Tổng quan nghiên cứu
Khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) là nguồn năng lượng quan trọng trong bối cảnh chuyển dịch năng lượng toàn cầu, với công suất hóa lỏng khí toàn cầu đạt 321 triệu tấn năm 2016 và dự báo tiếp tục tăng trong giai đoạn 2023-2027. Tại Việt Nam, theo Quy hoạch Điện VIII, nhiệt điện LNG dự kiến chiếm khoảng 22.2 GW công suất đến năm 2030, tương đương khoảng 14.9% tổng điện năng, đồng thời nhu cầu cấp trữ đông thực phẩm và thủy hải sản cũng gia tăng mạnh mẽ, mở ra cơ hội ứng dụng nhiệt lạnh từ LNG. Quá trình tái hóa khí LNG giải phóng nguồn nhiệt lạnh lớn khoảng 830 kJ/kg ở nhiệt độ -162˚C, tuy nhiên phần lớn năng lượng này chưa được tận dụng mà bị phân tán ra môi trường, gây lãng phí lớn.
Luận văn tập trung đánh giá hiệu quả các phương án thu hồi nhiệt lạnh từ quá trình tái hóa khí LNG để phát điện và làm lạnh, đặc biệt ứng dụng trong các nhà máy chế biến thủy hải sản với công suất lạnh phổ biến từ 6 MW đến 12 MW. Mục tiêu nghiên cứu là phân tích hiệu suất năng lượng và hiệu suất exergy của chu trình tận dụng nhiệt lạnh LNG, đồng thời khảo sát tính kinh tế qua các chỉ số PB, NPV, IRR trong vòng 25 năm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các trạm LNG sắp xây dựng tại Việt Nam và các nhà máy chế biến thủy hải sản điển hình, nhằm đề xuất giải pháp tối ưu, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm chi phí vận hành.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: hiệu suất năng lượng và hiệu suất exergy trong các chu trình nhiệt lạnh. Hiệu suất năng lượng đo lường tỷ lệ năng lượng đầu ra hữu ích so với năng lượng đầu vào, trong khi hiệu suất exergy đánh giá khả năng tận dụng năng lượng có thể chuyển hóa thành công cơ học hoặc điện năng, phản ánh mức độ tổn thất năng lượng do các quá trình không thuận nghịch.
Mô hình nghiên cứu sử dụng chu trình đồng phát điện lạnh (Combined Cold and Power - CCP) kết hợp chu trình Organic Rankine Cycle (ORC) với môi chất propane để phát điện và hệ thống lạnh sử dụng CO2 làm chất tải lạnh cho cấp đông thủy hải sản. Các khái niệm chính bao gồm:
- Chu trình ORC: sử dụng nhiệt lạnh LNG làm nguồn lạnh, nước biển làm nguồn nhiệt, propane làm môi chất làm việc, giãn nở qua tuabin để sinh công.
- Hiệu suất năng lượng (η): tỷ lệ công suất điện và công suất lạnh thu được trên tổng năng lượng đầu vào.
- Hiệu suất exergy (η_ex): tỷ lệ exergy thu hồi so với exergy đầu vào, phản ánh hiệu quả tận dụng năng lượng thực tế.
- Phân tích kinh tế: sử dụng các chỉ số như thời gian hoàn vốn (PB), giá trị hiện tại ròng (NPV), suất thu lợi nội tại (IRR) để đánh giá tính khả thi tài chính.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các trạm LNG tại Việt Nam và quốc tế, số liệu về công suất tái hóa khí LNG, nhiệt độ, áp suất, cùng các thông số kỹ thuật của nhà máy chế biến thủy hải sản điển hình. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các trường hợp với công suất tái hóa khí 1 MTPA và 3 MTPA, công suất cấp lạnh 6 MW và 12 MW.
Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm EES (Engineering Equation Solver) để mô phỏng và tính toán hiệu suất năng lượng, exergy và các chỉ số kinh tế. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các trường hợp điển hình đại diện cho các quy mô nhà máy và trạm LNG tại Việt Nam. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2022 đến tháng 6/2023, bao gồm các bước tổng hợp tài liệu, xây dựng mô hình, tính toán, phân tích và đề xuất giải pháp.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Hiệu suất năng lượng và exergy của chu trình: Kết quả tính toán cho thấy hiệu suất năng lượng trung bình đạt khoảng 11.54%, trong khi hiệu suất exergy đạt khoảng 27%. Hiệu suất này phản ánh khả năng tận dụng nhiệt lạnh LNG để phát điện và làm lạnh đồng thời, cao hơn nhiều so với các chu trình truyền thống không tận dụng nhiệt lạnh.
Ảnh hưởng của áp suất LNG sau bơm (pL2): Khi áp suất pL2 tăng từ 7 MPa lên 12 MPa, hiệu suất năng lượng của toàn chu trình tăng khoảng 3-5%, đồng thời hiệu suất exergy cũng cải thiện tương ứng. Điều này cho thấy việc điều chỉnh áp suất tái hóa khí là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả hệ thống.
Ảnh hưởng của nhiệt độ nước biển và môi trường: Nhiệt độ nước biển tăng từ 20˚C lên 30˚C làm giảm hiệu suất năng lượng khoảng 2%, do giảm chênh lệch nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt. Tuy nhiên, hiệu suất exergy giảm nhẹ hơn, khoảng 1.5%, cho thấy chu trình có khả năng thích ứng với biến động môi trường.
Khảo sát kinh tế: Với công suất tái hóa khí 3 MTPA và công suất cấp lạnh 6 MW, thời gian hoàn vốn (PB) ước tính khoảng 12 năm, NPV dương và IRR đạt trên 10%, cho thấy tính khả thi kinh tế của dự án ở quy mô lớn. Ngược lại, với công suất nhỏ hơn, thời gian hoàn vốn kéo dài trên 20 năm, làm giảm tính hấp dẫn đầu tư.
Thảo luận kết quả
Hiệu suất năng lượng và exergy đạt được cho thấy tiềm năng lớn trong việc tận dụng nhiệt lạnh LNG để phát điện và làm lạnh, góp phần giảm lãng phí năng lượng và giảm chi phí vận hành. Việc sử dụng chu trình ORC với môi chất propane và hệ thống lạnh CO2 phù hợp với điều kiện nhiệt độ thấp của LNG và yêu cầu cấp lạnh trong nhà máy thủy hải sản.
So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất exergy khoảng 27% tương đương hoặc cao hơn một số hệ thống tương tự tại Nhật Bản và Tây Ban Nha, chứng tỏ tính ứng dụng thực tiễn của mô hình. Biểu đồ hiệu suất theo áp suất và nhiệt độ nước biển có thể được trình bày để minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các biến số này.
Về mặt kinh tế, kết quả cho thấy quy mô dự án là yếu tố quyết định tính khả thi, với các hệ thống công suất lớn có lợi thế về chi phí đầu tư và thời gian thu hồi vốn. Điều này phù hợp với xu hướng phát triển các trạm LNG lớn tại Việt Nam và khu vực Đông Nam Á.
Đề xuất và khuyến nghị
Tăng áp suất tái hóa khí LNG: Điều chỉnh áp suất pL2 lên mức tối ưu (khoảng 10-12 MPa) để nâng cao hiệu suất năng lượng và exergy của chu trình, giúp tăng công suất phát điện và công suất lạnh.
Ứng dụng hệ thống lạnh CO2 làm chất tải lạnh trung gian: Sử dụng CO2 trong hệ thống cấp lạnh cho nhà máy chế biến thủy hải sản nhằm tận dụng tối đa nhiệt lạnh LNG, giảm chi phí vận hành và thân thiện với môi trường.
Phát triển các trạm LNG quy mô lớn: Ưu tiên đầu tư các trạm LNG có công suất tái hóa khí từ 3 MTPA trở lên để đảm bảo tính khả thi kinh tế, rút ngắn thời gian hoàn vốn và tăng hiệu quả đầu tư.
Sử dụng phần mềm mô phỏng EES để tối ưu thiết kế: Áp dụng phần mềm EES trong giai đoạn thiết kế và vận hành để điều chỉnh các thông số kỹ thuật phù hợp với điều kiện thực tế, nâng cao hiệu quả hệ thống.
Khảo sát và áp dụng các nguồn nhiệt bổ sung: Kết hợp nguồn nhiệt thải từ các chu trình tuabin hơi, tuabin khí hoặc năng lượng mặt trời để tăng nhiệt độ nguồn nóng, cải thiện hiệu suất chu trình ORC.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Giúp hiểu rõ tiềm năng và lợi ích của việc tận dụng nhiệt lạnh LNG trong phát triển năng lượng sạch và bền vững tại Việt Nam.
Các nhà đầu tư và doanh nghiệp trong ngành LNG và điện lạnh: Cung cấp cơ sở khoa học và kinh tế để đánh giá tính khả thi đầu tư vào các dự án thu hồi nhiệt lạnh LNG.
Các kỹ sư và chuyên gia kỹ thuật trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt và năng lượng tái tạo: Hướng dẫn thiết kế, vận hành và tối ưu hóa các hệ thống tận dụng nhiệt lạnh LNG, đặc biệt trong các nhà máy chế biến thủy hải sản.
Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt, năng lượng và môi trường: Là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết, mô hình và phương pháp phân tích hiệu suất năng lượng, exergy và kinh tế của các chu trình nhiệt lạnh.
Câu hỏi thường gặp
Tại sao cần tận dụng nhiệt lạnh từ quá trình tái hóa LNG?
Quá trình tái hóa LNG giải phóng nguồn nhiệt lạnh lớn nhưng thường bị lãng phí ra môi trường. Tận dụng nguồn nhiệt lạnh này giúp giảm tiêu hao năng lượng, tăng hiệu suất hệ thống và giảm chi phí vận hành.Chu trình ORC hoạt động như thế nào trong việc tận dụng nhiệt lạnh LNG?
Chu trình ORC sử dụng môi chất hữu cơ như propane, được hóa hơi nhờ nguồn nhiệt từ nước biển, sau đó giãn nở qua tuabin để sinh công điện. Nhiệt lạnh LNG được dùng để ngưng tụ môi chất, tận dụng nhiệt lạnh hiệu quả.Lợi ích của việc sử dụng CO2 làm chất tải lạnh trong hệ thống cấp lạnh là gì?
CO2 có nhiệt độ làm lạnh phù hợp (-50˚C), thân thiện môi trường, không gây hiệu ứng nhà kính, và có khả năng truyền nhiệt tốt, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành hệ thống cấp lạnh.Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của chu trình tận dụng nhiệt lạnh LNG?
Áp suất tái hóa khí LNG, nhiệt độ nước biển, lựa chọn môi chất làm việc, và thiết kế bộ trao đổi nhiệt là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất năng lượng và exergy của chu trình.Tính khả thi kinh tế của các dự án thu hồi nhiệt lạnh LNG như thế nào?
Các dự án có quy mô lớn (công suất tái hóa khí ≥ 3 MTPA) có thời gian hoàn vốn khoảng 12 năm, NPV dương và IRR trên 10%, cho thấy tính khả thi cao. Quy mô nhỏ hơn thường có thời gian hoàn vốn dài và rủi ro đầu tư cao hơn.
Kết luận
- Hiệu suất năng lượng trung bình của chu trình tận dụng nhiệt lạnh LNG đạt khoảng 11.54%, hiệu suất exergy đạt 27%, chứng tỏ tiềm năng lớn trong ứng dụng phát điện và làm lạnh.
- Áp suất tái hóa khí LNG và nhiệt độ nước biển là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống.
- Phân tích kinh tế cho thấy các dự án quy mô lớn có tính khả thi cao với thời gian hoàn vốn hợp lý.
- Việc sử dụng CO2 làm chất tải lạnh trong hệ thống cấp lạnh phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và thân thiện môi trường.
- Nghiên cứu đề xuất các giải pháp kỹ thuật và kinh tế để tối ưu hóa tận dụng nhiệt lạnh LNG, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tại Việt Nam.
Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các nhà đầu tư và cơ quan quản lý năng lượng triển khai các dự án thu hồi nhiệt lạnh LNG quy mô lớn, đồng thời áp dụng phần mềm mô phỏng để tối ưu thiết kế và vận hành. Đẩy mạnh nghiên cứu mở rộng ứng dụng nhiệt lạnh LNG trong các lĩnh vực công nghiệp và thương mại nhằm phát triển bền vững nguồn năng lượng sạch.