Hướng dẫn thực hành phòng thử nghiệm bền vững cho nhà quản lý

Có nhiều cơ hội khác nhau và phong phú để bảo vệ môi trường trong phòng thử nghiệm (PTN) khoa học, nhưng các nhà khoa học thường tập trung vào những dạng chất thải PTN dễ thấy nhất như nhựa, và bỏ qua nhân tố lớn nhất góp phần vào phát thải khí nhà kính: điện.

PTN tiêu thụ năng lượng nhiều gấp 3-5 lần trên một feet vuông so với văn phòng thông thường do hoạt động suốt ngày đêm của các thiết bị sử dụng nhiều năng lượng, 100% yêu cầu về không khí bên ngoài, và tỷ lệ lưu lượng không khí cao.

Một báo cáo năm 2015 của My Green Lab và Trung tâm PTN Năng lượng Hiệu quả (CEEL) cho thấy rằng rất nhiều trong số các loại thiết bị PTN được sử dụng phổ biến đã tiêu thụ 8-32 TWh hàng năm ở Hoa Kỳ. Con số này tương đương với mức tiêu thụ năng lượng của hơn bốn triệu ngôi nhà. Bài viết này sẽ khám phá một số cách trực quan, cũng như một số cách ít rõ ràng hơn, để giảm sử dụng năng lượng trong PTN.

Thách thức tủ đông

Một tủ cấp đông ở nhiệt độ cực thấp (ULT, -80°C) tiêu tốn nhiều năng lượng tương đương một hộ gia đình trung bình. Báo cáo CEEL 2015 ước tính Hoa Kỳ có ít nhất 580.000 tủ đông ULT, tiêu thụ 4 tỷ kWh/năm. Ước tính còn có khoảng 750.000 tủ đông -20°C và 960.000 tủ lạnh PTN ở Hoa Kỳ, tiêu thụ gần như cùng một lượng năng lượng. May mắn thay, để giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng của các đơn vị này thì rất dễ dàng.

Làm tan đá tủ đông không chỉ tối ưu hóa hiệu năng, mà trong nhiều trường hợp còn làm giảm ít nhất 10% tiêu thụ năng lượng. Dành thời gian để kiểm kê các mẫu có thể giảm số lượng mẫu lưu trữ lâu dài, do đó giảm yêu cầu làm lạnh tổng thể.

Một ưu điểm dễ dàng khác là tăng điểm đặt nhiệt độ tủ đông ULT lên -70°C từ -80°C. Sự thay đổi nhỏ này đã làm giảm mức tiêu thụ năng lượng của tủ đông ULT trung bình 37%, trong khi đồng thời kéo dài tuổi thọ của tủ bằng cách giảm sự quá tải của bộ nén.

Những phương pháp này và các thực hành hay nhất để quản lý kho lạnh được tóm tắt trong cuộc thi “Thử thách Tủ đông Phòng thử nghiệm Bắc Mỹ” được mở vào mùa thu năm 2016 bởi My Green Lab và Học viện Quốc tế về Phòng thử nghiệm Bền vững. Các PTN tham gia vào thử thách trước đó đã không chỉ ghi nhận mức tiết kiệm năng lượng tăng lên 3.600 kWh/năm, mà còn thấy rằng những thực hành tốt nhất này dẫn đến cách quản lý mẫu an toàn hơn và hiệu quả hơn.

ENERGY STAR®

Gần 10 năm trước, nhận thấy việc các thiết bị tiêu tốn điện năng được sử dụng rộng rãi trong PTN, đặc biệt là một lượng lớn các đơn vị kho lạnh tiêu thụ 10–30 kWh/ngày, một nhóm tiên phong đã phối hợp với Cơ quan Bảo vệ Môi trường và ENERGY STAR để thiết lập tiêu chuẩn cho kho lạnh PTN.

Quá trình này gắn với nhiều bên liên quan, gồm các nhà sản xuất, chủ tòa nhà và quản lý tòa nhà, các nhà khoa học và những tổ chức phi lợi nhuận ủng hộ tiết kiệm năng lượng. Họ đã cùng nhau làm việc trong 1 thập kỉ để xây dựng các thông số kĩ thuật cho thiêt bị làm lạnh trong PTN, bao gồm tủ đông ULT, tủ đông -20°C, và tủ lạnh.

Mặc dù nhãn ENERGY STAR có thể không được sử dụng rộng rãi như tạp chí khoa học, các nhà khoa học nên sử dụng các thông số kĩ thuật liên quan để hỗ trợ trong quá trình mua thiết bị cho kho lạnh tiết kiệm điện năng. Trong một số trường hợp, những sản phẩm này còn có thể được giảm giá.

Bộ hẹn giờ

Mặc dù các thiết bị làm lạnh tiêu thụ một lượng điện năng cao áp đảo trong PTN, các nhóm thiết bị khác như bể điều nhiệt, bể ủ nhiệt, máy ly tâm có kiểm soát nhiệt độ, máy laser, lò nướng, và thậm chí máy tính, tiêu thụ nhiều điện năng hơn nhiều so với những gì các nhà khoa học nhận ra. Do mỗi nhóm có các sản phẩm đa dạng và lĩnh vực còn mới, việc thu thập dữ liệu tiêu thụ cuối cùng rất khó khăn.

Cách đơn giản nhất để vận hành thiết bị có yếu tố làm nóng hoặc làm lạnh một cách bền vững là tắt nó đi khi không sử dụng. Tuy nhiên, sự gấp rút của các thí nghiệm khiến việc này trở nên khó khăn, do thiết bị cần một khoảng thời gian chuẩn bị báo trước để sử dụng. Hãy dùng bộ hẹn giờ.

Bộ hẹn giờ đã được sử dụng trong PTN trên khắp nước Mỹ để tắt các thiết bị, thường là vào buổi tối, và có lẽ quan trọng hơn là để bật chúng vào buổi sáng. Với một bộ hẹn giờ được thiết lập đúng, bể điều nhiệt và bể ủ nhiệt sẽ luôn ở nhiệt độ chính xác khi nhân viên đầu tiên bước vào PTN. Do thiết bị không chạy suốt đêm, PTN sẽ giảm lượng điện năng sử dụng và giảm nguy cơ cháy nổ. Một khoản đầu tư 10 USD vào bộ hẹn giờ có thể tiết kiệm cho một PTN hơn 100 USD 1 năm về chi phí điện, và giảm lượng phát thải các-bon hơn 2.5 tấn trên vòng đời của hầu hết thiết bị.

Cửa tủ hút khí khép kín

Trong các PTN hóa học và sinh học có tủ hút khí độc hóa học. Một tủ hút khí hóa học mỗi ngày có thể tiêu thụ năng lượng nhiều bằng 3.5 hộ gia đình do lượng không khí lớn cần di chuyển qua tủ hút để tới hệ thống thông khí. Các hệ thống thông khí và hút khí có thể được chia thành hai loại: Lượng khí liên tục (CAV) và Lượng khí biến thiên (VAV).

Như tên gọi, trong một tủ hút CAV, lượng không khí chảy qua buồng hút là không đổi, trong khi đó tủ hút VAV có thể điều chỉnh lượng không khí chảy qua. Vì mức tiêu thụ năng lượng của tủ hút tương xứng với lượng không khí chảy qua chúng, giảm thể tích luồng không khí trong tủ hút VAV sẽ giúp tiết kiệm điện năng.

Lượng luồng không khí trong tủ hút khí được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh chiều cao của cánh cửa di động, hoạt động như rào chắn giữa bên trong tủ hút và phần còn lại của phòng thí nghiệm. Cửa phải được nâng lên khi đang làm việc trong khoang và trong hầu hết các trường hợp, cửa phải được hạ xuống khi hoàn tất công việc để đảm bảo sự an toàn cho nhân viên PTN. Trong tủ hút VAV, hạ thấp cánh cửa cũng làm giảm tốc độ quạt xả và lượng không khí được xả bởi hệ thống thông gió VAV, giảm cường độ năng lượng lên đến hơn 40%.

Hóa học xanh

Ở bề nổi, thực hành hóa học xanh – thiết kế các quy trình hoá học và sản phẩm làm giảm việc tạo ra chất thải nguy hại – dường như không liên quan gì đến tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên, cả hai lĩnh vực đều thực sự có gắn kết với nhau.

12 Nguyên tắc của Hóa học Xanh bao gồm các hướng dẫn cụ thể để tuân thủ khi chọn hóa chất. Những nguyên tắc này được áp dụng trên các lĩnh vực, liên quan đến các nhà sinh vật học, các nhà vật lý thực nghiệm và các nhà hóa học. Ví dụ, các nguyên tắc khuyên sử dụng vi hóa học, và lựa chọn các chất thay thế lành tính bất cứ khi nào có thể.

Những phương pháp tiếp cận hợp lý để giảm thiểu chất thải nguy hại này cũng làm giảm sự phơi nhiễm không cần thiết của nhân viên đối với các vật liệu nguy hiểm. Đại học MIT đã tạo lập Hướng dẫn mua hóa chất xanh thay thế, có thể được sử dụng để lựa chọn các chất thay thế lành tính, và trang web của MilliporeSigma (trước đây là EMD Millipore và Sigma-Aldrich) liệt kê trên 700 loại chất xanh thay thế cho các hóa chất và thuốc thử thông thường.

Như đã đề cập ở trên, các PTN có yêu cầu rất khắt khe về thông gió. Một trong những lý do chính mà các PTN tiêu tốn nhiều năng lượng hơn các không gian văn phòng đó là chúng được thông gió thường xuyên hơn bằng cách sử dụng 100% không khí bên ngoài. Các yêu cầu về thông gió này thường được gọi là "tỷ lệ trao đổi không khí" hoặc "tỉ lệ không khí thay đổi trên giờ".

Các không gian PTN tiêu chuẩn với tỷ lệ trao đổi không khí là 10-12 trên giờ là rất bình thường để giảm nguy cơ nhân viên bị phơi nhiễm với các hóa chất độc hại. Một phong trào gần đây, được tiên phong bởi Đại học California, Chương trình Smart Labs của Irvine (UCI), đã kêu gọi các cơ sở xem xét lại tỷ lệ trao đổi không khí trong các PTN của họ.

Bằng cách tích cực lấy mẫu không khí trong PTN của mình, UCI có thể sắp xếp số lần không khí trao đổi với nguy cơ tiếp xúc phơi nhiễm với hóa chất. Điều này đã làm giảm mức tiêu thụ năng lượng tới 50% trong một số trường hợp, dẫn đến hàng triệu đô la được tiết kiệm hàng năm. Điều này có liên hệ gì với hóa học xanh? Các PTN thực hành Nguyên tắc Hóa học Xanh ít tiếp xúc với các vật liệu nguy hại hơn, và do đó, cần ít sự trao đổi không khí mỗi giờ hơn.

Công trình được thực hiện tại UCI đã tạo cảm hứng cho Bộ Năng lượng để khởi động Chương trình Tăng tốc cho Phòng thí nghiệm Thông minh vào năm 2017. Chương trình này thách thức các tổ chức giảm mức tiêu thụ năng lượng trong PTN xuống 20% ​​trong 10 năm tới. Bằng cách thực hiện những bước đơn giản nêu trên, các nhà khoa học có thể giúp tổ chức của họ đạt được mục tiêu này.

Kết luận

Các PTN là đối tượng tiêu thụ năng lượng lớn nhất và chuyên sâu nhất trong các trường đại học, chiếm tới 60% tổng lượng sử dụng năng lượng, mặc dù chiếm ít hơn 30% tổng không gian. Các tổ chức phi học thuật cũng nhận thấy rằng các PTN tiêu thụ một lượng năng lượng không cân xứng tương tự. May mắn thay, các nhà khoa học có thể kiểm soát khá nhiều lượng năng lượng họ sử dụng.

Bằng cách áp dụng các thực hành hay nhất để quản lý kho lạnh, mua các thiết bị đạt tiêu chuẩn ENERGY STAR bất cứ khi nào có thể, tắt thiết bị vào ban đêm, và đóng cửa tủ hút khói, các nhà khoa học có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng trong PTN lên tới trên 10 TWh/năm trên toàn nước Mỹ. Hơn nữa, bằng cách làm việc với quản lý cơ sở và lựa chọn các chất thay thế lành tính hơn các chất độc hại đã biết, các nhà khoa học có thể tác động đến sự thay đổi đáng kể về tiêu thụ năng lượng tổng thể trong các tòa nhà của họ.

Bảo tồn tài nguyên thiên nhiên thông qua giảm năng lượng tiêu thụ không chỉ có lợi cho môi trường, mà trong một số chương trình thí điểm còn có lợi cho các nhà khoa học. Hai trường đại học nổi tiếng ở Mỹ đã bắt đầu các chương trình thí điểm, trong đó giảm chi phí cho các PTN nếu họ giảm năng lượng tiêu thụ. Thật là một cách tuyệt vời để các nhà khoa học hướng tới giảm thiểu thay đổi khí hậu, đồng thời tăng nguồn tài chính cho việc nghiên cứu của họ.

Năng lượng Tiêu thụ Ước tính hàng năm trên toàn nước Mỹ

(Báo cáo CEEL 2015)

Theo www.labmanager.com