Nghiên cứu cho thấy điện và năng lượng sinh khối có thể đưa các nhà máy giấy đạt mức phát thải ròng bằng 0
Tác giả: Joey Pitchford, Đại học Bang North Carolina
Trống sấy nhiệt trong máy làm giấy. Sấy nhiệt là công đoạn tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong quy trình sản xuất giấy. Nguồn: Đại học Bang North Carolina
Một nghiên cứu cho thấy việc thay thế khí đốt tự nhiên bằng điện và năng lượng sinh khối, cùng với việc cải thiện hiệu suất năng lượng, có thể giúp một số nhà máy giấy và bột giấy đạt mức phát thải ròng bằng 0. Bài báo "Thúc đẩy tính bền vững trong ngành công nghiệp giấy và bột giấy Hoa Kỳ: Giảm phát thải carbon thông qua hiệu quả năng lượng, điện khí hóa, nhiên liệu carbon thấp và chi phí xã hội của phát thải", được công bố trên Tạp chí Sản xuất Sạch hơn.
Các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng việc mô phỏng các nhà máy được xác định theo hai đặc điểm: sử dụng sợi nguyên sinh hay sợi tái chế, và có được tích hợp hay không.
Nhà máy nguyên sinh tạo ra bột giấy và giấy từ gỗ tươi đang được sử dụng lần đầu tiên, trong khi nhà máy sợi tái chế tái sử dụng các sợi có sẵn có thể đã được xử lý trước đó.
Một nhà máy được coi là tích hợp nếu nó có khả năng biến gỗ và các loại sinh khối khác thành bột giấy và giấy tại chỗ, trong khi một nhà máy không tích hợp sử dụng bột giấy đã được sản xuất và sấy khô tại chỗ.
"Khi xem xét quá trình khử cacbon, hầu hết các nghiên cứu trước đây đều chỉ xem xét một sản phẩm hoặc một loại nhà máy", Lokendra Pal, đồng tác giả của nghiên cứu và là giáo sư tại Khoa Vật liệu Sinh học Lâm nghiệp và Khoa Kỹ thuật Cơ khí & Hàng không Vũ trụ tại Đại học Bang Bắc Carolina, cho biết.
"Bằng cách xây dựng mô phỏng toàn bộ nhà máy cho từng loại trong bốn loại này, chúng tôi có thể nắm bắt được điểm mạnh và điểm yếu tương đối của từng loại. Việc kết hợp các biến số khác nhau này cho phép chúng tôi hiểu rõ hơn về sự đánh đổi và mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau của các hoạt động so với trước đây."
Các nhà máy tích hợp Virgin chiếm 30% sản lượng giấy hàng năm của Hoa Kỳ và 33% lượng khí thải nhà kính, chiếm tỷ trọng lớn nhất trong bốn loại nhà máy.
Mặc dù các nhà máy này sản xuất từ 80 đến 90% năng lượng bằng gỗ thải lấy tại chỗ, nhưng chúng thường được trang bị lò hơi đốt khí tự nhiên để cung cấp phần năng lượng cần thiết còn lại. Mặt khác, các nhà máy không tích hợp không sản xuất năng lượng tại chỗ mà hoàn toàn dựa vào lò hơi đốt khí tự nhiên và mua điện để sưởi ấm và sấy khô trong quá trình sản xuất giấy.
Tính chung, ngành công nghiệp giấy chiếm 6% tổng mức tiêu thụ năng lượng công nghiệp của Hoa Kỳ, trở thành ngành tiêu thụ năng lượng công nghiệp lớn thứ tư.
Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng bằng cách chuyển sang lò hơi chạy bằng điện, các nhà máy này có thể giảm lượng khí thải tới 61%, có khả năng đạt mức phát thải ròng bằng 0. Pal cho biết, điều này đòi hỏi phải thay đổi cách sản xuất điện, để lượng khí thải từ sản xuất điện không làm mất đi lượng khí thải đã giảm tại nhà máy.
Ông nói: "Hệ thống điện ở Hoa Kỳ dự kiến sẽ tăng tỷ trọng năng lượng sạch và tái tạo vào năm 2050, điều này sẽ giúp lò hơi chạy bằng điện sạch hơn nhiều so với sử dụng khí tự nhiên". "Chúng tôi nhận thấy có một con đường hướng tới mục tiêu phát thải bằng không cho các nhà máy này, nhưng chỉ khi tiến trình đó được thực hiện trên lưới điện."
Một máy làm giấy. Sản xuất giấy là ngành công nghiệp tiêu thụ năng lượng lớn thứ tư tại Hoa Kỳ. Nguồn: Đại học Bang North Carolina
Các nhà nghiên cứu cũng đã xem xét tác động khử cacbon của việc sử dụng các phương pháp tách nước tiết kiệm năng lượng như xử lý bằng enzyme và máy ép cơ học để loại bỏ nước thừa trước khi tiến hành sấy nhiệt.
Sấy truyền thống bao gồm việc phun bột giấy ướt lên một sợi dây chuyển động, loại bỏ phần lớn nước bằng trọng lực và chân không, sau đó chuyển cuộn giấy ướt sang các con lăn ép, ép cơ học để loại bỏ thêm nước trước khi giấy được đưa qua các xi lanh kim loại được làm nóng bằng hơi nước để đun sôi và làm bay hơi phần còn lại. Phương pháp gia nhiệt này, được gọi là sấy nhiệt, là công đoạn tiêu tốn năng lượng nhất trong quy trình sản xuất giấy.
Việc tăng cường loại bỏ nước trong quá trình ép đã giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể và giảm phát thải khí nhà kính, theo Maria E. González, tác giả chính và nghiên cứu sinh Tiến sĩ tại Khoa Vật liệu Sinh học Lâm nghiệp thuộc Đại học Bang Bắc Carolina. Tuy nhiên, làm như vậy có thể dẫn đến những đánh đổi khi nói đến việc sản xuất năng lượng tại chỗ.
"Chúng tôi nhận thấy rằng cứ mỗi 1% nước được loại bỏ trước khi sấy sẽ giúp tăng 3% hiệu suất năng lượng tổng thể cho quy trình sản xuất giấy. Tuy nhiên, điều này cũng đồng nghĩa với việc sản xuất ít hơi nước hơn, vốn được sử dụng để vận hành tua-bin", González cho biết.
"Các hoạt động của nhà máy thường phụ thuộc lẫn nhau, vì vậy nếu bạn thay đổi một quy trình, nó có thể ảnh hưởng đến các quy trình khác. Chúng tôi đang cố gắng khắc phục sự phụ thuộc lẫn nhau này bằng cách cung cấp nhiều chiến lược để các nhà máy có thể lựa chọn."
Chiến lược cuối cùng mà các nhà nghiên cứu phân tích là việc sử dụng các giải pháp thay thế ít carbon, chẳng hạn như sử dụng gỗ thải trong lò hơi thay vì nhiên liệu hóa thạch. Hiệu quả của phương pháp này thay đổi tùy thuộc vào việc nhà máy có được tích hợp hay không.
, nhưng tất cả các loại đều giảm phát thải khí nhà kính.
Các nhà máy tích hợp được hưởng lợi đáng kể từ việc thay thế việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch hạn chế bằng sinh khối, đặc biệt là khi chi phí điện vượt quá chi phí khí đốt tự nhiên. Họ cũng có thể lựa chọn bổ sung hơi nước dùng để vận hành tua-bin bằng quá trình đốt sinh khối.
Nhìn chung, phương pháp này cho thấy tỷ lệ khử cacbon từ 24 đến 48%, tùy thuộc vào mức độ nhà máy thay thế hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch. Mặc dù những con số này không đạt được mức giảm phát thải đạt được từ điện khí hóa hoàn toàn, nhưng sinh khối cũng là một nguồn nhiên liệu sẵn có, có thể giúp các nhà máy độc lập hơn về năng lượng, Pal cho biết.
"Việc xem xét cả ba chiến lược này cùng nhau là một bước tiến quan trọng hướng tới việc cải thiện tính bền vững và lợi thế cạnh tranh của ngành công nghiệp giấy và bột giấy Hoa Kỳ", Pal nói. "Những sự đánh đổi như thế này luôn xuất hiện bất kể bạn sử dụng chiến lược nào. Không có giải pháp chung nào cho vấn đề bền vững."
Thông tin thêm: Maria E. González và cộng sự, Thúc đẩy tính bền vững trong ngành công nghiệp giấy và bột giấy Hoa Kỳ: Giảm phát thải carbon thông qua hiệu quả năng lượng, điện khí hóa, nhiên liệu carbon thấp và chi phí xã hội của khí thải, Tạp chí Sản xuất Sạch hơn (2025). DOI: 10.1016/j.jclepro.2025.146196
Thông tin tạp chí: Tạp chí Sản xuất Sạch hơn
