Công nghệ nano trong ngành công nghiệp điện

Cải thiện công nghệ phát điện truyền thống

Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng cao, việc nâng cao hiệu suất và tính bền vững của các công nghệ phát điện đang trở nên cấp thiết. Một trong những chìa khoá để giải quyết thách thức này là đổi mới công nghệ, và một vài trong số các giải pháp hứa hẹn nhất đang diễn ra ở phạm vi vật chất nhỏ nhất: công nghệ nano.

Hiện tượng này đang trở nên ngày càng phổ biến ở các nhà máy điện truyền thống. Các đổi mới trên nền tảng công nghệ nano đang chiếm được lòng tin bằng việc cải thiện hiệu suất và vòng đời của các công nghệ hiện tại, đồng thời giới thiệu các thành tố mới mang tính bước ngoặt trong lĩnh vực phát điện.

Lấy ví dụ như các nhà máy điện nhiên liệu hữu cơ hiện đại nơi cần sử dụng các bộ phận có hiệu năng chịu áp suất và nhiệt độ cao để cải thiện hiệu suất, giảm chi phí bảo dưỡng và các mức phát thải: rất nhiều cơ chế hư hỏng ảnh hưởng đến tính năng làm việc của nhà máy như mài mòn, ăn mòn và ôxy hoá - những hư hỏng làm chi phí vận hành mỗi năm tăng lên hàng triệu đô la đối với một nhà máy điện đốt than điển hình - lại chỉ xảy ra trên bề mặt của bộ phận thiết bị.

Các hệ thống phát điện từ than hiệu suất cao và ít phát thải đang được xây dựng hiện nay sử dụng các lớp phủ bằng gốm nano thế hệ mới (new generation of ceramic nanocoatings) để bảo vệ các bộ phận kim loại khỏi bị ăn mòn do đó làm tăng tuổi thọ, tăng công suất và giảm tiêu thụ điện tự dùng. Việc ứng dụng những tiến bộ của công nghệ nano như vậy vào lĩnh vực phát điện quy mô lớn đã dẫn đến những cải thiện đáng kể về độ bền vững và tính năng của các cấu trúc vật liệu ở những nhà máy này.

Các bộ phận của nhà máy điện được hưởng lợi từ những đổi mới về công nghệ nano bao gồm các hệ thống nước thô và xử lý nước sơ bộ, các hệ thống nước làm mát, các hệ thống nước phục vụ và cứu hoả, các bình ngưng, các tháp giải nhiệt trong hệ thống nước làm mát thiết bị phụ, đường ống và các thiết bị gia nhiệt hạ áp, các bình khử khí, các tuabin hơi, các máy phát điện, đường ống gió và các bộ sấy không khí, các hệ thống khử lưu huỳnh trong khói lò hơi, các ống dẫn khói và ống khói.

Tiếp sức cho công nghệ năng lượng thay thế

Mặc dù vậy, lĩnh vực năng lượng thay thế mới là nơi công nghệ nano đang có những đóng góp nổi bật nhất. Ngày nay, ngành công nghiệp năng lượng tái tạo đang thể hiện tốc độ tăng trưởng nhanh nhất trong thị trường năng lượng thế giới: sản lượng phong điện toàn cầu tăng ba lần trong vòng năm năm trở lại đây, còn số lượng các tấm pin quang điện mặt trời được sản xuất ra nhiều gấp sáu lần năm 2000. Công nghệ nano đóng vai trò ngày càng quan trọng.

Chẳng hạn như số lượng các tấm pin quang điện mặt trời từ silicon hiện nay chiếm khoảng 95% toàn bộ các tấm pin mặt trời thương phẩm được bán trên thị trường. Các quá trình, vật liệu và thiết bị nano sử dụng trong lĩnh vực chế tạo chất bán dẫn đã được sử dụng để chế tạo các tấm pin silicon. Ngoài ra, những khám phá trong công nghệ nano đã đưa đến “công nghệ (năng lượng) mặt trời thế hệ kế tiếp” theo cách gọi của nhiều người: các tấm pin mặt trời từ silicon vô định hình siêu mỏng, vô cơ và hữu cơ, được phát triển từ các tinh thể nano, chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ so với các tấm pin mặt trời từ silicon thông thường. Chúng cũng mềm dẻo hơn, bớt giòn hơn và thậm chí có thể được sơn lên các kết cấu, tạo thêm nhiều khả năng phối hợp thiết kế kiến trúc với xây dựng. Đầu tư nhiều hơn cho nghiên cứu trong các công nghệ này đang tạo ra hiệu quả chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng ngày càng cao hơn, các công nghệ này càng gần hơn so với thời điểm thương mại hoá đầy đủ.

Lĩnh vực pin nhiên liệu cũng được hưởng lợi từ công nghệ nano. Nếu khả năng tồn tích đủ số lượng phân tử hydro vẫn còn là một vấn đề nan giải trong việc phát triển công nghệ pin nhiên liệu để áp dụng ở quy mô lớn, thì công nghệ nano đã mở ra khả năng này ngay trong pin nhiên liệu bằng cách sử dụng các cấu trúc nano của cácbon, zeôlít hoặc đất sét cục. Các điện cực (anốt và catốt) bằng pôlyme và oxít rắn sử dụng kỹ thuật nanô đang được chế tạo và tích hợp vào các pin nhiên liệu tạo ra hiệu suất và tính năng làm việc cao. Công nghệ nanô áp dụng cho pin nhiên liệu tạo ra hiệu quả cao hơn và giảm sử dụng các kim loại quý - chẳng hạn như sử dụng các hạt nano bằng bạch kim để tạo ra bề mặt lớn trên thể tích nhỏ - đồng thời cải thiện chức năng và độ bền vững của màng.

Trong công nghệ năng lượng tái tạo, có thể nói phong điện là nhánh chính được chấp nhận nhiều nhất, dạng năng lượng tái tạo này có giá thành ngày càng trở nên cạnh tranh với các dạng năng lượng truyền thống. Các quốc gia như Đức, Tây Ban Nha và Đan Mạch đã bắt đầu sử dụng một tỷ lệ đáng kể phong điện nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng ngày càng nhiều của họ. Tiềm năng sử dụng rộng rãi phong điện trên phạm vi toàn cầu vẫn còn rất lớn. Công nghệ nano giúp biến tiềm năng này thành hiện thực nhờ những cải thiện về hiệu suất tuabin gió.

Các loại chất bôi trơn mới chứa các hạt nano có tác dụng như những ổ bi siêu nhỏ giúp làm giảm trở lực ma sát tạo ra tuabin quay, nhờ đó giảm ăn mòn và xước trong toàn bộ vòng đời của máy. Các tiến bộ trong việc tạo ra các lớp phủ nanô, chẳng hạn như các công nghệ triệt băng và tự làm sạch, cũng giúp cải thiện hiệu suất bằng cách loại trừ hoàn toàn việc hình thành và tích tụ băng tuyết và bụi bẩn trên tuabin gió. Đóng góp hứa hẹn nhất của công nghệ nano xuất phát từ việc ứng dụng công nghệ vật liệu tiên tiến, vật liệu nanô compozit, vào các cánh tuabin, tạo ra cánh nhẹ và cánh cứng hơn nhiều. Công nghệ nano tác động đến lĩnh vực phong điện nói chung, bằng cách cải thiện tính năng làm việcvà độ tin cậy nhằm tạo ra tuổi thọ cao hơn, ít hư hỏng do mỏi hơn và chi phí phát điện thấp hơn.

Nhờ đổi mới chúng ta có thể cải thiện hiệu quả của các công nghệ hiện tại và tìm ra những phương cách mới giúp chúng ta trở nên thịnh vượng. Công nghệ nano mang lại cho chúng ta cơ hội đạt được sự phát triển bền vững và vượt qua được một trong những trở ngại lớn nhất của thời đại bằng cách sử dụng một vài trong số những cách thức đơn giản nhất và vi mô nhất.