Vì sao hiệu suất năng lượng luôn thấp hơn mức chuyển đổi lý tưởng?

Hiệu suất năng lượng được tính từ đầu ra hữu ích

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng, thường ký hiệu là η, biểu thị tỷ lệ giữa năng lượng hữu ích thu được và tổng năng lượng cung cấp cho hệ:

η = E_hữu ích / E_đầu vào × 100%

Nếu một thiết bị nhận 100 J năng lượng nhưng chỉ tạo ra 82 J dưới dạng đầu ra cần thiết, hiệu suất của quá trình đó là 82%. 18 J còn lại không bị phá hủy; nó xuất hiện dưới dạng những dòng năng lượng khác hoặc được tích trữ tạm thời trong hệ.

Trong điều kiện vận hành ổn định, khi lượng năng lượng tích trữ bên trong thiết bị không thay đổi đáng kể, cân bằng năng lượng có thể viết đơn giản:

E_đầu vào ≈ E_hữu ích E_không hữu ích

Cụm từ “năng lượng hao phí” vì thế là cách diễn đạt theo góc nhìn kỹ thuật. Nó có nghĩa là năng lượng đã rời khỏi con đường tạo ra kết quả mong muốn, chứ không có nghĩa năng lượng đã biến mất.

Một động cơ điện là ví dụ dễ thấy. Điện năng đưa vào nhằm tạo công cơ học ở trục động cơ. Nếu một phần điện năng làm cuộn dây nóng lên hoặc bị tiêu tán bởi ma sát ổ trục, những phần đó vẫn tồn tại dưới dạng năng lượng nhưng không được tính là công cơ học hữu ích.

Phần năng lượng không hữu ích thực sự đi đâu?

Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học yêu cầu năng lượng được bảo toàn. Hiệu suất thấp hơn 100% vì quá trình chuyển đổi thực tế thường tạo ra nhiều dạng đầu ra cùng lúc, trong khi chỉ một số dạng được xem là hữu ích.

Ma sát và điện trở chuyển năng lượng thành nhiệt

Trong hệ cơ học, ma sát giữa các bề mặt làm một phần năng lượng chuyển động biến thành chuyển động vi mô của các phân tử, tức nhiệt. Ở hệ điện, dòng điện qua vật dẫn có điện trở cũng tạo nhiệt. Công suất nhiệt do điện trở có thể biểu diễn bằng quan hệ P = I²R, cho thấy tổn thất tăng theo bình phương dòng điện khi điện trở không đổi.

Nhiệt này vẫn nằm trong cân bằng năng lượng. Vấn đề là một động cơ được thiết kế để tạo chuyển động không thể tính nhiệt nóng lên của cuộn dây là công cơ học hữu ích.

Truyền nhiệt làm năng lượng phân tán ra môi trường

Khi nhiệt độ của thiết bị khác nhiệt độ môi trường, năng lượng có xu hướng truyền qua dẫn nhiệt, đối lưu hoặc bức xạ. Nếu mục tiêu của hệ không phải sưởi ấm môi trường, dòng nhiệt đó trở thành tổn thất đối với chức năng chính.

Sự phân tán cũng làm năng lượng khó được thu hồi hoàn toàn. Một lượng nhiệt tập trung ở nhiệt độ cao có khả năng thực hiện công lớn hơn cùng lượng nhiệt sau khi đã phân bố ra một môi trường rộng ở nhiệt độ gần cân bằng. Tổng năng lượng có thể không đổi nhưng khả năng biến nó trở lại thành công hữu ích đã giảm.

Rung động, âm thanh và tải phụ cũng nhận một phần năng lượng

Thiết bị thực còn phải vận hành ổ trục, quạt làm mát, bơm, mạch điều khiển hoặc các bộ phận phụ trợ. Rung động và âm thanh cũng mang năng lượng ra khỏi đường chuyển đổi chính.

Từng thành phần có thể nhỏ, nhưng tổng của chúng tạo nên khoảng cách giữa đầu vào và đầu ra hữu ích. Muốn tăng hiệu suất, kỹ sư phải giảm các con đường tiêu tán này chứ không thể chỉ dựa vào nguyên tắc bảo toàn năng lượng.

Giới hạn nhiệt động lực học khiến 100% không phải lúc nào cũng khả thi

Một số tổn thất có thể giảm bằng vật liệu tốt hơn, ma sát thấp hơn hoặc thiết kế tối ưu hơn. Tuy nhiên, có những giới hạn không thể loại bỏ chỉ bằng cải tiến kỹ thuật.

Trường hợp rõ nhất là động cơ nhiệt. Một động cơ nhiệt nhận nhiệt từ nguồn nóng, biến một phần thành công và thải phần còn lại về nguồn lạnh. Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, nó không thể biến toàn bộ nhiệt nhận được thành công trong một chu trình mà không có sự trao đổi nhiệt với môi trường lạnh hơn.

Giới hạn lý tưởng được mô tả bằng hiệu suất Carnot:

η_max = 1 − T_c / T_h

Trong đó T_h là nhiệt độ tuyệt đối của nguồn nóng và T_c là nhiệt độ tuyệt đối của nguồn lạnh, tính bằng kelvin.

Ví dụ, nếu nguồn nóng ở 600 K và nguồn lạnh ở 300 K:

η_max = 1 − 300/600 = 50%

Ngay cả một động cơ nhiệt lý tưởng, hoàn toàn thuận nghịch, làm việc giữa hai mức nhiệt này cũng không thể vượt quá 50%. Thiết bị thực còn có ma sát, truyền nhiệt qua chênh lệch nhiệt độ hữu hạn và nhiều quá trình bất thuận nghịch khác nên hiệu suất phải thấp hơn giới hạn đó.

Điều này cũng cho thấy không nên hiểu “100% là bất khả thi” như một quy tắc giống nhau cho mọi thiết bị. Giới hạn phụ thuộc vào loại quá trình chuyển đổi. Chẳng hạn, nếu mục tiêu của một điện trở gia nhiệt là tạo nhiệt ngay tại nơi sử dụng, gần như toàn bộ điện năng cuối cùng có thể xuất hiện dưới dạng nhiệt hữu ích. Với động cơ nhiệt biến nhiệt thành công cơ học, định luật thứ hai lại đặt ra một giới hạn thấp hơn 100% khi nguồn lạnh có nhiệt độ lớn hơn 0 K.

Vì vậy, mức lý tưởng thích hợp không phải lúc nào cũng là 100%. Trong nhiều hệ, lý tưởng chính là giới hạn vật lý cao nhất mà cấu hình chuyển đổi đó cho phép.

Biên hệ thống quyết định thế nào là “hữu ích”

Hiệu suất không thể được diễn giải chính xác nếu chưa xác định mục tiêu và biên của hệ.

Với một động cơ, công cơ học ở trục có thể là đầu ra hữu ích còn nhiệt tỏa ra là tổn thất. Nhưng trong một hệ cần đồng thời chuyển động và sưởi ấm, một phần nhiệt trước đây bị coi là hao phí có thể được thu hồi và sử dụng. Bản thân năng lượng không thay đổi; cách đánh giá tính hữu ích của nó đã thay đổi.

Biên hệ thống cũng ảnh hưởng đến con số hiệu suất. Nếu chỉ đo một thiết bị, phép tính có thể bắt đầu tại đầu vào điện của thiết bị và kết thúc tại trục ra. Nếu đánh giá cả chuỗi năng lượng, phải tính thêm các bước phát điện, truyền tải, biến đổi điện áp hoặc các công đoạn trung gian liên quan. Hai giá trị này trả lời hai câu hỏi khác nhau và không nên được so sánh trực tiếp.

Đó là lý do một con số như 90% chưa đủ để kết luận một hệ “hiệu quả” nếu không biết 90% của đầu vào nào, tạo ra đầu ra nào và được đo ở đâu.

So sánh hiệu suất chỉ có ý nghĩa khi cùng điều kiện

Khi đọc thông số hiệu suất năng lượng, cần đặt các giá trị trên cùng một cơ sở: cùng dạng năng lượng đầu vào, cùng định nghĩa đầu ra hữu ích, cùng biên hệ thống và điều kiện vận hành tương đương. Hiệu suất của nhiều thiết bị còn thay đổi theo tải, nhiệt độ, tốc độ hoặc điểm làm việc nên giá trị cực đại không nhất thiết đại diện cho toàn bộ quá trình sử dụng.

Đối với một chuỗi gồm nhiều bước chuyển đổi nối tiếp, hiệu suất tổng không được tính bằng cách lấy trung bình các hiệu suất thành phần. Nó được xác định bằng tích của chúng:

η_tổng = η₁ × η₂ × ... × ηₙ

Nếu hai công đoạn liên tiếp đều có hiệu suất 90%, 100 đơn vị năng lượng ban đầu chỉ còn:

100 × 0,90 × 0,90 = 81 đơn vị năng lượng hữu ích

Hiệu suất toàn chuỗi vì thế là 81%, không phải 90%. Mỗi công đoạn tiếp theo chỉ xử lý phần năng lượng còn lại sau công đoạn trước.

Cách nhìn này giải thích vì sao cải thiện một thiết bị riêng lẻ chưa chắc tạo ra mức cải thiện tương đương cho toàn hệ thống. Cần xác định nơi năng lượng đang bị phân tán nhiều nhất và đánh giá hiệu suất trên đúng biên hệ thống cần tối ưu.

Hiệu suất năng lượng thấp hơn mức chuyển đổi lý tưởng không có nghĩa một phần năng lượng đầu vào đã bị mất khỏi tự nhiên. Tổng năng lượng vẫn tuân theo định luật bảo toàn; phần không trở thành đầu ra hữu ích được chuyển sang nhiệt, rung động, âm thanh hoặc các dạng năng lượng khác. Trong thiết bị thực, ma sát, điện trở, truyền nhiệt và những quá trình bất thuận nghịch làm khoảng cách giữa đầu vào và đầu ra hữu ích tăng lên. Với một số quá trình như động cơ nhiệt, định luật thứ hai của nhiệt động lực học còn đặt ra giới hạn lý tưởng thấp hơn 100%. Vì thế, đánh giá hiệu suất đúng luôn cần đồng thời xem xét đầu ra nào được coi là hữu ích, biên hệ thống nằm ở đâu và giới hạn vật lý của quá trình chuyển đổi là gì.