Exergy là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa exergy

Exergy là đại lượng năng lượng khả dụng có thể chuyển hoá thành công cơ hoặc điện khi hệ thống tương tác với môi trường chuẩn. Trong nhiệt động học, exergy thể hiện phần năng lượng của hệ mà có thể khai thác để thực hiện công hữu ích trước khi hệ đạt cân bằng với môi trường xung quanh. Exergy không chỉ phụ thuộc vào nội năng (energy) của hệ mà còn tính đến mức độ bất hồi quy và mất chất lượng năng lượng do trao đổi nhiệt, khối lượng và mối tương tác với môi trường.

Công thức cơ bản xác định exergy cụ thể (trên đơn vị khối lượng) cho khí hoặc chất lỏng là:

$e = (h - h_{0}) - T_{0}(s - s_{0})$,

trong đó h và s là enthalpy và entropy tại trạng thái xét, h0 và s0 là enthalpy và entropy của môi trường chuẩn, và T0 là nhiệt độ tuyệt đối môi trường chuẩn. Phần $(h - h_{0})$ đại diện năng lượng vật lý, còn $T_{0}(s - s_{0})$ đại diện phần năng lượng mất khả năng sinh công do entropy sinh ra.

• Exergy nội sinh: năng lượng khả dụng có sẵn trong hệ tại trạng thái cho trước.
• Exergy ngoại sinh: năng lượng đưa vào hệ qua các dòng nhiệt, dòng khối lượng hoặc công cơ học.

Cơ sở nhiệt động học

Exergy gắn liền chặt chẽ với nguyên lý thứ hai của nhiệt động học, thông qua mối liên hệ giữa entropy sinh ra và năng lượng mất khả năng sinh công. Lượng exergy bị phá hủy trong một quá trình bất hồi quy tỉ lệ với entropy sinh ra, được biểu diễn bởi phương trình:

$\dot{E}_{d} = T_{0}\,\dot{S}_{gen}$,

trong đó \dot{E}d là tốc độ phá hủy exergy, T0 là nhiệt độ môi trường chuẩn và \dot{S}gen là tốc độ sinh entropy. Công thức này cho thấy mỗi gia tăng entropy trong hệ đồng nghĩa với một phần năng lượng không thể tái sử dụng, mất khả năng sinh công.

Cân bằng exergy cho hệ đóng (không có dòng khối lượng vào ra) biểu diễn dưới dạng:

$\dot{E}_{in} - \dot{E}_{out} - \dot{E}_{d} = 0$,

với \dot{E}in và \dot{E}out lần lượt là các dòng exergy vào và ra hệ, và \dot{E}d là exergy bị phá hủy. Phương pháp phân tích exergy dựa trên cân bằng này cho phép xác định vị trí và nguyên nhân mất mát chất lượng năng lượng trong từng thành phần của quá trình (turbine, bình ngưng, bộ trao đổi nhiệt) để tối ưu hóa hiệu suất.

Phân biệt exergy và energy

Energy (năng lượng) chỉ tuân theo định luật bảo toàn năng lượng (nguyên lý thứ nhất nhiệt động), có thể chuyển hóa giữa các dạng như nội năng, công cơ học và nhiệt năng mà không mất đi tổng lượng. Tuy nhiên, không phải toàn bộ năng lượng đều có thể chuyển thành công cơ hay điện; một phần năng lượng có thể trở thành nhiệt thất thoát và không thể khai thác thêm. Exergy chính là phần năng lượng khả dụng thực sự để sinh công cơ hoặc điện.

Một ví dụ điển hình: khi đốt nhiên liệu trong lò hơi, toàn bộ nội năng (= năng lượng hóa học) của nhiên liệu quy đổi thành nhiệt và khí thải. Mặc dù nhiệt năng vẫn còn trong dòng khói và hơi nước, phần năng lượng này không thể chuyển hoàn toàn thành công cơ mà chỉ có thể tận dụng một phần theo hiệu suất Carnot. Exergy của dòng khói do đó thấp hơn năng lượng tổng cộng.

• Energy: đại lượng bảo toàn, tính tổng số năng lượng dạng nào cũng được.
• Exergy: năng lượng khả dụng, tính chất lượng năng lượng và khả năng sinh công.

Do vậy, phân tích exergy xem xét cả khối lượng và chất lượng năng lượng, giúp nhận diện phần năng lượng thực sự hữu ích và phần bị mất do bất hồi quy, trong khi phân tích energy truyền thống chỉ đánh giá tổng lượng năng lượng.

Các dạng exergy

Exergy có thể phân loại thành nhiều dạng tùy thuộc bản chất và nguồn gốc năng lượng so với môi trường chuẩn:

• Physical exergy: do chênh lệch nhiệt độ hoặc áp suất giữa hệ và môi trường (T ≠ T0 hoặc P ≠ P0).
• Chemical exergy: do chênh lệch thành phần hóa học, thể hiện khả năng sinh công thông qua phản ứng hoá học so với thành phần môi trường chuẩn.
• Mechanical exergy: gồm động năng và thế năng trọng trường, do sự khác biệt về vận tốc hoặc vị trí so với môi trường chuẩn.
• Thermal exergy: trích xuất công cơ từ nguồn nhiệt có nhiệt độ cao hơn môi trường chuẩn, tuân theo quy luật Carnot (IEA).

Phân tích exergy hệ thống

Phân tích exergy hệ thống đòi hỏi xây dựng cân bằng khối và cân bằng exergy cho toàn bộ quy trình, từ cấp nhiên liệu và nhiệt đến sản phẩm cuối cùng. Các dòng exergy vào hệ bao gồm exergy nhiên liệu, exergy nhiệt tách từ nguồn nhiệt độ cao và exergy cơ học, trong khi dòng exergy ra có thể là exergy sản phẩm, exergy nhiệt thải và exergy bị phá hủy do bất hồi quy.

Quy trình phân tích exergy thường bao gồm các bước:

• Liệt kê các thành phần chính: nồi hơi, turbine, bộ trao đổi nhiệt, bình ngưng, bơm và van.
• Lập bảng cân bằng exergy: xác định \u0302Ein, \u0302Eout và \u0302Ed cho từng thành phần.
• Vẽ bản đồ exergy destruction (exergy destruction map) để xác định vị trí mất mát exergy lớn nhất và ưu tiên cải tiến.

Ví dụ, trong nhà máy điện chu trình Rankine:

Bản đồ này cho thấy phần lớn exergy destruction nằm ở turbine và bình ngưng, do đó cải thiện quá trình phanh trục, tăng cấp hơi hoặc hồi nhiệt được ưu tiên nghiên cứu.

Hiệu suất exergy (Exergy efficiency)

Hiệu suất exergy, hay còn gọi là hiệu suất thứ hai, phản ánh tỷ lệ giữa exergy hữu ích thu được và exergy đầu vào:

$\eta_{ex} = \frac{\dot{E}_{useful}}{\dot{E}_{input}}$

Trong nhà máy điện, \u0302Euseful là exergy của công cơ khí hoặc điện sinh ra, còn \u0302Einput là exergy nhiên liệu. Hiệu suất exergy cho biết hiệu quả tận dụng năng lượng cả về lượng và chất, khác với hiệu suất năng lượng truyền thống chỉ so sánh công suất đầu ra và năng lượng đầu vào.

Ví dụ, một hệ gas–steam combined cycle với hiệu suất năng lượng 55% có thể có hiệu suất exergy khoảng 50% do mất mát exergy qua quá trình bất hồi quy, truyền nhiệt ở nhiệt độ không tối ưu và ma sát trong dòng khí (IEA).

Phá hủy exergy và nguyên nhân

Exergy destruction (phá hủy exergy) thể hiện phần năng lượng mất khả năng sinh công do các quá trình bất hồi quy. Nguyên nhân chính bao gồm:

• Truyền nhiệt giữa các môi trường có chênh lệch nhiệt độ lớn dẫn đến entropy sinh ra.
• Ma sát và tổn thất áp suất trong dòng chất lưu chảy qua van, ống dẫn và bơm.
• Phản ứng hóa học không hoàn toàn, tạo ra sản phẩm phụ và nhiệt thất thoát.

Mỗi quá trình bất hồi quy đều tạo thêm entropy, làm giảm exergy của hệ theo định luật thứ hai. Giảm thiểu exergy destruction đòi hỏi thiết kế tối ưu hóa điều kiện nhiệt động, sử dụng quá trình hồi nhiệt (regeneration) và giảm ma sát cơ khí (ASME).

Ứng dụng trong thiết kế và tối ưu hóa

Phân tích exergy ứng dụng rộng rãi trong thiết kế và tối ưu hóa hệ thống năng lượng, bao gồm:

• Nhà máy điện chu trình đơn và chu trình hỗn hợp (combined cycle).
• Hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí (HVAC).
• Quy trình hoá chất và lọc dầu, nơi exergy destruction xác định vị trí bồn tách và bộ trao đổi nhiệt cần cải tiến.

Sử dụng phần mềm phân tích exergy như Engineering Equation Solver (EES) và Aspen Plus hỗ trợ mô phỏng cân bằng exergy, đánh giá hiệu suất và đề xuất giải pháp thiết kế. Ví dụ, lắp đặt hồi nhiệt suất cao between turbine stages có thể tăng hiệu suất exergy tổng thể lên 5–10%.

Tiêu chuẩn và hướng dẫn

Nhiều tổ chức quốc tế ban hành tiêu chuẩn và hướng dẫn phân tích exergy để đảm bảo tính nhất quán và so sánh giữa các dự án:

• ISO 13790: Yêu cầu phân tích exergy trong đánh giá hiệu suất năng lượng tòa nhà.
• IEC TS 61204: Hướng dẫn phân tích exergy trong hệ thống công nghiệp và truyền động.
• IPCC: Sử dụng exergy metrics trong báo cáo đánh giá bền vững và giảm phát thải.

Áp dụng các tiêu chuẩn này giúp nhà đầu tư và kỹ sư so sánh hiệu quả các công nghệ khác nhau, từ hệ nhiệt mặt trời đến hệ điện khí, đảm bảo đầu tư bền vững và hiệu quả.

Tài liệu tham khảo

• Szargut, J., Morris, D. R., & Steward, F. R. (1988). Exergy Analysis of Thermal, Chemical, and Metallurgical Processes. Hemisphere Publishing.
• Dincer, I., & Rosen, M. A. (2013). Exergy: Energy, Environment and Sustainable Development. Elsevier.
• Kehlhofer, R. et al. (2015). Combined Cycle Gas & Steam Turbine Power Plants. PennWell.
• Bejan, A. (2016). Advanced Engineering Thermodynamics. Wiley.
• International Energy Agency (IEA). (2021). Net Zero by 2050. IEA Publications.
• American Society of Mechanical Engineers (ASME). (2018). Performance Test Code 21: Steam.