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

Trong nhiều thập kỷ, các chương trình tiết kiệm năng lượng trong công nghiệp chủ yếu tập trung vào từng thiết bị riêng lẻ: thay lò hơi mới, thay đầu đốt, cải tiến đường ống hay tăng cường bảo ôn. Những giải pháp này mang lại hiệu quả nhất định nhưng chưa giải quyết được bài toán lớn hơn là tối ưu toàn bộ dòng năng lượng trong nhà máy.

Hiện nay, cùng với yêu cầu giảm phát thải carbon và nâng cao năng lực cạnh tranh, cách tiếp cận đang thay đổi rõ rệt. Hệ thống hơi không còn được nhìn nhận như một tổ hợp thiết bị độc lập mà trở thành một chuỗi năng lượng hoàn chỉnh, trong đó mọi công đoạn từ tạo hơi, phân phối, sử dụng đến thu hồi nhiệt đều được quản trị như một hệ thống thống nhất.

Đây cũng là xu hướng được Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) nhấn mạnh trong báo cáo Renewables for Industry. Theo IEA, ngành công nghiệp hiện tiêu thụ khoảng 30% tổng năng lượng toàn cầu, trong đó khoảng 70% nhu cầu năng lượng là năng lượng nhiệt, chủ yếu phục vụ các quá trình gia nhiệt và tạo hơi. Tuy nhiên, khoảng 80% lượng nhiệt công nghiệp hiện vẫn được tạo ra từ nhiên liệu hóa thạch, khiến nhiệt công nghiệp trở thành một trong những lĩnh vực khó giảm phát thải nhất. Chính vì vậy, nâng cao hiệu quả của hệ thống hơi được xem là một trong những giải pháp có thể triển khai ngay bằng các công nghệ đã sẵn sàng thương mại.

Không chỉ hướng tới mục tiêu giảm phát thải, chuyển đổi hệ thống hơi còn giúp doanh nghiệp thích ứng tốt hơn với sự phát triển của năng lượng tái tạo. Báo cáo của Reuters dẫn đánh giá của nhiều chuyên gia cho thấy, thay vì tạo hơi đúng thời điểm sản xuất, các nhà máy đang có xu hướng tạo nhiệt khi nguồn điện dồi dào hoặc giá điện thấp, sau đó lưu trữ để sử dụng khi cần. Cách tiếp cận này giúp giảm chi phí năng lượng, giảm phụ tải giờ cao điểm và nâng cao tính linh hoạt trong vận hành hệ thống.

Theo Reuters, thị trường lưu trữ năng lượng nhiệt (Thermal Energy Storage - TES) hiện đã đạt quy mô khoảng 2,51 tỷ USD. Các hệ thống này lưu trữ nhiệt trong nước, đá, cát, bê tông hoặc muối nóng chảy để phục vụ sản xuất nhiều giờ, nhiều ngày, thậm chí nhiều tháng sau khi tạo nhiệt. Đáng chú ý, chi phí đầu tư của TES có thể thấp hơn tới 5 lần so với các hệ thống lưu trữ bằng pin lithium-ion, nhờ sử dụng các vật liệu phổ biến và dễ tiếp cận.

Xu hướng này cho thấy mục tiêu của doanh nghiệp không còn đơn thuần là tạo ra nhiều hơi hơn, mà là khai thác tối đa giá trị của từng đơn vị nhiệt đã tạo ra. Đây cũng là nền tảng để hình thành các hệ thống hơi thông minh, nơi năng lượng được sử dụng nhiều lần trước khi rời khỏi dây chuyền sản xuất.

Trên thực tế, phần lớn tổn thất năng lượng trong hệ thống hơi không nằm ở bản thân lò hơi mà xuất hiện trong toàn bộ quá trình vận hành. Hơi thất thoát trên đường ống, nước ngưng không được thu hồi, quá trình cháy chưa tối ưu, bảo ôn xuống cấp hay hệ thống điều khiển vận hành thủ công đều có thể làm giảm đáng kể hiệu suất sử dụng năng lượng.

Điều này cũng được phản ánh trong các quy định của Việt Nam. Thông tư số 02/2014/TT-BCT ngày 16/01/2014 của Bộ Công Thương quy định về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả trong công nghiệp yêu cầu các hệ thống cấp nhiệt phải đáp ứng các tiêu chí về hiệu suất, hạn chế tổn thất nhiệt, không để rò rỉ hơi và tăng cường tận dụng nhiệt thải. Đối với lò hơi, hiệu suất tối thiểu được quy định là 70% đối với lò đốt than và 80% đối với lò đốt dầu, khí, trong khi tổn thất nhiệt trên hệ thống phân phối hơi không được vượt quá 5%.

Những yêu cầu này đang được hiện thực hóa bằng nhiều giải pháp công nghệ mới. Thay vì chỉ thay thế lò hơi, các doanh nghiệp đồng thời đầu tư bộ hâm nước (economizer), bộ sấy không khí (air preheater), hệ thống kiểm soát oxy tự động (O₂ Trim Control), thiết bị thu hồi nước ngưng, van bẫy hơi hiệu suất cao, hệ thống điều khiển số và các nền tảng giám sát trực tuyến. Khi được tích hợp đồng bộ, các giải pháp này giúp nâng cao hiệu suất toàn hệ thống, giảm tiêu hao nhiên liệu và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Xu hướng chuyển đổi hệ thống hơi không chỉ diễn ra tại các tập đoàn lớn mà đã được nhiều doanh nghiệp Việt Nam áp dụng thông qua các dự án cải tạo, thay thế và tối ưu thiết bị. Điểm chung của các dự án này là không dừng ở việc thay một lò hơi mới, mà đồng thời cải tiến quá trình đốt, thu hồi nhiệt, tăng cường tự động hóa và nâng cao hiệu suất toàn hệ thống.

Theo Cẩm nang công nghệ Lò hơi tiết kiệm năng lượng trong lĩnh vực công nghiệp tại Việt Nam, do Cục Đổi mới sáng tạo, Chuyển đổi xanh và Khuyến công (Bộ Công Thương) & Cục Năng lượng Đan Mạch phối hợp xuất bản tháng 4/2025, một ví dụ điển hình là Công ty Dệt Hà Nội (Chi nhánh Hưng Yên).

Trước khi cải tạo, doanh nghiệp sử dụng hai lò hơi đốt than ghi cố định công suất 4 tấn hơi/giờ và 6 tấn hơi/giờ, vận hành ở áp suất 5 bar, nhiệt độ 150°C, phục vụ toàn bộ quá trình sản xuất. Mỗi năm, nhà máy tiêu thụ khoảng 2.800 tấn than antraxit.

Kết quả kiểm toán năng lượng cho thấy hiệu suất của hệ thống chỉ đạt khoảng 73%. Nguyên nhân chủ yếu đến từ việc lò hơi đã cũ, thiếu hệ thống điều khiển tự động, trong khi các bộ hâm nước xuống cấp, rò rỉ và đóng cặn, làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt.

Trên cơ sở đó, đơn vị tư vấn khuyến nghị thay thế bằng một lò hơi tầng sôi công suất 10 tấn hơi/giờ, sử dụng nhiên liệu kép (than và sinh khối), đồng thời triển khai đồng bộ nhiều giải pháp tối ưu gồm: lắp đặt bộ hâm nước tiết kiệm năng lượng (economizer); kiểm soát oxy tự động (O₂ Trim Control) nhằm tối ưu quá trình cháy; bổ sung bộ sấy không khí; cải thiện hệ thống bảo ôn.

Theo tính toán của dự án, sau cải tạo, hiệu suất lò hơi tăng từ khoảng 73% lên 87%. Với tổng mức đầu tư khoảng 6,2 tỷ đồng, doanh nghiệp có thể tiết kiệm khoảng 2 tỷ đồng chi phí năng lượng/năm, thời gian hoàn vốn khoảng 3 năm.

Không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế, dự án còn giúp giảm gần 1.000 tấn CO₂/năm nhờ nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng. Khi chuyển sang vận hành bằng nhiên liệu sinh khối, lượng phát thải tiếp tục giảm thêm khoảng 8.000 tấn CO₂ mỗi năm. Hệ thống điều khiển và vận hành tự động cũng góp phần cải thiện điều kiện làm việc và nâng cao độ ổn định của dây chuyền sản xuất.

Với trường hợp của Công ty TNHH MTV Thuốc lá Thăng Long (Vinataba Thăng Long), chi phí đầu tư vào thời điểm năm 2020 cho một hệ thống lò hơi đốt sinh khối (biomass) công nghệ tầng sôi bong bóng (BFB) tự động hoàn toàn với công suất 6 tấn hơi/giờ là 7,5 tỷ đồng. Nhiên liệu đốt cho hệ thống này bao gồm hỗn hợp các loại nhiên liệu sinh khối có nhiệt trị cao như là gáo dừa, vỏ cà phê cùng với các nhiên liệu khác như là rơm rạ, bã mía.

Hệ thống lò hơi tầng sôi đốt sinh khối yêu cầu chi phí đầu tư ban đầu cao hơn khoảng 30-40% so với công nghệ lò hơi ghi tĩnh truyền thống do có cấu tạo phức tạp, tích hợp nhiều thiết bị phụ trợ (như hệ thống cấp liệu tự động, điều khiển PLC/SCADA, xử lý khí thải chuẩn QCVN 19:2024...).

Dù có mức đầu tư cao hơn, lò hơi tầng sôi được đánh giá là lựa chọn bền vững và giúp bù đắp chi phí lâu dài tốt hơn nhờ hiệu suất đốt cao vượt trội (trên 85%) và cơ chế cấp liệu hoàn toàn tự động, giúp giảm thiểu rõ rệt lượng nhiên liệu tiêu hao cũng như chi phí nhân công vận hành.

Nhiên liệu Biomass hiện nay được đánh giá là giải pháp mang lại chi phí vận hành rẻ nhất, đem lại mức tiết kiệm khổng lồ khi so sánh với lò hơi đốt dầu (dầu DO, FO), giúp Vinataba Thăng Long tiết kiệm hơn 8 tỷ đồng chi phí vận hành mỗi năm, tương ứng với thời gian hoàn vốn chỉ khoảng gần 1 năm. Chi phí sản xuất 1 tấn hơi bằng Biomass chỉ dao động trong khoảng 350.000-480.000 đồng/tấn hơi, trong khi đó chi phí sản xuất 1 tấn hơi bằng Dầu DO rất đắt đỏ, dao động từ 1.200.000-1.800.000 đồng, thậm chí có thể lên tới trên 2,3 triệu đồng do phụ thuộc vào biến động giá dầu thế giới.

Hai trường hợp trên cho thấy hiệu quả của chuyển đổi hệ thống hơi không chỉ đến từ việc lựa chọn thiết bị mới, mà còn nằm ở cách doanh nghiệp kết hợp nhiều giải pháp đồng thời: nâng cao hiệu suất đốt, tự động hóa vận hành, thu hồi nhiệt và lựa chọn nhiên liệu phù hợp với điều kiện sản xuất. Đây cũng là hướng đi đang được nhiều doanh nghiệp trên thế giới theo đuổi trong quá trình chuyển đổi sang các hệ thống nhiệt phát thải thấp.

Nhìn rộng hơn, quá trình chuyển đổi hệ thống hơi đang phản ánh một thay đổi lớn trong tư duy sử dụng năng lượng của doanh nghiệp. Đó cũng là nền tảng để hình thành các hệ thống hơi thông minh, nơi năng lượng được tạo ra vào thời điểm tối ưu, sử dụng đúng nhu cầu và tái khai thác nhiều lần trước khi rời khỏi dây chuyền sản xuất. Khi công nghệ điều khiển số, trí tuệ nhân tạo và lưu trữ nhiệt tiếp tục phát triển, hệ thống hơi sẽ không còn chỉ là "trái tim năng lượng" của nhà máy, mà sẽ trở thành một mắt xích quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang mô hình sản xuất xanh, phát thải thấp và sử dụng năng lượng linh hoạt.

Đón đọc Kỳ 5 (Kỳ cuối): AI - Xu hướng kiến tạo nhà máy thông minh