Pin mặt trời song song perovskite/CIS hai đầu cuối nguyên khối với hiệu suất gần 25% - giá trị cao nhất đạt được cho đến nay đối với công nghệ này

Khám phá mới trong lĩnh vực điện mặt trời

Mục tiêu của Hiệp định Paris về biến đổi khí hậu là đạt được mức trung hòa carbon vào giữa thế kỷ XXI và hạn chế nhiệt độ toàn cầu tăng lên 1,5°C so với thời kỳ tiền công nghiệp từ nay đến năm 2030.

Theo Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA), toàn thế giới sẽ phải lắp đặt điện mặt trời với công suất gấp 4 lần so với hiện tại. Tin tốt là chi phí lắp đặt đã giảm mạnh. Theo báo cáo được công bố vào đầu năm 2022 của Ủy ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC), từ năm 2010 đến năm 2019, đơn giá lắp đặt điện mặt trời đã giảm 85%, còn điện gió giảm 55%.

Giữa bối cảnh giá nhiên liệu hóa thạch tăng cao và những lo ngại về an ninh nguồn cung năng lượng do ảnh hưởng chiến tranh Nga - Ukraine, hoạt động phát triển năng lượng tái tạo đã được thúc đẩy mạnh mẽ. Theo báo cáo của BloombergNEF, đầu tư toàn cầu vào các dự án điện mặt trời đã tăng 33% trong nửa đầu năm 2022, tăng 120 tỉ USD so với năm 2021. Còn trong lĩnh vực điện gió, đầu tư đã tăng 16%, lên 84 tỉ USD. Tháng 8-2022, Giám đốc Quỹ khí hậu châu Âu (EFC) Laurence Tubiana nhận định: “Khả năng điện mặt trời sẽ chiếm một nửa lượng điện trên thế giới vào giữa thế kỷ này, do tiềm năng lớn của nguồn điện tái tạo này”.

Hiệu ứng quang điện - một quá trình sản xuất điện từ bức xạ mặt trời - đã được nhà vật lý người Pháp Edmond Becquerel phát hiện vào năm 1839. Vào những năm 50 của thế kỷ XX, Mỹ đã phát triển những tế bào quang điện đầu tiên, có cấu tạo từ silicon. Nhưng ngày nay, phần lớn các tấm pin mặt trời được sản xuất ở Trung Quốc. Theo IEA, các tế bào quang điện mới trên thị trường có khả năng chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng hiệu quả hơn 20% so với 5 năm trước, nhờ vào các vật liệu mới.

Trong số các cải tiến có pin mặt trời sử dụng perovskite (tên một loại quặng gồm canxi, titan và oxy). Nhà khoáng vật học người Nga Lev Perovski đã phát hiện loại vật liệu này vào thế kỷ XIX. Giá thành chất liệu này rẻ hơn tấm pin silicon và tấm màng mỏng có thể lắp đặt được trên tất cả các loại bề mặt. Theo các chuyên gia, khám phá này có thể cách mạng hóa lĩnh vực điện mặt trời bằng cách tăng số lượng điểm có thể sản xuất điện mặt trời. Trong tương lai, tấm pin thế hệ mới này có thời gian xuống cấp chậm hơn và có tuổi thọ ít nhất là 20 năm so với thế hệ hiện tại.

Những phát minh mới về năng lượng

Những nghiên cứu gần đây cho thấy đó là điều khả thi. Trên Tạp chí Science tháng 4-2022, các nhà khoa học báo cáo đã thành công trong việc chế tạo các tấm pin perovskite hiệu quả hơn tấm pin silicon. Một nghiên cứu khác được công bố trên Tạp chí Nature cho biết, chất perovskite được sử dụng để gia tăng quá trình chuyển đổi năng lượng từ dải phổ bức xạ mặt trời. Cụ thể, tinh thể perovskite dùng để chuyển đổi tia hồng ngoại và một vật liệu khác có hàm lượng carbon cao dùng chuyển đổi cho tia cực tím.

Như vậy chỉ còn lại vấn đề năng lượng vào ban đêm, khi không còn bức xạ mặt trời. Mới đây, các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Stanford đã sản xuất thành công một loại pin có thể tạo ra năng lượng vào ban đêm bằng cách sử dụng nhiệt do trái đất tạo ra. Ron Schoff, người đứng đầu mảng nghiên cứu năng lượng tái tạo tại Viện Nghiên cứu điện (EPRI - đặt trụ sở tại Mỹ), cho biết, có rất nhiều sáng tạo trong ngành công nghiệp này. Theo ông, một trong những giải pháp cho vấn đề gia tăng sử dụng đất để xây dựng trang trại điện mặt trời sẽ được giải quyết bằng các tấm pin hai mặt nhằm sản xuất điện từ cả ánh sáng mặt trời và ánh sáng phản chiếu từ mặt đất.

Giải pháp khác bao gồm các dự án phát triển nông điện, tức là sử dụng đất để vừa lắp đặt tấm pin bán trong suốt, vừa trồng trọt các loại cây. Tại Ấn Độ, các tấm pin đã được lắp đặt trên các kênh đào từ một thập niên trở lại đây, giúp tạo ra điện và giảm lượng bốc hơi.

Theo các chuyên gia, người tiêu dùng cũng có thể góp phần tạo ra giải pháp hữu hiệu bằng cách thay đổi giờ giấc tiêu thụ điện hoặc bằng cách hợp tác với nhau qua mô hình doanh nghiệp mạng lưới Airbnb (mạng lưới kết nối với người cần đặt phòng, thuê nhà, thuê phòng nghỉ dưỡng với người có phòng cho thuê).

Dự án sử dụng CO2 để sưởi ấm và làm mát đang được triển khai trong giai đoạn thử nghiệm tại 3 tòa nhà trong khuôn viên Viện Campus Energypolis, Trường Đại học Bách khoa Liên bang Thụy Sĩ (Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne - EPFL)

Sử dụng CO2 để sưởi ấm và làm mát

Trong những năm gần đây, bên cạnh những nỗ lực chuyển dịch năng lượng của chính phủ, các nhà khoa học cũng bỏ không ít công sức để tìm ra những giải pháp tiêu thụ năng lượng đơn giản hơn và ít tốn kém hơn.

Viện Nghiên cứu Campus Energypolis (vùng Sion, Thụy Sĩ) vừa công bố một cải tiến mới trong công nghệ thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (Carbon Capture, Utilization and Storage - CCUS). Cải tiến này sẽ cho phép thu giữ CO2 có trong không khí để sưởi ấm và làm lạnh theo nhu cầu.

Khi khí CO2 bị ngưng tụ và chuyển sang trạng thái lỏng, nó sẽ giải phóng nhiệt. Như vậy, CO2 lỏng có thể được tích hợp vào mạng lưới phân phối nhiệt, ví dụ như hệ thống sưởi ấm bể bơi. Ngược lại, CO2 lỏng cần hấp thụ nhiệt để bay hơi, phù hợp cho mục đích làm lạnh. Đây là nghiên cứu phối hợp giữa Viện Campus Energypolis, Trường Đại học Bách khoa Liên bang Thụy Sĩ (Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne - EPFL) với công ty khởi nghiệp ExerGO và các công ty địa phương Zero-C và Oiken. Hệ thống sản xuất năng lượng này được gọi là “mạng lưới CO2”, có thể hoạt động với nước như một chất dẫn nhiệt. Về cơ bản, một mạng lưới dùng sự thay đổi nhiệt độ của nước để tạo năng lượng cho các bộ phận khác. Tuy nhiên, nghiên cứu cho rằng sử dụng CO2 sẽ giúp tiết kiệm năng lượng hơn.

Ông Jessen Page, một trong những người tham gia dự án, giải thích: “Với mỗi ki-lô-gam CO2 bay hơi và ngưng tụ, ta có thể sản xuất năng lượng cao gấp 10 lần so với một mạng lưới nước. Lượng năng lượng này có thể làm tăng hoặc giảm đến 3 độ”. Chi phí phát triển giải pháp này là 4 triệu USD. Hiện nay, dự án đang được triển khai trong giai đoạn thử nghiệm tại 3 tòa nhà trong khuôn viên Energypolis. Các nhà chức trách Thụy Sĩ cho các nhà nghiên cứu thời hạn 1 năm để chứng minh độ hiệu quả của giải pháp này, đồng thời xem xét liệu dự án có đủ khả năng đóng góp nhiều hơn vào quá trình chuyển dịch năng lượng. Ở giai đoạn thử nghiệm, dự án cần tạo ra được 500 kW năng lượng.

Viện Nghiên cứu Campus Energypolis (vùng Sion, Thụy Sĩ) vừa công bố một cải tiến mới trong công nghệ thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS). Cải tiến này sẽ cho phép thu giữ CO2 có trong không khí để sưởi ấm và làm lạnh theo nhu cầu.

Ngoài ra, các mạng lưới cần thiết cho việc vận chuyển CO2 yêu cầu sử dụng đường ống làm từ chất liệu nhẹ và dễ tiếp cận hơn so với đường ống dẫn nước. Ông Jessen Page giải thích thêm: “Đó là điều tạo nên sự khác biệt. Chi phí lắp đặt thấp hơn nhiều. Chúng ta không cần phải phá đường hoặc mặt tiền để lắp đặt”. Giám đốc công ty khởi nghiệp ExerGO Alberto Mian cho biết thêm: “Mọi thiết bị và chất liệu đã có sẵn trên thị trường. Chúng ta hoàn toàn có thể cho lắp đặt ngay lập tức”.

Về mặt chi phí, các nhà khoa học dự tính, nếu thực hiện tiết kiệm mỗi năm, công trình này sẽ sinh lợi nhuận sau 6 năm. Trong khi đó, một đường ống dẫn khí cần nhiều thời gian hơn để sinh lãi. Theo các nhà khoa học, mạng lưới CO2 có thể giúp xây dựng một thành phố tương lai hoàn toàn tự cung về điện. Nếu thành công, dự án này sẽ giúp phát triển các cơ sở hạ tầng năng lượng khác và giảm thiểu nhu cầu sử dụng khí đốt tự nhiên.

Nhóm các nhà khoa học - những người đã phát triển “Phương tiện dưới nước vận hành từ xa” (ROV) tại Đại học Heriot-Watt (Scotland) - khẳng định, thiết bị ROV sẽ tạo đột phá trong ngành công nghiệp điện gió.

Cuộc cách mạng của điện gió ngoài khơi

Trong một bể tạo sóng của phòng thí nghiệm ở Edinburgh, các kỹ sư tập trung quan sát hoạt động của một chiếc máy không người lái dưới nước. Chẳng bao lâu nữa, thiết bị sẽ có thể đi ra khơi để giúp bảo trì các trang trại điện gió. Đây sẽ là một cuộc cách mạng nhỏ cho một lĩnh vực đang bùng nổ.

Chính phủ Vương quốc Anh đã đề xuất kế hoạch đầy tham vọng để phát triển năng lượng gió và giảm lượng khí thải CO2. Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng và xung đột Nga - Ukraine, đầu tư càng được đẩy mạnh thêm. Do vậy, dự án này mang tính quan trọng cao.

Nhóm các nhà khoa học - những người đã phát triển “Phương tiện dưới nước vận hành từ xa” (ROV) tại Đại học Heriot-Watt (Scotland) - khẳng định, thiết bị này sẽ tạo đột phá trong ngành công nghiệp điện gió. Yvan Petillot - giáo sư chuyên về chế tạo robot - cho biết, ROV sẽ thực hiện các hoạt động kiểm tra và bảo dưỡng tại các trang trại điện gió ngoài khơi. Đây là những nhiệm vụ đòi hỏi thợ lặn, nhiều rủi ro và tốn kém. Với thiết bị này, hoạt động bảo trì sẽ được đáp ứng cho hàng nghìn turbine sắp xuất hiện ngoài khơi trong 10-15 năm tới và cả hệ thống chuỗi sản xuất hydrogen.

Vào tháng 5-2022, chiếc máy không người lái dưới nước được trang bị cảm biến đã tiến hành cuộc kiểm tra đầu tiên tại một trang trại gió ngoài khơi. Thước phim quay được sẽ giúp các nhà khoa học nghiên cứu tình trạng của nền móng turbine và dây cáp ngầm. Ngoài ra, thiết bị cũng đã tái tạo một bản mô hình 3D của phần nền móng chìm ngập nước, cho thấy độ tích tụ của các vi sinh vật, thực vật và tảo trên các turbine.

Nếu phát hiện vấn đề, ROV có thể được triển khai để sửa chữa. Giáo sư Yvan Petillot giải thích: “Trước tiên, hệ thống sẽ tự động thực hiện một cuộc kiểm tra đáy biển và cấu trúc địa hình, đồng thời xây dựng một mô hình 3D, giúp đội nghiên cứu trên đất liền phát hiện được ngay vấn đề. Theo quy trình, nếu phát hiện dấu hiệu ăn mòn, chúng ta phải vặn van, nối cáp, thay cực dương hoặc làm sạch bề mặt”.

Phương tiện dưới nước vận hành từ xa (ROV) do Đại học Heriot-Watt (Scotland) phát minh

Hiện thiết bị ROV cần được thử nghiệm kỹ càng hơn về mảng ước tính thời gian cần thiết để kiểm tra toàn bộ trang trại điện gió ngoài khơi. Ông Maxime Duchet - kỹ sư của Tập đoàn Điện lực Pháp - cho biết thêm: “Những kết quả ban đầu cho thấy công nghệ có thể bảo đảm các hoạt động an toàn hơn, tốc độ triển khai cũng nhanh hơn, phát thải carbon ít hơn”. Các kỹ sư cho biết, thiết bị ROV có thể tự hoạt động trong hầu hết thời gian, bất kỳ ai cũng có thể điều khiển.

Nguồn:Những phát minh mới về năng lượng