Một số nghiên cứu mới thú vị trong lĩnh vực năng lượng sạch

Nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguyên liệu hóa thạch, giảm ô nhiễm môi trường và hạn chế sự nóng lên của Trái Đất, những năm gần đây, năng lượng sạch được chú trọng đầu tư nghiên cứu và khuyến khích sử dụng. Mời bạn cùng Vũ Phong Energy Group khám phá một số nghiên cứu mới thú vị trong lĩnh vực này!

Pin CO2 lưu trữ năng lượng tái tạo

Khí CO2 hóa lỏng ở áp suất cao và sẽ chuyển ngược lại sang thể khí ở áp suất khí quyển bình thường của Trái Đất. Khi chuyển từ thể lỏng sang thể khí, CO2 sẽ giãn nở với với hệ số gần 400 lần. 2,5675 lít CO2 dạng lỏng (ở áp suất 56 atm) sẽ giãn nở thành 1.000 lít khí CO2 trong điều kiện thông thường.

Dựa trên đặc điểm này, Energy Dome – một công ty có trụ sở tại Ý – đã nghiên cứu phát triển pin CO2 và vừa ra mắt cơ sở lưu trữ năng lượng dựa trên công nghệ pin CO2 đầu tiên tại Sardinia (Ý) với quy mô lưu trữ 4 MWh. Pin CO2 của Energy Dome bao gồm các mái vòm “khổng lồ” với bong bóng đàn hồi chứa khí CO2, bình chứa CO2 lỏng, hệ thống máy nén, hệ thống thu hồi nhiệt và các turbine điện. Để sạc pin, người ta sẽ dùng năng lượng chạy các máy nén, hóa lỏng khí CO2 và giữ chúng trong áp suất đó ở nhiệt độ thường. Nhiệt tạo ra trong quá trình này sẽ được thu lại và giữ trong hệ thống lưu trữ nhiệt. Ở chu trình xả, phần nhiệt lưu trữ sẽ được sử dụng để làm bay hơi CO2. Quá trình giãn nở CO2 sẽ kéo các turbine điện thu năng lượng đẩy lên lưới điện. Khí CO2 sẽ quay trở lại vòm bong bóng để sẵn sàng cho chu trình tiếp theo.

Mô hình pin CO2 lưu trữ năng lượng tái tạo của Energy Dome (Ảnh: Energy Dome)

Theo Energy Dome, tuy hiệu suất của pin CO2 chỉ đạt khoảng 75% nhưng chi phí lưu trữ thấp (chỉ khoảng 50-60 USD/MWh trong vòng vài năm) là điểm cạnh tranh của pin CO2 so với pin lithium. Bên cạnh đó, pin CO2 có tốc độ phản ứng rất nhanh, lưu trữ năng lượng lâu hơn và ít xuống cấp hơn. Energy Dome đang hướng đến mục tiêu xây dựng nhà máy quy mô đầy đủ với khả năng lưu trữ 200 MWh và đi vào hoạt động trước cuối năm 2023.

Turbine khí chạy 100% bằng hydro

Trong cuộc đua hướng đến mục tiêu đạt mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050, nghiên cứu cải tiến turbine khí để sử dụng các nguồn nhiên liệu carbon thấp đang được nhiều nhà sản xuất thiết bị (OEM) hướng đến. Trong đó, hydro đã trở thành một ưu tiên phát triển. Một số công ty, như General Electric (GE), Mitsubishi Power… đã bắt đầu sử dụng các turbine hỗn hợp khí hydro và khí tự nhiên. Trong đó, Mitsubishi Power đã phát triển được turbine khí sử dụng hỗn hợp 30% hydro với 70% khí tự nhiên và đang đặt mục tiêu thương mại hóa các turbine khí đốt 100% hydro cho đến năm 2025.

Mới đây, nhóm chuyên gia tại Đại học Stavanger, Na Uy đã công bố tạo ra turbine khí đầu tiên trên thế giới chạy bằng hydro 100%. Nghiên cứu không chỉ tập trung vào việc điều chỉnh buồng đốt cho hydro mà còn điều chỉnh hệ thống nhiên liệu và cơ sở hạ tầng khí tự nhiên cũ. Họ đang xem xét kỹ hơn những hạn chế của nhà máy và tìm cách tăng công suất để tạo ra nhiều năng lượng sạch hơn. Những dự án dạng này sẽ mang đến giải pháp chuyển đổi hiệu quả, tuy nhiên, để chúng hiệu quả về kinh tế, cần giảm mạnh giá hydro xanh và áp dụng thuế carbon cho các phương pháp sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

Nhóm chuyên gia nghiên cứu cùng turbine khí chạy hoàn toàn bằng hydro (Ảnh: UiS)

Năng lượng mặt trời không gian (Space-based solar power – SBSP)

Năng lượng mặt trời không gian (SBSP) – thu thập năng lượng mặt trời ngoài vũ trụ và phân phối đến Trái Đất – đang được nhiều cường quốc hướng đến. Trong giải pháp này, các tấm gương phản xạ ánh mặt trời sẽ được lắp đặt trên các vệ tinh trong quỹ đạo. Chúng sẽ tập trung năng lượng mặt trời vào các tấm pin mặt trời, chuyển đổi thành vi sóng hoặc tia laser và chiếu xuống Trái Đất. Thông qua các ăng-ten, nguồn năng lượng này sẽ được tiếp nhận, sau đó chuyển đổi thành điện năng. Các trạm điện vũ trụ có thể cung cấp năng lượng trong cả ngày lẫn đêm, không phụ thuộc vào thời tiết. Chính vì thế, SBSP có thể sản sinh năng lượng nhiều gấp 40 lần so với năng lượng mặt trời trên Trái Đất.

Các cường quốc như Mỹ, Nga, Trung Quốc… từ lâu đã “để mắt” đến SBSP và đang có nhiều thử nghiệm đáng chú ý trong lĩnh vực này. Mới đây, Đại học Xidian, Trung Quốc đã thử nghiệm thành công hệ thống tháp thu điện mặt trời vũ trụ. Tháp cao 75m, trang bị ăng-ten thu nhận và các thiết bị khác như hệ thống tập trung omega, chuyển đổi ánh sáng – điện, truyền tải điện, quản lý điện. Đây là hệ thống đầu tiên trên thế giới có đầy đủ các chức năng của SBSP, gồm theo dõi Mặt Trời, tập trung ánh sáng, chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, truyền điện ở dạng vi sóng rồi thu nhận bằng một ăng-ten riêng biệt.

Tháp thu điện mặt trời vũ trụ của Đại học Xidian bắt đầu được xây dựng vào năm 2018 (Ảnh: Đại học Xidian)

Trung Quốc đang có kế hoạch xây dựng nhà máy điện mặt trời đầu tiên trên vũ trụ. Theo kế hoạch, một vệ tinh sẽ được phóng lên vũ trụ vào năm 2028 để thử nghiệm công nghệ truyền tải điện không dây từ không gian ở ​​độ cao 400 km xuống mặt đất. Năng lượng mặt trời sẽ được chuyển đổi thành sóng viba hoặc laser, sau đó các chùm năng lượng này sẽ được hướng đến các mục tiêu khác nhau, gồm cả các vị trí cố định trên Trái Đất và các vệ tinh đang di chuyển. Đây sẽ là giai đoạn đầu trong kế hoạch gồm 4 giai đoạn. Giai đoạn tiếp theo, 2 năm sau lần phóng đầu tiên, Trung Quốc sẽ đưa một vệ tinh khác mạnh hơn lên quỹ đạo địa tĩnh cách Trái Đất 36.000 km. Đến năm 2035, sẽ có một nhà máy điện 10 MW cung cấp năng lượng cho một số cơ sở quân sự và dân sự. Cuối cùng, đến năm 2050, sẽ nâng công suất của nhà máy lên 2 GW và giảm chi phí xuống mức chấp nhận được về mặt thương mại.

Năm 2020, Mỹ đã thử nghiệm thành công đưa tấm pin mặt trời Photovoltaic Radiofrequency Antenna Module (PRAM) lên không gian bằng cách gắn vào phi thuyền không người lái X-37B. Nước này còn đang xem xét cuộc thử nghiệm trị giá 100 triệu USD để cung cấp điện cho một tiền đồn quân sự trong vũ trụ vào đầu năm 2025. Tương tự với Mỹ, Chính phủ Anh cũng đang xem xét một đề xuất trị giá 16 tỉ bảng Anh để đưa một nhà máy điện mặt trời thí điểm vào không gian năm 2035. Dự án sẽ có sự giúp đỡ của nhiều nhà thầu quốc phòng châu Âu.

Nếu những dự án SBSP này thành công, đây sẽ là giải pháp đột phá để đáp ứng nhu cầu năng lượng sạch trên toàn cầu, đặc biệt là tại những khu vực không nhận được nhiều ánh nắng mặt trời.

Vũ Phong Energy Group

Xem thêm bài viết tiếng Anh