Phân tử mới để khuếch đại tiềm năng năng lượng mặt trời

Mặt trời không chỉ là nguồn năng lượng dồi dào nhất mà con người biết đến, mà còn có khả năng tái tạo vô tận, miễn là nó vẫn còn đó. Nó tiếp tục tạo ra một lượng năng lượng đáng kinh ngạc hàng ngày, dù mưa hay nắng. Năng lượng mặt trời có thể được thu thập và lưu trữ theo nhiều cách khác nhau và việc sử dụng năng lượng mặt trời không thải ra khí nhà kính, điều này có thể giúp giảm tác động của biến đổi khí hậu. Vì những lý do này, năng lượng mặt trời đang được lựa chọn rộng rãi hơn làm nguồn năng lượng tái tạo chính. Chỉ còn là vấn đề thời gian cho đến khi loài người tìm ra cách sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả hơn – chẳng hạn như sự đổi mới được mô tả dưới đây.

Thao túng ánh sáng mặt trời

Có hai loại năng lượng mặt trời chính: quang điện (PV) và năng lượng mặt trời tập trung (CSP), còn được gọi là nhiệt điện mặt trời. Quang điện chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng bằng cách sử dụng pin mặt trời trong các tấm pin mặt trời. Năng lượng mặt trời tập trung sử dụng ánh sáng mặt trời để làm nóng chất lỏng tạo ra hơi nước và cung cấp năng lượng cho tuabin để tạo ra năng lượng. PV hiện bao gồm 98% năng lượng mặt trời toàn cầu, với CSP là 2% còn lại.

PV và CSP khác nhau về cách chúng được sử dụng, năng lượng được tạo ra và vật liệu được sử dụng trong cấu trúc của chúng. Hiệu quả của năng lượng được tạo ra với PV không đổi theo kích thước của tấm pin mặt trời, nghĩa là sử dụng tấm pin mặt trời nhỏ hơn so với tấm pin mặt trời lớn hơn sẽ không làm tăng tốc độ sản xuất năng lượng. Điều này là do các thành phần Cân bằng hệ thống (BOS) cũng được sử dụng trong các tấm pin mặt trời, bao gồm phần cứng, hộp kết hợp và bộ biến tần.

Với CSP, càng lớn càng tốt. Vì nó sử dụng nhiệt từ tia nắng mặt trời nên càng thu được nhiều ánh sáng mặt trời càng tốt. Hệ thống này rất giống với các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch ngày nay. Sự khác biệt chính là CSP sử dụng gương phản xạ nhiệt từ ánh sáng mặt trời để đốt nóng chất lỏng (thay vì đốt than hoặc khí tự nhiên), tạo ra hơi nước để quay tua-bin. Điều này cũng làm cho CSP rất phù hợp với các nhà máy lai, chẳng hạn như tua-bin khí chu trình kết hợp (CCGT), sử dụng năng lượng mặt trời và khí tự nhiên để quay tua-bin, tạo ra năng lượng. Với CSP, năng lượng đầu ra từ năng lượng mặt trời đến chỉ mang lại 16% điện năng ròng. Sản lượng năng lượng CCGT mang lại ~55% điện năng ròng, nhiều hơn so với riêng CSP.

Từ khởi đầu khiêm tốn

Anders Bo Skov và Mogens Brøndsted Nielsen từ Đại học Copenhagen đang cố gắng phát triển một phân tử có khả năng thu hoạch, lưu trữ và giải phóng năng lượng mặt trời hiệu quả hơn so với PV hoặc CSP. Sử dụng hệ thống dihydroazulene/vinyl hepta fulvene, viết tắt là DHA/VHF, cặp đôi này đã đạt được những bước tiến lớn trong nghiên cứu của họ. Một vấn đề ban đầu họ gặp phải là khi khả năng lưu trữ của các phân tử DHA/VHF tăng lên, thì khả năng giữ năng lượng trong một khoảng thời gian dài lại giảm xuống. Mogens Brøndsted Nielsen, giáo sư Khoa Hóa học, cho biết “Bất kể chúng ta đã làm gì để ngăn chặn nó, các phân tử sẽ thay đổi hình dạng trở lại và giải phóng năng lượng dự trữ chỉ sau một hoặc hai giờ. Thành tựu của Anders là ông đã tăng gấp đôi mật độ năng lượng trong một phân tử có thể giữ nguyên hình dạng của nó trong một trăm năm. Vấn đề duy nhất của chúng ta bây giờ là làm thế nào để nó giải phóng năng lượng trở lại. Phân tử dường như không muốn thay đổi hình dạng trở lại.”

Vì hình dạng của phân tử mới ổn định hơn nên nó có thể giữ năng lượng lâu hơn, nhưng nó cũng giúp làm việc với nó dễ dàng hơn. Có một giới hạn lý thuyết về lượng năng lượng mà một đơn vị phân tử có thể chứa, đây được gọi là mật độ năng lượng. Về mặt lý thuyết, 1 kilôgam (2.2 pound) của cái gọi là “phân tử hoàn hảo” có thể lưu trữ 1 megajoule năng lượng, nghĩa là nó có thể chứa lượng năng lượng tối đa và giải phóng nó khi cần thiết. Đây là năng lượng xấp xỉ đủ để đun nóng 3 lít (0.8 gallon) nước từ nhiệt độ phòng đến sôi. Cùng một lượng phân tử của Skov có thể làm nóng 750 ml (3.2 lít) từ nhiệt độ phòng đến sôi trong 3 phút, hoặc 15 lít (4 gallon) trong một giờ. Mặc dù các phân tử DHA/VHF không thể lưu trữ nhiều năng lượng như một “phân tử hoàn hảo”, nhưng đó là một lượng đáng kể.

Khoa học đằng sau phân tử

Hệ thống DHA/VHF bao gồm hai phân tử DHA và VHF. Phân tử DHA chịu trách nhiệm lưu trữ năng lượng mặt trời và VHF giải phóng nó. Chúng làm điều này bằng cách thay đổi hình dạng khi tiếp xúc với các kích thích bên ngoài, trong trường hợp này là ánh sáng mặt trời và sức nóng. Khi DHA tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, nó sẽ lưu trữ năng lượng mặt trời, bằng cách đó, phân tử sẽ thay đổi hình dạng của nó thành dạng VHF. Theo thời gian, VHF thu nhiệt, khi đã thu đủ nhiệt, nó sẽ trở lại dạng DHA và giải phóng năng lượng mặt trời.

Vào cuối ngày

Anders Bo Skov khá hào hứng với phân tử mới và có lý do chính đáng. Mặc dù nó chưa thể giải phóng năng lượng hoàn toàn, Skov cho biết “Khi nói đến việc lưu trữ năng lượng mặt trời, sự cạnh tranh lớn nhất của chúng tôi đến từ pin lithium-ion và lithium là một kim loại độc hại. Phân tử của tôi không giải phóng CO2 hay bất kỳ hợp chất hóa học nào khác khi đang hoạt động. Đó là 'ánh sáng mặt trời khi mất điện'. Và khi phân tử này bị hao mòn vào một ngày nào đó, nó sẽ phân hủy thành chất tạo màu cũng được tìm thấy trong hoa cúc.” Phân tử này không chỉ được sử dụng trong một quy trình thải ra ít hoặc không thải khí nhà kính trong quá trình sử dụng, mà khi cuối cùng nó phân hủy thành một hóa chất trơ được tìm thấy tự nhiên trong môi trường.