Lợi ích của tối ưu hóa hệ thống hơi nước

Nhìn lại các báo cáo tiến độ về biến đổi khí hậu trong vài năm qua, bạn sẽ thấy rất ít điều để ăn mừng. Chúng ta biết điều gì đang bị đe dọa; không giới hạn nhiệt độ tăng của hành tinh sẽ có hậu quả nghiêm trọng đối với tất cả chúng ta. Tuy nhiên, hành động nhanh chóng cần thiết để đạt mục tiêu phát thải ròng bằng không vẫn chưa xảy ra. Nếu đó là “Cuộc đua đến số không” mà chúng ta đang tham gia, thì tại sao nó có vẻ ít giống nước rút, mà giống cuộc đua ba chân hơn?

Hãy nhớ lại đầu năm 2022. Thế giới đang phục hồi từ đại dịch tàn khốc, và các nền kinh tế đang tái thiết. Nhưng nếu chúng ta nghĩ mọi thứ đang tốt lên, khi nói đến biến đổi khí hậu, có một mặt trái. Phát thải CO₂ từ điện và nhiệt đạt mức cao nhất từ trước đến nay, khiến Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) phải đưa ra lời kêu gọi hành động rõ ràng.

Thế giới phải đảm bảo rằng sự phục hồi toàn cầu về phát thải vào năm 2021 là một lần - và rằng đầu tư bền vững kết hợp với triển khai nhanh chóng công nghệ năng lượng sạch sẽ giảm phát thải CO₂ vào năm 2022…¹

Thách thức được ném ra, và một năm nữa trôi qua. Năm chứng kiến xung đột ở châu Âu và khủng hoảng năng lượng toàn cầu xuất hiện. Tác động đến khát vọng biến đổi khí hậu là rõ ràng. Tháng 3 năm ngoái, IEA báo cáo, “Phát thải carbon dioxide (CO₂) toàn cầu từ quá trình đốt năng lượng và công nghiệp tăng 0,9% hay 321 Mt vào năm 2022 lên mức cao nhất mọi thời đại mới là 36,8 Gt.”

Điều tốt nhất có thể nói là ít nhất năng lượng sạch tiếp tục tiến bộ nhanh chóng, nếu không “sự tăng trưởng phát thải CO₂ sẽ gần gấp ba lần.”²

Từ bất kỳ góc độ nào, triển vọng có thể trông đáng chán nản. Hơi giống nhận bảng điểm ở trường, hết lần này đến lần khác, chỉ đơn giản yêu cầu “phải cố gắng hơn”. Điều đó không giúp ích khi chúng ta dường như luôn nhìn lại phía sau, về những gì có thể đã xảy ra, thay vì nhìn về phía trước với sự lạc quan và tham vọng.

Đây là một ví dụ điển hình về vấn đề quy mô. Khi đối mặt với những vấn đề lớn hơn nhiều so với hành động cá nhân, có xu hướng mất động lực. Cảm giác bất lực có thể thống trị, hoặc, thay vào đó, chúng ta chuyển sang lạc quan công nghệ. Bạn có thể thấy điều này trong các cách tiếp cận tầm nhìn để giải quyết biến đổi khí hậu. Vâng, chúng ta mong đợi thấy hydro xanh được cung cấp rộng rãi, có thể loại bỏ carbon dioxide và lưu giữ vĩnh viễn, và chào đón bất kỳ quy trình đột phá nào loại bỏ sản xuất carbon ngay từ đầu. Thu hút trí tưởng tượng, chúng dường như cung cấp lời hứa khi tia hy vọng khan hiếm. Đổi mới sẽ luôn là chìa khóa để đối phó với sự phức tạp và quy mô của các vấn đề xung quanh biến đổi khí hậu. Theo thời gian, chúng sẽ trở thành một phần cuộc sống hàng ngày. Tuy nhiên, chúng ta không có thời gian bên cạnh.

Đó là kết luận của báo cáo Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu đầu năm nay. Một lời kêu gọi chắc chắn, nhưng, như các tác giả đề xuất, “Phát thải CO₂ ròng từ lĩnh vực công nghiệp là thách thức nhưng khả thi.”

Trên hơn 2.000 trang, báo cáo IPCC xem xét mọi khía cạnh của cuộc khủng hoảng khí hậu. Khi nói đến giảm khí nhà kính (GHG) từ lĩnh vực năng lượng tổng thể, nó đề xuất rằng điều này, “yêu cầu các chuyển đổi lớn, bao gồm giảm đáng kể tổng sử dụng nhiên liệu hóa thạch, triển khai các nguồn năng lượng phát thải thấp, chuyển sang các nguồn năng lượng thay thế, và hiệu quả năng lượng và bảo tồn.”³ Phản ánh thông điệp của IPCC, Giám đốc điều hành của Sáng kiến Mục tiêu dựa trên Khoa học (SBTi), Luiz Amaral chỉ ra rằng giới hạn nóng lên toàn cầu ở 1,5°C yêu cầu đỉnh trước năm 2025, giảm phát thải 43% vào năm 2030, 60% vào năm 2035 và đạt phát thải ròng bằng không vào đầu năm 2050. Nó sẽ không dễ dàng, nhưng với tư duy đúng đắn, tiến bộ có ý nghĩa có thể đạt được hướng tới tương lai bền vững hơn.

Các tổ chức có mục tiêu dựa trên khoa học đã được xác nhận đã chứng minh giảm phát thải đáng kể là có thể - giảm phát thải phạm vi 1 và 2 trung bình 12% mỗi năm - lớn hơn mức giảm 7,6% hàng năm cần thiết để đạt mục tiêu 1,5°C của Thỏa thuận Paris.⁴

Thật khích lệ khi thấy tiến bộ đạt được bởi 2.731 công ty có mục tiêu dựa trên khoa học, trong đó chúng tôi là một. Bằng cách tập trung vào hiện tại và từ chối cho phép nguyên trạng kiểm soát câu chuyện, tiến bộ đang được đạt được. Các công ty sẽ có cách khác nhau để đạt mục tiêu, nhưng chủ đề chung là hiệu quả.

Đó là một trong những thông điệp chính từ Lộ trình Khử carbon Công nghiệp của chính quyền Biden-Harris, xuất bản tháng 9 năm ngoái. Là quốc gia có phát thải CO₂ lớn thứ hai thế giới, bất kỳ tiến bộ nào trong việc mô tả cách thức giải quyết đều được hoan nghênh. Nhận ra rằng 30% phát thải CO₂ liên quan đến năng lượng của Mỹ đến từ công nghiệp, nó tập trung vào hướng đi cho năm ngành phát thải CO₂ cao nhất: lọc dầu, hóa chất, sắt và thép, xi măng, và ngành thực phẩm và đồ uống. Trong số bốn trụ cột công nghệ chính được xác định, nó kết luận: “Hiệu quả năng lượng là chiến lược khử carbon nền tảng, liên ngành và là lựa chọn hiệu quả nhất về chi phí cho giảm phát thải GHG trong ngắn hạn.”⁵ Không chỉ chính phủ Mỹ coi hiệu quả là một phần bản thiết kế ngăn chặn thảm họa khí hậu. IEA phát hành báo cáo theo dõi về Hiệu quả Năng lượng trong cùng tháng, nhấn mạnh: “Hiệu quả năng lượng là biện pháp đơn lẻ lớn nhất để tránh nhu cầu năng lượng trong Kịch bản Phát thải Ròng bằng không vào năm 2050, cùng với các biện pháp liên quan chặt chẽ như điện hóa, thay đổi hành vi, số hóa và hiệu quả vật liệu.”⁶ Bạn có thể nghĩ rằng không gì có thể chuyên nghiệp hơn việc tăng hiệu quả. Rằng nó nằm trong chương trình nghị sự mỗi ngày. Vậy tại sao chúng ta liên tục được nhắc nhở về tầm quan trọng của nó?

Được nhiều ngành công nghiệp công nhận rộng rãi là phần thiết yếu, lâu dài trong quy trình của họ, hơi nước là nguồn năng lượng nhiệt tự nhiên hiệu quả. Điều đó không có nghĩa là hệ thống hơi nước không thể cải thiện, nhưng kinh nghiệm và chuyên môn có nghĩa là chúng tôi biết cách thực hiện.

Có một loạt các biện pháp đã chứng minh, hiệu quả về chi phí để cải thiện hệ thống hơi nước. Tại sao những biện pháp này không được áp dụng rộng rãi là do sự kết hợp của nhiều yếu tố, nhiều trong số này không liên quan đến rào cản tài chính. Đầu tiên, và lý do đơn giản nhất là do thiếu thông tin và kiến thức. Trong khi các báo cáo cấp cao gần đây đã chỉ ra hiệu quả là bước đầu tiên hướng tới khử carbon, hệ thống hơi nước phức tạp, thường độc đáo cho một ngành cụ thể, hoặc thậm chí nhà máy. Biết nơi tối ưu hóa, làm thế nào để thực hiện hiệu quả, và hiểu chính xác lợi ích sẽ là gì, yêu cầu sự giúp đỡ chuyên gia. Một loạt các yếu tố khác kết hợp để giữ hiệu quả ở đầu danh sách “chưa làm” cho nhiều công ty. Thông thường thiếu nguồn lực tài chính khiến khó áp dụng ngay cả các biện pháp sẽ tự trả trong thời gian ngắn (đặc biệt cho doanh nghiệp vừa và nhỏ). Thiếu hỗ trợ từ ban lãnh đạo cấp cao, không chắc chắn về công nghệ mới và sợ gián đoạn sản xuất, thiếu ưu đãi chính phủ kết hợp với thiếu thực thi quy định chính phủ, tất cả đều góp phần vào sự bất động. Beyond các rào cản chung cản trở cải thiện hiệu quả, hệ thống hơi nước có bộ khó khăn riêng cần vượt qua. Truyền thống, nhiều công ty tập trung vào lò hơi, không phải toàn bộ hệ thống hơi nước bao gồm tạo hơi (lò hơi), phân phối, hệ thống thu hồi, và cách hơi nước được sử dụng.

Mặc dù tối ưu hóa hệ thống có thể khó hơn so với thay đổi một thiết bị vì nó yêu cầu kiến thức và đánh giá toàn diện hơn về hệ thống, nó thường mang lại tiết kiệm năng lượng lớn hơn nhiều so với việc thay thế một thành phần bằng một thành phần hiệu quả hơn.⁷

Và, nếu đơn giản thay thế lò hơi bằng một lò hiệu quả hơn có vẻ hợp lý, nó không nhất thiết có nghĩa là toàn bộ hệ thống hơi nước công nghiệp sẽ hiệu quả hơn. Đánh giá thấp hoặc đánh giá quá cao nhu cầu hơi nước, quản lý sai hệ thống, và vận hành hệ thống dưới hiệu suất tối ưu là các yếu tố phổ biến làm giảm hiệu quả tổng thể.

Gần một thập kỷ trước, báo cáo Tổ chức Phát triển Công nghiệp Liên Hợp Quốc (UNIDO) xem xét tiềm năng hiệu quả năng lượng cho hệ thống hơi nước công nghiệp.⁷ Mục tiêu là chứng minh biện pháp hiệu quả nào có hiệu quả về chi phí và ước tính giá trị của chúng. Trung Quốc được chọn làm trường hợp thử nghiệm.

Bảy chuyên gia hơi nước từ Mỹ, châu Âu và Trung Quốc được tham vấn để xác định biện pháp hiệu quả năng lượng phổ biến nào nên được bao gồm, tiết kiệm năng lượng của chúng, và chi phí triển khai. Không giống nhiều quốc gia, mô hình tiêu thụ năng lượng của Trung Quốc bị chi phối bởi lĩnh vực công nghiệp. Năm 2019, sản xuất chiếm khoảng 55% tổng tiêu thụ năng lượng của Trung Quốc, và 59,6% năng lượng của ngành sản xuất đến từ than.⁸ Đồng ý trên chín biện pháp khả thi về kỹ thuật, các chuyên gia phát hiện tất cả trừ hai biện pháp sẽ hiệu quả về chi phí, có khả năng dẫn đến giảm phát thải CO₂ hàng năm là 201,23 MtCO₂. Xét tất cả các biện pháp sẽ dẫn đến tổng tiềm năng tiết kiệm nhiên liệu kỹ thuật khoảng 26% tổng nhiên liệu sử dụng để tạo hơi nước. Tiết kiệm nhiên liệu đó lớn hơn năng lượng sơ cấp sử dụng của hơn 160 quốc gia trên thế giới. Bảng này liệt kê chín biện pháp hiệu quả hệ thống hơi nước, với các giá trị được chọn: Tiết kiệm nhiên liệu tích lũy hàng năm và giảm phát thải CO₂, cải thiện hiệu quả phần trăm, và tiềm năng trọn đời cho các biện pháp hiệu quả hệ thống hơi nước công nghiệp tại Trung Quốc xếp theo CCE cuối cùng (chi phí năng lượng tiết kiệm)

Nghĩ lại thời hạn bảy năm để đạt tiến bộ thực sự hướng tới phát thải ròng bằng không, và tuổi thọ của các biện pháp này cho thấy tối ưu hóa hệ thống hơi nước có thể tạo ra sự khác biệt thực sự. Trong khi bất kỳ cải thiện đơn lẻ nào cũng rõ ràng sẽ có tác động, khi toàn bộ hệ thống được tối ưu hóa, lợi ích trở nên đáng kể.

Phần lớn các biện pháp này phù hợp cho tất cả hệ thống hơi nước, bất kể phương tiện tạo hơi. Biến số chính sẽ rõ ràng là tác động lên phát thải CO₂. Nhận ra nhu cầu năng lượng sạch hơn, Chủ tịch Trung Quốc Tập Cận Bình đã tuyên bố quốc gia sẽ trung hòa carbon vào năm 2060. Đây đã là nhà đầu tư lớn nhất thế giới vào chuyển đổi năng lượng sạch, cam kết 266 tỷ USD năm 2021, hơn một phần ba tổng toàn cầu (755 tỷ USD). Nhưng, với tuổi thọ trung bình của lò hơi hơi nước là trên 30 năm, rời bỏ nhiên liệu hóa thạch sẽ mất thời gian. Bằng cách tập trung vào hiện tại, và đảm bảo tất cả các biện pháp hiệu quả có thể đang được sử dụng, giảm phát thải nằm trong tầm tay.

Quay lại những thống kê năng lượng chúng ta đã đề cập đầu bài viết, và thách thức phía trước để đạt mục tiêu phát thải ròng bằng không, rất hữu ích để xem cách tổng quát hóa về “hiệu quả” có thể thực sự chuyển thành hành động.

Không có biện pháp nào đang chờ phát triển. Tất cả đều khả thi về kỹ thuật và, trong hầu hết trường hợp, hiệu quả về chi phí trong thời gian tương đối ngắn. Và, quan trọng nhất, chúng sẽ mang lại lợi ích hữu hình trong khi các công nghệ mới, khác vẫn đang trong giai đoạn đầu phát triển. Kể từ khi báo cáo UNIDO được xuất bản, tiềm năng tối ưu hóa hệ thống hơi nước cũng đã tiến bộ. Giờ đây, với chuyển đổi số được áp dụng nhanh chóng, kiến thức của chúng tôi về chính xác nơi tối ưu hóa sẽ hiệu quả nhất là lớn hơn nhiều. Đó là điều IPCC nhấn mạnh trong báo cáo năm nay:

Công nghệ số có thể đóng góp vào giảm thiểu biến đổi khí hậu và đạt được nhiều SDG (tự tin cao). Ví dụ, cảm biến, internet vạn vật, robot và trí tuệ nhân tạo có thể cải thiện quản lý năng lượng trong tất cả các ngành, tăng hiệu quả năng lượng, và thúc đẩy áp dụng nhiều công nghệ phát thải thấp, bao gồm năng lượng tái tạo phi tập trung, trong khi tạo ra cơ hội kinh tế (tự tin cao).³

Nơi hiệu quả được quan tâm, mỗi quốc gia sẽ có những người dẫn đầu đáp ứng mọi tiêu chí, và những người ngoại lệ, chưa bao giờ nghĩ đến tối ưu hóa. Tuy nhiên, khả năng là, luôn có chỗ cho cải thiện.

Sử dụng những hiểu biết số mới nhất, chúng ta chưa bao giờ có cơ hội tốt hơn để có được đánh giá kỹ thuật chi tiết về cơ hội hiệu quả năng lượng của hệ thống hơi nước. Cũng chưa bao giờ rủi ro cao như vậy. Trong khi có thể chúng ta sẽ thấy thêm tin tức đáng thất vọng xung quanh biến đổi khí hậu, như Bill Gates từng nói, “tin xấu là tiêu đề, và tiến bộ dần dần thì không.”

Nguồn:

¹: Phát thải CO₂ toàn cầu phục hồi lên mức cao nhất lịch sử năm 2021 - Tin tức - IEA

²: Phát thải CO₂ toàn cầu tăng ít hơn lo ngại ban đầu năm 2022 khi tăng trưởng năng lượng sạch bù đắp phần lớn tác động của việc sử dụng than và dầu nhiều hơn - Tin tức - IEA

³: https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg3/downloads/report/IPCC_AR6_WGIII_FullReport.pdf

⁴: IPCC phát hành ‘cảnh báo cuối cùng’ để giữ 1,5°C trong tầm tay - Mục tiêu dựa trên Khoa học

⁵: Lộ trình Khử carbon Công nghiệp DOE | Bộ Năng lượng

⁶: Hiệu quả Năng lượng - Phân tích - IEA

⁷: Tiềm năng Hiệu quả Năng lượng trong Hệ thống Hơi nước Công nghiệp ở Trung Quốc (unido.org)

Khi nghiên cứu được viết, lò hơi đốt than chiếm khoảng 80-85%, lò hơi đốt dầu và khí khoảng 15%, và lò hơi sử dụng nhiên liệu khác (ví dụ điện, sinh khối, v.v.) dưới 5% tổng công suất lò hơi ở Trung Quốc.

⁸: Dấu chân Năng lượng Trung Quốc đang thay đổi như thế nào? | ChinaPower Project (csis.org)

⁹: Trung Quốc - Quốc gia & Khu vực - IEA