Công bố phát minh phá vỡ giới hạn vật lý thông thường, có thể làm rung chuyển ngành năng lượng thế giới

Bước đột phá mới của Trung Quốc mở đường cho việc nấu chảy quặng bằng ánh sáng mặt trời.

Các nhà khoa học Trung Quốc vừa công bố một loại bơm nhiệt siêu cao áp, không có bộ phận cơ khí chuyển động, có khả năng sử dụng năng lượng mặt trời hoặc nhiệt thải công nghiệp để cung cấp nhiệt cho những ngành tiêu thụ năng lượng lớn nhất thế giới.

Công nghệ này do nhóm nghiên cứu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) phát triển, dưới sự dẫn dắt của tiến sĩ Vật lý Luo Ercang, đồng thời là Viện trưởng Viện Vật lý và Hóa học Kỹ thuật. Nhóm đã ứng dụng một loại bơm nhiệt Stirling nhiệt – âm (thermoacoustic) cải tiến, cho phép “nâng cấp” nhiệt độ thấp lên mức cao hơn đáng kể so với các bơm nhiệt thông thường.

Trong thử nghiệm phòng thí nghiệm, nguyên mẫu đạt nhiệt độ đầu ra 270°C, trong khi chỉ sử dụng nguồn nhiệt đầu vào ở mức 145°C. Kết quả này vượt qua ngưỡng giới hạn thực tế lâu nay là khoảng 200°C – rào cản đã kìm hãm phần lớn công nghệ bơm nhiệt công nghiệp suốt nhiều thập kỷ.

Không giống các hệ thống nén hơi thông thường, bơm nhiệt mới không sử dụng bất kỳ bộ phận cơ học chuyển động nào. Thay vào đó, nó dựa trên nguyên lý nhiệt – âm, tức sự tương tác giữa sóng âm và nhiệt năng.

Hệ thống này chuyển đổi nhiệt năng thành các sóng âm đứng cường độ cao, sau đó dùng các sóng này để bơm năng lượng từ nguồn nhiệt thấp lên nguồn nhiệt cao. Thiết kế bơm cho phép khai thác các nguồn nhiệt khiêm tốn như nhiệt mặt trời, nhiệt từ lò phản ứng hạt nhân hoặc khí thải công nghiệp, rồi chuyển hóa thành nhiệt chất lượng cao.

Nguồn nhiệt đầu ra này phù hợp cho các ngành như gốm sứ, hóa dầu và luyện kim – những lĩnh vực khó giảm phát thải và hiện vẫn phụ thuộc lớn vào nhiên liệu hóa thạch.

Hiện nay, nhiệt công nghiệp chiếm khoảng 40% tổng tiêu thụ năng lượng nhiệt của Trung Quốc. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), các lựa chọn công nghệ của Trung Quốc sẽ có ảnh hưởng lớn tới lộ trình khử carbon toàn cầu. Đáng chú ý, Trung Quốc đang lãng phí từ 10–27% tổng năng lượng dưới dạng nhiệt thải. Việc thu hồi và nâng cấp dù chỉ một phần nhỏ lượng nhiệt này cũng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất công nghiệp và giảm phát thải carbon.

Hiện nay, các máy bơm nhiệt hấp thụ tiên tiến thường cung cấp nhiệt độ khoảng 100°C, còn các máy biến áp nhiệt hấp thụ khó vượt quá 200°C.

Nhiều ngành như sản xuất giấy, nhuộm, bia rượu hay dược phẩm cần nhiệt độ từ 100–200°C. Các ngành nặng hơn như gốm sứ, luyện kim và hóa dầu thường yêu cầu nhiệt độ từ 200°C đến trên 1.000°C.

Theo ông Luo và các cộng sự, khi vật liệu và thiết kế hệ thống tiếp tục được cải thiện, các bơm nhiệt siêu cao nhiệt độ có thể cung cấp nguồn nhiệt không carbon lên tới 1.300°C vào năm 2040.

“Phát triển các bơm nhiệt công nghiệp siêu cao áp và có khả năng sử dụng năng lượng hiệu quả, sẽ là một trong những con đường then chốt để Trung Quốc đạt được mục tiêu giảm phát thải carbon kép của Trung Quốc”, ông Luo nhấn mạnh trong thông cáo báo chí.

Ở mức nhiệt này, các nhà khoa học CAS cho rằng năng lượng mặt trời hoặc hạt nhân hoàn toàn có thể được sử dụng cho các quy trình như tinh luyện kim loại hay sản xuất hóa chất – những lĩnh vực hiện vẫn phụ thuộc nặng nề vào nhiên liệu hóa thạch.

Dù việc triển khai quy mô lớn chưa thể diễn ra trong ngắn hạn, nhóm nghiên cứu tin rằng công nghệ này về lâu dài sẽ cho phép các nhà máy tự tái chế nhiệt thải hoặc khai thác ánh nắng mặt trời để vận hành những quy trình công nghiệp khó khử carbon nhất hiện nay.

Tham khảo: SCMP