Công nghệ giảm tiêu thụ tài nguyên bằng những cơ chế nào?

Vì vậy, cùng một công nghệ có thể không tạo ra mức tiết kiệm giống nhau ở mọi nơi. Giá trị thực phụ thuộc vào điểm xuất phát, loại tài nguyên, quy trình đang vận hành, khả năng điều khiển và việc dữ liệu có thực sự dẫn đến hành động hay không.

Đo lường biến tiêu thụ tài nguyên thành một đại lượng có thể kiểm soát

Muốn giảm một dòng tài nguyên, trước hết phải biết tài nguyên đang được sử dụng ở đâu, khi nào và với lượng bao nhiêu. Công tơ thông minh, cảm biến lưu lượng, cảm biến nhiệt độ, thiết bị đo điện năng và hệ thống giám sát sản xuất tạo ra dữ liệu ở độ phân giải cao hơn so với việc chỉ tổng hợp mức tiêu thụ cuối tháng.

Giá trị của phép đo nằm ở khả năng tách tổng mức tiêu thụ thành những nguyên nhân cụ thể. Chẳng hạn, một nhà máy có thể nhận ra một công đoạn tiêu thụ điện bất thường khi chạy không tải; một tòa nhà có thể phát hiện hệ thống làm mát hoạt động vào thời điểm không có người; mạng cấp nước có thể nhận ra lưu lượng nền bất thường trong khoảng thời gian đáng lẽ nhu cầu rất thấp.

Dữ liệu vì thế không trực tiếp tiết kiệm tài nguyên. Nó làm giảm bất định trong quyết định vận hành. Khi đã biết phần tiêu thụ nào tạo giá trị và phần nào không cần thiết, tổ chức mới có thể đặt ngưỡng, cảnh báo, lịch vận hành hoặc quy tắc điều khiển phù hợp.

Trong quản lý nước, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ cho biết hạ tầng đo đếm tiên tiến có thể thu thập dữ liệu sử dụng nước thường xuyên và chính xác hơn, qua đó hỗ trợ phát hiện rò rỉ và quản lý tài nguyên nước.

Tối ưu quy trình để tạo cùng đầu ra với ít tài nguyên đầu vào hơn

Sau khi có dữ liệu, cơ chế quan trọng tiếp theo là tối ưu tỷ lệ giữa đầu vào và đầu ra. Mục tiêu không nhất thiết là giảm sản lượng hoặc giảm mức dịch vụ, mà là loại bỏ phần nguyên liệu, điện, nhiên liệu hoặc nước không đóng góp tương ứng vào kết quả cần đạt.

Trong sản xuất, dữ liệu từ nhiều thiết bị có thể được liên kết với chất lượng sản phẩm, tốc độ dây chuyền, nhiệt độ, áp suất và mức tiêu hao. Thuật toán sau đó tìm vùng vận hành cho phép đạt yêu cầu sản phẩm với lượng đầu vào thấp hơn hoặc tỷ lệ phế phẩm nhỏ hơn. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ mô tả sản xuất thông minh là sự kết hợp giữa cảm biến tiên tiến, phân tích dữ liệu và điều khiển quá trình nhằm giám sát, kiểm soát năng lượng, năng suất và chi phí theo thời gian thực.

Cơ chế tương tự có thể áp dụng cho nhiều tài nguyên khác. Hệ thống tưới có thể điều chỉnh lượng nước theo trạng thái thực tế thay vì tưới theo một lịch cố định; hệ thống HVAC có thể điều chỉnh công suất theo tải nhiệt; phần mềm thiết kế có thể giảm lượng vật liệu ở những vị trí không chịu tải đáng kể.

Điểm quan trọng là phải đánh giá mức tài nguyên trên một đơn vị chức năng, chẳng hạn kWh trên một đơn vị sản phẩm hoặc mét khối nước trên một đơn vị đầu ra. Tổng tiêu thụ vẫn có thể tăng nếu quy mô hoạt động tăng nhanh hơn mức cải thiện hiệu suất. Do đó, “hiệu quả hơn” và “tiêu thụ tổng cộng ít hơn” không phải lúc nào cũng đồng nghĩa.

Tự động điều khiển giúp tài nguyên chỉ được cung cấp khi thực sự cần

Một phần lớn lãng phí xuất hiện vì thiết bị hoạt động theo lịch cố định, công suất cố định hoặc phản ứng quá chậm trước sự thay đổi của nhu cầu. Điều khiển tự động khắc phục vấn đề này bằng cách liên tục so sánh trạng thái thực tế với trạng thái mục tiêu rồi điều chỉnh thiết bị.

Ví dụ, cảm biến hiện diện có thể tắt chiếu sáng tại khu vực không sử dụng; hệ thống quản lý tòa nhà có thể thay đổi nhiệt độ đặt theo mật độ người; biến tần có thể giảm tốc độ động cơ khi tải giảm. Khi có mô hình dự báo, hệ thống còn có thể điều chỉnh trước khi nhu cầu thay đổi thay vì đợi sai lệch xảy ra.

Cơ chế này đặc biệt hữu ích với những hệ thống có nhu cầu biến động mạnh. Thay vì thiết kế mọi thời điểm cho mức tải cực đại, thiết bị có thể liên tục bám theo tải thực tế.

IEA từng ước tính trong một kịch bản số hóa rộng rãi rằng các công nghệ như bộ điều nhiệt thông minh và chiếu sáng thông minh có thể làm mức sử dụng năng lượng của các tòa nhà dân dụng và thương mại đến năm 2040 thấp hơn tới khoảng 10% so với kịch bản trung tâm, với điều kiện hiệu ứng bật lại của nhu cầu bị hạn chế. Đây là ước tính theo kịch bản chứ không phải mức tiết kiệm mặc định cho từng công trình.

Công nghệ còn có thể tối ưu thời điểm sử dụng tài nguyên. Điều chỉnh phụ tải điện sang thời điểm hệ thống có khả năng cung cấp hiệu quả hơn không nhất thiết làm giảm ngay số kWh của một thiết bị, nhưng có thể giảm tổn thất và nhu cầu xây dựng thêm năng lực cung cấp ở cấp hệ thống.

Dữ liệu vòng đời giúp sửa chữa, tái sử dụng và tái sản xuất thay vì thay mới

Giảm khai thác tài nguyên không chỉ đến từ việc dùng ít đầu vào trong mỗi lần vận hành. Một cơ chế khác là giữ sản phẩm, linh kiện và vật liệu tồn tại trong nền kinh tế lâu hơn.

Công nghệ hỗ trợ việc này bằng truy xuất nguồn gốc, hồ sơ bảo trì, chẩn đoán tình trạng, nhận dạng linh kiện và dữ liệu về cấu tạo sản phẩm. Khi người sửa chữa biết bộ phận nào đã hỏng, phụ tùng nào tương thích và cách tháo lắp, khả năng thay một linh kiện thay vì loại bỏ toàn bộ sản phẩm tăng lên. Khi đơn vị tái chế có thông tin về thành phần vật liệu, việc phân loại và thu hồi cũng chính xác hơn.

Digital Product Passport của Liên minh châu Âu là một ví dụ về cơ chế dữ liệu này. Ủy ban châu Âu cho biết hộ chiếu sản phẩm số có thể cung cấp thông tin phục vụ nhận dạng và truy xuất sản phẩm, sửa chữa, bảo trì, tân trang, phân loại, tháo dỡ và tái chế.

Tác động tài nguyên của việc giữ lại giá trị vật chất có thể lớn hơn nhiều so với chỉ tái chế ở cuối vòng đời. Nghiên cứu được Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc công bố từ International Resource Panel cho thấy trong các lĩnh vực được nghiên cứu, tái sản xuất có thể giảm nhu cầu vật liệu mới khoảng 80–98%, tân trang toàn diện khoảng 82–99% và sửa chữa khoảng 94–99% so với sản xuất sản phẩm mới tương ứng. Các con số này phụ thuộc ngành và phương thức giữ lại giá trị, nên không thể áp dụng như một tỷ lệ chung cho mọi sản phẩm.

Công nghệ ở đây không tự tạo ra tính tuần hoàn. Nó giảm những rào cản thông tin và kỹ thuật khiến việc sửa, tái sử dụng hoặc thu hồi vật liệu khó thực hiện.

Giám sát liên tục giúp phát hiện và chặn thất thoát trước khi trở thành lãng phí lớn

Không phải mọi tài nguyên tiêu thụ đều được sử dụng có chủ đích. Nước có thể rò khỏi đường ống, khí nén có thể thoát qua khớp nối, nhiệt có thể mất qua hệ thống bất thường, nguyên liệu có thể trở thành phế phẩm do thiết bị lệch chuẩn.

Công nghệ giảm loại tổn thất này bằng cách tìm sự khác biệt giữa trạng thái dự kiến và trạng thái quan sát được. Cảm biến lưu lượng có thể nhận diện mức dùng nước bất thường; phân tích rung có thể báo hiệu thiết bị xuống cấp; camera và hệ thống thị giác máy có thể phát hiện lỗi sản phẩm sớm; mô hình dự báo có thể nhận ra thiết bị đang dịch chuyển khỏi vùng vận hành bình thường.

EPA lưu ý rằng rò rỉ nước không được phát hiện có thể làm thất thoát hàng nghìn gallon mỗi năm trong một hộ gia đình. Thiết bị phát hiện rò rỉ và giám sát lưu lượng có thể nhận ra độ ẩm bất thường hoặc các mẫu dòng chảy cho thấy khả năng rò rỉ, cho phép can thiệp trước khi tổn thất tiếp tục tích lũy.

Cơ chế này khác với tối ưu hiệu suất. Tối ưu tìm cách giảm lượng tài nguyên cần thiết để hoàn thành một chức năng; kiểm soát thất thoát tìm cách loại bỏ lượng tài nguyên không bao giờ tạo ra chức năng mong muốn. Trong nhiều hệ thống cũ, việc xử lý phần thất thoát này có thể là bước hợp lý trước khi đầu tư vào những thuật toán tối ưu phức tạp hơn.

Hiệu quả chỉ xuất hiện khi công nghệ làm giảm tiêu thụ ròng của toàn hệ thống

Không nên mặc định số hóa luôn làm tổng tiêu thụ tài nguyên giảm. Cảm biến, thiết bị mạng, bộ xử lý, pin, máy chủ và trung tâm dữ liệu đều cần vật liệu và năng lượng để sản xuất cũng như vận hành. IEA vì vậy lưu ý rằng thiết bị số có thể tạo ra cải thiện lớn về hiệu quả nhưng việc gia tăng số lượng thiết bị và hạ tầng máy chủ cũng có khả năng làm tăng nhu cầu năng lượng nếu không được quản lý phù hợp.

Một giới hạn khác là hiệu ứng bật lại: khi công nghệ làm một dịch vụ rẻ hơn hoặc thuận tiện hơn, người dùng có thể sử dụng dịch vụ đó nhiều hơn. Một thiết bị tiết kiệm 20% năng lượng trên mỗi giờ hoạt động không bảo đảm tổng năng lượng giảm 20% nếu số giờ vận hành đồng thời tăng đáng kể.

Do đó, hiệu quả của công nghệ nên được đánh giá bằng chênh lệch giữa hai trạng thái có thể so sánh: mức sử dụng tài nguyên trước và sau can thiệp, được chuẩn hóa theo sản lượng hoặc mức dịch vụ khi cần. Với giải pháp có thêm phần cứng đáng kể, đánh giá đầy đủ còn phải xem xét tài nguyên dùng để sản xuất, bảo trì và thay thế chính hệ thống công nghệ.

Câu hỏi phù hợp vì thế không phải “công nghệ này có thông minh không?”, mà là nó loại bỏ dòng tiêu thụ hoặc thất thoát nào, bằng cơ chế nào, và mức tài nguyên ròng giảm được sau khi tính các chi phí bổ sung là bao nhiêu?

Công nghệ giảm tiêu thụ tài nguyên hiệu quả nhất khi nó tạo ra một vòng phản hồi rõ ràng giữa đo lường, phân tích và hành động. Từ nền tảng đó, tài nguyên có thể được dùng đúng lượng cần thiết, cung cấp đúng thời điểm, giữ lại lâu hơn trong vòng đời sản phẩm và ngăn không bị thất thoát ngoài ý muốn. Giá trị không nằm ở việc số hóa càng nhiều càng tốt, mà ở khả năng chứng minh rằng một cơ chế công nghệ cụ thể đã làm giảm lượng vật liệu, nước hoặc năng lượng cần để cung cấp cùng một chức năng.