Mặc dù là khai thác năng lượng mặt trời, nhưng cách sử dụng lại tương tự như nhiên liệu hóa thạch: Một phương pháp đã bị 'lãng quên' trong thời gian dài bỗng trở nên quan trọng khi thế giới đang chống lại carbon

Dù nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng tăng, nhưng vẫn chưa đủ 'mạnh mẽ' để đáp ứng mọi yêu cầu.

Khi nhắc đến năng lượng mặt trời, hầu như ai cũng nghĩ ngay đến việc sử dụng tấm quang điện để chuyển đổi ánh sáng thành điện. Tuy nhiên, cách tiếp cận khác nhau cũng được áp dụng để tận dụng sức mạnh của mặt trời. Một phương pháp đang thu hút sự chú ý ngày càng nhiều là năng lượng mặt trời tập trung (CSP), trong đó sử dụng gương để tập trung năng lượng mặt trời.

Trước đây, CSP đã gặp khó khăn vì kỹ thuật chưa phát triển và thiếu nguồn kinh phí, đồng thời chính phủ ưa chuộng các nguồn năng lượng tái tạo khác hơn. Tuy nhiên, khi nhận ra tầm quan trọng của việc thay thế nhiên liệu hóa thạch và thúc đẩy năng lượng không carbon, một số tổ chức đã được hỗ trợ để nghiên cứu và cải tiến công nghệ.

Nhiều người tin rằng nhiệt độ và khả năng lưu trữ của hệ thống CSP sẽ là một lợi thế lớn hơn so với các nguồn năng lượng tái tạo khác. Chúng có thể cung cấp nhiên liệu cho nhiều quy trình công nghiệp khác nhau và tạo ra lưới điện.

Thay vì chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng như tấm pin quang điện, CSP tập trung ánh sáng bằng cách sử dụng 'kính nhiệt độ'. Điều này giúp làm nóng vật liệu lên nhiệt độ cao và tạo ra nhiệt năng.

Cách hoạt động

Năng lượng mặt trời tập trung không cần sử dụng tấm quang điện mà thay vào đó sử dụng gương để tập trung ánh sáng mặt trời và sản xuất điện. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một chuỗi gương cầu lõm hoặc gương parabol để hướng ánh sáng mặt trời vào một điểm nhỏ.

Quá trình này tạo ra một khu vực với nhiệt độ cực cao, được sử dụng để làm nóng chất lỏng (dầu hoặc muối nóng chảy). Nhiệt từ chất lỏng nóng này tạo ra hơi nước, điều này sẽ đẩy quạt turbine và tạo ra điện. Công suất có thể lên đến 250 megawatt trở lên, đủ để cung cấp năng lượng cho 90.000 căn nhà.

Hơi nước sau đó được làm lạnh và chuyển thành nước, nước này được lưu trữ và sử dụng lại. Chất lỏng nóng cũng có thể được lưu trữ và sử dụng sau này để sản xuất điện theo nhu cầu, đặc biệt khi mặt trời không chiếu sáng. CSP sử dụng năng lượng nhiệt nên nó có nhiều điểm tương đồng với các nhà máy nhiệt điện hơn là các trang trại điện mặt trời.

Lưu trữ nhiệt

Hầu hết các hệ thống CSP có khả năng lưu trữ đủ nhiệt để tạo ra năng lượng từ 6 đến 12 giờ sau khi cần thiết. Trong khi đó, hệ thống quang điện chỉ có thể lưu trữ từ 3 đến 4 giờ sử dụng pin lithium.

CSP cũng có thể được sử dụng trong nhiều quá trình công nghiệp yêu cầu nhiệt độ cao, như sản xuất thép, bê tông và hóa chất. Việc sử dụng nhiệt từ CSP như vậy hiệu quả hơn việc lấy điện từ tấm pin mặt trời và chuyển đổi thành nhiệt, cũng như sạch hơn so với việc đốt nhiên liệu hóa thạch để tạo ra nhiệt.

Theo Chu Quảng Đông, một nhà nghiên cứu hàng đầu trong chương trình Công nghệ Địa nhiệt và Năng lượng Mặt trời Tập trung tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia do chính phủ tài trợ, các công ty coi CSP là một phương tiện giảm khí thải. Điều này có thể có tác động lớn đến môi trường. Tiến sĩ Chu nói: 'Công nghiệp nhiệt chiếm 20% hoặc 25% tổng lượng năng lượng tiêu thụ'.

Theo Tiến sĩ Chu, CSP sẽ không thay thế hoàn toàn năng lượng mặt trời quang điện mà sẽ là phương tiện bổ sung. Ông nói: 'Nếu muốn giảm carbon trong lưới điện bằng 100% năng lượng tái tạo, chúng ta cần sử dụng tất cả các phương pháp'.

Con đường phát triển vẫn còn rất xa

Hiện tại, đóng góp của CSP vào nguồn cung cấp năng lượng toàn cầu rất nhỏ. Theo Benjamin Attia, một nhà phân tích nghiên cứu về chuyển đổi năng lượng tại công ty tư vấn và nghiên cứu năng lượng Wood Mackenzie, trên toàn cầu chỉ có khoảng 6 gigawatt công suất CSP, trong đó có hơn 2 gigawatt ở Mỹ. Trong khi đó, công suất của năng lượng mặt trời quang điện đã vượt qua con số 1 terawatt gần đây, tương đương với 1.000 gigawatt.

Những khó khăn về kỹ thuật là một phần nguyên nhân gây ra sự chênh lệch đó. Quá trình chuyển đổi nhiệt thành điện tốn kém và ít hiệu quả hơn so với năng lượng mặt trời quang điện. Ngoài ra, các hệ thống CSP cần lượng nước lớn, đây là một vấn đề lớn bởi vì những nơi có thể tiếp xúc nhiều với ánh sáng mặt trời thường là sa mạc hoặc các khu vực khan hiếm nước.

Ông Attia tiết lộ rằng có công nghệ mới hứa hẹn có thể giảm chi phí và làm cho CSP hiệu quả hơn, nhưng vẫn chưa có sự đột phá. 'Chúng tôi vẫn chưa thấy bất kỳ công nghệ CSP thế hệ tiếp theo nào trong lĩnh vực này'.

Một làn sóng đầu tư và nghiên cứu mới có thể bắt đầu thay đổi điều đó. Các dự án nghiên cứu bao gồm HelioCon, một tập đoàn gồm các tổ chức chính phủ, doanh nghiệp, nhà nghiên cứu và chuyên gia CSP. Tập đoàn này được thành lập vào tháng 12 bởi Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia và Bộ Năng lượng với mục tiêu phát triển kính định nhật rẻ và hiệu quả hơn.

Đồng thời, các nhà khoa học tại Đại học Barcelona cũng đang nghiên cứu một loại vật liệu có thể nung nóng đến nhiệt độ cao hơn, mang lại hiệu quả sản xuất điện cao hơn. Ana Ines Fernandez, giáo sư tại Khoa khoa học vật liệu và hóa lý tại Đại học Barcelona, nói rằng điều cần thiết là tìm kiếm một loại vật liệu không hiếm, không đắt tiền và không gây hại.

Điều này giúp CSP tránh vấn đề mà pin lithium phải đối mặt, yêu cầu sử dụng kim loại đất hiếm và gây ra các vấn đề lao động nghiêm trọng xung quanh việc tìm nguồn cung ứng. Tiến sĩ Fernandez nói: 'Chúng tôi muốn tìm những giải pháp không chỉ rẻ mà còn bền vững nhất'.

Dự án mới tiềm năng

Một số dự án đang khám phá các ứng dụng mới cho CSP ngoài việc sản xuất điện. Synhelion SA, một công ty tách ra từ Viện Công nghệ Thụy Sĩ, dự định sử dụng CSP để sản xuất dầu hỏa trung tính carbon để sử dụng làm nhiên liệu cho máy bay.

Dầu hỏa trung tính carbon được sản xuất bằng cách tách nước thành hydrogen và oxi, sau đó kết hợp hydrogen với carbon dioxide. Philipp Furler, giám đốc điều hành của Synhelion, cho biết công ty dự kiến sử dụng nhiệt từ CSP để sản xuất năng lượng cần thiết cho quá trình này và đặt mục tiêu sản xuất 700.000 tấn dầu hỏa trung tính carbon mỗi năm vào năm 2030, tương đương với khoảng một nửa lượng nhiên liệu máy bay tiêu thụ ở Thụy Sĩ.

CSP có nhiều ưu điểm trong quá trình này. Nó hiệu quả hơn việc sử dụng điện để tạo ra nhiệt và yêu cầu ít diện tích hơn so với hệ thống quang điện để tạo ra cùng một lượng năng lượng. Hơn nữa, dung lượng lưu trữ của CSP cũng có thể cung cấp nguồn điện liên tục.