Kỹ thuật cổ đại 2.000 năm tuổi giúp chế tạo loại pin 'vô hạn' mà con người mơ ước

Một công nghệ lưu trữ năng lượng mới, lấy cảm hứng từ vật liệu xây dựng cổ đại của La Mã, đang được kỳ vọng sẽ góp phần quan trọng trong việc giảm sự phụ thuộc của nhân loại vào nhiên liệu hóa thạch. Thay vì lưu trữ điện như các loại pin thông thường, công nghệ này - được gọi là pin nhiệt xi măng - lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt trong các phản ứng hóa học có thể đảo ngược.

Cách đây hơn 2.000 năm, các kỹ sư La Mã đã phát triển một loại bê tông đặc biệt từ vôi sống (canxi oxit). Khi trộn vôi sống với nước, phản ứng hóa học xảy ra tạo thành canxi hydroxit, đồng thời giải phóng một lượng nhiệt lớn. Phản ứng này chính là lý do giúp bê tông La Mã có thể đông kết nhanh và bền vững, góp phần tạo nên những công trình vĩ đại như đền Pantheon vẫn tồn tại đến ngày nay.

Điều đặc biệt là phản ứng này có thể đảo ngược. Khi cung cấp nhiệt ở nhiệt độ cao, canxi hydroxit có thể bị tách nước để trở lại thành vôi sống. Trong chu trình này, thêm nước để giải phóng nhiệt và cung cấp nhiệt để tái tạo vật liệu chính là nguyên lý cốt lõi của pin nhiệt xi măng. Nhờ tính thuận nghịch này, vật liệu có thể được “sạc” và “xả” nhiều lần, tương tự như một cục pin.

Công ty khởi nghiệp Cache Energy tại Mỹ đang phát triển hệ thống pin nhiệt dựa trên nguyên lý này. Thay vì sử dụng xi măng dạng khối, họ chế tạo thành các viên nén nhỏ, có kích thước tương đương hạt ngô. Các viên này được trộn với một loại chất kết dính đặc biệt giúp giữ nguyên hình dạng trong quá trình phản ứng, tránh việc bị vỡ hoặc biến thành dạng sệt khi tiếp xúc với nước - một vấn đề từng khiến công nghệ này khó ứng dụng trong quá khứ.

Quá trình vận hành của hệ thống tương đối đơn giản. Khi có nguồn điện dư thừa, đặc biệt từ năng lượng tái tạo như điện gió hoặc điện mặt trời, điện sẽ được sử dụng để tạo nhiệt và “nạp” vào các viên xi măng, tức là chuyển canxi hydroxit thành vôi sống. Năng lượng được lưu trữ trong các liên kết hóa học của vật liệu này. Khi cần sử dụng, người ta chỉ cần thêm một lượng nước thích hợp, phản ứng sẽ diễn ra và giải phóng nhiệt năng có thể đạt tới khoảng 540°C (tương đương 1.000°F).

Nhiệt lượng này có thể được sử dụng trực tiếp cho nhiều mục đích, đặc biệt là trong công nghiệp và sưởi ấm. Theo ước tính của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, khoảng 20% tổng năng lượng toàn cầu được sử dụng cho nhiệt công nghiệp, và thêm 10% cho sưởi ấm nhà cửa và nước sinh hoạt. Đây là những lĩnh vực hiện vẫn phụ thuộc chủ yếu vào nhiên liệu hóa thạch như khí đốt tự nhiên. Vì vậy, việc thay thế bằng một hệ thống lưu trữ nhiệt sạch có thể tạo ra tác động rất lớn đến việc giảm phát thải carbon.

Hệ thống của Cache Energy sử dụng một lò phản ứng tương đối đơn giản, không có bộ phận chuyển động, giúp giảm chi phí bảo trì và tăng độ bền. Một mô-đun tiêu chuẩn có thể tạo ra khoảng 100 kilowatt nhiệt, trong khi các phiên bản lớn hơn có thể đạt tới 1 megawatt. Các viên nhiên liệu sau khi sạc và xả được lưu trữ trong các silo riêng biệt, tương tự như cách lưu trữ ngũ cốc trong nông nghiệp. Cơ chế vận chuyển cũng đơn giản, sử dụng các hệ thống nâng giống như trong kho chứa hạt.

Một trong những lợi thế lớn của công nghệ này là khả năng lưu trữ năng lượng gần như vô thời hạn mà không bị hao hụt đáng kể, khác với pin điện hóa truyền thống. Điều này đặc biệt hữu ích trong bối cảnh năng lượng tái tạo ngày càng phổ biến nhưng có tính gián đoạn cao - ví dụ như điện mặt trời chỉ sản xuất vào ban ngày, còn điện gió phụ thuộc vào thời tiết. Khi sản lượng vượt nhu cầu, năng lượng dư thừa có thể được chuyển thành nhiệt và lưu trữ để sử dụng sau.

Trước đây, ý tưởng lưu trữ nhiệt bằng phản ứng hóa học đã được nghiên cứu từ những năm 1970, nhưng không khả thi về mặt kinh tế do chi phí năng lượng tái tạo quá cao. Ngày nay, với giá thành điện gió và điện mặt trời giảm mạnh, công nghệ này trở nên hấp dẫn hơn nhiều. Ở một số khu vực, thậm chí có những thời điểm điện tái tạo dư thừa đến mức giá gần như bằng không, tạo cơ hội lý tưởng để sạc các hệ thống lưu trữ như pin xi măng.

Tại một nhà máy của Whirlpool ở Ohio, hệ thống của Cache Energy được đánh giá hoạt động tốt hơn mong đợi. Bộ Quốc phòng Mỹ cũng đang xem xét ứng dụng công nghệ này để cung cấp nhiệt cho các cơ sở quân sự trong điều kiện khắc nghiệt hoặc khi xảy ra sự cố mất điện.

Một ví dụ đáng chú ý khác là dự án thử nghiệm tại Đại học Minnesota Morris. Trường này hiện sở hữu hai tuabin gió lớn và thường xuyên có lượng điện dư thừa. Thay vì bán lại cho lưới điện, họ đang thử nghiệm sử dụng nguồn điện này để sạc pin nhiệt xi măng, với mục tiêu sưởi ấm toàn bộ khuôn viên trường. Hiện tại, nhu cầu nhiệt của trường cao gấp nhiều lần so với điện năng và phụ thuộc vào khí đốt tự nhiên. Nếu hệ thống hoạt động hiệu quả, trường có thể tiến tới tự chủ năng lượng với chi phí thấp hơn và ổn định hơn.

Về lâu dài, công nghệ pin nhiệt xi măng có thể đóng vai trò quan trọng trong hệ thống năng lượng tương lai, đặc biệt ở những khu vực có tiềm năng lớn về năng lượng tái tạo như các vùng nhiều gió và nắng. Thay vì để lãng phí điện dư thừa, con người có thể chuyển hóa và lưu trữ dưới dạng nhiệt để sử dụng khi cần thiết.

Ý tưởng này cũng phản ánh một cách tiếp cận mới đối với năng lượng: không chỉ sản xuất sạch mà còn phải lưu trữ và sử dụng hiệu quả. Giống như việc con người dự trữ lương thực hay nhiên liệu, việc “dự trữ năng lượng” dưới dạng nhiệt có thể giúp tăng tính ổn định và độc lập của hệ thống năng lượng.

“Chúng ta dự trữ ngũ cốc, dự trữ ngô, dự trữ đậu nành, dự trữ khí propan. Vậy tại sao chúng ta lại không dự trữ điện tử?", ông Troy Goodnough - giám đốc phụ trách phát triển bền vững của trường Đại học UMN-Morris nói.