Một số giải pháp cho tiết kiệm điện năng - Tạp chí tự động hóa ngày nay | Automation today

Hưởng ứng phong trào “Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả”, nhiều doanh nghiệp đã nỗ lực đầu tư nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, đặc biệt là điện năng. Vấn đề đặt ra với mỗi doanh nghiệp là có thể tiết kiệm điện được điện năng ở chỗ nào, đầu tư vào đâu và đầu tư như thế nào để có thể đạt được hiệu quả đầu tư.

Trong các phương án để nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng thì phương án đầu tư đổi mới công nghệ sang sử dụng một công nghệ sản xuất mới với mức tiêu hao năng lượng thấp hơn là phương án tốt nhất về mặt kỹ thuật. Tuy nhiên phương án này không phải lúc nào cũng là phương án khả thi khi xem xét tới các bài toán kinh tế và năng lực tài chính của mỗi doanh nghiệp. Do vậy vấn đề cải tạo hệ thống sản xuất hiện có để đạt được sự tiết kiệm năng lượng nói chung, điện năng nói riêng vẫn đang là mối quan tâm hàng đầu đối với các doanh nghiệp. Bài viết này giới thiệu một số giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng trong công nghiệp và dân dụng giúp cho các nhà quản lý doanh nghiệp có được cái nhìn khách quan trong phân tích và lựa chọn phương án đầu tư cải tạo hệ thống sản xuất để tiết kiệm năng lượng.

Chỉ có thể tiết kiệm được khi có tổn thất, lãng phí
Đây là nguyên tắc cơ bản nhất và điều này đúng với cả việc sử dụng năng lượng nói chung và điện năng nói riêng. Việc sử dụng điện trong các doanh nghiệp là nhằm mục đích tạo ra sản phẩm cho xã hội và đương nhiên là càng tạo ra nhiều sản phẩm thì càng tiêu tốn nhiều điện năng. Do sự hạn chế về công nghệ nên điện năng sử dụng để tạo ra sản phẩm thông thường sẽ bao gồm cả phần năng lượng không tham gia vào quá trình tạo ra sản phẩm. Phần năng lượng này thông thường thoát ra ngoài môi trường dưới dạng nhiệt năng, đốt nóng, bào mòn các chi tiết máy, thiết bị công nghệ và người ta gọi đó là các tổn thất, lãng phí. Việc cải tạo hệ thống sản xuất để tiết kiệm điện năng là nhằm mục đích giảm thiểu sự tổn thất và lãng phí này. Quán triệt nguyên tắc này các chủ đầu tư sẽ đảm bảo tránh được những khoản đầu tư sai không những không mang lại hiệu quả tiết kiệm năng lượng mà đôi khi còn gây lãng phí thêm như các phân tích dưới đây.
Tiết kiệm điện trong chiếu sáng
Giải pháp đơn giản nhất là tận dụng các nguồn sáng tự nhiên, giảm thiểu việc sử dụng thiết bị chiếu sáng. Tuy nhiên khi bắt buộc phải sử dụng nguồn sáng nhân tạo thì có hai giải pháp chính cho việc tiết kiệm điện trong chiếu sáng điển hình như sau:
l Sử dụng thiết bị chiếu sáng có hiệu suất phát sáng cao
Giải pháp này là giải pháp thay thế các thiết bị chiếu sáng bởi các thiết bị chiếu sáng mới có tổn thất thấp hơn nhằm tiết kiệm năng lượng. Trong các thiết bị chiếu sáng hiện đang được sử dụng thì các bóng đèn sợi đốt có hiệu suất phát sáng thấp nhất. Nói cách khác nó có sự tổn thất cao nhất. Nguyên nhân chính của hiệu suất phát sáng thấp là do đèn phát sáng dựa trên nguyên tắc đốt nóng của sợi đốt ở nhiệt độ cao nên phần lớn điện năng bị biến thành nhiệt năng. Bóng đèn sợi đốt hiện nay được khuyến cáo là không nên sử dụng cho mục đích chiếu sáng trừ các trường hợp có yêu cầu đặc biệt.
Giải pháp chiếu sáng được khuyến nghị hiện nay tại Việt Nam và một số nước trên thế giới là sử dụng đèn huỳnh quang và đèn huỳnh quang compact. Trong khi hiệu suất phát sáng thông thường của đèn sợi đốt chỉ là từ 1 tới 3% thì đèn huỳnh quang và huỳnh quang compact là từ 15 tới 25% (thực tế do phải tiêu tán công suất cho các thiết bị phụ nên hiệu suất của đèn huỳnh quang vào khoảng 12% và đèn huỳnh quang compact vào khoảng 15%). Do có dải chiếu sáng rộng nên đèn huỳnh quang được sử dụng để chiếu sáng các không gian rộng như phòng họp, hội trường, nhà xưởng còn đèn huỳnh quang compact được sử dụng cho chiếu sáng trong không gian hẹp hoặc làm chiếu sáng công cộng. Nhược điểm lớn nhất của đèn huỳnh quang và đèn huỳnh quang compact là nó có chứa thủy ngân nên nó gây hại lớn cho môi trường nên cần một chế độ thu gom và tiêu hủy đèn hỏng đặc biệt.
Giải pháp chiếu sáng có hiệu suất cao nhất hiện nay là chiếu sáng sử dụng đèn LED (Light Emiting Diode). Không giống như đèn sợi đốt sử dụng nguyên tắc phát sáng ở nhiệt độ cao và đèn huỳnh quang sử dụng nguyên tắc phát sáng kích thích bột huỳnh quang bằng tia tử ngoại, đèn LED sử dụng nguyên tắc phát sáng tại lớp tiếp xúc p – n của chất bán dẫn nên nó đạt hiệu suất cao hơn. Hiệu suất phát sáng của đèn loại tốt có thể lên tới 35%. Các loại đèn LED công suất cao đã được chế tạo vào đầu thế kỷ XXI cho nhiều mục đích chiếu sáng khác nhau và hứa hẹn là sẽ là thiết bị chiếu sáng phổ biến trong tương lai.
l Sử dụng thiết bị điều khiển để nâng hiệu suất của đèn huỳnh quang
Mặc dù có sự xuất hiện của đèn huỳnh quang compact và đèn LED nhưng nhờ ưu điểm của mình đèn huỳnh quang dạng ống đang và vẫn sẽ được sử dụng rộng rãi. Ý tưởng phát triển các thiết bị điều khiển để nâng cao hiệu suất phát sáng là dựa trên đặc điểm phi tuyến của đèn huỳnh quang và người ta tìm cách đưa chế độ hoạt động của đèn về mức tối ưu nhằm tiết kiệm điện năng và kéo dài tuổi thọ của đèn. Khi phân tích hoạt động của đèn huỳnh quang dạng ống người ta nhận thấy tính chất đặc biệt của đèn này sau khi mồi là giảm điện áp cấp vào đèn sẽ làm giảm công suất tiêu thụ nhưng cường độ phát sáng thì giảm không đáng kể. Cụ thể là khi điện áp giảm còn 80% điện áp định mức, công suất tiêu thụ sẽ giảm còn 70% định mức trong khi cường độ sáng của đèn chỉ giảm 5% (còn 95% cường độ sáng định mức), có nghĩa là hiệu suất phát sáng của đèn tăng lên. Dựa vào tính chất đặc biệt này người ta đã chế tạo ra các bộ tiết kiệm điện sử dụng cho đèn huỳnh quang. Bộ điều khiển này sẽ thực hiện việc giảm công suất tiêu thụ của đèn sau khi đèn mồi xong. Có các bộ tiêu chuẩn chế tạo cho 10 , 20 và 50 đèn 40W. Nhược điểm lớn nhất của phương án tiết kiệm điện cho đèn huỳnh quang dùng bộ điều khiển này là hệ thống đèn phải được cấp điện riêng.

Ứng dụng hệ thống BMS trong tiết kiệm điện năng
Trong các tòa nhà văn phòng lớn, việc sử dụng hệ thống BMS (Building Management System) sẽ giúp cho tiết kiệm điện năng. Hệ thống BMS tham gia trực tiếp vào quá trình điều khiển hệ thống điều hòa và thông gió (HVAC) và phải giữ cho hệ thống HVAC làm việc một cách hiệu quả, đảm bảo rằng các hoạt động của hệ thống HVAC là an toàn trong bất kỳ tình huống bất thường nào (kể cả các tình huống không được dự báo trước). Hệ thống BMS sẽ điều khiển quá trình thông gió ở mức tối ưu, giảm được tối thiểu sự mất mát nhiệt (vào mùa đông) và lạnh (vào mùa hè) đồng thời vẫn đảm bảo yêu cầu thông gió. Việc lựa chọn được một chiến lược điều khiển tốt sẽ đảm bảo được các yêu cầu của hệ thống HVAC đồng thời giảm tải cho hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí dẫn tới tiết kiệm được năng lượng điện tiêu thụ. Chiến lược và cấu trúc điều khiển này sẽ phụ thuộc vào cấu trúc của hệ thống thông gió. Tuy vậy, cho dù là thông gió tự nhiên (natural ventilation) hay thông gió cưỡng bức (bằng thiết bị máy móc – mechanical ventilation) thì một trong những mục tiêu cơ bản vẫn là loại bỏ mùi, cacbon dioxide (CO2) và các ô nhiễm khác sinh ra do con người thải ra và các hoạt động khác (như của máy in, máy photocopy,…) trong tòa nhà. Trong các yếu tố cần loại bỏ trên thì với môi trường văn phòng làm việc CO2 là yếu tố chính và hệ thống BMS cần phải khống chế nồng độ CO2 dưới nồng độ cho phép (thông thường là dưới 1000ppm). Điều này đặc biệt hữu ích cho các khu vực có số lượng người làm việc thay đổi như các hội trường, các phòng họp, phòng làm việc có sự thay đổi người làm việc thường xuyên. Nếu kết hợp được các chiến lược điều khiển khống chế nồng độ CO2 với các chiến lược điều khiển khác (khi nhiệt độ không khí ngoài trời thấp hơn nhiệt độ trong phòng, ban ngày, ban đêm, mùa hè, mùa đông,…) sẽ cho phép tiết kiệm rất nhiều năng lượng điện tiêu thụ của hệ thống điều hòa và thông gió.
Sử dụng biến tần có tiết kiệm điện không?
Khi đặt câu hỏi này ra có thể bạn sẽ nhận được hai cách trả lời hoàn toàn trái ngược nhau. Có người cho rằng sử dụng biến tần không những không tiết kiệm điện mà còn phải tiêu tốn thêm điện cho biến tần. Nhưng cũng có ý kiến cho rằng muốn tiết kiệm điện cho động cơ điện thì phải sử dụng biến tần. Theo quan điểm thứ hai này, có những lãnh đạo doanh nghiệp thậm chí cả lãnh đạo một trong những tập đoàn công nghiệp lớn của Nhà nước từng ra chỉ thị rằng “để tiết kiệm năng lượng cần trang bị biến tần cho tất cả các động cơ đang hoạt động”. Vậy hai quan điểm này, quan điểm nào đúng, quan điểm nào sai? Để trả lời trước hết chúng ta cần hiểu bản thân biến tần là thiết bị điều khiển động cơ điện xoay chiều bằng cách biến đổi tần số nguồn điện cấp cho động cơ. Biến tần sẽ cung cấp điện năng cho động cơ đúng theo yêu cầu hoạt động của động cơ bằng các thiết bị bán dẫn theo kết quả tính toán của các thuật toán điều khiển nên nó đạt hiệu suất khá cao. Tuy nhiên, mặc dù hiệu suất là khá cao thì bản thân biến tần là thiết bị điện tử nên nó cũng phải tiêu hao năng lượng và do tổn thất của các thiết bị biến đổi bán dẫn nên hiệu suất của nó không thể đạt tới 100% được. Hơn nữa khi lắp đặt biến tần ta sẽ phải tiêu hao năng lượng cho các thiết bị phụ như điều hòa không khí, quạt thông gió,… Chính vì vậy, việc sử dụng biến tần cần có sự cân nhắc thận trọng nếu như không muốn tăng mức tiêu hao điện năng. Thực tế đã có những doanh nghiệp sau khi trang bị biến tần thì không những không giảm mức tiêu hao điện năng mà còn làm tăng thêm chi phí trên hóa đơn tiền điện hàng tháng. Sử dụng nguyên tắc “Chỉ có thể tiết kiệm được khi có tổn thất, lãng phí” ta có thể nhận thấy biến tần được sử dụng hiệu quả trong các trường hợp sau:
l Đối với các ứng dụng mà yêu cầu công nghệ cần điều khiển tốc độ hoặc momen động cơ điện thì việc sử dụng biến tần sẽ hiệu quả hơn các phương pháp điều khiển khác như điều khiển điện áp, điều khiển điện trở rotors,… và nó sẽ tiết kiệm năng lượng hơn.
l Đối với các ứng dụng sử dụng động cơ quay với tốc độ định mức còn điều khiển sử dụng phương pháp điều khiển khác như dùng các cửa chặn (dampers), van chặn, van tuần hoàn,… thì có thể xem xét ứng dụng biến tần phối hợp điều khiển tốc độ và các phương pháp điều khiển trên để tiết kiệm điện năng. Cần lưu ý là trừ trường hợp của van tuần hoàn còn khi các cửa chặn và van đóng lại cũng làm giảm công suất tiêu thụ trên động cơ nên việc trang bị biến tần vào có tiết kiệm được không và tiết kiệm được bao nhiêu thì cần phải có sự khảo sát và tính toán kỹ lưỡng.
Đối với các trường hợp không có yêu cầu điều khiển, điều chỉnh gì (động cơ quay với một tốc độ định mức) thì nói chung việc ứng dụng biến tần sẽ không hiệu quả. Trong trường hợp này việc sử dụng biến tần có thể nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ bằng phương pháp điều khiển tối ưu từ thông nếu nó hoạt động non tải nhưng cần xem xét giữa mức giảm tổn hao trên động cơ và mức tổn hao tăng thêm trên biến tần để có quyết định hợp lý.
Các giải pháp tiết kiệm điện khác
Gần hai phần ba năng lượng điện sử dụng trong công nghiệp là để cung cấp cho các động cơ nên vấn đề tiết kiệm điện cho các ứng dụng truyền động sử dụng động cơ điện luôn là vấn đề có tính thời sự. Ngoài giải pháp tiết giảm năng lượng cấp cho động cơ bằng cách sử dụng biến tần đối với các ứng dụng cần sự điều khiển, điều chỉnh như đã trình bày ở trên, còn có các giải pháp khác nhằm tiết kiệm điện cho các ứng dụng truyền động sử dụng động cơ điện. Ngay cả những hệ truyền động đã sử dụng biến tần rồi cũng cần phải xem xét áp dụng các giải pháp để có thể tăng mức độ tiết kiệm điện. Giải pháp tiết kiệm điện tối ưu đối với hệ truyền động sử dụng động cơ điện phụ thuộc vào đặc điểm của mỗi ứng dụng. Ở đây tác giả xin giới thiệu một số giải pháp điển hình như sau:
l Hoàn trả năng lượng về lưới
Trong các hệ thống truyền động sử dụng động cơ điện năng lượng điện được biến đổi thành cơ năng phục vụ cho yêu cầu công nghệ. Trong quá trình đó một phần năng lượng được tích lũy dưới dạng thế năng như trong các thiết bị nâng hạ hoặc động năng của các máy. Khi thay đổi chế độ làm việc thì năng lượng này cần phải được giải phóng. Ví dụ khi thiết bị nâng hạ chuyển từ chế độ nâng sang chế độ hạ tải thì thế năng tích lũy được trong quá trình nâng cần phải được giải phóng, hoặc khi máy xeo giấy giảm tốc độ thì động năng tích lũy trong các lô của máy giấy cần phải được giải phóng. Phần năng lượng cần giải phóng này thường được biến thành nhiệt năng và thoát ra ngoài môi trường thông qua các phanh hãm cơ hoặc điện trở hãm lắp vào biến tần. Một giải pháp tiết kiệm điện năng trong trường hợp này là hoàn trả phần năng lượng này trở lại lưới bằng cách lắp bộ hãm tái sinh vào mạch một chiều trung gian của biến tần hoặc thay thế biến tần bằng loại biến tần có thể hoạt động được cả ở bốn góc phần tư (biến tần 4q).
l Giảm tổn hao trên động cơ bằng thiết bị điều khiển
Đối với các ứng dụng truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ không cần điều khiển, điều chỉnh tốc độ hoạt động trong chế độ non tải như đã nói ở trên hoặc có chu kỳ có tải và không tải thì có thể tiết kiệm điện bằng thiết bị điều khiển để giảm từ thông khi động cơ hoạt động non tải. Ví dụ như trong các máy ép nhựa, khi hành trình ép thì động cơ hoạt động đầy tải còn hành trình lùi động cơ hoạt động gần như không tải. Bộ điều khiển tiết kiệm điện sẽ tự động cảm nhận chế độ làm việc của động cơ và thực hiện tiết giảm điện áp đặt vào động cơ và qua đó giảm tổn thất trên động cơ trong chế độ non tải, nâng cao hiệu suất hoạt động. Bộ điều khiển tiết kiệm điện kiểu này có cấu trúc đơn giản hơn biến tần nhiều nên có hiệu suất cao hơn và giá thành thấp hơn nên sẽ đảm bảo khả năng hoàn vốn đầu tư.
l Thay thế động cơ bằng động cơ thế hệ mới có hiệu suất cao hơn
Sự tiến bộ của công nghệ vật liệu và công nghệ chế tạo máy điện gần đây đã cho ra đời các thế hệ động cơ có hiệu suất cao. Sử dụng các động cơ có lớp hiệu suất eff1 (hay động cơ hiệu năng cao) theo tiêu chuẩn châu Âu thay thế cho các động cơ thế hệ cũ sẽ cho phép giảm tổn thất trên động cơ và qua đó tiết kiệm được năng lượng. Các động cơ thuộc lớp hiệu suất eff1 có hiệu suất trên 91% trong khi các động cơ thuộc lớp hiệu suất eff3 có hiệu suất nhỏ hơn 88% nên việc sử dụng động cơ eff1 sẽ mang lại sự tiết kiệm năng lượng đáng kể. Với các động cơ thế hệ cũ có hiệu suất khoảng 80% thì sự tiết kiệm này còn lớn hơn nữa.
Nói chung việc thiết kế giải pháp tiết kiệm điện cho ứng dụng truyền động sử dụng động cơ điện là vấn đề phức tạp đòi hỏi phải có sự hiểu biết sâu sắc và nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực truyền động điện và ứng dụng. Giải pháp tốt nhất trong trường hợp này là sử dụng dịch vụ tư vấn của các chuyên gia.
Vấn đề quản lý vẫn là then chốt
Thực tế chứng minh rằng ngoài yếu tố công nghệ thì mức độ tổn thất năng lượng phụ thuộc rất nhiều và ý thức và trách nhiệm của nhân viên, của người vận hành. Mong muốn của người quản lý là làm sao cho tất cả nhân viên, công nhân vận hành phải có ý thức tiết kiệm năng lượng. Ở đây không đề cập tới các chính sách quản trị của các doanh nghiệp mà chỉ xin nêu ra một giải pháp công nghệ giúp cho nhà quản lý có thể kiểm soát được mức tiêu hao năng lượng hỗ trợ cho các chính sách quản lý tiết kiệm điện năng của mình. Đó là giải pháp kiểm soát mức tiêu hao điện năng đến từng ca sản xuất của doanh nghiệp.
Để có thể kiểm soát được mức độ tiêu hao điện năng đến từng ca, từng tổ và từng máy sản xuất ta có thể trang bị các thiết bị đo đếm điện thông minh và thiết lập một mạng giám sát (SCADA). Các thiết bị này hiện nay có bán trên thị trường với các chuẩn truyền thông công nghiệp như Profibus, RS485 sẽ cho phép ta kết nối các thiết bị đo đếm thông minh thành mạng. Thông qua một máy tính kết nối với mạng truyền thông này người quản lý có thể giám sát được mức tiêu hao điện năng của từng khu vực và công đoạn sản xuất tới từng ca sản xuất để từ đó có cái nhìn tổng quan về mức độ tổn thất năng lượng của toàn doanh nghiệp và từ đó có những điều chỉnh hợp lý nhằm nâng cao khả năng tiết kiệm điện năng.
Tiết kiệm điện năng hiện nay là vấn đề thời sự nóng bỏng không chỉ với các doanh nghiệp Việt Nam mà còn cả đối với các doanh nghiệp ở các nước công nghiệp phát triển. Xây dựng thành công chiến lược tiết kiệm điện năng và có những quyết định đầu tư đúng đắn sẽ giúp cho doanh nghiệp tăng sức cạnh tranh của mình trên thị trường. Việc quyết định sai không những không giúp tiết kiệm điện mà còn gây lãng phí không đáng có đối với doanh nghiệp, tạo thêm gánh nặng về tài chính và giảm sức cạnh tranh của doanh nghiệp. Tuy nhiên, với sự cân nhắc cẩn trọng cộng với việc sử dụng các ý kiến chuyên gia nhiều kinh nghiệm các nhà quản lý hoàn toàn có thể có những quyết sách đúng đắn cho vấn đề này và mang lại hiệu quả cao cho doanh nghiệp của mình.