Hiệu quả năng lượng của công nghệ đốt rác phát điện

Nhà máy điện rác Bozen. Nguồn: Marco Ferrarin

Không chỉ đến bây giờ, câu hỏi này mới được đặt ra. Kể từ khi công nghệ chuyển đổi rác thải thành năng lượng (Waste to Energy) ra đời và được áp dụng trên thế giới, cả các nhà nghiên cứu và giới công nghiệp đều rất mong muốn đạt được cả hai mục đích chính là xử lý rác thải và sản xuất năng lượng. Hầu hết các cải tiến về công nghệ trước đây và hiện nay đều tập trung vào hai mục đích này, nhằm đem thêm lợi thế cạnh tranh cho công nghệ đốt rác phát điện so với các loại hình công nghệ sản xuất điện năng khác. 

Những vấn đề liên quan đến lựa chọn công nghệ

Ở đây, chúng ta hãy cùng thử phân tích các yếu tố kinh tế tác động đến công nghệ đốt rác phát điện, khi công nghệ được lựa chọn cho một nhà máy điện rác. Trước hết, chúng ta xét đến hai hướng xử lý chính: 

Phương án 1: Sản xuất khí nhiên liệu để đốt trong các động cơ đốt trong và chạy máy phát điện. Bản chất của phương án này là phân loại và chế biến chất thải khó phân hủy thành viên nhiên liệu và đốt nó trong các lò khí hóa để sinh ra nhiên liệu khí dưới dạng khí đốt tổng hợp (syngas) với thành phần chủ yếu là CO, CH4, H2, CO2, N2; còn chất thải dễ phân hủy đưa vào hầm ủ sinh khối để sản xuất ra khí đốt dưới dạng khí sinh học (biogas) với thành phần chủ yếu là CH4, H2, CO2. Hai loại khí này có thể trộn với nhau để thành nhiên liệu khí được đốt trong động cơ đốt trong để phát điện.

Để làm được điều đó, rác thải được phân loại bằng một quy trình chuyên nghiệp chuyển đổi tính năng của chất thải trong dây chuyền, với hai giai đoạn: các loại rác thải chung thành chất thải phi nhiên liệu (đất đá, chai lọ, sắt thép) và chất thải nhiên liệu (chất thải cháy được) rồi mới tiếp tục phân loại chất thải nhiên liệu thành chất thải khó phân hủy (nilon, cành cây, gỗ, giấy v.v.) và chất thải dễ phân hủy (thực phẩm, rau..).

Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các công nghệ dạng này thường chỉ đạt được dưới 20%.  Không chỉ có hiệu suất điện năng thấp, điểm yếu của công nghệ này là sinh ra các thành phần gây ăn mòn của khí và việc xử lý nó hết sức khó khăn, chỉ có một số quốc gia tiên tiến như Mỹ, Đức, Áo mới có khả năng kiểm soát được khí thải. Hiện tại Việt Nam đã chủ động công nghệ chế tạo các thiết bị phân loại chất thải tuy nhiên các thiết bị khí hóa do chúng ta sản xuất lại hoạt động kém ổn định do trong hầm ủ, khí sinh học chịu nhiều lực tác động rất phức tạp. Nhìn chung, phương án này suất đầu tư khá cao tính ổn định kém vẫn còn mang tính thử nghiệm và chưa thương mại hóa ổn định với công suất lớn. 

Phương án 2. Công nghệ theo phương án này hoạt động như hình 1: rác thải đưa về nhà máy chỉ cần loại bỏ các chất thải phi nhiên liệu cỡ lớn dễ tách biệt rồi tập trung trong bể chứa rác hoàn toàn kín. Trong quá trình ủ từ 12 đến 15 ngày, các chất hữu cơ trong rác tiếp tục bị phân hủy, hình thành nước rỉ rác, sau đó được tách ra tại đáy bể theo một quy trình riêng biệt bao gồm các quá trình xử lý yếm khí, hiếu khí, lắng, lọc. Nhiệt thừa trong quá trình đốt tiêu hủy rác sẽ được tận dụng để đun nóng nước, qua đó sinh hơi và chuyển sang turbine để sản xuất ra điện năng như các nhà máy nhiệt điện khác. 

Công nghệ này không cần phân loại rác thải, diện tích nhà máy xử lý không quá lớn, hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn so với công nghệ theo phương án 1, tuy nhiên cũng chỉ dao động ở mức từ 25 đến 30%. 

Với dạng công nghệ này, chúng ta đã chủ động được việc chế tạo lò hơi, xây dựng cơ sở hạ tầng – xử lý nước rỉ rác. Nhìn chung, chúng ta cũng có thể xử lý khá triệt để các vấn đề môi trường liên quan đến nhiên liệu ở ba thể rắn – lỏng – khí với sự hỗ trợ của hệ thống xử lý được thiết kế hợp lý. Hạn chế của công nghệ này là chi phí đầu tư lớn, hệ thống xử lý môi trường cũng khá tốn kém, tính khả thi tùy thuộc vào thành phần rác thải, tuy nhiên với khối lượng rác lớn trên 100 tấn/ngày đêm thì có thể vận hành và với quy mô 200 tấn/ngày thì hiệu quả kinh tế đầu tư có thể đảm bảo tốt. 

Điều quan trọng của loại công nghệ này là xử lý nước rỉ rác gây ra mùi khó chịu từ quá trình phân hủy tạo ra khí hỗn hợp (H₂O, CH₄, H₂S, CxHy, CO₂, Ncvb,…). Đây là thực tế xảy ra ở nhiều nhà máy xử lý rác ở Việt Nam¹. Để loại bỏ mùi khó chịu này, đường hút không khí cấp cho quá trình cháy cần đặt ở vị trí phù hợp để hút toàn bộ khí có mùi khó chịu và đưa ngay vào lò đốt. Rác sau ủ, lượng ẩm giảm, làm tăng nhiệt trị sẽ đưa vào lò đốt và trong quá trình đốt sẽ sinh ra khói thải với nhiều loại khí thải độc hại cần xử lý để đảm bảo không gây ô nhiễm môi trường. 

Đầu tư cho nhà máy điện rác

Theo dữ liệu ban đầu của một số dự án tại Việt Nam đã được phê duyệt và chờ phê duyệt thì suất đầu tư cho các nhà máy điện – rác nằm trong khoảng 3,5 đến 4 triệu đô la/1MW điện. Nét chung của các dự án này là chi phí vận hành lớn, cần bảo trì thường xuyên và tuổi thọ thiết bị ngắn hơn so với các dự án nhiệt điện đốt than. Trong khi đó, dù sử dụng loại công nghệ theo phương án nào thì hiệu suất điện năng của các nhà máy điện rác đều ở mức nhỏ (cao nhất cũng chỉ là 30%). Do công suất điện phát lên lưới quốc gia cũng sẽ ở nhỏ nên thời gian thu hồi vốn của các dự án này thường từ 10 đến 20 năm. 

Khi giá điện bán lên lưới được nhà nước quy định cho loại hình dự án này là 10,05 cents/1kWh, đem lại hiệu quả kinh tế cho các chủ đầu tư, việc vay vốn và huy động vốn nhận được sự hỗ trợ từ nhiều nguồn có lãi suất ưu đãi như Quỹ Môi trường Việt Nam, Ngân hàng đầu tư phát triển Việt Nam, các tổ chức tín dụng, các tổ chức phi chính phủ… 

Tuy nhiên để tính toán về hiệu quả kinh tế của hai dạng công nghệ đã đề cập đến ở trên, chúng ta cần xét đến đến các yếu tố sau nữa:

Quy mô xử lý rác thải và công suất phát điện. Quy mô xử lý chất thải rắn sinh hoạt được xác định bằng cân điện tử, nên đạt mức tối thiểu là 200 tấn/ngày, có xét đến tỷ lệ gia tăng từ 8 đến 10%/năm. Tỷ lệ nước rác cũng biến động theo ngày, theo mùa và nằm trong dải từ 5-20% so với khối lượng rác đầu vào. Tùy theo nhiệt trị của chất thải mà mỗi tấn chất thải có thể sẽ sản xuất ra từ 180÷380 kWh điện. Nhìn chung, rác của khu vực Hà nội nằm trong khoảng 4600 đến 5200 kJ/kg. Tùy theo khu vực dân cư, loại rác thải có nhiều biến đổi về nhiệt trị và chất lượng nhiên liệu, nhà đầu tư cần khảo sát trước để đánh giá tốt hơn tiềm năng phát điện cũng như lựa chọn cấu hình tổ máy phù hợp.

Các hạng mục cần có. Hệ thống tiếp nhận rác và cấp rác đảm bảo đồng bộ kín không rò rỉ mùi; Hệ thống đốt rác; hệ thống xử lý xỉ đáy và tro bay; hệ thống thu hồi nhiệt sinh hơi bao gồm nồi hơi, tua bin, bình ngưng và các thiết bị chu trình hơi; hệ thống phát điện bao gồm máy phát và hệ thống trạm biến áp phát lên lưới; hệ thống xử lý khí thải đảm bảo loại bỏ SOx; NOx; hơi axit furan và dioxin; hệ thống điều khiển tự động bao gồm các thiết bị điều khiển nhiệt, DCS, hệ thống giám sát, báo cháy, v.v.; hệ thống cấp nhiên liệu phụ trợ; hệ thống xử lý nước rỉ rác; hệ thống khí nén; hệ thống điều hòa không khí; hệ thống văn phòng đường sá tạo cảnh quan môi trường. 

Địa điểm và bán kính vận chuyển rác. Nhà máy xử lý rác gồm hai nguồn thu chủ yếu: phí xử lý rác và phí bán điện trên lưới (sau khi đã trừ đi lượng điện tự dùng trong chính nhà máy). Vì lý do kinh tế và quy định về chi phí nhà nước phải trả cho các chủ đầu tư, quãng đường vận chuyển rác từ nguồn thải đến nhà máy xử lý nên nhỏ hơn 50km. Địa điểm đặt nhà máy cần chú ý sát với lưới điện cao thế 22KV, 35KV hoặc 11KV và nên nhỏ hơn 3km khi áp dụng cho các nhà máy xử lý rác nhằm giảm xuất đầu tư. Khoảng cách từ nhà máy đến các khu vực đông dân cư không dưới 300m. 
Nguồn cung cấp nước ngọt và vấn đề làm mát nước tuần hoàn. Do áp dụng công nghệ sản xuất điện năng, nên nước cung cấp cho lò hơi, nước tuần hoàn làm mát bình ngưng hoặc nước bổ sung cho tháp giải nhiệt là một yêu cầu quan trọng. Địa điểm đặt nhà máy cần lưu ý đến các nguồn nước mặt như: hồ, sông, kênh rạch trong phạm vi bán kính khoảng 1km phù hợp với công suất điện của tổ hợp turbine – máy phát.

Nhà cung cấp thiết bị cho dây chuyền công nghệ. Các nhà cung cấp thiết bị cho nhà máy xử lý chất thải rắn sinh hoạt được hình thành từ trong nước và các đơn vị ngoài nước.Với các đơn vị trong nước gồm: Tư vấn, thực hiện các hoạt động khảo sát tiền dự án, lập các báo cáo chuyên môn, thực hiện công tác xây dựng nhà xưởng – cơ sở hạ tầng, chế tạo – lắp đặt lò hơi và các thiết bị phụ trợ. Với các đơn vị ngoài nước: có thể bao gồm các hoạt động tư vấn thiết kế tổng thể nhà máy, cung cấp các thiết bị chuyên dụng mà trong nước chưa sản xuất được (các thiết bị điện tử, các loại cảm biến, turbine – máy phát, các thiết bị hòa đồng bộ,…).   

Nhiên liệu đốt bổ sung. Để đáp ứng Quy chuẩn QCVN 61-MT:2016/BTNMT cho các lò đốt chất thải rắn sinh hoạt, trong trường hợp nhiệt trị rác biến động mạnh, nhiệt độ buồng thứ cấp xuống thấp, cần phải đốt bổ sung nhiên liệu như dầu DO, hoặc các nhiên liệu khác như: sinh khối, biomas, than cám…. Việc sử dụng loại nhiên liệu nào cần căn cứ vào địa điểm đặt nhà máy, nguồn nhiên liệu – giá bán trên thị trường, công suất điện phát lên lưới, lượng rác xử lý hàng ngày và các chi phí khác. 

***

Sau khi phân tích hàng loạt yếu tố liên quan đến hiệu suất năng lượng và hiệu quả kinh tế, có thể thấy so với các loại hình công nghệ sản xuất điện năng khác, đốt rác phát điện không thực sự chiếm ưu thế về hiệu quả năng lượng cũng như hiệu quả kinh tế. Dù áp dụng công nghệ nào thì rút cục, việc đốt rác và tận dụng nhiệt thải để phát điện chỉ là một giải pháp giúp cho quá trình xử lý rác thải mang tính hiệu quả cao hơn. Giá trị mà công nghệ này mang lại không phải là tính kinh tế mà là góp phần đem lại một môi trường sạch. Tuy nhiên không vì thế mà chúng ta thờ ơ với nó để đầu tư cho những công nghệ sản xuất điện năng khác, đạt hiệu quả cao hơn. Với các công nghệ thân thiện môi trường như điện rác, cần có một sự hỗ trợ nhất định từ phía các cơ quan chức năng hoặc các nhà phát triển công nghệ có tầm nhìn xa. Nó có thể có tính thương mại ở nước này mà không phải ở nước khác, vùng này không phải ở vùng khác đơn giản vì những khác biệt trong chính sách giá năng lượng, chính sách hỗ trợ chung, thói quen tập quán của một khu vực dân cư, v.v.

Rác là chất thải và việc xử lý nó luôn đòi hỏi các yếu tố công nghệ đi kèm với mục tiêu quan trọng nhất là loại bỏ được các nguồn gây ô nhiễm môi trường một cách sạch sẽ và không đem tới hậu quả xử lý lâu dài. Việc phát triển công nghệ đốt rác phát điện là cần thiết và mang tính khả thi cao với tình trạng môi trường hiện nay của Việt Nam, đặc biệt ở những khu vực đô thị đông dân cư như Hà Nội, TPHCM…

Khi xây dựng một nhà máy đốt rác phát điện, bên cạnh các yếu tố về kinh tế cần phải được chú ý các tiêu chí sau: không gây ra ô nhiễm môi trường ảnh hưởng đến cuộc sống của người dân khu vực xung quanh; xử lý các nguồn thải triệt để không gây hại lâu dài cho không khí và các tầng nước ngầm của khu vực; đồng bộ hóa từ khâu tập kết rác đến khâu xử lý để đảm bảo quá trình trọn vẹn không gây ô nhiễm trong các khâu phụ.

1. http://baotainguyenmoitruong.vn/moi-truong-va-phat-trien/201710/kien-giang-nha-may-xu-ly-rac-phu-quoc-boc-mui-dan-chan-xe-rac-2854942/