Standard Thermal , một startup có trụ sở tại Massachusetts , đang đề xuất một giải pháp khác thường cho việc lưu trữ năng lượng tái tạo: đun nóng đất lên 600°C bằng cách sử dụng các tấm pin mặt trời và lưu trữ năng lượng đó trong nhiều tháng. Công ty tuyên bố rằng phương pháp này có thể làm cho năng lượng mặt trời có sẵn 24/7/365 với chi phí cạnh tranh so với các nhà máy điện khí đốt tự nhiên dự phòng. Tuy nhiên, cộng đồng công nghệ đang đặt ra những câu hỏi nghiêm túc về tính thực tế và kinh tế của phương pháp này.
Công nghệ pin tạo ra sự cạnh tranh khốc liệt
Thách thức lớn nhất mà Standard Thermal phải đối mặt đến từ chi phí pin giảm nhanh chóng. Các cuộc thảo luận trong cộng đồng cho thấy pin lithium iron phosphate (LiFePO4) hiện có sẵn với giá chỉ 115 đô la Mỹ mỗi kilowatt-giờ, với một số người dùng báo cáo các hệ thống năng lượng mặt trời gia đình đạt được chi phí dưới 0,008 đô la Mỹ mỗi kWh trong năm năm. Việc giảm giá đáng kể này tạo áp lực lên bất kỳ công nghệ lưu trữ thay thế nào phải chứng minh lợi thế kinh tế của mình.
Hồ sơ an toàn của pin hiện đại cũng đã được cải thiện đáng kể. Không giống như pin lithium-ion truyền thống có thể gặp phải hiện tượng nhiệt thất thoát, pin LiFePO4 không tạo ra oxy riêng trong quá trình cháy, khiến chúng an toàn hơn nhiều cho các lắp đặt dân cư và thương mại. Nhiều loại hiện đi kèm với hệ thống chữa cháy tích hợp và vỏ bảo vệ bằng thép.
So sánh Chi phí Pin
- Pin LiFePO4 : ~115 USD mỗi kWh (bán lẻ)
- Hệ thống năng lượng mặt trời gia đình: 0,008 USD mỗi kWh (trung bình 5 năm bao gồm vốn đầu tư và bảo trì)
- Mục tiêu Nhiệt tiêu chuẩn: Cạnh tranh với các nhà máy điện khí đốt tự nhiên dự phòng
Lưu trữ theo mùa vẫn là Chén Thánh
Vấn đề cơ bản mà Standard Thermal hướng đến giải quyết là có thật: lưu trữ năng lượng qua các mùa thay vì chỉ chu kỳ hàng ngày. Một chủ nhà có kinh nghiệm sống ngoài lưới điện lưu ý rằng lượng đá cần thiết để sưởi ấm một ngôi nhà trung bình chỉ trong hai tuần sẽ nặng hơn cả ngôi nhà. Điều này làm nổi bật quy mô khổng lồ cần thiết cho việc lưu trữ theo mùa có ý nghĩa.
Đống đá cần thiết để sưởi ấm một ngôi nhà trung bình trong vài tuần dễ dàng nặng hơn cả ngôi nhà.
Vật lý học rất thách thức. Ở các vùng khí hậu phía bắc, sản lượng năng lượng mặt trời mùa đông có thể thấp hơn 5-7 lần so với mùa hè. Mặc dù việc xây dựng quá nhiều tấm pin mặt trời có vẻ như là một giải pháp, nhưng hạn chế về không gian và góc độ kém trong mùa đông khiến điều này không thực tế đối với nhiều lắp đặt.
Biến Động Năng Lượng Mặt Trời Theo Mùa
- Sản lượng mùa đông so với mùa hè: Chênh lệch 5-7 lần ở các vùng khí hậu phía bắc
- Thời gian lưu trữ cần thiết: Lên đến 6 tháng để bù đắp theo mùa
- Lưu trữ hàng ngày: 2-14 ngày (tương đối dễ quản lý)
- Mục tiêu nhiệt độ lưu trữ nhiệt: 600°C
Câu hỏi kỹ thuật về thu hồi nhiệt
Phương pháp của Standard Thermal bao gồm việc sử dụng các tấm pin mặt trời để tạo ra điện, sau đó sử dụng sưởi ấm điện trở để làm ấm đất lên 600°C. Các nhà phê bình đặt câu hỏi tại sao họ không sử dụng sưởi ấm nhiệt mặt trời trực tiếp, điều này sẽ hiệu quả hơn nhiều để tạo ra nhiệt. Phản hồi của công ty tập trung vào nhu cầu về nhiệt độ cao (300-500°C) thay vì nhiệt độ thấp (dưới 100°C) để tạo ra điện hiệu quả thông qua tuabin hơi nước.
Công thức hiệu suất Carnot giải thích tại sao nhiệt độ lại quan trọng đến vậy. Một động cơ nhiệt hoạt động giữa 500°C và 25°C có hiệu suất tối đa lý thuyết là 61%, trong khi một động cơ hoạt động giữa 50°C và 25°C chỉ có thể đạt được hiệu suất 7,7%. Điều này làm cho phương pháp nhiệt độ cao trở nên cần thiết cho việc phát điện, ngay cả khi nó đòi hỏi nhiều bước chuyển đổi hơn.
Hiệu suất Động cơ Nhiệt (Giới hạn Lý thuyết Carnot)
- 500°C xuống 25°C: hiệu suất 61%
- 200°C xuống 25°C: hiệu suất 37%
- 50°C xuống 25°C: hiệu suất 7,7%
- Hiệu suất thực tế: từ 1/2 đến 1/10 so với giới hạn tối đa Carnot
Kiểm tra thực tế thị trường
Standard Thermal phải đối mặt với sự cạnh tranh từ các công nghệ đã được thiết lập và đang hoạt động. Các mạng lưới sưởi ấm khu vực châu Âu sử dụng hồ chứa nước ngầm để lưu trữ nhiệt, và các làng Scandinavia vận hành pin nhiệt dựa trên cát sử dụng công nghệ silo thông thường. Bơm nhiệt cũng đang tiến bộ nhanh chóng, hiện có khả năng sản xuất hơi nước quy trình lên đến 160°C và nhắm mục tiêu 200°C.
Thị trường mục tiêu của công ty bao gồm các địa điểm xa xôi chạy bằng diesel, các cộng đồng thiếu thốn dịch vụ, và các nhà phát triển năng lượng mặt trời ở vĩ độ cao. Mặc dù những thị trường này tồn tại, nhưng kinh tế học phải cạnh tranh với việc lưu trữ pin ngày càng giá cả phải chăng và cơ sở hạ tầng lưới điện được cải thiện.
Con đường phía trước
Standard Thermal đang tìm kiếm 500.000 đô la Mỹ tài trợ tiền hạt giống để xây dựng cơ sở thử nghiệm đầu tiên của họ. Thành công của công ty cuối cùng sẽ phụ thuộc vào việc chứng minh rằng phương pháp đất nóng của họ có thể đạt được chi phí thấp hơn đáng kể so với lưu trữ pin hiện tại trong khi duy trì độ tin cậy qua các chu kỳ theo mùa. Với công nghệ pin đang cải thiện nhanh chóng và chi phí giảm, cửa sổ cơ hội cho các công nghệ lưu trữ thay thế có thể đang thu hẹp nhanh hơn dự kiến.
Lưu ý: Hiệu suất Carnot - hiệu suất tối đa lý thuyết của bất kỳ động cơ nhiệt nào, được tính là η = 1 – Tlạnh/Tnóng trong đó nhiệt độ tính bằng Kelvin