Phương pháp này, được gọi là lưu trữ năng lượng nhiệt hoặc đôi khi gọi một cách đơn giản là “pin băng”, sử dụng năng lượng để đông lạnh chất lỏng qua đêm, thời điểm hầu hết mọi người đang ngủ và nhu cầu điện năng xuống thấp.
Lượng băng dự trữ đó, sau đó được dùng để làm mát tòa nhà vào các giờ cao điểm. Nếu thành công, kết quả cuối cùng là giảm lượng điện sử dụng cho máy điều hòa không khí vào ban ngày, từ đó có thể giảm nhu cầu năng lượng tổng thể và giúp giảm chi phí.
Giải pháp sáng tạo như thế này, được trình bày trên tạp chí Physical Chemistry, có thể đóng vai trò nổi bật hơn trong những năm tới, khi sự gia tăng của các trung tâm dữ liệu AI, đòi hỏi phải làm mát liên tục, tiếp tục gây áp lực lên lưới điện vốn đã quá tải.
Pin băng không chỉ trong phòng thí nghiệm mà đang ứng dụng thực tế. Một trong những ví dụ điển hình là tòa nhà chọc trời Eleven Madison cao 30 tầng, lấy cảm hứng từ phong cách Art Deco ở Manhattan. Tòa nhà được cho là sử dụng 227.000 kg băng mỗi ngày để làm mát tòa nhà vào giờ cao điểm.
Thị trường lưu trữ năng lượng nhiệt từ băng chứng kiến sự gia tăng đáng kể nhu cầu trong những năm gần đây. Chỉ riêng Trane Technologies Commercial HVAC Americas, công ty phụ trách hệ thống làm mát của Eleven Madison, cho biết đã lắp đặt hơn 4.000 hệ thống trên toàn cầu. Con số này chiếm một phần rất nhỏ trong tổng số các công trình. Riêng Hoa Kỳ ước tính có khoảng 6 triệu tòa nhà thương mại.
Nhưng việc làm mát tất cả lượng nước đó cũng cần điện năng. Đó chính là lúc nghiên cứu do nhóm nghiên cứu của Đại học Texas A&M thực hiện phát huy tác dụng. Hệ thống pin băng thường dùng muối hydrate như loại chất kết dính hóa học để chuyển hóa chất lỏng thành băng.
Trong quá trình chuyển đổi này, muối hydrate tương tác với nhiều hóa chất khác, có vai trò là “hạt nhân giống”, để đóng băng chất lỏng. Loại hạt nhân giống cụ thể được dùng và nhiệt độ chính xác mà chúng tương tác, có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ tin cậy và hiệu quả tổng thể hệ thống pin băng.
Các nhà nghiên cứu khám phá tính chất hóa học phức tạp này trong nghiên cứu của họ. Việc xác định đúng thành phần “hạt nhân giống” và muối hydrate có thể giảm lượng điện năng cần thiết để tạo ra băng. Sử dụng ít điện năng hơn trong quá trình đó, đồng nghĩa với việc tiết kiệm chi phí hơn cho chủ sở hữu tòa nhà lắp đặt các hệ thống này.
Thành phần hóa học cũng ảnh hưởng đến việc pin băng có tương thích với các loại hệ thống máy điều hòa không khí hoặc máy bơm nhiệt cụ thể hay không. Trong trường hợp cụ thể này, các hạt nhân giống với nguyên tố barium có hiệu quả hơn trong việc kích hoạt quá trình đóng băng.
Các trung tâm dữ liệu đang đòi hỏi lượng điện khổng lồ để vận hành các mô hình AI tiên tiến. Theo Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), các trung tâm dữ liệu chiếm khoảng 1,5% mức tiêu thụ điện toàn cầu năm 2024 và dự kiến tăng gấp 3 lần vào năm 2030 khi các quốc gia chạy đua xây dựng các hệ thống AI nhanh hơn, mạnh mẽ hơn.
Không chỉ có các trung tâm dữ liệu tiêu tốn nhiều điện năng. Máy điều hòa không khí cũng chiếm khoảng 20% tổng mức sử dụng điện năng tại các hộ gia đình và doanh nghiệp. Con số này có thể tăng vọt lên 60 - 70% vào những ngày hè đặc biệt nóng nực.
Phần lớn nhu cầu điện năng gia tăng đó đang được đáp ứng bởi một nguồn quen thuộc: nhiên liệu hóa thạch. Các nhà môi trường cảnh báo, việc ngày càng phụ thuộc nhiên liệu hóa thạch để cung cấp điện năng cho trung tâm dữ liệu, điều hòa không khí, xe điện, có thể khiến các quốc gia quay lưng lại với các cam kết về khí hậu nhằm giảm lượng khí thải carbon dioxide.
Pin băng chắc chắn không phải là giải pháp hoàn hảo, nhưng việc áp dụng rộng rãi có thể giúp ngăn chặn tình trạng khó khăn về năng lượng đang gia tăng. Nếu được mở rộng quy mô, chúng có thể giảm tổng mức tiêu thụ điện năng, từ đó giảm thiểu nhu cầu xây dựng các nguồn điện mới. Về mặt nào đó, có ý nghĩa giảm nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
