Khi nói đến năng lượng mặt trời, có lẽ người ta sẽ liên tưởng tới các tấm quang năng thu ánh sáng và chuyển hóa thành điện năng. Nhưng vẫn còn nhiều cách khác để khai thác sức mạnh của mặt trời. Hiện nay, có một cách ngày càng thu hút được nhiều sự quan tâm là năng lượng mặt trời tập trung (CSP), đây là phương pháp sử dụng gương để phản chiếu và tập trung năng lượng mặt trời.
Trước đó, CSP đã bị kìm hãm do kỹ thuật chưa phát triển và sự thiếu hụt kinh phí, cùng với đó là việc chính phủ "ưu ái" các nguồn năng lượng tái tạo khác hơn. Tuy nhiên, khi thế giới ý thức được phải thay thế nhiên liệu hóa thạch, thúc đẩy năng lượng không carbon, một số tổ chức đã được tài trợ để nghiên cứu cải tiến công nghệ.
Nhiều người cho rằng nhiệt mà các hệ thống CSP tạo ra, cùng khả năng lưu trữ sẽ là một lợi thế lớn so với các loại năng lượng tái tạo khác. Chúng có thể tạo ra lưới điện và cung cấp nhiên liệu cho các quy trình công nghiệp khác nhau.
Thay vì chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng như các tấm pin quang điện, CSP sử dụng "kính định nhật" để tập trung ánh sáng mặt trời. Từ đó, làm nóng vật liệu với nhiệt độ cực cao, tạo ra nhiệt năng.
Cách thức hoạt động
Năng lượng mặt trời tập trung không cần các tấm quang điện mà sử dụng gương để tập trung tia nắng mặt trời và thu nhiệt để tạo ra điện. Họ làm điều này bằng cách sử dụng một loạt gương cầu lõm hoặc gương parabol để tập trung ánh sáng mặt trời vào một khu vực nhỏ.
Điều này phóng đại ánh sáng mặt trời và tạo ra một vùng có nhiệt độ cực cao, được sử dụng để làm nóng môi trường lỏng (dầu hoặc muối nóng chảy). Nhiệt từ chất lỏng cực nóng tạo ra hơi nước, dẫn động tuabin và sản xuất điện. Công suất này có thể lên tới từ 250 megawatt trở lên, đủ để vận hành 90.000 ngôi nhà.
Hơi nước sau đó được làm lạnh và ngưng tụ, nước được lưu trữ và tái sử dụng. Chất lỏng được làm nóng cũng có thể được lưu trữ và sử dụng sau này để tạo ra điện theo yêu cầu, chẳng hạn như khi mặt trời không chiếu sáng. Vì CSP sử dụng năng lượng nhiệt nên nó có nhiều điểm chung với các nhà máy sử dụng nhiên liệu hóa thạch hơn là các trang trại điện mặt trời.
Lưu trữ nóng
Hầu hết các hệ thống CSP có thể tích trữ đủ nhiệt để tạo ra năng lượng từ 6 đến 12 giờ theo yêu cầu sử dụng sau này. Trong khi đó, hệ thống quang điện chỉ là 3 hoặc 4 giờ đối với pin lithium lưu trữ năng lượng.
CSP cũng có thể được sử dụng trong nhiều quy trình công nghiệp đòi hỏi nhiệt độ cao, chẳng hạn như sản xuất thép, bê tông và hóa chất. Sử dụng nhiệt từ CSP theo cách này hiệu quả hơn so với việc lấy điện từ các tấm pin mặt trời và chuyển thành nhiệt, và sạch hơn đốt nhiên liệu hóa thạch để tạo ra nhiệt.
Theo Chu Quảng Đông, nhà nghiên cứu cấp cao của chương trình Công nghệ Địa nhiệt và Năng lượng Mặt trời Tập trung tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia do liên bang tài trợ, các công ty coi CSP như một cách để giảm lượng khí thải. Điều này có thể tác động đáng kể đến môi trường. Tiến sĩ Chu cho biết: "Nhiệt công nghiệp chiếm 20% hoặc 25% tổng năng lượng tiêu thụ".
Tiến sĩ Chu nhận định CSP cuối cùng sẽ không thay thế năng lượng mặt trời quang điện mà thay vào đó sẽ bổ sung thêm. Ông nói: "Nếu muốn khử carbon trong lưới điện bằng 100% năng lượng tái tạo, thì chúng tôi cần dùng tất cả".
Còn một chặng đường dài
Hiện tại, đóng góp của CSP vào việc cung cấp năng lượng toàn cầu là rất ít. Theo Benjamin Attia, một nhà phân tích nghiên cứu trong lĩnh vực chuyển đổi năng lượng tại công ty tư vấn và nghiên cứu năng lượng Wood Mackenzie, trên thế giới có khoảng 6 gigawatt công suất CSP, với hơn 2 gigawatt ở Mỹ. Trong khi đó, công suất của năng lượng mặt trời quang điện gần đây đã vượt quá một terawatt, tương đương 1.000 gigawatt.
Các khó khăn trong kỹ thuật là một phần nguyên nhân cho sự chênh lệch đó. Quá trình biến đổi nhiệt năng thành điện năng tốn kém và kém hiệu quả hơn quang điện rất nhiều. Bên cạnh đó, các hệ thống CSP cần rất nhiều nước, đây là một vấn đề vì nơi có thể tiếp xúc tối đa với ánh sáng mặt trời thường là sa mạc hoặc những địa điểm khan hiếm nước.
Ông Attia tiết lộ rằng công nghệ mới hứa hẹn có thể giảm chi phí và làm cho CSP hiệu quả hơn, nhưng vẫn chưa có đột phá. "Chúng tôi chưa thực sự thấy bất kỳ công nghệ CSP thế hệ tiếp theo nào trong lĩnh vực này".
Một dòng đầu tư và nghiên cứu mới có thể bắt đầu thay đổi điều đó. Các sáng kiến nghiên cứu bao gồm HelioCon, một tập đoàn gồm các tổ chức chính phủ và doanh nghiệp, các 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 nhằm 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 được nung nóng đến nhiệt độ cao hơn, đem lại nhiều hiệu quả hơn trong việc sản xuất điện. Ana Ines Fernandez, giáo sư tại Khoa khoa học vật liệu và hóa lý tại Đại học Barcelona, cho biết điều cần thiết là phải tìm một vật liệu không hiếm, đắt tiền hay độc hại.
Điều này có thể giúp CSP tránh được vấn đề mà pin lithium gặp phải là dựa vào kim loại đất hiếm đòi hỏi nhiều điều kiện và phát sinh các vấn đề lao động nghiêm trọng xung quanh việc tìm nguồn cung ứng. Tiến sĩ Fernandez nói: "Chúng tôi muốn tìm kiếm những giải pháp không chỉ rẻ, mà còn bền vững nhất".
Dự án mới
Một số dự án đang khám phá các ứng dụng khác cho CSP, ngoài sản xuất điện. Synhelion SA, một công ty tách ra từ Viện Công nghệ Thụy Sĩ, dự kiến sử dụng CSP để sản xuất dầu hỏa trung tính carbon làm nhiên liệu máy bay.
Dầu hỏa trung tính carbon được tạo ra bằng cách tách nước thành hydro và oxy, sau đó kết hợp hydro với carbon dioxide. Philipp Furler, giám đốc điều hành kiêm người sáng lập công ty, cho biết Synhelion có kế hoạch sử dụng nhiệt từ CSP cho năng lượng cần thiết để sản xuất nhiên liệu và đặt mục tiêu sản xuất 700.000 tấn dầu hỏa trung tính carbon mỗi năm vào năm 2030. Con số này tương đương với khoảng một nửa mức tiêu thụ nhiên liệu máy bay của Thụy Sĩ.
CSP có lợi thế cho quá trình này. Nó hiệu quả hơn so với việc sử dụng điện để tạo ra nhiệt. Ngoài ra, để tạo ra cùng một lượng năng lượng, hệ thống CSP cần ít đất hơn hệ thống quang điện. Dung lượng lưu trữ của CSP còn có thể cung cấp nguồn điện liên tục.