Công nghệ lưu trữ nhiệt

Năng lượng nhiệt, là một trong những nguồn năng lượng quan trọng nhất được con người sử dụng, chủ yếu được phân thành ba loại dựa trên nguyên tắc hoạt động của nó: lưu trữ nhiệt hợp lý, lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (thay đổi pha) và lưu trữ nhiệt hóa nhiệt. Nó chiếm từ 40% đến 50% mức tiêu thụ năng lượng cuối cùng và các ứng dụng của nó có phạm vi-rất rộng. Trong hệ thống phát triển và sử dụng năng lượng hiện nay, hầu hết tất cả các quá trình chuyển đổi năng lượng đều liên quan đến năng lượng nhiệt. Tuy nhiên, do sự mất mát năng lượng không thể tránh khỏi trong quá trình chuyển đổi năng lượng, công nghệ lưu trữ nhiệt hiếm khi được áp dụng trực tiếp vào việc lưu trữ năng lượng điện (tức là các trường hợp cả đầu vào và đầu ra đều là năng lượng điện). Thay vào đó, nó thường được sử dụng như một mắt xích trong chuỗi chuyển đổi năng lượng hoặc đơn giản được áp dụng cho các hệ thống nhiệt.

Lưu trữ nhiệt hợp lý

Công nghệ lưu trữ nhiệt hợp lý là phương pháp lưu trữ và giải phóng nhiệt bằng cách tận dụng những thay đổi về nhiệt độ của một chất. Cơ chế hoạt động của nó tương đối đơn giản: việc lưu trữ hoặc giải phóng nhiệt đạt được bằng cách làm nóng hoặc làm mát môi trường. Trong quá trình này, môi trường không trải qua quá trình biến đổi hóa học hoặc thay đổi pha, giúp toàn bộ hệ thống dễ dàng điều khiển và vận hành ổn định. Hơn nữa, có nhiều loại vật liệu lưu trữ nhiệt như vậy với chi phí thấp, khiến chúng phù hợp với-các ứng dụng quy mô lớn. Công nghệ này không chỉ có độ trưởng thành cao mà còn thể hiện tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, việc lưu trữ nhiệt hợp lý cũng phải đối mặt với một số thách thức, chẳng hạn như mật độ năng lượng thấp, kích thước thiết bị lớn, thất thoát nhiệt đáng kể trong quá trình lưu trữ-dài hạn và nhiệt độ đầu ra không ổn định. Phương tiện lưu trữ nhiệt hợp lý có thể được phân loại thành hai loại: chất lỏng và chất rắn. Các vật liệu lưu trữ nhiệt dạng lỏng phổ biến bao gồm nước, dầu truyền nhiệt, muối nóng chảy và kim loại lỏng. Trong số này, nước, do tính an toàn và ổn định tốt, đồng thời nhiệt độ lưu trữ nhiệt của nó thường không vượt quá 100 độ nên được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời và sưởi ấm không gian. Dầu truyền nhiệt, với khả năng dẫn nhiệt tuyệt vời và phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng, đã được sử dụng trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt ở nhiệt độ trung bình- và-cao; tuy nhiên, chi phí cao, tính dễ cháy và nguy cơ-áp suất cao tiềm ẩn trong các hệ thống{15}}vòng kín đã dẫn đến việc chúng dần được thay thế bằng các lựa chọn ưu việt khác. Ngược lại, muối nóng chảy, với áp suất hơi bão hòa thấp, độ nhớt thấp, độ dẫn nhiệt cao, không{17}}dễ cháy và không{18}}độc hại, hoạt động tốt ở nhiệt độ tương ứng với các thông số hơi nước chính và tương đối rẻ tiền, khiến chúng được coi là lựa chọn lý tưởng để chuyển đổi nhiệt điện mặt trời. Tuy nhiên, ở nhiệt độ môi trường cực cao, muối nóng chảy có thể ăn mòn đường ống và các thiết bị liên quan, cần phải nghiên cứu và cải thiện thêm khả năng tương thích cũng như khả năng chịu nhiệt của chúng với thép không gỉ. Kim loại lỏng, do có tính dẫn nhiệt cực cao, được coi là giải pháp lưu trữ nhiệt tiềm năng ở nhiệt độ{21}cao (trên 600 độ); tuy nhiên, do đặc tính hóa học có khả năng phản ứng cao nên cần có các biện pháp an toàn bổ sung để đảm bảo hệ thống hoạt động bình thường và chi phí cao khiến chúng phải ở giai đoạn đầu thăm dò.

Vật liệu lưu trữ nhiệt rắn phổ biến bao gồm bê tông, đá và gạch chịu lửa. So với vật liệu lưu trữ nhiệt dạng lỏng, vật liệu lưu trữ nhiệt rắn có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn và lưu trữ nhiều nhiệt hơn trong cùng một không gian, điều đó có nghĩa là giảm lượng vật liệu cần thiết và giảm chi phí tổng thể.

Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (thay đổi pha)

Công nghệ lưu trữ năng lượng nhiệt thay đổi pha chủ yếu dựa vào nhiệt ẩn làm hình thức lưu trữ năng lượng chính. Công nghệ này tận dụng sự hấp thụ hoặc giải phóng một lượng lớn nhiệt ẩn trong quá trình chuyển pha để lưu trữ nhiệt. Trong quá trình này, nhiệt độ của vật liệu gần như không đổi. Công nghệ lưu trữ năng lượng nhiệt này có những ưu điểm đáng kể như mật độ năng lượng cao và khối lượng nhỏ.

Quá trình vật chất chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác được gọi là quá trình chuyển pha. Thông thường, quá trình chuyển đổi này xảy ra trong điều kiện đẳng nhiệt hoặc gần{1}}đẳng nhiệt và đi kèm với sự thay đổi năng lượng đáng kể-sự hấp thụ hoặc giải phóng một lượng nhiệt lớn. Năng lượng này được định nghĩa là nhiệt ẩn của quá trình chuyển pha. Đặc biệt, nhiệt ẩn liên quan đến quá trình chuyển pha của hầu hết các vật liệu lớn hơn nhiều so với nhiệt hiện. Ví dụ, nước có nhiệt dung riêng xấp xỉ 4,2 kJ/kg· độ và trong quá trình chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng (nước đá tan thành nước), nước có thể hấp thụ 355 kJ/kg năng lượng dưới dạng nhiệt ẩn của quá trình chuyển pha. Do đó, xét về mật độ năng lượng, việc sử dụng ẩn nhiệt của quá trình chuyển pha vượt trội hơn đáng kể so với các phương pháp chỉ dựa vào nhiệt hiện.

Sự chuyển pha của vật chất chủ yếu bao gồm bốn loại: rắn-rắn, rắn-lỏng, rắn-khí và khí-lỏng. Mặc dù quá trình chuyển đổi khí-khí và lỏng{6}}rắn có giá trị nhiệt ẩn cao, nhưng sự thay đổi thể tích đáng kể trong những trường hợp này sẽ làm tăng khó khăn khi vận hành thực tế, do đó hạn chế ứng dụng của chúng. Ngược lại, quá trình chuyển pha rắn-rắn xảy ra khi vật liệu rắn biến đổi từ trạng thái tinh thể này sang trạng thái tinh thể khác, thể hiện sự thay đổi thể tích nhỏ hơn và quá trình siêu lạnh thấp hơn, nhưng nhiệt tỏa ra hoặc hấp thụ thường thấp hơn các quá trình chuyển pha khác. Trong quá trình chuyển đổi pha lỏng{10}rắn, vật chất sẽ thay đổi từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng. Mặc dù quá trình này yêu cầu một thùng chứa cụ thể để chứa chất lỏng, nhưng sự thay đổi thể tích nhỏ hơn nhiều so với quá trình chuyển pha khí rắn và lỏng{13}}, đồng thời nhiệt ẩn liên quan cao hơn đáng kể so với chuyển pha rắn{14}}rắn. Với những đặc điểm này, quá trình chuyển đổi pha lỏng{16}rắn hiện được coi là phương pháp lưu trữ nhiệt thay đổi pha thực tế nhất và được áp dụng rộng rãi.

Hiện nay, có nhiều loại vật liệu được sử dụng trong công nghệ lưu trữ nhiệt chuyển pha, chủ yếu được chia thành hai loại dựa trên thành phần hóa học của chúng: hữu cơ và vô cơ. Vật liệu chuyển pha hữu cơ chủ yếu bao gồm các chất như sáp parafin, rượu và axit béo; trong khi các vật liệu chuyển pha vô cơ được thể hiện bằng muối ngậm nước kết tinh, muối nóng chảy và kim loại hoặc hợp kim của chúng. Nói chung, vật liệu thay đổi pha hữu cơ phù hợp hơn cho việc lưu trữ năng lượng nhiệt ở phạm vi nhiệt độ thấp đến trung bình, trong khi vật liệu thay đổi pha vô cơ thể hiện hiệu suất lưu trữ năng lượng nhiệt tốt hơn trong điều kiện nhiệt độ trung bình đến cao.

Lưu trữ nhiệt nhiệt hóa học

Công nghệ lưu trữ năng lượng nhiệt nhiệt hóa tự hào có mật độ năng lượng cực cao trên một đơn vị thể tích, đạt mức GJ/m³. Để so sánh, mật độ năng lượng của vật liệu lưu trữ nhiệt hợp lý chỉ khoảng 1{1}}và mật độ năng lượng của vật liệu lưu trữ nhiệt tiềm ẩn chỉ bằng một nửa. Hơn nữa, bằng cách tách các chất phản ứng, công nghệ này có thể đạt được mức lưu trữ năng lượng nhiệt bằng không-tổn thất ở nhiệt độ phòng, do đó được coi là một trong những công nghệ hứa hẹn nhất cho việc lưu trữ năng lượng nhiệt-quy mô lớn và{5}}lâu dài. Dựa trên những thay đổi liên kết hóa học khác nhau liên quan đến quá trình lưu trữ năng lượng, việc lưu trữ năng lượng nhiệt hóa học có thể được chia thành hai loại chính: lưu trữ năng lượng nhiệt hấp thụ hóa học và lưu trữ năng lượng nhiệt phản ứng hóa học.

Bộ lưu trữ nhiệt hấp phụ hóa học đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng trong môi trường{0}nhiệt độ thấp. Nó dựa vào sự hình thành và phá vỡ các lực liên phân tử vật lý hoặc hóa học (như lực van der Waals, lực tĩnh điện và liên kết hydro) giữa chất hấp phụ rắn và chất hấp phụ dạng khí để đạt được sự lưu trữ và giải phóng nhiệt. Công nghệ này chủ yếu bao gồm hai loại hệ thống: một là hệ thống muối ngậm nước sử dụng hơi nước làm chất hấp phụ; cái còn lại là hệ thống phức hợp amoniac sử dụng các phân tử amoniac làm chất hấp phụ. Bảng 1-2 trình bày các loại cụ thể, nhiệt độ lưu trữ/giải phóng nhiệt và mật độ lưu trữ năng lượng của một số vật liệu lưu trữ nhiệt hấp thụ hóa học thường được sử dụng.

Bảng 1-2 Đặc tính của vật liệu lưu trữ nhiệt hấp phụ hóa học thường được sử dụng:

Lưu trữ năng lượng nhiệt phản ứng hóa học chủ yếu được áp dụng trong điều kiện nhiệt độ trung bình- và{1}}cao, đồng thời hệ thống của nó rất đa dạng, bao gồm cải tạo khí mêtan, tổng hợp và phân hủy amoniac, hydrua kim loại, cacbonat, oxit kim loại và hydroxit kim loại. Những phương pháp này đạt được sự lưu trữ và giải phóng năng lượng nhiệt thông qua việc phá vỡ và tái kết hợp các liên kết hóa học. Loại lưu trữ năng lượng này sở hữu giá trị phản ứng lớn, mật độ năng lượng cao và phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế, vẫn còn những thách thức, bao gồm kiểm soát chi phí, ăn mòn vật liệu và lưu trữ khí. Do đó, cần phải tiến hành-nghiên cứu chuyên sâu về các cơ chế phản ứng có liên quan và tối ưu hóa quy trình để cải thiện hiệu suất tổng thể.

Hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt nhiệt hóa học có cấu trúc phức tạp và nhiều thiết bị phụ trợ nên chi phí đầu tư ban đầu cao. Hiện tại, mật độ năng lượng cực cao trên một đơn vị thể tích của chúng vẫn chưa được tận dụng hết. Hơn nữa, do sự phức tạp của các cơ chế phản ứng hóa học liên quan nên việc kiểm soát chính xác tốc độ phản ứng là một thách thức và một số quy trình phản ứng có yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn, giúp nâng cao hơn nữa hiệu quả tổng thể của hệ thống. Do đó, cần có thêm-nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ lưu trữ năng lượng nhiệt nhiệt hóa học để giải quyết những vấn đề này.