Nhà máy nhiệt điện là gì? Các nghiên cứu về Nhà máy nhiệt điện

Nhà máy nhiệt điện là gì?

Nhà máy nhiệt điện là cơ sở công nghiệp có chức năng sản xuất điện năng thông qua quá trình chuyển đổi năng lượng nhiệt thành điện năng. Nhiệt được sinh ra từ việc đốt cháy các loại nhiên liệu như than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên hoặc sinh khối. Quá trình này tạo ra hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao, làm quay tua-bin và máy phát điện, từ đó tạo ra điện năng phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt, sản xuất và phát triển kinh tế. Đây là loại hình nhà máy điện phổ biến nhất trên thế giới, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển, nơi nguồn tài nguyên hóa thạch vẫn dồi dào.

Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện chủ yếu dựa trên chu trình Rankine trong nhiệt động lực học. Trong chu trình này, nước được đun nóng trong lò hơi đến khi sôi, tạo thành hơi quá nhiệt. Hơi này sau đó được dẫn vào tua-bin để quay trục, kéo theo máy phát điện quay và tạo ra dòng điện. Sau khi qua tua-bin, hơi được làm lạnh và ngưng tụ thành nước để tái sử dụng, tạo thành một chu trình tuần hoàn. Mô hình chi tiết về hoạt động của hệ thống này được mô tả trong Bộ Năng lượng Hoa Kỳ – How Coal Power Plants Work.

Các thành phần chính của nhà máy nhiệt điện

Nhà máy nhiệt điện hiện đại gồm nhiều hệ thống và thiết bị phức tạp, được tổ chức thành các khối chức năng chính sau:

• Hệ thống nhiên liệu: Bao gồm kho chứa, thiết bị nghiền (nếu dùng than), và hệ thống cung cấp nhiên liệu vào lò.
• Lò hơi (Boiler): Là nơi xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu để đun nước và tạo hơi nước áp suất cao.
• Tua-bin hơi nước (Steam turbine): Chuyển đổi năng lượng nhiệt trong hơi nước thành cơ năng quay trục tua-bin.
• Máy phát điện (Generator): Biến cơ năng từ tua-bin thành điện năng thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ.
• Bình ngưng (Condenser): Làm lạnh và ngưng tụ hơi sau khi ra khỏi tua-bin để tuần hoàn trở lại lò hơi.
• Tháp làm mát (Cooling tower): Giảm nhiệt độ của nước ngưng tụ trước khi tái sử dụng.
• Hệ thống xử lý nước và hóa chất: Đảm bảo nước trong chu trình không có cặn và ăn mòn thiết bị.
• Hệ thống xử lý khí thải: Bao gồm bộ lọc bụi, khử lưu huỳnh (FGD), khử NOx, và các công nghệ thu giữ CO2.

Sơ đồ nguyên lý tổng quát của chu trình Rankine được biểu diễn như sau:

$\text{Nhiên liệu} + \text{O}_2 \rightarrow \text{Nhiệt} \rightarrow \text{Hơi nước} \rightarrow \text{Tua-bin} \rightarrow \text{Máy phát} \rightarrow \text{Điện}$

Phân loại nhà máy nhiệt điện

Nhà máy nhiệt điện có thể được phân loại theo loại nhiên liệu hoặc công nghệ sử dụng:

1. Theo nhiên liệu:

• Nhiệt điện than: Sử dụng than đá hoặc than nâu, chiếm tỷ trọng lớn trong sản xuất điện ở các quốc gia như Trung Quốc, Ấn Độ và Việt Nam.
• Nhiệt điện khí: Sử dụng khí thiên nhiên (NG) hoặc khí hóa lỏng (LNG), có hiệu suất cao và ít phát thải hơn so với than.
• Nhiệt điện dầu: Dùng dầu DO hoặc FO, thường chỉ được dùng làm nguồn điện dự phòng do chi phí nhiên liệu cao.
• Nhiệt điện sinh khối: Đốt phụ phẩm nông nghiệp như vỏ trấu, bã mía, mùn cưa… góp phần giảm thiểu phát thải khí nhà kính.

2. Theo công nghệ:

• Chu trình hơi nước đơn (Subcritical): Hiệu suất khoảng 33–38%, sử dụng nhiều tại Việt Nam.
• Chu trình siêu tới hạn (Supercritical): Làm việc ở nhiệt độ > 540°C và áp suất > 220 bar, hiệu suất cao hơn, giảm tiêu thụ nhiên liệu.
• Chu trình hỗn hợp (Combined Cycle Power Plant – CCPP): Kết hợp tua-bin khí và hơi, đạt hiệu suất 55–60%.

Hiệu suất và tổn thất năng lượng

Hiệu suất của nhà máy nhiệt điện bị giới hạn bởi nguyên lý Carnot. Phần lớn năng lượng đầu vào bị thất thoát dưới dạng nhiệt không thể sử dụng:

$\text{Efficiency} = \frac{\text{Work Output}}{\text{Heat Input}} \times 100\%$

Ví dụ, một nhà máy nhiệt điện than truyền thống chỉ đạt hiệu suất khoảng 35%, có nghĩa là 65% năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt. Vì vậy, cải tiến công nghệ, tăng hiệu suất và tận dụng nhiệt thải (cogeneration) là mục tiêu quan trọng trong thiết kế nhà máy hiện đại.

Tác động môi trường

Nhà máy nhiệt điện, đặc biệt là nhiệt điện than, có ảnh hưởng lớn đến môi trường:

• Khí thải: Phát thải CO2 (gây hiệu ứng nhà kính), NOx, SO2 (gây mưa axit), và bụi mịn PM2.5.
• Nước thải: Nước làm mát xả ra sông hồ có nhiệt độ cao, ảnh hưởng hệ sinh thái thủy sinh.
• Chất thải rắn: Tro bay, xỉ đáy lò nếu không được xử lý tốt có thể gây ô nhiễm đất và nước ngầm.

Theo IEA Global CO₂ Status Report 2023, các nhà máy nhiệt điện sử dụng than đóng góp gần 40% lượng phát thải CO2 trong ngành năng lượng toàn cầu.

Giải pháp giảm phát thải và tối ưu hóa vận hành

Để hướng tới phát triển bền vững, nhiều nhà máy nhiệt điện đã triển khai các công nghệ mới:

• Hệ thống lọc bụi tĩnh điện (ESP): Giảm phát thải bụi tới 99%.
• Khử NOx bằng SCR: Dùng amonia hoặc urê để chuyển đổi NOx thành N2 và nước.
• Khử SO2 bằng FGD ướt: Dùng đá vôi để loại bỏ SO2 khỏi khí thải.
• Thu giữ và lưu trữ CO2 (Carbon Capture and Storage – CCS): Công nghệ đang phát triển mạnh trong các nước OECD.

Tham khảo thêm tại Global CCS Institute để cập nhật các tiến bộ công nghệ mới nhất trong thu giữ và xử lý CO2.

Nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nhà máy nhiệt điện chiếm vai trò then chốt trong cơ cấu nguồn điện. Theo Bộ Công Thương, tính đến năm 2023, tổng công suất nhiệt điện đạt khoảng 30 GW, chiếm gần 45% tổng công suất điện quốc gia.

Các dự án trọng điểm gồm:

• Nhiệt điện Vũng Áng (Hà Tĩnh): Công suất 2.400 MW.
• Nhiệt điện Thái Bình 2: Sử dụng công nghệ siêu tới hạn.
• Nhiệt điện Nhơn Trạch: Chu trình hỗn hợp khí – hơi, hiệu suất cao.
• Nhiệt điện khí LNG Bạc Liêu (đang triển khai): Hướng đến chuyển dịch năng lượng xanh.

Chính phủ Việt Nam hiện đang đẩy mạnh chiến lược chuyển đổi năng lượng với mục tiêu giảm dần tỷ trọng nhiệt điện than, tăng cường đầu tư vào năng lượng tái tạo và nhiệt điện khí LNG thân thiện môi trường.

Kết luận

Nhà máy nhiệt điện là một mắt xích quan trọng trong hệ thống năng lượng toàn cầu. Dù có nhiều ưu điểm như công suất lớn và vận hành ổn định, loại nhà máy này cũng gây ra những vấn đề môi trường đáng kể nếu không được kiểm soát tốt. Do đó, xu hướng hiện nay là nâng cao hiệu suất, giảm phát thải, sử dụng nhiên liệu sạch và kết hợp công nghệ tiên tiến để tiến tới một hệ thống điện bền vững hơn. Đối với các quốc gia như Việt Nam, quá trình chuyển dịch từ nhiệt điện truyền thống sang mô hình điện sạch hơn là thách thức lớn nhưng cũng mở ra cơ hội phát triển công nghệ và hợp tác quốc tế trong lĩnh vực năng lượng.