Công nghệ tiết kiệm năng lượng giảm nhu cầu tài nguyên thế nào?

Nếu một quá trình cần 100 kWh để tạo ra một lượng đầu ra xác định và công nghệ mới chỉ cần 80 kWh cho cùng đầu ra, cường độ năng lượng của quá trình đó giảm 20%. Khi hiệu quả này được nhân lên trên nhiều thiết bị, nhà máy, tòa nhà hoặc phương tiện, hệ thống không chỉ tiết kiệm năng lượng ở điểm sử dụng mà còn giảm một phần tài nguyên cần thiết ở các khâu cung cấp năng lượng phía trước.

Ít năng lượng đầu vào làm giảm nhu cầu tài nguyên theo một chuỗi liên kết

Tác động bắt đầu ở thiết bị hoặc quy trình sử dụng năng lượng. Khi hiệu suất tăng, lượng điện, nhiệt hoặc nhiên liệu cần thiết cho một đơn vị công năng giảm. Nhu cầu thấp hơn ở điểm sử dụng sau đó truyền ngược về hệ thống cung ứng.

Với điện năng, giảm 1 kWh tiêu thụ không chỉ có nghĩa là thiết bị dùng ít điện hơn. Trong điều kiện phần điện đó thực sự không cần được sản xuất, hệ thống còn tránh được phần năng lượng sơ cấp dùng để phát điện và các tổn thất liên quan đến chuyển đổi, truyền tải hoặc phân phối. Nếu nguồn điện biên sử dụng nhiên liệu, nhu cầu nhiên liệu tương ứng cũng giảm.

Đối với quá trình dùng nhiên liệu trực tiếp, quan hệ còn rõ hơn. Một lò, động cơ hoặc dây chuyền có thể tạo cùng lượng sản phẩm với ít nhiên liệu hơn, làm giảm trực tiếp lượng nhiên liệu phải mua, vận chuyển và cung cấp cho hoạt động đó.

Chuỗi tác động có thể biểu diễn đơn giản:

Hiệu suất cao hơn → năng lượng trên một đơn vị đầu ra thấp hơn → tổng nhu cầu năng lượng thấp hơn → nhu cầu cung ứng năng lượng thấp hơn → giảm một phần tài nguyên và hạ tầng cần cho hệ thống cung ứng

Vì vậy, giá trị của tiết kiệm năng lượng không chỉ nằm ở hóa đơn năng lượng. Nó còn nằm ở lượng tài nguyên mà nền kinh tế không phải huy động để cung cấp một mức dịch vụ tương đương.

Công nghệ hiệu suất cao tách một phần tăng trưởng đầu ra khỏi tăng trưởng năng lượng

Không có cải thiện hiệu suất, tăng sản lượng thường kéo theo tăng nhu cầu năng lượng nếu các yếu tố khác giữ nguyên. Công nghệ hiệu suất cao làm giảm độ dốc của mối quan hệ này.

Giả sử một cơ sở tạo 1.000 đơn vị sản phẩm với 100 MWh, tương đương 0,1 MWh cho mỗi đơn vị. Sau cải tiến, cơ sở vẫn tạo 1.000 đơn vị nhưng chỉ cần 80 MWh. Cường độ năng lượng giảm từ 0,1 xuống 0,08 MWh/đơn vị.

Nếu sản lượng sau đó tăng 10% lên 1.100 đơn vị và hiệu suất mới vẫn được duy trì, nhu cầu năng lượng sẽ là khoảng 88 MWh. Trong ví dụ này, sản lượng cao hơn trước 10% nhưng tổng năng lượng vẫn thấp hơn mức 100 MWh ban đầu 12%.

Đây là điểm quan trọng khi đánh giá nhu cầu tài nguyên: hiệu quả năng lượng không chỉ có thể làm giảm tiêu thụ tuyệt đối mà còn có thể làm chậm tốc độ tăng nhu cầu khi sản lượng hoặc mức dịch vụ đang tăng.

IEA sử dụng mức cải thiện cường độ năng lượng sơ cấp như một chỉ báo quan trọng của tiến bộ hiệu quả năng lượng. Cơ quan này ước tính mức cải thiện toàn cầu chỉ khoảng 1% trong năm 2024, cho thấy hiệu quả năng lượng có thể tiến bộ về công nghệ nhưng tác động tổng thể vẫn phụ thuộc mạnh vào quy mô và cơ cấu nhu cầu.

Hiệu quả ở thiết bị có thể tạo mức giảm đầu vào rất lớn

Mức tiết kiệm phụ thuộc vào công nghệ được thay thế và điều kiện vận hành. Chiếu sáng là một ví dụ dễ quan sát. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ từng ghi nhận đèn LED sử dụng ít nhất khoảng 75% năng lượng hơn và có tuổi thọ cao hơn nhiều so với đèn sợi đốt trong phép so sánh tương ứng.

Nếu một hệ thống chiếu sáng sợi đốt cần 100 đơn vị điện để cung cấp một mức chiếu sáng nhất định, mức giảm 75% tương ứng với khoảng 25 đơn vị điện cho công năng tương đương. Phần 75 đơn vị không còn phải tiêu thụ cũng không cần được hệ thống điện cung cấp cho tải đó.

Trong công nghiệp, nguyên lý tương tự áp dụng cho động cơ, máy nén, bơm, quạt, lò gia nhiệt, hệ thống lạnh và các thiết bị điều khiển. Hiệu quả không nhất thiết chỉ đến từ thay một thiết bị bằng phiên bản hiệu suất cao hơn. Điều khiển tải, giảm chạy không tải, điều chỉnh tốc độ theo nhu cầu và tối ưu quy trình cũng có thể làm giảm năng lượng đầu vào mà không giảm đầu ra hữu ích.

Điểm cần phân biệt là hiệu suất thiết bị và hiệu quả của cả hệ thống. Một thiết bị rất hiệu suất cao vẫn có thể gây lãng phí nếu bị chọn quá công suất, vận hành ngoài vùng tối ưu hoặc phục vụ một quy trình có tổn thất lớn. Vì vậy, giảm nhu cầu tài nguyên lớn nhất thường xuất hiện khi công nghệ hiệu suất cao được kết hợp với thiết kế và vận hành hệ thống phù hợp.

Giảm năng lượng không đồng nghĩa với mọi loại tài nguyên đều giảm theo cùng tỷ lệ

Mối liên hệ giữa tiết kiệm năng lượng và tài nguyên không phải quan hệ một-một trong mọi trường hợp.

Trước hết, 20% điện tiết kiệm ở một thiết bị không thể tự động diễn giải thành 20% giảm đối với mọi nhiên liệu, khoáng sản, nước hoặc hạ tầng của hệ thống năng lượng. Tác động phía thượng nguồn phụ thuộc vào nguồn năng lượng nào được giảm, hiệu suất chuyển đổi, thời điểm giảm tải và cấu trúc của hệ thống cung ứng.

Thứ hai, công nghệ hiệu suất cao bản thân cũng cần vật liệu và năng lượng để sản xuất. Thiết bị điện tử công suất, vật liệu cách nhiệt, động cơ hiệu suất cao hoặc hệ thống điều khiển có thể làm tăng một số đầu vào vật liệu ở giai đoạn đầu tư. Lợi ích tài nguyên cần được đánh giá trên toàn bộ thời gian sử dụng thay vì chỉ nhìn vào lượng vật liệu có trong thiết bị.

Thứ ba, tiết kiệm trên mỗi đơn vị có thể bị bù một phần bởi nhu cầu tăng. Nếu chi phí vận hành giảm khiến thiết bị được sử dụng nhiều hơn, một phần năng lượng tiết kiệm kỹ thuật sẽ bị hấp thụ bởi mức sử dụng cao hơn. Đây là lý do không nên đồng nhất “hiệu suất tăng 20%” với “tổng tiêu thụ chắc chắn giảm 20%”.

Cuối cùng, tăng trưởng sản lượng có thể lớn hơn mức tăng hiệu suất. Một nhà máy giảm 20% năng lượng trên mỗi sản phẩm nhưng tăng sản lượng 40% vẫn có thể tiêu thụ tổng năng lượng cao hơn trước. Hiệu suất khi đó vẫn làm giảm nhu cầu tài nguyên so với trường hợp sản xuất cùng lượng hàng bằng công nghệ cũ, nhưng chưa chắc làm giảm nhu cầu tuyệt đối.

IEA cũng nhấn mạnh yếu tố này ở cấp hệ thống: cải thiện hiệu quả có thể bị bù bởi tăng trưởng sản xuất, thay đổi cơ cấu kinh tế và các nguồn tăng nhu cầu khác.

Muốn biết tài nguyên thực sự giảm bao nhiêu phải đo theo đầu ra và đường cơ sở

Đánh giá một công nghệ tiết kiệm năng lượng chỉ bằng tổng hóa đơn điện trước và sau thường không đủ. Sản lượng, thời tiết, thời gian vận hành hoặc mức sử dụng có thể đã thay đổi.

Chỉ số phù hợp hơn là lượng năng lượng trên một đơn vị đầu ra, chẳng hạn:

Cường độ năng lượng = Năng lượng tiêu thụ / Đầu ra hữu ích

Đầu ra hữu ích có thể là một tấn sản phẩm, một mét vuông diện tích được điều hòa, một giờ vận hành, một đơn vị dịch vụ hoặc một đại lượng kỹ thuật khác phù hợp với quá trình.

Ví dụ, mức tiêu thụ giảm từ 100 xuống 90 MWh có vẻ là tiết kiệm 10%. Nhưng nếu sản lượng đồng thời giảm từ 1.000 xuống 800 sản phẩm, năng lượng trên mỗi sản phẩm lại tăng từ 0,10 lên 0,1125 MWh. Tổng tiêu thụ thấp hơn trong trường hợp này không chứng minh rằng công nghệ đã hiệu quả hơn.

Ngược lại, nếu tiêu thụ tăng từ 100 lên 105 MWh nhưng sản lượng tăng từ 1.000 lên 1.200 sản phẩm, cường độ năng lượng giảm từ 0,10 xuống 0,0875 MWh/đơn vị, tương đương cải thiện 12,5%. Công nghệ đã giảm lượng năng lượng cần cho mỗi đơn vị đầu ra dù tổng tiêu thụ vẫn tăng.

ISO 50001:2018 áp dụng cách tiếp cận quản lý có hệ thống đối với hiệu quả, sử dụng các chỉ số hiệu suất năng lượng và đường cơ sở để theo dõi cải thiện thay vì chỉ nhìn vào mức tiêu thụ tuyệt đối. Phiên bản 2018 đã được ISO rà soát và xác nhận lại vào năm 2024.

Khi cường độ năng lượng đã được xác định, lượng năng lượng tránh được có thể ước tính bằng cách so sánh mức tiêu thụ thực tế với lượng năng lượng đáng lẽ phải dùng nếu hiệu suất cũ vẫn được duy trì cho cùng đầu ra. Từ phần năng lượng tránh được này mới có thể tiếp tục quy đổi sang nhu cầu nhiên liệu, điện năng, công suất hoặc các tài nguyên thượng nguồn liên quan.

Công nghệ tiết kiệm năng lượng giảm nhu cầu tài nguyên trước hết bằng cách giảm lượng năng lượng cần cho cùng một mức đầu ra hữu ích. Phần năng lượng không phải tiêu thụ kéo theo phần cung ứng không còn cần thiết, từ đó có thể giảm nhiên liệu, hoạt động chuyển đổi, vận chuyển và áp lực đầu tư vào năng lực cung cấp năng lượng.

Tuy nhiên, tác động thực tế phải được đánh giá theo cường độ năng lượng, đầu ra và đường cơ sở chứ không chỉ theo tổng tiêu thụ. Tăng trưởng nhu cầu, hiệu ứng dội ngược, cơ cấu nguồn năng lượng và đầu vào vật liệu của công nghệ có thể làm chênh lệch giữa mức tiết kiệm kỹ thuật và mức giảm tài nguyên tuyệt đối. Vì vậy, hiệu quả năng lượng có giá trị lớn nhất khi được nhìn như một cách tách nhu cầu tài nguyên khỏi mức dịch vụ và sản lượng, thay vì chỉ như một biện pháp giảm điện hoặc nhiên liệu tại một thiết bị riêng lẻ.