Đồng phát là gì? Tại sao cần lắp đặt hệ thống nhà máy nhiệt điện bên trong các khu sản xuất công nghiệp? Tất cả thắc mắc đều sẽ được giải đáp ngay trong bài viết này. 

Thông tin quan trọng

• Đồng phát là hệ thống nhiệt – điện kết hợp CHP với khả năng cung cấp năng lượng đạt hiệu quả gấp đôi các hệ thống nhiệt, điện riêng lẻ.
• Công nghệ đồng phát cho phép sử dụng một nhiên liệu thứ cấp duy nhất để tạo ra năng lượng nhiệt – điện cùng một lúc.
• Theo US Department of Energy, sử dụng đồng phát sẽ là một giải pháp hiệu quả và tối ưu nhất để tiết kiệm tiêu thụ năng lượng lên đến 15-40% so với việc sản xuất riêng biệt điện và nhiệt.

ĐỒNG PHÁT LÀ GÌ?

Một hệ thống nhà máy đồng phát

Trong tiếng Anh, công nghệ đồng phát còn được gọi là Cogeneration, là hệ thống máy điện sản xuất đồng thời cả hai nguồn năng lượng hữu ích – Nhiệt và Điện.

Thông thường, khi sản xuất điện, một lượng lớn nhiệt sẽ bị lãng phí do quá trình thất thoát ra ngoài môi trường. Nhưng hệ thống đồng phát cho phép sử dụng lại nguồn nhiệt đó để sản xuất nhiều loại năng lượng khác nhau, giúp tối ưu hóa hiệu suất sử dụng năng lượng.

Trong các nhà máy công nghiệp nhiệt điện hiện đại, hiệu suất có thể tăng gấp đôi, khả năng sản xuất điện và nhiệt đạt tối đa chỉ từ một nguồn năng lượng sơ cấp duy nhất.

Hơn nữa, nguyên liệu đầu vào của nhà máy nhiệt điện là những nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, thủy lực, địa nhiệt, biomass,…để tạo ra năng lượng bên trong hệ thống đồng phát nhiệt điện.

Bằng cách đó, hệ thống đồng phát giúp chúng ta hạn chế sử dụng các nhiên liệu hóa thạch, vốn là nguồn gây ô nhiễm môi trường cực kỳ nặng và giảm thiểu các tác nhân gây hại cho tự nhiên từ việc tận dụng những nguồn năng lượng xanh, sạch. 

Nhu cầu sử dụng năng lượng nhiệt và điện trong các nhà máy sản xuất

Trong các nhà máy sản xuất, nhu cầu sử dụng năng lượng điện và nhiệt là rất lớn. Các nhà máy sản xuất thường sử dụng năng lượng điện để vận hành các thiết bị, máy móc và hệ thống chiếu sáng. Năng lượng nhiệt cũng rất quan trọng trong quá trình sản xuất, chẳng hạn như để đun nước, sưởi ấm không gian làm việc hoặc để đốt cháy trong quá trình sản xuất.

Theo cách truyền thống, các nhà máy cần một hệ thống lò hơi công nghiệp để cung cấp năng lượng nhiệt theo nhu cầu sản xuất. Trong khi đó, để thỏa mãn nhu cầu điện năng thì các nhà máy phải lắp đặt trạm biến áp và nguồn điện sẽ phụ thuộc vào lưới điện quốc gia.

Khi nhu cầu năng lượng tại nhà máy được cung cấp riêng rẻ từ những nguồn khác nhau khiến tiêu tốn nguồn nhiên liệu đầu vào, hoang phí lượng lớn năng lượng do bị thất thoát trong quá trình truyền tải.

Trong khi đó, sử dụng công nghệ đồng phát có thể giúp doanh nghiệp tiết kiệm 20% chi phí. Điều này sẽ được nói rõ hơn vào phần sau. 

Cấu tạo của hệ thống đồng phát

Hệ thống đồng phát nhiệt điện (CO-GEN) rất phức tạp và bao gồm nhiều thiết bị quan trọng như lò hơi, turbine, bình ngưng, bơm cấp lò hơi, tháp giải nhiệt và nhiều thiết bị phụ khác. Mỗi thiết bị đóng vai trò quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống đồng phát nhiệt điện.

• Động cơ: Là thành phần chính của hệ thống đồng phát, động cơ sử dụng nhiên liệu (như dầu diesel, xăng, khí đốt hoặc nhiên liệu sinh học) để tạo ra năng lượng cơ học. Động cơ có thể có nhiều loại khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của hệ thống đồng phát.
• Máy phát điện: Là thành phần chuyển đổi năng lượng cơ học từ động cơ thành năng lượng điện. Máy phát điện bao gồm các thành phần như rotor, stator, bộ điều khiển, hệ thống tản nhiệt,..
• Hệ thống làm mát: Để đảm bảo động cơ và máy phát điện hoạt động ổn định, cần có hệ thống làm mát để giảm nhiệt độ của nước và dầu trong động cơ.
• Hệ thống điều khiển: Để đảm bảo hệ thống đồng phát hoạt động ổn định và hiệu quả, cần có hệ thống điều khiển để điều chỉnh thông số như tốc độ quay, điện áp, tần số, áp suất, nhiên liệu,..
• Hệ thống bảo vệ: Là thành phần đảm bảo an toàn cho hệ thống đồng phát và các thiết bị điện, bao gồm các cảm biến, bộ bảo vệ, thiết bị ngắt điện tự động,..
• Hệ thống điện: Bao gồm các thành phần như bộ điều khiển tụ, máy biến áp, bộ điều tiết điện áp,.. để điều chỉnh và cung cấp điện áp, tần số, hướng dòng điện theo yêu cầu của người sử dụng.
• Hệ thống nhiên liệu: Bao gồm bể nhiên liệu, hệ thống bơm, bộ lọc, đường ống,.. để cung cấp nhiên liệu cho động cơ.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của công nghệ đồng phát là sử dụng động cơ đốt trong hoặc động cơ khí nén để tạo ra động năng, sau đó sử dụng động cơ điện để chuyển đổi động năng này thành năng lượng điện.

Động cơ đốt trong hoặc động cơ khí nén được sử dụng để tạo ra động năng bằng cách sử dụng nhiên liệu như dầu diesel hoặc khí đốt để đốt trong buồng đốt, tạo ra nhiệt năng để làm nóng khí và tạo ra áp lực để đẩy động cơ quay.

• Điều khiển công suất điện: Công suất điện của máy phát điện sẽ được điều chỉnh bằng cách điều khiển lưu lượng hơi vào turbine. Khi tải tăng, cảm biến đo tải điện sẽ gửi tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm 505XT, bộ điều khiển này sẽ tính toán và điều chỉnh lưu lượng hơi vào turbine thông qua HGV để đảm bảo đáp ứng được yêu cầu về tải điện.
• Điều khiển thông số hơi vào: Điều khiển thông số hơi vào bao gồm nhiệt độ và áp suất hơi vào turbine. Cảm biến đo nhiệt độ và áp suất của hơi sẽ gửi tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm 505XT để tính toán và điều chỉnh thông số hơi vào để đảm bảo hoạt động ổn định của turbine.
• Điều khiển hơi của trích: Khi tải điện thay đổi, lưu lượng hơi trích cũng sẽ phải thay đổi để đảm bảo áp suất của trích ổn định. Cảm biến đo áp suất trích sẽ gửi tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm 505XT để tính toán và điều chỉnh lưu lượng hơi của trích thông qua LGV.

Ưu điểm của công nghệ đồng phát

Tiết kiệm năng lượng và chi phí

Hệ thống đồng phát cho phép tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và giảm thiểu lãng phí, giúp tiết kiệm chi phí hoạt động. Theo United Nations Industrial Development Organization, hệ thống đồng phát nhiệt điện được lắp đặt trong các nhà máy sản xuất có thể giúp giảm chi phí điện năng đến 20 – 30%.

Cụ thể, hệ thống đồng phát sử dụng một động cơ chạy bằng nhiên liệu như khí đốt, dầu diesel hoặc sinh khối để sản xuất năng lượng điện. Quá trình này cũng tạo ra một lượng nhiệt đủ để hệ thống đồng phát tái sử dụng, phục vụ cho các mục đích như sưởi ấm không gian hoặc đun sôi nước cho hệ thống nước nóng.

Ngoài ra, hệ thống đồng phát cũng có thể được kết hợp với các công nghệ tiết kiệm điện năng khác, chẳng hạn như các bộ lưu điện, hệ thống quản lý năng lượng, và thiết bị tiết kiệm điện khác, để tăng cường tính hiệu quả và tiết kiệm điện năng hơn nữa.

Giảm thiểu khí thải

Bằng cách sử dụng cùng một lượng nhiên liệu để sản xuất cả điện và nhiệt, hệ thống đồng phát sử dụng nhiên liệu hiệu quả hơn, giảm thiểu khí thải và tác động tiêu cực đến môi trường. So với việc sử dụng hệ thống nhiệt – điện riêng lẻ, công nghệ này giúp giảm đến ½ lượng CO2 thải ra môi trường , do đó, ít gây ô nhiễm môi trường hơn.

Ngoài ra, hệ thống đồng phát cũng có thể được thiết kế để sử dụng các loại nhiên liệu thân thiện với môi trường hơn, chẳng hạn như khí đốt sinh học, biomass hoặc năng lượng mặt trời. Việc sử dụng các loại nhiên liệu này giúp giảm lượng khí thải gây ô nhiễm, bảo vệ môi trường và cải thiện chất lượng không khí.

Hơn nữa, hệ thống đồng phát cũng có thể được kết hợp với các công nghệ khác, chẳng hạn như các bộ lọc khí thải, để giảm thiểu khí thải được thải ra môi trường. Các bộ lọc này giúp loại bỏ các chất độc hại trong khí thải, giảm thiểu tác động đến môi trường và cải thiện chất lượng không khí.

Theo một nghiên cứu của Oak Ridge National Laboratory, hệ thống đồng phát dùng khí đốt tạo năng lượng có thể giảm lượng khí thải carbon dioxide lên đến 40% và con số này là giảm đến 70% lượng khí thải nitơ oxit so với sản xuất điện và nhiệt riêng biệt.

Hiệu suất cao

Hiệu suất sử dụng năng lượng rất cao, đôi khi lên đến 80% đến 85%, nhiều hơn khoảng 20% – 25% so với công nghệ phát điện cũ. 

Mặc khác, nhiên liệu được sử dụng trong các hệ thống đồng phát có thể là biomass, rác thải công nghiệp,…Điều này giúp doanh nghiệp tăng hiệu hiệu quả chi tiêu, giảm chi phí cũng như giảm được lượng rác thải ra môi trường sống. 

Sử dụng tối ưu nguồn năng lượng bằng cách hạn chế tiêu hao nhiên liệu hóa thạch, thay vào đó là những nhiên liệu có lượng carbon thấp, nhưng vẫn cung cấp hơi nước có dải nhiệt cực kỳ cao, qua đó sử dụng hiệu quả và tối ưu năng lượng, tăng hiệu suất sản xuất. 

Lợi ích công nghệ đồng phát

Hiệu quả của đồng phát

Dựa trên nghiên cứu, công nghệ đồng phát có thể giảm đáng kể lượng khí thải CO2 ra môi trường. Theo Cục Bảo Vệ Môi Trường, Mỹ, khi so sánh hai nhà máy, một nơi có hệ thống nhiệt – điện riêng rẻ cho hiệu suất từ 50 – 60% trong khi nơi khác sử dụng hệ thống đồng phát lại đạt hiệu suất lên đến 80%. 

Nhờ đó, lượng phát thải giảm đáng kể dù cho hai phương pháp cùng tạo ra năng lượng tương đương nhau. Ví dụ, năng lượng tạo ra ở cả hai nhà máy là (35,000KW + 179,130MmBtu), trong khi công nghệ đồng phát chỉ thải ra 23.000 tấn/năm thì hệ thống lò riêng thải đến 45.000 tấn/năm, gấp đôi khả năng gây hại ra môi trường. 

Tiết kiệm 20% chi phí 

Khi nhiên liệu được đốt cháy trong công nghệ đồng phát, nước chuyển thành hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao. Sau khi ra khỏi lò hơi, một phần hơi nước được sử dụng để làm quay tuabin và tạo ra điện. Số khác lại được dùng để phục vụ quá trình sấy, sưởi, gia nhiệt,…

Nhờ đó, các doanh nghiệp có thể tiết kiệm ít nhất là 20% chi phí khi so với việc sử dụng hệ thống lò hơi và trạm biến áp riêng biệt. Ngoài ra, doanh nghiệp còn có khả năng chủ động cung cấp năng lượng cho chính hoạt động của mình mà không phải phụ thuộc vào hệ thống lưới điện quốc gia nữa.

Đây là một lợi ích to lớn cho doanh nghiệp sản xuất trong thời đại giá điện và năng lượng liên tục tăng giá. Ngoài việc tối thiểu chi phí giúp giảm giá thành sản phẩm, tăng cơ hội cạnh tranh, đem đến nhiều lợi nhuận, công nghệ đồng phát còn giúp giảm tải lượng lớn khí carbon ra môi trường, hỗ trợ tiến trình xanh hóa và phát triển bền vững.

Thách thức trong việc đầu tư hệ thống đồng phát 

Khi lắp đặt công nghệ đồng phát, doanh nghiệp buộc phải rà soát, kiểm tra và cơ cấu lại toàn bộ quy trình sản xuất cũng như nắm rõ yêu cầu sử dụng hơi và hệ thống điện trong nhà máy.

Việc này dù tốn thời gian, công sức và đòi hỏi một lượng chi phí đầu tư cao nhưng có thể giúp doanh nghiệp loại bỏ những quy trình rườm rà, lạc hậu và không đem lại hiệu quả.

Do đó, thách thức này trở thành cơ hội cho doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình sản xuất, từ đó nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường. 

Các loại hệ thống đồng phát  

Hệ thống đồng phát tuabin ngưng hơi 

Tua bin hơi là công nghệ đồng phát dạng sơ cấp và được áp dụng từ rất lâu, khoảng hơn 100 năm qua. Ban đầu, người ta sử dụng tuabin hơi để thay thế cho động cơ pittong do khả năng hoạt động linh hoạt, cho hiệu suất cao mà chi phí lại thấp. 

Các hệ thống đồng phát tuabin hơi có công suất nằm trong khoảng 50kW cho đến vài trăm MW và áp dụng chu kỳ Rankine giúp chuyển hóa nước thành hơi có nhiệt độ và áp suất cao. Khi đó, nước được bơm vào và đun nóng cho đến khi đạt nhiệt độ, áp suất nhất định.

Lúc này, nước từ dạng lỏng đã chuyển sang dạng hơi đã được gia nhiệt. Hệ thống tuabin đa cấp sẽ hạ nhiệt và áp suất của hơi rồi đưa hơi đến những thiết bị, bộ phận cần để phục vụ quá trình sản xuất. 

Hai kiểu tua bin hơi được sử dụng phổ biến nhất là tuabin đối áp và tuabin ngưng hơi và tích hơi. Sự khác nhau của cả hai hệ thống phụ thuộc và số lượng và chất lượng của hơi, nhiệt.

So với hệ thống đổi áp, tuabin ngưng – tích hơi có hiệu suất thấp hơn mà chi phí lại cao hơn. Nhưng hệ thống này lại có khả năng kiểm soát công suất điện để không phụ thuộc vào một hệ thống tải nhiệt nhờ khả năng điều chỉnh chính xác tốc độ lưu lượng hơi qua tuabin.

Hệ thống tuabin khí 

Hệ thống đồng phát tuabin khí hoạt động dựa trên chu trình Brayton để làm giãn nở, gia nhiệt,…không khí và được máy nè sử dụng để phát điện. Tuabin khí có thể đáp ứng gần như toàn bộ nhu cầu năng lượng của nhà máy. Sau đó, nguồn năng lượng có nhiệt độ cao sẽ được thu hồi sau khi giải phóng để phục vụ nhu cầu làm mát hoặc gia nhiệt cho các thiết bị.

Ngày nay, nhờ công nghệ phát triển, lượng khí tự nhiên sử dụng cho tuabin khi cũng có sẵn với số lượng lớn, chi phí lắp đặt càng rẻ và thời gian lắp đặt lại ngắn, dễ bàn giao nên hệ thống này càng được sử dụng rộng rãi. Bên cạnh nhiên liệu khí tự nhiên, thì các loại khác như diezen, dầu cũng có thể được sử dụng. Công nghệ đồng phát tuabin khí hoạt động với công suất khoảng 100MW.

Hệ thống động cơ pittong 

Công nghệ đồng phát với động cơ pittong phù hợp với nhiều ngành công nghiệp khác nhau để cung cấp đồng thời năng lượng nhiệt và điện. Với nhiều ưu điểm như khởi động nhanh, công suất lớn cũng như hiệu suất điện cao hơn hệ thống tuabin khí giúp giảm thiểu chi phí về nhiên liệu, năng lượng lẫn vận hành.

Hơn nữa, chi phí lắp đặt thấp hơn tuabin khí và việc bảo trì, bảo dưỡng dễ thực hiện cũng là một trong những lí do khiến doanh nghiệp ưa chuộng hệ thống này hơn. 

Kết luận  

Công nghệ đồng phát đang được ứng dụng rộng rãi khắp thế giới, điều này đủ để chứng tỏ tầm quan trọng lẫn lợi ích chiến lược của hệ thống này đối với nền kinh tế lẫn sản xuất công nghiệp. Tại Việt Nam, Zero Waste là một trong những công ty tiên phong nghiên cứu và phát triển công nghệ này.