VAST - Công nghệ tua bin khí mới, giúp sản xuất điện sạch hơn

Tính toán, dự báo tác động của giá nhiên liệu than, khí, LNG đến cơ cấu giá điện Việt Nam Trong bài báo này, Hội đồng Khoa học Tạp chí Năng lượng Việt Nam cung cấp thông tin cập nhật gần đây về giá nhiên liệu (than, khí, LNG) cho phát điện (bao gồm giá trong nước và thị trường quốc tế); đồng thời sử dụng phương pháp tính thông dụng hiện nay để xác định ước tính giá thành bình quân cho các nguồn nhiệt điện truyền thống tại Việt Nam. Đó là phương pháp tính “chi phí quy dẫn” (Levelised Cost of Electricity - LCOE). Các tính toán LCOE với điện than, chúng tôi chỉ xét tới công nghệ phổ biến hiện nay - lò hơi siêu tới hạn (SC), với giá nhiên liệu than khai thác trong nước và nhập khẩu. Còn với điện khí, là công nghệ tua bin khí chu trình hỗn hợp đang chiếm tỷ trọng lớn trong công suất các nhà máy hiện hữu, cũng như đang xây dựng và sẽ đầu tư phát triển ở Việt Nam. Về giá nhiên liệu khí, được tính toán từ các mỏ: Nam Côn Sơn, Cửu Long, Sao Vàng Đại Nguyệt, PM3-CAA, Cái Nước 46 (khu vực chồng lấn với Malaysia), Lô B, Cá Voi Xanh... và các dự báo về giá LNG nhập khẩu.

Phân tích chiến lược (SWOT) trong phát triển điện LNG của Việt Nam và các khuyến nghị Trong bài viết dưới đây, chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam sẽ phân tích chiến lược (SWOT) trong phát triển ngành điện LNG (khí thiên nhiên hóa lỏng) ở Việt Nam: (1) Điểm mạnh - (2) điểm yếu - (3) cơ hội - (4) rủi ro, thách thức - (5) một số khuyến nghị với cơ quan quản lý nhà nước và các nhà đầu tư phát triển hạ tầng điện LNG trong Quy hoạch điện VIII.

Tua bin khí chu trình đơn cung cấp mức hiệu suất khoảng 35% đến 40%, còn chu trình hỗn hợp lại có hiệu suất cao (trên 60%). Nhưng một lựa chọn khác khả thi là kết hợp hai chu trình này, cấu hình lai sẽ mang lại hiệu quả cao hơn. Cấu hình lai (Hybrid configuration) sử dụng bộ tua bin khí chu trình đơn và tái chế nhiệt thải trở lại buồng đốt để tận dụng những ưu điểm của cả hai quá trình. Được gọi là Chu trình công suất VAST (Công nghệ hơi nước có giá trị gia tăng) hứa hẹn mức hiệu suất trên 50%. Vì vậy, VAST trở thành lựa chọn dự phòng tiết kiệm chi phí cho các lưới điện - nơi năng lượng tái tạo chiếm ưu thế, giúp ngành năng lượng sớm đạt mục tiêu Net zero như cam kết.

Chu trình truyền thống:

Theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (EIA): Do có nhiệm vụ phủ đỉnh, tua bin khí chu trình đơn (Brayton) hoạt động ở chế độ chờ và cung cấp nguồn điện dự phòng quan trọng giúp tăng độ tin cậy của lưới điện. Chúng cung cấp tính linh hoạt trong vận hành với khả năng tăng công suất nhanh.

Báo cáo của EIA cho biết: Từ năm 2017 đến năm 2023, hệ số công suất của các nhà máy chu trình đơn trung bình từ 9,6% đến 14,1%. Tuy nhiên, hệ số công suất do huy động phủ đỉnh vào mùa hè lại tăng vọt lên trên 12%, đôi khi đạt ngưỡng 23% vào mùa hè, còn mùa đông thì ít hơn.

Công suất đặt điện tua bin chu trình đơn của Hoa Kỳ tăng chậm (với 132 GW cho đến đầu năm 2024). Khoảng 3 GW công suất xây mới đã được bổ sung trong ba năm qua. Dự kiến sẽ có thêm 2,8 GW vào năm 2024 và 2025, trong đó khoảng một nửa là ở Texas. Tiểu bang này cần nhiều công suất dự phòng có thể điều độ khởi động nhanh để hỗ trợ cho một lượng lớn năng lượng tái tạo tham gia lưới điện, dẫn đến biến động về nguồn cung.

EIA dự báo: Tốc độ tăng sản lượng điện gió, điện mặt trời không thể điều độ sẽ cao gấp 14 lần so với công suất điện chủ động vào năm 2024 (37% điện mặt trời, 6% điện gió so với 2% khí đốt tự nhiên và 1% điện hạt nhân). Điều này cho thấy nhu cầu về điện dự phòng có thể điều độ để hỗ trợ điện gió, mặt trời đang tăng nhanh.

Thiết kế nhà máy điện truyền thống không phủ đỉnh dùng chu trình hỗnt hợp. Các nhà máy như vậy cung cấp nhiệt thải từ tua bin khí thông qua máy phát hơi thu hồi nhiệt (HRSG) sử dụng chu trình Rankine để tạo ra hơi nước để đưa vào tua bin hơi. Điều này làm tăng hiệu suất lên đáng kể so với các nhà máy chu trình đơn. Hiệu suất có thể đạt tới 65% trong điều kiện lý tưởng.

Cũng theo EIA: Hệ số công suất trung bình của hệ chu trình hỗn hợp của Hoa Kỳ đã tăng lên 57% vào năm 2022. Trong năm 2022 và 2023, tổng cộng có 13 nhà máy chu trình hỗn hợp mới với tổng công suất là 12,4 GW đã đi vào hoạt động. Dự kiến sẽ có khoảng 5 GW nữa sẽ được đưa vào hoạt động vào năm 2024 và 2025.

Vì có nhiều hệ thống và thành phần hơn, nên các nhà máy chu trình lai kết hợp phức tạp hơn so với các chu trình đơn giản. Đôi khi có cả hộp số và bộ ly hợp. Do đó, chi phí vốn và các vấn đề về bảo trì cũng tăng theo. Trong bối cảnh, năng lượng tái tạo ngày càng tăng trên lưới điện đang buộc nhiều nhà máy chu trình hỗn hợp phải thực hiện thay đổi công suất liên tục. Điều này gây ra các vấn đề nghiêm trọng về bảo trì và xuống cấp. Trong một số trường hợp, việc đối phó với các biến động thường xuyên của năng lượng gió, mặt trời làm giảm hiệu suất chu trình hỗn hợp xuống dưới 50% do phản ứng của tua bin hơi chậm.

Công nghệ VAST:

Chu trình VAST kết hợp chu trình Brayton với chu trình Rankine, loại bỏ tua bin hơi nước khỏi chu trình hỗn hợp. Tua bin khí đơn hoạt động bằng khí nóng kết hợp với khoảng 46% hơi nước quay lại từ lò hơi tận dụng nhiệt thải.

Tua bin khí được chuyển đổi thành tua bin khí/hơi nước lai, tăng công suất bộ giãn nở từ 60% đến 80% tùy thuộc vào áp suất. Nhiệt thải được thu hồi, tái chế trở lại buồng đốt bằng hơi nước và nước nóng. Điều này thay thế không khí làm mát và các tổn thất hiệu suất do khí làm mát phải bơm vào tua bin. Hệ thống đạt hiệu suất hơn 50% trong khi vẫn cung cấp điện năng có chi phí thấp hơn. Việc loại bỏ không khí làm mát dư thừa cũng làm giảm lưu lượng và kích thước máy nén xuống 50%, hoặc hơn. Năng lượng được sử dụng để nén không khí làm mát sẽ dùng để phát điện.

Điều này làm tăng đáng kể hiệu suất hệ thống trong khi giảm chi phí vốn trên mỗi kW so với cả các tổ máy chu trình đơn và hỗn hợp.

Những ưu điểm của VAST:

1. Vượt qua rào cản đốt ướt:

Đốt ướt - trước đây bị hạn chế bởi có thể dập tắt ngọn lửa, chi phí lọc nước và hiệu suất thấp. Nước đạt chất lượng nồi hơi bổ sung để thay thế nước bị mất qua khí thải trước đây đã khiến việc kiểm soát NOx liên tục thông qua việc phun nước trở nên quá tốn kém. Việc phun nước cải thiện công suất, nhưng lại làm giảm hiệu suất. Chu trình lai đã khắc phục được tồn tại này.

Chu trình lai mới thu hồi nước sạch, loại bỏ việc xử lý nước đạt chất lượng nồi hơi liên tục. Bằng cách tái chế nước làm mát và hơi nước, nó thay thế hơn 75% lượng khí nén thông thường cần thiết để làm mát tua bin khí. Tất cả nước làm mát được tái chế trong khi thu hồi nước sạch từ quá trình đốt cháy.

Tiến sĩ David Hagen - đồng sáng lập, kiêm nhà khoa học trưởng của VAST cho biết: “Thu hồi và tái chế nước siêu tinh khiết khắc phục được nhược điểm lớn nhất đối với việc sử dụng tua bin khí chu trình ướt. Công nghệ điện mới này thu hồi hơi nước và nước nóng được phun, cộng với một phần nước hình thành do quá trình đốt cháy”.

2. Kiểm soát khí thải:

Năm 2023, Sargent & Lundy đã xem xét phương pháp phun nước thông thường để kiểm soát khí thải NOx của tua bin khí. Công ty nhận thấy: “Phun nước là một công nghệ đã được thiết lập tốt và… có thể tạo ra lượng khí thải NOx dưới 42 ppm (0,05 lb/MMBtu), với lượng khí thải thực tế thấp nhất là 25 ppm (0,03 lb/MMBtu)”. Mức khí thải cao như vậy vượt quá yêu cầu của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA). Việc trộn không khí, nhiên liệu và nước kém trong các hệ thống đốt thông thường đã gây ra các điểm nóng và NOx.

Buồng đốt của VAST cải thiện quá trình trộn, giảm O2, kiểm soát nhiệt độ đốt bằng hơi nước và nước, đồng thời giảm nhiệt độ đỉnh. Lượng oxy đủ với quá trình trộn được cải thiện và thời gian lưu thích hợp đồng thời cắt giảm carbon monoxide (CO). Mô hình hóa của của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) cho thấy sự hình thành NOx và CO dưới 1 ppmvd (phần triệu theo thể tích pha loãng thành 15% O2 trên cơ sở khô). Mô hình này chứng minh công nghệ VAST đã đạt được mức NOx và CO thấp hơn hai cấp độ so với lượng phát thải của tua bin khí thông thường.

Theo báo cáo của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne: Đốt ướt sử dụng nước và hơi nước là công nghệ đầy hứa hẹn giúp giảm mạnh lượng khí thải độc hại, đồng thời tăng hiệu suất chu trình Brayton lên khoảng 24%. VAST cung cấp hệ thống phát điện dự phòng mới, tiết kiệm chi phí hơn, cần thiết để tăng cường tích hợp của năng lượng tái tạo không ổn định. Hệ thống này cung cấp công nghệ mới cho thị trường dự phòng năng lượng tái tạo đang phát triển nhanh chóng. Đốt sạch giúp loại bỏ 6% đến 9% chi phí vốn để làm sạch khí thải cộng với chi phí vận hành amoniac đang sử dụng.

Dự báo ban đầu về tiết kiệm chi phí cho thấy phương pháp này có thể tăng hiệu suất cao hơn 24% so với các tổ máy chu trình đơn. EIA ước tính rằng: Một nhà máy chu trình đơn có giá khoảng 389 USD/kW. Dự kiến chi phí chu trình lai sẽ là khoảng 295 USD/kW ở công suất 70 MW, hoặc thấp hơn 37% so với chi phí tổ máy chu trình đơn.

3. Triển vọng công nghệ VAST:

Nghiên cứu mang tên Mức độ sẵn sàng kỹ thuật (TRL) của NASA nêu rõ: Tiến độ thương mại hóa công nghệ VAST đã đạt mức TRL 4 và đang tìm kiếm các đối tác để đưa vào giai đoạn thí điểm thương mại hóa.

Hệ thống VAST có tiềm năng giải quyết một số vấn đề phát sinh trong quá trình chuyển đổi năng lượng. Với rất nhiều nhà máy điện than đang đóng cửa và nhiều khu vực không muốn đầu tư thêm vào các cơ sở khí đốt tự nhiên, bất kỳ giải pháp nào có tiềm năng giảm chi phí cho mỗi kW điện truyền thống và giảm đáng kể lượng khí thải đều sẽ thu hút được sự quan tâm. Nếu VAST được áp dụng thương mại cho quá trình đốt ướt, nó có thể lấp đầy khoảng trống về nguồn điện linh hoạt đang gia tăng mỗi năm khi ngày càng có nhiều nguồn năng lượng gió, mặt trời được bổ sung vào lưới điện chung./.

BBT TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Link tham khảo:

https://www.powermag.com/simple-cycle-combined-cycle-or-a-hybrid-approach/