Tổng quan về than năng lượng và ứng dụng trong ngành công nghiệp điện

Trong bối cảnh chuyển dịch năng lượng toàn cầu đang diễn ra mạnh mẽ, khi các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió và điện mặt trời ngày càng chiếm tỷ trọng lớn, thì than năng lượng (thermal coal) vẫn giữ một vị thế không thể chối bỏ. Được ví như “xương sống” của an ninh năng lượng tại nhiều quốc gia đang phát triển, trong đó có Việt Nam, than năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nguồn điện nền ổn định (baseload) cho hệ thống lưới điện quốc gia.

Bài viết này sẽ đi sâu vào khám phá bản chất của than năng lượng là gì, phân loại, các thông số kỹ thuật quan trọng và đặc biệt là ứng dụng chi tiết của nó trong ngành công nghiệp điện hiện đại, cùng với những thách thức và giải pháp công nghệ mới nhất tính đến năm 2025.

Than năng lượng là gì? Phân loại và Đặc tính kỹ thuật

Khái niệm cơ bản

Than năng lượng (hay còn gọi là than nhiệt – Thermal Coal hoặc Steam Coal) là loại than được sử dụng chủ yếu để đốt cháy sinh nhiệt, phục vụ cho việc đun nóng lò hơi trong các nhà máy nhiệt điện hoặc các lò đốt công nghiệp (như sản xuất xi măng, dệt nhuộm).

Khác với than luyện kim (Coking Coal) – loại than có tính chất kết dính cao dùng để sản xuất than cốc cho ngành luyện thép, than năng lượng không yêu cầu độ kết cốc nhưng lại đòi hỏi nhiệt trị cao và khả năng cháy ổn định.

Quá trình hình thành và Phân loại than năng lượng

Than đá năng lượng là nhiên liệu hóa thạch được hình thành từ thực vật bị chôn vùi dưới lòng đất qua hàng triệu năm, chịu áp suất và nhiệt độ cao. Dựa vào mức độ cacbon hóa (biến chất), than năng lượng được chia thành các nhóm chính sau:

• Than Anthracite (Antraxit): Là loại than có tuổi đời cao nhất, hàm lượng cacbon cao nhất (trên 86%) và tạp chất thấp. Đặc điểm của Antraxit là cháy ít khói, ngọn lửa xanh, nhiệt lượng rất cao. Tại Việt Nam, vùng mỏ Quảng Ninh nổi tiếng thế giới với trữ lượng than Antraxit chất lượng cao.
• Than Bitum (Than mỡ): Đây là loại than phổ biến nhất trong thương mại quốc tế để dùng cho nhiệt điện. Nó có nhiệt trị cao, dễ cháy hơn Antraxit và thường được nhập khẩu từ Indonesia, Úc hoặc Nga để phối trộn.
• Than Sub-bitum và Lignite (Than nâu): Loại than này có tuổi đời trẻ hơn, độ ẩm cao, nhiệt trị thấp và hàm lượng tro xỉ nhiều. Tuy nhiên, do chi phí khai thác rẻ, nó vẫn được sử dụng tại các nhà máy nhiệt điện đặt ngay cạnh mỏ (mô hình mỏ – điện).

Các chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng

Trong giao dịch thương mại và kỹ thuật vận hành nhà máy điện, chất lượng than được đánh giá qua các chỉ số:

• Nhiệt trị (Calorific Value – CV): Lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy 1kg than (đơn vị: kcal/kg). Than cho nhiệt điện thường yêu cầu dải nhiệt trị từ 5.000 đến 6.000 kcal/kg (cơ sở làm việc).
• Độ ẩm (Moisture): Độ ẩm càng cao thì nhiệt lượng hữu ích càng giảm vì phải tốn nhiệt để làm bay hơi nước. Than nhập khẩu từ Indonesia thường có độ ẩm cao hơn than Úc hay Nga.
• Độ tro (Ash): Là phần còn lại sau khi than cháy hết. Tro quá nhiều gây mài mòn thiết bị và tốn chi phí xử lý chất thải rắn.
• Chất bốc (Volatile Matter): Ảnh hưởng đến khả năng bắt cháy của than. Chất bốc cao giúp lò hơi khởi động nhanh và cháy ổn định.
• Hàm lượng Lưu huỳnh (Sulfur): Yếu tố quyết định đến mức độ ô nhiễm môi trường ($SO_x$) và khả năng ăn mòn thiết bị.

Quy trình ứng dụng than năng lượng trong nhà máy nhiệt điện

Để hiểu rõ tầm quan trọng của than, chúng ta cần nhìn vào “trái tim” của hệ thống điện năng: Nhà máy nhiệt điện đốt than. Quy trình chuyển hóa từ “hòn than đen” thành “dòng điện sáng” là một chuỗi dây chuyền công nghệ phức tạp.

Hệ thống cung cấp và chế biến nhiên liệu than năng lượng

Than sau khi được vận chuyển (bằng băng tải, tàu biển, đường sắt) về kho bãi của nhà máy sẽ được đưa vào hệ thống nghiền. Tại đây, các máy nghiền (Pulverizer) sẽ nghiền than thành bột mịn (kích thước tính bằng micromet). Việc nghiền than thành bột mịn giúp tăng diện tích tiếp xúc với không khí, đảm bảo quá trình cháy diễn ra tức thì và triệt để nhất khi được phun vào buồng đốt.

Lò hơi và Quá trình sinh hơi

Bột than được phun vào buồng lửa cùng với không khí nóng. Tại đây, quá trình cháy sinh ra nhiệt độ lên tới hàng nghìn độ C. Nhiệt năng này truyền qua các vách ống nước bao quanh lò hơi, đun sôi nước và biến nó thành hơi nước áp suất cao, nhiệt độ cao (hơi quá nhiệt).

• Công nghệ cũ: Lò hơi dưới tới hạn (Subcritical).
• Công nghệ hiện đại (2025): Lò hơi siêu tới hạn (Supercritical) và trên siêu tới hạn (Ultra-Supercritical). Công nghệ này cho phép nước chuyển thẳng thành hơi mà không qua giai đoạn sôi, giúp tăng hiệu suất nhà máy lên trên 40-45%, đồng thời giảm tiêu hao nhiên liệu.

Tua bin và Máy phát điện

Dòng hơi nước áp suất cực lớn sẽ thổi vào các cánh tua bin, làm quay trục tua bin với tốc độ khoảng 3.000 vòng/phút. Trục tua bin được nối đồng trục với rotor của máy phát điện. Nguyên lý cảm ứng điện từ trong máy phát sẽ biến cơ năng thành điện năng, sau đó được đưa lên lưới điện quốc gia qua các trạm biến áp.

Xử lý khí thải và tro xỉ

Đây là khâu quan trọng nhất để đảm bảo tiêu chuẩn môi trường.

• Hệ thống lọc bụi tĩnh điện (ESP): Thu hồi 99,9% bụi tro bay.
• Hệ thống khử lưu huỳnh (FGD): Sử dụng đá vôi hoặc nước biển để loại bỏ khí SO2
• Hệ thống khử Nitơ (SCR): Loại bỏ khí NOx độc hại.

Vai trò của than trong cơ cấu điện năng và An ninh năng lượng

Mặc dù thế giới đang hướng tới Net Zero (Phát thải ròng bằng 0) vào năm 2050, nhưng trong giai đoạn 2025-2030, than năng lượng vẫn đóng vai trò trụ cột không thể thay thế ngay lập tức.

Tính ổn định của than năng lượng

Điện gió và điện mặt trời phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết (nắng, gió). Khi trời tối hoặc lặng gió, sản lượng điện tái tạo sụt giảm nghiêm trọng. Lúc này, nhiệt điện than đóng vai trò là nguồn điện chạy nền, hoạt động ổn định 24/7 để giữ tần số và điện áp lưới điện không bị sụp đổ.

Giá thành và tính kinh tế

So với điện khí LNG (nhập khẩu khí hóa lỏng đắt đỏ) hay thủy điện (đã khai thác gần hết tiềm năng), nhiệt điện than vẫn có chi phí sản xuất (LCOE) ở mức cạnh tranh, giúp duy trì giá điện ở mức chấp nhận được cho nền kinh tế và người tiêu dùng.

Bối cảnh tại Việt Nam

Theo Quy hoạch điện VIII được Chính phủ phê duyệt, đến năm 2030, nhiệt điện than vẫn chiếm một tỷ trọng đáng kể trong cơ cấu nguồn điện. Tuy nhiên, định hướng chiến lược đã thay đổi:

• Không phát triển thêm các dự án nhiệt điện than mới sau năm 2030.
• Các nhà máy hiện hữu phải thực hiện chuyển đổi nhiên liệu (đốt kèm sinh khối – biomass, ammoniac) hoặc nâng cấp công nghệ để giảm phát thải.
• Việt Nam hiện là nước nhập khẩu ròng than năng lượng (chủ yếu từ Indonesia, Úc, Lào) để phục vụ các nhà máy điện do khai thác trong nước ngày càng xuống sâu và khó khăn.

Thị trường than năng lượng toàn cầu và Chuỗi cung ứng

Thị trường than năng lượng là một thị trường sôi động và chịu ảnh hưởng lớn bởi địa chính trị.

Các nguồn cung lớn

• Indonesia: “Vua” xuất khẩu than nhiệt của thế giới. Than Indo thường có nhiệt trị trung bình, độ ẩm cao nhưng giá thành rẻ và cước vận chuyển về Việt Nam thấp.
• Úc (Australia): Cung cấp than nhiệt lượng cao, chất lượng tốt, ít tạp chất. Thường dùng để phối trộn với than nội địa hoặc than Indo để nâng cao hiệu suất đốt.
• Nga: Một nguồn cung quan trọng với các dòng than Anthracite và Bitum chất lượng cao, tuy nhiên chịu ảnh hưởng bởi các lệnh trừng phạt và vấn đề logistics.

Xu hướng giá than

Giá than năng lượng thường biến động theo giá dầu mỏ và khí đốt, cũng như nhu cầu tiêu thụ điện vào mùa cao điểm (mùa đông ở Châu Âu/Bắc Á hoặc mùa hè ở Đông Nam Á). Các doanh nghiệp điện lực hiện nay thường ký các hợp đồng dài hạn (long-term contracts) kết hợp với mua giao ngay (spot market) để tối ưu hóa chi phí nhiên liệu đầu vào.

Thách thức môi trường và Giải pháp Công nghệ sạch

Đây là phần quan trọng nhất để đánh giá tương lai của ngành than. Để tồn tại, ngành công nghiệp than đang phải “lột xác” với các công nghệ sạch.

Công nghệ đốt than siêu tới hạn

Như đã đề cập, việc nâng cao thông số hơi nước lên mức siêu tới hạn giúp giảm lượng than tiêu thụ cho mỗi kWh điện. Hiện nay, hầu hết các nhà máy nhiệt điện mới tại Việt Nam (như Vĩnh Tân 4, Duyên Hải 3 mở rộng, Sông Hậu 1) đều áp dụng công nghệ này.

Đồng đốt (Co-firing)

Đây là giải pháp chuyển đổi năng lượng thực tế nhất. Các nhà máy nhiệt điện than sẽ đốt kèm viên nén sinh khối (biomass) hoặc Ammoniac xanh. Việc đốt kèm 20-30% sinh khối giúp giảm lượng phát thải carbon tương ứng mà không cần thay đổi quá nhiều kết cấu lò hơi.

Công nghệ thu hồi, sử dụng và lưu trữ Carbon

CCUS (Carbon Capture, Utilization, and Storage) được xem là chìa khóa để nhiệt điện than có thể tồn tại trong kỷ nguyên Net Zero. Công nghệ này tách khí C02 ra khỏi khói thải, sau đó nén lỏng và chôn lấp dưới lòng đất hoặc sử dụng cho các ngành công nghiệp khác. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất hiện nay vẫn là chi phí đầu tư rất cao.

Kết luận

Than năng lượng, với lịch sử hàng trăm năm là động lực của các cuộc cách mạng công nghiệp, hiện đang đứng trước ngã rẽ lịch sử. Dù chịu nhiều áp lực về môi trường, nhưng không thể phủ nhận vai trò không thể thay thế của nó trong việc đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia và duy trì sự ổn định của hệ thống điện trong giai đoạn hiện nay.

Đối với các nhà đầu tư, nhà quản lý và kỹ sư trong ngành năng lượng, việc hiểu rõ đặc tính kỹ thuật, thị trường và các xu hướng công nghệ mới liên quan đến than năng lượng là vô cùng cần thiết. Tương lai của ngành điện không nằm ở việc loại bỏ hoàn toàn than ngay lập tức, mà nằm ở việc sử dụng than hiệu quả hơn, sạch hơn và kết hợp hài hòa với các nguồn năng lượng xanh, hướng tới một sự phát triển bền vững và an toàn.