Thu hồi và sử dụng hơi nước giúp giảm thải CO2 và tiết kiệm điện

Các ngành công nghiệp trên thế giới hiện đang tìm cách tối ưu hóa hoạt động, với các mục tiêu bền vững, tuần hoàn để giảm tối đa lượng khí thải carbon. Để đạt được mục tiêu này, cần phải sử dụng các công nghệ mới theo những cách hiệu quả hơn, sáng tạo hơn. Một trong những hướng đi này là sử dụng lò hơi hay nồi hơi thu hồi nhiệt, “gom” nhiệt thải tạo ra trong các nhà máy điện, lưu trữ dưới dạng hơi nước, để sản xuất điện, nâng cao hiệu quả hoạt động của dây chuyền tổng thể. Chính vì vậy hơi nước giờ đây được gọi bằng thuật ngữ mới -  ‘hơi nước xanh’ (Green steam).

Chìa khóa ở đây là tính linh hoạt của quy trình – nhiệt thường được tạo ra bởi nhiều quy trình công nghiệp, có nghĩa nhiều công ty thuộc nhiều lĩnh vực có thể đầu tư vào "hơi nước xanh". Có rất nhiều cách để sắp xếp các ưu tiên mới về môi trường cho các lĩnh vực thường được cho là đi ngược lại cuộc cách mạng năng lượng xanh, chẳng hạn như khai thác than hoặc khoan dầu, một thực tế khiến "hơi nước xanh" trở nên hấp dẫn hơn.

Quy mô thị trường máy phát điện hơi nước thu hồi nhiệt toàn cầu có thể đạt 1,2 tỷ USD vào năm 2026. Điều này sẽ mang lại cho ngành này tốc độ tăng trưởng tổng thể hàng năm khoảng 4,2% nhờ những tiến bộ trong công nghệ năng lượng tái tạo.

Mọi thứ đang diễn ra nhanh chóng, với sự đổi mới công nghệ và đầu tư trong công nghiệp, đặc biệt là các công nghệ năng lượng xanh, đang thúc đẩy sự thay đổi trong lĩnh vực này. Vào năm 2022, Mitsubishi Power đã nhận được đơn đặt hàng tua-bin khí H-25 từ công ty Chang Chun Plastic của Đài Loan, tua-bin này sẽ trở thành cốt lõi của cơ sở đồng phát điện bằng khí tự nhiên, hiệu suất cao mới tại Nhà máy Dafa của công ty ở Cao Hùng. Hoạt động dự kiến bắt đầu vào khoảng mùa đông năm 2023, với tổ máy cung cấp điện cho các nhà máy của công ty và hơi nước cho các quy trình sản xuất.

Nhà máy Dafa của Chang Chun Plastics nằm trong một khu công nghiệp phía đông trung tâm thành phố Cao Hùng. Tua bin khí sẽ thay thế cơ sở nồi hơi đốt than và dầu hiện có, một phần của dự án được thực hiện để đáp ứng yêu cầu của chính quyền Cao Hùng nhằm giảm tiêu thụ than, dựa trên xu hướng toàn cầu về giảm lượng khí thải carbon dioxide và phù hợp với chính sách chuyển đổi năng lượng của Đài Loan. Bởi vậy, các dự án đồng phát và sử dụng hơi nước không chỉ mang lợi cho chủ đầu tư theo góc độ đổi mới công nghệ, cho cổ đông mà còn mang lại lợi ích cho quốc gia nói chung.

Ngoài lợi thế vốn có của hơi nước, những cải cách đối với quy trình vận hành và khía cạnh hợp tác mới trong sản xuất điện đã giúp việc sử dụng hơi nước tăng lên. Vào tháng 10 năm 2019, Mitsubishi Hitachi Power Systems, Tập đoàn năng lượng Nhật Bản, đã nhận được đơn đặt hàng từ công ty tiên phong về năng lượng tích hợp Suncor Energy có trụ sở tại Canada cho hai máy phát điện hơi nước thu hồi nhiệt và hai tua-bin khí loại tiên tiến M501JAC. 

Một khởi đầu thú vị trong tương lai là xem trao đổi nhiệt như một dịch vụ. Điều này phù hợp với nền kinh tế tuần hoàn, tạo ra các cách tiếp cận bền vững hơn, chẳng hạn như đầu tư vào một cơ sở thu hồi và sử dụng nhiệt hoàn toàn mới. Ý tưởng rất đơn giản, thay vì mua bộ trao đổi nhiệt, khách hàng chỉ trả tiền cho việc sử dụng thực tế. Điều này có thể giảm chi phí tối đa và tăng hiệu quả của quá trình. Nhờ vào việc thu thập và phân tích dữ liệu nhiều hơn, các chi tiết cụ thể của các quy trình này có thể được ghi lại và sử dụng gần như trong thời gian thực.

Trên thực tế, ngày giao hàng đã thỏa thuận được ấn định cùng với việc tổ chức vận chuyển và lắp đặt bộ trao đổi nhiệt. Khi kết thúc hợp đồng, khách hàng đăng ký lại hoặc mua bộ trao đổi nhiệt với khoản thanh toán một lần hoặc trong một trường hợp khác, họ có thể hủy bỏ hoàn toàn. Bộ trao đổi nhiệt được tháo dỡ, thu thập và trả lại cho bên sản xuất để tái tạo dùng cho khách hàng tiếp theo.

Một ví dụ gần đây về cách trao đổi nhiệt do Đại học Birmingham, Anh thực hiện hồi đầu năm 2023 cho nhà máy sản xuất thép.

Giải pháp cắt giảm khí thải trong sản xuất thép được trình bày chi tiết trong một bài báo đăng trên tạp chí Journal of Cleaner Production. Theo bài báo, nếu được thực hiện riêng ở Anh, có thể tiết kiệm chi phí khoảng 1,6 tỷ USD trong 5 năm đồng thời giảm tổng thể phát thải của Anh tới 2,9%.

Quy trình sản xuất thép tốn nhiều nhiên liệu và thải ra nhiều khí CO₂, nhưng quy trình mới tận dụng nhiệt thải có thể cắt giảm đáng kể lượng khí thải này. Việc “bắt giữ” carbon dioxide được tạo ra và khử nó thành carbon monoxide bằng cách sử dụng mạng tinh thể khoáng chất được gọi là vật liệu perovskite. Vật liệu này được chọn vì các phản ứng diễn ra trong khoảng từ 700 đến 800 độ C, dải nhiệt độ có thể được cung cấp bởi các nguồn năng lượng tái tạo hoặc được tạo ra bằng cách sử dụng các bộ trao đổi nhiệt kết nối với lò cao.

Perovskite có thể được tái tạo về dạng ban đầu trong phản ứng hóa học diễn ra trong môi trường oxy thấp và oxy được tạo ra có thể được sử dụng trong lò oxy cơ bản để sản xuất nhiều thép hơn. Quá trình này liên quan đến tái sử dụng và có thể tạo tiền lệ cho các quy trình tuần hoàn và hiệu quả trong các lĩnh vực công nghiệp.