Tiến tới hơi nước phát thải ròng bằng không

Nó đã đóng vai trò thiết yếu trong quá khứ và hiện tại của chúng ta, và sẽ tiếp tục là yếu tố không thể thiếu cho sự tiến bộ trong tương lai. Các đặc tính năng lượng nhiệt vượt trội của nó làm cho nó trở thành yếu tố cơ bản trong việc sản xuất rất nhiều thứ mà chúng ta coi là đương nhiên, mỗi ngày. Và, nhờ vào công nghệ phát triển nhanh chóng và những đột phá kỹ thuật, chúng ta có thể mong đợi được hưởng nhiều lợi ích của nó trong một thế giới phát thải ròng bằng không vào ngày mai.

Không cần phải phát minh ra nó; nó đã tồn tại trên Trái Đất lâu hơn loài người chúng ta. Bạn vẫn có thể thấy nó ở trạng thái tự nhiên nhất, phun trào từ các mạch nước nóng, tạo ra những cảnh tượng ngoạn mục. Sức mạnh và lực lượng thuần túy của chúng cho thấy tại sao hơi nước là môi chất mang nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Và chúng nhấn mạnh bản chất nguyên tố của nó.

Khả năng chứa một lượng năng lượng đáng kể có thể được sử dụng theo cơ học, ví dụ như quay tuabin, hoặc dưới dạng nhiệt để thực hiện nhiều quy trình, khiến hơi nước trở thành tài nguyên bền vững, tái tạo then chốt. Nhờ vào vòng tuần hoàn hơi nước và ngưng tụ, nước mà nó sử dụng có thể được tái chế bởi các hệ thống hiệu quả, tiết kiệm năng lượng trong quá trình đó.

Với hiệu suất cao, độc tính thấp, dễ di chuyển, sức chứa nhiệt vượt trội và chi phí thấp so với các phương án thay thế khác, một thế giới không có hơi nước là điều không thể tưởng tượng được. Chúng ta có hơi nước để cảm ơn cho nhiều tiến bộ công nghệ to lớn trong xã hội trong 300 năm qua. Trong khi các cơ chế sử dụng và cần hơi nước có thể đã thay đổi, bản thân hơi nước vẫn là yếu tố cơ bản cho sự phát triển của chúng ta.

Nó đóng vai trò then chốt trong ngành dược phẩm, đảm bảo thuốc và vắc-xin có thể được sản xuất an toàn, đáng tin cậy và với số lượng lớn. Các cơ sở y tế dựa vào hơi nước để giữ cho dụng cụ an toàn khi điều trị cho chúng ta. Cả ngành hóa dầu và dầu mỏ đều cần hơi nước để giữ cho nhà máy hoạt động trơn tru, và trong việc tạo ra nhiều sản phẩm mà chúng ta dựa vào cho cuộc sống hàng ngày. Từ nhựa đến polyester (vật liệu quần áo phổ biến nhất thế giới), đến sản xuất amoniac, cung cấp phân bón để nuôi sống thế giới. Và nhiều ứng dụng của nó trong ngành thực phẩm và đồ uống có nghĩa là chúng ta không cần phải lo ngại về sự an toàn và tuổi thọ của rất nhiều thứ chúng ta ăn và uống để sống.

Đây chỉ là một số lợi ích mà hơi nước mang lại cho chúng ta. Đó là lý do tại sao chúng ta coi hơi nước không chỉ là một hiện tượng hữu ích, mà là công nghệ tự nhiên. Một phương tiện an toàn, bền vững, đáng tin cậy để cải thiện chất lượng cuộc sống của chúng ta, gần như không có gì sánh được.”

Nhưng, ngoài cơ hội chụp ảnh, các mạch nước nóng không có nhiều ứng dụng thực tế cho chúng ta, và, ngoại trừ một số nơi trên thế giới, hơi nước dưới dạng năng lượng địa nhiệt không phải là một lựa chọn. Điều đó có nghĩa là để khai thác giá trị của nó, hơi nước phải được tạo ra bởi chúng ta. Và đó là nơi thử thách đảm bảo tương lai bền vững của nó nằm ở.

Chúng ta cần hơi nước với số lượng lớn để duy trì tăng trưởng và chất lượng sống. Điều quan trọng là chúng ta phải chuyển khỏi việc tạo hơi nước bằng khí đốt, than đá hoặc dầu sang các nguồn năng lượng tái tạo, hiệu quả, càng nhanh càng tốt.

Cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu đang đẩy nhanh những thay đổi lớn trong cách chúng ta tạo ra điện năng. Thứ nhất, tỷ lệ ngày càng tăng đến từ các nguồn tái tạo (chủ yếu là gió hoặc năng lượng mặt trời, nhưng với sản lượng biến động). Thứ hai, tiềm năng của hydro xanh dựa trên năng lượng tái tạo và điện phân đang tăng lên mỗi ngày. Thứ ba, có sự chấp nhận ngày càng tăng về nhu cầu điện khí hóa nhiệt trong công nghiệp và tòa nhà. Và cuối cùng, các công nghệ mới cho cả lưu trữ nhiệt và điện đang xuất hiện, và sẽ sớm có sẵn ở quy mô lớn.

Những thay đổi mô hình như vậy trong cách công nghiệp hoạt động sẽ không xảy ra trong một sớm một chiều. Nhưng thời gian là yếu tố cốt lếu nếu chúng ta muốn đáp ứng các mục tiêu phát thải ròng bằng không khắt khe đó. Đó là lý do tại sao các lựa chọn thực tế để thu hẹp khoảng cách giữa cung và cầu điện lại quan trọng như vậy để đạt được vận hành bền vững. Các đổi mới như lưu trữ năng lượng nhiệt, nơi thu giữ nguồn cung tái tạo đỉnh cao, chuyển đổi thành hơi nước hữu ích, và sau đó giữ cho đến khi cần sẽ là yếu tố then chốt trong quá trình chuyển đổi. Hình 1 minh họa tại sao chúng ta cần tìm cách tối đa hóa hiệu quả khi nói đến việc tận dụng tối đa các nguồn tái tạo, như năng lượng mặt trời:

Xét tổng thể, nhiệt chiếm hơn gấp đôi nhu cầu năng lượng của sản xuất điện toàn cầu, và tạo ra 55% phát thải năng lượng toàn cầu¹. Giảm con số đó là một mục tiêu khử carbon² quan trọng, nhưng cho đến nay, các nỗ lực thường bị cô lập, xem xét các lĩnh vực như điện khí hóa, hydro, sinh khối và thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS) riêng biệt, và tập trung vào các mục đích sử dụng cuối cụ thể.

Đó là lý do tại sao con đường trung hòa carbon đôi khi có vẻ khó khăn, chờ đợi các công nghệ mới thay thế những công nghệ mà chúng ta đã dựa vào trong nhiều thập kỷ hoặc thậm chí nhiều thế kỷ. May mắn thay, các phương tiện để sử dụng hơi nước được tạo ra bền vững hoàn toàn nằm trong tầm tay.

Khi nhu cầu khử carbon trên hành tinh của chúng ta trở nên cấp bách hơn, thật đáng yên tâm rằng với hơi nước, điều đó không có nghĩa là mất nó hoàn toàn. Chúng ta đều biết rằng thời đại lái xe xăng hoặc diesel sẽ kết thúc, việc sử dụng khí tự nhiên sẽ bị hạn chế, và những quyết định khó khăn sẽ phải được đưa ra nếu chúng ta muốn đảm bảo tương lai của hành tinh.

Điều này không đúng với hơi nước. Chuyển khỏi lò hơi nhiên liệu hóa thạch không yêu cầu chờ đợi nhiều thập kỷ cho các phương án thay thế mới. Cũng không có nghĩa là đại tu hoàn toàn các hệ thống hiện có. Khả năng cải tiến lò hơi bằng công nghệ sưởi điện đã có sẵn ngay bây giờ. Khi thiết bị cũ cần thay thế, các lựa chọn điện mới, hiệu quả hơn sẵn có. Khi sản xuất điện chuyển khỏi than, khí đốt và dầu, hơi nước sẽ sẵn sàng chứng minh tiềm năng trung hòa carbon của nó.

Song song, sẽ có nhu cầu ngày càng tăng để làm nhiều hơn với ít hơn, liên tục đánh giá và cải thiện các biện pháp hiệu quả sẽ khiến hơi nước trở nên quan trọng hơn nữa đối với nhiều ngành công nghiệp dựa vào nó. Các phương pháp dựa trên dữ liệu, toàn hệ thống sẽ là phương tiện hiệu quả nhất để làm điều đó.

Vì hơi nước được sử dụng rộng rãi bởi nhiều ngành công nghiệp đa dạng, có rất nhiều kích thước, cấu hình, ứng dụng cuối và thực hành vận hành khác nhau của hệ thống hơi nước. Điều này có nghĩa là có nhiều lựa chọn để xác định cơ hội cải thiện hiệu suất hệ thống hơi nước. Giống như hơi nước đã giúp các nền văn minh trên toàn thế giới phát triển, bây giờ đến lượt các kỹ sư giúp hơi nước tiếp tục vị trí của nó trong lịch sử chúng ta. Hơi nước đã đưa chúng ta trên một hành trình bổ ích cho đến nay, và sẽ tiếp tục làm như vậy trong nhiều thế kỷ tới.

> Chính là các kỹ sư từ mọi chuyên ngành sẽ thiết kế, xây dựng, cải tiến, vận hành và đảm bảo an toàn cho cơ sở hạ tầng và công nghệ để đạt được một Vương quốc Anh khử carbon hoàn toàn.”

Nguồn:

¹ “Global Energy Perspective 2022,” McKinsey, ngày 26 tháng 4 năm 2022.

² Lưu ý rằng đạt được phát thải ròng bằng không không chỉ liên quan đến phát thải CO2 mà còn tất cả các loại khí nhà kính, bao gồm metan và khí F. Ở đây chúng tôi sử dụng khử carbon để bao gồm tất cả các giảm phát thải liên quan.

Trung tâm Chính sách Kỹ thuật Quốc gia, Viện Kỹ thuật Hoàng gia (https://raeng.org.uk/media/b4jpdttw/net-zero-a-systems-perspective-on-the-climate-challenge-final-nepc.pdf)

“Net-zero heat: Is it too hot to handle?”, McKinsey Sustainability, ngày 22 tháng 7 năm 2022. (https://www.mckinsey.com/capabilities/sustainability/our-insights/sustainability-blog/net-zero-heat-is-it-too-hot-to-handle)