Từ cánh tuabin gió đến bình chứa hydro: Vì sao sợi carbon đã trở thành "tiêu chuẩn" trong các vật liệu năng lượng?

Trong bối cảnh quá trình chuyển dịch năng lượng toàn cầu đang gia tốc hướng tới các giải pháp thấp carbon và sạch hơn, vật liệu đang lặng lẽ nổi lên như yếu tố then chốt thúc đẩy sự tiến bộ của công nghệ năng lượng. Từ những cánh quạt tuabin gió dài hơn một trăm mét đến các bình chứa hydro áp suất cao, sợi carbon ngày càng xuất hiện phổ biến trong các thiết bị cốt lõi của các nguồn năng lượng mới, từng bước chuyển mình từ một "vật liệu cao cấp" thành tiêu chuẩn thiết yếu trong ngành năng lượng.

Điều gì khiến loại sợi đen tưởng chừng bình thường này có khả năng chiếm vị trí không thể thay thế trong các lĩnh vực then chốt như điện gió và năng lượng hydro?

Cánh quạt tuabin gió đặt ra những yêu cầu khắt khe nhất định đối với vật liệu.

Điện gió, với tư cách là một trong những dạng năng lượng sạch trưởng thành nhất hiện nay, tiếp tục phát triển theo hướng nâng cao công suất (megawatt) và kéo dài chiều dài cánh quạt. Cánh quạt dài hơn giúp tăng diện tích quét, từ đó về lý thuyết nâng cao hiệu suất phát điện. Tuy nhiên, xu hướng này lại đặt ra những thách thức cực kỳ lớn đối với hiệu năng của vật liệu.

Các cánh quạt làm từ sợi thủy tinh truyền thống thường gặp phải các vấn đề về kết cấu và mỏi do trọng lượng bản thân quá lớn khi chiều dài cánh tăng lên. Sợi carbon, nhờ những ưu thế nổi bật về cường độ riêng và mô-đun đàn hồi riêng, mang lại giải pháp vượt trội nhằm đạt được mục tiêu "giảm trọng lượng và nâng cao hiệu suất" cho các cánh quạt tuabin gió.

Việc tích hợp các vật liệu composite gia cố bằng sợi carbon vào các khu vực chịu lực chính như dầm chính (main spar) và các vùng gia cường giúp giảm đáng kể trọng lượng tổng thể của cánh quạt, đồng thời nâng cao đáng kể độ cứng và tuổi thọ mỏi. Điều này không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho những bước đột phá mới trong việc kéo dài chiều dài cánh quạt mà còn làm giảm tải trọng liên quan đến vận chuyển, lắp đặt và vận hành toàn bộ tuabin, từ đó mở đường cho sự phát triển điện gió ngoài khơi cũng như các trang trại gió ở khu vực có tốc độ gió thấp.

Bình chứa hydro: Hỗ trợ cốt lõi cho việc giảm nhẹ trọng lượng và đảm bảo an toàn

Nếu năng lượng gió đại diện cho "phía phát điện" của năng lượng mới, thì năng lượng hydro là một hướng đi quan trọng đối với việc lưu trữ và sử dụng năng lượng. Trong hệ thống năng lượng hydro, việc lưu trữ an toàn và hiệu quả khí hydro áp suất cao vẫn là một thách thức then chốt không thể tránh khỏi.

Hiện nay, các bình chứa hydro áp suất cao loại III và loại IV đang chiếm ưu thế trên thị trường gần như đều sử dụng cấu trúc cuộn composite sợi carbon. So với các bình chứa kim loại truyền thống, bình chứa hydro làm từ sợi carbon mang lại những lợi thế rõ rệt trên nhiều phương diện:
(1) Nhẹ hơn: Trọng lượng giảm đáng kể so với dung tích lưu trữ hydro tương đương, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của phương tiện hoặc hệ thống.
(2) Khả năng chịu áp suất vượt trội: Đáp ứng được yêu cầu lưu trữ áp suất cao ở mức 35 MPa, 70 MPa và cao hơn nữa.
(3) Kháng ăn mòn và kháng mỏi: Chống được hiện tượng giòn hóa do hydro, đảm bảo độ an toàn và độ tin cậy trong thời gian dài.

Do đó, sợi carbon đã trở thành một vật liệu lõi không thể thiếu trong các phương tiện sử dụng pin nhiên liệu và các hệ thống lưu trữ/vận chuyển hydro.

Tại sao sợi carbon lại đặc biệt đến vậy?

Những ưu thế về hiệu năng của sợi carbon bắt nguồn từ cấu trúc vi mô độc đáo của nó.

Các nguyên tử carbon được sắp xếp theo hướng định hướng cao, tạo thành một cấu trúc tinh thể dạng graphit; mặc dù đường kính sợi thường chỉ khoảng 5–10 micromet, chúng vẫn có khả năng chịu được tải kéo cực kỳ lớn. Đồng thời, nhờ xử lý bề mặt và thiết kế cấu trúc vải, sợi carbon có thể hình thành các liên kết ổn định với các hệ nhựa, đáp ứng yêu cầu kết cấu của nhiều loại thiết bị năng lượng khác nhau.

Chính tính linh hoạt trong thiết kế cấu trúc và quy trình này khiến các vật liệu compozit sợi carbon đạt được sự cân bằng chưa từng có giữa độ bền, độ cứng, trọng lượng và độ bền lâu dài.

Trước đây, chi phí cao của sợi carbon đã hạn chế đáng kể việc sử dụng nó ứng dụng sự mở rộng. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, những tiến bộ công nghệ và quy mô ứng dụng ngày càng tăng đã dần thay đổi cục diện này:
(1) Công nghệ sợi carbon dạng sợi lớn (large-tow) đã trở nên trưởng thành, thúc đẩy việc giảm liên tục chi phí đơn vị.
(2) Việc tối ưu hóa liên tục vật liệu tiền thân và các quy trình sản xuất đã nâng cao hiệu suất sản xuất.
(3) Các công nghệ tái chế và tái sử dụng đang không ngừng được cải thiện.
(4) Nhu cầu gia tăng trong lĩnh vực năng lượng đang thúc đẩy sự phát triển công nghiệp quy mô lớn.
Xét trên cả hiệu năng tổng hợp lẫn chi phí toàn vòng đời, việc ứng dụng sợi carbon trong thiết bị năng lượng ngày càng trở nên khả thi về mặt kinh tế.

Ngoài điện gió và năng lượng hydro, phạm vi ứng dụng năng lượng của sợi carbon tiếp tục mở rộng.

Ngoài cánh quạt tuabin gió và bình chứa hydro, ranh giới ứng dụng của sợi carbon trong lĩnh vực năng lượng tiếp tục được mở rộng, ví dụ như:
(1) Kết cấu giá đỡ pin quang điện (photovoltaic) và các thành phần kết cấu
(2) Các thành phần cấu trúc và bảo vệ trong thiết bị điện hạt nhân
(3) Các thành phần chống ăn mòn trong thiết bị năng lượng đại dương
(4) Các kết cấu truyền tải và gia cường lưới điện

Có thể dự báo rằng khi các công nghệ năng lượng mới tiếp tục phát triển, sợi carbon sẽ đóng vai trò trong nhiều lĩnh vực then chốt hơn.

Từ cánh tuabin gió quay trước sức gió đến các bình chứa hydro vận hành dưới áp lực, sợi carbon đang định hình lại logic vật liệu của thiết bị năng lượng. Sợi carbon không chỉ đại diện cho một lựa chọn vật liệu nhẹ hơn và bền hơn, mà còn thể hiện mục tiêu chung về hiệu quả, an toàn và độ tin cậy trong kỷ nguyên năng lượng mới.

Khi sợi carbon chuyển từ vị thế một "tùy chọn cao cấp" sang trở thành "tiêu chuẩn ngành năng lượng", sự thay đổi này không chỉ phản ánh những tiến bộ trong khoa học vật liệu mà còn là một lựa chọn tất yếu trong quá trình chuyển dịch năng lượng.

Trong các hệ thống năng lượng tương lai, sợi carbon có thể trở nên phổ biến như thép ngày nay—nhưng nhẹ hơn, bền bỉ hơn và phù hợp hơn với các mục tiêu phát triển bền vững.