Giờ đây, AtmosZero là công ty khởi nghiệp do Addison Stark (SM ’10, PhD ’14), Todd Bandhauer và Ashwin Salvi sáng lập đang theo đuổi một cách tiếp cận mới nhằm điện hóa nồi hơi hơi nước đã tồn tại hàng thế kỷ. Công ty phát triển một bơm nhiệt mô-đun có khả năng cung cấp hơi nước công nghiệp ở nhiệt độ lên tới 150°C, đủ để thay thế trực tiếp các nồi hơi đốt nhiên liệu hóa thạch.

Theo AtmosZero, hệ thống hơi nước công suất 1 MW đầu tiên của họ có chi phí vận hành thấp hơn đáng kể so với các giải pháp điện hiện có, nhờ công nghệ máy nén siêu hiệu quả tiêu thụ ít hơn 50% điện năng so với nồi hơi điện trở. Các nhà sáng lập kỳ vọng điều này sẽ đủ sức thúc đẩy một “cuộc cách mạng công nghiệp” mới dựa trên nồi hơi khử carbon.

“Hầu như mọi hệ thống sản xuất hiện nay đều được xây dựng xoay quanh sự sẵn có của hơi nước,” Stark hiện là CEO AtmosZero cho biết. “Điện hóa hơi nước một cách hiệu quả về chi phí đòi hỏi đổi mới có khả năng mở rộng, tức là sản phẩm sản xuất hàng loạt, không phải những dự án đơn lẻ.”

Khai thác tiềm năng của hơi nước

Stark đến MIT năm 2007 theo học Chương trình Công nghệ và Chính sách, sau đó hoàn thành song bằng thạc sĩ khi bổ sung ngành kỹ thuật cơ khí. Ông tiếp tục ở lại MIT để lấy bằng tiến sĩ, nghiên cứu về nhiên liệu sinh học nhiệt hóa học.

Sau MIT, Stark làm việc tại ARPA-E (Bộ Năng lượng Mỹ), tập trung vào hiệu quả sản xuất, mối liên hệ năng lượng–nước và điện hóa. “Một phần công việc của tôi là áp dụng kiến thức để tái tưởng tượng những công nghệ đã gần như không đổi suốt 50 năm,” ông nói. “Bộ trao đổi nhiệt là nền tảng. Tôi tự hỏi: liệu có thể thiết kế lại nó dựa trên những tiến bộ mới trong sản xuất?”

Thách thức này vừa khó vừa có tác động lớn: hơn 2,2 gigaton CO₂ được phát thải mỗi năm chỉ để biến nước thành hơi — trên 5% tổng phát thải năng lượng toàn cầu.

Năm 2020, Stark đồng tác giả bài báo trên Joule với Gregory Thiel mang tiêu đề “Để khử carbon công nghiệp, chúng ta phải khử carbon nhiệt”, qua đó chỉ ra tiềm năng của bơm nhiệt điện tiêu chuẩn hóa, có thể mở rộng. Tuy nhiên, hầu hết nồi hơi điện hiện nay làm tăng mạnh chi phí vận hành và thường phụ thuộc vào nhiệt thải, kéo theo các cải tạo tốn kém.

“Cách duy nhất để đưa phát minh này ra thế giới là tự thành lập và điều hành công ty,” Stark thừa nhận. AtmosZero chính thức ra đời năm 2022, cùng Todd Bandhauer — người phát triển công nghệ máy nén môi chất lạnh tại Đại học Bang Colorado — và Ashwin Salvi.

Trái tim của hệ thống: máy nén

“Máy nén là động cơ của bơm nhiệt và quyết định hiệu suất, chi phí và hiệu năng,” Stark nói. Khi nhiệt độ đầu ra càng cao, hiệu suất bơm nhiệt càng bị giới hạn bởi nhiệt động lực học. Bằng cách tối ưu hiệu suất trong dải vận hành phù hợp với môi chất lạnh và sản xuất chính xác máy nén, AtmosZero tối đa hóa hiệu quả từng cấp nén.

Hệ thống có thể tận dụng nhiệt thải từ không khí hoặc nước, nhưng không bắt buộc. Thay vì tăng độ phức tạp, chu trình bơm nhiệt của AtmosZero lấy nhiệt từ không khí môi trường để làm ấm chất tải nhiệt lỏng, làm bay hơi môi chất lạnh và đưa qua chuỗi máy nén – trao đổi nhiệt, đạt nhiệt độ đủ để đun sôi nước, đồng thời thu hồi nhiệt khi môi chất hạ nhiệt. Hệ thống tăng/giảm công suất linh hoạt, tích hợp mượt mà với quy trình hiện có.

“Chúng tôi vận hành giống hệt nồi hơi đốt,” Stark khẳng định. “Khách hàng không muốn thay đổi cách nhà máy vận hành chỉ để điện hóa.”

Từ 1 đến 1.000

AtmosZero đã vận hành hệ thống thí điểm 650 kW tại một cơ sở khách hàng gần trụ sở ở Loveland, Colorado. Mục tiêu hiện tại là chứng minh độ bền và độ tin cậy quanh năm, đồng thời chuẩn bị mở rộng sản xuất.

Theo Stark, hệ thống có thể lắp đặt trong một buổi chiều và đưa vào vận hành sau vài ngày, gần như không cần dừng máy. Công ty đặt mục tiêu bàn giao vài đơn vị trong 1–2 năm tới, sau đó mở rộng lên hàng trăm đơn vị mỗi năm, tập trung vào các nhà máy có nhu cầu nhiệt đỉnh dưới 10 MW — chiếm đa số cơ sở sản xuất tại Mỹ.

Dù nhiều startup liên kết MIT đang khử carbon theo từng ngành (như Boston Metal cho thép hay Sublime Systems cho xi măng), Stark cho rằng điểm chung xuyên suốt của công nghiệp là hơi nước.

“Hơi nước hiện diện ở khắp mọi phân khúc,” ông nói. “Nó không thể bị loại bỏ khỏi công nghiệp. Vì vậy, chúng ta cần cách cung cấp hơi nước phát thải thấp, thay vì cố gắng loại bỏ nó.”