Nhu cầu nhiệt trong công nghiệp chiếm hơn 20% tổng mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu. Do đó, khử cacbon cho nguồn nhiệt công nghiệp là yếu tố thiết yếu để đạt được các mục tiêu phát thải ròng bằng 0 (net-zero). Điện khí hóa các quá trình gia nhiệt, từ hệ thống sưởi không gian đến các lò công nghiệp, được xem là một trong những giải pháp rõ ràng nhất để đạt được mục tiêu này. Ngoài việc giảm phát thải, điện khí hóa còn mang lại nhiều lợi ích khác như nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng và giảm chi phí năng lượng vận hành.
Tuy nhiên, quá trình chuyển đổi sang sử dụng điện vẫn gặp nhiều rào cản như yếu tố kinh tế, hạn chế về năng lực kỹ thuật, thiếu kiến thức chuyên môn và các vấn đề liên quan đến cơ sở hạ tầng. Khi xem xét sâu hơn về nhu cầu nhiệt trong công nghiệp, quy mô của thách thức điện khí hóa trở nên rõ ràng hơn. Ngành công nghiệp chiếm khoảng 37% tổng mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu; trong đó, hai phần ba được sử dụng cho mục đích tạo nhiệt và khoảng 80% nhu cầu nhiệt này hiện vẫn được cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch.
Công nghệ điện khí hóa cho quá trình gia nhiệt
Việc lựa chọn công nghệ cung cấp nhiệt bằng điện cho các quá trình công nghiệp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ yêu cầu, thời gian lưu nhiệt và công suất xử lý. Các công nghệ đã trưởng thành và được ứng dụng rộng rãi như nén hơi cơ học (Mechanical Vapour Recompression – MVR) và bơm nhiệt phù hợp cho dải nhiệt độ từ khoảng 50 đến trên 200 °C. Trong khi đó, nồi hơi điện (e-boiler) và thiết bị gia nhiệt turbo đang dần trở nên phổ biến hơn, có khả năng tạo ra nhiệt độ lên đến khoảng 500 °C và 1.000 °C tương ứng. Bên cạnh đó, những tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ gia nhiệt cảm ứng cũng mở rộng phạm vi ứng dụng của phương pháp này, bao gồm cả các quá trình yêu cầu nhiệt độ cao. Tốc độ gia nhiệt cũng là một yếu tố quan trọng; trong nhiều trường hợp, nồi hơi điện có ưu thế hơn so với bơm nhiệt nhờ khả năng nâng nhiệt nhanh.
Gia nhiệt ohmic
Hệ thống gia nhiệt ohmic của HRS cho dòng điện đi qua sản phẩm giữa hai điện cực trong một ống gốm dài 1 m. Kết quả là nước ép có thể được gia nhiệt đến 105 °C chỉ trong vòng một giây, sau đó được giữ ở nhiệt độ này trong bốn giây trước khi làm nguội. Bản thân công nghệ ohmic không phải là công nghệ mới, nhưng hệ thống của HRS sử dụng các thiết bị điện tử hiện đại để tạo ra đường cong nhiệt độ rất ổn định. Điều này giúp bảo toàn chất lượng sản phẩm đồng thời nâng cao hiệu quả của quá trình xử lý nhiệt.
Nén hơi cơ học (Mechanical Vapour Recompression – MVR)
Trong những năm gần đây, sự quan tâm đến việc sử dụng MVR cho các quá trình cô đặc ngày càng tăng. Điều này là dễ hiểu trong bối cảnh thị trường năng lượng biến động mạnh kể từ năm 2020, bởi năng lượng điện sử dụng trong hệ thống MVR thường rẻ hơn đáng kể so với năng lượng nhiệt cần thiết cho quá trình cô đặc truyền thống.
Trong các phương pháp cô đặc truyền thống, môi chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (thường là hơi nước áp suất) được sử dụng để nâng nhiệt độ sản phẩm vượt quá điểm sôi, làm bay hơi nước và các hợp chất dễ bay hơi khác, từ đó thu được dung dịch có nồng độ cao hơn. Nguồn năng lượng chính cho quá trình này là nhiên liệu dùng để đun nước tạo hơi trong nồi hơi, chẳng hạn như khí hoặc dầu.
Đối với hệ thống MVR, hơi thứ sinh ra từ sản phẩm trong thiết bị cô đặc sẽ được đưa vào máy nén để tăng áp suất và nhiệt độ. Dòng hơi sau nén này có nhiệt độ cao hơn điểm sôi của sản phẩm và được sử dụng lại làm môi chất tải nhiệt cho chính thiết bị cô đặc. Do máy nén được vận hành bằng động cơ điện, toàn bộ quá trình được dẫn động bằng điện thay vì năng lượng nhiệt từ nhiên liệu hóa thạch. Nhờ việc tái sử dụng hơi bay hơi, một lượng lớn nhiệt ẩn được thu hồi, khiến MVR trở thành một trong những phương pháp cô đặc nước có chi phí vận hành thấp nhất. Tuy nhiên, tùy thuộc vào đặc tính của sản phẩm hoặc dòng thải cần xử lý, MVR không phải lúc nào cũng là giải pháp phù hợp hoặc tối ưu về mặt kinh tế.
Nguồn: HRS Heat Exchangers.
