Lưu trữ nhiệt là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm lưu trữ nhiệt

Lưu trữ nhiệt (Thermal Energy Storage – TES) là quá trình tích lũy năng lượng dưới dạng nhiệt trong một vật liệu hoặc hệ thống, nhằm sử dụng năng lượng đó tại một thời điểm khác. Thay vì sử dụng ngay khi tạo ra, nhiệt năng được lưu giữ và giải phóng theo nhu cầu, giúp điều phối hiệu quả giữa thời điểm sản xuất và tiêu thụ năng lượng. Đây là một giải pháp tối ưu để cân bằng phụ tải, tận dụng năng lượng tái tạo gián đoạn, và giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch.

Hệ thống lưu trữ nhiệt đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như phát điện mặt trời tập trung (CSP), điều hòa không khí, hệ thống sưởi – làm mát, và cả trong quy trình công nghiệp cần ổn định nhiệt độ. So với các phương pháp lưu trữ năng lượng khác như lưu trữ điện bằng pin, lưu trữ nhiệt có thể rẻ hơn, có vòng đời dài hơn và hiệu suất cao trong các hệ thống sử dụng nhiệt trực tiếp.

Ứng dụng của TES có thể triển khai ở nhiều quy mô:

• Hộ gia đình: bình tích nhiệt cho máy nước nóng
• Thương mại – tòa nhà: hệ thống lưu trữ lạnh trong HVAC
• Công nghiệp – điện lực: bể muối nóng chảy trong nhà máy CSP

Nhờ khả năng giảm chi phí vận hành và tăng độ linh hoạt năng lượng, TES ngày càng được chú trọng trong quá trình chuyển dịch sang năng lượng bền vững.

Phân loại hệ thống lưu trữ nhiệt

Lưu trữ nhiệt được chia thành ba loại chính dựa trên cơ chế lưu giữ năng lượng:

• Lưu trữ nhiệt cảm (Sensible heat storage): năng lượng lưu trữ bằng cách thay đổi nhiệt độ của vật liệu mà không có chuyển pha. Ví dụ: nước, đá, dầu nhiệt.
• Lưu trữ nhiệt ẩn (Latent heat storage): sử dụng vật liệu chuyển pha (PCM) để hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt tại nhiệt độ gần như không đổi, điển hình là paraffin, muối eutectic.
• Lưu trữ nhiệt hóa học (Thermochemical storage): dựa trên phản ứng hóa học thu nhiệt – tỏa nhiệt thuận nghịch để lưu trữ năng lượng ở mật độ cao, ví dụ như Ca(OH)₂ ⇌ CaO + H₂O.

Mỗi loại hệ thống có ưu và nhược điểm riêng. Bảng so sánh sau cho thấy các đặc trưng kỹ thuật cơ bản:

Loại lưu trữ	Cơ chế	Phạm vi nhiệt độ (°C)	Mật độ năng lượng (kWh/m³)
Nhiệt cảm	Thay đổi nhiệt độ vật liệu	0 – 1000+	20 – 100
Nhiệt ẩn	Chuyển pha rắn-lỏng	30 – 300	50 – 150
Nhiệt hóa học	Phản ứng hóa học thuận nghịch	100 – 800	100 – 400

Việc lựa chọn loại hệ thống phù hợp phụ thuộc vào mục tiêu ứng dụng (nhiệt độ cần thiết, tính linh hoạt, kích thước, chi phí), và khả năng tương thích với nguồn nhiệt (năng lượng mặt trời, nhiệt thải công nghiệp...).

Nguyên lý hoạt động của lưu trữ nhiệt

Lưu trữ nhiệt cảm là dạng phổ biến nhất, sử dụng vật liệu như nước, đá, dầu truyền nhiệt... Nhiệt năng được hấp thụ khi vật liệu tăng nhiệt độ và giải phóng khi vật liệu nguội đi. Lượng nhiệt tích trữ tính theo công thức:

$Q = mc\Delta T$

Trong đó:

• $Q$: năng lượng lưu trữ (J)
• $m$: khối lượng vật liệu (kg)
• $c$: nhiệt dung riêng (J/kg.K)
• $\Delta T$: chênh lệch nhiệt độ (K)

Với lưu trữ nhiệt ẩn, năng lượng được lưu giữ trong quá trình chuyển pha, như nóng chảy hoặc đông đặc. Mặc dù $\Delta T$ gần bằng 0, lượng nhiệt vẫn rất lớn nhờ vào ẩn nhiệt (latent heat):

$Q = mL$

Trong đó $L$ là nhiệt ẩn nóng chảy hoặc đông đặc (J/kg). Loại này phù hợp khi yêu cầu ổn định nhiệt độ đầu ra, ví dụ trong bảo quản dược phẩm hoặc vi mạch điện tử.

Vật liệu lưu trữ nhiệt phổ biến

Lựa chọn vật liệu lưu trữ nhiệt ảnh hưởng lớn đến hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống. Các yếu tố cần xét đến bao gồm: nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt, tính ổn định hóa học, chi phí và khả năng tái sử dụng.

Một số vật liệu điển hình:

• Nhiệt cảm: nước (rẻ, dễ sử dụng), dầu truyền nhiệt (ổn định ở nhiệt độ cao), đá nghiền (có thể dùng trong TES quy mô lớn)
• Nhiệt ẩn: paraffin (rẻ, không độc), muối eutectic (nhiệt độ nóng chảy ổn định, có thể tùy chỉnh), hợp chất vô cơ (CaCl₂·6H₂O, Na₂SO₄·10H₂O)
• Hóa học: oxit và hydroxit kim loại, muối hydrat, vật liệu hấp phụ – hấp thụ như silica gel, zeolite

Các dự án và cơ sở dữ liệu lớn đang phát triển thư viện vật liệu TES có thể tra cứu tại: NREL TES Database. Những dữ liệu này giúp tối ưu thiết kế và dự báo hiệu suất hệ thống TES.

Hiệu suất và các chỉ số đánh giá

Hiệu suất của hệ thống lưu trữ nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tổn thất nhiệt trong quá trình lưu trữ và giải phóng, đặc tính của vật liệu lưu trữ, khả năng cách nhiệt và cấu trúc hệ thống. Một chỉ số quan trọng là hiệu suất tổng thể ($\eta$), được định nghĩa là tỷ lệ giữa nhiệt lượng thu hồi được so với nhiệt lượng ban đầu đưa vào:

$\eta = \frac{Q_{\text{thu hồi}}}{Q_{\text{nạp}}}$

Một hệ TES tốt có hiệu suất từ 75% đến 95%, phụ thuộc vào điều kiện hoạt động và loại vật liệu. Ví dụ, hệ sử dụng nước cách nhiệt tốt có thể đạt hiệu suất >90%, trong khi hệ nhiệt hóa học có thể thấp hơn do tổn thất trong phản ứng.

Chỉ số khác là mật độ lưu trữ năng lượng theo thể tích ($\rho_E$), cho biết khả năng lưu trữ năng lượng trên một đơn vị thể tích:

$\rho_E = \frac{Q}{V}$

Bảng so sánh dưới đây thể hiện giá trị điển hình cho một số vật liệu:

Vật liệu	Loại lưu trữ	Mật độ năng lượng (kWh/m³)	Hiệu suất ước tính
Nước	Nhiệt cảm	60–80	90–95%
Paraffin	Nhiệt ẩn	100–120	85–90%
Muối eutectic	Nhiệt ẩn	110–160	80–88%
Ca(OH)2	Hóa học	250–400	70–80%

Ứng dụng của lưu trữ nhiệt

Lưu trữ nhiệt được ứng dụng đa dạng từ quy mô nhỏ (hộ gia đình) đến quy mô công nghiệp – năng lượng. Trong lĩnh vực dân dụng, TES được dùng để làm lạnh ban đêm (khi điện rẻ) để sử dụng vào ban ngày cho hệ thống điều hòa trung tâm, giúp giảm công suất đỉnh. Hệ thống dạng này phổ biến trong các tòa nhà văn phòng hoặc trung tâm thương mại.

Trong công nghiệp, TES được sử dụng để lưu trữ nhiệt thải từ các quá trình sản xuất, giúp tận dụng lại năng lượng và giảm chi phí nhiên liệu. Một ví dụ quan trọng là nhà máy điện mặt trời tập trung (Concentrated Solar Power – CSP), nơi nhiệt lượng từ ánh nắng được lưu trữ trong muối nóng chảy để phát điện vào ban đêm hoặc khi mây che phủ. Một nhà máy tiêu biểu là Solana Generating Station ở Arizona, Mỹ – có khả năng lưu trữ 6 giờ nhiệt lượng và phát điện ổn định ngay cả khi không có nắng.

TES còn được tích hợp vào hệ thống làm mát trung tâm (district cooling), hệ thống năng lượng địa nhiệt, và đang được nghiên cứu cho các ứng dụng pin nhiệt (thermal battery) trong xe điện, thiết bị điện tử hoặc nhà di động.

Tác động đến năng lượng tái tạo và lưới điện

Một trong những ứng dụng có ảnh hưởng chiến lược là khả năng của TES trong việc làm mượt sự biến động của năng lượng tái tạo. Các nguồn như mặt trời hoặc gió có tính gián đoạn cao, dẫn đến mất cân bằng cung-cầu trong hệ thống điện. Lưu trữ nhiệt đóng vai trò như một bộ đệm – hấp thụ năng lượng dư thừa vào lúc sản xuất cao và giải phóng vào thời điểm nhu cầu cao.

Khác với lưu trữ điện bằng pin, TES thường không chuyển đổi năng lượng qua lại giữa các dạng mà chỉ giữ nguyên dạng nhiệt, do đó tổn thất thấp hơn và hiệu quả cao hơn trong các hệ thống sử dụng nhiệt trực tiếp. Trong nhà máy CSP, TES giúp ổn định cung cấp năng lượng, giảm tải cho lưới điện và tránh phải xây dựng nguồn điện phụ tải đỉnh.

Hệ thống TES phân tán cũng có thể góp phần giảm nhu cầu mở rộng hạ tầng truyền tải điện khi được triển khai tại khu vực tiêu thụ. Đây là một yếu tố quan trọng trong chiến lược phát triển hệ thống điện thông minh và bền vững.

Hạn chế và thách thức

Mặc dù có nhiều ưu điểm, hệ thống lưu trữ nhiệt vẫn đối mặt với một số hạn chế và thách thức kỹ thuật:

• Chi phí đầu tư ban đầu cao, đặc biệt đối với hệ sử dụng vật liệu chuyển pha hoặc hóa học
• Yêu cầu cách nhiệt tốt để giảm tổn thất nhiệt theo thời gian, dẫn đến tăng chi phí vật liệu và bảo trì
• Độ bền vật liệu qua nhiều chu kỳ nhiệt – hóa học chưa đồng đều, gây suy giảm hiệu suất
• Khó tích hợp vào các hệ thống điện hóa nếu mục tiêu là chuyển đổi nhiệt sang điện

Việc khắc phục các rào cản này cần sự phối hợp giữa nghiên cứu vật liệu, thiết kế kỹ thuật, mô hình kinh tế và chính sách hỗ trợ.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Trong thập kỷ tới, nhiều xu hướng phát triển TES đang được tập trung:

• Phát triển vật liệu chuyển pha có nhiệt độ chuyển pha phù hợp, ổn định lâu dài và giá thành rẻ
• Nghiên cứu cấu trúc composite để cải thiện độ dẫn nhiệt của PCM
• Thiết kế pin nhiệt (thermal battery) cho xe điện, tàu hỏa và thiết bị di động sử dụng nhiệt thay cho điện
• Tích hợp TES vào các hệ thống hybrid (nhiệt + điện + lạnh)
• Ứng dụng trí tuệ nhân tạo và dữ liệu lớn để tối ưu điều khiển hệ thống TES theo thời gian thực

Tài liệu và dữ liệu cập nhật có thể theo dõi tại IEA TES Report hoặc NREL TES Database.

Tài liệu tham khảo

1. IEA (2023). Thermal Energy Storage. International Energy Agency. Link
2. NREL. (2022). Thermal Energy Storage Database. U.S. Department of Energy. Link
3. Gil, A., et al. (2010). State of the art on high temperature thermal energy storage for power generation. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(1), 31–55.
4. Zalba, B., et al. (2003). Review on thermal energy storage with phase change materials. Applied Thermal Engineering, 23(3), 251–283.
5. DOE Solar Energy Technologies Office. How CSP Thermal Storage Works. Link