Công nghệ sử dụng tài nguyên hiệu quả hoạt động theo nguyên lý nào?

Điểm cốt lõi không nằm ở việc “dùng ít” một cách tuyệt đối. Một giải pháp chỉ thực sự nâng hiệu quả tài nguyên khi lượng đầu vào cần cho một đơn vị đầu ra giảm, hoặc khi cùng một lượng tài nguyên tạo ra nhiều giá trị hữu ích hơn. Vì vậy, hiệu quả phải được đánh giá đồng thời ở đầu vào, quá trình chuyển đổi và dòng vật chất sau sử dụng.

Công nghệ sử dụng tài nguyên hiệu quả là gì?

UNEP mô tả hiệu quả tài nguyên theo hướng giảm lượng tài nguyên cần thiết, cùng lượng phát thải và chất thải phát sinh, trên mỗi đơn vị sản phẩm hoặc dịch vụ. OECD cũng tiếp cận theo năng suất tài nguyên: lượng đầu ra hoặc giá trị tạo được trên một đơn vị tài nguyên sử dụng.

Theo cách hiểu này, công nghệ sử dụng tài nguyên hiệu quả không phải một loại máy móc riêng biệt. Nó có thể là thiết bị tiết kiệm năng lượng, hệ thống điều khiển quá trình, công nghệ tuần hoàn nước, giải pháp thu hồi nhiệt, thiết kế giảm vật liệu hoặc một hệ thống sản xuất kết hợp nhiều công nghệ.

Hai cách đo phổ biến thể hiện cùng một nguyên lý theo hai chiều ngược nhau:

·         Năng suất tài nguyên = Đầu ra hoặc giá trị tạo ra / Lượng tài nguyên sử dụng

·         Cường độ tài nguyên = Lượng tài nguyên sử dụng / Đơn vị đầu ra

Năng suất tài nguyên tăng hoặc cường độ tài nguyên giảm cho thấy hệ thống tạo được nhiều giá trị hơn từ cùng một lượng đầu vào. Tuy nhiên, chỉ số cụ thể phải phù hợp với loại tài nguyên và quy trình đang đánh giá; không tồn tại một ngưỡng hiệu quả duy nhất áp dụng cho mọi ngành.

Nguyên lý cốt lõi là giảm tài nguyên cho mỗi đơn vị đầu ra

Một quá trình sản xuất có thể tiêu thụ ít nguyên liệu hơn tổng cộng chỉ vì sản lượng giảm. Điều đó không đồng nghĩa công nghệ đã hiệu quả hơn. Chỉ khi lượng nguyên liệu, nước hoặc năng lượng cần cho một đơn vị sản phẩm giảm mà chức năng và chất lượng đầu ra vẫn được duy trì thì hiệu suất sử dụng tài nguyên mới thực sự tăng.

Cơ chế này thường bắt đầu bằng việc xác định nơi tài nguyên đang được sử dụng nhưng không trở thành đầu ra hữu ích. Với nguyên liệu, đó có thể là phế phẩm, hao hụt khi gia công hoặc sản phẩm lỗi. Với năng lượng, tổn thất có thể xuất hiện dưới dạng nhiệt thải, ma sát hoặc thiết bị chạy không tải. Với nước, đó có thể là rò rỉ, sử dụng quá mức hoặc dòng nước còn khả năng tái sử dụng nhưng bị xả bỏ.

Công nghệ sau đó tác động vào chính điểm tổn thất: kiểm soát lượng cấp vào chính xác hơn, nâng hiệu suất chuyển đổi hoặc loại bỏ công đoạn không tạo giá trị. Vì thế, giảm đầu vào là kết quả của việc cải thiện quan hệ giữa đầu vào và đầu ra, không đơn thuần là đặt một giới hạn tiêu thụ thấp hơn.

Kiểm soát quá trình giúp ngăn thất thoát trước khi nó trở thành chất thải

Một phần đáng kể hiệu quả tài nguyên được tạo ra trước khi chất thải xuất hiện. Cảm biến, đo lường thời gian thực, tự động hóa và hệ thống điều khiển có thể giữ nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, tốc độ hoặc tỷ lệ phối trộn gần điều kiện cần thiết hơn.

Khi sai lệch quá trình giảm, lượng nguyên liệu bị xử lý sai cũng giảm theo. Ví dụ, cấp thừa vật liệu không chỉ làm tăng lượng nguyên liệu mua vào mà còn có thể kéo theo thêm năng lượng xử lý, nước làm sạch và chi phí xử lý phần dư. Kiểm soát chính xác một biến đầu vào vì vậy có thể đồng thời làm giảm nhiều dòng tài nguyên phía sau.

Cách tiếp cận này phù hợp với nguyên tắc sản xuất sạch hơn của UNIDO: ưu tiên phòng ngừa tổn thất và ô nhiễm ngay trong quá trình thay vì chỉ xử lý chúng sau khi đã phát sinh. Tuy nhiên, hiệu quả phụ thuộc vào khả năng đo đúng biến gây tổn thất. Thu thập nhiều dữ liệu nhưng không liên kết dữ liệu với quyết định vận hành sẽ không tự động làm giảm mức sử dụng tài nguyên.

Thu hồi và tuần hoàn giữ tài nguyên trong hệ thống lâu hơn

Không phải mọi phần dư đều có thể loại bỏ tại nguồn. Khi một dòng vật liệu, nước hoặc năng lượng vẫn còn giá trị sử dụng, công nghệ thu hồi có thể đưa nó trở lại quá trình thay vì coi ngay là chất thải.

Với vật liệu, nguyên lý này có thể là thu gom phần dư để tái sử dụng hoặc tái chế thành đầu vào. Với nước, hệ thống có thể xử lý một dòng nước đến chất lượng phù hợp rồi sử dụng lại cho công đoạn không yêu cầu nước mới. Với năng lượng, nhiệt từ khí thải hoặc nước nóng có thể được thu hồi để gia nhiệt cho một công đoạn khác.

Cơ chế tuần hoàn làm giảm nhu cầu tài nguyên sơ cấp vì một phần nhu cầu được đáp ứng bởi dòng tài nguyên đã có trong hệ thống. Nhưng tuần hoàn không phải lúc nào cũng có lợi vô điều kiện. Thu hồi, phân tách hoặc tái chế cũng cần năng lượng, thiết bị và đôi khi thêm nước hoặc hóa chất. Một vòng tuần hoàn chỉ nâng hiệu quả khi giá trị tài nguyên thu hồi lớn hơn phần tài nguyên bổ sung cần để đưa nó trở lại sử dụng.

Thiết kế sản phẩm và quy trình có thể loại bỏ nhu cầu tài nguyên ngay từ đầu

Một giới hạn của việc chỉ tối ưu thiết bị là nhu cầu tài nguyên đã được quyết định một phần từ giai đoạn thiết kế. Nếu một sản phẩm chứa nhiều vật liệu hơn mức cần thiết, khó sửa chữa hoặc buộc phải dùng quy trình gia công tạo nhiều phế liệu, công nghệ xử lý phía sau chỉ có thể giảm một phần tổn thất.

Thiết kế hiệu quả tài nguyên tác động sớm hơn: giảm số lượng hoặc khối lượng vật liệu nhưng vẫn đáp ứng chức năng, lựa chọn hình học giúp hạn chế phần cắt bỏ, kéo dài tuổi thọ hoặc tạo điều kiện để tháo rời và thu hồi vật liệu. Trong quy trình, việc tích hợp các công đoạn cũng có thể loại bỏ những bước vận chuyển, gia nhiệt, làm nguội hoặc làm sạch không cần thiết.

Cách tiếp cận này khác với xử lý chất thải ở chỗ nó loại bỏ nhu cầu tạo ra dòng tài nguyên dư ngay từ cấu trúc sản phẩm hoặc quy trình. Vì thế, cơ hội tiết kiệm thường không chỉ nằm ở việc thay máy bằng một thiết bị hiệu suất cao hơn mà còn ở việc xem lại vì sao tài nguyên đó phải được sử dụng ngay từ đầu.

Hiệu quả phải được kiểm tra trên toàn hệ thống thay vì một thiết bị riêng lẻ

Một công nghệ có thể cải thiện một chỉ số nhưng làm xấu đi chỉ số khác. Giảm khối lượng vật liệu chẳng hạn có thể không tạo lợi ích ròng nếu sản phẩm vì thế nhanh hỏng và phải được thay thế thường xuyên hơn. Tái chế sâu hơn cũng có thể làm giảm nhu cầu nguyên liệu nguyên sinh nhưng đồng thời tăng đáng kể năng lượng cho phân loại và xử lý.

Do đó, đánh giá hợp lý cần xác định ranh giới hệ thống và so sánh ít nhất ba nhóm chỉ số: lượng tài nguyên đầu vào trên đơn vị đầu ra, tỷ lệ tổn thất hoặc thu hồi, và chất lượng hoặc chức năng của đầu ra. Khi có nhiều loại tài nguyên liên quan, cần kiểm tra thêm việc giảm một đầu vào có chuyển gánh nặng sang năng lượng, nước hoặc vật liệu khác hay không.

Đây cũng là lý do không thể kết luận một công nghệ “sử dụng tài nguyên hiệu quả” chỉ từ tên công nghệ. Cùng một giải pháp có thể tạo mức cải thiện khác nhau tùy quy mô, tải vận hành, chất lượng đầu vào, cách điều khiển và khả năng sử dụng dòng tài nguyên thu hồi. Hiệu quả cuối cùng phải được chứng minh bằng số liệu trước và sau trong điều kiện có thể so sánh.

Giảm đầu vào và thất thoát thực chất diễn ra qua một chuỗi cơ chế

Các cơ chế trên liên kết với nhau theo một logic tương đối rõ: trước hết giảm nhu cầu tài nguyên không cần thiết, sau đó cấp lượng đầu vào chính xác hơn, nâng tỷ lệ chuyển đổi thành đầu ra hữu ích, ngăn lỗi và rò rỉ, rồi thu hồi phần tài nguyên vẫn còn giá trị.

Trong thực tế, có thể kiểm tra một công nghệ bằng cân bằng tài nguyên:

Tài nguyên đầu vào = Tài nguyên trong sản phẩm hữu ích Tài nguyên thu hồi được Tổn thất

Nếu cùng một mức đầu ra mà tổng đầu vào hoặc phần tổn thất giảm, hiệu quả tài nguyên đã được cải thiện. Nếu phần thu hồi tăng nhưng tổng đầu vào không giảm, cần xem lại tài nguyên thu hồi có thực sự thay thế đầu vào mới hay chỉ tạo thêm một dòng xử lý.

Vì vậy, ưu tiên thường nên dành cho phòng ngừa và giảm nhu cầu trước, sau đó mới đến thu hồi và tái chế phần không thể tránh. Cách tiếp cận này xử lý nguyên nhân của việc tiêu hao thay vì chỉ quản lý hậu quả sau khi tài nguyên đã bị sử dụng.

Công nghệ sử dụng tài nguyên hiệu quả hoạt động bằng cách làm tăng giá trị nhận được từ mỗi đơn vị vật liệu, năng lượng, nước hoặc tài nguyên khác. Nó đạt mục tiêu này thông qua giảm nhu cầu ngay từ thiết kế, kiểm soát đầu vào chính xác, nâng hiệu suất chuyển đổi, ngăn thất thoát và đưa các dòng còn giá trị trở lại sử dụng. Một công nghệ chỉ nên được xem là hiệu quả hơn khi các chỉ số trên đơn vị đầu ra chứng minh mức sử dụng hoặc thất thoát đã giảm mà chức năng cần thiết vẫn được duy trì, đồng thời không chuyển phần tiêu hao sang một tài nguyên khác.