Công nghệ mới khai thác nhiệt thải hiệu quả

(Một lượng lớn nhiệt dư thừa phát sinh từ các quá trình sản xuất công nghiệp và các dự án sản xuất điện, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã dành nhiều thập kỷ để tìm cách khai thác nguồn nhiệt thải này. Phần lớn các nỗ lực đều tập trung vào các thiết bị nhiệt điện, các vật liệu rắn mà các vật liệu này có thể sản xuất điện từ một sự chênh lệch nhiệt độ (gradient nhiệt), nhưng tính hiệu quả của những thiết bị như vậy bị giới hạn bởi các vật liệu có sẵn.

Hiện nay các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Stanford đã phát hiện thấy một cách thay thế để chuyển nhiệt thải ở nhiệt độ thấp thành điện năng, tại những nơi mà sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ hơn 100 độ C.

Cách tiếp cận mới này dựa trên một hiện tượng gọi là hiệu ứng thermogalvanic (tạm dịch là “điện nhiệt”), đã được mô tả trong một bài báo trình bày trên tạp chí Nature Communications bởi nhà nghiên cứu bậc sau tiến sĩ Yuan Yang và giáo sư Gang Chen tại trường MIT, nhà nghiên cứu bậc sau tiến sĩ Seok Woo Lee và giáo sư Yi Cui tại Stanford cùng 3 nhà nghiên cứu khác nữa.

Từ khi điện áp của các pin có thể sạc lại phụ thuộc vào nhiệt độ, một hệ thống mới kết hợp chu kỳ sạc – xả của những pin này cùng với việc làm nóng và làm mát, vì vậy điện áp phóng điện cao hơn so với điện áp nạp. Hệ thống có thể khai thác một cách hiệu quả ngay cả những chênh lệch nhiệt độ nhỏ, ví dụ như một chênh lệch nhiệt độ là 50 độ C.

Để bắt đầu, pin chưa sạc được làm nóng với nhiệt thải. Sau đó, trong khi tại nhiệt độ cao hơn, pin được sạc, một khi được sạc đầy, nó được làm mát. Vì điện áp sạc là thấp hơn ở nhiệt độ cao hơn so với ở nhiệt độ thấp, do vậy một khi cục pin đã nguội nó có thể sản sinh ra nhiều điện hơn so với lượng điện đã dùng để sạc nó. Lượng năng lượng tăng thêm này, tất nhiên không phải tự dưng mà có: Nó xuất phát từ nhiệt đã được bổ sung vào hệ thống này.

Hệ thống nói trên được thiết kế nhằm mục đích khai thác các nguồn nhiệt nhỏ hơn 100 độ C, chiếm một tỷ lệ lớn trong các nguồn nhiệt thải có tiềm năng khai thác được. Trong một thí nghiệm với nhiệt thải 60 độ C, hệ thống mới này có hiệu quả ước tính khoảng 5,7%.

Các khái niệm cơ bản của phương pháp tiếp cận này đã bước đầu được đề xuất trong những năm 1950, Chen nói, tuy nhiên “một bước tiến quan trọng của nghiên cứu này đó là sử dụng các vật liệu không có tại thời điểm đó” cho các điện cực của pin, cũng như những tiến bộ trong kỹ thuật thiết kế hệ thống này.

Nghiên cứu trước đó dựa trên nhiệt độ 500 độ C hoặc cao hơn, Yang cho biết thêm; phần lớn các hệ thống thu hồi nhiệt hiện nay hoạt động tốt nhất với các chênh lệch nhiệt độ cao hơn.

Trong lúc hệ thống mới này có một bước tiến quan trọng về hiệu quả năng lượng chuyển đổi, giờ đây nó có mật độ năng lượng thấp hơn nhiều – tổng năng lượng có thể giải phóng đối với một trọng lượng đưa ra – thấp hơn so với nhiệt điện. Cũng cần có các nghiên cứu tiếp theo để đảm bảo tính tin cậy trong thời gian dài sử dụng, và để cải tiến tốc độ sạc pin và xả pin, Chen nói. “Sẽ phải làm nhiều việc để có được bước tiến tiếp theo”, ông nói.

Chen, giáo sư về Kỹ thuật năng lượng Carl Richard Soderberg và hiệu trưởng của Khoa Kỹ thuật cơ khí trường MIT, cho biết hiện nay không có công nghệ nào tốt có thể tạo ra hiệu quả sử dụng các mức khác biệt nhiệt độ thấp mà hệ thống này có thể khai thác được. “Hệ thống này có sự hiệu quả mà chúng tôi nghĩ rằng khá hấp dẫn”, ông nói. “Có vô cùng nhiều nhiệt thải ở nhiệt độ thấp như vậy, nếu công nghệ này có thể được tạo ra và triển khai để sử dụng các nguồn nhiệt thải đó”.

Cui nói: “Hầu như tất cả các nhà máy điện và các quá trình sản xuất, như sản xuất thép và lọc dầu, đều thải ra một lượng nhiệt thải lớn có nhiệt độ thấp vào môi trường xung quanh. Công nghệ pin mới của chúng tôi được thiết kế để tận dụng gradient nhiệt độ này ở quy mô công nghiệp”.

Lee bổ sung thêm: “Công nghệ này có những lợi thế thêm từ việc sử dụng các vật liệu phong phú và chi phí thấp mà các vật liệu này đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất pin”, Peidong Yang, một giáo sư hóa học tại Đại học California ở Berkeley, người không tham gia vào nghiên cứu này, nói: "Bằng cách khai thác hiệu quả của thermogalvanic, [do MIT và Stanford nghiên cứu] đã có thể chuyển đổi nhiệt độ thấp thành điện với hiệu quả tốt. Đó là một công nghệ rất hứa hẹn… Đây là một ý tưởng thông minh, và chúng ta thấy rằng nhiệt thải ở nhiệt độ thấp có ở khắp mọi nơi”.

Yang của MIT nhấn mạnh điểm này: "Một phần ba tất cả năng lượng tiêu thụ ở Mỹ kết thúc như là một nguồn nhiệt thải có nhiệt độ thấp”. Công việc của MIT được tài trợ một phần bởi Bộ Năng lượng Mỹ, một phần thông qua Trung tâm Solid-State Solar-Thermal Energy Conversion Center, và Không quân Hoa Kỳ. Nghiên cứu tại Stanford được tài trợ một phần bởi DOE, Thư viện the SLAC National Accelerator Laboratory, và Quỹ nghiên cứu quốc gia (National Research Foundation) của Hàn Quốc.