Dũng Đỗ
Writer
Trong bối cảnh thế giới đang vật lộn với bài toán lưu trữ năng lượng tái tạo, một giải pháp tưởng chừng như đơn giản nhưng lại cực kỳ hiệu quả đang thu hút sự chú ý: pin cát. Với khả năng giữ nhiệt trong nhiều tháng, chi phí thấp và độ an toàn cao, các hệ thống lưu trữ năng lượng bằng cát hứa hẹn sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc ổn định lưới điện và thúc đẩy một tương lai năng lượng bền vững.
Để giải quyết vấn đề này, các kỹ sư đang tìm đến một vật liệu quen thuộc: cát.
Bên cạnh đó, cát là một vật liệu cực kỳ phổ biến, rẻ tiền, thân thiện với môi trường và không bị phân hủy theo thời gian. Quan trọng nhất, nó hoàn toàn an toàn và không có nguy cơ cháy nổ như các loại pin lithium-ion.
Nguyên lý cơ bản của một hệ thống pin cát là sử dụng lượng điện dư thừa từ các nguồn năng lượng tái tạo để làm nóng không khí. Không khí nóng này sau đó được lưu thông qua một silo thép cách nhiệt chứa đầy cát, làm tăng nhiệt độ của cát lên tới 600-1.000 độ C. Khi cần sử dụng, không khí mát sẽ được thổi qua khối cát nóng này để lấy lại nhiệt và dẫn đến các tòa nhà hoặc cơ sở công nghiệp.
Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia của Mỹ (NREL) cũng đã giới thiệu một hệ thống lưu trữ nhiệt năng bằng cát. Công ty Batsand của Latvia thậm chí còn cung cấp các hệ thống pin cát quy mô gia đình.
Cần lưu ý rằng, ở thời điểm hiện tại, pin cát vẫn còn một hạn chế lớn: việc chuyển đổi nhiệt năng lưu trữ ngược trở lại thành điện năng vẫn còn kém hiệu quả. Do đó, chúng chưa phù hợp để cung cấp năng lượng cho các thiết bị như điện thoại hay ô tô.
Tuy nhiên, đối với các ứng dụng cung cấp nhiệt trực tiếp cho các tòa nhà, hỗ trợ các hoạt động công nghiệp và giúp ổn định lưới điện, pin cát đang chứng tỏ mình là một giải pháp cực kỳ hiệu quả, chi phí thấp và bền vững, một mảnh ghép quan trọng trong bức tranh năng lượng của tương lai.

Bài toán lưu trữ nhiệt năng
Hơn một nửa lượng năng lượng mà thế giới tiêu thụ cuối cùng được dùng để tạo ra nhiệt, phục vụ cho các quy trình công nghiệp và sưởi ấm các tòa nhà. Tuy nhiên, nhiệt lại là một trong những dạng năng lượng khó lưu trữ hiệu quả nhất, đặc biệt là ở quy mô lớn. Thách thức này càng trở nên cấp bách hơn với sự gia tăng của các nguồn năng lượng tái tạo không liên tục như điện gió và điện mặt trời, khi lượng năng lượng tạo ra thường không trùng khớp với nhu cầu sử dụng.Để giải quyết vấn đề này, các kỹ sư đang tìm đến một vật liệu quen thuộc: cát.
Vì sao lại là cát?
Cát là một giải pháp lý tưởng để lưu trữ nhiệt năng vì nhiều lý do. Về mặt kỹ thuật, nó có nhiệt dung riêng cao và độ dẫn nhiệt thấp. Điều này có nghĩa là cát có thể hấp thụ một lượng nhiệt lớn và giữ nó trong một thời gian rất dài – có thể là nhiều tuần hoặc thậm chí nhiều tháng – với mức thất thoát chỉ khoảng 10%.Bên cạnh đó, cát là một vật liệu cực kỳ phổ biến, rẻ tiền, thân thiện với môi trường và không bị phân hủy theo thời gian. Quan trọng nhất, nó hoàn toàn an toàn và không có nguy cơ cháy nổ như các loại pin lithium-ion.
Nguyên lý cơ bản của một hệ thống pin cát là sử dụng lượng điện dư thừa từ các nguồn năng lượng tái tạo để làm nóng không khí. Không khí nóng này sau đó được lưu thông qua một silo thép cách nhiệt chứa đầy cát, làm tăng nhiệt độ của cát lên tới 600-1.000 độ C. Khi cần sử dụng, không khí mát sẽ được thổi qua khối cát nóng này để lấy lại nhiệt và dẫn đến các tòa nhà hoặc cơ sở công nghiệp.

Các dự án triển khai trong thực tế
Công nghệ pin cát không còn chỉ là lý thuyết. Hệ thống pin cát thương mại đầu tiên trên thế giới đã được công ty khởi nghiệp Polar Night Energy triển khai tại Phần Lan vào năm 2022 và đi vào hoạt động đầy đủ từ tháng 6 năm 2025. Hệ thống này sử dụng một silo thép khổng lồ chứa khoảng 2.000 tấn đá xà phòng nghiền, có khả năng lưu trữ khoảng 100 megawatt-giờ (MWh) năng lượng, đủ để sưởi ấm cho cả một thị trấn trong vòng một tuần vào mùa đông.Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia của Mỹ (NREL) cũng đã giới thiệu một hệ thống lưu trữ nhiệt năng bằng cát. Công ty Batsand của Latvia thậm chí còn cung cấp các hệ thống pin cát quy mô gia đình.

Tương lai của pin cát
Dù là một công nghệ mới nổi, thị trường pin cát toàn cầu được dự kiến sẽ tăng trưởng nhanh chóng, từ 1,2 tỷ USD vào năm 2024 lên gần 5 tỷ USD vào năm 2034.Cần lưu ý rằng, ở thời điểm hiện tại, pin cát vẫn còn một hạn chế lớn: việc chuyển đổi nhiệt năng lưu trữ ngược trở lại thành điện năng vẫn còn kém hiệu quả. Do đó, chúng chưa phù hợp để cung cấp năng lượng cho các thiết bị như điện thoại hay ô tô.
Tuy nhiên, đối với các ứng dụng cung cấp nhiệt trực tiếp cho các tòa nhà, hỗ trợ các hoạt động công nghiệp và giúp ổn định lưới điện, pin cát đang chứng tỏ mình là một giải pháp cực kỳ hiệu quả, chi phí thấp và bền vững, một mảnh ghép quan trọng trong bức tranh năng lượng của tương lai.