Gom nhiệt thải để sưởi nhà: máy bơm nhiệt ở MIT

Bạn thử đặt tay ra phía sau tủ lạnh nhà mình xem. Nóng. Chỗ nóng ấy chính là nhiệt mà tủ lạnh vừa moi ra khỏi hộp sữa rồi đẩy ra ngoài, và nó bay vào bếp, mất luôn. Ở Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), người ta vừa làm một chuyện đơn giản mà ít ai chịu làm: bắt lại chỗ nhiệt bỏ đi ấy, rồi dùng nó để sưởi một toà nhà khác.

Con số lạ nhất trong câu chuyện này: khuôn viên MIT có 168 toà nhà, mười năm qua thì rộng thêm, phòng thí nghiệm hoạt động nhiều hơn, người đông hơn, mà năng lượng dùng trên mỗi đơn vị diện tích lại giảm hơn 10%. Một nơi lớn lên mà ăn ít điện đi. Làm sao vậy?

Nó là cái gì

Thứ đáng gọi là phát minh ở đây không phải một cái máy bóng loáng bạn cầm được, mà là một hệ thống đường ống và máy nằm dưới tầng hầm.

Chỗ đang chạy thật là toà Metropolitan Storage Warehouse (toà W41), một nhà kho cũ vừa cải tạo xong và mở cửa vào tháng 8, nay là nơi học của trường Kiến trúc và Quy hoạch. Toà này dùng hệ thu hồi nhiệt (heat recovery): nhiệt bị hệ làm mát của cả khuôn viên thải ra được hứng lại, rồi đưa qua bơm nhiệt (heat pump) chạy bằng điện để nâng lên đủ nóng mà sưởi cho toà nhà. Bơm nhiệt không đốt gì cả. Nó chỉ chuyển nhiệt từ chỗ này sang chỗ kia, giống như bạn múc nước từ chậu sang xô chứ không phải nấu ra nước mới.

Bản lớn hơn thì vẫn còn trên giấy. MIT đang thiết kế một nhà máy bơm nhiệt điện đặt ngay cạnh nhà máy cấp năng lượng hiện có trên đường Vassar. Nó sẽ đun nước nóng rồi dẫn nước nóng đó tới các toà nhà bằng mạng ống ngầm. Quy mô hình dung được qua phần việc nó gánh: hút lại nhiệt thải từ hệ làm mát để cấp 30 tới 40% nhu cầu sưởi của cả khuôn viên.

Trước đây người ta làm thế nào

Cách cũ vẫn đang chạy song song, và nó đơn giản đến mức thô: đốt.

Nhà máy trung tâm của MIT đốt khí thiên nhiên (natural gas) để vừa phát điện vừa tạo hơi nước nóng. Hơi nước ấy đi qua đường ống ngầm tới từng toà nhà để sưởi. Cùng lúc đó, ở phía bên kia, hệ điều hoà làm mát các phòng thí nghiệm và đổ nhiệt thải ra ngoài trời. Tức là một bên tốn khí đốt để làm nóng, một bên tốn điện để đổ nhiệt đi. Hai việc ngược nhau, cùng một khuôn viên, không nói chuyện với nhau.

Nó hơn ở điểm nào

Hơn ở chỗ đo được, và MIT có số.

Toà 46, nơi có khu Khoa học Não và Nhận thức, từng là một trong những hộ ngốn năng lượng nhất trường. Năm 2024, MIT cải tạo từng phòng thí nghiệm một và nâng cấp hệ thống cơ khí của toà. Kết quả: giảm 35% năng lượng và phát thải của toà đó, tương đương khoảng 2% phát thải của toàn khuôn viên. Chỉ một toà nhà.

Tính rộng ra: từ năm 2014, 101 trong 168 toà nhà đã được nâng cấp, hơn 300 dự án tiết kiệm năng lượng đã hoàn tất, 33 dự án đạt chứng nhận LEED (một bộ tiêu chuẩn của Mỹ chấm điểm toà nhà về mức độ thân thiện môi trường). Điện mặt trời áp mái tăng hơn 5 lần, lắp ở trung tâm sinh viên Stratton, thư viện Dewey, ký túc xá New Vassar và vài toà nữa. Tháng 5, toà Tina and Hamid Moghadam thành toà đầu tiên của trường đạt chứng nhận Living Future Zero Carbon.

Còn một phần nữa nằm ngoài trường, cách xa hàng nghìn ki lô mét. MIT góp làm ba dự án điện sạch ở những vùng mà lưới điện vẫn chủ yếu chạy bằng nhiên liệu hoá thạch: trang trại điện mặt trời Summit Farms 60 mê ga oát ở North Carolina (chạy từ 2016), Big Elm Solar 200 mê ga oát ở Texas (2024), và trang trại điện gió Bowman Wind 208 mê ga oát ở North Dakota (tháng 12 năm 2025). Ba dự án này cộng lại tránh được hơn 200.000 tấn khí CO2 mỗi năm, xấp xỉ bằng lượng phát thải trực tiếp cả năm của khuôn viên.

Đây là lúc cần hiểu chữ phát thải ròng bằng không (net-zero). Nó không có nghĩa là không thải gì. Nó nghĩa là thải bao nhiêu thì bù lại đúng bấy nhiêu bằng điện sạch làm ra ở nơi khác. Theo ông Joe Higgins, phó chủ tịch phụ trách dịch vụ và quản trị khuôn viên, MIT dự kiến chạm mốc này trong năm nay.

Một điểm hơn nữa mà bạn khó thấy: tiết kiệm bây giờ không còn là "nhớ tắt đèn". Hướng làm mới của MIT là dùng trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) để đặt nhiệt độ lớp học và văn phòng dựa theo dự báo thời tiết, theo thói quen có bao nhiêu người trong phòng giờ nào, và theo dự báo giờ nào lưới điện khu vực đang bẩn nhất. Tính trước, chứ không chữa sau.

Lợi ích cũng được đo bằng thước khác ngoài khí thải. Văn phòng Bền vững của trường cùng các nhà nghiên cứu dựng một khung đánh giá: ba dự án kia tạo lợi ích kinh tế tương đương 7.000 việc làm xây dựng một năm và 189 việc làm bảo trì trong 20 năm, còn lợi ích sức khoẻ mỗi năm thì tương đương 640 người bỏ thuốc lá vĩnh viễn, vì không khí bớt bụi từ nhà máy điện than.

Còn vướng ở đâu

Nhiều chỗ, và đây là phần bản tin của chính trường cũng nói ra.

Nhà máy bơm nhiệt lớn chưa được xây. Theo bà Vasso Mathes, người quản lý chương trình khử carbon của khuôn viên, quá trình thiết kế mới bắt đầu, và phải sang năm mới biết nó to cỡ nào, làm theo mấy giai đoạn, nối vào hệ hiện có thế nào. Nó cũng chỉ lo được 30 tới 40% nhu cầu sưởi, phần còn lại vẫn phải tìm cách khác.

Muốn dùng nước nóng thay hơi nước thì phải thay cả hệ đường ống ngầm và sửa từng toà nhà cho chịu được nước nóng. Việc này đã khởi động nhưng còn dài. Toà 39, nơi sẽ thành phòng thí nghiệm lượng tử, hứa giảm 70 tới 80% năng lượng, nhưng đang cải tạo. Ký túc xá McCormick Hall khởi công mùa hè này và chỉ đón sinh viên vào mùa thu 2028.

Có một chỗ vướng ngược đời: điện do nhà máy đốt khí của trường làm ra hiện vẫn sạch hơn lưới điện vùng New England 15 tới 20%. Nên chuyển hẳn sang mua điện lưới chưa chắc tốt hơn ngay lúc này, phải chờ lưới có thêm điện tái tạo. Và cả khi chuyển rồi, nhà máy cũ vẫn phải giữ lại làm dự phòng cho những ngày nóng đỉnh hoặc lạnh đỉnh.

Cuối cùng, ý tưởng lớn nhất mới chỉ là nghiên cứu: dự án BosTEN, một cuộc khảo sát kéo dài một năm xem có làm được mạng nhiệt quy mô cả thành phố hay không, lấy nhiệt từ đất đá dưới sông Charles và vịnh Boston. Khảo sát khả thi, chưa phải công trình.

Thử ở nhà

Trong một tuần, bạn đi một vòng nhà mình mỗi ngày và ghi lại những chỗ đang toả nhiệt vô ích: mặt sau tủ lạnh, cục nóng máy lạnh ngoài ban công, nước nóng rửa bát đổ xuống cống, nắp nồi vừa mở. Đếm xem mỗi ngày có bao nhiêu chỗ. Danh sách đó chính là thứ mà kỹ sư ở MIT gọi là nhiệt thải.

Và câu hỏi để nghĩ tiếp: nếu trường của bạn được yêu cầu giảm một nửa lượng điện, bạn sẽ đi đo chỗ nào trước để biết nên sửa cái gì?

Lưu ý

Bài viết dựa trên tin khoa học đã công bố, viết lại cho bạn đọc nhỏ tuổi. Có chỗ nào con muốn tìm hiểu thêm thì rủ bố mẹ đọc cùng nhé.