Trữ nhiệt là gì? Các nghiên cứu khoa học về Trữ nhiệt

Định nghĩa trữ nhiệt

Trữ nhiệt (thermal energy storage – TES) là quá trình thu nhận, lưu giữ và giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt để sử dụng vào thời điểm khác. Công nghệ này cho phép tích trữ năng lượng từ các nguồn nhiệt, bao gồm cả nhiệt lượng dư thừa hoặc nhiệt thu từ năng lượng tái tạo, nhằm tái sử dụng trong các chu kỳ tiêu thụ năng lượng sau đó. Đây là giải pháp trung gian giúp cân bằng cung – cầu, tối ưu hóa hệ thống và giảm tải các nguồn phát năng lượng sơ cấp.

Trữ nhiệt có thể áp dụng cho cả nhiệt nóng và lạnh, phục vụ đa dạng mục đích như sưởi ấm, làm mát, phát điện hoặc bảo quản thực phẩm. Hệ thống này thường được tích hợp trong các ứng dụng dân dụng, công nghiệp, và đặc biệt trong các nhà máy điện mặt trời tập trung (CSP), nơi nhu cầu lưu trữ năng lượng cho phát điện ngoài giờ nắng là rất cao. Mức độ hiệu quả phụ thuộc vào loại vật liệu lưu trữ, cấu trúc thiết bị và điều kiện vận hành.

Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), trữ nhiệt là công cụ thiết yếu trong tiến trình chuyển dịch sang hệ thống năng lượng sạch, đóng vai trò cầu nối giữa năng lượng tái tạo và nhu cầu tiêu thụ thực tế. Khả năng giảm phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch và tăng hiệu suất tổng thể giúp TES trở thành thành phần chiến lược trong nhiều mô hình năng lượng hiện đại.

Các dạng trữ nhiệt cơ bản

Trữ nhiệt có thể được phân loại dựa trên cơ chế lưu giữ và truyền tải năng lượng. Hiện nay, ba nhóm công nghệ chính được công nhận và ứng dụng là: trữ nhiệt cảm ứng (sensible heat storage), trữ nhiệt ẩn (latent heat storage), và trữ nhiệt hóa học (thermochemical storage). Mỗi dạng có đặc tính kỹ thuật, hiệu suất lưu trữ và tính ứng dụng khác nhau, tùy theo mục tiêu và quy mô hệ thống.

Trữ nhiệt cảm ứng sử dụng sự tăng/giảm nhiệt độ của vật liệu lưu trữ mà không có sự thay đổi pha, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn. Trữ nhiệt ẩn dựa trên năng lượng tiềm ẩn trong quá trình chuyển pha (như rắn – lỏng), có mật độ trữ nhiệt cao hơn và giữ nhiệt độ ổn định trong quá trình giải phóng năng lượng. Trữ nhiệt hóa học sử dụng phản ứng hóa học thuận nghịch, là hình thức có mật độ năng lượng cao nhất và tiềm năng lưu trữ dài hạn vượt trội, tuy nhiên vẫn đang trong giai đoạn thương mại hóa hạn chế.

Dưới đây là bảng tổng hợp so sánh ba loại trữ nhiệt chính:

Loại trữ nhiệt	Nguyên lý	Mật độ năng lượng	Ứng dụng
Cảm ứng	Thay đổi nhiệt độ vật liệu	Thấp đến trung bình	Nước nóng dân dụng, CSP
Ẩn	Chuyển pha rắn – lỏng	Trung bình đến cao	Hệ thống HVAC, làm mát
Hóa học	Phản ứng thuận nghịch	Cao	Lưu trữ dài hạn, thời vụ

Trữ nhiệt cảm ứng

Trữ nhiệt cảm ứng là phương pháp phổ biến và đơn giản nhất, dựa trên việc tích lũy năng lượng bằng cách nâng nhiệt độ của vật liệu lưu trữ. Vật liệu thường dùng bao gồm nước, dầu nhiệt, đá, cát hoặc muối nóng chảy. Cơ chế hoạt động dựa trên công thức:

$Q = m \cdot c \cdot \Delta T$

Trong đó, $Q$ là lượng nhiệt tích trữ, $m$ là khối lượng vật liệu, $c$ là nhiệt dung riêng và $\Delta T$ là độ chênh nhiệt độ giữa lúc nạp và xả nhiệt. Phương pháp này có hiệu suất cao (thường trên 90%) nếu được cách nhiệt tốt và sử dụng vật liệu ổn định nhiệt cao.

Trữ nhiệt cảm ứng được áp dụng rộng rãi trong các bể chứa nước nóng dùng cho sưởi ấm dân dụng hoặc trong nhà máy CSP, nơi nhiệt từ mặt trời được tập trung vào muối nóng chảy, sau đó lưu trữ trong két cách nhiệt để sử dụng cho phát điện sau đó. Ưu điểm là giá thành thấp, dễ bảo trì và tuổi thọ cao, tuy nhiên nhược điểm là mật độ năng lượng thấp và yêu cầu không gian lớn cho thể tích trữ lớn.

Trữ nhiệt ẩn

Trữ nhiệt ẩn khai thác năng lượng tiềm tàng trong quá trình thay đổi pha của vật liệu, thường là từ rắn sang lỏng hoặc ngược lại. Loại vật liệu dùng trong phương pháp này được gọi là vật liệu chuyển pha (Phase Change Materials – PCM), có khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng lớn tại một nhiệt độ gần như không đổi – chính là điểm chuyển pha của chúng.

Các PCM phổ biến bao gồm paraffin, muối hydrat (CaCl₂·6H₂O, Na₂SO₄·10H₂O), và một số hợp chất hữu cơ. Khi vật liệu nóng chảy, nó hấp thu nhiệt mà không tăng nhiệt độ, và khi đông đặc, nó giải phóng lượng nhiệt tương ứng. Đặc điểm này rất lý tưởng cho các ứng dụng cần kiểm soát nhiệt độ ổn định như bảo quản thực phẩm, điều hòa không khí, và lưu trữ năng lượng mặt trời.

• Ưu điểm: Mật độ năng lượng cao, nhiệt độ vận hành ổn định, phù hợp với môi trường giới hạn nhiệt độ
• Nhược điểm: Giá thành PCM còn cao, vật liệu có thể bị suy giảm sau nhiều chu kỳ

Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào cải tiến PCM với độ dẫn nhiệt tốt hơn và độ ổn định cao hơn, ví dụ như bổ sung các ống nano carbon hoặc cải tiến cấu trúc vi nang để tránh rò rỉ và phân tách pha trong quá trình vận hành. Chi tiết có thể tham khảo tại Renewable and Sustainable Energy Reviews.

Trữ nhiệt hóa học

Trữ nhiệt hóa học (thermochemical energy storage – TCES) là hình thức tiên tiến nhất trong ba nhóm công nghệ trữ nhiệt, dựa vào phản ứng hóa học thuận nghịch để hấp thụ và giải phóng năng lượng nhiệt. Khi một phản ứng thu nhiệt xảy ra, năng lượng được tích trữ dưới dạng liên kết hóa học và có thể được tái sử dụng bằng cách đảo ngược phản ứng để giải phóng nhiệt. Dạng lưu trữ này có mật độ năng lượng cao nhất, ít thất thoát nhiệt trong thời gian dài, và đặc biệt phù hợp cho lưu trữ năng lượng theo mùa hoặc khoảng thời gian kéo dài.

Ví dụ phổ biến gồm phản ứng hấp phụ – giải hấp giữa nước và muối (như CaCl₂, MgSO₄), hoặc các phản ứng hóa học oxi hóa – khử như giữa kim loại oxit và khí oxy. Ngoài ra, các hệ thống sử dụng zeolit, silica gel hoặc hợp chất hữu cơ cũng được nghiên cứu rộng rãi. Ưu điểm của TCES là nhiệt có thể lưu trữ gần như vô thời hạn nếu sản phẩm phản ứng được cách ly hoàn toàn, điều không thể đạt được với các phương pháp cảm ứng hoặc ẩn.

• Mật độ trữ nhiệt: 500–1500 kJ/kg (cao hơn 2–10 lần trữ nhiệt cảm ứng)
• Khả năng lưu trữ dài hạn không tổn thất nhiệt
• Khó khăn: Phức tạp trong thiết kế phản ứng thuận nghịch, yêu cầu vật liệu bền nhiệt và tái sử dụng cao

Một số hướng nghiên cứu nổi bật đang phát triển hệ thống TCES cho lưu trữ năng lượng mùa đông – hè, đặc biệt tại châu Âu nơi nhu cầu sưởi ấm thay đổi theo mùa. Tham khảo thêm tại Báo cáo TES của IEA.

Ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng

Trữ nhiệt đóng vai trò thiết thực và đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong công nghiệp, các hệ thống TES được tích hợp vào quá trình nhiệt luyện, sấy, làm lạnh sâu, và đặc biệt là trong nhà máy điện mặt trời tập trung (CSP). Tại đây, muối nóng chảy được sử dụng làm môi chất tích trữ năng lượng nhiệt thu được từ mặt trời và sau đó được dẫn qua bộ trao đổi nhiệt để phát điện, ngay cả khi không có ánh nắng.

Ở lĩnh vực dân dụng, trữ nhiệt được tích hợp vào các hệ thống sưởi và làm mát cho tòa nhà – thường gọi là hệ thống HVAC có TES. Ví dụ: các bể chứa nước nóng lớn cho phép giảm công suất lò hơi trong giờ cao điểm; hệ thống lưu trữ lạnh bằng đá hoặc glycol đông đặc được dùng cho điều hòa trong các tòa cao ốc. Trữ nhiệt còn được dùng trong hệ thống nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời, tăng hiệu suất và giảm chi phí nhiên liệu hóa thạch.

Ứng dụng	Loại TES sử dụng	Đặc điểm
Điện mặt trời tập trung	Cảm ứng (muối nóng chảy)	Trữ năng lượng hàng giờ – ngày
Hệ thống HVAC	Ẩn (PCM) hoặc cảm ứng	Ổn định nhiệt độ, giảm tải đỉnh
Bảo quản lạnh thực phẩm	PCM lạnh	Duy trì nhiệt độ dưới 0°C
Lưu trữ mùa vụ	Hóa học (zeolit, muối hydrat)	Trữ năng lượng từ mùa hè đến đông

Lợi ích kinh tế – môi trường

Việc tích hợp TES vào hệ thống năng lượng mang lại nhiều lợi ích vượt trội về kinh tế và môi trường. Về mặt kinh tế, TES giúp giảm chi phí vận hành do cho phép sử dụng năng lượng giá rẻ vào thời điểm thấp điểm (off-peak) và dùng lại vào giờ cao điểm. Điều này giảm tải cho lưới điện, tối ưu hóa hệ thống phát điện và giảm công suất dự phòng.

Về mặt môi trường, TES góp phần làm giảm lượng khí thải CO₂ bằng cách hỗ trợ tích hợp năng lượng tái tạo (điện mặt trời, nhiệt thải công nghiệp), giảm nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch và tăng hiệu quả sử dụng nhiệt. Trữ nhiệt cũng là công nghệ then chốt trong các mô hình đô thị không phát thải (net-zero cities) và ngành công nghiệp tuần hoàn carbon.

• Giảm phát thải CO₂: 15–50% tùy theo hệ thống
• Tăng hiệu suất tổng thể hệ thống năng lượng: 10–25%
• Giảm chi phí điện năng: 20–40% trong hệ HVAC có TES

TES còn giúp tăng tính độc lập năng lượng của các công trình, đặc biệt tại khu vực xa lưới hoặc các đảo năng lượng (energy islands) khi kết hợp với hệ pin mặt trời hoặc máy phát sinh học.

Thách thức và giới hạn kỹ thuật

Dù tiềm năng lớn, TES vẫn gặp nhiều thách thức khiến tốc độ phổ cập còn hạn chế. Vấn đề chính bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cao (đặc biệt với vật liệu PCM và TCES), tổn thất nhiệt trong quá trình lưu trữ dài ngày (đối với trữ nhiệt cảm ứng), và khó khăn trong tích hợp với các hệ thống năng lượng hiện hữu.

Về vật liệu, nhiều PCM còn có độ dẫn nhiệt thấp, khả năng lão hóa sau nhiều chu kỳ và phân hủy hóa học theo thời gian. Trữ nhiệt hóa học dù có mật độ năng lượng cao nhưng đòi hỏi kiểm soát phản ứng nghiêm ngặt và vật liệu ổn định cao nhiệt – điều này khiến chi phí công nghệ và kỹ thuật trở nên rào cản.

Những giới hạn này yêu cầu tiếp tục đầu tư nghiên cứu, tiêu chuẩn hóa thiết kế và chính sách hỗ trợ tài chính cho các ứng dụng TES, đặc biệt trong khu vực dân cư và SME (doanh nghiệp vừa và nhỏ).

Xu hướng nghiên cứu và công nghệ mới

Trong những năm gần đây, lĩnh vực TES chứng kiến nhiều bước tiến nhờ vào đổi mới vật liệu và công nghệ. Các vật liệu PCM lai (composite PCM), như paraffin kết hợp graphene hoặc nano kim loại, đang được phát triển để tăng khả năng dẫn nhiệt và độ bền cơ học. Các muối ổn định cao nhiệt (HTS – high temperature stable salts) như NaNO₃–KNO₃ cải tiến được dùng để nâng ngưỡng vận hành lên 600–700°C.

Bên cạnh đó, trí tuệ nhân tạo (AI) và mô hình hóa kỹ thuật số (digital twin) đang được tích hợp vào hệ thống TES để tối ưu hóa thời điểm sạc/xả, giảm tổn thất nhiệt và dự đoán hư hỏng vật liệu theo thời gian thực. Ngoài ra, thiết kế mô-đun (modular TES) cho phép lắp ráp linh hoạt, dễ bảo trì và phù hợp với mô hình nhà máy phân tán.

Các viện nghiên cứu như NREL (Hoa Kỳ), Australian Energy Storage Alliance, và các chương trình Horizon Europe đang tài trợ cho hàng loạt dự án TES nhằm giảm chi phí đầu tư xuống dưới 10 USD/kWh nhiệt vào năm 2030.

Tiềm năng trong chuyển đổi năng lượng

Trữ nhiệt được coi là mắt xích quan trọng trong quá trình chuyển đổi hệ thống năng lượng toàn cầu. Khi kết hợp với điện mặt trời, điện gió và hệ thống điều khiển thông minh, TES giúp lấp khoảng trống giữa sản xuất và tiêu dùng năng lượng, tạo điều kiện triển khai mô hình điện–nhiệt tích hợp (sector coupling) và đô thị thông minh.

Hệ thống TES quy mô lớn không chỉ giúp cân bằng phụ tải, mà còn có thể lưu trữ theo mùa, phục vụ cho các trung tâm đô thị, khu công nghiệp và tòa nhà công cộng với lượng tiêu thụ lớn. Trong chiến lược phát triển năng lượng đến 2050 của EU, trữ nhiệt đóng vai trò tương đương với pin lưu trữ trong việc đạt mục tiêu trung hòa carbon.

Với sự phát triển liên tục của công nghệ vật liệu, mô phỏng và tự động hóa, TES hứa hẹn sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong lưới điện thông minh và nền kinh tế năng lượng sạch toàn cầu.