Pin nhiệt từ cát – Giải pháp lưu trữ năng lượng đột phá lên tới 1.000 độ C

Phần lớn năng lượng tiêu thụ trên thế giới – hơn 50% – được dùng để tạo ra nhiệt, không phải điện. Trong đó, các quy trình công nghiệp chiếm 51%, còn lại là các tòa nhà dân dụng với mục đích sưởi ấm và đun nước. Tuy nhiên, việc lưu trữ năng lượng nhiệt ở quy mô lớn vẫn là một thách thức, do đặc tính thất thoát nhiệt theo thời gian, các hệ thống hiện tại lại thường cồng kềnh, tốn kém hoặc kém hiệu quả.

Trong bối cảnh nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời và gió ngày càng phổ biến nhưng không ổn định, giải pháp lưu trữ nhiệt dài hạn và chi phí thấp trở nên cấp thiết. Một trong những hướng đi đầy triển vọng hiện nay là sử dụng cát làm vật liệu lưu trữ nhiệt.

Cát có đặc tính nhiệt nổi bật: nhiệt dung riêng cao (khoảng 0,84 J/g°C) và độ dẫn nhiệt thấp (chỉ khoảng 0,2 W/mK), giúp giữ nhiệt lâu – thậm chí trong nhiều tuần – với tỷ lệ thất thoát chỉ khoảng 10%. Không những vậy, cát bền, ổn định ở nhiệt độ cao, không độc hại và không gây nguy cơ cháy nổ như pin lithium-ion.

Từ lâu, con người đã biết tận dụng cát để giữ nhiệt. Ví dụ, người Ai Cập cổ đại từng dùng hỗn hợp cát, bùn và rơm để xây nhà có khả năng hấp thụ nhiệt vào ban ngày và giải phóng dần vào ban đêm. Ngày nay, các kỹ sư hiện đại tiếp tục phát triển nguyên lý này bằng cách sử dụng các silo thép cách nhiệt chứa đầy cát, kết hợp hệ thống gia nhiệt chính xác.

Pin cát về bản chất là một hệ thống lưu trữ nhiệt quy mô lớn, hoạt động bằng cách sử dụng điện dư từ nguồn tái tạo để làm nóng không khí qua một bộ gia nhiệt điện trở. Luồng khí nóng này sẽ đi qua lớp cát bên trong silo thép, làm nóng cát tới 600°C – thậm chí có thiết kế đạt tới 1.000 độ C. Cát sau đó giữ nhiệt trong thời gian dài.

Khi cần, luồng không khí lạnh được bơm qua lớp cát, hấp thụ nhiệt và dẫn tới các tòa nhà hoặc nhà máy để sử dụng. Hiệu suất lưu trữ nhiệt khi dùng trực tiếp cho sưởi ấm có thể lên tới 99%.

Pin cát thương mại đầu tiên trên thế giới được triển khai năm 2022 bởi công ty khởi nghiệp Polar Night Energy (Phần Lan). Hệ thống gồm một silo chứa 2.000 tấn đá xà phòng nghiền, cao 13 mét, rộng 15 mét, có khả năng lưu trữ khoảng 100 MWh năng lượng – đủ để sưởi ấm cho cả một trung tâm thị trấn trong mùa hè, và duy trì được khoảng một tuần vào mùa đông.

Tại Mỹ, Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) cũng đã phát triển hệ thống pin cát có khả năng lưu trữ nhiệt trong 100 giờ. Một số công ty tại Latvia còn cung cấp phiên bản quy mô gia đình, có thể lưu trữ đủ nhiệt cho hai ngôi nhà trong suốt mùa đông.

Dù còn là công nghệ mới, pin cát đang thu hút sự quan tâm toàn cầu nhờ chi phí thấp, thân thiện môi trường và có khả năng tận dụng vật liệu thải. Hạn chế hiện tại là hiệu suất chuyển đổi nhiệt trở lại thành điện chỉ đạt khoảng 30%, khiến pin cát chưa phù hợp để cung cấp điện cho thiết bị điện tử hoặc phương tiện.

Tuy nhiên, với vai trò cung cấp nhiệt cho công nghiệp và dân dụng, đồng thời hỗ trợ ổn định lưới điện địa phương, tiềm năng phát triển là rất lớn. Ước tính, thị trường pin cát toàn cầu sẽ tăng từ 1,2 tỷ USD năm 2024 lên gần 4,86 tỷ USD vào năm 2034.

Việt Vũ