Công ty Gazprom transgaz Samara (trực thuộc Tập đoàn năng lượng quốc gia Nga Gazprom) được cấp bằng sáng chế cho tổ hợp tuabin khí tận dụng (GTU), hệ thống thu lại phần nhiệt vốn bị thải thẳng ra trời tại các trạm nén khí.
Phát minh này nằm trong danh sách 100 phát minh xuất sắc nhất nước Nga năm 2021 do Cục Sở hữu trí tuệ Liên bang Nga bình chọn.
Nhiệt năng bị bỏ phí sau mỗi nhịp bơm khí đốt
Khí đốt đi từ mỏ đến nhà máy điện hay khu dân cư qua những đường ống dài hàng nghìn km. Khí không tự chạy xa như vậy. Cứ vài chục đến vài trăm km, đường ống lại có một trạm nén để tăng áp suất, đẩy dòng khí đi tiếp. Trái tim của mỗi trạm là các tổ máy bơm khí, thường do tuabin khí dẫn động.
Một nhân viên kiểm tra van khí tại trạm nén khí Atamanskaya, một phần của đường ống dẫn khí Power of Siberia của Gazprom, nằm ngoài thị trấn Svobodny ở vùng Viễn Đông, thuộc khu vực Amur, Nga, ngày 29 tháng 11 năm 2019. Nguồn: REUTERS/Maxim Shemetov/Ảnh tư liệu.
Cái giá của việc này nằm ở ống khói. Khi vận hành, các tổ máy bơm khí xả ra môi trường một lượng khí thải mang nhiệt năng rất lớn. Đó là năng lượng đã được đốt từ chính nhiên liệu của trạm, nhưng không làm ra thêm công nào mà bay thẳng vào không khí. Theo mô tả của các kỹ sư, phần nhiệt này làm giảm đáng kể hiệu suất tổng thể của cả trạm nén.
Đây là điểm nghẽn quen thuộc của ngành vận chuyển khí đốt. Trạm nén khí là loại cơ sở chạy liên tục, nên dù mỗi giờ chỉ thất thoát một phần, cộng lại cả năm và trên cả một mạng lưới đường ống chính thì con số rất lớn.
Nhóm kỹ sư của Gazprom transgaz Samara, do kỹ sư trưởng Pavel Gennadievich Osipov dẫn đầu, chọn cách giải quyết trực diện: Thay vì để nhiệt thải trôi đi, hãy gắn thêm một bộ phận chuyên đón lấy nó. Hệ thống họ phát triển được áp dụng cho các trạm nén thuộc đường ống dẫn khí chính.
Cách thu hồi nhiệt và bài toán chi phí
Về cấu tạo, giải pháp ghép hai phần. Phần thứ nhất là tổ máy tuabin khí dẫn động quen thuộc, vẫn làm việc bơm khí như trước. Phần thứ hai là một tổ máy năng lượng thu hồi hoạt động dưới áp suất khí quyển, nhận luồng khí thải nóng từ phần thứ nhất.
Tổ máy thu hồi này chạy theo chu trình Brayton ngược. Hiểu đơn giản, đây là kiểu chu trình mà khí được cho giãn nở xuống áp suất thấp hơn áp suất không khí bên ngoài để sinh công, sau đó được làm mát và nén trở về áp suất khí quyển để thải ra.
Ảnh minh họa: Bloomberg
Với tuabin thông thường, khí thải chỉ giãn đến mức bằng áp suất bên ngoài rồi thôi. Ở đây, hệ thống kéo thêm một nấc nữa để vắt nốt phần năng lượng còn lại.
Theo thông tin về phát minh, tổ hợp này kết hợp chu trình Brayton ngược với thiết bị chu trình M và bộ làm mát ngưng tụ. Chúng cùng nhau xử lý dòng khí sau khi đã giãn nở, để chu trình khép kín và làm việc ổn định.
Lợi ích xanh của phát minh
Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống cho hai lợi ích cùng lúc. Thứ nhất, hiệu quả nhiệt và công suất của chính tuabin khí dẫn động được nâng lên.
Thứ hai, phần năng lượng thu hồi được chuyển thành điện, với sản lượng đáng kể. Nói cách khác, cùng một lượng khí đốt, trạm nén vừa bơm khí tốt hơn, vừa có thêm điện.
Việc phát minh được Cục Sở hữu trí tuệ Liên bang Nga đưa vào top 100 năm 2021 là một ghi nhận về tính sáng tạo và khả năng ứng dụng. Nhưng một bằng sáng chế hay một giải thưởng không đồng nghĩa với việc công nghệ đã chạy đại trà ngoài thực địa.
Rào cản lớn nhất nằm ở chỗ các trạm nén không phải xây mới trên đất trống. Phần lớn đã vận hành nhiều năm, với dây chuyền thiết bị đã cố định. Để gắn thêm tổ máy thu hồi, các trạm hiện hữu phải được nâng cấp đồng bộ hạ tầng, kèm theo chi phí đầu tư ban đầu không nhỏ. Với một doanh nghiệp vận hành đường ống, bài toán sẽ là so sánh giữa khoản đầu tư này và lượng điện cùng nhiên liệu tiết kiệm được trong nhiều năm.
Nếu bài toán đó cho ra kết quả có lợi và công nghệ được triển khai trên quy mô lớn, ngành vận chuyển khí đốt có thể tối ưu hóa năng lượng đáng kể.
Mạng lưới trạm nén của một nước xuất khẩu khí lớn như Nga trải dài trên nhiều vùng. Mỗi trạm thu lại được một phần nhiệt từng bị bỏ đi là một bước tiết kiệm có thể nhân lên nhiều lần.
Từ đây có thể nhìn ra hướng đi của phát minh này. Nó không tạo ra nguồn năng lượng mới. Nó giúp tận dụng triệt để nguồn năng lượng sẵn có, ngay tại nơi lãng phí thường bị coi là điều không thể tránh.
