Tạo ra điện từ hỗn hợp nước thải và nước biển

Trước mắt, công nghệ mới có thể cho phép những nhà máy xử lý nước thải bên bờ biển tự vận hành bằng năng lượng chúng tự tạo ra, không còn xả thải khí carbon. Xa hơn, ta sẽ nghĩ tới những thứ không tưởng.

Muối cũng là một nguồn năng lượng. Thoạt nghe, ta sẽ tưởng như đây là thuật giả kim biến đá thành vàng, nhưng khoa học vốn vẫn kỳ diệu nhưng phép thuật thực sự. Các nhà nghiên cứu tại Stanford vừa phát triển thành công công nghệ thu thập năng lượng tái tạo tại vùng ven biển, nơi giao giữa nước mặn và nước ngọt. Thứ điện đặc biệt này được gọi là năng lượng xanh biển - blue energy, đây cũng là tên gọi chung cho mọi loại điện có quá trình sản xuất liên quan tới biển.

Đặc biệt hơn nữa, công nghệ mới đủ rẻ để áp dụng được ngay, đủ bền vững để tính tới chuyện lâu dài.

Trong báo cáo nghiên cứu mới , được đăng tải trên trang ACS Omega thuộc Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, các nhà khoa học mô tả một thiết bị pin tân tiến, cho phép những nhà máy xử lý nước thải dọc bờ biển có thể tự tạo năng lượng để vận hành, không cần móc nối với lưới điện quốc gia.

“Năng lượng xanh biển - blue energy là một nguồn năng lượng tái tạo dồi dào và chưa ai khai phá”, đồng tác giả nghiên cứu, Kristian Dubrawski nói. “Pin của chúng tôi là một bước tiến mới trong công nghệ lưu trữ năng lượng không cần màng bọc, không cần cơ chế vận hành vật lý hay một nguồn năng lượng đầu vào”.

Dubrawski làm việc cùng đồng tác giả nghiên cứu Craig Criddle, hiện là giáo sư ngành kỹ thuật môi trường, nổi tiếng với với những dự án tối ưu hóa công nghệ năng lượng; chính Criddle là người đưa sáng kiến ứng dụng hệ thống này vào các nhà máy xử lý nước thải bên bờ biển. Còn ý tưởng về hệ thống pin sử dụng nước muối và nước ngọt tới từ hai nhà khoa học là Yi Cui và Mauro Pasta, hai người công tác trong lĩnh vực khoa học vật chất và kỹ thuật.

Trong bài thử nghiệm, đội ngũ nghiên cứu quan sát kỹ càng khả năng tạo năng lượng từ tổ hợp giữa nước thải tới từ Nhà máy Quản lý chất lượng nước khu vực Palo Alto và nước biển lấy từ Vịnh Bán Nguyệt gần đó. Sau hơn 180 vòng sạc và xả, pin vẫn giữ được 97% hiệu năng.

Có thể lắp đặt công nghệ này tại bất cứ nơi nào có sự hiện diện của cả nước ngọt và nước mặn, nhưng việc thử nghiệm tại nhà máy xử lý nước thải quả là một quyết định sáng suốt, cung cấp một case study đầy giá trị. Nhà máy xử lý nước thải vốn ngốn nhiều năng lượng, chưa kể tới những hệ lụy có thể có mỗi khi mất điện.

Khi tặng cho những nhà máy xử lý nước ven biển một hệ thống cung cấp năng lượng khép kín, ta sẽ có một mũi tên trúng nhiều đích.

Nhà máy xử lý nước thải tại Los Angeles, nơi lý tưởng để áp dụng công nghệ mới.

Mỗi mét khối nước ngọt trộn với nước biển tạo ra khoảng 0,65 kilowat giờ điện, đủ cho 30 phút vận hành một căn nhà thông thường tại Mỹ. Trên lý thuyết, nếu áp dụng công nghệ mới với quy mô toàn cầu, lượng năng lượng có được từ các nhà máy xử lý nước thải ven biển sẽ đạt 18 gigawat, đủ để vận hành 1.700 căn nhà trong vòng một năm.

Nhóm nghiên cứu tại Stanford không phải nơi đầu tiên thành công trong sứ mệnh thu thập năng lượng xanh biển, điểm đáng chú ý là đây: họ ứng dụng công nghệ điện hóa mà không cần áp lực hay màng chắn. Khi tăng quy mô hệ thống đang được nghiên cứu này, ta vẫn sẽ thấy một công nghệ đơn giản, linh hoạt và không quá tốn kém.

Đầu tiên, natri và clorua từ điện cực tìm được vào tới dung dịch, tạo ra dòng điện giữa hai điện cực. Sau đó, một lượng nước thải trộn lẫn nước biển sẽ đi vào điện cực, “sạc” thêm natri và clorua rồi đảo chiều dòng điện.

Ta có thể thu thập năng lượng khi tiến hành xả lượng nước thải trộn nước biển, không cần cấp thêm năng lượng cho hệ thống và cũng không cần sạc lại pin. Điều này có nghĩa hệ thống pin liên tục sạc và xả mà không cần năng lượng đầu vào.

Dù rằng những bài thử ban đầu cho thấy lượng năng lượng đầu ra vẫn khiêm tốn (khi tính tới sản lượng/diện tích điện cực), công nghệ vẫn có chỗ đứng khi ít ô nhiễm, đơn giản, tạo vòng lặp sạc-xả ổn định. Các điện cực được cấu tạo từ hai loại vật liệu chính: xanh phổ - prussian blue, một thứ vật liệu được dùng nhiều trong thuốc nhuộm và thuốc giải độc, giá thành thấp hơn 1 USD/kg; thành phần còn lại là polypyrrole, một loại vật liệu thử nghiệm dùng trong chế tạo pin và một số thiết bị khác, giá thành mua sỉ chỉ dưới 3 USD.

Bên cạnh đó, hệ thống mới cũng không cần tới pin dự phòng, bởi lẽ hệ thống khá linh hoạt: những lớp phủ ngoài điện cực đảm bảo thiết bị không bị rỉ sét, bên cạnh đó không có cơ chế vận hành vật lý để phải lo lắng tra dầu mỡ hay bảo trì định kỳ. Thậm chí có thể chuyển lượng năng lượng thừa tới những nhà máy lân cận.

“Nhờ khoa học, ta có được một giải pháp tinh tế tuyệt vời cho một vấn đề vô cùng phức tạp”, nhà nghiên cứu Dubrawski nói. “Ta cần thử nghiệm ở quy mô lớn hơn, cho dù chưa thể ngay lập tức áp dụng công nghệ sản xuất năng lượng danh dương ở mức toàn cầu, nhưng đây vẫn là điểm xuất phát lý tưởng cho một công nghệ tiến bộ mới”.

Để xem khả năng của hệ thống pin mới tới được đâu, các nhà nghiên cứu đang tiến hành tăng quy mô, thử nghiệm xem một loạt pin sạc-xả cùng lúc sẽ hiệu quả tới mức nào.