Nhiệt điện than với các lợi thế như chi phí sản xuất điện hợp lý, mức độ sẵn sàng cho phát điện cao, nguồn nhiên liệu lớn, được dự báo vẫn sẽ đóng góp vai trò đáng kể trong lĩnh vực phát điện trong nhiều năm tới nếu thỏa mãn các yêu cầu phát triển môi trường bền vững. Với yêu cầu cắt giảm phát thải khí nhà kính để giữ nhiệt độ toàn cầu không tăng quá 2 độ C và nỗ lực đạt mức tăng giới hạn ở mức 1,5 độ C trong thế kỷ 21 theo Thỏa thuận Paris [*], ngành điện của các nước đối mặt với nhiều thách thức khi vừa phải phát triển các nguồn điện để đáp ứng các nhu cầu tăng trưởng, vừa phải đảm bảo yêu cầu cắt giảm khí nhà kính. Vậy giải pháp nào để nhiệt điện than tham gia sân chơi phát triển môi trường bền vững này?
Theo Báo cáo triển vọng năng lượng thế giới 2019 [1] của Cơ quan Năng lượng quốc tế [IEA], IEA dự báo ở kịch bản phát triển theo các chính sách đã được các quốc gia công bố, trong giai đoạn từ 2020 đến 2040, công suất các nguồn nhiệt điện than bổ sung [chủ yếu ở Ấn Độ, Trung Quốc, Đông Nam Á] gần bằng công suất các nhà máy nhiệt điện than đã hết tuổi thọ hoặc được một số nước cam kết đóng cửa, vì vậy đường công suất của điện than gần như phẳng với mức hơn 2.000 GW. Còn ở kịch bản phát triển bền vững theo mục tiêu đề ra của Thỏa thuận Paris, nhiệt điện than sẽ giảm dần nhưng vẫn còn ở mức công suất hơn 1.000 GW vào năm 2040 [như minh họa tại hình 1].
Hình 1. Công suất phát điện toàn cầu theo nguồn và theo các kịch bản
[Nguồn: World Energy Outlook 2019]
Các dự án nhiệt điện than mới cần đạt “chuẩn” gì?
Mặc dù hiện nay có nhiều rào cản lớn về mặt môi trường, xã hội và tài chính, thương mại đối với việc phát triển dự án nhiệt điện than mới, tuy nhiên có một thực tế [như minh họa ở hình 1] là không thể loại bỏ hoàn toàn nhiệt điện than khỏi cuộc chơi.
Các công nghệ nhiệt điện than sạch có hiệu suất cao, phát thải thấp [High Efficiency, Low Emissions - HELE], sử dụng công nghệ siêu siêu tới hạn [Ultrasupercritical], kết hợp công nghệ thu, tận dụng và lưu giữ các-bon [Carbon Capture, Utilisation and Storage - CCUS] được hứa hẹn là các nguồn điện chạy tải nền tin cậy với lượng phát thải gần như bằng không.
Ngoài ra, một số công nghệ đột phá khác cũng đã và đang được nghiên cứu, phát triển để ứng dụng cho phát triển nhà máy nhiệt điện than như đề cập tại bài viết ”Nhà máy điện than trong tương lai: Nếu vẫn phải phát triển, cần công nghệ “sạch” mang tính đột phá” của Bản tin PECC2 số tháng 3/2020.
Số phận nào cho các nhà máy nhiệt điện than hiện hữu?
Theo số liệu thống kê năm 2018 nêu tại Báo cáo triển vọng năng lượng thế giới 2019, khoảng 90% các nhà máy nhiệt điện than dưới 20 tuổi là nằm ở Châu Á [Hình 2]. Với tuổi thọ thiết kế của nhà máy nhiệt điện than từ 30 đến 50 năm, nhiều nhà máy nhiệt điện than [đặc biệt ở Châu Á] vẫn còn nhiều năm nữa để vận hành phát điện tin cậy và kinh tế.
Hình 2. Tuổi thọ các nhà máy điện than toàn cầu, năm 2018
[Nguồn: World Energy Outlook 2019]
Tuy nhiên, thách thức lớn nhất là cần có lộ trình cắt giảm phát thải khí nhà kính theo các mục tiêu của Thỏa thuận Paris mà các nước đã cam kết.
Nhiều giải pháp đã được nghiên cứu, áp dụng tùy thuộc vào từng nhà máy, từng thị trường điện và dựa vào sự hỗ trợ của chính phủ hoặc của các tổ chức quốc tế. Các nhóm giải pháp phổ biến là: i] Nâng cao hiệu suất nhà máy; ii] Chuyển đổi nhiên liệu; iii] Thay thế hệ thống lò hơi bằng hệ thống tích trữ nhiệt; iv] Cải tạo nhà máy bằng cách trang bị thêm hệ thống thu, tận dụng và lưu giữ các-bon [CCUS].
Nâng cao hiệu suất nhà máy
Nâng cao hiệu suất nhà máy làm giảm nhu cầu nhiên liệu trên một đơn vị sản lượng điện phát ra và do đó, giảm thiểu đáng kể lượng phát thải CO2. Chẳng hạn, các nhà máy nhiệt điện than hiện đang vận hành trên thế giới có hiệu suất trung bình khoảng 35%. Nếu thay đổi công nghệ hoặc có các giải pháp nâng hiệu suất cho các nhà máy nhiệt điện than để tăng hiệu suất trung bình từ 35% lên 40% sẽ làm giảm lượng phát thải CO2 toàn cầu khoảng 2 tỷ tấn, tương đương tổng lượng phát thải hàng năm của Ấn Độ [1].
Thêm vào đó, ngày nay, với sự ứng dụng các công nghệ số như dữ liệu lớn, trí tuệ nhân tạo, máy học [machine learning] vào công tác vận hành nhà máy nhiệt điện, giúp nâng cao hiệu suất nhà máy. Hệ thống trí tuệ nhân tạo theo dõi liên tục toàn bộ các quá trình công nghệ và học hỏi qua thời gian dựa trên dữ liệu và kinh nghiệm quá khứ, giúp nhà máy phát hiện tốt hơn các tình trạng bất thường và đưa ra các dự báo chính xác hơn, do đó cải thiện hiệu suất vận hành tổng thể của nhà máy.
Ứng dụng phân tích dữ liệu lớn và máy học qua các mô hình vận hành, giúp nâng cao độ tin cậy và hiệu suất lò hơi, tinh chỉnh quá trình cháy của than, cải thiện các tập quán vận hành, và đáp ứng công suất nhà máy với nhu cầu của hệ thống.
Theo nghiên cứu của Zhu Q. [2], việc ứng dụng công nghệ số vào các nhà máy nhiệt điện hiện hữu có thể giúp tăng hiệu suất nhà máy thêm từ 2 đến 3%, đồng thời giảm đáng kể lượng phát thải khí nhà kính.
Chuyển đổi nhiên liệu để đốt kèm với nhiên liệu sinh khối
Một nhóm giải pháp khác giúp giảm lượng phát thải CO2 là chuyển đổi nhiên liệu từ đốt hoàn toàn bằng than sang đốt kèm nhiên liệu sinh khối hoặc nhiên liệu không chứa các-bon.
Giải pháp đốt than kèm với nhiên liệu sinh khối đã được áp dụng ở Châu Âu và Hoa Kỳ từ thập niên 1990 và đã minh chứng là giải pháp hiệu quả về mặt chi phí giúp cắt giảm phát thải CO2. Để được đốt kèm cùng với than, nhiên liệu sinh khối cần được tiền xử lý qua các bước, tùy theo phương pháp lựa chọn, để làm nhiên liệu sinh khối trở nên gần giống như than.
Hiện nay, nhiều công ty vẫn đang phát triển loại sản phẩm nhiên liệu sinh khối để đốt kèm cùng với than. Chẳng hạn, Active Energy Group [AEG] [3], một công ty năng lượng tái tạo có trụ sở tại Anh, đã tạo ra nhiên liệu từ sản phẩm lâm nghiệp có giá trị thấp, phụ phẩm nông nghiệp có tên gọi là “CoalSwitch” như minh họa ở hình 3.
Hình 3. Hình ảnh thực tế của CoalSwwitch
[Nguồn: aegplc.com]
CoalSwitch có nhiệt trị tương đương với than đá, tỷ trọng lớn và tính chất xử lý, lưu trữ gần như giống than nhưng với mức phát thải và tro bay thấp hơn nhiều so với than. AEG đã khánh thành và vận hành nhà máy sản xuất CoalSwitch tại Utah, Mỹ từ tháng 02/2018. Nhà máy có công suất 5 tấn/h thành phẩm CoalSwitch. Hiện nay, CoalSwitch đang được cung cấp cho Nhà máy điện Hunter của Rocky Mountain Power để vận hành thử nghiệm đốt than kèm 10% đến 15% CoalSwitch.
Một hướng khác là đốt kèm than với nhiên liệu không chứa các-bon, chẳng hạn như Amoniac. Tại Nhật Bản, IHI Corporation và JERA đang lên kế hoạch đốt than kèm 20% Amoniac tại Nhà máy nhiệt điện Hekinan, dự kiến sẽ đốt thử nghiệm vào năm 2024 [4].
Hình 4. NMNĐ Hekinan, nơi diễn ra dự án thử nghiệm [nguồn powermag.com]
Hình 5. Dự kiến lò hơi và đầu đốt sửa đổi
[Nguồn: Theo Jera.co.jp]
Thay thế hệ thống lò hơi bằng hệ thống tích trữ nhiệt kết hợp với năng lượng tái tạo
Đối với các nhà máy điện than quá cũ, giải pháp đang được nghiên cứu áp dụng là cải tạo thành hệ thống tích trữ năng lượng cho các nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời.
Chẳng hạn ở Nhà máy điện Reuter tại Đức, người ta thay lò hơi đốt than cũ bằng hệ thống bồn tích trữ nhiệt sử dụng muối nóng chảy, công suất 10MW. Hệ thống này sẽ tích trữ nhiệt nhờ năng lượng tái tạo dư thừa [5].
Hình 6. Hệ thống tích trữ 10 MW tại Nhà máy điện Reuter ở Berlin
[Nguồn: energytransition.org]
Trang bị thêm hệ thống CCUS
Giải pháp trang bị thêm hệ thống CCUS là giải pháp hấp dẫn đối với các nhà máy nhiệt điện than mới có hiệu suất cao và nằm gần những nơi có thể sử dụng hoặc lưu giữ CO2, chẳng hạn gần các mỏ dầu để nâng cao khả năng thu hồi dầu.
Các yếu tố được xem xét để lựa chọn giải pháp CCUS cho nhà máy nhiệt điện than hiện hữu là: độ khả dụng của các địa điểm lưu giữ CO2 phù hợp; tính khả thi về mặt kinh tế và kỹ thuật của phương tiện vận chuyển; tính khả thi của việc cải tạo và lắp đặt hệ thống CCUS.
Mặc dù còn thách thức liên quan đến mặt chi phí, hệ thống CCUS hứa hẹn là giải pháp toàn diện giảm phát thải CO2 về mức gần bằng không.
Với việc thực hiện hiệu quả các giải pháp giảm thải phát thải khí CO2 cho các nhà máy nhiệt điện than hiện hữu và ứng dụng các công nghệ tiên tiến cho các dự án nhiệt điện than mới để vừa góp phần đảm bảo an ninh năng lượng, vừa đảm bảo đáp ứng cam kết toàn cầu về chống biến đổi khí hậu là thách thức lớn nhưng cũng sẽ mở ra tương lai triển vọng mới cho các nhà máy nhiệt điện than “bền vững”.
*Thỏa thuận Paris [Paris Agreement] là một thỏa thuận tại Hội nghị về Biến đổi khí hậu của Liên Hiệp Quốc 2015 trong khuôn khổ của Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu [UNFCCC], chi phối các biện pháp giảm Cacbon Đioxit từ năm 2020. Thỏa thuận này đã được 194 bên thông qua tại Hội nghị lần thứ 21 ở Paris vào ngày 12/12/2015 và có hiệu lực ngày 04/11/2016. Mục tiêu là giữ nhiệt độ toàn cầu không tăng quá 2 độ C và nỗ lực hạn chế ở mức 1,5 độ C so với thời kỳ tiền công nghiệp.
Thực hiện: Võ Đức Gioang
Tham khảo:
- International Energy Agency. World Energy Outlook 2019
- Zhu Q [2020b] Digital transformation of the coal sector. CCC/305 London, UK, IEA Clean Coal Centre, 80 pp [Sep 2020]
- //www.aegplc.com/products/coalswitch/
- //www.jera.co.jp/english/information/20210524_677
- //energytransition.org/2019/05/coal-plants-into-renewable-energy-storage-sites/