Lưu trữ nhiệt mùa (Seasonal Thermal Energy Storage — STES) đang vô cùng phổ biến và rất quan trọng nếu bạn quan tâm đến tận dụng năng lượng mặt trời cho sưởi ấm/máy nước nóng theo mùa. Hệ thống loại này có thể ứng dụng ở miền Bắc hoặc khu vực cao nguyên.
1) Nguyên tắc hoạt động
-
Lưu trữ nhiệt mùa dựa trên ý tưởng tích lũy nhiệt dư (thường vào mùa nắng/hè) rồi giữ nó trong một kho chứa với tổn thất rất nhỏ để dùng vào mùa lạnh (vài tháng sau). Quá trình gồm hai bước: charge (nạp) — thu nhiệt từ bộ thu năng lượng (solar thermal collectors, heat pumps, hoặc điện dư) và bơm nhiệt vào kho; discharge (xả) — lấy nhiệt từ kho để cung cấp nước nóng, sưởi ấm, hoặc nâng nhiệt qua heat pump khi cần.
-
Các phương thức lưu trữ phổ biến:
-
Nước lỏng trong bồn lớn (Large water tanks / Tank TES) — đơn giản, lưu trữ ở nhiệt độ thấp đến trung bình.
-
Borehole Thermal Energy Storage (BTES) — giếng khoan sâu trong lòng đất với vòng ống, chuyển nhiệt vào đất; dùng cho quy mô khu dân cư / cộng đồng. (ví dụ: Drake Landing).
-
Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) — dùng tầng chứa nước ngầm (aquifer) để bơm và lưu nước nóng/lạnh; phù hợp khu vực có tầng chứa thích hợp (Hà Lan có nhiều ví dụ).
-
Pit Thermal Energy Storage (PTES) — hố/ao lớn lót màng chống thấm và phủ cách nhiệt (thường dùng cho quy mô làng/đô thị).
-
Vật liệu rắn/khô: Sand battery / Solid media (cát, đá, v.v.) — dùng cát/đá làm vật chứa nhiệt, có thể chịu nhiệt rất cao (ví dụ các dự án “sand battery” ở Phần Lan).
-
Phase Change Materials (PCM) / heat batteries — vật liệu đổi pha lưu lượng nhiệt rất dày đặc (dùng cho nhà, toà nhà; thường lưu trữ ngắn–vài ngày, nhưng công nghệ đang phát triển).
-
-
Nhiệt độ & hiệu suất: hệ STES có thể lưu trữ nhiệt ở dải nhiệt độ khác nhau: dải nhiệt thấp (~10–40°C) cho sưởi ấm bằng mặt sàn/thoát nhiệt thấp; dải nhiệt trung bình/cao cho nước nóng/dầu/ứng dụng công nghiệp. Hiệu quả phụ thuộc vật liệu, kích thước, cách nhiệt và tổn thất địa nhiệt.
2) Ứng dụng thực tế
-
Quy mô khu dân cư / cộng đồng (district heating): dự án điển hình là Drake Landing Solar Community (Canada) — dùng BTES kết hợp collectors để cấp phần lớn sưởi ấm cho cả khu. Đây là ví dụ STES thành công ở khí hậu lạnh.
-
Đô thị & nhà kính (agricultural greenhouses): PTES/ATES dùng để cung cấp nhiệt mùa đông cho nhà kính hoặc khu công nghiệp.
-
Cấp nước nóng & sưởi cho khách sạn, resort, bể bơi: nơi cần lượng lớn nước nóng, lưu trữ mùa giúp giảm nhiên liệu hóa thạch.
-
Lưu trữ điện dư chuyển thành nhiệt (Power-to-Heat): khi có dư PV/wind, dùng điện để làm nóng vật chứa (sand battery, resistive heating vào bể chứa), lưu trữ và xả khi cần — hiện đang được phát triển nhiều.
-
Gia dụng (single-family homes): thường ở dạng bồn nước lớn (có cách nhiệt) hoặc heat battery (PCM compact) để tích trữ từ solar PV/heat pump, nhưng một hệ STES thực sự để lưu trữ từ hè sang đông trên quy mô một nhà đơn lẻ là rất hiếm — do không gian, chi phí và yêu cầu địa chất.
3) Lợi ích và bất lợi
Lợi ích
-
Giảm phụ thuộc nhiên liệu hóa thạch & carbon thấp hơn — tận dụng nhiệt mặt trời mùa hè cho mùa đông.
-
Kinh tế cho quy mô lớn: cho sưởi ấm khu dân cư hoặc cộng đồng, CAPEX có thể được chia trên nhiều khách hàng => chi phí từng đầu người giảm. (Drake Landing là ví dụ).
-
Ổn định lưới & tích hợp renewables: giúp cân bằng nguồn điện/điều hòa phụ tải khi kết hợp power-to-heat.
-
Tuổi thọ dài & chi phí vận hành thấp: với PTES/BTES/ATES đúng thiết kế, tuổi thọ có thể hàng chục năm, chi phí vận hành thấp (một số hệ đã hoạt động >10 năm).
Bất lợi / Thách thức
-
Chi phí đầu tư ban đầu cao (đặc biệt BTES, PTES, sand battery) và cần quỹ đất hoặc điều kiện tầng chứa (ATES).
-
Yêu cầu địa chất & không gian: ATES cần aquifer phù hợp; BTES cần khoan sâu; PTES cần diện tích lớn và nền đất phù hợp. Không phải nơi nào cũng làm được.
-
Tổn thất nhiệt & hiệu suất phụ thuộc thiết kế: nếu cách nhiệt hoặc thiết kế kém, tổn thất tăng — làm giảm hiệu quả mùa. Cần tính toán vật liệu, độ sâu, lớp phủ.
-
Phạm vi ứng dụng gia dụng hạn chế: cho 1–2 nhà riêng lẻ, lưu trữ mùa thường không khả thi kinh tế/không gian; giải pháp thực tế cho nhà thường là bồn nước lớn hoặc PCM heat batteries (ngắn hạn).
-
Vấn đề vận hành & bảo trì: một số dự án lớn (điển hình hệ phức tạp) cần chuyên môn lâu dài; Drake Landing đã gặp một số vấn đề bảo trì sau nhiều năm vận hành.
4) Những thiết bị lưu trữ nhiệt mùa gia dụng
Hiện còn ít thiết bị “lưu trữ nhiệt mùa cho 1 gia đình” thương mại — hầu hết giải pháp theo mùa hiện là quy mô cộng đồng/đô thị. Nhưng có các sản phẩm lưu trữ nhiệt cho gia dụng (thường là ngắn–vài ngày) đang được thương mại hóa, và có các nhà cung cấp hệ STES quy mô lớn.
A. Thiết bị/gói dành cho gia dụng / tòa nhà nhỏ (không phải theo mùa dài hàng tháng)
-
Sunamp (Thermino heat batteries) — heat battery sử dụng PCM (vật liệu đổi pha) cho hot water & kết hợp heat-pump/PV; rất nhỏ gọn, lắp trong nhà, phổ biến tại Anh/Châu Âu. Lưu ý: đây là lưu trữ nhiệt ngắn hạn/giờ–ngày, không phải lưu trữ mùa (nhưng có thể tăng tính tự tiêu thụ của PV và giảm chi phí điện/gas).
-
Các bồn nước công nghiệp/siêu cách nhiệt — các nhà thầu sẵn sàng chế tạo bồn rất lớn (m³ chục m^3) cho nhà hoặc nhóm nhà; về mặt kỹ thuật có thể làm “mùa vụ” nếu có không gian và chi phí chấp nhận được, nhưng ít thấy ở nhà riêng.
B. Giải pháp/nhà thầu quy mô cộng đồng / đô thị / công nghiệp (theo mùa thực sự)
-
Drake Landing Solar Community (Canada) — BTES kết hợp nhiệt mặt trời, ví dụ thực nghiệm thành công cung cấp phần lớn sưởi ấm cho cả khu. Đây là case-study kinh điển.
-
Polar Night Energy (Phần Lan) — Sand Battery: hệ lưu trữ cát thương mại/công nghiệp (đã triển khai nhiều dự án sưởi ấm khu dân cư). Đây là công nghệ rắn, có thể lưu trữ năng lượng nhiều tháng ở nhiệt cao. Không phải thiết bị lắp trong nhà.
-
Ramboll / WIMeG / các công ty kỹ thuật châu Âu — tư vấn & triển khai PTES (pit thermal energy storage) và hệ thống pit lớn ở Đức và các nước khác.
-
Heliostorage — cung cấp giải pháp BTES/seasonal cho các dự án thương mại/đô thị.
-
Các dự án ATES (Hà Lan) — nhiều công ty/đại học tham gia thiết kế ATES cho cụm nhà, campus, khu công nghiệp (Hà Lan là đầu tàu về ATES).
C. Hệ thống lưu trữ nhiệt mùa cho gia đình ở Việt Nam
-
Nếu bạn là chủ nhà muốn lưu trữ từ mùa hè sang mùa đông (theo mùa) cho 1–2 hộ gia đình: về mặt kỹ thuật có thể (ví dụ kho nước lớn chôn dưới nền/sân, lót cách nhiệt dày), nhưng kinh tế và địa điểm thường không khả thi do: cần diện tích lớn, cách nhiệt chuyên dụng, chi phí vận hành/đầu tư cao và thời gian thu hồi vốn dài.
-
Giải pháp thực tế hơn cho gia dụng hiện nay:
-
Lắp bộ thu solar thermal + bồn nước siêu cách nhiệt (buffer tank) tương đối lớn để tăng tỉ lệ tự cấp nước nóng;
-
Hoặc dùng heat battery (Sunamp Thermino) để tối ưu hoá nguồn heat-pump/PV và giảm kích thước bình chứa — giải pháp này tốt cho không gian nhỏ và tăng hiệu quả tự dùng PV, nhưng không thay thế được lưu trữ mùa.
-