Gần ba phần tư, tương đương gần 70% năng lượng do nhân loại sản xuất ra bị lãng phí thành nhiệt thải và đây cũng là nguồn năng lượng lớn nhất trên trái đất tính đến thời điểm hiện nay. Các doanh nghiệp lớn, các đơn vị vận hành công nghệ cao và các quốc gia đang nỗ lực tìm kiếm giải pháp công nghệ nhằm tái sử dụng nguồn năng lượng khổng lồ này.
Có thể bạn sẽ thấy chẳng có mối liên quan nào giữa “facebook” và “không khí nóng” cả nhưng không lâu nữa, Facebook sẽ tận dụng không khí nóng từ một trong những trung tâm dữ liệu của nó thải ra để sử dụng vào mục đích hữu ích cho môi trường. Trung tâm đó dự kiến mở tại Odense, Đan Mạch vào năm 2020 và nhiệt lượng từ nó có thể sưởi ấm cho gần 7.000 ngôi nhà.
Nhiệt thải hiện diện khắp nơi, trong mỗi động cơ, cỗ máy hay bất cứ công việc nào được thực hiện…, tất cả đều sinh nhiệt. Tuy nhiên, chúng lại đang lan tỏa vào khí quyển một cách lãng phí.
“Đây là nguồn năng lượng lớn nhất hành tinh”, Joseph King, một trong những Giám đốc Chương trình thuộc Dự án Nghiên cứu Cao cấp của Chính phủ Mỹ (ARPA-E) xác nhận. Bắt đầu hoạt động vào năm 2009, ARPA hướng đến tài trợ cho các dự án công nghệ rủi ro cao nhưng có lợi ích tiềm năng lớn. Một trong những nhiệm vụ chính của ARPA-E là thúc đẩy hiệu quả năng lượng, đồng nghĩa với việc tránh tạo ra quá nhiều nhiệt thải ở đầu nguồn và tận dụng tối đa sức nóng ở đó. ARPA-E đã tài trợ cho một loạt dự án cải tiến trong lĩnh vực này, bao gồm 3,5 triệu USD cho Dự án RedWave Energy nhằm thu nhiệt thải ở nhiệt độ thấp từ những nơi như nhà máy điện sử dụng ăng-ten thu nhỏ tiên tiến.
Vấn đề không phải là quá nhiều nhiệt thải trực tiếp làm ấm bầu khí quyển – nhiệt chúng ta đổ vào không khí chỉ chiếm 1% biến đổi khí hậu – mà đó là sự lãng phí. Nếu năng lượng ở đó thì chúng ta nên sử dụng.
Kỹ sư Majid Bahrami thuộc Đại học Simon Fraser cho biết lâu nay không mấy ai bận tâm về việc đó. “Thái độ thường thấy của mọi người là môi trường có thể gánh được loại chất thải vô hình này, chúng ta còn có bao nhiêu việc khác phải lo lắng. Tuy nhiên, giờ là lúc chúng ta phải tận dụng năng lượng hiệu quả hơn”, anh nói.
Nhu cầu năng lượng toàn cầu đang bùng nổ, dự báo sẽ tăng gần 30% vào năm 2040. Do vậy, khi thực hiện một việc gì đó, mỗi chút nhiệt thải được tái chế thành năng lượng sẽ giúp tiết kiệm thêm một lượng nhiên liệu, thường là nhiên liệu hóa thạch. Thật khó để tính toán chi li các con số về năng lượng tiết kiệm dự kiến nhưng tiềm năng là rất lớn. Một nghiên cứu cho thấy rằng một nước cần nhiều nhiệt lượng như Vương quốc Anh có thể bớt đi 10 triệu tấn khí thải CO2 hàng năm (khoảng 2% tổng lượng toàn quốc) chỉ bằng cách chuyển nhiệt thải từ một số nhà máy điện lớn nhất sang sưởi ấm nhà cửa và văn phòng. Và điều này có thể đạt được mà không cần sử dụng tới bất cứ giải pháp công nghệ cao nào.
Để giúp giảm lượng khí thải carbon – chưa kể đến việc có thể tiết kiệm tiền và giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu nhiên liệu nước ngoài – các chính phủ ngày càng thúc đẩy chính sách khuyến khích sử dụng nhiệt thải nhiều hơn, các doanh nghiệp lớn như IBM đang tìm tòi những công nghệ tiên tiến, các công ty khởi nghiệp cũng đang đua nhau bán công nghệ biến nhiệt ấm thành điện năng hữu ích.
Trong hơn một thế kỷ, nhiệt thải đã được sử dụng vào việc dễ nhận thấy nhất: sưởi ấm (hãy nghĩ về chiếc ô tô của bạn, nhiệt thải từ động cơ đã được sử dụng để sưởi ấm cho bên trong chiếc xe). Năm 1882, khi Thomas Edison xây dựng nhà máy điện thương mại đầu tiên trên thế giới ở Manhattan, ông đã bán hơi nước cho các tòa nhà gần đó để sưởi ấm. Đồng phát điện và nhiệt hữu ích như thế thật hiệu quả. Ngày nay, tại Hoa Kỳ, hầu hết các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch đạt hiệu suất khoảng 33% trong khi các nhà máy đa phát (kết hợp sản xuất nhiệt lượng và điện năng, gọi tắt là CHP) thường đạt hiệu suất từ 60 đến 80%.
Có vẻ như việc đồng phát là rất dễ dàng nhưng nên nhớ rằng nhiệt khó truyền tải hơn điện – tổn thất do đường ống là rất lớn – và không phải lúc nào cũng có sẵn thị trường mua nhiệt lượng ở ngay bên cạnh một nhà máy điện hoặc cơ sở công nghiệp. Ngày nay, chỉ có khoảng 10% nhà máy phát điện ở Mỹ sản xuất cả điện và nhiệt hữu ích, Bộ Năng lượng có một chương trình cụ thể để khuyến khích CHP và cho rằng mục tiêu đạt được mức 20% vào năm 2030 là hợp lý.
Tình hình ở các quốc gia khác thuận lợi hơn nhờ vào hạ tầng sưởi ấm sẵn có ở cấp cơ sở, thường sử dụng nhiệt được sản xuất tại chỗ để đưa nước nóng vào các căn nhà. Đan Mạch là nước dẫn đầu. Nhằm đối phó với cuộc khủng hoảng dầu mỏ những năm 1970, nước này đã bắt đầu chuyển hướng sang các nguồn năng lượng khác, bao gồm cả năng lượng sinh khối để sưởi ấm các khu vực. Kết quả là Đan Mạch có được một loạt dự án tiên tiến thu hồi nhiệt thải bổ sung vào các hệ thống hiện có, bao gồm cả trung tâm dữ liệu sắp khai trương của Facebook. Thêm một ví dụ là năm 2010, đài hóa thân ở Aalborg cũng bắt đầu sử dụng nhiệt thải tại chỗ để sưởi ấm nhà cửa sau khi Hội đồng Đạo đức Đan Mạch đánh giá điều đó hợp đạo đức.
Các nước khác hiện cũng đang tham gia cuộc chơi. Tại Cologne, Đức, sức nóng của nước thải được dùng để sưởi ấm một vài trường học. Ở London, nhiệt lượng từ hệ thống đường sắt dưới lòng đất đang được phân luồng để sưởi ấm nhà cửa ở Islington. Trung tâm dữ liệu của IBM ở Thụy Sĩ đang được sử dụng để sưởi ấm một hồ bơi gần đó.
“Các trung tâm dữ liệu mọc lên liên tục nên có tiềm năng rất lớn”, Tanja Groth, Trưởng bộ phận năng lượng và kinh tế của Carbon Trust, tổ chức phi lợi nhuận của Anh hướng tới mục tiêu giảm phát thải các bon, khẳng định.
Groth cũng đưa ra một lựa chọn thay thế là biến nhiệt thải thành điện năng dễ truyền tải hơn. Trong khi nhiều nhà máy điện đã làm điều đó, các nhà quản lý an ninh năng lượng lại muốn thúc đẩy ý tưởng này với các nhà sản xuất điện độc lập, chẳng hạn như các công ty sản xuất lớn. Các doanh nghiệp tự sản xuất ra năng lượng của mình sẽ giảm bớt lượng khí thải carbon bằng cách tận dụng nhiệt thải để lấy thêm lượng điện cần thiết thay vì mua từ lưới điện.
Đã xuất hiện nhiều công ty thực hiện điều này. Một trong những công ty lớn nhất, Turboden, có trụ sở tại Brescia, Italy đang bán một hệ thống cơ khí hoạt động theo chu trình Rankine hữu cơ – một loại động cơ đốt ngoài vốn thịnh hành từ trước khi động cơ đốt trong được sử dụng trong xe hơi. Động cơ Rankine và các công nghệ tương tự bao gồm hệ thống chất lỏng (có thể sử dụng khí gas) với chu trình khép kín, hoạt động nhờ vào sự chênh lệch nhiệt độ ở bên ngoài hệ thống, vì vậy động cơ sẽ phát điện thay vì phát ra nhiệt thải. Khi một nhà máy xi măng ở Bavaria thêm một động cơ Rankine vào hệ thống từ một thập kỷ trước thì đã giảm được 12% nhu cầu điện năng và khoảng 7.000 tấn khí thải CO2.
Turboden tiết lộ từ năm 2010, họ đã bán được hệ thống thu hồi nhiệt thải cho 28 nhà máy sản xuất, cộng thêm 7 nhà máy đang được xây dựng. Tuy nhiên, Turboden chỉ là một trong nhiều công ty thuộc lĩnh vực này. Chẳng hạn Công ty Climeon có trụ sở tại Thụy Điển sử dụng một kỹ thuật khác nhưng có công năng tương tự để sản xuất ra động cơ tận dụng nhiệt hiệu quả có thể dùng cho bất kỳ ngành công nghiệp nào, từ nhà máy xi măng đến nhà máy thép để tái chế nhiệt thải.
Nhiệt thải là một bài toán phức tạp, đòi hỏi một loạt các cải tiến để giải quyết các lát cắt khác nhau của vấn đề. Chẳng hạn một hệ thống hoạt động với dải nhiệt độ này có thể không hoạt động ở dải nhiệt khác hoặc một số dòng nhiệt thải bị nhiễm chất ăn mòn.
“Chúng tôi không tìm kiếm giải pháp hoàn hảo”, Bahrami giãi bày, “có rất nhiều cách khác nhau có thể thực hiện được và nên được thực hiện”.
Anh và cộng sự hiện đang nghiên cứu các hệ thống ở thể rắn để thu hồi nhiệt thải mà không cần tới các bộ phận chuyển động, về mặt lý thuyết, hệ thống như vậy sẽ nhỏ hơn và mạnh hơn động cơ cơ khí. Có rất nhiều cách để làm điều này, dựa trên các bit vật lý như nhiệt âm, nhiệt điện tử, nhiệt quang điện và nhiều cách nữa, mỗi cách lại có những ưu nhược điểm khác nhau xét trên các tiêu chí về hiệu quả, chi phí và sự phù hợp.
Lane Martin, nhà vật chất học thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkele, Đại học California cho biết “nhiệt điện trở thành nhân tố chính trong lĩnh vực năng lượng suốt nhiều năm qua”. Seiko trình làng chiếc “đồng hồ nhiệt” vào năm 1998 chạy bằng sức nóng cổ tay của bạn và bạn cũng có thể mua một thiết bị nhiệt điện nhỏ để sạc điện thoại di động bằng lửa trại. Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tăng hiệu suất của các thiết bị như vậy để có thể hướng đến việc sử dụng rộng rãi. Điều này đồng nghĩa với việc phải sàng lọc hàng nghìn chất liệu mới đầy hứa hẹn để tìm ra các vật liệu tốt hơn các chất bán dẫn hiện thời hoặc tinh chỉnh cấu trúc vi mô theo cách chúng được chế tạo.
Thách thức lớn nhất về mặt công nghệ là thu được năng lượng từ điểm nóng kết thúc của phổ nhiệt thải: Hơn 60% nhiệt thải toàn cầu đang ở dưới điểm sôi của nước và độ lạnh càng lớn thì càng khó thu được năng lượng từ đó. Nhóm của Martin đang giải quyết vấn đề này bằng cách nghiên cứu kỹ thuật hỏa điện (không giống như nhiệt điện, hoạt động bằng cách khai thác sự phân cực điện tử). Đây chưa phải là ứng dụng thương mại mà vẫn còn ở giai đoạn đầu trong phòng thí nghiệm. Nhưng các vật liệu màng mỏng mà nhóm của Martin đang nghiên cứu có thể được điều chỉnh để hoạt động tốt nhất ở các nhiệt độ cụ thể, trong khi chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì nhiệt điện hoạt động càng tốt.
Martin hình dung những hệ thống tương lai sắp xếp các vật liệu nhiệt điện để hút một số nhiệt thải ấm hơn, trên 212 độ F và sau đó sử dụng hỏa điện để nhặt nhạnh nốt phần còn lại. Ông hé lộ công trình gần đây về các vật liệu như vậy đã thu hút sự quan tâm từ một vài đơn vị khai thác bitcoin. “Họ thực sự gặp vấn đề với nhiệt thải nhưng thật không may tôi phải nói với họ là vẫn còn hơi sớm, tôi chưa có tiện ích để bán cho họ. Nhưng cũng sắp rồi”.
Điều nghịch lý là một trong những ứng dụng hiệu quả nhất của nhiệt thải lại là làm mát. Điều hòa không khí và quạt chiếm khoảng 10% tiêu thụ năng lượng toàn cầu và nhu cầu được dự tính tăng lên gấp ba vào năm 2050. Tại các đô thị, điều hòa không khí có thể khiến không khí cục bộ nóng thêm gần 2 độ F và nhu cầu làm mát chắc chắn tăng lên.
Một giải pháp là sử dụng nhiệt thải thay vì điện để làm mát mọi thứ. Xin nhắc lại là công nghệ này đã có, tuy nhiên việc lắp đặt các hệ thống như vậy thường cồng kềnh và tốn kém, do đó các phòng thí nghiệm vẫn tiếp tục nghiên cứu cải thiện chúng. Dự án THRIVE do Viện nghiên cứu IBM ở Rüschlikon, Thụy Sĩ phụ trách một phần là một trong những đơn vị hướng tới mục tiêu cải thiện vật liệu hấp phụ cho cả sưởi ấm và làm mát. Họ đã cho thấy cách để thu nhỏ một số hệ thống xuống đến một kích thước hợp lý. Phòng thí nghiệm của Bahrami cũng đang nghiên cứu những cách tốt hơn để sử dụng nhiệt thải làm nguội mọi thứ, từ xe tải đường dài đến đồ điện tử.
Rất khó để biết những chiến lược nào hoặc công ty nào sẽ là vàng còn lại sau đợt đãi cát. Nhưng dù bất kỳ hệ thống nào giành chiến thắng, theo những cách khác nhau của các nhà nghiên cứu thì các hệ thống nhiên liệu và cơ khí của chúng ta cũng sẽ bị hút đến giọt năng lượng hữu ích cuối cùng.
“Nhiệt thải thường chỉ được nói đến sau khi sự đã rồi” King nhấn mạnh, “chúng tôi đang cố gắng biến nó thành phạm trù có thể tính toán trước”.
