Tích trữ và chuyển hóa năng lượng hấp thụ bằng MOF

15/04/2014

Các nhà nghiên cứu từ Liên minh năng lượng Fraunhofer thiết kế các vật liệu và công nghệ mới để làm mát, sưởi ấm hay sử dụng trong các quy trình công nghiệp, với cách thức sử dụng nhiệt năng có hiệu quả hơn

Ở nhiều nước công nghiệp phát triển, các tòa nhà cao tầng thường có mặt tiền ốp kính và các tòa nhà chọc trời làm bằng bê tông và sắt thép. Nhược điểm của các cấu trúc này là chúng thường rất nóng vào mùa hè, vì vậy cần đến các hệ thống điều hòa không khí phức tạp và tốn kém. Và các hệ thống này đã ngốn hết khoảng 14% lượng năng lượng tiêu thụ hàng năm tại Đức. Các chuyên gia nhận định rằng tổng nhu cầu làm mát trong các tòa nhà sẽ tăng gấp ba lần vào năm 2020.

Zeolit là khoáng chất tinh thể có cấu trúc xốp có thể hấp phụ các chất khác

Làm mát và sưởi ấm sử dụng khung hữu cơ kim loại

Các hệ thống làm mát bằng nhiệt có thể thay thế cho hệ thống điều hòa truyền thống. Các hệ thống này sử dụng sự bay hơi của chất lỏng như nước ở áp suất thấp để loại bỏ hơi nóng từ môi trường - một phương pháp làm mát tiết kiệm năng lượng.

Các nhà nghiên cứu thuộc Viện các hệ thống năng lượng mặt trời Fraunhofer (ISE) tại Freiburg đang nghiên cứu các chất hấp thụ mới có thể tích trữ một lượng hơi nước đặc biệt lớn. Để triển khai vật liệu này, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng vật liệu khung hữu cơ kim loại (Metal organic frameworks - MOF).

"Loại vật liệu này là có độ xốp cao và có thể hấp thụ lượng nước lớn hơn gấp 1,4 lần trọng lượng của nó", theo Tiến sĩ Stefan Henniger thuộc Fraunhofer ISE cho biết.

MOF còn có thể sử dụng trong các máy bơm nhiệt chạy bằng nhiệt. Trong khi các máy bơm nhiệt chạy điện sử dụng một máy nén chạy điện, thì trong loại máy bơm mới này, vật liệu hấp phụ thực hiện vai trò của một "máy nén nhiệt" trong khi nước đóng vai trò chất làm mát. Chất làm mát dạng khí được hấp thụ bởi các chất hấp thụ, vì thế chuyển khỏi pha khí. Lượng nhiệt sinh ra từ quá trình hấp thụ diễn ra ở phần rỗng bên trong vật liệu được truyền ra ngoài bằng một bộ chuyển nhiệt và có thể sử dụng để làm nóng (hoặc sưởi ấm). Để chức năng này hoạt động, chất hấp thụ cần được áp lên bề mặt của bộ chuyển đổi nhiệt theo cách để làm sao cho chất làm mát bay hơi liên tục cho đến khi chất hấp thụ bão hòa. Khi đã đạt đến dung tích hấp thụ tối đa, nhiệt phát sinh được sử dụng để làm bay hơi hết dung dịch làm mát tích trữ và khiến nó chuyển sang dạng lỏng. Nhiệt ngưng tụ giải phóng ra trong quá trình này cũng có thể được sử dụng để sưởi ấm.

Để tận dụng đầy đủ tiềm năng của MOF, điều quan trọng là không chỉ có hơi nước cần dễ dàng thấm vào các bề mặt và các lỗ rỗng bên trong vật liệu mà sự truyền nhiệt ra khỏi vật liệu cũng cần đạt hiệu quả cao. Để hỗ trợ quá trình này, các nhà nghiên cứu thuộc Fraunhofer ISE đã triển khai một kỹ thuật bao phủ mới. Phương pháp này cho phép các chất hấp thụ mới có thể được áp dụng đối với các thiết bị như bộ trao đổi nhiệt mà không gây cản trở nhiệt và chuyển khối. Công tình nghiên cứu nhận được sự tài trợ của Bộ các vấn đề kinh tế và năng lượng Liên bang Đức.

Nhiệt năng từ quá trình tích trữ

Các cơ sở công nghiệp, các nhà máy điện và khí sinh học tất cả đều sử dụng các quá trình trong đó nhiệt chủ yếu là một sản phẩm thải. Hiện nay, năng lượng nhiệt này hầu như không được sử dụng, đó là điều mà các nhà khoa học thuộc Viện Kỹ thuật và Công nghệ sinh học giao diện (IGB) Fraunhofer tại Stuttgart muốn thay đổi. Họ đang nghiên cứu để triển khai và tối ưu hóa các hệ thống tích trữ nhiệt zeolit.

Zeolit là những khoáng chất tinh thể có cấu trúc xốp có thể hấp phụ các chất khác như nước. Diện tích bề mặt bên trong của chúng có thể rộng đến 1000 m2/g. Khi zeolit tiếp xúc với hơi nước, nó liên kết các phân tử nước bên trong các lỗ xốp và giải phóng nhiệt trong quá trình này. Việc làm khô vật liệu này là một cách để trữ nhiệt, lượng năng lượng mà nó tích trữ được giải phóng dưới dạng nhiệt ngay khi hơi nước được hấp thụ lại. Các chuyên gia thuộc IGB Fraunhofer hiện đang triển khai công nghệ sử dụng phương pháp tích trữ nhiệt này.

Các hệ thống tích trữ nhiệt nhiệt hóa dựa trên sự kết hợp zeolit và nước có khả năng tích lũy đến 180 kWh/m3 phụ thuộc vào nhiệt độ nạp và ứng dụng. Trong khi, các hệ thống lưu trữ năng lượng nước nóng truyền thống thường có mật độ năng lượng thấp hơn 60 kWh/m3. Tuy nhiên, các thiết bị tích trữ nhiệt dùng chất hấp thụ zeolit hiện đang ở giai đoạn phát triển nên có giá tương đối đắt. Hiện nay các nhà nghiên cứu đang xúc tiến để công nghệ này sớm được đưa vào ứng dụng trong ngành công nghiệp.

Theo Nanowerk News

Tích trữ và chuyển hóa năng lượng hấp thụ bằng MOF

Thông báo nhận hồ sơ các Giải thưởng hiệu quả năng lượng năm 2024

Điện khí hóa lò cao tiết kiệm năng lượng trong sản xuất thép

Bản quyền thuộc Vụ Tiết kiệm năng lượng và Phát triển bền vững, Bộ Công Thương