Than năng lượng là gì? Ứng dụng và vai trò quan trọng trong công nghiệp

Khi chúng ta bật công tắc đèn, khởi động dây chuyền nhà máy hay đơn giản là lướt web, chúng ta hiếm khi dừng lại để suy nghĩ về nguồn gốc của dòng điện. Trong suốt hơn một thế kỷ qua, bất chấp sự trỗi dậy của các nguồn năng lượng tái tạo, có một “người khổng lồ” thầm lặng vẫn đang gánh vác phần lớn trọng trách cung cấp năng lượng cho nền văn minh nhân loại: than năng lượng.

Từ cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ nhất cho đến kỷ nguyên 4.0, than năng lượng (hay còn gọi là than nhiệt, than hơi) đã và đang là huyết mạch của tăng trưởng kinh tế. Nó thắp sáng các thành phố, vận hành các nhà máy sản xuất xi măng, thép, hóa chất, và là nền tảng cho sự thịnh vượng của nhiều quốc gia.

Tuy nhiên, vai trò của nó cũng đầy mâu thuẫn. Than là nguồn năng lượng rẻ, dồi dào, đảm bảo an ninh năng lượng, nhưng cũng là tác nhân chính gây ra phát thải khí nhà kính và ô nhiễm môi trường.

Vậy, than năng lượng là gì? Nó được phân loại như thế nào? Các ngành công nghiệp nào đang “khát” nguồn nhiên liệu này nhất? Và trong bối cảnh thế giới đang hướng tới “Net Zero”, tương lai nào đang chờ đợi loại tài nguyên này?

Than Năng Lượng Là Gì?

Trước hết, chúng ta cần một định nghĩa rõ ràng.

Định nghĩa chuyên sâu về Than Năng Lượng

Than năng lượng, hay còn được gọi là than nhiệt hoặc than hơi (steam coal), là một loại than đá (coal) được sử dụng chủ yếu để làm nhiên liệu đốt, với mục đích chính là tạo ra nhiệt lượng.

Nhiệt lượng này sau đó được sử dụng để:

Đun sôi nước: Tạo ra hơi nước (steam) dưới áp suất và nhiệt độ cao.
Vận hành tuabin: Hơi nước này được dẫn đi để làm quay các tuabin.
Tạo ra sản phẩm: Tuabin quay có thể làm quay máy phát điện (sản xuất điện) hoặc vận hành các máy móc cơ khí khác trong công nghiệp.

Đây chính là điểm khác biệt mấu chốt giữa than năng lượng và “người anh em” của nó là than luyện kim (metallurgical coal hay coking coal). Than luyện kim được sửdụng trong một quy trình đặc biệt (luyện cốc) để sản xuất thép, nó không chủ đích dùng để đốt tạo hơi.

Nói một cách đơn giản:

Than Năng Lượng (Thermal): Đốt để lấy Nhiệt/Hơi.
Than Luyện Kim (Coking): Nung nóng để lấy Carbon (cốc) làm nguyên liệu cho ngành thép.

Hầu hết các loại than từ cấp thấp (than nâu) đến cấp cao (than bán bitum, than bitum) đều có thể được sử dụng làm than năng lượng, miễn là chúng cháy và sinh nhiệt hiệu quả về mặt kinh tế.

Nguồn gốc và Quá trình Hình thành

Than năng lượng, giống như tất cả các loại than đá, là một loại đá trầm tích có nguồn gốc hữu cơ. Nó được hình thành từ xác thực vật (cây cối, dương xỉ, rêu) tích tụ trong các đầm lầy qua hàng trăm triệu năm (chủ yếu là Kỷ Than Đá, khoảng 300-360 triệu năm trước).

Quá trình này diễn ra qua các giai đoạn:

Tích tụ: Xác thực vật chết, rơi xuống đầm lầy, thiếu oxy nên không thể phân hủy hoàn toàn.
Than bùn (Peat): Lớp xác thực vật này dày lên, bị vùi lấp và nén lại, tạo thành than bùn.
Hóa than (Coalification): Dưới tác động của áp suất (từ các lớp trầm tích bên trên) và nhiệt độ (từ địa nhiệt), than bùn dần mất đi nước, oxy, hydro và tập trung hàm lượng carbon.

Than năng lượng chủ yếu là các loại than Á Bitum và Bitum, vì chúng có sự cân bằng tốt giữa nhiệt trị cao và khả năng bắt lửa (chất bốc) vừa phải.

Các Chỉ Tiêu Kỹ Thuật (Specs) Quyết Định Chất Lượng

Trong thương mại và công nghiệp, không phải mọi loại than năng lượng đều giống nhau. Giá trị của chúng được quyết định bởi các chỉ tiêu kỹ thuật (specification) nghiêm ngặt. Đây là “bảng thành phần” mà mọi nhà máy đều phải xem xét.

Nhiệt Trị (Calorific Value – CV):

Đây là chỉ số quan trọng nhất. Nó đo lường lượng năng lượng (nhiệt) được giải phóng khi đốt một khối lượng than nhất định.
Đơn vị: Kcal/kg (Kilocalories trên kg) hoặc MJ/kg (Megajoules trên kg).
Trong hợp đồng thương mại, bạn thường thấy các thuật ngữ GAR (Gross As Received) và NAR (Net As Received). GAR là tổng nhiệt trị (bao gồm cả độ ẩm), trong khi NAR là nhiệt trị thực tế sau khi trừ đi năng lượng mất đi để làm bay hơi nước có trong than.

Hàm lượng Tro (Ash Content):

Là phần cặn bã, không cháy được còn lại sau khi than bị đốt cháy hoàn toàn.
Đơn vị: %.
Tro càng cao, nhiệt trị càng giảm (vì nó chiếm chỗ của phần cháy được). Tro cũng gây mài mòn thiết bị lò hơi và tạo ra lượng lớn xỉ thải cần xử lý.

Hàm lượng Lưu huỳnh (Sulfur Content – S):

Đơn vị: %.
Đây là chỉ số “tai hại” nhất về mặt môi trường. Khi cháy, lưu huỳnh tạo ra khí SO2, (Sulfur Dioxide), là nguyên nhân chính gây ra mưa axit và các bệnh về hô hấp.
Các quốc gia càng phát triển, quy định về hàm lượng lưu huỳnh tối đa cho phép càng nghiêm ngặt. Than có S thấp (<1%) luôn được ưu tiên.

Hàm lượng Chất Bốc (Volatile Matter – VM):

Là phần vật chất trong than (chủ yếu là khí hydrocacbon) sẽ bay hơi khi được nung nóng trong điều kiện không có oxy.
Đơn vị: %.
Chất bốc cao giúp than dễ bắt lửa và cháy ổn định hơn. Tuy nhiên, nếu quá cao, nó có thể gây cháy không hoàn toàn hoặc bùng nổ trong lò.

Độ ẩm (Total Moisture – TM):

Bao gồm độ ẩm bề mặt (do mưa, rửa than) và độ ẩm bên trong (vốn có).
Đơn vị: %.
Độ ẩm cao làm giảm nhiệt trị (vì phải tốn năng lượng để làm bay hơi nước) và tăng chi phí vận chuyển (vận chuyển nước thay vì than).

Một nhà máy điện sẽ tìm kiếm loại than có Nhiệt trị (CV) cao, Tro (Ash) thấp, Lưu huỳnh (S) thấp, và Độ ẩm (Moisture) thấp để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tác động môi trường.

Phân Loại Than Năng Lượng Trên Thị Trường

Dựa trên quá trình hình thành và các chỉ tiêu kỹ thuật, than năng lượng được phân thành nhiều loại, mỗi loại phù hợp với một ứng dụng cụ thể.

Than Nâu (Lignite)

Đặc điểm: Là loại than “non” nhất. Hàm lượng carbon thấp (60-70%), độ ẩm rất cao (có thể lên đến 60%), và do đó có nhiệt trị thấp.
Ưu điểm: Rẻ, trữ lượng lớn, thường được khai thác lộ thiên.
Nhược điểm: Hiệu suất sinh nhiệt kém, vận chuyển không kinh tế (vì chở quá nhiều nước).
Ứng dụng: Thường được sử dụng tại các nhà máy điện xây dựng ngay tại miệng mỏ (mine-mouth power plants) để tiết kiệm chi phí vận chuyển.

Than Á Bitum (Sub-Bituminous)

Đặc điểm: “Già” hơn than nâu. Độ ẩm thấp hơn (khoảng 20-30%), nhiệt trị cao hơn. Hàm lượng lưu huỳnh thường thấp.
Ứng dụng: Đây là loại than năng lượng rất phổ biến. Than từ Indonesia (như các mỏ ở Kalimantan) phần lớn là Á Bitum, được xuất khẩu rộng rãi sang Trung Quốc, Ấn Độ, và Việt Nam.

Than Bitum (Bituminous)

Đặc điểm: Là loại than “trưởng thành”, cứng, đen bóng. Hàm lượng carbon cao (70-86%), nhiệt trị cao, chất bốc vừa phải. Đây là loại than có giá trị thương mại cao nhất trong nhóm than năng lượng.
Nhược điểm: Một số loại (nhất là than ở Bắc Mỹ) có thể có hàm lượng lưu huỳnh cao, đòi hỏi hệ thống xử lý khí thải tốn kém.
Ứng dụng: Nhiên liệu “cao cấp” cho các nhà máy điện hiệu suất cao, lò nung xi măng, và các lò hơi công nghiệp đòi hỏi nhiệt độ ổn định. Than từ Úc (Newcastle) hay Nga là ví dụ điển hình.

Than Antraxit (Anthracite)

Đặc điểm: Cấp than cao nhất, “già” nhất. Hàm lượng carbon > 86%. Rất cứng, ít tro, nhiệt trị rất cao.
Nhược điểm: Chất bốc rất thấp (khó bắt lửa).
Ứng dụng: Do khó cháy, nó ít được dùng trong các nhà máy điện lớn (vốn cần than cháy nhanh). Tuy nhiên, than Antraxit (như than Quảng Ninh ở Việt Nam) lại là nhiên liệu tuyệt vời cho:
- Các lò nung công nghiệp đặc thù (luyện kim, hóa chất).
- Nhiên liệu sưởi ấm dân dụng (vì cháy lâu, ít khói).
- Sản xuất than hoạt tính.

Ứng Dụng Chi Tiết Của Than Năng Lượng

Đây là phần quan trọng nhất để hiểu vai trò của than năng lượng. Nó không chỉ dùng để phát điện; nó là “bánh mì” hàng ngày của rất nhiều ngành công nghiệp nặng.

Ứng dụng số 1: Sản Xuất Điện

Đây là ngành “khát” than năng lượng nhất, tiêu thụ khoảng 65-70% tổng lượng than năng lượng toàn cầu.

Quy trình:

Nghiền (Pulverization): Than được nghiền mịn như bột (gọi là “than cám” hay “pulverized coal”). Việc này làm tăng diện tích tiếp xúc, giúp than cháy nhanh và hiệu quả hơn.
Đốt (Combustion): Bột than được phun vào lò hơi (boiler) khổng lồ, cháy ở nhiệt độ cực cao.
Tạo hơi (Steam Generation): Nhiệt lượng từ lò đun sôi nước trong các đường ống, tạo ra hơi nước siêu nóng, áp suất cực cao (Superheated Steam).
Quay Tuabin (Turbine): Hơi nước áp suất cao được phun với tốc độ lớn, làm quay các cánh quạt của tuabin.
Phát điện (Generation): Tuabin được nối với một máy phát điện (generator). Khi tuabin quay, máy phát điện tạo ra dòng điện.

Tại sao than vẫn được ưu tiên?

Công suất nền (Baseline Power): Không giống như điện gió (chỉ có khi có gió) hay điện mặt trời (chỉ có ban ngày), nhà máy nhiệt điện than có thể chạy 24/7/365 với công suất ổn định. Đây là yếu tố sống còn để đảm bảo an ninh lưới điện quốc gia.
Chi phí: Dù giá than biến động, nó vẫn là một trong những nguồn nhiên liệu phát điện có chi phí ổn định và cạnh tranh nhất, đặc biệt là ở các nước đang phát triển.

Ứng dụng số 2: Sản Xuất Xi Măng

Ngành công nghiệp xi măng là “khách hàng” lớn thứ hai của than năng lượng. Nếu không có than, chúng ta không thể xây dựng nhà cửa, cầu cống, hay cơ sở hạ tầng.

Vai trò của than:

Nhiên liệu cho Lò Nung Clinker (Rotary Kiln):
- Để sản xuất xi măng, các nguyên liệu thô (đá vôi, đất sét) phải được nung trong một lò quay khổng lồ ở nhiệt độ lên tới 1450°C.
- Chỉ có than (hoặc khí đốt/dầu) mới có thể cung cấp mức nhiệt lượng khổng lồ và ổn định này một cách kinh tế. Than được nghiền mịn và phun trực tiếp vào lò, tạo ra ngọn lửa duy trì nhiệt độ nung.
Sấy khô nguyên liệu: Hơi nóng thừa từ lò nung cũng được tận dụng để sấy khô nguyên liệu đầu vào.

Các Ngành Công Nghiệp Hơi Nước Khác

Hàng ngàn nhà máy trong các lĩnh vực khác nhau cần hơi nước để vận hành. Họ sử dụng các lò hơi (industrial boiler) đốt than năng lượng để tạo ra hơi nước này.

Công nghiệp Giấy và Bột giấy: Cần lượng hơi nước khổng lồ để nấu bột gỗ và sấy khô giấy thành phẩm.
Công nghiệp Dệt may và Nhuộm: Hơi nước được dùng để gia nhiệt cho các bể nhuộm, giặt, và vận hành các máy sấy, máy là công nghiệp.
Chế biến Thực phẩm và Đồ uống: Hơi nước dùng để thanh trùng (sữa, bia), nấu (đường, kẹo), và vệ sinh thiết bị.
Luyện kim (ngoài thép): Than được dùng trong các lò nung để nấu chảy nhôm (từ alumina), đồng và các kim loại màu khác.

Vai Trò Sống Còn Của Than Năng Lượng Đối Với Nền Kinh Tế

Hiểu được các ứng dụng trên, chúng ta có thể thấy rõ vai trò vĩ mô của than năng lượng.

Trụ Cột Của An Ninh Năng Lượng Quốc Gia

An ninh năng lượng là khả năng một quốc gia đảm bảo nguồn cung năng lượng liên tục, ổn định với giá cả phải chăng. Than năng lượng đóng vai trò then chốt trong trụ cột này.

Tính sẵn có và Trữ lượng Dồi dào: Trữ lượng than đá toàn cầu được ước tính đủ dùng trong hơn 130 năm nữa với mức tiêu thụ hiện tại. Con số này lớn hơn nhiều so với dầu mỏ và khí đốt.
Đa dạng hóa Nguồn cung: Không giống như dầu mỏ (tập trung ở Trung Đông) hay khí đốt (Nga, Mỹ), các mỏ than lớn có mặt ở khắp các châu lục (Trung Quốc, Ấn Độ, Úc, Indonesia, Mỹ, Nga, Nam Phi). Điều này làm giảm rủi ro về địa chính trị. Bất kỳ quốc gia nào cũng có thể mua than từ nhiều nhà cung cấp.
Dễ Vận chuyển và Lưu trữ: Than là nhiên liệu rắn. Nó có thể được vận chuyển dễ dàng bằng tàu biển, tàu hỏa, và quan trọng nhất là có thể lưu trữ (stockpile) tại các cảng, nhà máy. Một nhà máy điện có thể dự trữ than đủ dùng cho 30-60 ngày. Điều này là không thể với điện gió/mặt trời và rất tốn kém với khí LNG.

Động lực Tăng trưởng Kinh tế và Công nghiệp hóa

Có một mối tương quan không thể chối cãi: Năng lượng giá rẻ = Tăng trưởng công nghiệp.

Lịch sử đã chứng minh, từ Anh, Đức, Mỹ trong quá khứ đến Trung Quốc, Ấn Độ, và Việt Nam ngày nay, giai đoạn công nghiệp hóa “thần tốc” luôn gắn liền với việc khai thác nguồn than năng lượng dồi dào, giá rẻ.

Chi phí đầu vào cạnh tranh: Khi giá điện thấp (nhờ than), chi phí sản xuất của mọi ngành hàng (thép, xi măng, dệt may, điện tử) đều giảm. Điều này tạo ra lợi thế cạnh tranh quốc gia, thu hút đầu tư FDI và thúc đẩy xuất khẩu.
Nền tảng của Đô thị hóa: Năng lượng ổn định từ than cho phép xây dựng cơ sở hạ tầng (cầu, đường, tòa nhà), vận hành hệ thống nước sạch, xử lý nước thải và thắp sáng các đô thị đang mở rộng.

Tạo Công ăn Việc làm

Ngành công nghiệp than tạo ra hàng triệu việc làm trực tiếp và gián tiếp trên toàn thế giới, bao gồm:

Khai mỏ: Kỹ sư, công nhân vận hành máy móc.
Vận tải: Lái tàu, thủy thủ tàu chở hàng rời, công nhân cảng.
Nhà máy điện: Kỹ sư vận hành, bảo trì.
Các ngành công nghiệp hỗ trợ: Sản xuất thiết bị, dịch vụ logistics.

Kết Luận

Than năng lượng là nhiệt lượng, là điện năng, là xi măng, là phân bón. Nó là nền móng vô hình của xã hội công nghiệp, là động lực đưa hàng tỷ người thoát khỏi đói nghèo, và là nhiên liệu cho sự tăng trưởng thần kỳ của châu Á.

Không thể phủ nhận, than năng lượng là một di sản của quá khứ với những hệ lụy môi trường nặng nề. Kỷ nguyên của nó đang dần đi đến hồi kết khi thế giới nhận thức rõ hơn về biến đổi khí hậu.

Tuy nhiên, “cái chết” của than sẽ không xảy ra ngay lập tức. Nó sẽ là một quá trình chuyển dịch kéo dài hàng thập kỷ. Trong tương lai gần, vai trò của than năng lượng sẽ chuyển từ “nguồn nhiên liệu chính” sang “nguồn nhiên liệu dự phòng” và “nguyên liệu công nghiệp”.