Trạm pin cát này có khả năng lưu trữ nhiệt năng 100 MWh từ năng lượng mặt trời và gió, đồng thời cho phép người dân loại bỏ dầu khỏi mạng lưới sưởi ấm và cắt giảm gần 70% lượng khí thải.
Bà Liisa Naskali - Giám đốc Điều hành Polar Night Energy, công ty đứng sau phát kiến trên, cho biết, thật thú vị khi xây dựng một kho lưu trữ năng lượng nhiệt quy mô lớn nhất thế giới, hoạt động như một nhà máy sản xuất chính trong mạng lưới sưởi ấm của Pornainen. Đây là một bước quan trọng trong việc mở rộng quy mô công nghệ pin cát.
Thiết kế ngày càng lớn
Trước khi trạm pin cát ở Pornainen ra đời, tháng 5/2022, Polar Night Energy lắp đặt một thiết kế nhỏ hơn cho một nhà máy điện ở thị trấn Kankaanpää. Được triển khai ngay khi nguồn cấp khí đốt từ Nga bị cắt, dự án này là một ví dụ kịp thời về khai thác năng lượng tái tạo theo cách mới. Tạo ra công nghệ trên là những nhà thiết kế trẻ tuổi của Phần Lan, Tommi Eronen và Markku Ylönen.
Nói về nguồn cảm hứng thúc đẩy Polar Night Energy, anh Markku cho biết mong muốn tự do thiết kế cho từng cộng đồng và giải quyết vấn đề năng lượng trong một môi trường hạn chế.
Tuy nhiên, khi cố gắng sản xuất năng lượng sạch nhất có thể, Polar Night Energy gặp phải vấn đề lưu trữ. Vậy nên, những người sáng lập Polar Night Energy bắt đầu thử nghiệm các ý tưởng và thấy cát là một cách hợp lý để lưu trữ lượng điện được tạo ra từ năng lượng mặt trời và gió.
Tìm cách lưu trữ những nguồn năng lượng tái tạo này là mấu chốt để khai thác toàn bộ tiềm năng của chúng. Markku giải thích, pin lithium hoạt động tốt cho các ứng dụng cụ thể, nhưng ngoài các vấn đề về môi trường và chi phí, chúng không thể lưu giữ nguồn năng lượng lớn.
Trong khi đó, các hạt cát có khả năng lưu trữ năng lượng lớn đến mức đáng kinh ngạc. Pin cát ở Pornainen sẽ lớn hơn khoảng 10 lần so với pin đang hoạt động tại nhà máy điện Vatajankoski ở Kankaanpää. Polar Night Energy trước đây cũng đã kết nối một nhà máy thí điểm với mạng lưới sưởi ấm của thành phố Tampere.
Hoạt động như thế nào?
Đại diện Polar Night Energy cho biết, nguyên mẫu của pin cát là một cấu trúc khá đơn giản. Đó là một tháp cao chứa đầy cát và được nạp nhiệt từ năng lượng mặt trời và gió.
Pin cát hoạt động theo quá trình gọi là gia nhiệt bằng điện trở, trong đó nhiệt được tạo ra thông qua ma sát có được khi dòng điện đi qua bất kỳ vật liệu nào không phải là chất siêu dẫn. Không khí nóng sau đó được lưu thông trong thùng chứa qua bộ trao đổi nhiệt.
Cát có thể lưu trữ nhiệt ở khoảng 500 độ C trong vài ngày, thậm chí vài tháng, cung cấp một kho năng lượng giá rẻ hơn trong mùa Đông. Khi cần, pin sẽ xả khí nóng - nước ấm trong mạng lưới sưởi ấm của khu vực. Trên thực tế, các ngôi nhà, văn phòng và thậm chí cả hồ bơi địa phương đều được hưởng lợi ở Kankaanpää.
Về việc lưu trữ, anh Markku cho biết: “Phần phức tạp nhất diễn ra trên máy tính. Chúng ta cần biết năng lượng, hay nhiệt, di chuyển bên trong bộ lưu trữ như thế nào, năng lượng hiện có và tốc độ để đi đến quyết định xả và sạc”.
Các nhà nghiên cứu sử dụng mô hình truyền nhiệt 'khá phức tạp' bên trong hệ thống đường ống để lưu trữ và giải phóng năng lượng.
Cư dân hưởng lợi
Sau khi cải tiến các thuật toán sạc của mình, Polar Night Energy đã sẵn sàng mở rộng quy mô công nghệ lưu trữ ở Pornainen. Ngoài ra, pin mới sẽ được tích hợp với mạng lưới của Loviisan Lämpö, công ty cung cấp hệ thống sưởi trong khu đô thị Pornainen.
Ông Mikko Paajanen - Giám đốc Điều hành Loviisan Lämpö cho biết công ty đang hướng tới sản xuất năng lượng thân thiện với môi trường hơn. Với pin cát, Loviisan Lämpö có thể giảm đáng kể năng lượng tạo ra từ quá trình đốt cháy và loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng dầu. Dự án cũng phù hợp với kế hoạch trung hòa carbon của Pornainen. Nhiều tòa nhà ở đây, gồm trường học, tòa thị chính và thư viện, đều dựa vào hệ thống sưởi của đô thị này.
Thị trưởng Pornainen Antti Kuusela cho biết, chính quyền hoan nghênh tất cả các dự án phát triển đổi mới nhằm giảm lượng khí thải trong các hoạt động sưởi ấm của đô thị và góp phần mở rộng mạng lưới. Tổng cộng, pin cát dự kiến sẽ loại bỏ 160 tấn khí thải carbon dioxide mỗi năm, bỏ hoàn toàn việc sử dụng dầu và giảm khoảng 60% việc đốt củi.
Polar Night Energy cho biết, pin cát tại Pornainen có công suất sưởi 1 megawatt và khả năng lưu trữ nhiệt năng lên đến 100 megawatt-giờ, đủ đáp ứng nhu cầu sưởi trong một tuần của đô thị này vào mùa Đông và lên đến một tháng vào mùa Hè. Việc xây dựng và thử nghiệm khối pin cát cao 13 mét, rộng 15 mét ước tính mất khoảng 13 tháng, nghĩa là nó sẽ giữ ấm cho cư dân ở đây trước mùa Đông năm 2025.
Theo một nghiên cứu gần đây của Hà Lan, nhu cầu về vật liệu xây dựng sẽ tăng 45% trong 40 năm tới. Cát xây dựng thường được khai thác từ sông hồ và “cát tặc” đang đẩy nhanh tốc độ cát mất đi từ các hệ sinh thái này.
Tuy nhiên, đối với các kỹ sư Phần Lan, việc cát đến từ đâu không thực sự quan trọng. Mặc dù ban đầu cát của các nhà xây dựng được sử dụng (để hạn chế lượng khí thải từ hoạt động vận tải), pin cát có thể hoạt động với bất kỳ vật liệu giống cát nào có mật độ đủ cao.