Nhà máy điện than - Nguồn: internet

Các thách thức đáng ngại đối với nhà máy điện than

Than là nhiên liệu hóa thạch có trữ lượng dồi dào hơn dầu hoặc khí thiên nhiên. Hình 1 minh họa trữ lượng các loại nhiên liệu than, dầu và khí ở các khu vực chính trên thế giới.

Các khu vực chính trên thế giới có trữ lượng nhiên liệu hóa thạch (Đvt: triệu tấn)

Hiện nay, than vẫn đang đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng các nhu cầu năng lượng của thế giới và là nhân tố chính đối với phát triển cơ sở hạ tầng, đóng góp khoảng 38% cho sản xuất điện và 71% cho sản xuất thép trên thế giới.

Với số liệu ước tính năm 2018, trữ lượng than của thế giới còn đủ cho khoảng 132 năm sản xuất điện, thép, xi măng và các ngành công nghiệp khác. Tuy vậy, việc phát triển các dự án nhà máy điện than mới ở Việt Nam cũng như ở các nước trên thế giới hiện đang gặp trở ngại lớn.

Thách thức lớn nhất đối với việc phát triển các nhà máy điện than là các chất thải phát sinh từ quá trình vận hành nhà máy, đặc biệt là các khí thải như CO2, SOx, NOx và bụi, có ảnh hưởng lớn đến môi trường, với các tác động chính được quan ngại là hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu và tác động xấu đến sức khỏe cộng đồng.

Chính vì vậy, việc xây dựng các dự án nhà máy điện than mới vấp phải sự phản đối mạnh mẽ từ các cộng đồng, các tổ chức bảo vệ môi trường trên thế giới. Thêm vào đó, việc thu xếp vốn vay để tài trợ cho các dự án mới cũng gặp trở ngại do các tổ chức tài chính quốc tế không ủng hộ các khoản vay cho các nhà máy điện than mới, kể cả các dự án nhà máy điện than sử dụng công nghệ trên tới hạn.

Nhà máy Nhiệt điện Ô Môn 

Một thách thức kỹ thuật khác là hiện nay, các nhà máy điện than thường có công suất tổ máy lớn và vận hành ở chế độ tải nền, trong khi các nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, gió v.v…) đang phát triển nhanh chóng, làm tăng tỷ trọng các nguồn điện này trong các hệ thống điện quốc gia. Điều này dẫn đến đòi hỏi rằng các nhà máy điện trong hệ thống điện (trong đó có nhà máy nhiệt điện than) phải có khả năng vận hành linh hoạt hơn, thay đổi tải thường xuyên hơn.

Thế giới phải cùng nhau tìm ra hướng đi an toàn hơn cho nhà máy điện than

Để tiếp tục khai thác, sử dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu than dồi dào trên thế giới nhưng đồng thời phải vượt qua được các rào cản thực tế, cần nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới và đột phá cho nhà máy điện than. Đó cũng chính là chương trình sáng kiến Coal FIRST của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ nhằm tài trợ cho các dự án nghiên cứu công nghệ mới này. “FIRST” ở đây là các chữ viết tắt của Flexible, Innovative, Resilient, Small, Transformative (linh hoạt, công nghệ đột phá, khả năng phục hồi, quy mô nhỏ và khả năng chuyển đổi). Các nguyên tắc này thể hiện những yêu cầu mà các dự án nghiên cứu công nghệ nhiệt điện than phải đáp ứng:

• Sự linh hoạt (Flexible): điều chỉnh nhanh chóng theo các nhu cầu thay đổi của hệ thống điện
• Công nghệ đột phá (Innovative): công nghệ nổi trội, sạch hơn, hiệu suất cao hơn và linh hoạt hơn
• Khả năng phục hồi (Resilient): khả năng phục hồi nhanh chóng từ các điều kiện thời tiết khắc nghiệt hoặc những hiện tượng, sự kiện khác
• Quy mô nhỏ (Small): có quy mô công suất nhỏ hơn so với các nhà máy điện than ngày nay
• Chuyển đổi (Transformative): thay đổi cơ bản về cách thức mà các công nghệ than đang được chế tạo.

Với chương trình sáng kiến Coal FIRST, các nhà máy điện than trong tương lai được trông đợi sẽ có những đặc tính sau đây:

• Hiệu suất nhà máy cao (hiệu suất đầy tải tính theo nhiệt trị cao (HHV) đạt từ 40% trở lên)
• Tổ máy công suất nhỏ, chất lượng cao và chi phí thấp (từ 50 MW đến 350 MW) để giảm thời gian thi công xây dựng
• Lượng phát thải gần như bằng 0 (Theo định nghĩa phổ biến, lượng phát thải gần như bằng 0 tức là lượng phát thải CO2 phải nhỏ hơn lượng phát thải CO2 khi vận hành công nghệ phát điện sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên)
• Tốc độ thay đổi tải và phụ tải tối thiểu phải tương thích với các nguồn năng lượng tái tạo được tích hợp và huy động trong hệ thống điện trong tương lai
• Tích hợp với hệ thống lưu trữ nhiệt năng hoặc nguồn năng lượng khác để tối thiểu các vấn đề tổn thất (không hiệu quả) hoặc hư hỏng thiết bị
• Giảm đến mức tối thiểu lượng nước tiêu thụ
• Đẩy nhanh tiến độ thiết kế, thi công và thí nghiệm chạy thử
• Nâng cao các tính năng bảo trì, bao gồm sử dụng công cụ dự báo và theo dõi tiên tiến để giảm thời gian ngừng máy
• Tích hợp với nâng cấp chất lượng than hoặc các chuỗi giá trị khác của nhà máy
• Có khả năng đốt chung với khí thiên nhiên

Với kỳ vọng đáp ứng yêu cầu công nghệ của chương trình Coal FIRST, có 7 công nghệ đột phá hiện đang được lựa chọn nghiên cứu để áp dụng cho nhà máy điện sử dụng than tương lai, bao gồm:

• 1) Công nghệ lò tầng sôi cao áp với hệ thống chu trình hơi trên tới hạn (Pressurized Fluidized Bed Combustor with Supercritical Steam Cycle Power Plant System)
• 2) Nhà máy điện sử dụng môi chất CO2 trên tới hạn, đốt gián tiếp (Indirect Supercritical Carbon Dioxide Power Plant)
• 3) Nhà máy điện sử dụng môi chất CO2 trên tới hạn, đốt trực tiếp (Direct-fired Supercritical Carbon Dioxide Power Plant)
• 4) Nhà máy khí hóa than cho phát điện và sản xuất hóa chất hoặc nhiên liệu lỏng (Gasification-Based Poly-Generation)
• 5) Nhà máy điện chu trình hỗn hợp đốt than trực tiếp (Coal-Fired Direct Injection Combustion Engine & Gas Turbine Compound Reheat Combined Cycle Power Plant)
• 6) Nhà máy điện đốt ô-xy có áp và theo các mô-đun (Modular Staged Pressurized Oxy-Combustion Power Plant System)
• 7) Nhà máy điện đốt ô-xy có áp và không có ngọn lửa (Flameless Pressurized Oxy-Combustion Power Plant System)

Ngoài 7 công nghệ này, một số công nghệ đột phá khác cũng đang được các tổ chức, viện, trường đại học ở Hoa Kỳ và các nước nghiên cứu để áp dụng.

Nếu nghiên cứu và áp dụng thành công các công nghệ mới bảo đảm “chuẩn Coal FIRST”, tương lai của nhà máy điện than vẫn còn tươi sáng, vừa cân bằng được mục đích sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên, phục vụ nhu cầu năng lượng của nhân loại, đồng thời đáp ứng các yêu cầu bảo vệ môi trường ngày càng khắt khe hơn, hướng tới các mục tiêu phát triển bền vững.

*Tham khảo: Darrell Proctor. DOE Announces Additional $64 Million for Clean Coal Projects. POWER (7 February 2020, https://www.powermag.com/doe-announces-additional-64-million-for-clean-coal-projects/).

Thực hiện: Ban biên tập Bản tin PECC2