Máy bơm nhiệt đang ngày càng được sử dụng phổ biến trong các hộ gia đình. Tuy nhiên, việc lưu trữ lượng nhiệt mà chúng tạo ra trước đây vẫn chưa khả thi – cho đến thời điểm hiện tại. Các nhà nghiên cứu từ Viện SINTEF (Na Uy) và công ty COWA Thermal Solutions của Thụy Sĩ đang hợp tác để phát triển một giải pháp mới.

“Có thể hình dung đây như một pin nhiệt, dùng để lưu trữ nhiệt từ máy bơm nhiệt và sử dụng vào thời điểm khác. Trên thực tế, điều này giúp con người khai thác được nhiều năng lượng hơn từ lượng nhiệt đã tích trữ, việc sử dụng trở nên thuận tiện, thoải mái hơn và năng lượng cũng được dùng một cách thông minh hơn”, bà Galina Simonsen, nhà nghiên cứu cao cấp tại SINTEF, cho biết.

Bà Simonsen là thành viên của nhóm đã phát triển loại pin nhiệt mới này.

“Pin nhiệt có hiệu suất cao, khả năng nạp và xả nhiệt nhanh, giúp dễ dàng đáp ứng nhu cầu sử dụng, chẳng hạn như khi nhiều người tắm liên tiếp hoặc khi cần nước nóng vào buổi sáng sớm trong những ngày lạnh”, bà Simonsen nói thêm.

Giải pháp này cũng giúp tiết kiệm chi phí, bởi nó cho phép lưu trữ lượng nhiệt dư thừa vào thời điểm điện rẻ hoặc được sản xuất theo cách thân thiện với môi trường, sau đó sử dụng khi nhu cầu nhiệt tăng lên.

Các nhà nghiên cứu Martin Fossen và Galina Simonsen đứng trước hệ thống có khả năng lưu trữ lượng nhiệt dư thừa từ máy bơm nhiệt. Ảnh: Silje Grytli Tveten.

Đặc tính nằm ở muối hydrat

Máy bơm nhiệt khai thác năng lượng từ môi trường xung quanh – không khí, đất hoặc nước – rồi đưa nhiệt vào bên trong ngôi nhà.

Tuy nhiên, trong các hộ gia đình và công trình, nhu cầu nhiệt luôn biến động theo thói quen sử dụng, thời điểm trong ngày, nhiệt độ ngoài trời và điều kiện thời tiết. Nhóm nghiên cứu đã tìm cách giải quyết những biến động này một cách thông minh hơn.

“Một máy bơm nhiệt vận hành liên tục sẽ rất tốn kém, tiêu thụ nhiều năng lượng và có thể gây quá tải lưới điện. Với các pin nhiệt mới, máy bơm nhiệt có thể kết hợp giữa lưu trữ và phân phối nhiệt một cách thông minh”, bà Simonsen cho biết.

Giải pháp tiên phong cho hộ gia đình

Nhóm nghiên cứu của SINTEF đã phối hợp chặt chẽ với công ty COWA Thermal Solutions để phát triển giải pháp này. Mặc dù công nghệ lưu trữ nhiệt đã tồn tại, nhưng đây là một trong những nhóm đầu tiên tạo ra được giải pháp đủ hiệu quả để phù hợp với các hộ gia đình.

Bí quyết nằm ở sự kết hợp giữa các giải pháp kỹ thuật và một loại vật liệu gọi là muối hydrat.

“Khác với muối ăn thông thường, muối hydrat có khả năng giữ nước trong cấu trúc của mình và thể hiện những đặc tính rất đặc biệt khi tiếp xúc với nhiệt”, bà Simonsen giải thích.

Những vật liệu có khả năng chuyển đổi trạng thái vật lý từ rắn sang lỏng và ngược lại được xếp vào nhóm vật liệu chuyển pha (phase change materials).

“Có thể hình dung pin nhiệt như một miếng bọt biển: khi được đun nóng đến một nhiệt độ nhất định, chúng chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng và lưu trữ nhiệt. Khi nguội đi, chúng trở lại trạng thái rắn và giải phóng nhiệt”, bà Simonsen cho biết.

“Chúng có thể lưu trữ nhiều năng lượng nhiệt hơn nước và giữ nhiệt lâu hơn, ngay cả khi nhiệt độ không thay đổi quá nhiều.”

Nói cách khác, lượng nhiệt nhiều hơn và nhiệt độ ổn định hơn.

Giải pháp tiết kiệm không gian

Nhờ muối hydrat, các hệ thống sưởi thông minh và cân bằng hơn có thể được triển khai, bởi hoạt động sưởi ấm có thể chuyển sang những thời điểm nhu cầu năng lượng thấp.

“Muối hydrat không độc hại, không dễ cháy và có chi phí tương đối thấp. Điều này khiến chúng trở thành lựa chọn an toàn và phù hợp cho các hộ gia đình. Hệ thống lưu trữ nhiệt bằng muối hydrat cũng chiếm ít không gian hơn nhiều so với bình nước nóng truyền thống, thường nhỏ hơn tới bốn lần”, bà Simonsen cho biết.

Về dự án Sure2Coat

Công trình được thực hiện trong khuôn khổ dự án Sure2Coat do Liên minh châu Âu tài trợ, với sự hợp tác chặt chẽ giữa COWA Thermal Solutions và các đối tác nghiên cứu. COWA tập trung phát triển và cải tiến muối hydrat bằng các phụ gia mới nhằm đảm bảo vật liệu ổn định và hoạt động bền bỉ trong nhiều thập kỷ. SINTEF đảm nhiệm việc nâng cao hiệu suất của pin nhiệt.

Các hệ thống truyền thống thường có hiệu suất thấp và mất nhiều thời gian để tích nhiệt và cung cấp nhiệt cho ngôi nhà. Nhờ sử dụng các cánh tản nhiệt mỏng, nhóm nghiên cứu đã nâng hiệu suất pin nhiệt từ 65% lên 85%. Đồng thời, thời gian nạp nhiệt giảm hơn 70% và thời gian giải phóng nhiệt giảm trên 80%.

Dự án Sure2Coat là sự hợp tác giữa 14 đối tác công nghiệp và nghiên cứu đến từ 7 quốc gia châu Âu, tập trung phát triển và ứng dụng các phương pháp xử lý bề mặt và phủ vật liệu cho nhiều loại kim loại khác nhau, với ba lĩnh vực ứng dụng chính gồm hộp số, thiết bị gia nhiệt khí – nước và lưu trữ nhiệt tiềm ẩn.

Thông qua dự án, người dùng cuối có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng, vật liệu, phát thải CO₂ và ô nhiễm từ sản xuất, qua đó đóng góp tích cực cho chiến lược tăng trưởng của EU.

Sử dụng nhôm tái chế

Nhiệm vụ của SINTEF trong dự án là cải thiện hiệu suất lưu trữ và giải phóng nhiệt của pin.

“Cụ thể, chúng tôi đã thiết kế và thử nghiệm một loại bộ tản nhiệt giúp tăng cường khả năng truyền nhiệt trong pin nhiệt”, bà Simonsen cho biết.

Các cánh tản nhiệt là những cấu trúc kim loại mỏng làm từ nhôm tái chế – vật liệu dẫn nhiệt hiệu quả, giúp nhiệt được phân bố nhanh và đồng đều trong muối hydrat.

“Nhôm có trọng lượng nhẹ, dẫn nhiệt tốt và dễ tạo hình. Việc sử dụng nhôm tái chế cũng giúp giảm chi phí, giảm tác động môi trường và thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn.”

Tuy nhiên, nhôm tái chế cũng đi kèm thách thức, do có thể chứa tạp chất khiến vật liệu dễ bị ăn mòn hơn.

“Ăn mòn đặc biệt nghiêm trọng vì muối hydrat có tính ăn mòn cao đối với nhôm, nhất là khi có tạp chất. Nếu không được bảo vệ, các cánh tản nhiệt sẽ xuống cấp theo thời gian, làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của toàn bộ hệ thống”, bà Simonsen giải thích.

Để khắc phục, nhóm nghiên cứu đã áp dụng công nghệ phủ oxy hóa điện phân plasma (PEO), tạo ra một lớp phủ gốm mỏng trên bề mặt nhôm.

“Lớp phủ này tương tự như lớp chống dính trên chảo, có độ bền cao và khả năng chống ăn mòn rất tốt”, bà cho biết.

Silje Grytli Tveten