CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Hiện nay, trong nước vẫn chưa có bài báo nghiên cứu cụ thể nào về vật liệu chuyển pha rắn – rắn tại nhiệt độ tầm trung. Tuy nhiên, vẫn có những nghiên cứu về PCM rắn – lỏng tại nhiệt độ tầm trung này. Nguyễn Tiến Giang, giảng viên của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh cùng các cộng sự [8] đã nghiên cứu và tổng hợp thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng (SSPCM) Glutaric acid (GA)/expanded graphite (EG) có hiệu năng lưu trữ năng lượng cao ở nhiệt độ chuyển pha tầm trung (GA thay đổi pha ~ 100 oC). Với độ xốp cao, EG có thể giữ ổn định tới 85 wt% GA mà không bị rò rỉ, đồng thời vẫn duy trì được độ kết tinh cao của PCM.
Các SSPCM thể hiện khả năng ức chế hiệu quả mức độ siêu lạnh của GA xuống dưới 5 oC, giúp vật liệu trở nên lý tưởng hơn cho các ứng dụng thực tế. Cuối cùng, 85 wt% GA/EG SSPCM còn thể hiện độ tin cậy và độ ổn định nhiệt sau 300 lần thử nghiệm chu kỳ nhiệt, cho thấy được tiềm năng của vật liệu SSPCM này cho các ứng dụng dài hạn trong lưu trữ năng lượng nhiệt ở nhiệt độ tầm trung. Nguyễn Tiến Giang cùng các cộng sự [12] đã phát triển thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng azelaic acid/expanded graphite (AA/EG). Kết quả cho thấy EG có khả năng giam giữ 85 wt% AA trong cấu trúc xốp mà không bị rò rỉ sau các quá trình chuyển pha.
AA tinh khiết có nhiệt độ chuyển pha nóng chảy ở 108 oC với mức độ siêu lạnh là 5. Trong khi 85 wt% AA/EG SSPCM có sự giảm nhẹ nhiệt độ nóng chảy (105.8 oC) nhưng lại thể hiện mức độ siêu lạnh tốt hơn (1.0 oC), cùng với khả năng lưu trữ nhiệt lượng cao (162.5 J/g) và độ bền nhiệt tốt sau 200 chu trình nhiệt. Việc bổ sung EG cũng đã giúp cho độ dẫn nhiệt của AA tăng lên 15.7 lần so với mẫu tinh khiết, điều này mang lại tiềm năng hơn cho vật liệu SSPCM trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt tại nhiệt độ tầm trung.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Năm 2023, Zhaofeng Dai cùng các cộng sự [13] đã nghiên cứu phát triển vật liệu chuyển pha rắn – rắn ứng dụng cho lưu trữ năng lượng mặt trời tại nhiệt độ tầm trung. Nghiên cứu đã sử dụng tris (hydroxymethyl) aminomethane (TRIS)/EG làm vật liệu CPCM.
Vật liệu tổng hợp được đã thể hiện nhiệt độ chuyển pha tầm trung (132 oC), khả năng lưu trữ năng lượng nhiệt tuyệt vời (213.47 J/g) cùng với khả năng dẫn nhiệt lên tới 21.K) khi bổ sung thêm 20 wt% EG đã giúp cho tốc độ sạc và xả nhiệt lượng của vật liệu đạt hiệu quả cao hơn. Năm 2022, Rongrong Luo cùng các cộng sự [14] tập trung vào việc tổng hợp vật liệu chuyển pha rắn-rắn pentaerythritol với chất nền là graphene có khả năng chuyển đổi quang nhiệt và có độ dẫn nhiệt cao ứng dụng cho hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời. Kết quả cho thấy sự thêm nano – graphene vào PE đã làm tăng hệ số dẫn nhiệt của PE từ 1.K)) tương ứng với 5%, 10%, 15% và 20% GNPs. So với PE tinh khiết, độ dẫn nhiệt của 15 wt% GNPs-CPCMs đã tăng lên tới 333,33%.
Điều này cho thấy việc tăng cường độ dẫn nhiệt của PCMs bằng việc phân tán với các hạt nano có tính dẫn nhiệt cao là một cách hiệu quả để cải thiện khả năng dẫn nhiệt kém của PE. Ngoài ra, kết quả DSC chỉ ra rằng so với PE có enthalpy cao (264.02 J/g), 15 wt% GNPs-CPCMs vẫn duy trì được mật độ lưu trữ năng lượng là 73% (190.88 J/g) và vẫn thể hiện độ tin cậy nhiệt tốt sau 500 chu kỳ (156.72 J/g), điều này cho thấy tiềm năng lớn trong các ứng dụng về lưu trữ năng lượng nhiệt. Năm 2021, Mani và các cộng sự [15] đã nghiên cứu cải thiện khả năng dẫn nhiệt kém của PE bằng cách sử dụng hạt nano đồng như một chất phụ gia. Kết quả DSC cho thấy so với PE có enthalpy cao (290.3 kJ/kg), các vật liệu tổng hợp Cu-pentaerythritol vẫn duy trì được khả năng lưu trữ nhiệt lượng cao.
Hỗn hợp của 0.0625 wt% Cu-PE hầu như không có sự khác biệt enthalpy (290.0kJ/kg) so với PE. Ngoài ra, độ dẫn nhiệt của PE giảm 20% khi nhiệt độ được tăng 30 – 140 oC, trong khi 0.0625 wt% Cu-pentaerythritol giảm 15.4% trong khoảng nhiệt độ này. Kết quả này dẫn đến việc giảm 35,8% thời gian hoàn thành quá trình chuyển pha rắn-rắn và tăng tốc độ hấp thụ năng lượng nhiệt lên 35,6%. 2 Năm 2017, K P Venkitaraj cùng các cộng sự [16] nghiên cứu và tổng hợp CPCM PE/Al2O3 để kiểm tra ảnh hưởng của việc sử dụng hạt nano alumina như chất phụ gia lên độ ổn định nhiệt và hóa học của pentaerythritol.
Kết quả TGA cho thấy PE không còn giữ được độ ổn định nhiệt ở nhiệt độ cao (>250 oC), tuy nhiên cùng thời điểm CPCM PE/Al2O3 đã thể hiện độ ổn định nhiệt với sự giảm trọng lượng rất ít trong cùng khoảng nhiệt độ. Bên cạnh đó, kết quả DSC cũng chỉ ra rằng việc bổ sung thêm nano Al2O3 đã làm giảm hiện tượng siêu lạnh ở PCM. Quan sát thấy quá trình làm lạnh giảm từ 24,3 oC đối với pentaerythritol tinh khiết xuống còn 18,8 oC đối với mẫu PCM ở 1% trọng lượng Al2O3.2 Lưu trữ năng lượng nhiệt (TES) Lưu trữ năng lượng nhiệt (Thermal energy storage – TES) mang lại cả lợi ích về môi trường và kinh tế bằng cách giảm nhu cầu đốt nhiên liệu dựa trên phương thức hoạt động của nó [17]. TES hoạt động bằng cách làm nóng phương tiện lưu trữ trong thời gian sạc và sau đó giải phóng lượng nhiệt hấp thụ được [18].
Hệ thống có thể lưu trữ năng lượng trong nhiều giờ, nhiều ngày và nhiều tháng, từ đó góp phần giải quyết được vấn đề xung đột giữa cung và cầu năng lượng [19]. Một số ứng dụng đã được phát triển rộng rãi của TES là hệ thống hấp thụ và lưu trữ năng lượng mặt trời, hệ thống làm mát bên trong các tòa nhà, hệ thống sưởi ấm không khí, …[17]. TES được phân thành ba loại chính (hình 1.1): lưu trữ nhiệt hiện, lưu trữ nhiệt tiềm ẩn và lưu trữ nhiệt hóa học [19].1: Phân loại TES [20] 1.1 Lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt hiện (Sensible heat storage – SHS) Hệ thống lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt hiện, năng lượng được lưu trữ thông qua sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu bằng cách gia nhiệt để làm nóng hay làm mát vật liệu [3]. Nhiệt lượng được lưu trữ bởi nhiệt cảm có thể được tính theo công thức sau [18]: T Q = ∫T 2 mCp dT 1 Trong đó: Q là mật độ nhiệt được lưu trữ (J) m là khối lượng của vật liệu (kg) Cp là nhiệt dung riêng (J/kg.
K) T1 và T2 là nhiệt độ bắt đầu và kết thúc của hệ thống SHS 4 Qua công thức trên có thể thấy trong quá trình sạc và xả, nhiệt dung riêng sẽ đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc lưu trữ nhiệt. Do sự đơn giản của phương pháp này nên SHS đã được sử dụng phổ biến trên toàn thế giới, đặc biệt là tại các vùng có khí hậu nóng hoặc lạnh. Vật liệu cho hệ thống lưu trữ nhiệt cảm này có thể hoạt động ở cả dạng rắn hoặc lỏng [21]. Trong các ứng dụng dưới 100°C, nước là chất lỏng SHS tốt nhất vì tính sẵn có rộng rãi, chi phí thấp và nhiệt dung riêng tương đối cao.
Trên 100°C, dầu tổng hợp, muối nóng chảy, kim loại lỏng có thể được sử dụng [18].2 Lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt tiềm ẩn (Latent heat storage – LHS) Trái ngược với lưu trữ nhiệt cảm, nhiệt tiềm ẩn không lưu trữ năng lượng bằng sự thay đổi nhiệt độ mà năng lượng sẽ được lưu trữ thông qua sự thay đổi pha của vật liệu tại ngưỡng nhiệt độ cụ thể hay nói cách khác lưu trữ nhiệt tiềm ẩn sử dụng vật liệu thay đổi pha (PCM) làm phương tiện lưu trữ [22]. Trong quá trình sạc và xả của hệ thống LHS, quá trình chuyển pha thuận nghịch có thể xảy ra ở pha rắn – rắn, rắn – khí, rắn – lỏng, lỏng – khí hoặc ngược lại [19]. Tại quá trình chuyển pha nóng chảy, PCM sẽ hấp thụ và lưu trữ nhiệt lượng, sau đó tại quá trình đóng rắn, PCM sẽ giải phóng ra lượng nhiệt này. Khi đó, độ dẫn nhiệt, enthalpy, nhiệt độ chuyển pha là những thông số quan trọng trong hệ thống lưu trữ nhiệt ẩn.
Bên cạnh đó, các vật liệu nhiệt tiềm ẩn thường có mật độ lưu trữ nhiệt cao hơn so với nhiệt hiện. Do đó, các vật liệu nhiệt tiềm ẩn thường cần ít không gian hơn để lưu trữ cùng một lượng năng lượng, đây là điều vô cùng quan trọng khi sử dụng TES với PCM cho các ngành công nghiệp đặc biệt là ở khu vực thành phố vì khi đó không gian sẽ là vấn đề được quan tâm hàng đầu [23].3 Lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt hóa (Thermochemical energy storage – TCES) Hình thức lưu trữ nhiệt này thông qua các phản ứng hóa học để lưu trữ và giải phóng lượng nhiệt. TCES sẽ trải qua ba quá trình để hoạt động: Trong quá trình sạc, năng lượng nhiệt được sử dụng để phân tách chất phản ứng hóa học thành sản phẩm. Các sản phẩm của phản ứng được lưu trữ.
Trong quá trình xả, các sản phẩm này được trộn lẫn với nhau và phản ứng tạo thành chất phản ứng ban đầu. Nhiệt lượng tỏa ra trong phản ứng sẽ được sử dụng làm nguồn năng lượng. Lưu trữ dựa trên các phản ứng hóa học có công suất nhiệt 5 cao hơn nhiều so với nhiệt cảm và nhiệt ẩn nhưng vẫn chưa có tính khả thi về mặt thương mại rộng rãi [1, 13].2 So sánh các hệ thống TES Thông quả bảng 1.1, cho thấy tổng quan về ba hệ thống này. Nhìn chung khả năng lưu trữ nhiệt của TCES cao hơn so với LHS và SHS, còn LHS cao hơn so với SHS vì LHS có quá trình chuyển pha với enthalpy cao của vật liệu.
Tuy vậy, so với SHS đã được thương mại hóa và có mặt khá phổ biến trên thị trường hay LHS cũng đã có sẵn trên thị trường với một số vật liệu và nhiệt độ thích hợp thì TCES vẫn đang trong quá trình nghiên cứu và thử nghiệm các dự án. Bên cạnh đó, bởi vì có khoảng nhiệt độ hoạt động rộng nên LHS vẫn được ưu tiên phát triển hơn bởi tính ứng dụng cao của hệ thống có thể mang lại.