Công nghệ nhiệt than siêu tới hạn
Trung tâm của quá trình sản xuất điện than là chu trình hơi nước. Thông thường, than đã nghiền được đưa vào một lò công nghiệp lớn với những ống chứa nước xung quanh. Than được đốt để đun nóng nước, sau đó hơi nước được truyền ở áp suất cao đến các turbine có kết nối với máy phát điện.
Máy phát điện quay tạo ra các electron, các electron hình thành sẽ được các máy biến áp đẩy điện áp lên. Trong khi đó hơi nước ở turbine nguội lại thành nước và lại được đưa trở lại lò hơi để đun nóng.
Trong các nhà máy điện hơi nước quá siêu tới hạn (ultra-supercritical steam - USC), nhiệt độ đun và áp suất cực cao làm nước trở thành dòng chất lỏng siêu tới hạn với đầy đủ các tính chất của chất lỏng và chất khí. Trong trạng thái này, dòng chảy siêu tới hạn sẽ đem lại có hiệu quả cao hơn khi “lái” các turbine khổng lồ quay các máy phát điện của nhà máy. Công nghệ này đắt hơn công nghệ truyền thống dưới tới hạn (subcritical) từ 20% 30% nhưng bù lại hiệu suất nhiệt được cải thiện và giảm lượng khí thải.
Một công nghệ khác là giải pháp hiệu suất cao, ít phát thải (High-efficiency Low-emissions - HELE) đã được chứng minh là giảm lượng phát thải và chi phí nhiên liệu bằng cách tối đa hóa lượng điện từ hơi được tạo ra. Nhưng theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), trong năm 2011 khoảng 75% các nhà máy nhiệt điện than trên toàn thế giới không sử dụng công nghệ HELE.
Nhà máy nhiệt điện than Nordjylland nằm ở miền Bắc Jutland, Đan Mạch.
Tình hình gần như không cải thiện sau ba năm. Một nghiên cứu của IEA về thiết kế nhà máy nhiệt điện than ở Trung Quốc cho thấy hiệu suất trung bình của các nhà máy ở đây vào khoảng 33%, tức là thấp hơn tới 12% so ới việc sử dụng công nghệ siêu tới hạn.
Tuy nhiên nhiệt điện than vẫn đang có những tiến bộ. Tập đoàn General Electric (GE) đang đi tiên phong về công nghệ siêu tới hạn tại nhà máy nhiệt điện than RDK 8 ở Karlsruhe, Đức, với thành công đáng kể: đạt hiệu suất nhiệt 47,5% khi sản xuất 912MW điện và trở thành một trong những nhà máy nhiệt điện than hiệu quả nhất thế giới.
Các mô hình sản xuất điện theo công nghệ tối tân ở Đan Mạch và Nhật Bản
Nhà máy điện Nordjylland nằm ở miền Bắc Jutland, Đan Mạch được chủ sở hữu của nó, công ty Vattenfall, giới thiệu là đang giữ kỷ lục thế giới về sử dụng than hiệu quả nhất kể từ khi tổ máy số 3 được đưa vào hoạt động năm 1998.
Tổ máy số 3 có công suất 400MW với máy sinh hơi nước liên tục cao 70m, cộng với chu kỳ đun nóng nước hai lần và sử dụng nước biển lạnh để làm mát. Tất cả điều đó dẫn đến hiệu suất 47% (tính theo nhiệt trị thấp - LHV). Thiết kế đối ngẫu này khiến hàm lượng năng lượng trong than bitum được sử dụng tới 91%.
Nhà máy nhiệt điện Isogo gần Yokohama, Nhật Bản sở hữu hai tổ máy, trong đó tổ máy thứ 2 hoạt động ở nhiệt độ 600/620°C, đạt hiệu suất 45% trong khi tổ máy thứ nhất hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn một chút. Tổng cộng, cả hai tổ máy này phát thải ít hơn 50% lưu huỳnh, 80% nitơ, 70% vật chất dạng hạt và 17% carbon dioxide so với các thiết bị công nghệ dưới tới hạn, trong khi chỉ sử dụng 1% lượng nước của các hệ thống thông thường. Một báo cáo công bố trên tạp chí ngành công nghiệp than đá Cornerstone năm 2015 đã gọi Isogo là nhà máy điện đốt than sạch nhất thế giới về cường độ phát thải.
Những biên giới mới: Trung Quốc và công nghệ quá siêu tới hạn tiên tiến
Ở Đông Nam Á, nơi nhu cầu năng lượng được dự đoán sẽ tăng đột biến lên 80%, than có thể sẽ chiếm vị trí là nguồn năng lượng lớn nhất. Chỉ trong chín tháng đầu năm 2015, các công ty nhà nước Trung Quốc đã nhận được phê duyệt ban đầu hoặc phê duyệt toàn phẩn đủ để xây dựng 155 nhà máy điện than mới với tổng công suất 123GW.
Nghiên cứu “Giảm phát thải thông qua nâng cấp các nhà máy điện chạy bằng than” của IEA năm 2014 đã đánh giá hiệu quả của hai tổ máy đang được vận hành tại các tỉnh Sơn Đông và Cát Lâm của Trung Quốc. Ngoài hướng dẫn cải tiến công nghệ, báo cáo đã đưa ra lời khuyên về việc cải thiện hiệu suất ở giai đoạn thiết kế, giai đoạn có khả năng linh hoạt nhất định để điều chỉnh các thông số, trong đó có khuyến cáo sử dụng các kỹ thuật siêu tới hạn như bổ sung giai đoạn đun nóng thứ hai trên turbine hơi nước, giảm áp suất bình ngưng, giảm tỷ lệ không khí dư thừa và giảm nhiệt độ thoát khí.
Theo GE, tăng hiệu suất trung bình của các nhà máy nhiệt điện toàn cầu từ 33% lên 40% sẽ giảm hai tỉ tấn khối khí thải CO2 hằng năm và góp phần kiểm soát sự nóng lên toàn cầu trong phạm vi kịch bản 2°C do IEA xác định.
GE đang xem xét khả năng đưa nhiệt độ hơi lên tới 1.300°F (700°C) - công nghệ siêu tới hạn tiên tiến (Advanced ultra-supercritical - AUSC). Công nghệ này có thể đạt được hiệu quả đốt than lên tới 50%. Áp suất và nhiệt độ cao như vậy sẽ yêu cầu các nhà thiết kế nhà máy điện phải sử dụng các siêu hợp kim sắt-niken hoặc niken tân tiến hơn, cũng như khắc phục các thách thức chế tạo và hàn.
Trong năm 2014, công ty Alstom và Southern đã công bố một cột mốc trong sự phát triển của AUSC, với nhiệt độ hơi nước được duy trì ở 760°C trong 17.000 giờ tại tổ máy số 4 ở nhà máy Barry ở Alabama, Mỹ.
Bằng cách thúc đẩy thiết kế nhà máy điện theo hướng tối ưu và tiên tiến hơn, ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch sẽ có cơ hội đưa “than sạch” tiếp tục đóng một vai trò then chốt trong các nguồn năng lượng toàn cầu đến giữa thế kỷ và xa hơn nữa.