Ngành năng lượng - Những điều thú vị về công nghệ nan nô (phần 8)

Các giải pháp của công nghệ nano đã bắt đầu tác động vào các ngành công nghiệp như điện tử, thuốc chữa bệnh, vật liệu mới hiện đại, và dược liệu. Chúng ta hãy khảo sát ngành năng lượng để làm minh họa cho hiện tượng ngày càng có nhiều những giải pháp công nghệ tuy tầm mức vẫn còn nhỏ bé nhưng đang được áp dụng vào thực tế. Cũng nói cho rõ là, không hề có những ứng dụng mang tính phép màu giải quyết mọi vấn đề, và khảo sát về ngành năng lượng này cũng không phải là sự tiên liệu về công nghệ nano cho tương lai. Khảo sát này chỉ ra rằng các loại vật liệu/thiết bị nano sẽ được tích hợp với những sản phẩm đã tồn tại và làm cho chúng hiệu quả hơn, chẳng hạn: tấm năng lượng mặt trời, ắc quy và vật liệu cách điện.

Công nghệ nano có khả năng tăng cường hiệu quả sử dụng và khai thác năng lượng cho tất cả các ngành công nghiệp và tăng năng suất sản xuất năng lượng với chi phí thấp thông qua các giải pháp công nghệ và công nghệ sản xuất tối ưu. Các cải tiến về công nghệ sẽ tác động tới từng bộ phận của chuỗi giá trị gia tăng trong ngành năng lượng:

Những ví dụ về  khả năng áp dụng của công nghệ nano vào chuỗi giá trị gia tăng 

của ngành năng lượng.

Chúng ta hãy khảo sát năm lĩnh vực của chuỗi giá trị năng lượng một cách chi tiết .

Trong việc kiếm soát nguồn tài nguyên năng lượng

Công nghệ nano cung cấp những khả năng cải tiến quan trọng để phát triển nguồn năng lượng tryền thống (năng lượng địa khai và nhiên liên nguyên tử) và nguồn năng lượng có thể tái sử dụng như năng lượng địa nhiệt, mặt trời, nước, sóng biển và năng lượng vi sinh. Chẳng hạn, các đầu thăm dò phủ nano chống mòn, cho phép tối ưu thời hạn sử dụng và hiệu quả làm việc của hệ thống phát triển mỏ dầu và khí đốt tự nhiên hoặc năng lượng địa nhiệt và do đó, tiết kiệm được chi phí. Ví dụ khác: các vật liệu nano có tính bền cao sử dụng trong đèn chiếu sáng và ngày càng nhiều cánh quạt gió lắp mô tơ sử dụng trong các nhà máy điện gió/thủy triều, cũng như các lớp chống ăn mòn của các bộ phận chịu tác động cơ khí nhiều (ổ đỡ, hộp số v.v...). Công nghệ nano sẽ đóng vai trò quyết định trong ngành năng lượng mặt trời qua hệ thống quang phổ. Trong trường hợp các tấm năng lượng mặt trời silicon dạng tinh thể, nó sẽ làm tăng hiệu quả bằng cách phủ lớp chống phản quang.

Tuy nhiên, điểm quan trọng nhất là sự phát triển sâu hơn của dạng tế bào thay thế, như các tế bào năng lượng mặt trời mỏng (cùng với các chi tiết khác của hệ thống vật liệu silicon hoặc vật liệu dạng khác như đồng/indium/selenium), các tấm năng lượng mặt trời màu hoặc tấm năng lượng mặt trời polyme, sẽ hưởng nhiều lợi ích từ công nghệ nano. Tấm năng lượng polyme được cho là có khả năng cao được sử dụng cho các thiết bị điện cầm tay, do vật liệu giá cả phù hợp và phương pháp sản xuất tiết kiệm chi phí cùng với thiết kế uyển chuyển linh hoạt. Các mục tiêu phát triển trung hạn là hiệu quả sử dụng tăng 10% và tăng tuổi thọ lên vài năm bằng cách tối ưu hóa thiết kế các lớp và chê tạo hỗn hợp bán dẫn trong các kết cấu chi tiết. Về dài hạn, tiến hành khai thác kết cấu nano như các hạt lượng tử và dây dẫnlượng tử, cho phép tấm năng lượng mặt trời có hiệu suất tăng tới 60%.

Trong quá trình biến năng lượng thành điện

Quá trình biến các nguồn năng lượng cơ bản thành điện, nhiệt, năng lượng đòi hỏi hiệu suất tối đa. Hiệu suất tăng, đặc biệt trong các nhà máy hơi nước/khí đốt và than, sẽ tránh được lượng khí xả dio xit các bon tương đối lớn thải vào môi trường.

Hiệu suất của các nhà máy điện tăng lên, tuy vậy, lại yêu cầu nhiệt độ làm việc lớn hơn và do đó cần phải có các vật liệu làm tua bin chịu được nhiệt. Các sự cải tiến đã có, chẳng hạn như, các lớp chịu mài mòn và chịu nhiệt nano sử dụng để làm cánh quạt tua bin trong các nhà máy điện và trong động cơ máy bay để tăng hiệu suất thông qua việc nhiệt độ làm việc tăng hoặc áp dụng các loại vật liệu xây dựng nhẹ (như nhôm ti tan).

Các màng nano có thêm những khả năng phân tách và bảo quản cac bon dioxit cho các nhà máy điện than, do đó sự hoạt động của nhà máy trở nên thân thiện với môi trường hơn về dài hạn. Việc sản xuất điện bằng cách chuyển đổi dạng năng lượng hóa học qua các tế bào nhiên liệu có thể thực hiện bằng các điện cực nano, chất xúc tác và các màng, dẫn đến khả năng áp dụng một cách kinh tế vào ngành chế tạo ô tô, xây dựng nhà và sự hoạt động của điện tử di động.

Sự chuyển đổi năng lượng điện nhiệt dường như rất hứa hẹn. Các chất bán dẫn nano có thiết kế lớp vành đai tối ưu để tăng hiệu suất sẽ làm đường cho một sự ứng dụng rộng rãi các sáng kiến tận dụng nguồn nhiệt thừa, chẳng hạn của ô tô, thậm chí là nhiệt từ cơ thể người để cấp cho các thiết bị di động để trong quần áo.

Trong quá trình truyền tải điện

Căn cứ vào sự giảm thiểu của tổn hao năng lượng trong quá trình truyền tải hiện nay, có thể hy vọng rằng vật liệu nano có tính dẫn điện cực kỳ cao như tuýp nano sẽ được sử dụng vào làm cáp dẫn điện và các dây điện cao thế. Hơn nữa, xuất hiện những phương pháp công nghệ nano nhằm tối ưu hóa các vật liệu siêu dẫn điện thay thế cho những vật liệu hiện nay.

Về dài hạn, có các lựa chọn để truyền tải điện khôn gdấy, chẳng hạn truyền tải bằng tia la ze, sóng micro hoặc điện từ trường, Sự truyền tải điện của tương lai sẽ yêu cầu những hệ thống nhà máy điện có thể cung cấp chức năng quản lý tải và sự cố linh hoạt, nguồn năng lượng căn cứ theo yêu cầu với cơ cấu giá cả linh hoạt cũng như khả năng cấp điện qua một số nguồn năng lượng tái tạo.

Công nghệ nano còn đóng vai trò quan trọng trong quá trình hiện thực hóa quan điểm trên, bằng cách thiết bị cảm biến nano và các thiết bị điện-điện từ để có thể đối diện với tính chất cực kỳ phức tạp trong quá trình kiểm soát và giám sát lưới điện như thế.

Trong quá trình lưu điện

Khả năng ứng dụng công nghệ nano để tăng quá trình lưu điện cho ắc quy  trở nên kém hứa hẹn. Do điện thế cao trong các ngăn ắc quy, năng lượng dư thừa và mật độ điện, công nghệ lithium ion được coi là sự thay thế có hứa hẹn để lưu tích điện năng.

Công nghệ nano có thể tăng dung tích lưu điện và tăng mức độ an toàn của ắc quy lithium ion một cách đáng kể, bằng loại sứ mới, bộ phân tách chịu nhiệt linh độngvà vật liệu làm điện cực có tính chất hoạt động cao. Công ty Evonik đã thúc đẩy sản xuất thương mại hệ thống như thế sử dụng trong ô tô và các thiết bị điện cũng như để lưu tích điện.

Về dài hạn, hy drô là nơi lưu điện hứa hẹn cho nguồn cung cấp điện thân thiện với môi trường. Ngoài việc phải điều chỉnh kết cấu nano, quá trình lưu điện hiệu quả của hy đrô  được coi là yếu tố quyết định dẫn đến thành công trên con dường quản lý hydrô.

Các loại vật liệu hiện nay để bảo quản chất hóa học hyđrrô không đáp ứng nổi nhu cầu trong ngành ô tô, ngành này yêu cầu loại H2 có dung tích lưu điện lên tới 10 %.

Nhiều loại vật liệu nằm trong các hỗn hợp kim loại vô cơ nano, có những khả năng phát triển, hiện thực hóa một cách kinh tế, ít nhất là về sự hoạt động của các tế bào nhiên liệu trong các thiết bị điện tử cầm tay.

Một lĩnh vực khác là lưu tích năng lượng nhiệt. Nhu cầu năng lượng trong xây dựng làm ví dụ, có thể giảm đáng kể bằng cách sử dụng vật liệu chuyển pha làm thiết bị lưu nhiệt. Về mặt kinh tế, thì thật thú vị khi sử dụng thiết bị lưu điện loại zeolites để lưu nhiệt trong mạng dẫn nhiệt của quận hoặc trong ngành công nghiệp. Sự hấp thụ nước của zeolites cho phép bảo quản ngược và thải nhiệt.

Trong quá trình sử dụng năng lượng

Để tạo ra nguồn cấp điện đáng kể, và đi song song với sự phát triển tối ưu của các nguồn năng lượng sẵn có, cần thiết phải cải thiện hiệu suất sử dụng năng lượng để tránh tiêu hao điện năng không cần thiết. Quan điểm này được áp dụng cho tất cả các ngành công nghiệp và tư nhân. Công nghệ nano cung cấp rất nhiều giải pháp để tiết kiệm năng lượng.

Ví dụ: giảm tiêu hao nhiên liệu của ô tô bằng các vật liệu nhẹ hỗn hợp nano, tối ưu quá trình cháy nhiên liệu bằng các chi tiết động cơ nhẹ, chịu mài mòn cùng các phụ gia nhiên liệu hạt nano thậm chí hạt nano còn được sử dụng để tối ưu lốp xe bằng cách giảm ma sát lăn.

Tiết kiệm năng lượng một cách đáng kể là điều có thể thực hiện được bằng các lớp tam sinh học ứng dụng cho các chi tiết cơ học của các nhà máy điện và thiết bị. Công nghệ xây dựng cũng cung cấp những khả năng lớn để tiết kiệm năng lượng; khai thác khả năng này bằng các vật liệu cách nhiệt nano, thay thế thích hợp cho các ngôi nhà cũ.

Nói chung, kiểm soát ánh sáng và nhiệt bằng các thiết bị nano như kính nano, là một phương án khả thi nhằm giảm thiểu tiêu hao năng lượng trong các khu nhà cao tầng.

Video: Jumping water droplets improve power-plant efficiency

 

(tổng hợp từ tài liệu nước ngoài)