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

Khái niệm nhiệt điện

Nhiệt điện là quá trình chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện thông qua các hệ thống kỹ thuật và cơ chế vật lý. Quá trình này có thể thực hiện ở quy mô lớn, như các nhà máy điện, hoặc ở quy mô vi mô, như các thiết bị thu hồi nhiệt bằng hiệu ứng Seebeck. Trong mọi trường hợp, nguyên lý cơ bản là khai thác sự chênh lệch nhiệt độ để tạo ra công hoặc điện thế.

Trong hệ thống điện năng quốc gia, nhiệt điện là một trong những phương pháp sản xuất điện phổ biến nhất. Các nguồn nhiệt đầu vào có thể đến từ đốt nhiên liệu hóa thạch như than, khí tự nhiên, dầu, từ năng lượng mặt trời tập trung, địa nhiệt hoặc phản ứng hạt nhân. Năng lượng nhiệt sau đó được chuyển thành năng lượng cơ học (qua tua-bin) và cuối cùng là năng lượng điện thông qua máy phát điện.

Bên cạnh quy mô nhà máy, nhiệt điện còn đề cập đến các hiệu ứng vật lý như Seebeck, Peltier và Thomson – các hiện tượng trong đó sự chênh lệch nhiệt độ trong vật liệu dẫn điện sinh ra dòng điện hoặc ngược lại. Các hiệu ứng này đóng vai trò nền tảng trong thiết kế vật liệu nhiệt điện hiện đại, có khả năng thu hồi năng lượng thất thoát trong quá trình vận hành công nghiệp.

Lịch sử phát triển của nhiệt điện

Lịch sử nhiệt điện gắn liền với sự phát triển của động cơ nhiệt và công nghệ phát điện. Trong thế kỷ 19, động cơ hơi nước của James Watt mở ra khả năng khai thác năng lượng nhiệt cho cơ học. Tuy nhiên, chỉ đến khi Thomas Seebeck phát hiện hiệu ứng nhiệt điện năm 1821 và Charles Parsons phát minh tua-bin hơi nước năm 1884, nền tảng công nghệ nhiệt điện hiện đại mới thực sự hình thành.

Thế kỷ 20 chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của các nhà máy nhiệt điện quy mô lớn, đặc biệt là nhiệt điện than và khí đốt, nhằm đáp ứng nhu cầu điện tăng cao. Song song đó, công nghệ đồng phát (CHP) và chu trình kết hợp khí-hơi (combined cycle) được phát triển để nâng cao hiệu suất. Đến cuối thế kỷ, các module nhiệt điện bán dẫn cũng bắt đầu được ứng dụng trong không gian, quốc phòng và thu hồi nhiệt thải.

Bước vào thế kỷ 21, công nghệ nhiệt điện tiếp tục đổi mới với các xu hướng như vật liệu nano nhiệt điện, chu trình siêu tới hạn CO₂, và nhiệt điện mặt trời tập trung (CSP). Sự kết hợp giữa nhiệt điện và năng lượng tái tạo mở ra tiềm năng khai thác hiệu quả nguồn nhiệt thải và nguồn nhiệt không phát thải khí nhà kính. Tham khảo thêm tại U.S. Department of Energy - CHP Basics.

Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện

Một nhà máy nhiệt điện điển hình hoạt động dựa trên chu trình nhiệt động học, nơi năng lượng nhiệt được chuyển hóa lần lượt thành cơ năng và điện năng. Nguồn nhiệt – từ quá trình đốt cháy hoặc hấp thụ năng lượng mặt trời – được sử dụng để đun nước thành hơi. Hơi nước áp suất cao này làm quay tua-bin, chuyển năng lượng nhiệt thành năng lượng cơ học. Sau đó, tua-bin nối với máy phát điện tạo ra điện năng đưa vào lưới điện.

Chu trình nhiệt phổ biến nhất là Chu trình Rankine, gồm 4 bước chính: (1) nén nước bằng bơm cao áp, (2) đun sôi nước thành hơi trong nồi hơi, (3) giãn nở đẳng nhiệt qua tua-bin, và (4) ngưng tụ hơi về dạng lỏng trong bình ngưng. Hiệu suất của chu trình này phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh. Giới hạn trên về mặt lý thuyết được mô tả bởi hiệu suất Carnot:

$\eta = 1 - \frac{T_C}{T_H}$

Trong đó $T_H$ là nhiệt độ nguồn nhiệt (nồi hơi) và $T_C$ là nhiệt độ bình ngưng, tính theo Kelvin. Vì vậy, để tăng hiệu suất, các nhà máy hiện đại thường nâng nhiệt độ hơi nước (siêu tới hạn) và cải thiện khả năng tản nhiệt ở đầu ra.

Dưới đây là bảng tóm tắt các thông số kỹ thuật cơ bản của một nhà máy nhiệt điện tiêu chuẩn:

Thông số	Giá trị điển hình	Ghi chú
Nhiệt độ hơi vào tua-bin	540–600°C	Siêu tới hạn nếu trên 565°C
Áp suất nồi hơi	16–25 MPa	Cao áp để tăng hiệu suất
Hiệu suất tổng	35–42%	Rankine chu trình đơn
Hiệu suất kết hợp	55–60%	Chu trình khí-hơi

Các loại hình nhà máy nhiệt điện

Các nhà máy nhiệt điện hiện nay được phân loại theo nguồn cung cấp nhiệt và cấu trúc vận hành. Phổ biến nhất là nhiệt điện than, chiếm phần lớn sản lượng điện toàn cầu. Nhà máy nhiệt điện than sử dụng lò đốt để đốt cháy than, tạo hơi nước và vận hành tua-bin. Loại hình này có chi phí đầu tư thấp nhưng phát thải CO₂, SO₂ và bụi mịn lớn.

Nhiệt điện khí thiên nhiên là dạng sạch hơn, thường kết hợp tua-bin khí và tua-bin hơi trong một chu trình kết hợp (combined cycle gas turbine – CCGT). Loại hình này có hiệu suất cao (đến 60%), thời gian khởi động nhanh và ít phát thải hơn so với than. Ngoài ra, hệ thống đồng phát điện-nhiệt (CHP) tận dụng nhiệt thải từ quá trình phát điện để sưởi ấm hoặc làm lạnh, nâng tổng hiệu suất sử dụng năng lượng lên đến 80–90%.

Bên cạnh đó còn có các dạng nhiệt điện không dùng nhiên liệu hóa thạch. Nhiệt điện mặt trời (CSP) dùng gương hội tụ ánh sáng để tạo hơi, còn nhiệt điện địa nhiệt tận dụng nhiệt từ lòng đất để tạo điện. Các hình thức này có chi phí đầu tư cao nhưng không phát thải khí nhà kính trong vận hành. Dưới đây là bảng phân loại các loại nhà máy nhiệt điện chính:

Loại hình	Nguồn nhiệt	Ưu điểm	Hạn chế
Nhiệt điện than	Than đá, than nâu	Chi phí thấp, công suất lớn	Phát thải cao, ảnh hưởng môi trường
Nhiệt điện khí	Khí thiên nhiên	Hiệu suất cao, sạch hơn than	Phụ thuộc vào nguồn khí
Đồng phát CHP	Nhiệt dư	Tối ưu hiệu suất năng lượng	Yêu cầu hạ tầng nhiệt
Nhiệt điện mặt trời CSP	Bức xạ mặt trời	Không phát thải CO₂	Chi phí cao, phụ thuộc thời tiết
Địa nhiệt	Nhiệt từ lòng đất	Ổn định, sạch	Giới hạn địa lý

Hiệu ứng nhiệt điện và vật liệu nhiệt điện

Bên cạnh các nhà máy quy mô lớn, nhiệt điện còn được nghiên cứu và ứng dụng ở quy mô vi mô thông qua các hiện tượng vật lý như hiệu ứng Seebeck, Peltier và Thomson. Trong đó, hiệu ứng Seebeck mô tả hiện tượng tạo ra điện áp khi tồn tại chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu một vật dẫn hoặc bán dẫn. Đây là nền tảng của các module thu hồi nhiệt điện (thermoelectric generator – TEG).

Công thức mô tả điện áp Seebeck là:

$V = S \cdot \Delta T$

Trong đó: $V$ là hiệu điện thế sinh ra, $S$ là hệ số Seebeck (V/K), và $\Delta T$ là chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu. Vật liệu nhiệt điện lý tưởng cần có hệ số Seebeck cao, độ dẫn điện tốt và độ dẫn nhiệt thấp. Chỉ số đánh giá chất lượng của vật liệu nhiệt điện là hệ số phẩm chất $ZT$:

$ZT = \frac{S^2 \sigma T}{\kappa}$

Trong đó: $\sigma$ là độ dẫn điện, $T$ là nhiệt độ tuyệt đối, $\kappa$ là độ dẫn nhiệt. Vật liệu có $ZT > 1$ được xem là tiềm năng cho ứng dụng thực tiễn. Các vật liệu như Bi₂Te₃, PbTe, và các hợp kim nano composite hiện đang được nghiên cứu để đạt $ZT > 2$.

Hiệu suất và giới hạn kỹ thuật

Hiệu suất của hệ thống nhiệt điện bị giới hạn bởi nguyên lý nhiệt động lực học và các yếu tố vật lý thực tế. Hiệu suất lý tưởng được giới hạn bởi chu trình Carnot:

$\eta_{Carnot} = 1 - \frac{T_C}{T_H}$

Tuy nhiên, trong thực tế, các tổn thất do truyền nhiệt không hoàn hảo, ma sát cơ học, rò rỉ nhiệt và tổn hao điện từ làm giảm đáng kể hiệu suất. Đối với nhà máy nhiệt điện sử dụng chu trình Rankine, hiệu suất thường đạt 35–42%. Nếu kết hợp chu trình khí-hơi (combined cycle), hiệu suất có thể tăng lên 55–60%.

Các giới hạn kỹ thuật bao gồm:

• Giới hạn vật liệu chịu nhiệt cao trong tua-bin và nồi hơi
• Độ bền của vật liệu tiếp xúc với môi trường ăn mòn
• Khả năng truyền và tản nhiệt ở nhiệt độ cao

Để cải thiện hiệu suất, các giải pháp đang được triển khai gồm: sử dụng siêu vật liệu cách nhiệt, phát triển hệ thống ngưng tụ hiệu quả hơn và tối ưu hóa hình dạng cánh tua-bin. Nghiên cứu chi tiết tại ScienceDirect - Thermal efficiency improvements.

Tác động môi trường của nhiệt điện

Nhiệt điện, đặc biệt từ nguồn than và dầu, là một trong những nguyên nhân chính gây phát thải khí nhà kính và ô nhiễm không khí. Các chất phát thải phổ biến gồm CO₂, SO₂, NOₓ và bụi mịn. Chúng góp phần làm biến đổi khí hậu, gây mưa axit, suy giảm chất lượng không khí và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng.

Ngoài ra, việc sử dụng nước làm mát trong nhà máy nhiệt điện cũng gây tác động đến tài nguyên nước ngọt và hệ sinh thái thủy sinh do nhiệt độ xả thải tăng cao. Việc chiếm dụng đất lớn để xây dựng nhà máy và kho lưu trữ nhiên liệu cũng gây áp lực lên môi trường địa phương.

Các biện pháp giảm thiểu tác động môi trường hiện nay gồm:

• Ứng dụng công nghệ đốt siêu tới hạn và siêu tới hạn cao (SC, USC)
• Lắp đặt bộ lọc bụi tĩnh điện (ESP), khử SO₂ bằng FGD
• Triển khai hệ thống thu giữ và lưu trữ CO₂ (CCS)
• Chuyển đổi dần từ than sang khí thiên nhiên hoặc đồng đốt sinh khối

Nhiều quốc gia đã bắt đầu áp dụng cơ chế thuế carbon hoặc giới hạn phát thải để giảm phụ thuộc vào nhiệt điện truyền thống.

Ứng dụng và vai trò trong hệ thống năng lượng

Nhiệt điện đóng vai trò nền tảng trong hệ thống cung cấp điện năng toàn cầu. Với khả năng vận hành ổn định, dễ điều khiển công suất và khả năng chạy nền liên tục, các nhà máy nhiệt điện đảm bảo cân bằng phụ tải cho lưới điện, đặc biệt khi năng lượng tái tạo (như gió và mặt trời) biến động theo thời tiết.

Bên cạnh đó, các hệ thống thu hồi nhiệt điện cỡ nhỏ như TEG được tích hợp trong xe hơi, nhà máy công nghiệp và thậm chí thiết bị điện tử để tận dụng nhiệt dư và tăng hiệu suất tổng thể. Trong lĩnh vực hàng không và không gian, module nhiệt điện cung cấp nguồn điện ổn định cho các tàu thăm dò ở môi trường không có ánh sáng mặt trời.

Vai trò chính của nhiệt điện có thể tổng hợp như sau:

• Phát điện nền cho hệ thống quốc gia
• Điều tiết lưới trong giờ cao điểm
• Tận dụng nhiệt thải trong công nghiệp
• Hỗ trợ ứng dụng đặc thù như tàu vũ trụ, quân sự

Xu hướng và đổi mới công nghệ nhiệt điện

Trước yêu cầu giảm phát thải và nâng cao hiệu suất, ngành nhiệt điện đang đổi mới theo nhiều hướng công nghệ tiên tiến. Một xu hướng nổi bật là sử dụng chu trình siêu tới hạn CO₂ (supercritical CO₂ – sCO₂), nơi CO₂ ở trạng thái siêu tới hạn hoạt động như chất làm việc trong tua-bin, giúp tăng hiệu suất và giảm kích thước thiết bị.

Các nghiên cứu vật liệu nano nhiệt điện đang mở ra khả năng ứng dụng TEG với hiệu suất cao hơn nhiều so với vật liệu truyền thống. Kết hợp in 3D và kỹ thuật màng mỏng, các thiết bị nhiệt điện có thể linh hoạt tích hợp vào hệ thống nhỏ gọn, cảm biến hoặc nguồn năng lượng đeo được.

Tham khảo công nghệ mới tại NREL - Advanced Supercritical CO₂ Cycles và Nature Energy - Thermoelectric performance of nanomaterials.

Đồng thời, tích hợp dữ liệu thời gian thực, trí tuệ nhân tạo và hệ thống điều khiển thông minh cũng được áp dụng nhằm tối ưu hóa vận hành nhà máy, dự đoán nhu cầu phụ tải và nâng cao an toàn hệ thống nhiệt điện.

Tài liệu tham khảo

1. Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2015). Thermodynamics: An Engineering Approach. McGraw-Hill Education.
2. U.S. Department of Energy. Combined Heat and Power Basics.
3. ScienceDirect. Thermal efficiency improvements in coal-fired power plants.
4. DOE NREL. Advanced Supercritical CO₂ Cycles.
5. IEEE Xplore. Thermoelectric Materials and Devices.
6. Nature Energy. Thermoelectric performance of nanostructured materials.