TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Chúng ta đều biết rằng việc phát điện sử dụng các nguồn tài nguyên như hydel, nhiệt và hạt nhân Quá trình này bắt đầu bằng việc chuyển đổi năng lượng tiềm năng hoặc năng lượng nhiệt thành năng lượng cơ học, sau đó chuyển đổi tiếp thành năng lượng điện Hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng tiềm năng sang năng lượng cơ học đạt khoảng 70 đến 80%, trong khi chuyển đổi từ năng lượng nhiệt chỉ đạt 40 đến 45% Hơn nữa, số lượng và chi phí của các thành phần cơ học cần thiết cho việc chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng cơ học là đáng kể, dẫn đến yêu cầu về vốn đầu tư lớn và chi phí bảo trì cao.
Trong suốt 50 năm qua, các nhà khoa học đã nỗ lực loại bỏ hệ thống cơ học để chuyển đổi nhiệt thành năng lượng điện trực tiếp Tuy nhiên, cho đến nay, chưa có hệ thống nào đạt công suất lớn (MW) đủ khả năng cạnh tranh với các hệ thống truyền thống Hơn nữa, hiệu suất chuyển đổi vẫn còn thấp (dưới 10%), dẫn đến việc các hệ thống phát điện này chưa được phát triển trên quy mô lớn.
Đề tài “Tính toán lợi ích kinh tế của phát điện từ thủy động lực” nghiên cứu tối ưu hóa các thông số đầu vào nhằm nâng cao hiệu suất máy phát, giảm chi phí nhiên liệu và hạ giá thành sản xuất điện Bằng cách sử dụng phần mềm Matlab để lập mô hình mô phỏng hệ thống, đề tài hướng đến việc cung cấp công cụ tính toán và mô phỏng hữu ích cho sự phát triển nguồn điện, phục vụ cho mục tiêu công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước Kết quả nghiên cứu sẽ hỗ trợ nhà nghiên cứu, cán bộ kỹ thuật và sinh viên trong việc tìm hiểu về máy phát từ thủy động lực tại Việt Nam.
Trong những năm gần đây, sự tăng trưởng kinh tế mạnh mẽ đã dẫn đến nhu cầu năng lượng gia tăng, trong khi nguồn tài nguyên năng lượng hiện tại đang cạn kiệt Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đang tập trung vào hai xu hướng chính: tìm kiếm và sử dụng nguồn năng lượng mới thay thế cho năng lượng hóa thạch, và nâng cao hiệu quả của các hệ thống năng lượng hiện tại Các nguồn năng lượng mới như năng lượng gió, thủy triều, mặt trời, địa nhiệt và sinh khối đang được nghiên cứu, nhưng vẫn gặp phải một số thách thức như chi phí cao và sự phụ thuộc vào yếu tố thiên nhiên.
Đề tài này tập trung vào việc nâng cao hiệu suất hệ thống phát điện, đặc biệt là thông qua việc áp dụng nguyên lý Từ thủy động lực MHD (MagnetoHydroDynamic) Đây là một phương pháp phát điện trực tiếp sử dụng nguồn nhiệt ở nhiệt độ cao, có thể lên đến 2000K, hứa hẹn mang lại hiệu suất vượt trội so với các hệ thống phát điện truyền thống.
Giới hạn đề tài
- Quan hệ chi phí năng lƣợng đầu vào, giá thành năng lƣợng đầu ra từ đó đƣa ra chi phí phát điện MHD:
+ Máy phát Faraday điện cực liên tục
+ Máy phát Faraday điện cực phân đoạn
+ Máy phát điện cực nối chéo
+ Chu trình kết hợp chỉ tính đến nhà máy nhiệt điện ngƣng hơi
- Nhiên liệu sử dụng là than đá
Nội dung đề tài
Đề tài “ Tính toán lợi ích kinh tế của phát điện từ thủy động lực ” bao gồm các chương sau:
Chương I: Tổng quan: Chương này trình bày tổng quan sơ bộ về các yêu cầu của cuốn báo cáo nhƣ đặt vấn đề, mục tiêu, giới hạn và nội dung đề tài
Chương II: Cơ sở lý thuyết: Chương này trình bày về giới thiệu máy phát điện MHD và nguyên lý hoạt động của nó
Chương III: Chí phí sản xuất điện năng: Chương này trình bày các cách tính toán chi phí sản xuất điện năng
Chương IV: Tính toán chi phí tiền điện khi kết hợp hệ thống từ thủy động lực : Chương này sẽ trình bày cách tính toán tiền điện khi kết hợp hệ thống từ thủy động lực
Chương V: Kết quả: Kết luận chung về ưu điểm và hạn chế của đề tài, khẳng định những kết quả đóng góp đạt đƣợc, đề xuất ý kiến để cải thiện khuyết điểm và định hướng phát triển
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chuyển đổi năng lƣợng nhiệt động
Quá trình sản xuất điện chủ yếu liên quan đến việc chuyển đổi năng lượng từ dạng sơ cấp hoặc thứ cấp, từ nhiệt sang cơ khí và sau đó sang điện Hầu hết các nhà máy điện hiện nay dựa vào quy trình sản xuất điện gọi là sự quy ước Việc sản xuất điện chủ yếu diễn ra tại các nhà máy thủy điện và nhiệt điện, nơi sử dụng nguồn nhiên liệu chính như khí tự nhiên, dầu, than, gỗ, sinh khối, chất thải rắn, hoặc năng lượng hạt nhân và địa nhiệt Trong sản xuất thủy điện, năng lượng cơ học từ nước chảy được chuyển đổi thành điện thông qua tuabin và máy phát điện Trong khi đó, các nhà máy nhiệt điện chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng cơ học, và sau đó thành điện năng, chủ yếu sử dụng nhiên liệu hóa thạch hoặc hạt nhân Ngoài ra, một số nhà máy điện cũng sử dụng năng lượng nhiệt tự nhiên như năng lượng mặt trời và địa nhiệt, nhưng năng lượng hóa học của nhiên liệu vẫn là nguồn năng lượng chính trong quá trình này.
Năng lượng tiềm tàng của nhiên liệu hóa thạch được chuyển hóa thành năng lượng nhiệt qua phản ứng tỏa nhiệt hóa học, đặc trưng bởi sự thay đổi Entanpy Đối với nhiên liệu hạt nhân, quá trình phân hạch cũng tạo ra nhiệt Nhiệt này được truyền đến chất lỏng làm việc, phát động các máy không phù hợp như tuabin khí hoặc động cơ pittông, từ đó chuyển đổi năng lượng nhiệt thành công cơ khí Cuối cùng, công việc cơ khí này được chuyển đến máy phát điện, hoàn tất quá trình chuyển đổi năng lượng sang dạng điện Tuy nhiên, cần lưu ý rằng không thể chuyển đổi hoàn toàn năng lượng trong bất kỳ quy trình nào.
Năng lượng có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác, với mỗi bước chuyển đổi được xác định bởi hiệu suất chuyển đổi Hiệu suất này là hệ số phản ánh phần năng lượng ban đầu có sẵn và lượng năng lượng được chuyển đổi sang hình thức mong muốn.
Hệ thống chuyển đổi năng lƣợng trực tiếp
Khả năng cải thiện các quá trình chuyển đổi năng lượng thông thường chủ yếu phụ thuộc vào tiến bộ công nghệ, nhưng lợi nhuận vẫn còn hạn chế Do đó, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang phát triển các hệ thống chuyển đổi không thông thường Trong các hệ thống này, năng lượng không bị mất mát đáng kể trong quá trình chuyển đổi từ năng lượng nhiệt sang năng lượng cơ học, nhờ vào việc loại bỏ các bộ phận cơ học chuyển động Điều này cho phép đạt được nhiệt độ vận hành cao hơn và tiềm năng hiệu quả chuyển đổi cao hơn Các quá trình này được gọi là chuyển đổi trực tiếp, nơi năng lượng sơ cấp và thứ cấp được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng mà không cần qua giai đoạn năng lượng cơ học Hiện nay, các phương pháp chuyển đổi năng lượng trực tiếp đang được xem xét cho ứng dụng công nghiệp.
• Hệ thống phát điện quang điện (Pin mặt trời quang điện) [3]
• Chuyển đổi năng lƣợng điện hóa (Pin nhiên liệu) [4]
• Sản xuất năng lực từ tính (MHD) [5]
• Sản xuất điện động lực học (EGD) [6]
Trong hai quá trình đầu tiên, năng lượng sơ cấp được chuyển đổi thành năng lượng thứ cấp nhằm hạn chế sự chuyển đổi sang năng lượng nhiệt trung gian Hình 2.2 minh họa các giai đoạn chuyển đổi năng lượng trong việc sản xuất trực tiếp năng lượng điện.
Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng phụ thuộc vào loại năng lượng được chuyển đổi, và kỹ sư đang tìm kiếm các phương pháp hiệu quả hơn để biến đổi nguồn năng lượng chính thành điện Việc áp dụng các chương trình chuyển đổi mới trực tiếp mang lại ba lợi ích chính: hiệu quả, độ tin cậy và sử dụng nguồn năng lượng mới Khi quá trình chuyển đổi diễn ra trực tiếp, nó có khả năng tiết kiệm chi phí cho dự trữ năng lượng và giảm đầu tư cho mỗi đơn vị năng lượng lắp đặt Tuy nhiên, hiệu quả của các chương trình này vẫn còn hạn chế trong giai đoạn phát triển hiện tại Đối với độ tin cậy, thiết bị chuyển đổi năng lượng cần hoạt động liên tục trong nhiều năm mà không gặp sự cố hay cần bảo trì, đảm bảo độ tin cậy cao trong các tình huống này.
Hình 2.1: Các giai đoạn chuyển đổi năng lượng trực tiếp
Sự phát triển của các bộ chuyển đổi năng lượng trực tiếp mới đã góp phần nâng cao khả năng sử dụng các nguồn năng lượng mới.
Có nhiều phương pháp để chuyển đổi trực tiếp năng lượng nhiệt thành năng lượng điện Trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ đề cập ngắn gọn đến sản xuất năng lượng từ tính, nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan về sự quan tâm đối với quá trình chuyển đổi trực tiếp này.
2.3 Máy phát năng lƣợng từ từ thủy động lực
Máy phát năng lượng từ hóa (MHD) là thiết bị tạo ra điện năng thông qua sự tương tác giữa chất lỏng chuyển động, thường là khí ion hóa hoặc plasma, với từ trường Máy phát MHD có khả năng chuyển đổi năng lượng nhiệt thành điện mà không cần các bộ phận cơ khí di chuyển, giúp cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng Với thiết kế không có bộ phận chuyển động, máy phát này có thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao hơn so với các quy trình thông thường.
Nguyên tắc cơ bản của việc tạo ra năng lượng MHD rất đơn giản: một loại khí dẫn điện được sinh ra từ việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch ở áp suất cao Khi khí này được dẫn qua một từ trường, nó sẽ tạo ra một lực điện.
Hệ thống MHD hoạt động dựa trên định luật cảm ứng Faraday, do nhà vật lý Michael Faraday phát hiện Nó hoạt động như một động cơ nhiệt, mở rộng khí từ áp suất cao đến áp suất thấp, tương tự như trong máy phát điện khí Trong máy phát điện tua bin, khí tương tác với các bề mặt lưỡi cắt để quay tuabin và máy phát điện Ngược lại, trong hệ thống MHD, động năng của khí được chuyển đổi trực tiếp thành năng lượng điện khi khí được phép mở rộng Khi có dòng điện chạy qua dây dẫn trong từ trường, lực Lorentz sẽ được sinh ra vuông góc với cả từ trường và dòng điện.
Cảm ứng (E) đƣợc đƣa ra bởi: i
là vận tốc của khí ion hóa và B
là cường độ của cường độ từ trường
Hình 2.3:Hệ thống máy phát điện MHD
Mật độ dòng điện cảm ứng đƣợc cho bởi: i
Trong đó σ là độ dẫn điện của khí
Lực hồi phục trên dây dẫn là lực Lorentz đƣợc cho bởi: i
Trong bộ chuyển đổi MHD, dây dẫn điện được thay thế bằng dòng plasma ion hóa ở tốc độ và nhiệt độ cao Khi khí gas tốc độ cao chảy vào ống phân kỳ hội tụ và đi qua từ trường, một điện động lực (e.m.f) được cảm ứng vuông góc với hướng từ trường và dòng khí Các điện cực ở hai bức tường đối diện của kênh lưu lượng MHD tạo ra giao diện cho mạch ngoài, cho phép electron di chuyển từ chất lỏng sang điện cực, đến tải trọng bên ngoài và trở lại chất lỏng, hoàn thành mạch điện Luồng kênh MHD cung cấp nguồn dòng điện trực tiếp có thể sử dụng cho tải bên ngoài hoặc kết nối với bộ chuyển đổi điều hòa năng lượng để tạo ra dòng điện xoay chiều Năng lượng điện sinh ra tỷ lệ thuận với sự giảm động năng và entanpy của dòng chất lỏng Hiệu ứng MHD có thể xảy ra với electron trong chất lỏng kim loại như thủy ngân và natri hoặc trong các khí nóng chứa ion và electron tự do, nơi electron di chuyển dễ dàng giữa các nguyên tử và ion trong khi vẫn duy trì tính trung lập điện tích cục bộ.
Hầu hết các nghiên cứu về khí ion hóa ở nhiệt độ cao đã tập trung vào việc khai thác chất lỏng, nhưng nhiều loại khí phổ biến không ion hóa đáng kể ở nhiệt độ mà phản ứng hóa học từ nhiên liệu hóa thạch có thể đạt được Điều này dẫn đến việc nguồn khí nóng chỉ chứa một lượng nhỏ vật liệu ion hóa như kim loại kiềm Các vật liệu như Caesium và kali có tiềm năng ion hóa thấp, cho phép chúng ion hóa ở nhiệt độ có thể đạt được trong quá trình đốt cháy trong không khí Việc phục hồi và tái sử dụng nguồn vật liệu từ khí thải kênh MHD được coi là cần thiết từ cả hai góc độ kinh tế và ô nhiễm.
Việc tạo ra năng lượng MHD được chú trọng do plasma có thể tương tác với từ trường ở nhiệt độ cao hơn so với tuabin cơ quay Hiệu suất của động cơ nhiệt bị giới hạn bởi chu trình Carnot, trong khi hệ thống máy phát MHD có tiềm năng đạt hiệu suất cuối cùng từ 60 đến 65% Điều này vượt trội hơn so với hiệu suất chỉ 35 đến 40% của các nhà máy nhiệt điện thông thường hiện đại.
Sản lượng điện của máy phát MHD tỷ lệ thuận với tích độ dẫn khí, bình phương vận tốc khí và bình phương cường độ từ trường Để đảm bảo máy phát MHD hoạt động hiệu quả và có kích thước hợp lý, độ dẫn điện của plasma cần duy trì trong khoảng nhiệt độ trên 1800K.
Cấu trúc cơ bản của máy phát điện MHD được mô tả như một máy phát điện chất lỏng, tương tự như máy phát điện cơ học Trong máy phát MHD, chuyển động của plasma khí dẫn thay thế cho dây dẫn kim loại, tạo ra dòng điện trong môi trường từ trường.
Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của một maý phát điện MHD
Khi dây dẫn di chuyển qua từ trường, nó tạo ra điện trường vuông góc với cả từ trường và hướng chuyển động của dây dẫn Nguyên tắc này, do Michael Faraday phát hiện, là cơ sở hoạt động của máy phát điện quay thông thường Nhà vật lý Antoon Lorentz cũng đã phát triển lý thuyết toán học để định lượng tác động của hiện tượng này.
Hình 2.5: Nguyên tắc hoạt động của MHD
Dòng chảy của plasma khi di chuyển qua từ trường tạo ra điện áp và dòng điện chảy vuông góc với cả dòng plasma và từ trường, theo Quy tắc bàn tay phải của Fleming Định luật Lorentz mô tả tác động của hạt tích điện chuyển động trong từ trường không đổi.
F là lực tác dụng lên hạt tích điện
Q là điện tích của hạt v là vận tốc của hạt
Nguyên lý hoạt động
Cấu trúc cơ bản của máy phát điện MHD tương tự như máy phát điện cơ học, nhưng thay vì sử dụng dây dẫn kim loại, máy phát MHD sử dụng plasma khí dẫn để tạo ra dòng điện Khi plasma di chuyển qua từ trường, nó tạo ra điện năng, làm cho máy phát MHD trở thành một loại máy phát điện chất lỏng độc đáo.
Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của một maý phát điện MHD
Khi dây dẫn di chuyển qua từ trường, nó tạo ra điện trường vuông góc với từ trường và hướng di chuyển của dây Nguyên tắc này, do Michael Faraday phát hiện, là cơ sở hoạt động của máy phát điện quay thông thường Nhà vật lý Antoon Lorentz đã phát triển lý thuyết toán học để định lượng tác dụng này.
Hình 2.5: Nguyên tắc hoạt động của MHD
Dòng chảy của plasma khi di chuyển qua từ trường tạo ra điện áp, dẫn đến dòng điện chảy qua plasma, vuông góc với cả dòng plasma và từ trường, theo Quy tắc bàn tay phải của Fleming Định luật Lorentz mô tả tác động của hạt tích điện chuyển động trong từ trường không đổi.
F là lực tác dụng lên hạt tích điện
Q là điện tích của hạt v là vận tốc của hạt
Máy phát điện MHD yêu cầu nguồn khí có nhiệt độ cao, có thể là chất làm mát từ lò phản ứng hạt nhân hoặc khí đốt nhiệt độ cao sinh ra từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch như than trong buồng đốt Hệ thống này bao gồm nhiều thành phần quan trọng, như được thể hiện trong sơ đồ dưới đây.
Hình 2.6: Sơ đồ khối phát điện từ thủy động lực
Vòi mở rộng giảm áp suất khí, dẫn đến tăng tốc độ plasma theo Luật Bernoulli, qua đó nâng cao công suất phát Tuy nhiên, việc giảm áp suất cũng làm giảm nhiệt độ trong huyết tương theo Luật Gay-Lussac, gây tăng sức đề kháng của huyết tương Do đó, cần tìm ra sự thỏa hiệp giữa hai quy luật này để tối ưu hóa hiệu suất.
Nhiệt thải từ chất lỏng trong quá trình làm việc thường được dùng để tăng tốc độ đốt cháy nhiên liệu trong máy nén Tuy nhiên, phần lớn nhiệt này sẽ bị lãng phí nếu không được tái sử dụng trong các quy trình khác.
Hệ thống MHD yêu cầu tạo và quản lý plasma khí dẫn, vì sự hoạt động của nó phụ thuộc vào plasma có độ dẫn điện cao Plasma được coi là trạng thái thứ tư của vật chất, đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Sau khi trải qua các trạng thái rắn, lỏng và khí, vật chất sẽ có 13 tính chất khác nhau, trong đó các nguyên tử hoặc phân tử bị mất electron, tạo ra các ion dương Các chất lỏng phù hợp trong quá trình này bao gồm khí từ quá trình đốt cháy, khí hiếm và hơi kim loại kiềm.
Plasma khí được tạo ra khi các electron được tách ra khỏi nguyên tử hoặc phân tử, tạo ra trạng thái ion hóa với điện tích dương Khi plasma di chuyển qua từ trường với tốc độ cao, thậm chí vượt quá tốc độ âm thanh trong một số thiết kế, dòng chảy của các hạt tích điện dương này cung cấp năng lượng cần thiết cho dây dẫn điện, từ đó tạo ra dòng điện trong mạch điện bên ngoài.
Phương pháp ion hóa khí
Có nhiều phương pháp ion hóa khí, tùy thuộc vào việc cung cấp đủ năng lượng cho khí Điều này có thể đạt được thông qua việc đốt nóng hoặc chiếu xạ bằng tia X hoặc tia Gamma Ngoài ra, các khí làm mát như helium và carbon dioxide cũng được sử dụng trong một số lò phản ứng hạt nhân để làm nhiên liệu plasma, nhằm sản xuất điện MHD trực tiếp Thay vì trích xuất năng lượng nhiệt qua các bộ trao đổi nhiệt để tăng hơi nước cho máy phát tua bin, các vật liệu hạt giống như Kali cacbonat hoặc Caesium thường được thêm vào với tỷ lệ khoảng 1% tổng lưu lượng khối để tăng cường ion hóa và cải thiện độ dẫn điện, đặc biệt là trong plasma khí đốt.
Hình 2.7: Độ dẫn khí và ion hóa
Để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình dẫn truyền plasma, ống dẫn cần được chế tạo từ các vật liệu không dẫn điện có khả năng chịu nhiệt độ cao, thường trên 1000 °C Đồng thời, các điện cực cũng phải được thiết kế để chịu được nhiệt độ này.
Máy phát Faraday
Một nam châm điện cực mạnh tạo ra từ trường cho phép plasma chảy qua, với hai điện cực được lắp đặt ở hai phía đối diện của plasma để tạo ra điện áp đầu ra Dòng điện chạy qua plasma giữa các điện cực này được gọi là dòng điện Faraday, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp đầu ra điện chính của máy phát MHD.
Máy phát Faraday đơn giản bao gồm một ống hình nêm hoặc ống làm từ vật liệu không dẫn điện Khi chất lỏng dẫn điện chảy qua ống trong từ trường vuông góc, điện tích được tạo ra và có thể được thu thập dưới dạng năng lượng điện bằng cách đặt các điện cực ở hai bên theo góc 90 độ với từ trường Một thách thức lớn của máy phát Faraday là điện áp và dòng điện vi sai trong chất lỏng ngắn qua các điện cực Hiệu ứng dòng Hall là nguồn thải mạnh nhất trong quá trình này.
Máy phát Hall
Dòng điện đầu ra Faraday cao chảy qua ống plasma sẽ tương tác với từ trường ứng dụng, tạo ra dòng Hiệu ứng Hall vuông góc với dòng Faraday Điều này dẫn đến sự mất năng lượng do dòng điện dọc theo trục plasma Tổng dòng điện được tạo ra sẽ là tổng vectơ của các thành phần dòng điện ngang.
(Faraday) và trục (hiệu ứng Hall) Trừ khi nó có thể bị bắt theo một cách nào đó, dòng hiệu ứng Hall sẽ tạo thành sự mất năng lƣợng
Các cấu hình điện cực đa dạng đã được phát triển để thu nhận đồng thời hai thành phần của hiệu ứng Faraday và Hall trong dòng điện, nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi MHD tổng thể.
Một phương pháp hiệu quả là chia cặp điện cực thành các phân đoạn vật lý song song nhưng cách điện với nhau, trong khi các cặp điện cực được nối tiếp để đạt điện áp cao hơn với dòng điện thấp hơn Thay vì đặt các điện cực đối diện trực tiếp, chúng được lệch một góc nhỏ so với phương vuông góc với dòng plasma, cho phép tối đa hóa năng lượng chiết xuất từ plasma nhờ vào hiệu ứng Faraday và Hall.
Hình 2.9: Dòng điện MDH với các điện cực được phân đoạn
Máy phát đĩa
Máy phát đĩa hiệu ứng Hall hiện đang là công nghệ hiệu quả nhất cho việc tạo ra năng lượng MHD Thiết kế này bao gồm một đĩa có chất lỏng chảy giữa trung tâm và một ống dẫn quấn quanh mép Trường kích thích từ được tạo ra bởi cặp cuộn Helmholtz đặt trên và dưới đĩa, cho phép các dòng Faraday chảy xung quanh ngoại vi của đĩa trong một khoảng thời gian ngắn.
Thiết kế máy dng đĩa với 16 ống Hall chảy giữa các điện cực vòng gần trung tâm và ngoại vi mang lại nhiều lợi ích, trong đó có việc tăng cường hiệu quả của nam châm Các đường trường từ được sắp xếp song song, cho phép nam châm gần hơn với chất lỏng, từ đó nâng cao cường độ từ trường Nhờ vào sức mạnh nhỏ gọn, nam châm cũng có kích thước nhỏ hơn và sử dụng một tỷ lệ phần trăm nhỏ hơn của công suất tạo ra Máy dng đĩa không chỉ có hiệu suất cao mà còn có thể được thiết kế nhỏ gọn; ví dụ, vào năm 1994, Viện Kỹ thuật Tokyo đã phát triển một máy dng đĩa với hiệu suất đạt 22%.
Hình 2.10: Mô hình máy phát đĩa
Chu kỳ năng lƣợng cho máy phát điện MHD
Máy phát MHD là một giải pháp thay thế cho tuabin khí trong chu trình thông thường Quá trình bắt đầu với một máy nén, giúp nâng cao áp suất khí Sau đó, nhiệt độ khí được tăng cường để ion hóa, tạo điều kiện cho dòng khí được tăng tốc khi đi qua vòi phun Cuối cùng, khí đi qua máy phát MHD bị khử, từ đó năng lượng điện được tạo ra hiệu quả.
Rõ ràng là chu trình MHD là chu trình nhiệt điện và hiệu suất nhiệt đƣợc đƣa ra bởi
Entanpy được định nghĩa là các giá trị đình trệ, bao gồm cả năng lượng động học (K.E) của khí chảy Entanpy sự ngừng trệ của khí được xác định dựa trên các yếu tố liên quan đến quá trình chuyển động của khí.
Trong đó u là vận tốc của khí chảy
Trong máy tạo MHD thực tế, tốc độ khí đủ cao (âm và cao hơn) để K.E của khí chảy chiếm một phần đáng kể trong tổng năng lƣợng.
Phân tích đơn giản hóa máy phát MHD
Các giả định sau đây đƣợc đƣa ra trong phân tích máy phát MHD
1 Khí làm việc là một khí lý tưởng
2 Khí chảy với vận tốc và áp suất không đổi
3 Từ thông sinh ra không đổi
4 Không truyền nhiệt ra môi trường xung quanh
5 Lưu lượng khí đồng đều
Khi khí ion hóa tốc độ cao di chuyển qua từ trường, EMF cảm ứng cố gắng làm chậm chuyển động của khí theo hướng ngược lại Các ống dẫn được thiết kế để chuyển hướng khí khi tốc độ giảm dọc theo dòng chảy Năng lượng điện được chiết xuất từ năng lượng nhiệt của khí, giúp duy trì vận tốc dọc trục ổn định Điện năng được tạo ra khi khí dẫn cắt các đường sức từ.
Hình 2.11: Chu kỳ năng lượng để phát điện MHD
Gia tốc 18 được sử dụng để khôi phục vận tốc trong điều kiện giảm nhiệt độ và vận tốc dọc trục không đổi, với công suất lớn phát triển khi mật độ từ thông và tốc độ khí cao Lực Lorentz tác động lên các điện tử theo hướng làm chậm dòng khí, và hướng của lực này ngược lại với vận tốc của khí dẫn Emf cảm ứng được tạo ra có thể được biểu diễn bằng công thức: i.
Lực điện từ tác dụng lên hạt khí với sự có mặt của điện trường E được cho bởi:
Lực F tác động lên hạt theo góc vuông với cả từ trường và vận tốc của khí Các hạt khí di chuyển theo hướng của điện trường Cường độ dòng điện giữa các điện cực được kết nối bên ngoài theo hướng vuông góc được xác định bởi:
Trong đó δ là khoảng cách giữa các điện cực
Total electric field E zt is given by
B=Từ trường (w/ m 2 ) u=Vận tốc khí (w/m)
E=Điện trường (volts/m) δ=Khoảng cách giữa các điện cực (m)
V 0= Điện áp mạch hở (V) Đối với điện áp mạch mở E zt trở thành số không
Nếu R g là điện trở trong và R L là điện trở tải và I là dòng điện, thì
W (đầu ra nguồn từ máy phát MHD)
(13) Điều kiện để có công suất tối đa:
Trong đó σ là độ dẫn khí (mho/m) và A là diện tích bề mặt điện cực (m 2 )
(15) trong đó (A.δ) trở thành dung lƣợng của trình tạo MHD
Máy phát điện MHD có công suất tối đa W max tỷ lệ với bình phương của từ thông, điều này cho thấy rằng cần một từ trường mạnh để đảm bảo hiệu suất tối ưu và kích thước máy phát được thu gọn.
Hiệu suất chuyển đổi của MHD ( c ) max c
CHI PHÍ SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG
Chi phí hệ thống phát điện thông thường
The overall cost of electricity generation, commonly referred to as CE, consists of three main components: capital-installation costs (C&I), operation-maintenance costs (O&M), and fuel costs (CF) Typically, the cost of electricity generation is expressed in units of $/kWh or cents/kWh.
Tỉ lệ ba loại chi phí này trên tổng chi phí phát điện thay đổi khác nhau tùy theo loại nhà máy, công nghệ sử dụng
Chi phí vốn-lắp đặt (C&I) chủ yếu phụ thuộc vào giá thiết bị, công nghệ và công suất, trong khi chi phí vận hành-bảo trì (O&M) lại liên quan đến thiết kế hệ thống và mạng lưới cung cấp linh kiện Chi phí nhiên liệu, là khoản chi cho việc mua nhiên liệu để phát điện, phụ thuộc vào hiệu suất và tỷ số biến đổi nhiệt của thiết bị Đối với các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, mặt trời, thủy triều và địa nhiệt, chi phí nhiên liệu gần như không tồn tại do chúng được xem là nguồn năng lượng tự nhiên vô tận.
Trong nội dung luận văn, tác giả tập trung chủ yếu vào năng lƣợng nhiệt điện là dạng năng lƣợng có thể kết hợp với từ thủy động lực
Chi phí đầu tư cho các dự án nhiệt điện than là cao nhất trong các loại hình nhiệt điện, đạt khoảng 1200 USD/kW cho các nhà máy lớn, hiện đại và có mức độ ô nhiễm thấp Trong khi đó, nhà máy nhiệt điện khí có chi phí đầu tư khoảng 600 USD/kW, và nhà máy nhiệt điện dầu có chi phí đầu tư thấp nhất.
Chi phí xây dựng các dự án nhiệt điện dao động khoảng 200 USD/kW Thời gian xây dựng các dự án nhiệt điện than thường kéo dài từ 3 đến 5 năm tùy thuộc vào quy mô dự án, trong khi các dự án nhiệt điện khí có thời gian xây dựng khoảng 2 năm.
Bảng 2.1: Chi phí cố định dầu tƣ nhiệt điện
Chi phí vốn/kW Số năm xây dựng
Chi phí nguyên liệu là một yếu tố quan trọng trong các dự án nhiệt điện So với thủy điện, nhiệt điện cần thêm chi phí cho nguyên liệu Nhiệt điện than có vốn đầu tư cao nhưng chi phí nguyên liệu lại thấp hơn nhiều so với nhiệt điện dầu và khí Cụ thể, chi phí sản xuất 1 kWh điện từ than chỉ khoảng 1,4 cents, trong khi đó, chi phí sản xuất 1 kWh điện từ khí lên đến khoảng 4 cents, gấp gần 3 lần so với điện than Nhiệt điện dầu có chi phí nguyên liệu cao nhất, với chi phí sản xuất 1 kWh lên đến 15 cents.
Bảng 2.2: Chi phí nguyên liệu nhiệt điện
Chi phí nguyên liệu cent/kWh Giá nguyên liệu Thấp Trung bình
Phân tích chi phí: Theo quyết định số 2014/QĐ-BCN thì thời gian vận hành
Nhà máy nhiệt điện than thường hoạt động từ 6.500 đến 7.000 giờ mỗi năm Dựa trên giả định rằng nhà máy có thể vận hành 6.500 giờ/năm, việc sử dụng các nguồn điện tại Việt Nam hiện nay được đánh giá dựa trên giá thành sản xuất, từ đó xác định mức độ ưu tiên cho từng nguồn năng lượng.
Nhiệt điện khí có khả năng vận hành ở mức thấp hơn 6000 giờ mỗi năm, trong khi nhiệt điện dầu chủ yếu được sử dụng để đáp ứng nhu cầu cao điểm Dưới đây là bảng tính chi phí cố định bình quân để sản xuất 1 kWh điện dựa trên giả định này.
Bảng 2.3 Chi phí vốn trên mỗi kWh nhiệt điện
Chi phí cố định trên mỗi KiloWatt và KiloWatt.giờ Chi phí vốn trên KiloWatt
Chi phí cố định tính bằng cent/kWh
Để tính tổng chi phí phát điện của nhà máy nhiệt điện dầu, cần cộng chi phí nguyên liệu và chi phí vận hành - quản lý, sau đó thêm 10% chi phí cố định.
Bảng 2.4: Tổng chi phí trên mỗi kWh nhiệt điện
Tổng chi phí phát điện (tính bằng cent/kWh)
Nhiên liệu Vận hành – quản lý
Chi phí hệ thống phát điện từ thủy động lực MHD kết hợp nhiệt điện
3.2.1 Chi phí phát điện của MHD Để đánh giá tính hiệu quả về chi phí của hệ thống phát điện Từ thủy động lực, ta có thể so sánh chi phí phát điện với giá điện mua từ lưới điện
Chi phí phát điện đƣợc áp dụng theo công thức 22
Hệ số công suất K C của hệ thống được định nghĩa là tỷ lệ phần trăm công suất được sử dụng trong một khoảng thời gian nhất định Hệ số này được tính bằng cách lấy tổng số giờ hoạt động của hệ thống trong một năm chia cho tổng số giờ trong năm, tức là 8760 giờ.
K C G n (23) trong đó, G n là số giờ hệ thống phát điện trong một ngày
Hệ số trả góp R FC là tỷ lệ giữa chi phí vốn trả góp hàng năm và tổng số vốn, được biểu thị bằng công thức 1/(số năm trả góp N G).
Hệ số nhiệt H R đặc trưng của hệ thống từ thủy động lực khoảng 6500 [Btu/kWh] cho phép tính toán chi phí nhiên liệu cho hệ thống này một cách chính xác.
C F thông qua giá nhiên liệu F P [$/MMBtu]
Chi phí vốn-lắp đặt C CI lần lƣợt đƣợc tính:
Chi phí vốn-lắp đặt của hệ thống điện được biểu thị bằng T C [$], trong đó P [kW] là công suất phát điện Do đó, tỷ lệ T C / P thể hiện chi phí vốn-lắp đặt cho mỗi kilowatt (kW) của hệ thống.
3.2.2 Chi phí tạo hơi trong hệ thống MHD-Tuabin
3.2.2.1 Không xét tuabin cụ thể
Hệ thống phát điện kết hợp từ thủy động lực (MHD) và tuabin hơi tận dụng dòng khí còn lại sau khi qua máy phát điện MHD, vốn có nhiệt độ cao, để tiếp tục phát điện Dòng khí này đi vào bộ trao đổi nhiệt, hoạt động như lò hơi trong chu trình phát điện của tuabin hơi Nhiệt từ lò hơi làm quay tuabin, tạo ra điện tại máy phát điện truyền thống Nhờ vậy, hệ thống MHD-Tuabin hơi có hiệu suất phát điện cao, vượt 50%, giảm lượng nhiệt thải ra môi trường và tiết kiệm năng lượng.
Hình 3.1: Nguyên lý hệ thống phát điện kết hợp MHD và tua-bin hơi
Bộ ngưng tụ Máy bơm
Nồi hơi (Bộ trao đổi nhiệt)
Để đánh giá tính kinh tế của hệ thống MHD-Tuabin hơi, một yếu tố quan trọng cần xem xét là chi phí tạo hơi nước của tuabin hơi, được biểu diễn qua công thức: gen.
Chi phí nhiên liệu cho hơi nước được tính bằng cách chia tổng chi phí nhiên liệu cho hiệu suất của nồi hơi, ký hiệu là $/M tu Hiệu suất của máy phát điện turbo, ký hiệu là gen, thường có giá trị khoảng 95% Do đó, công thức 27 có thể được viết lại như sau:
Các công thức trên chỉ cho phép tính sơ bộ chi phí tạo hơi nước mà không xem xét loại tuabin hoặc hiệu suất của nó Để tính toán cho một loại tuabin cụ thể, cần áp dụng phương pháp phức tạp hơn, dựa trên cân bằng năng lượng trong hệ thống Phần tiếp theo sẽ trình bày phương pháp tính toán này trong chu trình tuabin hơi, bao gồm lò hơi, tuabin, bộ ngưng tụ và bơm.
Khi giảm áp suất, tuabin sẽ khai thác một phần năng lượng từ hơi nước và chuyển đổi thành lực quay, sau đó máy phát điện biến đổi lực quay này thành điện năng Để xác định lượng năng lượng mà tuabin rút ra, trước tiên cần tính toán enthalpy của hơi nước đầu vào Điều này được thực hiện bằng cách xác định enthalpy h1 dựa trên nhiệt độ và áp suất của hơi nước đầu vào, từ đó tra cứu giá trị h1 trên biểu đồ Mollier.
Hình 3.2: Biểu đồ Mollier tổng quát
Hình 3.3 minh họa đoạn nhiệt của tuabin hơi với enthalpy thoát ra được ký hiệu là hisen Trong quá trình đoạn nhiệt (đẳng entropy), enthalpy tại điểm vào bằng enthalpy tại điểm ra, do đó hisen được xác định bằng cách chiếu thẳng đứng h1 xuống theo biểu đồ Mollier cho đến khi gặp đường cong áp suất ra.
Tuabin trong thực tế không bao giờ đạt được quá trình đoạn nhiệt lý tưởng h1 hisen, mà thực tế là h1 h2 Do đó, hiệu suất đoạn nhiệt của tuabin, được tính bằng tỉ số (h1–h2)/(h1–hisen), là một thông số quan trọng Hiệu suất này có giá trị xác định cho từng loại tuabin trong các điều kiện cụ thể; trong nghiên cứu này, hiệu suất đoạn nhiệt của tuabin được xác định là 51% Từ đó, chúng ta có thể tính toán enthalpy h2 theo biểu thức hisen = h1 - h2.
Thay các giá trị đã biết vào biểu thức trên, ta đƣợc h 2 Vì đã biết áp suất thoát ra khỏi tuabin,tham khảo ngƣợc trở lại biểu đồ
Để xác định trạng thái của hơi nước thoát ra, trước tiên cần tính lượng nhiệt cần thải ra tại bộ ngưng tụ Qp, tương ứng với lượng nhiệt cấp vào chu trình Dựa vào điều kiện áp suất và nhiệt độ của nước sau khi ngưng tụ, ta sẽ tra cứu enthalpy tương ứng Công thức tính lượng nhiệt được biểu diễn như sau: Qp = ṁ(h2V - h3), trong đó h2V là enthalpy sau khi qua van giảm áp, và ṁ [lbs/h] là lưu lượng khối lượng của hơi nước.
Khi lắp đặt máy phát tuabin, chu trình yêu cầu lượng nhiệt tương tự; tuy nhiên, enthalpy h2 tại ngã ra tuabin thấp hơn enthalpy sau van giảm áp (h1) Để duy trì lượng nhiệt cung cấp Qp, cần tăng lưu lượng khối lượng thành ṁnew theo công thức: Qp = ṁ(h2V - h3) = ṁnew(h2 - h3).
Từ đây, chúng ta tìm được lưu lượng khối lượng mới m new
Khi lưu lượng tăng, công suất điện phát ra từ máy phát tuabin cũng tăng theo Cụ thể, công suất điện sinh ra có thể được tính toán bằng công thức: Btu kWh lb h Btu h h m lb.
Hình 3.4: ệ thống d ng van giảm áp v d ng tuabin hơi
TÍNH TOÁN CHI PHÍ TIỀN ĐIỆN KHI KẾT HỢP HỆ THỐNG TỪ THỦY ĐỘNG LỰC
Tính toán các thông số nhà máy nhiệt điện Yên Thế
Để đánh giá hiệu quả chi phí tiền điện của hệ thống MHD kết hợp với nhà máy nhiệt điện, tác giả đã tiến hành tính toán dựa trên các thông số thực tế của nhà máy nhiệt điện Yên Thế, hiện đang hoạt động và dự kiến sẽ đưa vào sử dụng trong thời gian tới.
Công trình Nhà máy Nhiệt điện Yên Thế xây dựng với tổng diện tích khoảng
Dự án có diện tích 16 ha và công suất lắp máy đạt 50MW, bao gồm 01 lò hơi CF, 01 tuabin, 01 máy phát và 01 máy biến áp Tổng vốn đầu tư cho dự án ước tính khoảng 69,78 triệu USD với vòng đời dự án lên đến 25 năm.
Bảng 4.1: Các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế chính của nhà máy
STT Tên chỉ tiêu Đơn vị Số lƣợng Ghi chú
Công suất đặt nhà máy
Số giờ sử dụng công suất đặt
Tỷ lệ điện tự dùng
Sản lƣợng điện phát lên thanh cái
Lƣợng than tiêu thụ hàng năm
Nhiệt trị cao qui đổi của than Qtlv
Suất tiêu hao than tự nhiên
Giá than bình quân cho dự án
Suất tiêu hao dầu FO
Lƣợng dầu FO tiêu thụ hàng năm
Hiệu suất lò hơi theo HHV
Tổ giờ/năm kWh/năm
% kWh/năm kWh/năm tấn/năm kcal/kg Kg/kWh USD/tấn Kg/kWh Tấn/năm USD/tấn
Hiệu suất tua bin-máy phát
Hiệu suất truyền tải nhiệt
Hiệu suất thô nhà máy
Lƣợng đá vôi tiêu thụ
Suất tiêu hao đá vôi tự nhiên
Giá đá vôi (theo dự toán IPC)
% tấn/năm Kg/kWh USD/tấn tấn/năm
Dựa trên thông số từ bảng 3.1, tác giả đã tính toán tổng chi phí nhiên liệu trong một năm và chi phí phát điện cho mỗi kilowatt-giờ (kWh) điện.
Tổng chi phí phát điện cho 1 năm:
Chi phí than cho 1 năm:
Trong đó: mthan(tấn/năm) – Lƣợng than tiêu thụ trong 1 năm c than (USD/tấn) – Giá than hiện thời
Chi phí dầu FO cho 1 năm: auF auF auFO 488.660 322080 (US / ) d O d O d
Trong đó: m dauFO (tấn/năm) –Lƣợng dầu FO tiêu thụ trong 1 năm c dauFO (USD/tấn) –Giá dầu FO hiện thời
Chi phí đá vôi cho 1 năm: avoi avoi avoi 6911.6 41466 (US / ) d d d
Trong đó: mdavoi(tấn/năm) –Lƣợng đá vôi tiêu thụ trong 1 năm c davoi (USD/tấn) –Giá đá vôi hiện thời
Tổng chi phí nhiên liệu cho 1 năm: auF 4675725, 6 322080 41466 5039271, 6(US / )
Chi phí vốn-lắp đặt cho 1 kWh điện được trả trong 10 năm:
Trong đó: RFC -Hệ số trả góp 1 1 0.1
T C (USD)-Chi phí vốn -lắp đặt
P (kW) -Công suất nhà máy
K C -Hệ số công suất hệ thống 6500
Chi phí nhiên liệu cho 1 kWh điện: bao gồm chi phí than, chi phí dầu FO, chi phí đá vôi:
Chi phí than cho 1 kWh điện
Trong đó: T than (USD/năm): Chi phí than d ng cho 1 năm
Q(kWh/năm) – Sản lƣợng điện
Chi phí dầu FO cho 1 kWh điện auF 3 auFO 9
Trong đó: TdauFO(USD/năm): Chi phí dầu FO d ng cho 1 năm
Q(kWh/năm) – Sản lƣợng điện
Chi phí đá vôi cho 1 kWh điện avoi 3 avoi 9
Trong đó: T davoi (USD/năm): Chi phí đá vôi d ng cho 1 năm
Q(kWh/năm) – Sản lƣợng điện
Chi phí nhiên liệu cho 1 kWh:
Chi phí vận hành –quản lý cho 1 kWh:
Chi phí tiền điện cho 1 kWh điện:
Thiết lập phương trình lợi nhuận tiền điện:
Lợi nhuận tiền điện bao gồm hai phần chính: phần lãi từ sản lượng điện sản xuất và doanh thu từ việc bán điện, dựa trên sự gia tăng chi phí điện mỗi kWh hàng năm Phần thứ hai là khấu hao, bao gồm chi phí vốn lắp đặt, chi phí nhiên liệu tăng hàng năm và chi phí vận hành-quản lý Từ đó, ta có thể xác định phương trình lợi nhuận tiền điện một cách rõ ràng.
A(USD): Lợi nhuận tính theo năm
Q(kWh): Sản lƣợng điện trong 1 năm
C E (USD/kWh): Chi phí tiền điện cho 1 kWh điện
t(năm): thời gian hoạt động của nhà máy
T Von (USD): Chi phí vốn-lắp đặt hệ thống
T OM : Chi phí nhiên liệu trong 1 năm
T Vh : Chi phí vận hành-quản lý
Dựa trên phương trình lợi nhuận, tác giả sẽ phân tích và tính toán lợi nhuận mà nhà máy nhiệt điện Yên Thế tạo ra, bao gồm cả trường hợp không sử dụng thủy động lực và khi có sự tham gia của thủy động lực.
Tính toán lợi nhuận do sản lƣợng điện do nhà máy phát ra
4.2.1 Lợi nhuận do nhà máy nhiệt điện Yên Thế tạo ra khi không có từ thủy động lực
Nhà máy nhiệt điện Yên Thế được thiết kế với sản lượng điện sinh ra đạt 0,325 tỷ kWh và chi phí tiền điện cho mỗi kWh là 0,038958 USD Tổng chi phí vốn lắp đặt hệ thống là 69,78 triệu USD, trong khi chi phí nhiên liệu hàng năm lên tới 5.039.271,6 USD Chi phí vận hành và quản lý tương đương 1/10 chi phí vốn lắp đặt, tức khoảng 6,978 triệu USD Tác giả đã xây dựng phương trình lợi nhuận cho nhà máy nhiệt điện Yên Thế mà không tính đến thủy động lực.
Trong đó: A (USD): lợi nhuận tính theo năm của nhà máy nhiệt điện t (năm): thời gian hoạt động của nhà máy
Dựa trên phương trình, tác giả vẽ được đồ thị thể hiện lợi nhuận của nhà máy nhiệt điện nhƣ sau:
Hình 4.1: Đồ thị thể hiện lợi nhuận của nhà máy nhiệt điện khi không có từ thủy động học
Và đây là bảng số liệu hoạt động của nhà máy sau 25 năm
Bảng 4.2 Lợi nhuận hoạt động của nhà máy sau 25 năm
Theo đồ thị, tác giả phân chia rõ ràng thành hai phần: phần âm thể hiện lợi nhuận cần thiết để hoàn vốn, với thời gian hoàn vốn kết thúc sau 10 năm Phần dương phản ánh lợi nhuận sinh lợi của nhà máy, đạt tổng cộng 115,14 triệu USD sau 15 năm, phù hợp với thông số kỹ thuật và thông tin ban đầu của nhà máy.
4.2.2 Lợi nhuận do nhà máy nhiệt điện Yên Thế tạo ra khi có từ thủy động lực
4.2.2.1 Tính toán thông số nhà máy nhiệt điện Yên Thế có trang bị hệ thống từ thủy động lực (MHD)
Khi áp dụng từ thủy động lực vào nhà máy nhiệt điện, hệ thống trở thành một hệ thống kết hợp Để tính toán công suất của hệ thống này, tác giả đã sử dụng hiệu suất chu trình kết hợp trong công thức tính toán.
Hiệu suất của máy phát MHD là 1, trong khi hiệu suất của tuabin hơi là 2 Dựa trên dữ liệu từ nhà máy nhiệt điện Yên Thế, hiệu suất lò hơi đạt 45%.
Máy phát d ng đĩa có hiệu suất 22% Dựa trên 2 thông số hiệu suất, tác giả đã tính đƣợc hiệu suất của cả chu trình nhƣ sau:
Căn cứ vào công suất tổ máy từ bảng số liệu, chúng ta có thể tính toán công suất tối đa mà nhà máy nhiệt điện Yên Thế có thể sản xuất khi được trang bị bộ từ thủy động lực.
Và sản lƣợng điện sinh ra từ hệ thống là:
Nhà máy nhiệt điện Yên Thế, sau khi lắp đặt hệ thống từ thủy động lực, sẽ đạt công suất tổ máy 63,4 MW và sản lượng điện hàng năm là 0,4121 x 10^9 kWh.
4.2.2.2 Tính toán lợi nhuận t u đ ợc khi có hệ thống từ thủy động lực:
Khi lắp đặt hệ thống từ thủy động lực cho nhà máy nhiệt điện, chi phí vốn và chi phí vận hành sẽ tăng lên Tuy nhiên, chi phí thực tế cho việc trang bị hệ thống này vẫn chưa được xác định Để giảm thiểu chi phí thực nghiệm trong quá trình chế tạo, tác giả đã áp dụng phương pháp khảo sát lý thuyết nhằm đánh giá khả năng sinh lợi nhuận của toàn bộ hệ thống trước khi tiến hành lắp đặt.
Tác giả tiến hành khảo sát về hiệu quả của nhà máy nhiệt điện Yên Thế khi áp dụng công nghệ MHD, trong bối cảnh chi phí vốn lắp đặt và chi phí vận hành-quản lý tăng từ 10% đến 100% Dù chi phí bán điện cho 1 kWh và chi phí nhiên liệu không thay đổi, phương trình lợi nhuận tiền điện vẫn được xem xét để đánh giá tác động của công nghệ này.
a%: phần trăm chi phí vốn tăng (10%-100%)
Q’ (kWh): sản lƣợng điện nhà máy sinh ra khi kết hợp từ thủy động lực
Sau đây là đồ thị toàn bộ mà tác giả thu đƣợc:
Hình 4.2: Đồ thị lợi nhuận nhà máy khi kết hợp từ thủy động lực
Bảng 4.3: Lợi nhuận thu đƣợc ứng với tăng tỉ lệ phần trăm vốn – lắp đặt nhà máy có MHD sau 25 năm (0% là khi không có đầu tƣ MHD):
Dựa trên đồ thị và bảng số liệu, tác giả nhận thấy rằng việc trang bị hệ thống từ thủy động lực (MHD) với chi phí lắp đặt và vận hành gấp đôi vẫn mang lại lợi nhuận lớn hơn so với khi không sử dụng MHD Điều này chứng tỏ lợi ích thực tế mà MHD mang lại Đặc biệt, khi chi phí lắp đặt và vận hành hệ thống từ thủy động lực thấp, lợi nhuận sẽ càng cao Tuy nhiên, nếu chi phí tăng, thời gian thu hồi vốn sẽ kéo dài và thời gian sinh lợi có thể trở nên rất ngắn, thậm chí là lâu sinh lợi.
Tính toán lợi nhuận thu đƣợc trên thanh góp
4.3.1 Lợi nhuận thu đƣợc thực tế trên thanh góp khi không có MHD
Từ phương trình lợi nhuận, tác giả có phương trình lợi nhuận trên thanh góp khi không có MHD nhƣ sau:
Trong đó: Q 2 (kWh): Sản lƣợng điện phát trên thanh cái
Hình 4.3: Đồ thị thể hiện lợi nhuận của nhà máy nhiệt điện thu được trên thanh góp khi không có MHD
Bảng 4.4: Số liệu lợi nhuận trên thanh góp trong 25 năm
Theo đồ thị, chi phí hoàn vốn thực tế sẽ bị trễ so với lý thuyết do phải tính đến việc tự dùng của hệ thống, điều này là kết quả tất yếu.
4.3.2 Lợi nhuận thu đƣợc thực tế trên thanh góp khi có MHD
Tác giả đã tính toán lợi nhuận cho nhà máy nhiệt điện trang bị hệ thống MHD, trong đó chi phí vốn, lắp đặt và vận hành có thể tăng từ 10% đến 100%.
Trong đó: Q’ 2 (kWh/năm): Sản lƣợng điện phát trên thanh cái khi có MHD
Với Q’ 2 = Q’- Q’.9,82%=0,4121.10 9 -0.4121.10 9 9,82% = 0,37163.10 9 (kWh/năm) a%: phần trăm chi phí vốn tăng (10%-100%)
Hình 4.4: Đồ thị thể hiện lợi nhuận của nhà máy nhiệt điện thu được trên thanh góp khi có MHD
Bảng 4.5: Số liệu lợi nhuận thu đƣợc sau 25 năm trên thanh góp khi chi phí vốn-lắp đặt tăng 100%:
Theo đồ thị, lợi nhuận từ việc trang bị hệ thống MHD tăng 100% vẫn cao hơn so với khi không có hệ thống này Mặc dù lợi nhuận thực tế thấp hơn dự tính ban đầu do sự tiêu hao của hệ thống, nhưng mức lợi nhuận vẫn đạt cao, điển hình là 83,989 triệu USD khi chi phí đầu tư tăng 100% Đây chính là lợi ích nổi bật mà hệ thống MHD mang lại.
Tác giả đã phân tích phương trình lợi nhuận để xác định chỉ số phần trăm gia tăng chi phí vốn và vận hành, dẫn đến việc hệ thống không còn sinh lợi nhuận khi kết thúc vòng đời của nhà máy.
E Von OM Vh E Von m OM Vh m
Trong đó: a là tỉ lệ tăng chi phí vốn
Với giá trị đã tính toán, chi phí đầu tư có thể tăng tối đa lên 100,2% Tuy nhiên, nếu chi phí lắp đặt vượt quá mức này, hệ thống sẽ không sinh lợi và chỉ đạt hiệu quả tương đương như trước khi có MHD Do đó, tác giả khuyến nghị không nên thực hiện đầu tư nếu chi phí lắp đặt vượt quá giá trị này để tránh thiệt hại về lợi nhuận.
3.5 Lợi nhuận nhà máy nhiệt điện khi có sự thay đổi về giá nhiên liệu
Trong bài viết này, tác giả đã giả định rằng giá nhiên liệu sẽ không thay đổi trong suốt vòng đời của nhà máy, kéo dài 25 năm, nhằm đơn giản hóa quá trình tính toán Tuy nhiên, trên thực tế, chi phí nhiên liệu có thể biến động và ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của dự án.
Trong quá trình hoạt động của nhà máy, có 40 thay đổi đáng chú ý Để đánh giá lợi nhuận thực tế, tác giả giả định rằng giá nhiên liệu sẽ tăng từ 10% đến 70% hàng năm Trước tiên, tác giả sẽ sử dụng phương trình lợi nhuận để xác định mức chi phí nhiên liệu tăng bao nhiêu thì nhà máy vẫn có thể duy trì lợi nhuận.
Sau đây là phương trình lợi nhuận khi có sự thay đổi của chi phí nhiên liệu
Trong đó: a (%): tỉ lệ tăng giá nhiên liệu
Hình 4.5: Đồ thị thể hiện lợi nhuận của nhà máy nhiệt điện khi có sự thay đổi về giá nhiên liệu
Bảng 4.6: Số liệu lợi nhuận sau 25 năm của nhà máy không có MHD khi chi phí nhiên liệu tăng từ 10% đến 70%:
Dựa trên đồ thị và bảng số liệu, nếu giá nhiên liệu tăng hơn 60%, nhà máy chỉ có thể đạt lợi nhuận thấp sau 25 năm Tác giả sẽ tính toán tỷ lệ phần trăm chi phí nhiên liệu cần thiết để nhà máy hoàn vốn sau thời gian này.
Nhƣ vậy khi giá nhiên liệu tăng 66,55%, nhà máy sẽ hoàn vốn sau 25 năm và không sinh lợi nhuận
Trong phần 4.4, tác giả chỉ ra rằng khi chi phí vốn tăng 100%, sau 25 năm, nhà máy trang bị hệ thống MHD vẫn đạt lợi nhuận cao hơn so với nhà máy không có hệ thống này Do đó, để đánh giá khả năng sinh lợi của hệ thống MHD trong bối cảnh giá nhiên liệu tăng, tác giả sẽ khảo sát các trường hợp nhà máy có MHD với vốn đầu tư tăng 100%.
Hình 4.6: Đồ thị thể hiện lợi nhuận của nhà máy nhiệt điện khi chi phí đầu tư ban đầu tăng 100%,
Bảng 4.7: Số liệu lợi nhuận sau 25 năm khi có MHD với giá nhiên liệu tăng từ 10% đến 70% và chi phí đầu tƣ gấp 100%:
Khi chi phí nhiên liệu tăng trên 70%, nhà máy sẽ không đạt được lợi nhuận Bài viết này sẽ phân tích tỷ lệ phần trăm chi phí nhiên liệu cần thiết để nhà máy có thể hoàn vốn trong vòng 25 năm.
Sau 25 năm, nhà máy sử dụng công nghệ MHD với chi phí đầu tư tăng gấp đôi vẫn đạt được lợi nhuận cao Thời gian hoàn vốn chỉ xảy ra khi giá nhiên liệu tăng 66,67%, cao hơn so với trường hợp không áp dụng MHD Điều này chứng tỏ rằng lợi ích từ công nghệ MHD là rất đáng kể.
Sau khi khảo sát hệ thống thủy động lực (MHD) tại nhà máy, tác giả nhận thấy rằng ngay cả khi chi phí đầu tư ban đầu tăng 100%, nhà máy vẫn có khả năng tạo ra lợi nhuận Điều này cho thấy lợi ích thiết thực của việc trang bị hệ thống MHD Tuy nhiên, với chi phí đầu tư cao hơn, thời gian hoàn vốn sẽ kéo dài và lợi nhuận sẽ không cao Hơn nữa, khi giá nhiên liệu tăng, tác giả đã chứng minh rằng mặc dù chi phí đầu tư tăng 100%, nếu giá nhiên liệu tăng trên 66,67%, nhà máy vẫn có lợi nhuận, trong khi nhà máy không có MHD sẽ hoàn vốn khi giá nhiên liệu tăng khoảng 66,55%.
