Hiệu quả tiết kiệm năng lượng từ năng lượng mặt trời và bơm nhiệt

Ở Việt Nam, bên cạnh vấn đề ứng phó với quá trình biến đổi khí hậu, một vấn đề cấp thiết là đảm bảo an ninh năng lượng. Với tốc độ phát triển kinh tế và đô thị hóa như hiện nay, hàng năm ngành điện phải đạt được mức độ tăng trưởng từ 12 - 17% để đảm bảo đầy đủ nhu cầu sản xuất cũng như đời sống của nhân dân.

Theo Tổng sơ đồ điện VI tới năm 2020 sản lượng điện của Việt Nam phải đạt khoảng 348.847 tỉ kWh điện, gấp khoảng 3,5 lần so với tổng sản lượng điện của năm 2010. Hơn nữa, cơ cấu nguồn điện năm 2020, nhiệt điện (than, khí, dầu) chiếm khoảng 75%, thủy điện 19%, điện nguyên tử 1,9%, các nguồn điện khác trong đó có điện từ nguồn năng lượng tái tạo chỉ chiếm 3 - 4%. Như vậy để giải quyết bài toán an ninh năng lượng của Việt Nam trong vòng 10 năm tới vấn đề quan trọng nhất là “Sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng” bên cạnh việc đẩy mạnh hơn nữa sử dụng năng lượng tái tạo.

Nhà nước đã kịp thời có những bước đi thích hợp nhằm xây dựng cơ sở pháp lý và tạo sự đồng thuận trong toàn xã hội cũng như các ngành để cùng giải quyết vấn đề. Cụ thể như: Nghị định số 102/2003/NĐ-CP về sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu quả; Chương trình mục tiêu Quốc gia về Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả giai đoạn 2006 - 2015; Luật sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả…

Bơm nhiệt có ưu điểm vượt trội chính là phần lớn nhiệt hữu ích thu được ở dàn ngưng (nguồn nóng) được lấy từ môi trường bên ngoài như không khí hoặc nước (nguồn lạnh). Trung bình cứ tiêu tốn 1kWh điện thì bơm nhiệt có thể sản sinh ra từ 3 - 6kWh nhiệt tương đương với hệ số hiệu quả năng lượng từ 3 tới 6. Đây là lý do khiến bơm nhiệt là một trong những công nghệ tiết kiệm năng lượng được quan tâm nhất hiện nay.

Thực tế trên đã tạo ra nguồn động lực thúc đẩy triển khai các chương trình, đề tài nghiên cứu về lĩnh vực sử dụng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng cũng như thúc đẩy sử dụng năng lượng tái tạo. Việc ứng dụng bơm nhiệt kết hợp với hệ thống thu năng lượng mặt trời để thay thế cho các hệ thống cung cấp nước nóng truyền thống là một giải pháp hữu hiệu để tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải khí nhà kính, đồng thời vẫn duy trì được khả năng cung cấp nước nóng liên tục quanh năm, trong mọi điều kiện thời tiết.

TS. Nguyễn Nguyên An - Chủ nhiệm Đề tài cho biết, khác với sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp nước nóng, bơm nhiệt hoạt động ổn định, chủ động, chịu ảnh hưởng ít hơn của thời tiết. Trong điều kiện nhiệt độ môi trường khá cao như ở nước ta, bơm nhiệt lại càng phát huy được hiệu quả do tránh được hiện tượng bám băng, tuyết ở dàn lạnh như ở các nước ôn đới. Vì vậy, trong 10 năm trở lại đây, công nghệ bơm nhiệt sản xuất nước nóng ngày càng được nghiên cứu hoàn thiện và mở rộng ứng dụng theo định hướng: Tăng nhiệt độ đầu ra của nước nóng, hạn chế hiện tượng đóng băng, tuyết ở dàn lạnh (nếu có), mở rộng phạm vi ứng dụng và tiếp tục nâng cao hiệu quả năng lượng.

Như vậy, với đặc điểm khí hậu Việt Nam và các ưu điểm của bơm nhiệt, sử dụng bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời tạo ra tiềm năng lớn cho việc tiết kiệm năng lượng, giảm tác hại tới môi trường trong sản xuất nước nóng cũng như nhiều lĩnh vực công nghệ khác.

Tiềm năng sử dụng bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời

Mặc dù năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng rẻ, sẵn có, rất thích hợp trong sản xuất nước nóng tại Việt Nam nhưng do hiện tại giá điện của Việt Nam vẫn còn được Nhà nước trợ giá, nên người dân chưa quan tâm nhiều đến thiết bị cung cấp nước nóng bằng năng lượng mặt trời. Thêm vào đó doanh nghiệp sản xuất thiếu sự hỗ trợ của Nhà nước về đầu tư nghiên cứu cũng như kinh phí, trang thiết bị kỹ thuật cho sản xuất, thiếu sự kết nối với các nhà khoa học để nghiên cứu hoàn thiện công nghệ. Một lý do nữa là tại đa số vùng ở Việt Nam, nguồn năng lượng mặt trời vẫn chưa đủ để đáp ứng nhu cầu sử dụng nước nóng quanh năm, trong mọi điều kiện thời tiết nên phương pháp này luôn cần đi kèm với một nguồn nhiệt dự phòng hoạt động nhờ điện năng hoặc các dạng năng lượng khác. Đây cũng là lý do khiến năng lượng mặt trời chưa được phổ biến và phần lớn các sản phẩm đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời mới chỉ được sử dụng chủ yếu trong gia dụng, còn ứng dụng trong các tòa nhà lớn với mục đích thương mại hoặc trong công nghiệp ở nước ta còn ít so với trên thế giới.

Để đạt được mục tiêu Đề tài đặt ra, nhóm nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu về công nghệ bơm nhiệt nói chung và bơm nhiệt kết hợp bộ thu năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng. Cùng với đó là nghiên cứu công nghệ mô phỏng, thiết kế tích hợp hệ thống bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời; thiết kế, chế tạo lắp đặt hoàn chỉnh hệ thống thử nghiệm bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời sản xuất nước nóng với dung tích 30.000 lít, nhiệt độ nước nóng tối thiểu 40 - 55oC, khả năng sản xuất nước nóng 600 lít/giờ…

Lắp đặt hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời với dung tích 30.000 lít tại Nha Trang

Đến nay, nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo được hai mẫu bơm nhiệt sản xuất nước nóng, một mẫu dùng trong gia đình và một mẫu dùng trong thương mại với năng suất nhiệt tương ứng là 1kW và 20kW. Đồng thời, đã xây dựng được logic điều khiển cho phép phối hợp hoạt động giữa bộ thu năng lượng mặt trời và bơm nhiệt để cung cấp nước nóng cho hai đối tượng sử dụng chính là các hộ gia đình và khách sạn tại Việt Nam.

Nhờ đó, chỉ với một năng suất nhiệt rất bé của bơm nhiệt vẫn có thể dự phòng 100% cho hệ thống năng lượng mặt trời cho các đối tượng sử dụng nước nóng đã nghiên cứu. Cụ thể, mẫu bơm nhiệt 1kW có thể dự phòng cho hệ cung cấp nước nóng trung tâm, dùng năng lượng mặt trời cho hộ gia đình với quy mô 4 đến 6 người hoặc 200 đến 250m2 diện tích sàn, tại Hà Nội. Với 5 bộ, tổng năng suất nhiệt là 100kW, mẫu bơm nhiệt 20kW có thể dự phòng cho hệ thống cung cấp nước nóng trung tâm, dùng năng lượng mặt trời cho 1 khách sạn 4 sao, quy mô 220 phòng tại Nha Trang.

Về thực tế ứng dụng, mẫu bơm nhiệt 1kW đang được sử dụng trong 1 gia đình với 5 người tại Hà Nội và tương lai có thể triển khai hàng loạt cho các đối tượng sử dụng tương tự. Mẫu bơm nhiệt 20kW đang được lắp đặt tại khách sạn Xanh, Nha Trang 2, quy mô 4 sao, 238 phòng.

Với tiềm năng ứng dụng triển khai lớn trong thực tế, được nghiên cứu chế tạo trong nước, phù hợp với điều kiện khí hậu và trình độ công nghệ Việt Nam, sản phẩm chế tạo có nhiều khả năng cạnh tranh với sản phẩm nhập ngoại. Do đó kết quả nghiên cứu của đề tài có khả năng ứng dụng vào sản xuất kinh doanh.

“Kết quả đạt được ban đầu của đề tài nghiên cứu có ý nghĩa và tác động đối với kinh tế - xã hội và môi trường. Sử dụng bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời là một giải pháp rất hữu hiệu kết hợp được cả vấn đề tiết kiệm năng lượng và sử dụng năng lượng tái tạo. Trong đó nguồn năng lượng thu được trực tiếp từ môi trường nhờ bơm nhiệt là rất lớn”, TS. Nguyễn Nguyên An cho hay.

Dự kiến kết quả của đề tài góp phần tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải CO2 trong lĩnh vực sản xuất nước nóng, đóng góp vào việc thực hiện mục tiêu của Chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Giảm áp lực thiếu hụt nguồn cung của ngành điện.

Đề tài có đóng góp nhất định về ứng dụng cũng như phát triển lý luận trong lĩnh vực chế tạo sử dụng bơm nhiệt tại Việt Nam với mục đích tiết kiệm năng lượng giảm ô nhiễm môi trường. Kết quả nghiên cứu được thể hiện qua quy trình thiết kế, hệ thống công nghệ, hệ thống điều khiển, phần mềm mô phỏng… được xây dựng trên cơ sở khoa học có lý luận và kiểm nghiệm thực tiễn cao. Đây sẽ là những cơ sở ban đầu để phát triển các ứng dụng của bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng, nhằm thay thế các công nghệ cũ lạc hậu chi phí nhiều năng lượng.