[Emagazine] Kỳ 3: Thu hồi nhiệt thải - Biến năng lượng thất thoát thành nguồn lực sản xuất

Nếu Kỳ 2 của chuyên đề cho thấy dữ liệu đang làm thay đổi cách doanh nghiệp quản trị năng lượng, thì ở cấp độ công nghệ, một xu hướng khác cũng đang diễn ra rõ nét: thay đổi cách nhìn về nhiệt thải.

Trong nhiều năm, nhiệt thải được xem là phần năng lượng tất yếu phải loại bỏ để bảo đảm dây chuyền sản xuất vận hành ổn định. Khói nóng từ lò nung, nước làm mát, khí nóng từ máy nén khí hay nhiệt phát sinh trên bề mặt thiết bị... đều được coi là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất.

Ngày nay, nhiệt thải không còn là tổn thất tất yếu mà trở thành nguồn năng lượng thứ cấp có thể tiếp tục phục vụ sản xuất.

ThS. Bùi Thanh Hùng - Chuyên gia Tiết kiệm năng lượng Công ty CP Tiết kiệm năng lượng Bách khoa (ECC Bách Khoa) cho biết, trong hầu hết các phân ngành công nghiệp, doanh nghiệp đều tiêu tốn lượng năng lượng để sinh ra nhiệt phục vụ sản xuất. Sau khi hoàn thành quá trình công nghệ, một phần nhiệt lượng lại bị thải ra môi trường qua khói thải, gió nóng, nước làm mát, nước ngưng hoặc bề mặt thiết bị. Đây thực chất là nguồn năng lượng doanh nghiệp đã bỏ chi phí tạo ra nhưng chưa khai thác hết giá trị. Nếu được thu hồi và tái sử dụng, doanh nghiệp có thể giảm đáng kể nhu cầu sử dụng điện hoặc nhiên liệu, đồng thời cắt giảm phát thải khí nhà kính.

Cũng theo ông Hùng, tại Việt Nam, nguồn nhiệt thải có tiềm năng lớn tập trung ở các hệ thống lò hơi, lò nung, hệ thống sấy, máy nén khí, hệ thống lạnh, điều hòa trung tâm và khí thải từ các dây chuyền xi măng, thép, hóa chất, dệt nhuộm, thực phẩm, đồ uống. Đây đều là những khu vực doanh nghiệp cần ưu tiên khảo sát khi xây dựng chương trình sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả.

Nhận thức này cũng phản ánh xu hướng đang diễn ra tại nhiều quốc gia. Thay vì đầu tư thêm nguồn năng lượng mới, doanh nghiệp ưu tiên khai thác tối đa nguồn năng lượng đã có trong hệ thống, coi đây là một trong những giải pháp hiệu quả nhất để giảm chi phí sản xuất và phát thải carbon.

Thu hồi nhiệt không còn dừng ở việc tận dụng một phần hơi nóng hay nước nóng sau sản xuất. Hiện nay, các giải pháp được phát triển theo hướng khai thác nhiệt thải theo nhiều cấp độ, phù hợp với đặc điểm của từng dây chuyền sản xuất và nhu cầu sử dụng năng lượng.

Theo ông Bùi Thanh Hùng, ở cấp độ cơ bản, doanh nghiệp có thể lắp đặt các bộ trao đổi nhiệt để tận dụng khí nóng hoặc nước nóng nhằm gia nhiệt nước cấp, không khí cho quá trình cháy hoặc các công đoạn sản xuất khác. Trong các lò hơi có thể bố trí bộ hâm nước, bộ sấy không khí; trong lò nung có thể lắp bộ sấy không khí. Đây là nhóm giải pháp có chi phí đầu tư không lớn và thời gian hoàn vốn tương đối ngắn.

Ở cấp độ cao hơn, nguồn nhiệt thu hồi được sử dụng để tạo hơi nước, nước nóng hoặc kết hợp với bơm nhiệt công nghiệp nhằm nâng cấp nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp lên mức nhiệt độ phù hợp cho sản xuất. Đối với các ngành tiêu thụ nhiều năng lượng như xi măng, thép hay hóa chất, công nghệ phát điện tận dụng nhiệt thải (Waste Heat Recovery Power Generation - WHRPG) đang trở thành hướng đi mang lại hiệu quả rõ rệt.

Theo đánh giá của ông Hùng, trong ngành xi măng, hệ thống WHRPG có thể đáp ứng khoảng 25-35% nhu cầu điện của nhà máy, tùy thuộc quy mô dây chuyền, công nghệ lò nung và hiệu suất vận hành. Bên cạnh việc giảm chi phí điện, giải pháp này còn góp phần giảm áp lực lên hệ thống điện quốc gia và cắt giảm phát thải khí nhà kính.

Song song với các giải pháp công nghệ, những nền tảng quản trị như EMS, BMS, IoT hay AI cũng ngày càng được tích hợp để giám sát hiệu suất, đánh giá hiệu quả và tối ưu vận hành theo thời gian thực. Nhờ đó, doanh nghiệp không chỉ thu hồi nhiệt mà còn khai thác tối đa giá trị của nguồn năng lượng thu hồi trong toàn bộ quá trình sản xuất.

Xu hướng này đang hiện diện ngày càng rõ tại nhiều doanh nghiệp Việt Nam. Từ dệt may, đồ uống đến xi măng, mỗi ngành có cách tiếp cận khác nhau, nhưng đều hướng tới một mục tiêu chung: biến phần năng lượng từng bị thất thoát thành nguồn lực phục vụ sản xuất.

Những phân tích của chuyên gia cho thấy dư địa rất lớn từ nguồn nhiệt thải. Thực tế tại nhiều doanh nghiệp cũng chứng minh, nếu được khai thác đúng cách, phần năng lượng từng bị bỏ quên hoàn toàn có thể trở thành một nguồn lực quan trọng giúp giảm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Một ví dụ trong ngành may mặc là Công ty TNHH Crystal Martin Việt Nam. Ông Lưu Kim Long - Trưởng phòng Dự án và Bảo trì Công ty TNHH Crystal Martin Việt Nam cho biết, dư địa tiết kiệm lớn nhất không nằm ở việc thay thế các thiết bị hiệu suất cao, mà ở khả năng kết nối và tối ưu toàn bộ hệ thống vận hành.

Từ quan điểm đó, doanh nghiệp triển khai đồng thời nhiều giải pháp nhằm tận dụng tối đa nguồn năng lượng sẵn có. Trong số 10 giải pháp tiết kiệm năng lượng tiêu biểu thực hiện trong 5 năm gần đây có giải pháp thu hồi nhiệt từ máy nén khí để làm nóng nước cho máy rửa bát và nước rửa tay tại khu vực canteen, giúp tiết kiệm khoảng 3,2% năng lượng mỗi năm. Bên cạnh đó, doanh nghiệp còn tận dụng nước ngưng của hệ thống điều hòa để tiền làm mát khí tươi trước khi đưa vào nhà xưởng, qua đó giảm nhu cầu làm lạnh.

Các giải pháp này không vận hành độc lập mà được tích hợp trong hệ thống quản trị năng lượng của nhà máy. Dữ liệu được theo dõi theo thời gian thực để xác định điểm làm việc tối ưu của từng hệ thống. Nhờ đó, doanh nghiệp tiết kiệm khoảng 20% năng lượng, trong khi thời gian hoàn vốn dưới 6 tháng.

Cách tiếp cận của Crystal Martin cho thấy, giá trị của thu hồi nhiệt không chỉ nằm ở lượng năng lượng được tận dụng mà còn ở khả năng tối ưu toàn bộ dòng năng lượng trong nhà máy.

Còn tại Công ty Cổ phần Bia Hà Nội - Hải Dương (HABECO-ID) lại khai thác nhiệt thải theo hướng gắn chặt với toàn bộ quy trình sản xuất.

Trong sản xuất bia, các công đoạn nấu, đun sôi dịch nha, làm lạnh và lên men đều tiêu thụ lượng nhiệt lớn. Thay vì để nguồn nhiệt này thất thoát sau mỗi công đoạn, doanh nghiệp triển khai nhiều giải pháp thu hồi và tái sử dụng ngay trong dây chuyền.

Một trong những cải tiến mang lại hiệu quả rõ nét là hệ thống hạ nhiệt dịch nha hai cấp, kết hợp thu hồi nước nóng sau trao đổi nhiệt để phục vụ các công đoạn tiếp theo như rửa thiết bị hoặc cấp nước cho mẻ nấu mới. Giải pháp này không chỉ giảm nhu cầu sử dụng hơi mà còn giảm lượng nước lạnh phải tạo ra, qua đó tiết kiệm đồng thời nhiệt năng và điện năng.

Bên cạnh đó, doanh nghiệp còn tận dụng công suất lạnh dư, bổ sung các bộ trao đổi nhiệt và hệ thống tích trữ nước lạnh để khai thác tối đa nguồn năng lượng đã tạo ra trong giờ thấp điểm, hạn chế phát sinh phụ tải vào thời điểm cao điểm. Các giải pháp cải tiến đồng bộ đã giúp HABECO-ID tiết kiệm hàng nghìn GJ năng lượng mỗi năm, đồng thời giảm đáng kể chi phí vận hành và phát thải khí nhà kính.

Điểm chung của các dự án này là không tạo ra thêm năng lượng mới mà khai thác tối đa giá trị của nguồn năng lượng đã có trong hệ thống. Đây cũng là xu hướng ngày càng phổ biến trong sản xuất công nghiệp: giảm nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngay từ trong quá trình sản xuất thay vì chỉ tìm kiếm các nguồn năng lượng mới có hiệu suất cao hơn.

Ở quy mô lớn hơn, khi nguồn nhiệt thải có nhiệt độ và lưu lượng đủ lớn, giá trị mang lại không chỉ dừng ở việc gia nhiệt hay tạo nước nóng mà còn có thể chuyển hóa trực tiếp thành điện năng. Đây cũng là bước phát triển cao hơn của công nghệ thu hồi nhiệt thải đang được nhiều nhà máy xi măng triển khai.

Trong quá trình sản xuất clinker, lò nung và tháp trao đổi nhiệt liên tục thải ra lượng khí nóng có nhiệt độ rất cao. Trước đây, phần lớn nguồn nhiệt này được xả trực tiếp ra môi trường. Hiện nay, nhiều nhà máy đã đầu tư hệ thống Waste Heat Recovery Power Generation (WHRPG) để tận dụng dòng khí nóng phát điện phục vụ chính dây chuyền sản xuất.

Tại các nhà máy xi măng, hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thải có thể đáp ứng khoảng 25-35% nhu cầu điện, tùy thuộc quy mô dây chuyền, công nghệ lò nung và hiệu suất vận hành. Không chỉ giúp doanh nghiệp giảm chi phí điện, giải pháp này còn góp phần giảm áp lực lên hệ thống điện quốc gia và cắt giảm phát thải khí nhà kính.

Điển hình như Công ty CP Xi măng Vicem Bút Sơn. Tháng 1/2024, Bút Sơn đưa vào vận hành dự án tận dụng nhiệt khí thải để phát điện với tổng mức đầu tư hơn 454 tỷ đồng, công suất thiết kế 12 MW và công suất vận hành thực tế đạt 12,3 MW.

Hệ thống này hiện cung cấp khoảng 25-30% nhu cầu điện của toàn nhà máy; đồng thời giúp giảm khoảng 86.000 tấn CO₂/năm do giảm sử dụng điện từ điện lưới quốc gia. Việc tận dụng nhiệt thải cũng góp phần giảm nhiệt độ khí đầu vào các công đoạn sau nồi hơi, giúp các quạt công nghệ vận hành ổn định hơn, nâng cao tuổi thọ thiết bị và hiệu suất lọc bụi điện.

Giá trị lớn nhất của dự án không chỉ nằm ở lượng điện tạo ra, mà ở việc biến dòng khí nóng từng bị thải bỏ thành một nguồn tài nguyên có giá trị kinh tế. Đó cũng chính là tư duy của kinh tế tuần hoàn trong công nghiệp: tài nguyên của công đoạn này trở thành đầu vào của công đoạn khác.

Xu hướng này cũng xuất hiện trong ngành thép. Tại Công ty TNHH Gang thép Hưng Nghiệp Formosa Hà Tĩnh, nhiều giải pháp thu hồi và tái sử dụng nhiệt đã được triển khai đồng bộ trong quá trình luyện thép. Riêng hệ thống tích nhiệt tại lò chuyển giúp thu hồi khoảng 103.000 tấn hơi mỗi năm, tương đương khoảng 29,4 triệu kWh điện; trong khi giải pháp thu hồi hơi tại hệ thống thổi bụi giúp tiết kiệm khoảng 923 tấn than/năm. Những con số này cho thấy dư địa rất lớn của việc khai thác nguồn nhiệt vốn trước đây bị thất thoát.

ECC Bách Khoa đo đạc, đánh giá dây chuyền sản xuất thép.

Chia sẻ với phóng viên Tạp chí Công Thương, ông Bùi Thanh Hùng cho rằng, rào cản lớn nhất hiện nay không nằm ở công nghệ mà ở nhận thức. Nhiều doanh nghiệp vẫn coi nhiệt thải là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất nên chưa đầu tư khảo sát để xác định tiềm năng thu hồi. Trong khi đó, mỗi nhà máy có đặc điểm công nghệ khác nhau, vì vậy không tồn tại một giải pháp chung cho tất cả. Điều quan trọng là phải đánh giá đúng dòng năng lượng đang đi qua nhà máy, xác định chính xác nơi thất thoát nhiều nhất để lựa chọn giải pháp phù hợp.

Theo ông, doanh nghiệp nên bắt đầu từ kiểm toán năng lượng, xây dựng bản đồ dòng năng lượng của nhà máy, sau đó ưu tiên triển khai các dự án có hiệu quả kinh tế cao và thời gian hoàn vốn ngắn trước khi đầu tư các hệ thống quy mô lớn.

Thu hồi nhiệt thải đang cho thấy sự chuyển dịch rõ rệt trong tư duy sử dụng năng lượng của doanh nghiệp. Đó cũng là bước chuyển từ tư duy "tiêu thụ năng lượng" sang "quản trị vòng đời năng lượng" - nền tảng để hình thành các mô hình nhà máy tuần hoàn, nơi năng lượng được khai thác nhiều lần trước khi rời khỏi hệ thống. Đây không chỉ là xu hướng của hiện tại mà sẽ tiếp tục là một trong những hướng đi quan trọng của sản xuất xanh trong những năm tới.

Đón đọc Kỳ 4: Chuyển đổi hệ thống hơi - Xu hướng tái cấu trúc dòng năng lượng trong nhà máy