 kg cát có thể được mua với giá dưới 50 cent.
Cát sau đó được đổ vào một thùng chứa lớn, được gọi là “pin”. Pin luôn được giữ ở nhiệt độ cao hoặc “được sạc”.
Năng lượng tái tạo từ các nguồn như tấm pin mặt trời và tua-bin gió được chuyển thành nhiệt bằng lò sưởi điện trở. Không khí nóng này sau đó được quạt lưu thông qua cát, đảm bảo luồng hơi ấm liên tục.
Cát vẫn giữ được nhiệt ngay cả sau khi mặt trời lặn nhờ lớp cách nhiệt từ thùng chứa. Trên thực tế, nhiệt độ của cát vẫn ở mức trên 200 độ F ngay cả khi pin được sạc một phần. Nhiệt độ có thể đạt tới hơn 1.000 độ khi được sạc đầy.
Cát có khả năng lưu trữ năng lượng trong nhiều tuần, thậm chí nhiều tháng. Điều này mang lại cho pin cát một lợi thế đáng kể so với pin lithium-ion, loại pin thường chỉ giữ được năng lượng trong vài giờ.
Polar Night Energy lựa chọn sử dụng cát hoặc các vật liệu tương tự không phù hợp với ngành xây dựng. Điều này cho phép họ tận dụng các vật liệu sẵn có tại địa phương hoặc thậm chí là các sản phẩm phế thải.
Tại sao pin tự nhiên đang ngày càng phổ biến
Không giống như nhiên liệu hóa thạch có thể dễ dàng vận chuyển và lưu trữ, các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và tính sẵn có khác nhau. Do đó, cần phải có các kỹ thuật lưu trữ tiên tiến.
Mặc dù pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị khác nhau, bao gồm cả xe điện, nhưng chúng vẫn có những hạn chế. Những loại pin này có dung lượng hạn chế, xuống cấp sau mỗi lần sạc và có nguy cơ cháy nổ đáng kể. Ngoài ra, việc khai thác coban, một nguyên liệu thô quan trọng để sản xuất pin lithium-ion, thường liên quan đến lao động trẻ em và gây ra những lo ngại về môi trường và nhân quyền.
Những thách thức này là trở ngại đáng kể cho ngành công nghiệp xe điện, vốn phụ thuộc nhiều vào nguồn cung cấp khoáng sản quan trọng ổn định.
Các nhà đầu tư đang ngày càng hướng nguồn vốn của mình vào các dự án pin lớn hơn, với hơn 900 triệu USD đầu tư vào công nghệ lưu trữ sạch kể từ năm 2021. Hội đồng lưu trữ năng lượng thời gian dài dự đoán rằng đến năm 2040, khoản đầu tư vào lưu trữ năng lượng tái tạo quy mô lớn có thể đạt tới 3 nghìn tỷ USD.
Trong số các dự án này có các sáng kiến tập trung vào việc chuyển đổi vật liệu tự nhiên thành pin. Các công ty khởi nghiệp từng ít được biết đến hiện đang nhận được nguồn tài trợ đáng kể từ chính phủ và tư nhân khi họ thử nghiệm các vật liệu độc đáo.
Các ví dụ bao gồm pin làm từ carbon dioxide ở Sardinia, hệ thống lưu trữ dựa trên đá ở Tuscany và một công ty Thụy Sĩ sử dụng những viên gạch khổng lồ để lưu trữ năng lượng tái tạo trong một tòa nhà cao 230 feet.
Ngoài ra, một công ty khởi nghiệp về pin của Đan Mạch lưu trữ năng lượng từ muối nóng chảy có kế hoạch xây dựng các nhà máy điện tại các mỏ than đã ngừng hoạt động trên khắp ba châu lục.
Trong cuộc phỏng vấn với The Washington Post, Kurt Engelbrecht, phó giáo sư chuyên về lưu trữ năng lượng tại Đại học Công nghệ Đan Mạch, nhấn mạnh rằng những công nghệ này đã có từ rất lâu. Ông và các đồng nghiệp đã ủng hộ các giải pháp lưu trữ đơn giản, dựa trên tự nhiên trong nhiều năm.
Tuy nhiên, cuộc khủng hoảng năng lượng do chiến tranh Nga-Ukraina cuối cùng đã đưa pin sạch trở thành một vị trí nổi bật trong ngành năng lượng.
Tương lai của pin tự nhiên
Sự thành công của pin tự nhiên phụ thuộc vào khả năng cung cấp năng lượng ổn định trên quy mô lớn, có thể so sánh với nhiên liệu hóa thạch. Các chuyên gia năng lượng không chắc liệu điều này có thể thực hiện được hay không.
Giống như lĩnh vực năng lượng tái tạo rộng hơn, ngành công nghiệp pin tự nhiên có thể gặp trở ngại. Các dự án phải được xây dựng từ đầu và chỉ có thể được chấp nhận bởi các nước phát triển có đủ nguồn tài chính để thử nghiệm công nghệ đó.
Trong một cuộc phỏng vấn gần đây, Lovschall-Jensen, Giám đốc điều hành của công ty khởi nghiệp lưu trữ muối nóng chảy Hyme, đã nhấn mạnh thách thức trong việc duy trì các tiêu chuẩn hiện tại của xã hội hiện đại. Mọi người muốn có nguồn điện đáng tin cậy, theo yêu cầu chỉ bằng cách bật công tắc. Jensen tin rằng mặc dù pin tự nhiên đang ở giai đoạn phát triển ban đầu nhưng chúng có thể đáp ứng được mục tiêu này.
Mặc dù chưa được đảm bảo nhưng pin cát có thể sớm thay thế pin lithium-ion do chi phí thấp và thời gian lưu trữ lâu dài.
