Chuyển hơi nóng mặt trời thành điện theo mô hình “lai”

Một kỹ sư thuộc Đại học Duke đã đề xuất phương pháp biến hơi nóng từ ánh nắng mặt trời thành điện năng, hứa hẹn hiệu quả hơn nhiều công nghệ hiện nay. Ý tưởng này hướng tới bài toán khai thác năng lượng mặt trời ổn định, thay vì chỉ chuyển ánh sáng trực tiếp thành điện rồi sử dụng hoặc lưu trữ. Hiện các hệ thống phổ biến thường điện phân nước để tách thành Hydro và Oxy, hoặc đưa điện năng vào những loại pin khác nhau, đặc biệt là pin lithium ion. Kỹ sư Nico Hotz của Đại học Duke đề xuất mô hình “lai”, kết hợp khả năng tạo Hydro của hệ thống điện phân với phương thức lưu trữ năng lượng bằng pin nhiên liệu. Trong thiết kế này, hơi nóng do ánh nắng tạo ra được dẫn qua hợp chất xúc tác gồm nước và methanol, đặt bên trong hệ thống ống đồng chuyên dụng. Các ống đồng được phủ một lớp nhôm mỏng, đồng thời gắn những dây nano xúc tác trên mái nhà để hấp thụ nhiệt, thúc đẩy phản ứng hóa học hiệu quả hơn. Khi nước và methanol phản ứng dưới tác động đồng thời của nhiệt độ cao cùng chất xúc tác, hệ thống tạo ra Hydro với hiệu suất cao hơn công nghệ hiện tại. Lượng Hydro thu được cũng chứa ít tạp chất hơn, giúp nhiên liệu sau đó phù hợp hơn cho quá trình lưu trữ và phát điện theo nhu cầu sử dụng. Khác với cách dùng điện ngay khi ánh nắng xuất hiện, mô hình này giữ năng lượng dưới dạng Hydro, rồi đưa vào pin nhiên liệu khi cần cung cấp điện. Điểm đáng chú ý nằm ở khả năng giữ nhiệt của cấu trúc thu năng lượng, vốn được thiết kế để hạn chế thất thoát ra môi trường bên ngoài. Theo Nico Hotz, hệ thống có thể hấp thụ khoảng 95% hơi nóng từ ánh sáng mặt trời, qua đó đạt nhiệt độ gần 200 độ C trong quá trình vận hành. Trong khi đó, các hệ thống thông thường chỉ có thể đun nước nóng lên khoảng 60 đến 70 độ C, khiến lượng nhiệt hữu ích và hiệu quả phản ứng thấp hơn. Nhiệt độ cao kết hợp chất xúc tác giúp quá trình sản xuất Hydro diễn ra mạnh mẽ hơn, đồng thời tạo nền tảng cho việc chuyển hóa năng lượng hiệu quả. Hydro sau khi tạo thành được lưu trữ trong pin nhiên liệu, cho phép hệ thống cung cấp điện vào những thời điểm không có ánh nắng hoặc nhu cầu tăng cao. Cách tiếp cận này giải quyết một hạn chế quan trọng của năng lượng mặt trời, bởi nguồn sáng thay đổi theo thời gian, thời tiết và mùa trong năm. Theo số liệu được Hotz công bố, hệ thống mới có thể giải phóng 28,5% năng lượng vào mùa hè, vượt xa mức 5 đến 15% của hệ thống thông thường. Vào mùa đông, hiệu suất của mô hình “lai” đạt 18,5%, trong khi các hệ thống hiện hữu chỉ giải phóng khoảng 2,5 đến 5% năng lượng. Khoảng cách hiệu suất giữa hai phương án cho thấy việc tận dụng nhiệt mặt trời, thay vì chỉ tập trung vào ánh sáng, có thể tạo khác biệt rõ rệt. Hotz cũng cho biết mô hình mới có chi phí thấp nhất, dù bài nghiên cứu được giới thiệu chủ yếu như một thiết kế lý thuyết cần tiếp tục kiểm chứng. Công trình của ông được xem là một nghiên cứu hàng đầu tại Hội nghị pin nhiên liệu cung cấp năng lượng bền vững ASME 2011 tổ chức ở Washington-DC. Sau khi công bố mô hình, Hotz bắt đầu xây dựng một hệ thống tại Đại học Duke nhằm kiểm nghiệm trong thực tế những dự đoán từ thiết kế lý thuyết. Các thử nghiệm này cần xác định hệ thống duy trì hiệu suất ra sao, vận hành ổn định thế nào, đồng thời kiểm tra khả năng sản xuất Hydro trong điều kiện thực tế. Nghiên cứu nhận hỗ trợ từ Quỹ Khoa học quốc gia Thụy Sĩ cùng những cộng sự khác, trong đó có nhà nghiên cứu Seung H. Ko thuộc Viện khoa học và công nghệ Hàn Quốc. Nếu kết quả thực nghiệm phù hợp dự báo, mô hình này có thể mở rộng cách nhìn về điện mặt trời, từ thiết bị phát điện trực tiếp thành hệ thống vừa tạo vừa dự trữ năng lượng. Tuy nhiên, giá trị của ý tưởng vẫn phụ thuộc vào các phép thử đang được tiến hành, bởi hiệu suất lý thuyết chưa tự động bảo đảm khả năng ứng dụng rộng rãi. Với việc kết hợp nhiệt mặt trời, phản ứng xúc tác, Hydro và pin nhiên liệu, đề xuất của Nico Hotz tạo nên hướng tiếp cận đáng chú ý cho năng lượng bền vững.