Bài giảng Sử dụng năng lượng tiết kiệm & hiệu quả

BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 1 PHẦN I. QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG Bài 1. Quản lý năng lượng và sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu quả 1. Các khái niệm cơ bản - Năng lượng bao gồm nhiên liệu, điện năng, nhiệt năng thu được trực tiếp hoặc thông qua chế biến từ các nguồn tài nguyên năng lượng không tái tạo và tái tạo. - Tài nguyên năng lượng không tái tạo gồm than đá, khí than, dầu mỏ, khí thiên nhiên, quặng urani và các tài nguyên năng lượng khác không có khả năng tái tạo. - Tài nguyên năng lượng tái tạo gồm sức nước, sức gió, ánh sáng mặt trời, địa nhiệt, nhiên liệu sinh học và các tài nguyên năng lượng khác có khả năng tái tạo. - Nhiên liệu là các dạng vật chất được sử dụng trực tiếp hoặc qua chế biến để làm chất đốt. - Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là việc áp dụng các biện pháp quản lý và kỹ thuật nhằm giảm tổn thất, giảm mức tiêu thụ năng lượng của phương tiện, thiết bị mà vẫn bảo đảm nhu cầu, mục tiêu đặt ra đối với quá trình sản xuất và đời sống. - Kiểm toán năng lượng là hoạt động đo lường, phân tích, tính toán, đánh giá để xác định mức tiêu thụ năng lượng, tiềm năng tiết kiệm năng lượng và đề xuất giải pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả đối với cơ sở sử dụng năng lượng. - Nhãn năng lượng là nhãn cung cấp thông tin về loại năng lượng sử dụng, mức tiêu thụ năng lượng, hiệu suất năng lượng và các thông tin khác giúp người tiêu dùng nhận biết và lựa chọn phương tiện, thiết bị tiết kiệm năng lượng. - Dán nhãn năng lượng là việc dán, gắn, in, khắc nhãn năng lượng lên sản phẩm, bao bì. - Hiệu suất năng lượng là chỉ số biểu thị khả năng của phương tiện, thiết bị chuyển hoá năng lượng sử dụng thành năng lượng hữu ích. - Mức hiệu suất năng lượng tối thiểu là mức hiệu suất năng lượng thấp nhất do cơ quan nhà nước có thẩm quyền quy định đối với phương tiện, thiết bị sử dụng năng lượng mà dưới mức đó, thiết bị sẽ chịu sự quản lý đặc biệt. - Sản phẩm tiết kiệm năng lượng là phương tiện, thiết bị có hiệu suất năng lượng cao, vật liệu có tính cách nhiệt tốt phù hợp với tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật do cơ quan nhà nước có thẩm quyền quy định 2. Hiện trạng nguồn năng lượng nước ta và thế giới Hiện trạng sử dụng năng lượng trong ngành CBTS Việt nam năm 2002 Số công ty : khoảng 250 Doanh thu hàng năm : 1.800.000.000 USD Chi phí năng lượng hàng năm : 50.000.000 USD Tiềm năng tiết kiệm ước tính : 20% Mức tiết kiệm hàng năm > 10,000,000 USD - Tương đương với tuyển dụng thêm được 2000 lao động mới - Hay có thể đầu tư cho 3,4 nhà máy chế biến mới - v.v Quản lý năng lượng công nghiệp là một hoạt động có trật tự, tổ chức nhằm hướng tới việc sử dụng tiết kiệm năng lượng mà không làm suy giảm năng suất lao động, an toàn lao động hoặc làm ảnh hưởng tới môi trường. Cốt lõi của vấn đề tiết kiệm hiệu quả năng lượng là tinh thần thiết kế mới: Tối ưu hệ thống tổng thể luôn đem lại những tiết kiệm lớn, không tốn kém Không làm tối ưu từng phần riêng rẽ (thực chất sẽ làm yếu hệ thống) Thiết kế có tính thống nhất, lưu ý đến khả năng nâng cấp, cải tạo, thay mới, mở rộng Ví dụ: Thiết kế một hệ thống bơm nước theo đúng tiêu chuẩn tối ưu có thể giảm điện tiêu thụ từ 95 hp xuống còn 7 hp (giảm 92% lượng điện tiêu thụ) chi phí xây dựng ít hơn và hoạt động tốt hơn. Không dùng công nghệ mới, chỉ thay đổi thiết kế theo 2 cách: Đường ống lớn, bơm nhỏ (không làm ngược lại), Bố trí đường ống trước, sau đó đến thiết bị (không làm ngược lại). Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là chiến lược phát triển bền vững của nước ta cũng như nhiều quốc gia trên thế giới. Hài hòa 3E trong sử dụng năng lượng BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 2 - Sử dụng năng lượng với hiệu suất cao là yếu tố quan trọng trong chiến lược hài hoà 3-E. - Hiệu suất năng lượng đang là một trong những công nghệ dẫn đường cho phát triển bền vững - Đầu tư cho tiết kiệm năng lượng rẻ hơn rất nhiều so với đầu tư để tăng thêm cung cấp năng lượng - Xu thế: giảm cường độ năng lượng trong sản xuất, đời sống Hiệu quả sử dụng năng lượng - Hiệu suất năng lượng từ khai thác, chế biến đến sử dụng cuối cùng còn thấp: ~40%. - Nhu cầu năng lượng tăng 145% - 151% trong giai đoạn 1998-2020 Trữ lượng năng lượng toàn cầu Cung cấp năng lượng sơ cấp toàn cầu Khả năng khai thác các nguồn nhiên liệu hóa thạch của thế giới BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 3 Một số chỉ tiêu năng lượng Việt Nam BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 4 Tiêu thụ năng lượng năm 2008 của Việt Nam - Chia theo phân ngành - Chia theo dạng nhiên liệu So sánh một số chỉ tiêu năng lượng quốc tế - Tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong các ngành sản xuất, kinh doanh ở nước ta Hiệu suất sử dụng năng lượng từ khai thác đến sử dụng cuối cùng: khoảng 32%; Kết quả khảo sát của các cơ quan nghiên cứu và tư vấn vào nửa đầu thập niên 2000 cho thấy, tiềm năng tiết kiệm năng lượng ở nước ta còn rất lớn: • Công nghiệp xi măng (tiềm năng tiết kiệm đến) ... 50% • Công nghiệp gốm .. 35% • Phát điện than .... 25% • Ngành dệt /may mặc .. 30% • Công nghiệp thép ... 20% • Chế biến thực phẩm ... 20% • Nông nghiệp .. 50% • Sử dụng nước . 15% • Các tòa nhà thương mại .. 25% 3. Một số nội dung của luật sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu quả - Nguyên tắc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả Phù hợp với chiến lược, quy hoạch tổng thể về năng lượng, chính sách an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường. BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 5 Được thực hiện thường xuyên, thống nhất từ quản lý, khai thác tài nguyên năng lượng đến khâu sử dụng cuối cùng. Là trách nhiệm của cơ quan quản lý nhà nước, quyền và nghĩa vụ của tổ chức, hộ gia đình, cá nhân và toàn xã hội. - Chính sách của Nhà nước về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả Áp dụng thực hiện biện pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả phục vụ phát triển kinh tế - xã hội là một trong những ưu tiên hàng đầu. Hỗ trợ tài chính, giá năng lượng và các chính sách ưu đãi cần thiết khác để thúc đẩy sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Tăng đầu tư, áp dụng đa dạng hình thức huy động các nguồn lực để đẩy mạnh nghiên cứu khoa học, phát triển và ứng dụng công nghệ tiên tiến sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả; phát triển năng lượng tái tạo phù hợp với tiềm năng, điều kiện của Việt Nam góp phần bảo đảm an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường. Khuyến khích sử dụng phương tiện, thiết bị tiết kiệm năng lượng; thực hiện lộ trình áp dụng nhãn năng lượng; từng bước loại bỏ phương tiện, thiết bị có công nghệ lạc hậu, hiệu suất năng lượng thấp. Khuyến khích phát triển dịch vụ tư vấn; đầu tư hợp lý cho công tác tuyên truyền, giáo dục, hỗ trợ tổ chức, hộ gia đình, cá nhân sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. - Chiến lược, quy hoạch, chương trình sử dụng năng lượng Cung cấp năng lượng ổn định, an toàn; sử dụng hợp lý, tiết kiệm nguồn tài nguyên năng lượng; Dự báo cung, cầu năng lượng phù hợp với chiến lược, quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội; kết hợp hài hòa, cân đối giữa các quy hoạch ngành than, dầu khí, điện lực và các quy hoạch năng lượng khác; Thúc đẩy sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, ưu tiên phát triển hợp lý công nghệ năng lượng sạch, nâng cao tỷ trọng sử dụng năng lượng tái tạo; Xây dựng và thực hiện lộ trình chế tạo phương tiện, thiết bị, vật liệu xây dựng tiết kiệm năng lượng. - Các hành vi bị cấm Hủy hoại nguồn tài nguyên năng lượng quốc gia. Giả mạo, gian dối để được hưởng chính sách ưu đãi của Nhà nước trong hoạt động sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Lợi dụng chức vụ, quyền hạn trong quản lý sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả vì mục đích vụ lợi. Cố ý cung cấp thông tin không trung thực về hiệu suất năng lượng của phương tiện, thiết bị trong hoạt động dán nhãn năng lượng, kiểm định, quảng cáo và các hoạt động khác gây thiệt hại đến lợi ích của Nhà nước, quyền và lợi ích hợp pháp của tổ chức, hộ gia đình, cá nhân. Sản xuất, nhập khẩu, lưu thông phương tiện, thiết bị sử dụng năng lượng thuộc danh mục phương tiện, thiết bị phải loại bỏ do cơ quan nhà nước có thẩm quyền ban hành. 4. Sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu quả trong mọi ngành nghề của cuộc sống - Trách nhiệm sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả của cơ sở sản xuất công nghiệp. - Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả trong xây dựng và chiếu sáng công cộng. - Sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu và hiệu quả trong giao thông vận tải. - Sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu và hiệu quả trong sản xuất nông nghiệp. - Sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu và hiệu quả trong hoạt dộng dịch vụ và hộ gia đình. - Sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu và hiệu quả trong dự án đầu tư, cơ quan đơn vị nhà nước. (Đọc hiểu nội dung của luật sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả) 5. Các giải pháp TKNL Quản lý nội vi tốt Thay thế các thiết bị kém hiệu quả Giảm tình trạng chạy non tải Tái sử dụng các nguồn lực và năng lượng Tối ưu hóa quá trình sản xuất-sử dụng NL Thiết kế thiết bị mới theo hướng tiết kiệm năng lượng BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 6 6. Thực hiện việc sử dụng năng lượng TKHQ 6.1. Lý do của việc sử dụng năng lượng kém hiệu quả - Quan điểm - thiết kế tương tự - hoặc sao chép chính xác - một cách nhanh chóng, lan truyền ngăn cản sự phát triển liên tục của công nghệ - Chỉ tập trung vào sản lượng, tốc độ sản xuất mà không quan tâm đến các - chi phí nhỏ - Nhiều giả định về hiệu quả làm tăng chi phí, tăng rủi ro cho quá trình sản xuất - Không chịu thay đổi thói quen - Đầu tư thường thiên về hướng mở rộng sản xuất: các thiết bị lớn / quá khổ thường dễ được tài trợ - Thường chỉ quan tâm nhiều đến chi phí ban đầu - Chất thải không bao giờ được thừa nhận, ngay cả khi chúng được định lượng  Quan điểm mới: chất thải là nguồn tài nguyên được đặt không đúng chỗ 6.2. Lợi ích của sử dụng tiết kiệm hiệu quả năng lượng - Đối với cơ sở công nghiệp: Giảm chi phí năng lượng, tăng khả năng cạnh tranh, tăng năng suất sản xuất,cải thiện chất lượng hàng hóa, tăng lợi nhuận - Đối với quốc gia: giảm nhập khẩu năng lượng, tiết kiệm nguồn tài nguyên quốc gia, tiền tiết kiệm được có thể dùng cho các hoạt động xóa đói giảm nghèo, chủ động hơn trong việc sản xuất và tiêu thụ năng lượng - Đối với toàn cầu: giảm phát thải khí nhà kính, duy trì và ổn định môi trường bền vững 6.3. Các rào cản đối với việc thực hiện TKNL - Rào cản kỹ thuật Thiếu hiểu biết về các khả năng TKNL, thiếu đồng hồ đo, thông tin về công nghệ mới Ý thức của người vận hành thiết bị, quản lý nhà máy - Rào cản kinh tế Phương pháp phân tích tài chính không phù hợp, thiếu vốn đầu tư Rào cản chính sách thể chế Thiếu chính sách thúc đẩy hoạt động tiết kiệm năng lượng,v.v  Cần thiết phải sắp xếp rào cản theo thứ tự để đề xuất các giải pháp vượt rào cản Bài 2. Chương trình quản lý năng lượng 1. Quản lý năng lượng - Quản lý năng lượng là việc tổ chức thực hiện sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả nhằm đạt được lợi nhuận cao nhất (chi phí nhỏ nhất) và nâng cao năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp. - Quản lý sử dụng các dạng năng lượng trong doanh nghiệp bằng cách xác lập một chương trình mua/tạo ra và tiêu thụ các dạng năng lượng khác nhau dựa trên chương trình quản lý năng lượng ngắn hạn và dài hạn của doanh nghiệp, có tính đến các yếu tố về chi phí, sự sẵn sàng và các yếu tố kinh tế khác. -Thế nào là sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả Sử dụng đủ năng lượng cho sản xuất, đời sống Phát hiện các khâu sử dụng năng lượng lãng phí để hạn chế; Tiết kiệm năng lượng, nâng cao hiệu suất năng lượng; “Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là việc áp dụng các biện pháp quản lý và kỹ thuật nhằm giảm tổn thất, giảm mức tiêu thụ năng lượng của phương tiện, thiết bị mà vẫn bảo đảm nhu cầu, mục tiêu đặt ra đối với quá trình sản xuất và đời sống - Ba nguyên tắc trong quản lý năng lượng Mua năng lượng ở mức giá thấp nhất, ưu tiên cho các dạng năng lượng sạch Sử dụng năng lượng hiệu quả nhất Sử dụng công nghệ phù hợp nhất với trình độ kỹ BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 7 thuật và khả năng tài chính của doanh nghiệp - Hai lĩnh vực song hành + Quản lý (Hành vi của người sử dụng năng lượng; chính sách mua NL, mục tiêu hiệu suất NL ) + Kỹ thuật Tăng hiệu suất sử dụng năng lượng của thiết bị, máy móc, dây chuyền sản xuất; Thu hồi và tái sử dụng NL; Thiết lập hệ thống kiểm soát, đo lường, giám sát hiệu quả NL -Hệ thống quản lý năng lượng là gì? Là một phần trong hệ thống quản lý của một tổ chức, được sử dụng để thiết lập chính sách, mục tiêu năng lượng; quản lý để đạt được các mục tiêu đó, đảm bảo sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả; - Phạm trù: Bao gồm hầu như toàn bộ các hoạt động quản lý trong doanh nghiệp (lập kế hoạch; đảm bảo tài chính; nguồn nhân lực; quan hệ cộng đồng cho đến mua sắm thiết bị; bảo dưỡng, sửa chữa; mua năng lượng); Bao gồm mọi khía cạnh trong lĩnh vực sử dụng năng lượng: - Vật chất (phương tiện, thiết bị); - Tài liệu (quy trình, quy phạm, kinh nghiệmsử dụng trong vận hành); - Hệ quả: Xác lập được cơ cấu rõ ràng về các thành phần tham gia hệ thống; Cung cấp cho doanh nghiệp một chương trình sử dụng năng lượng toàn diện. P-D-C-A trong quản lý năng lượng - Cam kết của lãnh đạo cấp cao - Chính sách năng lượng - Thu thập dữ liệu - Phân tích, xây dựng tài liệu - Các ràng buộc pháp lý - Các mục đích và mục tiêu NL - Chương trình QLNL và kế hoạch hành động - Nâng cao nhận thức, đào tạo - Huy động nguồn lực - Phổ biến, tuyên truyền - Xây dựng văn bản - Kiểm soát hoạt động - Xem xét của lãnh đạo - Các biện pháp cải thiện tiếp theo - Kiểm soát, đo lường - Xem xét việc tuân thủ pháp luật - Các sai lệch, hành động sửa chữa và ngăn ngừa - Hồ sơ kế hoạch, tổ chức - Kiểm toán nội bộ 2. Cấu trúc của trương trình quản lý năng lượng toàn bộ Cải thiện liên tục BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 8 - Nhận thức về tiết kiệm năng lượng Các báo cáo tài chính về chi phí sử dụng điện Các định mức chuẩn (benchmark) được đưa ra thông qua: - Nhà sản xuất thiết bị - Định mức sản xuất của ngành Các báo cáo trong các cuộc họp định kỳ Các nhà tư vấn kiểm toán năng lượng Hệ thống quan trắc tiêu thụ năng lượng được thiết lập trong nhà máy Hệ thống quan trắc tiêu thụ năng lượng + Mục đích: Theo dõi diễn biến tiêu thụ năng lượng của công ty Phục vụ cho công tác quản lý năng lượng của công ty So sánh đối chiếu và đánh giá trong quá trình thực hiện các giải pháp tiết kiệm năng lượng + Xác lập chỉ số cần quan trắc (phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể) thông qua đo đạc, tính toán: Lượng điện tiêu thụ (KWh), lượng nhiên liệu tiêu thụ (MJ) Lượng sản phẩm (kg hoặc tấn SP đông lạnh, tấn đá cây, v.v) Suất tiêu hao điện (kWh/kg sản phẩm) Suất tiêu hao nhiệt (MJ/kg sản phẩm) - Hệ thống thu thập số liệu 3. Hệ thống quan trắc-giám sát-xây dựng các chỉ tiêu chính ThiÕt lËp vµ thùc hiÖn hÖ thèng quan tr¾c Kh¶o s¸t hiÖn tr¹ng SX vµ x¸c ®Þnh c¸c th«ng tin cÇn thiÕt cho qu¶n lý LËp thø tù ­u tiªn X¸c ®Þnh c¸c chØ sè chÝnh cho hÖ thèng quan tr¾c SXSH X¸c ®Þnh c¸c ®iÓm ®o ThiÕt lËp c¸c thñ tôc thu thËp sè QU¶n lý c«ng ty Qui tr×nh SX MÆt b»ng nhµ m¸y BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 9 - Thu thập số liệu sơ bộ Chuẩn bị: Xác định chỉ số cần theo dõi Lắp đặt đồng hồ Thiết lập biểu mẫu ghi chép số liệu, biểu mẫu tổng hợp số liệu (worksheet), phần mềm quản lý số liệu (nếu cố) Phân công trách nhiệm, thiết lập thủ tục ghi chép số liệu -Thu thập thử Thu thập thử số liệu trong 1 – 2 tuần Tổng hợp số liệu, xem xét mức độ chính xác, phù hợp Điều chỉnh lắp đặt / bổ sung đồng hồ (nếu cần) Điều chỉnh các biểu mẫu/ thủ tục thu thập số liệu -Thu thập số liệu chính thức Thu thập số liệu (khoảng 1 tháng) Phân tích số liệu, phác hoạ lược đồ tiêu thụ Xác định trọng tâm kiểm toán năng lượng -Xác định các chỉ số cần theo dõi Thảo luận các chỉ số nên đưa vào hệ thống quan trắc trong cơ sở chế biến thuỷ sản: Chỉ số nào? Tại sao lại lựa chọn chỉ số đó? Ví dụ: Tiêu thụ: điện (kwh/T TP), đá (T/ T TP), nước (m3/ T TP), nguyên liệu (định mức tiêu hao NL/ T TP), Độc tính dòng thải: (kg BOD5/TTP, kg COD/TTP, kg TSS/TTP,..) Chi tiết phục vụ KTNL: kwh/ TSP cho từng tủ cấp đông tiếp xúc kwh/ TSP đông IQF kwh/ Tấn đá cây; kWh/ Tấn đá vẩy kwh/Tấn SP bảo quản đông/ ngày .. Chú ý đơn vị đo -Lắp đặt đồng hồ + Xác định vị trí lắp đặt đồng hồ + Cho các khu vực chính + Các thiết bị chính Xem xét mục đích quản lý của công ty BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 10 Có sơ đồ vị trí đồng hồ kèm theo mã hiệu rõ ràng Mua sắm đồng hồ 3 pha/ 2 pha Điện tử/ Cơ Đồng hồ phải được kiểm định Lắp đặt đồng hồ: Vị trí dễ đọc, dễ quản lý, mã hiệu, đầy đủ - Ví dụ Sơ đồ hệ thống điện - Biểu mẫu thu thập số liệu Đơn giản, dễ hiểu, đủ các thông tin cần thiết Ký hiệu rõ ràng cho từng đồng hồ Vị trí đồng hồ Hệ số đồng hồ Giờ đọc số liệu Ngày đọc số liệu. Điều kiện môi trường , khí hậu - Phân tích và báo cáo: Thiết lập các biểu mẫu (phần mềm), phân tích dữ liệu Kiểm tra so sánh theo từng ca, ngày, giai đoạn Đánh giá mức cải thiện đối với các giải pháp tiết kiệm năng lượng Thông báo cho người vận hành thiết bị Thông báo cho phân xưởng Báo cáo kết quả với đại diện ban giám đốc phụ trách tiết kiệm năng lượng - Cam kết của lãnh đạo Là điều kiện tiên quyết cho việc triển khai một chương trình quản lý năng lượng có hiệu quả được thể hiện qua việc: (1) TBA 320 KVA (2) PHß NG M¸ Y PH¸ T Vµ t ñ PH¢ N PHè I (3) Nhµ ®Æt m¸ y sè 1 (4) Nhµ ®Æt m¸ y sè 2 (5) X­ ë ng ®¸ 1 (7) § ¸ L¹ nh (6) Ph©n X­ ë ng ChÕ BiÕn (9) Ph©n x­ ë ng c hÕ biÕn (8) Khu l ß sÊy BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 11 Xác định TKNL là nhiệm vụ trong công tác quản lý nhà máy. Chỉ định người quản lý năng lượng, Thiết lập các thủ tục tính toán năng lượng, Xây dựng chương trình đào tạo Bài 3. Kiểm toán năng lượng 1. Khái niệm kiểm toán Là hoạt động khảo sát, thu thập và phân tích dữ liệu tiêu thụ NL các đối tượng sử dụng năng lượng, tìm ra cơ hội tiết kiệm năng lượng, đề xuất giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả hơn Các loại kiểm toán năng lượng Loại kiểm toán năng lượng có thể được thực hiện trong một thiết bị tiêu thụ năng lượng phụ thuộc vào chức năng và loại thiết bị, phạm vi tìm kiếm phải được phân tích, tiềm năng và tầm quan trọng của việc giảm giá năng lượng phải được xác định. Các cấp độ kiểm toán NL - Kiểm toán năng lượng sơ bộ hay kiểm toán ngắn Các giải pháp ít đầu tư Xác định khu vực cần ưu tiên kiểm toánchi tiết - Kiểm toán năng lượng chi tiết hay kiểm toán đầy đủ Các giải pháp đầu tư Kiến nghị thứ tự ưu tiên Chi phí/ lợi ích - Nghiên cứu khả thi Các giải pháp cần vốn nhiều: + Đánh giá kỹ thuật + Đánh giá kinhtế Cũng có những loại kiểm toán năng lượng khác xác định cho các thiết bị, hệ thống hoặc quy trình tiêu thụ năng lượng tiêu biểu. Ví dụ: kiểm toán hệ thống lò hơi, kiểm toán hệ thống lạnh và điều hoà nhiệt độ, kiểm toán hệ thống điện, kiểm toán hệ thống chiếu sáng v.v Các kiểm toán này có thể được thực hiện như một khảo sát năng lượng đơn giản hoặc có thể tiến hành trên cơ sở sơ bộ (ngắn) hay chi tiết (đầy đủ). Các bước thực hiện kiểm toán và phân tích năng lượng BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 12 2. Kiểm toán sơ bộ Các bước công việc điển hình của kiểm toán năng lượng sơ bộ (Preliminary Energy Audit - PEA) a. Tổ chức thực hiện - Tiến hành liên lạc với doanh nghiệp - Thoả thuận thời gian khảo sát - Xác định nhân sự để gặp gỡ (tên, chức danh,...) b. Lập kế hoạch thực hiện: - Xác định các thông tin cần thu thập - Xác định loại dữ liệu thu thập c. Khảo sát + Thực hiện các cuộc phỏng vấn chính thức với các đối tượng sau và thu thập dữ liệu về các hoạt động, sản xuất, các hộ tiêu thụ năng lượng, cung cấp năng lượng, chi phí năng lượng, thời gian vận BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 13 hành, thu nhập, các hoạt động về sử dụng năng lượng TK&HQ, các thủ tục tính toán báo cáo năng lượng,... - Các nhà quản lý chủ chốt - Quản lý năng lượng - Các kỹ sư công nghệ - Nhân viên vận hành và sản xuất - Nhân viên hành chính và kế toán + Tiến hành khảo sát sơ bộ/ trực quan và thu thập dữ liệu về: - Sử dụng năng lượng và kiểm kê các thiết bị chính - Xác định các dòng năng lượng/vật chất tại các dây chuyền, quá trình - Các phòng ban chức năng chính: sơ đồ khối các quá trình - Các dụng cụ đo lường đã lắp đặt, bao gồm các đồng hồ đo - Các thủ tục báo cáo vận hành và sản suất - Các cơ hội TKNL đã được quan sát trước +Nhận dạng các khu vực cần khảo sát chi tiết hơn d. Thu thập và phân tích dữ liệu + Xây dựng cơ sở dữ liệu - Các dữ liệu quá khứ cho tất cả các laọi năng lượng được cung cấp (khối lượng, chi phí, ,tối thiểu trong thời gian 1 năm) - Sản xuất và chi phí (với cùng thời gian) - Các dữ liệu liên quan khác - Các bảng tính dòng quá trình - Kiểm kê các thiết bị tiêu thụ năng lượng chính + Đánh giá/ Phân tích dữ liệu - Sử dụng năng lượng - tiêu thụ, chi phí và tỷ lệ - Các chỉ tiêu tiêu thụ năng lượng - Vận hành và sản xuất của nhà máy - Tiềm năng tiết kiệm năng lượng (ước đoán sơ bộ) - Chương trình quản lý năng lượng của nhà máy - Các khảo sát chi tiết trong tương lai và các lượng tiết kiệm ước đoán e. Chuẩn bị báo cáo - Giới thiệu tiêu thụ và chi phí năng lượng. - Một số nhận xét cơ bản về các vận hành hiện tại. - Các đề xuất TKNL (chỉ các trường hợp then chốt) và lượng tiết kiệm tiên Đoán. - Các đề xuất cho kiểm toán năng lượng chi tiết, ước đoán các chi phí và đề xuất khung công việc khảo sát chi tiết. - Nhận dạng các khu vực có tiềm năng TKNL. 3. Kiểm toán năng lượng chi tiết Kiểm toán năng lượng chi tiết (Detailed Energy Audit - DEA) là giai đoạn tiếp sau của kiểm toán năng lượng sơ bộ. Phạm vi của DEA sẽ được thu hẹp lại nhờ PEA, trong đó đã đặt cơ sở và nhận dạng các cơ hội TKNL. Ở DEA cần tập trung vào các cơ hội, đi sâu xác minh lại, tính toán năng lượng chi tiết, đánh giá khả năng tiết kiệm, đưa ra các khuyến nghị, lập kế hoạch thực hiện 3.1. Các nhiệm vụ chính của DEA - Chuẩn bị và lập kế hoạch kiểm toán trên cơ sở các thông tin thu được từ PEA - Chuẩn bị một CSDL về cung cấp và tiêu thụ năng lượng trong quá khứ chi tiết và đầy đủ hơn với các thông tin về chi phí và sản xuất trong 1 hoặc 2 năm trước. - Quan sát, thử nghiệm, đo đạc các dây chuyền, thiết bị, các hệ thống và qui trình vận hành. - Tiến hành tính toán dựa trên các thông tin thu được trong bước 2, 3 và thực hiện bảng cân bằng năng lượng chung. - Nhận dạng, thiết lập và đánh giá đặc tính kinh tế- kỹ thuật của các khuyến nghị bảo tồn năng lượng. - Lập báo cáo. BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 14 Kiểm toán viên kiểm tra và làm chính xác tất cả các số liệu thu thập được, và tất cả các các kết quả đo lường, thử nghiệm nhờ các kỹ thuật tính toán và các tư liệu hỗ trợ hiện có (các bảng biểu, đồ thị). Kiểm toán viên sử dụng các kết quả để xây dựng các bảng cân bằng năng lượng, đầu tiên cho các thành phần chính của thiết bị đã được thử nghiệm và sau đó cho toàn nhà máy. Từ các bảng cân bằng đó, có thể xác định được mỗi phần thiết bị đang được vận hành hiệu quả như thế nào và chỗ nào có thể tiết kiệm được năng. Tiếp theo, tiến hành phân tích dữ liệu, tập trung vào nhận dạng các chi phí và lợi nhuận cho các lựa chọn (các hoạt động, đầu tư) khác nhau của mỗi cơ hội. Trong một số trường hợp kiểm toán viên không đưa ra được khuyến nghị cho 1đầu tư cụ thể do độ lớn và các rủi ro liên quan. Trong trường hợp đó, kiểm toán viên sẽ khuyến nghị các nghiên cứu khả thi riêng (ví dụ, thay thế lò hơi, sửa chữa lò đốt, thay thế hệ thống hơi nước). Kết quả cuối cùng là một báo cáo chi tiết trình bày các khuyến nghị của đội kiểm toán cùng với các tính toán phân tích chi phí, lợi nhuận và kế hoạch thực hiện (lịch trình, các ảnh hưởng đến sản xuất,...) 3.2. Phương pháp kiểm toán Không có một phương pháp có sẵn để thực hiện KTNL trong tất cả các nhà máy. Nhiều việc thực hiện tại nhà máy này có thể không phù hợp trong nhà máy khác. Nó phụ thuộc vào phương pháp quản lý, lịch sử và văn hoá công ty, loại nhà máy và máy móc, các điều kiện tài hcính của công ty, tính phức tạp của công nghệ và quá trình, qui mô nhà máy, khối lượng và dải sản phẩm, ... Dưới đây là phác thảo chung về các bước công việc khác nhau cũng như các hoạt động dưới mỗi bước. Phác thảo này được xem như như dẫn hướng cho các kiểm toán viên trong công việc, chứ không phải là một qui trình chính thức phải tuân theo nghiêm ngặt. Với kinh nghiệm của riêng mình, kiểm toán viên sẽ áp dụng các hoạt động này sao cho phù hợp nhất điều kiện thực tế. a. Giai đoạn chuẩn bị: Trên cơ sở của PEA, kiểm toán viên sẽ chuẩn bị và lập kế hoạch cho DEA và đưa ra một khung công việc cho kiểm toán. Bước này là cần thiết để bố trí và tổ chức: BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 15 - Nhân lực - Các qui trình đo đạc - Các dụng cụ đo - Chi phí Nhân lực nên được lựa chọn trên cơ sở từ nhân sự nhà máy và bên ngoài và nên có chuyên môn tốt nhằm đáp ứng nhu cầu đòi hỏi cụ thể của kiểm toán về kỹ thuật. Tại bất kỳ nhà máy nào, để một KTNL thành công, đòi hỏi một đội kiểm toán đa lĩnh vực bao gồm các thành phần kỹ thuật, an toàn, tài chính và quản lý. Có thể thực hiện điều này bằng cách dựa vào nhân sự nhà máy am hiểu về các lĩnh vực này. Một phần quan trọng của KTNL là phải thiết lập được mối quan hệ làm việc tốt với nhân viên nhà máy. Các yêu cầu về dụng cụ đo xuất phát từ việc mở rộng thông tin cần thu thập, các qui trình thử nghiệm được sử dụng, các thiết bị chuyển đổi năng lượng sẽ được thử nghiệm, vị trí các điểm đo. Lưu ý rằng các đo đạc tiến hành trong khi kiểm toán phải đầy đủ để tính toán cân bằng năng lượng và cân bằng vật chất của các thiết bị lắp đặt. Kiểm toán viên phải luôn cân nhắc thoả hiệp về các dụng cụ đo được lựa chọn do khó khăn về sự không có sẵn hoặc thiếu ngân quĩ. Kiểm toán viên có thể buộc phải sử dụng thiết bị có độ chính xác kém hơn để sử dụng nhiều lần trong quá trình kiểm toán. Nếu thiết bị đo đã vận hành và được hiệu chỉnh, có thể sử dụng dụng cụ đo của nhà máy. Các dụng cụ đo điển hình dùng cho KTNL được mô tả trong phần Thiết bị đo. Chi phí cho kiểm toán cũng nên được ước đoán. Chi phí phụ thuộc vào việc sử dụng nhân viên bên ngoài hay bên trong nhà máy, thời gian cần thiết để hoàn thành kiểm toán và độ phức tạp của dụng cụ đo. Kiểm toán viên cũng phải đảm bảo khung thời gian lựa chọn cho kiểm toán không được xung đột với vận hành của thiết bị được thử nghiệm hoặc toàn bộ nhà máy nói chung. Thời gian thử nghiệm được lựa chọn nên vào thời gian vận hành bình thường và nên được lựa chọn với sự tư vấn của cán bộ quản lý nhà máy. b. Giai đoạn triển khai công việc tại hiện trường Nhiệm vụ đầu tiên là thu thập các dữ liệu cho phép kiểm toán viên đánh giá tất cả các khía cạnh năng lượng trong nhà máy. Kiểm toán viên sẽ sử dụng PEA làm điểm xuất phát, mở rộng trên đó để lấp đầy các dữ liệu còn thiếu hụt và để tìm hiểu thêm về vận hành của nhà máy. Tiến hành phỏng vấn những người được lựa chọn, kiểm tra các hồ sơ, quan sát các máy móc vận hành, theo dõi và kiểm tra các điều kiện làm việc. Trong nhiệm vụ này, kiểm toán viên phải tiến hành thu thập dữ liệu, xem xét lại dữ liệu, và lặp lại các thao tác này cho đến khi hoàn thành một cơ sở dữ liệu với độ chính xác tối đa. Cơ sở dữ liệu thông tin năng lượng được phát triển sẽ bao gồm các loại thông tin chính thể hiện được đặc trưng của nhà máy: - Sơ đồ bố trí nhà máy và lưu đồ quá trình - Dữ liệu sử dụng năng lượng quá khứ của nhà máy - Dữ liệu chi phí năng lượng quá khứ của nhà máy - Dữ liệu quá khứ về sản xuất của nhà máy - Kiểm kê các hệ thống tiêu thụ năng lượng chính trong nhà máy - Các kết quả thử nghiệm hiệu suất năng lượng của các thiết bị - Chi tiết về các dự án đang thực hiện hoặc đã thực hiện nhằm giảm lãng phí năng lượng (nếu có) Cần nỗ lực thu thập dữ liệu quá khứ trong 1 giai đoạn ít nhất 1 năm trước khi bắt đầu làm kiểm toán, tốt nhất nên trong giai đoạn từ 1 đến 3 năm. Dữ liệu quá khứ được sử dụng cho các mục đích sau: - Phát triển các chỉ tiêu tiêu thụ năng lượng cơ sở hiện tại, trên cơ sở đó sẽ thực hiện các biện pháp cải tiến. - Xác định các xu hướng thay đổi theo mùa trong tiêu thụ năng lượng cho các quá trình phụ thuộc vào thời tiết, khí hậu - Xác định các xu hướng tiêu thụ năng lượng liên quan tới sản xuất. - Xác định các ảnh hưởng, nếu có, của các biện pháp quản lý năng lượng và các dự án bảo tồn năng lượng đã được thực hiện tại nhà máy. BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 16 Nhiệm vụ thứ hai là thực hiện các thử nghiệm cho các thiết bị lựa chọn nhằm đánh giá hiệu suất và các tổn thất năng lượng của nó. Các đo đạc và nhận định từ các các thử nghiệm sẽ cung cấp thông tin cần thiết để tính toán đặc tính hiện tại của nhà máy và thiết bị, và để định lượng tiềm năng tiết kiệm của các giải pháp bảo tồn năng lượng. c. Giai đoạn tính toán và đánh giá Tất cả các đo đạc và dữ liệu thu thập được trong giai đoạn thứ hai được xử lý bằng các tính toán chi tiết, chúng cho biết: - Dạng tiêu thụ năng lượng chung của thiết bị lắp đặt - Các chỉ tiêu chi phí năng lượng - Mối liên hệ giữa tiêu thụ và các chi phí năng lượng với sản xuất hoặc dịch vụ (các chỉ tiêu suất tiêu thụ năng lượng) cho toàn bộ hoặc từng khu vực, thiết bị. - Cân bằng năng lượng của thiết bị lắp đặt - Định lượng các tổn thất năng lượng và ước đoán chi phí lãng phú năng lượng. - Các chỉ số đặc tính năng lượng của máy móc và thiết bị thử nghiệm bao gồm các số liệu hiệu suất năng lượng. Các kết quả sẽ chỉ ra cách thức nhận dạng các cơ hội bảo tồn năng lượng (ECOs) d. Giai đoạn khuyến nghị Các kết quả của giai đoạn đánh giá được dùng để nhận dạng 3 loại cơ hội tiết kiệm năng lượng: - Các biện pháp quản lý nội vi (bao gồm các biện pháp đã chỉ ra trong PEA) - Các biện pháp liên quan tới Vận hành và Bảo trì (O&M) - Các biện pháp cần đầu tư vốn Mỗi cơ hội tiết kiệm năng lượng sẽ có: - Mô tả ngắn gọn về tình trạng hiện tại - Mô tả ngắn gọn về các yêu cầu vận hành và kỹ thuật của các biện pháp bảo tồn năng lượng đề xuất - Ước đoán về lượng tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm chi phí thu được khi thực hiện đề xuất - Ước đoán về chi phí thực hiện - Các phân tích tài chính với các chỉ tiêu: thời gian hoàn vốn, IRR, NPV hoặc các chỉ tiêu thích hợp khác nhằm đánh giá tính khả khi của đầu tư. Khuyến nghị cũng nên gồm một lịch trình thực hiện. Nên thực hiện ngay một số biện pháp như quản lý nội vi và thay đổi O&M. Tuy nhiên, các biện pháp đòi hỏi đầu tư lớn cần các nghiên cứu khả thi trước khi quyết định thực hiện. Kiểm toán viên nên chỉ ra khung thời gian chung, giúp cho các nhà ra quyết định biết khi nào thì thu được lượng tiết kiệm chi phí năng lượng. Một kế hoạch thực hiện thường bao gồm khuyến nghị về một chương trình tự đầu tư (chi phí nhỏ). Trong một chương trình tự đầu tư, các thay đổi O&M được thực hiện và các thu nhập do tiết kiệm chi phí mang lại sẽ được đầu tư trực tiếp vào các biện pháp cần chi phí đầu tư thấp nhằm mang lại nhiều lượng tiết kiệm hơn. Thậm chí, các lượng tiết kiệm chi phí được dùng để chi trả cho các biện pháp đầu tư lớn. e. Báo cáo kiểm toán năng lượng Bước tiếp theo trong quá trình kiểm toán năng lượng là chuẩn bị một báo cáo mô tả chi tiết các kết quả cuối cùng của các phân tích năng lượng và cung cấp các khuyến nghị tiết kiệm chi phí năng lượng. Độ dài và chi tiết của báo cáo này thay đổi tuỳ thuộc vào loại nhà máy làm kiểm toán. Một kiểm toán năng lượng công nghiệp thường có giải thích chi tiết về các ECOs và các phân tích tài chính. Phần sau đây trình bày chi tiết hơn về các báo cáo DEA. Báo cáo nên bắt đầu bằng một tóm tắt chung cung cấp thông tin về lãnh đạo nhà máy, một bản tóm tắt về tổng các lượng tiết kiệm năng lượng và một số thông tin nổi bật cho mỗi ECO. Báo cáo cũng nên mô tả về nhà máy được kiểm toán và cung cấp thông tin về vận hành của các thiết bị, bộ phận liên quan tới các chi phí năng lượng. Các hoá đơn năng lượng cũng nên được trình bày, trong đó có các bảng biểu và đồ thị thể hiện các chi phí và tiêu thụ năng lượng. Tiếp theo các phân tích về chi BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 17 phí năng lượng, các ECO được khuyến nghị cũng nên được trình bày kèm theo các tính toán về chi phí và lợi nhuận và các chỉ tiêu hiệu quả về chi phí. Liên quan đến những người sẽ đọc bản báo cáo KTNL, báo cáo nên được viết theo định dạng và văn phong rõ ràng, ngắn gọn và dễ hiểu. Phần thông tin tóm tắt chung nên được viết theo dạng dành cho những người không chuyên về kỹ thuật, và các thuật ngữ kỹ thuật nên giảm đến tối thiểu. Lưu ý rằng, người đọc báo cáo mà hiểu được báo cáo sẽ muốn thực hiện hơn các ECO được khuyến nghị. Một đề cương cho một báo cáo KTNL hoàn chỉnh như sau: Định dạng báo cáo kiểm toán năng lượng Tóm tắt kết quả thực hiện Thông tin về công ty và lãnh đạo công ty Một bảng mô tả ngắn gọn về các cơ hội tiết kiệm năng lượng - Mục lục - Giới thiệu + Mục đích của kiểm toán năng lượng + Nhu cầu về một chương trình kiểm soát chi phí năng lượng tiếp tục - Mô tả chung về nhà máy, qui trình sản xuất + Sản phẩm, dịch vụ, dòng nguyên vật liệu +Qui mô, cấu trúc, bố trí nhà máy, thời gian vận hành +Danh sách thiết bị với các thông số đặc tính - Phân tích hiện trạng tiêu thụ năng lượng +Tỉ lệ tiêu thụ năng lượng +Các bảng và đồ thị tiêu thụ và chi phí năng lượng +Thảo luận về các chi phí năng lượng và hoá đơn năng lượng - Cân bằng năng lượng nhà máy (cho các đo đạc thử nghiệm đã thực hiện tại các trung tâm tiêu thụ năng lượng - EAC) + Các đo đạc năng lượng và quá trình đã thực hiện + Dữ liệu về tiêu thụ năng lượng và sản xuất (trong quá trình thử nghiệm) + Các cân bằng năng lượng cho các quá trình và thiết bị lựa chọn (cũng như cho toàn bộ nhà máy) + Các phân tích về sử dụng năng lượng + Các hành động khuyến nghị nhằm cải thiện hiệu suất năng lượng - Các cơ hội tiết kiệm năng lượng (ECO) + Liệt kê các ECO tiềm năng + Các phân tích chi phí lợi nhuận do tiết kiệm + Các đánh giá kinh tế + Các vấn đề về môi trường - Chương trình hành động năng lượng + Các ECO được khuyến nghị và lịch trình thực hiện + Thiết kế một chương trình theo dõi và xác nhận tiết kiệm năng lượng và tiếp tục sau kiểm toán năng lượng. - Kết luận Các bình luận bổ sung 3. Thực hiện các giải pháp tiết kiệm năng lượng - Thực hiện các giải pháp TKNL không chi phí hoặc chi phí thấp + Các giải pháp không cần chi phí (tiềm năng TKNL 10%): Các giải pháp tăng cường quản lý nội vi . Cải thiện quy trình vận hành, bảo dưỡng. + Các giải pháp có chi phí thấp (tiềm năng TKNL 20%): Phân tích lợi ích kinh tế (lợi nhuận thu đợc, thời gian hoàn vốn giản đơn) Phân tích các yếu tố môi trờng (giảm khí thải, giảm ồn,..) Xác lập thủ tục báo cáo, tính toán năng lợng - Tiến hành nghiên cứu tiền khả thi của các giải pháp đầu tư lớn + Lập dự án nghiên cứu tiền khả thi cho các giải pháp cần đầu t lớn BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 18 + Phân tích chi phí và lợi ích kinh tế: giá trị hiện tại thực (NPV), tỷ lệ hoàn vốn nội (IRR),.. + Cân nhắc các yếu tố về môi trờng và an toàn và sức khoẻ nghề nghiệp + Lập thứ tự ưu tiên cho việc triển khai các giải pháp - Tìm nguồn tài chính + Nguồn vốn sẵn có của doanh nghiệp + Vốn vay ngân hàng + Hỗ trợ tài chính của các dự án tài trợ + Mua trả dần - Mua sắm thiết bị, xây dựng và chạy thử nghiệm + Thông báo thầu, mở thầu, lựa chọn các đơn vị cung cấp thiết bị + Cơ sở hạ tầng + Tiếp nhận và lắp đặt thiết bị + Đào tạo công nhân + Chạy thử nghiệm, nghiệm thu - Theo dõi, đánh giá + Theo dõi và đánh giá kết quả được thực hiện ngay khi tiến hành các giải pháp không chi phí hoặc chi phí thấp. + Đánh giá kết quả đợc thực hiện qua đo đạc trực tiếp các thay đổi ngay tại khu vực có liên quan. + Theo dõi thờng xuyên đánh giá sự ổn định của giải pháp. + So sánh đánh giá qua hệ thống quan trắc tiêu hao năng lượng của nhà máy. + Báo cáo đánh giá kết quả. BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 19 PHẦN II. SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Bài 4. Khái niệm chung 1. Khái niệm - Năng lượng của trái đất - Trái đất nằm trong hệ mặt trời có tuổi hình thành khoảng 4,6 tỷ năm đã trải qua nhiều thời kỳ kiến tạo và phát triển. - Sự phát triển của trái đất qua nhiều thời kỳ với sự hỗ trợ của ánh sáng mặt trời đã hình thành sự sống. Quá trình kiến tạo vỏ trái đất qua nhiều thời kỳ cùng với sự phân rã của các sinh vật thời tiền sử là điều kiện để hình thành nhiên liệu hoá thạch (than, dầu khí đốt) - Nhiên liệu hoá thạch (than, dầu, khí đốt) là sản phẩm của sự nén và nóng lên của các vật liệu hữu cơ trong các thời kỳ địa chất. Các vật liệu còn lại trong quá trình phân rã xác động vật, tảo biển, các cây cối trên mặt đất qua hàng thiên niên kỷ được trộn với bùn và bị chôn sâu duới các lớp trầm tích dày làm tăng nhiệt độ và áp suất khiến cho các thành phần này bị biến hoá và hình thành các loại nhiên liệu hoá thạch. - Cùng với sự phát triển của khoa học và Công nghệ, nguồn năng lượng hoá thạch này được sử dụng ngày càng nhiều và trở nên cạn kiệt. Sản phẩm khí thải sinh ra do đốt nhiên liệu hoá thạch đang gây ra hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng lên dẫn đến sự thay đổi về thời tiết trên trải đất. - Ngoài năng lượng từ nhiên liệu hoá thạch, ngày nay, con nguời còn sử dụng nhiều dạng năng lượng khác để phục vụ cho sản xuất và đời sống như năng lượng hạt nhân, địa nhiệt, thuỷ điện, năng lượng nhiệt đại dương, năng lượng mặt trời, năng lượng gió v.v. - Hiệu ứng nhà kính - Các tia bức xạ sóng ngắn của mặt trời xuyên qua bầu khí quyển đến mặt đất và được phản xạ trở lại thành các bức xạ nhiệt sóng dài. Một số phân tử trong bầu khí quyển, trong đó trước hết là điôxít cacbon và hơi nước, có thể hấp thụ những bức xạ nhiệt này và thông qua đó giữ hơi ấm lại trong bầu khí quyển. Hàm lượng ngày nay của khí đioxit cacbon vào khoảng 0,036% đã đủ để tăng nhiệt độ thêm khoảng 30°C. Nếu không có hiệu ứng nhà kính tự nhiên này nhiệt độ trái đất của chúng ta chỉ vào khoảng –15°C. - Có thể hiểu một cách sơ lược như sau : ta biết nhiệt độ trung bình của bề mặt trái đất được quyết định bởi cân bằng giữa năng lượng mặt trời chiếu xuống trái đất và lượng bức xạ nhiệt của mặt đất vào vũ trụ. Bức xạ nhiệt của mặt trời là bức xạ có sóng ngắn nên dễ dàng xuyên qua tầng ozon và lớp khí CO2 để đi tới mặt đất, ngược lại bức xạ nhiệt từ trái đất vào vũ trụ là bước sóng dài, không có khả năng xuyên qua lớp khí CO2 dày và bị CO2 + hơi nước trong khí quyên hấp thụ. Như vậy lượng nhiệt này làm cho nhiệt độ bầu khí quyển bao quanh trái đất tăng lên. Lớp khí CO2 có tác dụng như một lớp kính giữ nhiệt lượng tỏa ngược vào vũ trụ của trái đất trên quy mô toàn cầu. Bên cạnh CO2 còn có một số khí khác cũng được gọi chung là khí nhà kính như NOx, Metan, CFC. - Các chất gây hiệu ứng nhà kính BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 20 - Năng lượng tái tạo + Là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật. Các quy trình này thường được thúc đẩy đặc biệt là từ Mặt Trời. + Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (thí dụ như năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (thí dụ như năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất. + Các nguồn năng lượng tái tạo được biết đến và sử dụng bởi con người bao gồm: Năng lượng sinh khối, năng lượng mặt trời, năng lượng từ gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng từ sóng biển và thuỷ triều, năng lượng từ dòng thuỷ năng chảy (thuỷ điện). + Việc phát triển sử dụng năng lượng tái tạo để thay thế dần cho năng lượng từ nhiên liệu hoá thạch giúp giảm ảnh hưởng của hiệu ứng nhà kính gây ra hiện tượng ấm nóng toàn cầu và duy trì sự phát triển kinh tế thế giới trong điều kiện các nguồn năng lượng hoá thạch truyền thống đang ngày một cạn kiệt. 2. Các nguồn năng lượng tái tạo - Tiềm năng thủy điện: + Tiềm năng lý thuyết : 308 tỷ kWh/năm với tổng công suất khoảng 70000 MW + Tiềm năng kỹ thuật: 72 tỷ kWh/năm, công suất 17566 MW - Tiềm năng URANI + Đánh giá tiềm năng theo giá thành khai thác + Nếu giá thành khai thác < 80 USD/kg U3O8 trữ lượng ước tính vào khoảng 55723 tấn U3O8 , tập trung chủ yếu tại Nông sơn (Quảng nam), có thể đủ dùng cho 9000 MW điện hạt nhân. -Tiềm năng địa nhiệt + Khoảng 300 nguồn địa nhiệt phân bố trên khắp đất nước, triển vọng nhất ở Tây bắc và Trung bộ + Tổng công suất lý thuyết dự báo: 472 MW, đến năm 2020 có thể khai thác khoảng 200 MW với sản lượng 1.2 tỷ KWh/năm -Tiềm năng năng lượng mặt trời + Được đánh giá theo số giờ nắng trong năm và mật độ bức xạ (Kcal/cm2/năm) BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 21 - Tiềm năng năng lượng gió Tiềm năng NL gió ở Việt nam thấp, chỉ ứng dụng tốt ở vùng đảo xa, ven bờ, một vài nơi có gió địa hình -Tiềm năng khí sinh học (Biogas): tính cho năm 1995 + Phương pháp ủ phân chăn nuôi và phế phẩm nông nghiệp để thu khí CH4 + Tiềm năng không lớn: lý thuyết: 924,6 triệu m3/năm (tương đương 0,44 Mtoe/năm), khả thi: 9,25-13,87 triệu m3/năm (tương đương 0,04-0,07 Mtoe/năm, tính theo hàm lượng CH4 : 55-60%, nhiệt trị 20,1-21,3 MJ/m 3) - Tiềm năng thuỷ điện nhỏ và cực nhỏ (micro and mini hydro power): công suất nhỏ hơn 10 MW - Tiềm năng năng lượng sinh khối: tính cho 1995 + Là nguồn năng lượng cực kỳ quan trọng cho nông dân Việt nam (chiếm 80% dân số toàn quốc) + Tổng sản lượng năm 1995: 46,49 MTWE (nhiệt trị của 1 tấn củi tương đương = 15.5 GJ/kg), phân bố như sau: BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 22 Bài 5. Năng lượng mặt trời 1. Mặt trời - Mặt trời là một khối khí hình cầu có nhiệt độ rất cao, có đường kính khoảng 1,39 * 106 km và cách trái đất khoảng 1,5 108 km. Khối lương mặt trời 2.1030kg. Bề mặt của mặt trời có nhiệt độ vật đen hiệu quả ( effective black body temperature ) vào khoảng 5760K trong khi đó nhiệt độ thực tế của các vùng bên trong của mặt trời ước tính khoảng 8.106 – 40 .106 K . Mật độ của các dòng khí được ước tính vào khoảng 100 lần so với nước. Thực tế có thể coi mặt trời là một lò phản ứng hạt nhân với các thành phần khí của nó dưới tác động của lực trọng trường. Một loạt các phản ứng kết hợp (Fusion reaction) diễn ra liên tục và cung cấp năng lượng dưới dạng bức xạ của mặt trời. Phản ứng bức xạ quan trọng nhất là quá trình tái tạo hydrô (nghĩa là 4 prôtôn) kết hợp với nhau để tạo ra Hêlium (nghĩa là một hạt nhân Hêlium): khối lượng của hạt nhân Hêlium nhỏ hơn khối lượng của bốn prôtôn, phần khối lượng mất mát trong phản ứng dược biến đổi thành năng lượng - Mặt trời có 4 lớp : nhân, quang cầu, sắc cầu và tán MT. Nhân (core) tập trung phần lớn khối lượng và là nơi tạo ra năng lượng được mặt trời phát tán, được nghiên cứu trên phương diện lý thuyết dựa trên nhận thức đã biết về khối lượng, khối lượng riêng, nhiệt độ bề mặt cùng cấu trúc cũng như sự chuyển dịch các lớp không khí của nó, áp suất tại tâm đạt tới 1tỷ lần áp suất khí quyển trái đất. Quang cầu (photosphere)là lớp từ đó năng lượng từ nhân trung tâm được giải phóng và cũng là nơi ánh sáng được phát đi. Nhiệt độ TB của quang cầu chừng 5800 độ K, độ dày lớp này vào khoảng 1000km và phân tích quang phổ quang cầu cho biết trong thành phần cấu tạo của lớp này có chừng trên 60 nguyên tố khác nhau Sắc cầu (Chromosphere): Lớp trên quang cầu, mặt đáy là 5800độ K, đỉnh từ 10.000 đến 20.0000K. Chiều dày 500-1400 km, khối lượng riêng nhỏ, tạo bởi các đám mây Hiđrô. Màu đỏ, nhìn rõ khi có Nguyệt thực (Eclipse). Tán mặt trời (Corona) lớp vỏ đẹp nhất, nhìn thấy khi Nguyệt thực toàn phần. Chiều dày 12triệu km, thay đổi mãnh liệt khi vết đen(sunspots) hoạt động. Độ sáng tương đương với mặt trăng (một phần nửa triệu độ sáng của MT) khó quan trắc. Nhiệt độ 1,5triệu độ K, mật độ nhỏ, không bức xạ nhiều nhiệt. - Các ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời trong cuộc sống. + Ứng dụng để cung cấp nhiệt  Cung cấp nước nóng  Sấy các vật phẩm  Chưng cất nước biển + Ứng dụng vào làm mát + Ứng dụng để sản xuất điện từ nhiệt + Ứng dụng để sản xuất điện trực tiếp (PV) 2. Sử dụng năng lượng mặt trời 2.1. Pin mặt trời (PV: Photovoltaic) BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 23 - Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ NLMT qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay con người đã ứng dụng pin NLMT để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống. Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay khoảng 5USD/WP, nên ở những nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, xa nơi mà đường điện quốc gia chưa có. - Nguyên lý làm việc của pin mặt trời Nguyên lý của Pin mặt trời dựa trên cơ sở của hiệu ứng quang điện có được khi hai vật liệu có đặc tính dẫn điện khác nhau hàn lại. Khi có năng lượng của photon ánh sáng chiếu vào, nó tạo ra các cặp điện tử, lỗ trống liên kết yếu với nhau hình thành điện áp và dòng điện khi được nối lại. Hiệu ứng quang điện này mạnh hơn khi chế tạo các pin bằng chất bán dẫn. Có 2 loại bán dẫn được chế tạo là bán dẫn n có mật độ hạt điện tử lớn hơn mật độ lỗ trống; bán dẫn loại p có mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ điện tử. Khi cho các bán dẫn n và p tiếp xúc nhau tao ra một tiếp xúc điện tử p-n thì do chênh lệch mật độ các hạt dẫn, điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang p và lỗ trống thì khuếch tán ngược lại. Sự khuếch tán này làm cho phía bán dẫn n sát lớp tiếp xúc tích điện dương còn phía bán dẫn p tích điện âm. Khi nối lại và có chiếu sáng lớp tiếp xúc, các cặp điện tử-lỗ trống được tạo thành và do tác dụng của điện trường tiếp xúc nên các cặp bị tách ra và gia tốc về phía đối diện tạo thành sức điện động quang điện. Pin mặt trời hiện này chủ yểu được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si). Từ tinh thể Si tinh khiết, để có bán dẫn Si loại n người ta pha tạp chất donor là Photpho còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất acceptor đươcvào Si là Bo. Ngoài Silic tinh thể người ta còn nghiên cứu thử nghiệm với Silic vô định hình và các loại vật liệu bán dẫn khác. BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 24 - Một số lợi ích của PV chủ yếu là: + PV có ưu điểm với những nơi có lưới điện phân tán, nơi mà giá điện phụ thuộc nhiều vào việc xây dựng đường truyền. + Các hệ thống PV lắp tại nơi sử dụng giúp cho giảm được chi phí cân bằng chung của hệ thống. +Các hệ thống PV lắp tại nơi sử dụng sẽ cung cấp thêm tính linh động cho lưới, chẳng hạn như hình thức nhà phân phối điện thuê các hộ dân cư mặt bằng lắp đặt các hệ thống PV để cung cấp trực tiếp cho khu vục đó. +Một số những lợi ích khác của PV là: 1) không sử dụng nước; 2) chi phí bảo dưỡng thấp; 3) tăng tính an toàn lưới điện quốc gia; 4) suất khẩu công nghệ từ các nước phát triển đến các nước đang phát triển; và 5) tránh phát thải CO2. Trong quá trình làm việc, hệ thống PV không cần cung cấp nhiên liệu, không phát thải ô nhiễm môi trường, không ô nhiễm nguồn nước. - Nhược điểm của PV là: + PV có giá thành chế tạo khá đắt và chỉ phù hợp với những khu vực không có điện lưới. + PV khi hoạt động cần có hệ thống ắc quy để lưu trữ điện. Hệ thống này chứa nhiều axit cũng làm ảnh hưởng đến môi trường. - Một số ảnh hưởng môi trường của Năng lượng mặt trời. + Hệ thống pin NLMT khi sử dụng cần cú hệ thống ắc quy dẫn đến ô nhiễm môi trường do rò rỉ axit hoặc thải axit + Hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời quy mụ lớn để phỏt điện cú thể gây biến đổi khớ hậu vựng khi tập trung NL mặt trời quỏ lớn ở một khu vực. + Sự chế tạo pin NLMT khỏ tốn kộm qua nhiều cụng đoạn tiờu thụ năng lượng. Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hoá của các BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 25 địa phương vùng sâu, vùng xa, nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên. Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta. 2.2. Sản xuất điện bằng năng lượng mặt trời Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời Điện năng còn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện. Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT có các loại hệ thống bộ thu chủ yếu sau đây: Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 400oC. Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt độ có thể đạt tới trên 1500oC. Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm của gương, nhiệt độ có thể đạt trên 1500oC. Hiện nay người ta còn dùng năng lượng mặt trời để phát điện theo kiểu “ tháp năng lượng mặt trời - Solar power tower “. Australia đang tiến hành dự án xây dựng một tháp năng lượng mặt trời cao 1km với 32 tuốc bin khí có tổng công suất 200 MW. Dự tính rằng đến năm 2006 tháp năng lượng mặt trời này sẽ cung cấp điện mỗi năm 650GWh cho 200.000 hộ gia đình ở miền tây nam New South Wales - Australia, và sẽ giảm được 700.000 tấn khí gây hiệu ứng nhà kính trong mỗi năm. 2.3. Làm lạnh bằng chu trình hấp thụ Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hoà không khí là ứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất, đặc biệt là ở những vùng xa xôi héo lánh thuộc các nước đang phát triển không có lưới điện quốc gia và giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhập trung bình của người dân. Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành điện năng nhờ pin mặt trời (photovoltaic) là thuận tiện nhất, nhưng trong giai đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao. Ngoài ra các hệ thống lạnh còn được sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại thiết bị này ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên hiện nay các hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dưới BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 26 45%) nên diện tích lắp đặt bộ thu cần rất lớn chưa phù hợp với yêu cầu thực tế. ở Việt Nam cũng đã có một số nhà khoa học nghiên cứu tối ưu hoá bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố định có gương phản xạ để ứng dụng trong kỹ thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo được nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, nhưng diện tích mặt bằng cần lắp đặt hệ thống cần phải rộng. 2.4. Một số ứng dụng khác Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời Hiện nay NLMT được ứng dụng khá phổ biến trong lĩnh nông nghiệp để sấy các sản phẩm như ngũ cốc, thực phẩm ... nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng chất lượng sản phẩm. Ngoài mục đích để sấy các loại nông sản, NLMT còn được dùng để sấy các loại vật liệu như gỗ. Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều NLMT như các nước ở Châu Phi. ở Việt Nam việc bếp năng lượng mặt trời cũng đã được sử dụng khá phổ biến. Năm 2000, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới - Đại học Đà Nẵng đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án (30 000 USD) đưa bếp năng lượng mặt trời - bếp tiện lợi (BTL) vμo sử dụng ở các vùng nông thôn của tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, dự án đã phát triển rất tốt vμ ngμy càng đựơc đông đảo nhân dân ủng hộ. Trong năm 2002, Trung tâm dự kiến sẽ đưa 750 BTL vào sử dụng ở các xã huyện Núi Thành và triển khai ứng dụng ở các khu ngư dân ven biển để họ có thể nấu nước, cơm và thức ăn khi ra khơi bằng NLMT . Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT Thiết bị chưng cất nước thường có 2 loại: loại nắp kính phẳng có chi phí cao (khoảng 23 USD/m2), tuổi thọ khoảng 30 năm, và loại nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhưng hiệu quả chưng cất kém hơn. Ở Việt Nam đã có đề tμi nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chưng cất nước NLMT dùng để chưng cất nước ngọt từ nước biển và cung cấp nước sạch dùng cho sinh hoạt ở những vùng có nguồn nước ô nhiễm với thiết bị chưng cất nước NLMT có gương phản xạ đạt được hiệu suất cao tại khoa Công nghệ Nhiệt Điện lạnh-Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng. Động cơ Stirling chạy bằng NLMT Ứng dụng NLMT để chạy các động cơ nhiệt - động cơ Stirling ngμy cμng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nước sinh hoạt hay tưới cây ở các nông trại. ở Việt Nam động cơ Stirling chạy bằng NLMT cũng đã được nghiên cứu chế tạo để triển khai ứng dụng vào thực tế. Như động cơ Stirling, bơm nước dùng năng lượng mặt trời Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nước nóng. Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở Hà Nội, Thành phố HCM và Đà Nẵng . Các hệ thống này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệ môi trường chung của nhân loại. Sơ đồ nguyên lí thiết bị đun nước mặt trời tuần hoàn tự nhiên có thiết bị đốt nóng bổ sung BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 27 Sơ đồ nguyên lí thiết bị đun nước mặt trời toàn phần cưỡng bức, có gia nhiệt bổ sung trên đường cấp đến nơi tiêu thụ Thiết bị đun nước mặt trời gồm có : Bộ thu năng lượng mặt trời kiểu tấm phẳng hoặc dàn ống Bể chứa và đôi khi có thêm thiết bị gia nhiệt bổ sung . - Trong hệ thống tuần hoàn tự nhiên , bể chứa được đặt cao hơn bộ hấp thụ, nước ở bên trong bộ thu sẽ hấp thụ năng lượng mặt trời từ tấm hấp thụ và nóng lên, nhẹ đi (do mật độ giảm )và chảy về bể chứa . Nước lạnh từ bể chứa sẽ chảy vào phía dưới của bộ thu. Vào ban đêm , khi bộ thu lạnh đi ( vì không có năng lượng mặt trời ), không có sự tuần hoàn của nước trong hệ thống , nước nóng được lưu trữ trong bể chứa (thường được cách nhiệt rất tốt). Nước nóng có thể được lấy từ bể chứa nếu có nhu cầu . Việc bố trí thiết bị gia nhiệt bổ sung đảm bảo nhiệt độ nước cấp cho hộ tiêu thụ là đủ nóng, đặc biệt trong những ngày nhiều mây . - Thiết bị đun nước nóng tuần hoàn cưỡng bức được trang bị một bơm nước tuần hoàn nhằm duy trì viếc tuần hoàn nước trong bộ thu . Trong trường hợp này, không cần phải đặt bể chứa cao hơn bộ thu . Van kiểm tra cần phải được cấp đặt để ngăn chặn sự tuần hoàn ngược và các tổn thất nhiệt vào ban đêm của bộ thu . Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT hiện nay ở Việt nam cũng như trên thế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt, với nhiệt độ nước sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, còn nếu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp. Thiết bị sưởi ấm sử dụng năng lượng mặt trời Sơ đồ nguyên lí hệ thống gia nhiệt không khí dùng cho sấy BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 28 Sơ đồ nguyên lí hệ thống gia nhiệt nước dùng cho sấy sưởi Các hệ thống này có 4 chế độ vận hành cơ bản : - Chế độ A: Có năng lượng mặt trời và không cần sấy sưởi ; năng lượng thu được từ bộ thu sẽ được “tích trữ” trong buồng lưu trữ (Là buồng sỏi hay đá nếu môi chất làm việc là khí , là bể nước nóng nếu mồi chất làm việc là nước). - Chế độ B : Có năng lượng mặt trời và có nhu cầu sấy sưởi : Năng lượng thu nhận được từ bộ thu sẽ được sử dụng để gia nhiệt cho toà nhà , bệnh viện - Chế độ C : Không có năng lượng mặt trời , có nhu cầu sấy sưởi và có nhiệt trong buồng lưu trữ : Năng lượng lưu trữ trong buộng này sẽ đựơc sử dụng để sấy , sưởi cho toà nhà , bệnh viện - Chế độ D : Không có năng lượng mặt trời , có nhu cầu sấy sưởi , không có năng lượng tích trữ : Năng lượng từ thiết bị bổ sung sẽ được sử dụng. - Hệ thống gia nhiệt không khí (Hình 7a) sẽ không gặp khó khăn trong khi vận hành ở điều kiện nhiệt độ thấp vào mùa đông , không có hiện tượng bị đốt nóng quá nước (Over heating). Vấn đề ăn mòn thiết bị có thể được giảm thiểu tối đa . Tuy nhiên , chi phí vận hành cao (do phải dùng quạt) và thể tích buồng tích nhiệt phải đủ lớn . Hệ thống đun nước để sấy sưởi đòi hỏi để bể lưu trữ có thể tích nhỏ hơn , chi phí vận hành bơm là thấp . Tuy nhiên nó có nhược điểm : Nước trong hệ thống có thể bị đông đặc khi thiết bị vận hành vaò mùa đông, có thể xuất hiện hiện tượng tích áp vào mùa hè . Cũng cần thiết phải lưu ý vấn đề ăn mòn kim loại sử dụng các hệ thống này. Bài 6. Năng lượng sinh khối 1. Khái niệm Là dạng năng lượng từ các sinh vật trên trái đất như củi gỗ nhiên liệu từ cây, phế thải nông nghiệp như rơm, trấu, bã mía, mỡ động vật và phân động vật. Năng lượng sinh khối là một dạng năng lượng tái tạo vì nó có thể tái tuần hoàn trong thời gian ngắn do hoạt động trồng trọt và sự tồn tại của nó cũng giúp hấp thụ một phần CO2 của khí quyển để sản sinh O2. Năng lượng sinh khối có tiềm năng lớn trong việc thay thế năng lượng từ nhiên liệu hoá thạch do việc sử dụng năng lượng sinh khối là thông qua quá trình cháy tương đối giống với nhiên liệu hoá thạch. 2. Phân loại nhiên liệu sinh khối. Nguồn nhiên liệu sinh khối sơ cấp từ các vùng đất rừng (rừng tự nhiên, rừng trồng, rừng tái sinh từ việc trồng các cây công nghiệp như cao su, điều, v.v.); từ công tác canh tác đất nông nghiệp Nguồn nhiên liệu sinh khối thứ cấp từ công nghiệp chế biến gỗ như mùn cưa, gỗ vụn, gỗ phế thải. Nguồn nhiên liệu sinh khối thứ cấp từ phế thải nông nghiệp như trấu, bã mía, vỏ hạt điều, vỏ dừa, vỏ cà phê, lãi ngô v.v. Nguồn nhiên liệu sinh khối sơ cấp từ các sản phẩm động vật (phân, phế thải của công nghiệp giết mổ). 3. Một số số liệu về tiềm năng nguồn năng lượng sinh khối ở Việt Nam. BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 29 Ở Việt Nam, nguồn năng lượng sinh khối có thể kể đến bao gồm rơm, trấu, bã mía, vỏ hạt cà phê, vỏ hạt điều, sọ và xơ dừa, lõi ngô, củi gỗ từ các rừng tái sinh (cao su, điều), phế thải chế biến gỗ. Trong các nguồn trên, các nguồn đáng kể đến nhất là rơm, trấu, bã mía, phế thải gỗ. Tiềm năng trấu - Tỷ lệ giữa rơm rạ khô và thóc là 1:1 - Tỷ lệ trấu và thóc khô: 1: 5 - Lượng rơm rạ khô được sử dụng làm nhiên liệu chiếm khoảng 30% Lượng trấu làm chất đốt chiếm 50% tổng lượng trấu được tạo ra trong quá trình canh tác lúa. Tiềm năng nguồn bã mía Việt Nam là một quốc gia có sản lượng lớn về mía. Phế thải sau thu hoạch và chế biến đường đã tạo ra một nguồn nhiên liệu lớn có thể đáp ứng đủ nhu cầu về năng lượng cho các nhà máy đường và nhân dân vùng trồng mía. Khi ép 1 tấn mía cây trung bình thải ra 300kg bã mía có độ ẩm 50% với nhiệt lượng khoảng 7,8 MJ/kg bã mía. Đây là một nguồn nhiên liệu tại chỗ để có thể đốt trong các lò hơi dùng để sản xuất điện và nhiệt năng phục vụ nhu cầu năng lượng ngay tại nhà máy Tiềm năng phế thải gỗ và một số loại nhiên liệu sinh khối khác. Phế thải trong chế biến gỗ bao gồm mùn cưa, đầu mẩu gỗ/gỗ vụn, vỏ bào, thường chiếm khoảng 60-70% lượng gỗ tròn từ các cơ sở chế biến gỗ. Trong năm 2002, lượng gỗ xẻ thành khối là 800.000 m3, lượng phế thải gỗ do vậy ước tính khoảng 800.000 tấn. Ngoài ra, các phế thải từ các mặt hàng nông sản khác như vỏ cà phê, vỏ lạc, thân và lõi ngô, cũng có thể được sử dụng làm chất đốt. Trong năm 2002, lượng vỏ cà phê ước tính khoảng 75.000 tấn. Tiềm năng sử dụng hai nguồn nhiên liệu này được liệt kê trong bảng 4. Đặc điểm của nhiên liệu sinh khối Nhiên liệu sinh khối nhìn chung là nhiên liệu non tuổi có nhiệt trị thấp,(12 – 21 MJ/kg nhiên liệu) khối lượng riêng nhỏ (khoảng 130 – 600 kg/m3), hàm lượng chất bốc cao(63 -83%), Hàm lượng oxi trong nhiên liệu cũng cao (35 – 60%). Với đặc tính như vậy, nhìn chung, nhiên liệu sinh khối khá dễ cháy so với than nhưng nhiệt trị và khối lượng riêng thấp khiến cho việc sử dụng nhiên liệu sinh khối gặp nhiều khó khăn trong vận chuyển và kho chứa. Việc thiết kế buồng đốt phù hợp cho nhiên liệu sinh khối cũng khác với than và yêu cầu có thể tích lớn hơn. Đối với phụ phẩm nông nghiệp như rơm, trấu, hàm lượng tro là khá lớn (15 – 21%) so với củi (0,5 – 1%) nên khó khăn trong việc thải tro xỉ khi đốt. Tro lại dễ chảy với nhiệt độ chảy thấp (khoảng 800oC) nên việc thải xỉ còn khó khăn hơn. Việc đánh giá các thành phần hóa học của nhiên liệu sinh khối cũng tương tự như với than và dầu với các thành phần C, O, H, N, S, Cl, A, Q. - Đặc tính nhiên liệu của sinh khối quyết định khả năng sử dụng nó cho mục đích năng lượng, đồng thời ảnh hưởng lớn tới việc lựa chọn công nghệ thích hợp. - Giống như các nhiên liệu rắn khác, sinh khối cũng được phân tích theo: + Thành phần công nghệ (độ ẩm, chất bốc, độ tro , cacbon cố định) + Thành phần cơ bản (C,H, O, N, độ ẩm , độ tro) - Dưới đây là một vài lưu ý về đặc tính nhiên liệu của sinh khối : 1. Độ ẩm của sinh khối thay đổi trong khoảng rộng, phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện canh tác, trồng trọt, thói quen thu hoạch, chế biến nông sản, điều kiện khí hậu, chất đất canh tác. 2. Có thành phần chất bốc cao: theo cơ sở mẫu khô (không có ẩm), chất bốc của gỗ vụn là 80% (tỉ lệ khối lượng), của mùn cưa là 83%, của vỏ trấu là 63%, của lõi ngô là 76%. 3. Thành phần cơ bản (C, H, O) của sinh khối theo cơ sở mẫu khô, nằm trong khoảng sau đây: C: 45% - 50% (tỉ lệ khối lượng) H: 4% - 6% (tỉ lệ khối lượng) O: 40% - 45% (tỉ lệ khối lượng) 4. Đặc tính tro của sinh khối : tro chứa nhiều Si2O (40% - 80% đối với phế thải Nông Nghiệp, tính trên cơ sở mẫu tro khô), Na2O và K2O (20%- 40% đối với phế thải gỗ, tính trên cơ sở BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 30 mẫu tro khô) ảnh hưởng xấu đến quá trình sử dụng sinh khối để sản xuất năng lượng (nhiệt độ chảy của tro thấp nên tạo clinker trên bề mặt gia nhiệt phần đuôi). 4. Các dạng công nghệ sử dụng năng lượng sinh khối 4.1.Cháy trực tiếp - Đối với các loại nhiên liệu sinh khối khác nhau, quá trình cháy là khác nhau và phụ thuộc vào các thông số vật lý, hoá học của nhiên liệu và đặc tính tro xỉ. - Về cơ bản, có ba giai đoạn xảy ra khi đốt cháy trực tiếp sinh khối: + Bốc hơi nước + Bốc hơi và cháy chất bốc + Phản ứng của cacbon cố định (char) với oxy. - Quá trình cháy của nhiên liệu sinh khối có thể theo 2 phương thức : + Cháy tự nhiên: sự chuyển động của ôxy và khói thải trong buồng đốt được đảm bảo do bản thân phản ứng cháy. Phương thức cháy tự nhiên này thường được ứng dụng trong các hệ thống buồng đốt cỡ nhỏ, ví dụ như các bếp đun sinh khối truyền thống. + Cháy cưỡng bức, trong đó sự chuyển động của ôxy và khói thải được duy trì bởi một quạt cấp gió và quạt khói, ví dụ như các buồng đốt của lò hơi công nghiệp hoặc trong nhà máy điện. - Chất bốc thoát ra từ sinh khối sẽ cháy trong không gian phía trên buồng nhiên liệu, và tạo ra hiện tượng cháy ngọn lửa dài (flaming combustion) thành cố định (char) còn lại trong buồng đốt sau khi cháy chất bốc sẽ cháy âm ỉ (glowing cumbustion). - Không khí cần thiết cho quá trình cháy thường được cấp theo hai giai đoạn: + Không khí sơ cấp (cấp I) được đưa vào phía dưới ghi buồng đốt để đốt cháy cố định. + Không khí thứ cấp (cấp II) được cấp vào phía trên ghi buồng đốt để đốt cháy chất bốc ở phía trên lớp than/ char. a. Cháy sinh khối trong các bếp đun gia đình. Tại các nước đang phát triển, năng lượng sử dụng trong đun nấu thường được đáp ứng chủ yếu bằng sinh khối. Hầu hết các bếp đun đang sử dụng có cấu trúc đơn giản, hiệu suất cháy thấp và luôn kèm theo vấn đề ô nhiễm môi trường (khói, mồ hóng). Đã có nhiều nghiên cứu thực nghiệm nhằm nâng cao hiệu suất bếp đun gia đình sử dụng sinh khối, tập trung vào các hướng sau: - Cải thiện chất lượng sử dụng môi trường sử dụng bếp, chất lượng không khí trong gian bếp đun, bằng cách sử dụng ống khói. - Cải thiện quá trình trao đổi nhiệt bức xạ - đối lưu giữa nhiên liệu cháy – khói và nồi(xoong) đun nấu bằng cách sử dụng vật liệu cách nhiệt khi làm bếp, thay đổi hình dạng buồng đốt, cửa ra đường khói để tăng khả năng tiếp xúc giữa sản phẩm cháy với thiết bị đun nấu. - Năng cao hiệu suất cháy của bếp đun bằng cách tổ chức cấp gió thứ cấp để đốt cháy CO, CH4, trong khói thải. b. Cháy sinh khối trong công nghiệp – thương phẩm. Hệ thống đốt sinh khối thang độ công nghiệp – thương phẩm thường bao gồm: + Kho chứa nhiên liệu + Thiết bị cấp nhiên liệu. + Buồng đốt. + Thiết bị thải tro + Bề mặt trao đổi nhiệt. BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 31 + Thiết bị làm sạch khói và ống khói. Thiết kế một buồng đốt sinh khối, bộ phận quan trọng nhất của hệ thống, phụ thuộc vào khoảng phụ tải vận hành của hệ thống và nhu cầu sử dụng năng lượng cuối cùng, nghĩa là nhiệt năng hoặc điện năng. Bảng sau đưa ra một vài đặc tính kỹ thuật và đặc tính cháy của một vài hệ thống cháy sinh khối được sử dụng trong công nghiệp. Đặc tính vận hành của một vài hệ thống cháy sinh khối trong công nghiệp. Dạng buồng đốt Đặc điểm cấu tạo chính Đặc tính cháy Cháy chất đống - Thiết kế đơn giản, ghi cố định, nhiên liệu sinh khối được chất đống (cao 0,6 – 1,2 m) và cháy trên mặt ghi - Sinh khối có thể được cấp vào buồng đốt từ phía dưới ghi (under bed) hoặc từ phía trên ghi (over bed) - Cần thiết phải dùng lò theo chu kỳ để thải tro – xỉ trên ghi. - Nhiệt độ vận hành 1100 – 14000C - Phù hợp với nhiên liệu sinh khối có độ ẩm cao và phân bố cỡ hạt không rộng. - Khó điều chỉnh quá trình cháy. - Hiệu suất cháy thấp (50 – 60 %) - Công suất buồng đốt  5MW(nhiệt) Buồng đốt kiểu hất (stoker combustion ) - Tồn tại 3 dạng ghi đốt: ghi cố định, ghi xích, ghi lắc (rung) - Nhiên liệu được thải đều trong buồng đốt, trên mặt ghi - Tốc độ cấp nhiên liệu phải phù hợp với tốc độ cháy - Độ ẩm của nhiên liệu  10 % - Hiệu suất cháy tương đối cao 85 – 95 % - Công suất nhiệt buồng đốt:  120 MW Cháy lơ lửng - Tồn tại hai dạng: cháy nghiền/cháy kiểu phun và cháy cyclone - Đòi hỏi có các thiết bị chuẩn bị/ sơ chế nhiên liệu trước khi được cấp vào buồng đốt - Đáp ứng nhanh với các yêu cầu phụ tải nhiệt - Nhiên liệu đốt phải được sấy khô - Cỡ hạt nhiên liệu: 0,075-0,1 mm cho quá trình cháy kiểu phun,  6mm cho quá trình cháy kiểu cyclone - Hệ số không khí thừa thấp - Có thể tổ chức cháy kèm với than, khoảng vận hành rộng, có thể sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện Cháy tầng sôi, tầng sôi tuần hoàn - Nhiên liệu được đốt trong lớp sôi (cát, tro, chất hấp thụ lưu huỳnh) - Yêu cầu tốc độ cấp gió cao (1-3m/s đối với tầng sôi bọt, 1-12 m/s đối với tầng sôi tuần hoàn) - Nhiệt độ vận hành thấp: 800-900oC - Cần có hệ thống cyclone hiệu suất cao để thu hồi các hạt nhỏ bay theo dòng - Có thể ứng dụng cho nhiên liệu sinh khối có độ tro, độ ẩm cao - Quá trình trao đổi nhiệt được tăng cường mạnh mẽ trong buồng đốt - Hiệu suất cháy cao: 95 – 99% - Công suất : cực đại là 80 MW đối với tầng sôi tuần hoàn có đốt kèm than 4.2. Khí hoá a. Nguyên lý Khí hoá là quá trình biến đổi nhiên liệu rắn thành khí được bằng cách cung cấp một lượng oxy hạn chế, có thể là oxy nguyên chất hoặc oxy từ không khí. - Khí hoá sinh khối bằng không khí tạo ra khí cháy có nhiệt trị thấp, được gọi là khí “sản xuất”, và chứa khoảng 50% Nitơ. Khí hoá sinh khối bằng oxy nguyên chất sẽ tạo ra khí có nhiệt trị trung bình. BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 32 - Khí được tạo ra trong quá trình khí hoá gồm có : CO, H2, CH4 là những thành phần khí cháy được. Ngoài ra còn có CO2, hơi nước và CO2 và N2. - Khí sản xuất có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng thực tiễn tại đó nhiên liệu rắn không thể sử dụng được hoặc sử dụng rất khó khăn ví dụ như trong: + Thiết bị đun nấu, đun nước nóng trong gia đình. + Thiết bị gia nhiệt, sản xuất điện năng sử dụng động cơ đốt trong. - Tồn tại hai dạng buồng khí hoá Biomass: + Buồng khí hoá cố định (có lớp nhiên liệu cố định trên mặt ghi) + Buồng khí hoá tầng sôi. b. Quá trình khí hoá - Buồng khí hoá lớp cố định được phân chia làm 4 vùng khác nhau: + Vùng sấy + Vùng nhiệt phân + Vùng suy giảm + Vùng cháy Nhiệt cần thiết cho các vùng sấy, nhiệt phân và suy giảm được cung cấp từ vùng cháy (hay con gọi là vùng ôxy hoá). - Trong vùng sấy, thành phần ẩm có trong sinh khối sẽ bốc hơi. Đối với buồng khí hoá ngược dòng, hơi ẩm sẽ rời khỏi buồng khí hoá cùng với khí sản xuất, khí cháy tại đỉnh của thiết bị. Đối với buồng khí hoá thuận chiều, hơi ẩm sẽ lưu chuyển qua vùng suy giảm, vùng cháy và tham gia vào một vài phản ứng hoá học xảy ra trong hai vung này. - Sinh khối khô được lưu chuyển vào vùng nhiệt phân tại đó do tác dụng của nhiệt, nó được biến đổi thành than (char), hơi nước, dịch đen ở thể hơi (tar) và các thành phần khí không ngưng tụ. Hơi nước, dịch đen ở thể hơi và các khí không ngưng tụ sẽ rời khỏi buồng khí hoá từ phía trên trong trường hợp buồng khí hoá ngược chiều. Trong trường hợp buồng khí hoá thuận chiều, các thành phần ẩm – khí này lưu chuyển qua vùng cháy và tiếp tục phản ứng. Khối lượng than tạo ra trong vùng nhiệt phân chiếm khoảng 20% khối lượng sinh khối ban đầu, và thành phần nhiên liệu rắn này sẽ lưu chuyển vào vùng suy giảm và vùng cháy. - Trong vùng cháy, ôxy cung cấp xẽ tiếp xúc với nhiên liệu. Trong trường hợp buồng khí hoá ngược dòng, nhiên liệu chính là sinh khối đã được cacbon hoá (hoặc còn gọi là than hoá) và chỉ gồm có cacbon và tro. Trong trường hợp buồng khí hoá thuận chiều, nhiên kiệu bao gồm: + Than + Tro - Thiết bị khí hóa kiểu lớp cố định (trên ghi) + Nhiên liệu được cấp vào và nằm trên ghi cố định. + Tùy theo hình thức cấp không khí, nhiên liệu và cách lấy sản phẩm khí người ta có các loại thiết bị khí hóa sau: BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 33 + Thiết bị khí hóa dòng ngược chiều (hình a) : Nhiên liệu rắn chuyển động từ phía trên đỉnh của thiết bị xuống phía dưới trong khi đó không khí cho quá trình khí hóa được cấp vào từ phía dưới và chuyển động lên phía trên của thiết bị. Nhiên liệu khí được tạo ra sẽ chuyển động lên phía trên và thoát ra ngoài ở gần đỉnh của thiết bị. Trong trường hợp này, nhiên liệu rắn đầu vào và dòng nhiên liệu khí đầu ra chuyển động ngược chiều trong thiết bị khí hóa + Thiết bị khí hóa dòng cùng chiều (hình b) : cả nhiên liệu rắn và không khí cấp cho quá trình khí hóa đều chuyển động từ phía trên xuống + Thiết bị khí hóa dòng cắt nhau (hình c) : không khí cần cho quá trình khí hóa chuyển động theo phương vuông góc với chuyển động của nhiên liêu rắn trong thiết bị khí hóa Đặc tính một số loại nhiên liệu khi khí hóa Sinh khối Đặc tính vận hành Than củi - Nhiên liệu khí được tạo thành không chứa hắc ín và ít ẩm, hệ thống xử lý làm sạch khí đơn giản, thích hợp cho sản xuất điện năng. - Công suất của hệ thống khí hóa-động cơ máy phát điện là nhỏ (5 - 10 kWe) vì hiệu suất sản xuất than củi từ sinh khối gỗ ban đầu có hiệu suất thấp (25-30%) Gỗ củi và phế thải nông nghiệp - Có thể được sử dụng trong các ứng dụng cung cấp nhiệt năng và điện năng: Đối với sản xuất nhiệt năng: vận hành tương đối thuận lợi và đơn giản hơn, không cần các hệ thống khử hắc ín và làm mát khí trước khi được sử dụng; Đối với sản xuất điện năng sử dụng động cơ đốt trong: cần phải lắp đặt hệ thống phức tạp làm sạch khí và loại bỏ hắc ín. Củi - Củi phải được sấy đến khi độ ẩm 20% và được chế biến thành từng miếng / mẩu nhỏ; - Phù hợp với các ứng dụng cấp nhiệt công nghiệp và hệ thống khí hóa - động cơ máy phát với công suất thiết kế có thể tới 500 kWe BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 34 Trấu - là một trong những nhiên liệu rất khó khí hoá, cần phải trang bị một hệ thống thải tro phù hợp. - khí hóa trấu thường được sử dụng là công nghệ của Trung Quốc (buồng khí hóa kiểu hở, chuyển động cùng chiều) Dừa - vỏ dừa thích hợp cho khí hoá, tạo ra khí nhiên liệu có nhiệt trị cao và hàm lượng hắc ín thấp. - xơ dừa khó lưu động trong buồng khí hóa, nhưng có thể khí hoá được khi trộn với củi. Lõi ngô - là nhiên liệu phù hợp cho công nghệ khí hoá. - có thể tạo ra xỉ tảng (clinke). - Thiết bị khí hóa kiểu tầng sôi. + Khi gió cấp vào dưới ghi có tốc độ lớn đủ để thắng được trọng lượng hạt trên ghi, các hạt trên ghi sẽ ở một trạng thái bồng bềnh gọi là trạng thái sôi. + Thiết bị khí hóa đốt theo nguyên lý này gọi là thiết bị khí hóa kiểu tầng sôi. Có 2 loại tầng sôi: Thiết bị khí hóa kiểu sôi bọt là các hạt trên ghi được sôi với tốc độ thấp không thổi bay hạt Thiết bị khí hóa kiểu lớp sôi tuần hoàn là thiết bị mà tốc độ gió mạnh làm cho hạt trong buồng lửa bị thổi chuyển động mạnh ra ngoài buồng lửa, được thu hồi ở xyclon rồi tái tuần hoàn trở lại buồng lửa qua hệ thống tái tuần hoàn. Công nghệ khí hoá kiểu lớp sôi thường được áp dụng cho hệ thống có công suất lớn hơn nhiều so với thiết bị khí hoá theo lớp cố định, trong đó có sử dụng các lò hơi công nghiệp, động cơ diesel. 4.3. Nhiệt phân sinh khối - Nhiệt phân là quá trình biến đổi hoá học không thuận nghịch dưới tác dụng của nhiệt trong điều kiện không có ôxy. Trong quá trình nhiệt phân, sinh khối trải qua một loạt các quá trình biến đổi và sản phẩm thu được là: i) các khí không ngưng, ii) các chất lỏng ngưng tụ và iii) phần chất rắn chứa cácbon. Phần chất rắn này được gọi là than củi, phần lỏng ngưng tụ bao gồm các thành phần rượu methanol, axit axetic và dầu nhiệt phân (pyrolysis oil). - Thiết bị dùng để nhiệt phân sinh khối có thể được phân loại dựa trên phương thức lưu chuyển của sinh khối trong thiết bị. - Kiểu A : Sinh khối không chuyển động trong suốt quá trình nhiệt phân. Các thiết bị nhiệt phân thuộc loại này do vậy vận hành theo mẻ; - Kiểu B : Sinh khối lưu chuyển (rơi tự do) trong quá trình nhiệt phân. Các buồng nhiệt phân kiểu đứng là ví dụ điển hình của loại hình này; - Kiểu C : Chuyển động của sinh khối là do tác động của ngoại lực. Thuộc loại này có thiết bị nhiệt phân kiểu quay, kiểu trục vít; - Kiểu D: Chuyển động của sinh khối được khởi tạo và đảm bảo do có dòng khí được cấp từ phía thiết bị nhiệt phân. Buồng nhiệt phân kiểu lớp sôi, lớp sôi tuần hoàn là những ví dụ điển hình của loại hình này. Thiết bị kiểu A thường được sử dụng ở các nước đang phát triển để sản xuất than củi. Nhiệt cần thiết cho quá trình cácbon hoá sinh khối được đảm bảo do đốt một phần sinh khối ngay trong thiết bị nhiệt phân. Thiết bị kiểu B,C và D thường được sử dụng trong điều kiện gia nhiệt nhanh ở nhiệt độ cao. Sản phẩm thu được chủ yếu là ở trạng thái khí (khí nhiệt phân) và trạng tháI lỏng (hắc ín, dầu nhiệt phân). Các thiết bị nhiệt phân thường được gọi bằng các tên gọi đặc thù: ‘lò nung’ (kiln) được dùng để chỉ các thiết bị nhiệt phân sản xuất than củi, ‘buồng chưng cất’ (retort) được dùng để mô tả các thiết bị nhiệt phân có khả năng thu hồi các sản phẩm phụ của quá trình nhiệt phân (khí nhiệt phân, nhiên liệu lỏng) a. Sản xuất than củi BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 35 - Than củi là sản phẩm ở trạng thái rắn có màu đen từ quá trình cácbon hoá sinh khối, thường được dùng làm nhiên liệu trong sinh hoạt hàng ngày như đun nấu, sấy sưởi, v.v cũng như trong nhiều ứng dụng công nghiệp. - Sử dụng than cốc trong sinh hoạt hàng ngày có một số thuận lợi như sau: + Là loại nhiên liệu cháy ít khói; + Không tốn công hoặc mất ít thời gian để chuẩn bị nhiên liệu trước khi sử dụng; + Có nhiệt trị cao; + Lượng nhiên liệu còn dư lại sau khi đun nấu có thể được tái sử dụng nên hầu như không có hoặc có rất ít tro thải; + Là loại nhiên liệu dễ vận chuyển và lưu chứa. Công nghệ sản xuất than củi từ phế thải sinh khối b. Quá trình sản xuất than củi - Than củi được sản xuất từ sinh khối theo nhiều cách khác nhau. Về cơ bản, trong các thiết bị sản xuất than củi, có 3 giai đoạn xảy ra xen kẽ nhau là: sấy, nhiệt phân (các bon hóa) và làm nguội. - Giai đoạn sấy: Lượng ẩm trong gỗ, củi hoặc sinh khối nén ép phải được loại bỏ trước khi xảy ra quá trình các bon hóa. Quá trình sấy xảy ra qua 2 giai đoạn. Trong giai đoạn thứ nhất, nước có trong các lỗ của gỗ củi (liên kết cơ-lý) sẽ thoát ra khi nhiệt độ của gỗ đạt khoảng 1100C và khá ổn định tại giá trị này. Khi toàn bộ lượng ẩm liên kết cơ-lý này được tách bỏ, nhiệt độ gỗ sẽ tăng. Đến khoảng 1500C, nước trong xenlulô của gỗ (liên kết hóa-lý) bắt đầu thoát ra bên ngoài. Hơi nước trong quá trình sấy sinh khối là thành phần chính của khói trắng thoát ra trong giai đoạn đầu của quá trình cácbon hoá. - Giai đoạn nhiệt phân: Khi tiếp tục cấp nhiệt, ở nhiệt độ khoảng 2800C, một loạt các các phản ứng nhiệt phân bắt đầu xuất hiện, tạo ra một chuỗi các sản phẩm hóa học phức tạp, được gọi là sản phẩm nhiệt phân. Do hầu hết các sản phẩm nhiệt phân này đều ở dạng khí hoặc hơi nên chúng thường được gọi chung là chất bốc. Sự xuất hiện của chất bốc tạo nên màu đen của khói thoát ra từ các thiết bị sản xuất than củi, đánh dấu sự bắt đầu của giai đoạn nhiệt phân sinh khối. Nhiệt độ của thiết bị sản xuất than củi trong giai đoạn nhiệt phân phụ thuộc vào kích thước gỗ củi cấp tại đầu vào, kích thước hình học của lò, mức độ bảo ôn của lò, nhiệt độ môi trường xung quanh, độ ẩm của gỗ, v.v. Trong hầu hết các phương pháp sản xuất than củi truyền thống ở quy mô nhỏ, nhiệt độ cực đại nằm trong khoảng 4000C – 5000C. Trong một số trường hợp, nhiệt độ có thể lên đến 6000C – 7000C. Nếu muốn tăng nhiệt độ cao hơn nữa thì phải dùng đến các buồng chưng cất [66]. - Giai đoạn làm nguội: Khi phản ứng nhiệt phân kết thúc, nhiệt độ của sản phẩm nhiệt phân bắt đầu giảm xuống. Lượng khói thoát ra từ lò cũng giảm rõ rệt, màu khói chuyển sang màu xanh lam nhạt. Trong một số trường hợp có thể không còn khói nữa. Trong giai đoạn này, lò phải được bịt kín để than củi nguội một cách tự nhiên mà không bị bốc cháy. Khi được đưa ra khỏi lò, than củi tiếp tục được làm nguội ngoài trời khoảng 24 giờ cho đến khi xấp xỉ bằng nhiệt độ môi trường và một số chất bốc còn lại trong than củi tiếp tục bay hơi 4.4. Sản xuất khí sinh học - Sản xuất khí sinh học là quá trình phân huỷ sinh khối trong môi trường kỵ khí. Đây là một quá trình sinh hóa trong đó sinh khối được vi khuẩn phân huỷ trong điều kiện không có không khí để tạo thành nhiên liệu ở trạng thái khí - Trong lĩnh vực phân hủy kỵ khí, sinh khối thường được coi như được cấu thành từ : phần chất rắn dễ bay hơi và tro thải. - Chất rắn dễ bay hơi của vật liệu hữu cơ được xác định như là phần vật liệu có thể được tách ra khi tăng nhiệt độ, phần còn lại của vật liệu chính là tro BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 36 - Tuỳ theo khoảng nhiệt độ tốt ưu cho quá trình sinh sôi và phát triển, các vi khuẩn kỵ khí có thể được phân thành 3 nhóm như sau: + Vi khuẩn ưa lạnh: 50C đến 350C; + Vi khuẩn ôn hoà: 180C đến 450C; + Vi khuẩn ưa nóng: 450C đến 850C. - Các buồng ủ kỵ khí để sản xuất khí sinh học chủ yếu hoạt động trong vùng ôn hòa (180C – 450C). Sản phẩm khí thu được chủ yếu là mêtan (CH4) với nồng độ thể tích khoảng 40% - 70%, phần còn lại là khí cácboníc CO2 chiếm 30% - 60% thể tích sản phẩm khí Nguyên lý phân huỷ trong môi trường yếm khí - Quá trình phân hủy yếm khí có thể được phân ra thành 3 giai đoạn: giai đoạn thủy phân, giai đoạn tạo axít và giai đoạn tạo mêtan. Tương tự, sẽ có 3 loại khuẩn tham gia vào quá trình tạo khí sinh học. - Giai đoạn thuỷ phân: Trong giai đoạn này, vật liệu hữu cơ phức tạp không hòa tan sẽ chịu tác động của các enzym của các vi khuẩn, và được phân hủy thành các chất hữu cơ dễ tan và do vậy có cấu trúc đơn giản hơn. - Giai đoạn tạo axít (hoặc axít hóa): Các vi khuẩn tạo axit tham gia vào quá trình này có nhiệm vụ biến đổi các chất hữu cơ dễ tan thành axít axêtíc (CH3COOH), khí hiđrô (H2), khí cácboníc (CO2) và các hợp chất 1 cácbon. Các vi khuẩn này thuộc họ kỵ khí và có thể sinh sôi phát triển trong môi trường axít. - Giai đoạn tạo mêtan: Trong giai đoạn này, sản phẩm của giai đoạn tạo axít sẽ được biến đổi thành mêtan nhờ các vi khuẩn tạo mêtan. Phần lớn lượng mêtan được tạo ra từ axít axêtic Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình sản xuất khí sinh học - Nhiệt độ: Đây là thông số vận hành rất quan trọng đối với quá trình phân huỷ trong môi trường kỵ khí. Thực tế cho thấy khí sinh học được tạo ra tốt nhất trong khoảng nhiệt độ 30- 400C, tuỳ theo loại chất nền. Nếu nhiệt độ thấp hơn 150C, lượng khí sinh ra rất chậm và do vậy công nghệ sản xuất khí sinh học là không khả thi về mặt kinh tế trong trường hợp này. - Độ pH: Các vi khuẩn tạo mêtan rất nhạy cảm với độ pH của dung dịch phân huỷ trong hầm ủ. Quá trình sản xuất khí mêtan sẽ rất hiệu quả nếu độ pH được duy trì trong khoảng từ 7,0 đến 7,2. Nếu độ pH giảm xuống dưới 6,2 thì môi trường sẽ ảnh hưởng có hại đến các vi khuẩn tạo khí mêtan. - Tỷ lệ C/N và nhu cầu dinh dưỡng: Số lượng vi khuẩn tham gia vào quá trình phân huỷ kỵ khí cần được cung cấp đủ chất dinh dưỡng để phát triển và sinh sản. Mỗi loại vi khuẩn đều đòi hỏi cả cácbon và nitơ. Nếu có quá ít nitơ, vi khuẩn sẽ không thể tạo ra các enzym cần thiết. Nếu có quá nhiều nitơ, đặc biệt là ở dạng NH3, vi khuẩn sẽ khó phát triển. Thông thường, tỷ lệ C/N tốt nhất nằm trong khoảng 20:1 và 30:1. Sinh khối có tỷ lệ C/N lớn hơn 30:1 có thể chỉ được phân hủy nếu được bổ sung đủ lượng nitơ, ví dụ như urê, phân gà, v.v. 4.5. Nhiên liệu cồn - Sản xuất êtanol và mêtanol - Nhiên liệu cồn như êtanol và mêtanol, có thể được sản xuất từ sinh khối và có khả năng thay thế xăng trong lĩnh vực giao thông vận tải để làm giảm phát thải CO. - Có 3 loại vật liệu sinh khối sơ cấp có thể được dùng để sản xuất êtanol: + Vật liệu có chứa đường, bao gồm mía đường, mật, củ cải đường, v.v; + Vật liệu có chứa tinh bột như sắn, ngô, khoai, v.v; + Vật liệu có chứa xenlulô như gỗ củi, phế thải nông nghiệp, v.v - Sản lượng êtanol sản xuất từ một số loại sinh khối Vật liệu Sản lượng sinh khối (tấn/ha/năm) Sản lượng êtanol (lít/ha/năm) Sản lượng êtanol (lít/tấn) Mía đường 50,0 3500 70 Mật - - 280 Sắn 12,0 2.160 180 BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 37 Hạt kê ngọt 35,0 3.010 86 Khoai tây đường 15,0 1.875 125 Cọ 2,5 200 80 Ngô 7,0-11,0 2.572-4.043 367,4-367,5 Bột mì 7,0-9,0 2.572-3.312 367,4-368,0 Củ cải đường 66,0-78,0 6.692-7.909 101,4 Gỗ [51] 20,0 3.200 160 Các công đoạn sản xuất êtanol bằng phương pháp lên men - Lưu trữ và xử lý nguyên liệu: Nguyên liệu dùng để sản xuất êtanol thường sẵn có theo mùa vụ và được thu hoạch một lần trong năm. Để đảm bảo sản xuất liên tục trong năm, nguyên liệu phải được lưu trữ hợp lý. Ngoài ra, một số nguyên liệu như củ cải đường cần phải được sơ chế thành dạng xirô mới có thể lưu trữ dài ngày được - Chuẩn bị nguyên liệu. Tuỳ thuộc vào loại nguyên liệu sinh khối, việc chuẩn bị nguyên liệu có thể bao gồm xử lý cơ học như giã, nghiền nhỏ và / hoặc xử lý hoá học như thuỷ phân tinh bột, xenlulô và hemixenlulô - Đối với nguyên liệu có chứa đường: Sản xuất êtanol bằng phương pháp lên men dựa trên quá trình chuyển hoá các loại đường thành êtanol dưới tác dụng của men trong điều kiện kỵ khí. Bước đầu tiên là chuẩn bị dung dịch lên men có nồng độ đường phù hợp với nồng độ tại đó quá trình lên men có thể xảy ra, thường trong khoảng 10%-12%. Mật mía thường chứa đủ lượng chất nuôi men, đảm bảo cho quá trình lên men diễn ra nhanh chóng và hiệu quả. Với các dung dịch chứa đường khác, cần phải bổ sung thêm muối amôni như amôni sunfat để thúc đẩy quá trình lên men - Đối với nguyên liệu có chứa tinh bột: Hiện tại có 2 công nghệ được sử dụng để sơ chế ngô và các loại nông sản có chứa tinh bột là: i) xay khô và ii) xay ướt. + Với công nghệ xay khô, nguyên liệu được nghiền nhỏ và nấu trong nước thành dạng keo (gelatin). Sau đó, các enzym được đưa vào để phân đoạn tinh bột thành đường. + Với công nghệ xay ướt, ngô hoặc các nông sản chứa tinh bột khác, như lúa mỳ, lúa mạch, v.v, được xay và sau đó trộn với nước trước khi đem nấu thành keo - Đối với nguyên liệu xenlulô: Công việc chuẩn bị cho các nguyên liệu dạng này bao gồm xử lý sơ bộ bằng thuỷ phân và quá trình hoá đường + Khi qua sơ chế, hầu hết hemixenlulô bị thủy phân, tạo thành xyloza theo phản ứng sau: (C5H8O4) n + n H2O  n C5H10O5 + Trong giai đoạn thuỷ phân xenlulô, enzym xenlulaza xúc tác cho quá trình thuỷ phân xenlulô thành đường glucôza theo phản ứng sau: (C6H10O5) n + n H2O  n C6H12O6 - Quá trình lên men: Glucoza thường được lên men bởi một số loại men như accharomyces Cerevisiae và tạo ra êtanol: C6H12O6  2 C2H5OH + 2 CO2 BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 38 Đối với quá trình lên men xyloza, phản ứng hoá học tổng có thể viết như sau: 3C5H10O5  5 C2H5OH + 5 CO2 - Hoàn nguyên êtanol: Trong quá trình lên men, hỗn hợp tạo thành có chứa êtanol, nước, men, các chất trơ như lignin, enzym và các cácbon hyđrat trơ. Trong hầu hết các ứng dụng thương phẩm, toàn bộ hỗn hợp được đưa vào tháp chưng để thu êtanol, còn phần chất rắn và nước được tách ra ở phía dưới. Dòng êtanol sau đó được đưa qua tháp chưng cất thứ hai để thu được dung dịch có chứa khoảng 95% êtanol theo thành phần khối lượng. Nước trong dung dịch sau đó được loại bỏ. Benzen hoặc xiclo hexan có thể được thêm vào trong dung dịch với mục đích làm tinh khiết êtanol trong quá trình chưng cất. Các màng lọc phân tử để hấp thụ có chọn lọc êtanol hoặc nước cũng có thể được sử dụng Những khó khăn và ảnh hưởng môi trường của việc sử dụng năng lượng sinh khối. - Nhiên liệu từ sinh khối có nhiệt trị thấp, khối lượng riêng thấp đòi hỏi kho dự trữ lớn và phí vận chuyển cao chiếm diện tích đất và phát sinh thêm khí thải nhà kính trong quá trình vận chuyển - Quá trình chế biến sinh khối như ép thành viên, bánh tiêu tốn điện năng. - Công nghệ khí hóa dễ bị rò rỉ khí độc CO gây ô nhiễm môi trường người lao động - Việc khai thác bừa bãi nhiên liệu sinh khối từ củi có thể dẫn đến phá rừng thiên nhiên. - Việc trồng rừng tái sinh hoặc các loại cây có tốc độ tăng trưởng nhanh có thể nhanh chóng làm ảnh hưởng tới đất và thay đổi đa dạng sinh học của một vùng. Bài 7. Năng lượng gió 1. Định nghĩa - Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất. Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời. Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất từ môi trường tự nhiên và đã được biết đến từ thời kỳ Cổ đại. - Sự hình thành gió + Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió. Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa. + Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại. BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 39 + Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại. 2. Năng lượng gió ở Việt Nam - Tiềm năng điện gió của Việt Nam Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió. So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng Biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa . Trong chương trình đánh giá về Năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam (bảng 2) . Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và Campuchia. Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ „tốt“ đến „rất tốt“ để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Thái-lan cũng chỉ là 0,2%. Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020. Khó khăn cho điện gió ở việt nam • Nước ta hiện chưa có chính sách và các quy định, trợ giá trong việc mua điện từ nguồn năng lượng gió, chi phí đầu tư cao hơn các hệ thống phát điện truyền thống vì thế chưa đủ sức hấp dẫn các nhà đầu tư trong cũng như ngoài nước. Bên cạnh đó, vẫn còn thiếu các dịch vụ và khả năng tài chính để có thể vay vốn từ ngân hàng hoặc từ tổ chức tài chính cho việc phát triển điện gió. Các chương trình quy hoạch và chính sách của chính quyền địa phương và của trung ương nên minh bạch, rõ ràng, tránh tình trạng các văn bản ban hành trái ngược nhau. • Thêm nữa, hiện nay, về trình độ kỹ thuật, để thực hiện một công trình điện gió hoàn chỉnh, cũng như các kỹ thuật cơ bản và dịch vụ bảo quản, bảo trì, điều hành và quản lý sau lắp đặt của nước ta hiện còn rất yếu. Gió là dạng năng lượng vô hình và mang tính ngẫu nhiên cao nên khi đầu tư vào lãnh vực này nhà đầu tư cần có các số liệu, thống kê đủ tin cậy, nhưng cho đến nay công việc xây dựng các trạm đo gió (wind measuring station) để thu thập, thống kê và phân tích đầy đủ các số liệu về gió cũng chỉ mới ở khâu đầu. • Và để khuyến khích việc phát triển, tạo đòn bẩy cho việc xây dựng nhanh nguồn điện gió tại nước ta thì cần sự tính toán hợp lý, mạnh dạn đầu tư, sử dụng mọi nguồn lực mới mong tận dụng được triệt để nguồn năng lượng này, đưa vào sử dụng đại trà. - Đề xuất một khu vực xây dựng điện gió cho Việt Nam Ở Việt Nam, các khu vực có thể phát triển năng lượng gió không trải đều trên toàn bộ lãnh thổ. Với ảnh hưởng của gió mùa thì chế độ gió cũng khác nhau. Nếu ở phía bắc đèo Hải Vân thì mùa gió mạnh chủ yếu trùng với mùa gió đông bắc, trong đó các khu vực giàu tiềm năng nhất là Quảng Ninh, Quảng Bình, và Quảng Trị. Ở phần phía nam đèo Hải Vân, mùa gió mạnh trùng với mùa gió tây nam, và các vùng tiềm năng nhất thuộc cao nguyên Tây Nguyên, các tỉnh ven biển đồng bằng sông Cửu Long, và đặc biệt là khu vực ven biển của hai tỉnh Bình Thuận, Ninh Thuận. Theo nghiên cứu của NHTG, trên lãnh thổ Việt Nam, hai vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển năng lượng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát ở độ cao 60-100m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận). Gió vùng này không những có vận tốc trung bình lớn, còn có một thuận lợi là số lượng các cơn bão khu vực ít và gió có xu thế ổn định là những điều kiện rất thuận lợi để phát triển năng lượng gió. Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông nam lên đến 98% với vận tốc trung bình 6-7 m/s tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện gió công suất 3 - 3,5 MW. Thực tế là người dân khu vực Ninh Thuận cũng đã tự chế tạo một số máy phát điện gió cỡ nhỏ nhằm mục đích thắp sáng. Ở cả hai khu vực này dân cư thưa thớt, thời tiết khô nóng, khắc nghiệt, và là những vùng dân tộc đặc biệt khó khăn của Việt Nam. Mặc dù có nhiều thuận lợi như đã nêu trên, nhưng khi nói đến năng lượng gió, chúng ta cần phải lưu ý một số đặc điểm riêng để có thể phát triển nó một cách có hiệu quả nhất. Nhược điểm lớn nhất của năng lượng gió là sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và chế độ gió. Vì vậy khi thiết kế, cần nghiên cứu hết sức nghiêm túc chế độ gió, địa hình cũng như loại gió không có các dòng rối vốn ảnh hưởng không tốt đến máy phát. Cũng vì lý do phụ thuộc trên, năng lượng gió tuy ngày càng BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 40 hữu dụng nhưng không thể là loại năng lượng chủ lực. Tuy nhiên, khả năng kết hợp giữa điện gió và thủy điện tích năng lại mở ra cơ hội cho chúng ta phát triển năng lượng ở các khu vực như Tây Nguyên vốn có lợi thế ở cả hai loại hình này. Một điểm cần lưu ý nữa là các trạm điện gió sẽ gây ô nhiễm tiếng ồn trong khi vận hành cũng như phá vỡ cảnh quan tự nhiên và có thể ảnh hưởng đến tín hiệu của các sóng vô tuyến. Do đó, khi xây dựng các khu điện gió cần tính toán khoảng cách hợp lý đến các khu dân cư, khu du lịch để không gây những tác động tiêu cực. 3. Sử dụng năng lượng gió - Năng lượng gió đã được sử dụng hàng trăm năm nay. Con người đã dung năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu , ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió. - Ngày nay năng lượng gió được đa dạng trong sử dụng Chiếc ô tô chạy bằng năng lượng gió đầu tiên trên thế giới đã ra mắt tại Sydney ngày 14-2. Chiếc xe có tên Wind Explorer (ảnh), đã đến Sydney sau khi hoàn thành quãng đường dài hơn 5.000km trong 3 tuần, từ TP Perth đi qua TP Adelaide và TP Melbourne với chi phí là 16 USD. Chiếc xe là nguyên mẫu được thiết kế bởi Dirk Gion và Stefan Simmer trong khoảng 6 tháng ở Đức. - Động năng của gió được chuyển thành cơ năng như trong cối xay gió (wind mill) , hay điện năng bằng turbin-gió (wind turbine ). - Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện. Mỗi cơ sở phát điện bằng sức gió, được gọi là trại gió (wind farm )tập trung hang trăm đến hang ngàn turbines, Dòng điện sản xuất ra có công suất tổng hợp đủ mạnh để đưa vào lưới , nghĩa là hệ thống mạng kết hợp giữa nhiều nhà máy điện , đường dây tải điện và đường dây phân phối đến tất cả các nơi sử dụng. 3.1. Bơm nước dùng sức gió Một trong những ứng dụng sức gió trong sản xuất là sử dụng trực tiếp năng lượng cơ học của turbin để chạy bơm nước. Trường hợp này người ta gọi là động cơ gió. Hình 3.3 giới thiệu sơ đồ hoạt động của một động cơ gió trục ngang nhiều cánh quay để kéo bơm nước. Hệ thống bơm nước dùng sức gió kiểu này có thể đưa nước lên cao 100m. Động cơ nước được thiết kế phải đạt được các yêu cầu sau:  Khởi động và bắt đầu làm việc ở vận tốc 2m/s.  Làm việc với hiệu suất cao ở tốc độ gió 2,5 - 3m.  Tự động định hướng theo chiều gió và hạn chế số vòng quay khi gió quá mạnh, có bộ phận tự đóng mở an toàn khi có gió bão lớn. Đạt dược hiệu suất tương đối cao, kích thước gọn nhẹ, kết cấu đơn giản, giá thành hạ. N guy ên lý làm việ c của má y bơm chạy bằng sức gió như sau: chuyển động quay của turbin gió 1 được biến thành chuyển động tịnh tiến của thanh truyền 4 nhờ cơ cấu biên tay quay, qua cần bẩy 5, thanh nối 6 đến piston 7. Để Máy bơm nước piston chạy bằng sức gió 1. Turbin gió; 2. Trục; 3. Tay quay; 4. Thanh truyền; 5. Đòn bẩy; 6. BG Sử Dụng Năng Lượng Tiết Kiệm & Hiệu Quả 41 đảm bảo việc tư động định hướng theo chiều gió, turbin dược đặt trên hai ổ đỡ bi côn và có thể quay tự do, ống trong của ổ đỡ dược bố trí con trượt và cơ cấu tay quay con trượt. Có thể tham khảo các thông số kĩ thuật của một hệ thống bơm nước chạy bằng sức gió đã được đo đạc, kiểm tra đánh giá theo kết quả tính toán lý thuyết dưới đây:  Đường kính turbin: 3,3m  Tỷ số giữa tốc độ quay đầu cánh quạt và tốc độ gió: 1,3  Chiều cao cột đỡ : 3,5m  Khối lượng turbin: 150kg. Nhờ có cơ cấu tự động nên hạn chế được tốc độ quay, đảm bảo động cơ làm việc an toàn. Khi tốc độ gió lớn hơn 7 m/s, cánh hướng gió sẽ chuyển động lệch đi một góc nào đó để hạn chế tốc độ quay của turbin. Khi tốc độ gió nhỏ hơn 7 m/s cánh hướng gió nằm vuông góc với hướng gió. Khi có gió bão lớn hơn 14 m/s thì turbin ngừng quay. Máy còn được thiết kế tời quay chủ động ngừng hoạt động khi dông bão. 3.2. Máy phát điện dùng sức gió a. Đặc điểm Biến đổi sức gió thành điện năng là một biện pháp khá thuận tiện trong sử dụng năng lượng gió, song hiện nay quá trình này đòi hỏi chi phí quá lớn. Trên thị trường người ta chào bán hàng loạt turbin gió, từ turbin cỡ nhỏ công suất 200W có giá bán khoảng 2000 USD/1kW, cỡ 5 kW giá khoảng 600 USD/1kW, tới các turbin công suất lớn 800 kW. Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng liên tục. Tại châu Âu các tuốc bin gió được nối mạng toàn châu Âu, nhờ vào đó mà việc sản xuất điện có thể được điều hòa một phần. Một khả năng khác là sử dụng các nhà máy phát điện có bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng nước để vận hành tuốc bin khi không đủ gió. Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng điện. Xây dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây chúng trên các đỉnh núi cao. Mặt khác vì có ánh sáng Mặt Trời nên gió thổi vào ban ngày thường mạnh hơn vào đêm và vì vậy mà thích ứng một cách tự nhiên với nhu cầu năng lượng nhiều hơn vào ban ngày. Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng điện. Người ta còn có một công nghệ khác để tích trữ năng lượng gió. Cánh quạt gió sẽ được truyền động trực tiếp để quay máy nén khí. Động năng của gió được tích lũy vào hệ thống nhiều bình khí nén. Hệ thống hàng loạt bình khí nén này sẽ được luân phiên tuần tự phun vào các turbine để quay máy phát điện. Như vậy năng lượng gió được lưu trữ và sử dụng ổn định hơn (dù gió mạnh hay gió yếu thì khí vẫn luôn được nén vào bình, và người ta sẽ dễ dàng điểu khiển cườ