Nhiệt và điện kết hợp (Combined Heat and Power - CHP) sẽ phát triển mạnh khi thế giới chạy đua chuyển đổi sang năng lượng hiệu quả hơn, phát thải thấp hơn. Đây là công cụ đa nhiệm đã được chứng minh tạo ra năng lượng tại chỗ bằng cách sử dụng các công nghệ và nhiên liệu khác nhau. Chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam tổng hợp những thông tin mới nhất liên quan đến công nghệ này.
Vài nét về công nghệ CHP:
CHP (Combined Heat and Power) có thể hiểu là đồng phát, còn gọi là điện nhiệt kết hợp, là việc sử dụng động cơ nhiệt, hoặc máy điện để tạo đồng thời cả điện lẫn nhiệt hữu ích. Tất cả các nhà máy điện phát ra một lượng nhiệt nhất định trong quá trình phát điện. Nếu không tận dụng, nhiệt thừa có thể bị đào thải ra môi trường tự nhiên.
Lưu trình công nghệ CHP.
CHP thường có công suất cỡ trung và nhỏ đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng trong các nhà máy công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm từ những năm 1950, là công nghệ biến đổi năng lượng từ các nguồn phế thải sinh khối (bã mía, trấu, mùn cưa, gỗ vụn…) để cung cấp năng lượng chạy lò hơi, sau đó hơi nước từ lò hơi được dùng chạy tua bin phát điện.
Phần hơi nước sau khi ra khỏi tua bin phát điện vẫn còn một phần nhiệt năng sẽ được dùng để cấp nhiệt cho các hộ tiêu thụ nhiệt (cho đun nấu, lò sưởi…) để phục vụ mục đích công nghiệp. Việc sản xuất hai dạng năng lượng của CHP đem đến hiệu quả sử dụng năng lượng cao, có thể đạt được tổng hiệu suất hệ thống lên tới trên 80%.
CHP có thể khác nhau về kích thước, đáp ứng các yêu cầu năng lượng phân tán, hoặc cố định cho các hộ dùng cuối như: Bệnh viện, trường học, khách sạn, viện dưỡng lão, tòa nhà văn phòng, hay khu chung cư, cũng như cho hệ thống năng lượng lớn hơn, lưới điện siêu nhỏ, nhà máy và ngành công nghiệp khác và thậm trí cả các nhà máy điện. CHP có khả năng thu hồi nhiệt và có độ tin cậy cao, có khả năng sản xuất nhiệt, điện 24 giờ một ngày, hoạt động độc lập với lưới điện, hoặc được triển khai với khả năng khởi động đen để cung cấp một hệ thống đáng tin cậy, thay thế hiệu quả về chi phí cho việc lắp đặt máy phát điện dự phòng.
Nhờ những thuộc tính này, công nghệ đã áp dụng rộng trên toàn thế giới, tăng 30% từ năm 2009 đến năm 2019. Theo Tập đoàn công nghiệp toàn cầu COGEN World Coalition (CWC): Sản lượng của các hệ thống CHP vào năm 2019 là 11.200 TWh nhiệt và 4.159 TWh điện, chiếm hơn 15% tổng sản lượng điện. Nhưng thị phần này lại “chao đảo” theo khu vực, giảm trong bối cảnh nhu cầu ngày càng tăng.
Thực trạng CHP trên thế giới và Việt Nam:
Theo CWC: Đại diện cho các công ty lớn về nhiệt và điện kết hợp (CHP), các thị trường phát triển nhất trên thế giới về công nghệ CHP tập trung ở châu Á - Thái Bình Dương, châu Âu, châu Mỹ, và ở một mức độ nhỏ hơn tại châu Phi, Úc.
Năm 2019, hơn một nửa (59,39%) hệ thống CHP trên toàn thế giới dựa vào than, cũng như các sản phẩm từ than, và gần một phần ba (32,28%) dựa vào khí đốt tự nhiên. Chưa đến 1% nhà máy CHP trên thế giới được cung cấp năng lượng từ than bùn, dầu đá phiến và dầu cát, năng lượng hạt nhân, địa nhiệt, năng lượng tái tạo (gió, mặt trời).
Trong khi châu Âu hiện đang sản xuất 700 TWh điện CHP - chủ yếu từ tua bin hơi nước và tua bin khí chu trình kết hợp. Tỷ lệ CHP của châu Âu chiếm 20% trong tổng nguồn điện đã giảm, một phần do khủng hoảng giá năng lượng. Các nhà máy CHP của châu Âu, dẫn đầu là Đức, chủ yếu chạy bằng khí đốt tự nhiên, tiếp theo là các nguồn tái tạo như nhiên liệu sinh học và sinh khối. Tuy nhiên, than vẫn chiếm một tỷ trọng lớn trong sản xuất CHP của Đông Âu.
Thị trường CHP của Bắc Mỹ sản xuất khoảng 330 TWh, chiếm khoảng 6,8% tổng hỗn hợp điện. Theo CWC, tỷ lệ này đã giảm, mặc dù thị trường hầu như “không thay đổi trong thập kỷ qua”. Khí đốt tự nhiên là nhiên liệu chiếm ưu thế của CHP ở Hoa Kỳ và Canada. Thị trường CHP Trung và Nam Mỹ nhỏ hơn nhiều, sản xuất 87 TWh, phụ thuộc 70% vào nhiên liệu sinh học, bao gồm sinh khối, khí sinh học, chất thải. Riêng Brazil chiếm tới 90% tổng công suất CHP của khu vực.
Thị trường CHP lớn nhất thế giới cho đến nay là ở khu vực châu Á - Thái Bình Dương (sản xuất gần 3.000 TWh) - một phần đáng kể trong tổng số 4.000 TWh toàn cầu của CHP. Sản lượng nhiệt tăng trưởng ổn định, nhưng 68% thị trường đó bị chi phối bởi Trung Quốc - nơi sản xuất “gần như tất cả” năng lượng CHP từ than đá, chủ yếu để sưởi ấm.
Theo trang tin Ebookbkmt: Khả năng phát triển công nghệ CHP tại Việt Nam rất lớn và triển vọng bởi quan hệ giữa Việt Nam và các nước trong khối EU ngày càng được cải thiện, nên có thể nhập công nghệ này với vốn đầu tư ban đầu không cao từ Hà Lan, Phần Lan và Đan Mạch.
Trên thực tế, nguồn phế thải công nghiệp ở nông thôn ở Việt Nam còn chưa được sử dụng nhiều. Nếu với sản lượng lúa hàng năm khoảng vài ba chục triệu tấn lúa, lượng trấu thải ra từ các nhà máy xay xát có thể dùng phát điện lên tới 757.200 tấn, để sản xuất ra 380 triệu kWh điện.
Còn trong chiến lược phát triển ngành đường ở Việt Nam dự kiến có khoảng 20 nhà máy, công suất trên 1.400 tấn mía/ngày. Theo đó, khả năng phát điện tại chỗ bằng bã mía là 300 kWh/ngày (tương đương với công suất đặt một nguồn điện 80 MW), góp phần cấp điện cho các vùng nông thôn.
Triển vọng công nghệ CHP:
Theo dự báo của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE): Sau sự bùng nổ của CHP vào cuối những năm 1990, các nhà sản xuất và nhà phát triển bắt đầu cung cấp các hệ thống CHP đóng gói được tiêu chuẩn hóa, xây dựng tại nhà máy và sẵn sàng lắp đặt, thúc đẩy sự thay đổi thị trường tích hợp các thị trường thương mại, cũng như dân cư nhỏ hơn.
Trong khi đó, chỉ số kinh tế của CHP đã được cải thiện đáng kể trong hai thập kỷ qua, một phần nhờ vào những cải tiến trong công nghệ tua bin và động cơ khí. Tất cả các nhà sản xuất thiết bị đang cố gắng cải thiện hiệu quả, độ tin cậy và cấu hình phát thải của các công nghệ động cơ chính (bao gồm động cơ piston, tua bin khí, tua bin siêu nhỏ và pin nhiên liệu).
Tiềm năng mới nổi của công nghệ này là ra đời CHP lai (CHP Hybrids) để phù hợp các thị trường khử cacbon. Về phần mình, lĩnh vực CHP cũng sẽ cần giải quyết vô số thách thức khác như: Đảm bảo tỷ lệ sử dụng cao và độ tin cậy, hiệu quả, tính linh hoạt, đồng thời giảm thiểu nhu cầu về vốn, cơ sở hạ tầng và tích hợp liên quan đến các quy trình sử dụng nhiều carbon.
Một giải pháp mới nổi đòi hỏi phải thay đổi thiết kế và vận hành hệ thống lai. Sự phối hợp tối ưu giữa năng lượng mặt trời, lưu trữ và CHP có thể cung cấp “năng lượng tại chỗ, lâu dài cho các địa điểm có nhu cầu cao với lượng khí thải carbon ít nhất có thể”. Một vài dự án đã kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo nhiệt độ cao với các giải pháp CHP. Ví dụ nhà máy sưởi ấm quận Brønderslev Forsyning ở phía Bắc Đan Mạch.
Theo DOE: Các hệ thống lai này là sự kết hợp của CHP và các nguồn năng lượng phân tán (DER) khác trong một lần lắp đặt. Trái ngược với việc cài đặt từng phần DER, đặc điểm xác định của hệ thống CHP lai là sự phối hợp giữa các nhà phát triển công nghệ DER khác nhau (chẳng hạn như CHP, PV và/hoặc lưu trữ năng lượng) để thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống kết hợp.
“Trong một cấu hình kết hợp điển hình với CHP, điện mặt trời và lưu trữ năng lượng, CHP sẽ được sử dụng cho phụ tải điện và nhiệt, trong khi điện mặt trời, cùng lưu trữ được sử dụng theo cơ hội để tối đa hóa sản lượng năng lượng tái tạo và tham gia vào thị trường quy mô lớn cho các dịch vụ lưới điện” - DOE cho biết.
Tuy nhiên, thách thức chính liên quan đến CHP lưới điện siêu nhỏ và CHP lai liên quan đến việc thành lập các nhóm gồm các nhà phát triển DER và nhà tài chính có thể cung cấp các giải pháp đa công nghệ. Sản phẩm này rất phức tạp và các hợp đồng mua bán điện (PPA) đơn giản hóa không cần đầu tư vốn có thể sẽ cần thiết để thu hút người dùng cuối.
Rào cản cần khắc phục và đề xuất:
Theo các chuyên gia của DOE: CHP có khả năng nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng thông qua việc giảm mức tiêu thụ nhiên liệu. Tuy nhiên, để đảm bảo tính phù hợp của hệ thống CHP khi quá trình chuyển đổi diễn ra, ngành cũng sẽ cần chứng minh nhiên liệu có thể tái tạo và ít carbon hơn, như RNG (còn được gọi là khí mêtan sinh học) và hydro, có thể đóng vai trò là nguồn nhiên liệu chính cho hệ thống CHP. Liên minh Nhiệt và Điện kết hợp (CHPA) có trụ sở tại Hoa Kỳ, chuyên hoạt động để mở rộng thị trường CHP tự tin rằng: Ngành công nghiệp có thể đạt được điều này miễn là các rào cản quan trọng liên quan đến sản xuất, vận chuyển và lưu trữ hydro “sạch” được giải quyết.
CHPA đã chỉ ra những lợi ích trên toàn ngành đối với việc sử dụng hydro trong CHP - hay “CHP 2.0”. Cùng với việc cho phép các hệ thống CHP “giảm lượng khí thải hơn nữa trong các lĩnh vực công nghiệp, thương mại và đô thị”, các hệ thống CHP có thể sử dụng các nhiên liệu này một cách hiệu quả.
Ngoài ra, với tư cách là một nguồn tài nguyên phân tán, việc sử dụng hydro trong CHP sẽ thúc đẩy tích hợp năng lượng tái tạo, triển khai lưới điện siêu nhỏ và lưu trữ năng lượng, cũng như thích ứng với sự pha trộn hydro trong cơ sở hạ tầng khí đốt.
Liên minh CHPA lưu ý rằng: Các hệ thống CHP hiện có và mới được lắp đặt đã sử dụng khối lượng hỗn hợp nhiên liệu hydro nằm trong khoảng từ 20% đến 100%. “Các hệ thống CHP mới sẽ có khả năng đốt cháy 100% hydro sạch. Các hệ thống CHP hiện tại, bao gồm cả những hệ thống đang được lắp đặt hiện nay có thể chuyển đổi thành 100% hydro với chi phí hợp lý. Những chuyển đổi này có thể thực hiện được mặc dù thực tế là các hệ thống CHP ở Hoa Kỳ rất khác nhau về ứng dụng, thiết kế và kích thước” - CHPA nhấn mạnh.
Cho đến nay, tác động tổng thể và hiệu quả chi phí của việc sử dụng hydro tại các cơ sở lắp đặt lớn hơn vẫn đang được nghiên cứu.
Ví dụ, Siemens Energy đang đánh giá tính kinh tế của hydro CHP tại hệ thống 14,3 MW điện/33 MW nhiệt SGT-400 Clemson CHP của Duke Energy tại Đại học Clemson ở Nam Carolina.
Vào năm 2012, một hệ thống Agenitor 306 CHP thí điểm 160 kW do Công ty công nghệ CHP của Đức 2G Energy sản xuất tại Sân bay Berlin Brandenburg đã trình diễn quá trình đốt cháy 100% hydro và kể từ đó, 2G đã vận hành các mẫu động cơ pít-tông 100% hydro tại ba địa điểm khác ở Đức, một ở Scotland và một ở Nhật Bản.
Vào giữa năm 2023, 2G sẽ bắt đầu vận hành dự án CHP hydro đầu tiên ở Bắc Mỹ tại một cơ sở Enbridge Gas ở Markham, Ontario.
Liên minh CHPA hy vọng các rào cản đối với hydro sẽ sớm được giải quyết. Đối với các triển vọng ngắn hạn hơn, CHPA chỉ ra khí sinh học và RNG, các loại nhiên liệu thương mại “có thể được triển khai ngay lập tức”. Trong khi các hệ thống CHP từ lâu đã sử dụng bể phân hủy và khí sinh học làm nguồn nhiên liệu, các cơ sở xử lý chất thải nông nghiệp và chất thải thực phẩm đang trở thành các nguồn sản xuất khí sinh học mới nổi. Trong khi đó, RNG có thể được tạo ra từ quá trình khí hóa, hoặc nhiệt phân trực tiếp sinh khối.
“Hàm lượng khí mêtan cao của RNG cho phép tương thích hoàn toàn trong các thiết bị khí tự nhiên và hệ thống đường ống. Các hệ CHP chạy bằng khí đốt tự nhiên yêu cầu nâng cấp tối thiểu để được cung cấp nhiên liệu bằng RNG và sẽ tạo ra mức giảm phát thải ngay lập tức bằng cách chuyển đổi” - CHPA lưu ý. Tuy nhiên, CHPA cũng thừa nhận: Nguyên liệu cho nhiên liệu thay thế carbon thấp là “tương đối thiếu”.
Về mặt thị trường, các cơ hội phát triển (bao gồm sự phát triển vượt bậc của các hợp đồng PPA) có thể được thiết kế để mua cả nhiệt và điện. Hợp đồng này cho phép các nhà phát triển sở hữu, vận hành và bảo trì hệ thống, đồng thời cho phép các chủ sở hữu cơ sở thương mại, hoặc cơ sở nhỏ hơn hưởng lợi từ vô số lợi ích của CHP mà không cần cam kết duy trì nguồn năng lượng./.