Công nghệ đồng phát nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng thế nào?

Vì vậy, lợi thế của đồng phát không nên được hiểu đơn giản là thiết bị phát điện có hiệu suất điện cao hơn. Giá trị chính nằm ở hiệu suất sử dụng nhiên liệu của toàn hệ thống. Theo U.S. EPA, hệ thống CHP điển hình đạt tổng hiệu suất khoảng 60–80%; một số cấu hình có thể vượt 80%, trong khi phương án thông thường gồm điện lưới kết hợp nồi hơi tại chỗ có hiệu suất sử dụng nhiên liệu tổng thể thấp hơn.

Đồng phát nâng hiệu quả bằng cách thu hồi phần nhiệt vốn bị lãng phí

Trong một thiết bị phát điện sử dụng nhiên liệu, không phải toàn bộ năng lượng hóa học của nhiên liệu được chuyển thành điện. Một phần đáng kể trở thành nhiệt trong khí thải, nước làm mát hoặc các dòng nhiệt khác. Nếu hệ thống chỉ có nhiệm vụ phát điện, phần nhiệt này thường phải được đưa ra môi trường qua ống khói, tháp giải nhiệt hoặc hệ thống làm mát.

Đồng phát thay đổi dòng năng lượng đó. Sau khi động cơ, turbine hoặc thiết bị chuyển đổi năng lượng tạo điện, bộ thu hồi nhiệt lấy năng lượng nhiệt còn lại để đáp ứng một tải nhiệt thực tế. Nhiệt có thể được chuyển thành hơi phục vụ quy trình, nước nóng, nhiệt sấy hoặc nhiệt cho tòa nhà, tùy nhiệt độ và cấu hình hệ thống.

Cơ chế nâng hiệu quả vì thế có thể biểu diễn đơn giản:

Nhiên liệu → điện hữu ích nhiệt hữu ích tổn thất

Thay vì:

Nhiên liệu → điện hữu ích lượng nhiệt thải lớn tổn thất

U.S. EPA cho biết tại nhiều nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, phần lớn năng lượng đầu vào không trở thành điện mà bị thải dưới dạng nhiệt. CHP tận dụng chính dòng nhiệt này và đồng thời có thể giảm tổn thất truyền tải, phân phối do điện thường được sản xuất gần nơi tiêu thụ.

Điểm quyết định là từ “hữu ích”. Nhiệt được thu hồi nhưng không có nơi sử dụng không thể được tính đầy đủ như một lợi ích năng lượng. Đồng phát chỉ phát huy ưu thế khi chất lượng, nhiệt độ, thời điểm và lượng nhiệt thu hồi tương thích với nhu cầu thực tế.

Tổng hiệu suất có thể cao hơn vì một lượng nhiên liệu tạo ra đồng thời hai sản phẩm năng lượng

Hiệu suất tổng của một hệ thống đồng phát thường được xác định theo quan hệ:

Hiệu suất tổng = (Điện hữu ích Nhiệt hữu ích) / Năng lượng nhiên liệu đầu vào

Giả sử một hệ thống nhận 100 đơn vị năng lượng nhiên liệu, tạo 35 đơn vị điện và thu hồi được 45 đơn vị nhiệt thực sự sử dụng. Tổng đầu ra hữu ích là 80 đơn vị, tương ứng hiệu suất tổng 80%.

Nếu sản xuất riêng hai đầu ra trên, phải cấp nhiên liệu cho cả nhà máy phát điện và thiết bị tạo nhiệt. Chẳng hạn, với giả định minh họa hiệu suất phát điện 36% và nồi hơi 80%, để tạo 35 đơn vị điện cần khoảng 97 đơn vị năng lượng nhiên liệu; để tạo 45 đơn vị nhiệt cần thêm khoảng 56 đơn vị. Tổng nhu cầu đầu vào khi đó khoảng 153 đơn vị, thay vì 100 đơn vị trong ví dụ đồng phát.

Phép tính này không phải mức tiết kiệm mặc định cho mọi dự án, mà minh họa lý do tích hợp hai quá trình có thể giảm lượng nhiên liệu cần để cung cấp cùng một tổ hợp điện và nhiệt. Các benchmark hiện hành của U.S. EPA cho thấy nhà máy điện hóa thạch tại Mỹ có hiệu suất trung bình khoảng 36%, nồi hơi tại cơ sở thường khoảng 75–85%, trong khi hệ thống CHP thường đạt tổng hiệu suất khoảng 65–80%.

Do đó, khi nói đồng phát “hiệu quả hơn”, phép so sánh đúng không phải chỉ là hiệu suất phát điện của máy CHP với một nhà máy điện. Cần so sánh tổng nhiên liệu của CHP với lượng nhiên liệu cần thiết để tạo ra cùng lượng điện và cùng lượng nhiệt hữu ích bằng hai hệ thống riêng.

Hiệu quả đồng phát phải tính cả điện lẫn nhiệt hữu ích, không chỉ nhìn vào hiệu suất điện

Một hệ thống CHP có thể có hiệu suất phát điện riêng không nổi bật nhưng vẫn sử dụng nhiên liệu rất hiệu quả nếu phần nhiệt còn lại được thu hồi tốt. Ngược lại, một thiết bị có hiệu suất điện cao nhưng phần nhiệt thu hồi không được sử dụng thì lợi thế đồng phát có thể giảm mạnh.

Đây là lý do tổng hiệu suất cần được đọc cùng cấu trúc đầu ra. Theo phương pháp của U.S. EPA, tổng hiệu suất CHP cộng điện hữu ích và nhiệt hữu ích rồi chia cho năng lượng nhiên liệu đầu vào. EPA lưu ý rằng chỉ số này có hạn chế: nó cộng điện và nhiệt theo đơn vị năng lượng mặc dù điện là dạng năng lượng có khả năng thực hiện công và giá trị sử dụng khác với nhiệt.

Để đánh giá sâu hơn, có thể sử dụng chỉ số hiệu suất điện hiệu dụng. Phương pháp này trước hết ước tính phần nhiên liệu mà một nồi hơi thông thường sẽ phải dùng để tạo lượng nhiệt tương đương, sau đó xem phần nhiên liệu còn lại của CHP đã tạo điện hiệu quả đến đâu. Cách tiếp cận đó giúp tránh kết luận rằng mọi hệ thống có tổng hiệu suất giống nhau đều mang lại mức tiết kiệm nhiên liệu giống nhau.

Vì vậy, khi đánh giá công nghệ đồng phát, ít nhất phải phân biệt ba đại lượng: hiệu suất điện, tỷ lệ nhiệt thực sự được sử dụng và hiệu suất tổng. Chỉ nhìn vào một con số tổng hợp có thể che khuất việc hệ thống đang tạo nhiều điện hay chủ yếu tạo nhiệt.

Nhu cầu nhiệt phải phù hợp với sản lượng điện thì đồng phát mới duy trì hiệu quả cao

Thu hồi nhiệt chỉ tạo ra giá trị khi cơ sở có tải nhiệt phù hợp. Một nhà máy cần hơi công nghệ đều đặn, một bệnh viện sử dụng nước nóng và nhiệt quanh năm hoặc một cơ sở có đồng thời nhu cầu điện và nhiệt ổn định thường có điều kiện thuận lợi hơn nơi chỉ cần nhiệt trong một số thời điểm ngắn.

Sự phù hợp này thường được gọi là matching giữa tải điện và tải nhiệt. Hệ thống phải được lựa chọn sao cho tỷ lệ điện–nhiệt mà thiết bị tạo ra tương đối phù hợp với tỷ lệ nhu cầu của cơ sở. Nếu sản lượng nhiệt vượt xa nhu cầu, phần dư phải thải bỏ; khi đó nhiên liệu vẫn được tiêu thụ nhưng một phần đầu ra không còn hữu ích.

Thời gian cũng quan trọng. Hai cơ sở có cùng tổng nhu cầu nhiệt hằng năm nhưng có thể đạt kết quả rất khác nếu một nơi cần nhiệt liên tục còn nơi kia chỉ có tải nhiệt theo mùa hoặc tập trung trong vài giờ. CHP đạt hiệu quả tốt nhất khi có thể vận hành trong thời gian dài ở vùng tải phù hợp và tận dụng phần lớn nhiệt sinh ra. U.S. EPA cũng lưu ý rằng hiệu quả và lợi ích phát thải của CHP phụ thuộc vào mức sử dụng nhiệt thực tế; khi công suất hoặc mức tận dụng nhiệt giảm, kết quả thực tế có thể thấp hơn điều kiện thiết kế.

Do đó, lựa chọn công suất CHP theo phụ tải cực đại chưa chắc tối ưu. Một hệ thống nhỏ hơn nhưng vận hành ổn định và sử dụng được nhiệt trong phần lớn thời gian có thể khai thác nhiên liệu tốt hơn một hệ thống lớn thường xuyên phải chạy tải thấp hoặc thải nhiệt.

Tổn thất nhiệt và vận hành ngoài điểm thiết kế có thể làm lợi thế hiệu suất giảm đáng kể

Con số hiệu suất danh định không tự động trở thành hiệu suất thực tế của cả cơ sở. Từ nguồn nhiệt thu hồi đến điểm sử dụng vẫn tồn tại tổn thất qua bộ trao đổi nhiệt, đường ống, bề mặt thiết bị và các quá trình chuyển đổi trung gian. Khoảng cách càng lớn hoặc nhiệt độ yêu cầu càng khác với nhiệt độ nguồn, phần năng lượng thực sự đến tải càng có thể giảm.

Chất lượng nhiệt cũng tạo ra giới hạn. Một dòng nhiệt ở nhiệt độ thấp không thể mặc nhiên thay thế nhu cầu hơi ở nhiệt độ và áp suất cao. Hệ thống có thể thu hồi nhiều năng lượng về mặt định lượng nhưng chỉ một phần đáp ứng được yêu cầu của quá trình sản xuất.

Hiệu suất còn thay đổi theo tải. Động cơ, turbine, bơm, máy nén và thiết bị thu hồi nhiệt đều có vùng vận hành tối ưu. Khi phụ tải điện hoặc nhiệt biến động lớn, CHP có thể phải chạy non tải, bật tắt thường xuyên hoặc thải bớt nhiệt, khiến hiệu suất trung bình năm khác đáng kể so với thông số tại tải định mức.

Ngoài ra, phải thống nhất cơ sở tính toán khi so sánh các hệ thống. Hiệu suất có thể được công bố theo nhiệt trị cao của nhiên liệu (HHV) hoặc nhiệt trị thấp (LHV); hai cách tính cho kết quả số khác nhau. So sánh trực tiếp các tỷ lệ sử dụng hai cơ sở khác nhau có thể dẫn đến kết luận sai dù cả hai thông số riêng lẻ đều đúng.

Vì vậy, giới hạn quan trọng của công nghệ đồng phát không nằm ở khả năng thu hồi nhiệt về mặt kỹ thuật, mà ở khả năng biến nhiệt thu hồi thành đầu ra thực sự có ích trong điều kiện vận hành của cơ sở.

Đánh giá hiệu quả đồng phát nên dựa trên mức nhiên liệu tiết kiệm cho cùng một nhu cầu năng lượng

Cách đánh giá có ý nghĩa nhất là đặt hai phương án cạnh nhau với cùng đầu ra yêu cầu: một bên là CHP tạo điện và nhiệt đồng thời; bên kia là điện được cung cấp riêng và nhiệt được tạo bằng nồi hơi hoặc thiết bị nhiệt độc lập.

Khi đó cần xác định lượng nhiên liệu đầu vào của hai phương án. Nếu CHP tạo cùng lượng điện và nhiệt hữu ích nhưng dùng ít nhiên liệu hơn, phần chênh lệch thể hiện mức cải thiện hiệu quả thực sự. Đây cũng là nguyên tắc trong phương pháp “fuel savings” của U.S. EPA: so sánh nhiên liệu CHP tiêu thụ với lượng nhiên liệu cần cho hệ thống phát điện và cấp nhiệt riêng biệt để tạo ra cùng đầu ra.

Trong thực tế, một đánh giá đáng tin cậy cần dựa trên hồ sơ phụ tải theo thời gian chứ không chỉ tổng điện và nhiệt hằng năm. Cần biết bao nhiêu nhiệt thu hồi sẽ thực sự được dùng, thiết bị thường vận hành ở mức tải nào, có bao nhiêu nhiệt phải thải, tổn thất trên mạng nhiệt ra sao và CHP thay thế loại nguồn điện, nồi hơi nào.

Điều đó giải thích vì sao mức tổng hiệu suất 60–80% là một benchmark hữu ích nhưng không phải lời bảo đảm cho mọi dự án. Một hệ thống được ghép tải tốt có thể tận dụng rất cao năng lượng nhiên liệu; một hệ thống có cùng công nghệ nhưng thiếu nhu cầu nhiệt có thể mất phần lớn lợi thế.

Công nghệ đồng phát nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng chủ yếu bằng cách thu hồi nhiệt từ quá trình phát điện và biến nó thành nhiệt hữu ích thay vì thải bỏ, đồng thời có thể giảm tổn thất do sản xuất điện gần nơi tiêu thụ. Nhờ đó, cùng một lượng nhiên liệu tạo ra nhiều đầu ra hữu ích hơn và lượng nhiên liệu cần cho một nhu cầu điện–nhiệt xác định có thể giảm đáng kể.

Tuy nhiên, hiệu quả thực tế không thể suy ra chỉ từ nhãn “CHP” hay một con số hiệu suất danh định. Lợi ích lớn nhất xuất hiện khi tải điện và tải nhiệt phù hợp, nhiệt thu hồi có chất lượng đáp ứng nhu cầu, hệ thống vận hành ổn định và phần lớn nhiệt sản xuất ra thực sự được sử dụng. Vì vậy, tiêu chí quan trọng nhất không phải “thu hồi được bao nhiêu nhiệt”, mà là bao nhiêu năng lượng của nhiên liệu cuối cùng trở thành điện và nhiệt có ích cho người sử dụng.