Sự Cần Thiết Của Việc Sử Dụng Năng Lượng Tái Tạo [1]

- So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả mô phỏng.

4. Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Lý thuyết để định hướng việc sử dụng các mô hình toán học trong xử lý bài toán phức tạp của quá trình cháy rối. Mô phỏng là phương pháp chính sử dụng trong nghiên cứu này. Thực nghiệm được tiến hành ở một số chế độ vận hành xác định của động cơ để đánh giá kết quả mô phỏng. Sự phù hợp giữa kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm cho phép rút ra những kết luận mang tính tổng quát.

5. Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án được chia làm 4 chương:

 Chương 1: Tổng quan.

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ đốt trong.

 Chương 3: Mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng.

 Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá kết quả mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 178 trang tài liệu này.

6. Đóng góp mới của luận án

- Xây dựng mô hình và chương trình tính toán quá trình cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy động cơ sử dụng nhiên liệu hybrid biogas-xăng.

- Thiết kế hệ thống nạp động cơ phun xăng điều khiển điện tử thành hệ thống cung cấp nhiên liệu hybrid biogas-xăng.

- Xác định thành phần xăng tối ưu trong nhiên liệu hybrid biogas-xăng để đạt được sự hài hòa tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ.

- Xác lập các quy luật biến thiên của công chỉ thị chu trình, nồng độ các chất ô nhiễm theo thành phần nhiên liệu, góc đánh lửa sớm và tốc độ động cơ.

- Phát triển công nghệ ứng dụng biogas nghèo trên ô tô tải nhẹ hoạt động ở khu vực nông thôn, góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính.

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN

1.1. Sự cần thiết của việc sử dụng năng lượng tái tạo [1]

Nguồn năng lượng chúng ta đang sử dụng có thể được phân chia như hình 1.1.

- Các nguồn năng lượng sơ cấp được phân chia thành năng lượng không tái tạo (hay năng lượng hóa thạch) và năng lượng tái tạo.

- Năng lượng hóa thạch chủ yếu gồm: than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên.

- Năng lượng tái tạo có nguồn gốc trực tiếp hay gián tiếp từ năng lượng mặt trời: điện mặt trời, năng lượng gió, thủy điện, biogas, biomass, hydrogen …

- Các nguồn năng lượng hóa thạch sơ cấp được dùng để chế biến thành năng lượng thứ cấp: than coke, nhiên liệu khí, xăng dầu … để sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.

- Các nguồn năng lượng tái tạo được chuyển sang điện, nhiệt hay nhiên liệu để thay thế các nguồn năng lượng truyền thống.

Hình 1.1: Các nguồn năng lượng

Năng lượng tái tạo là các nguồn năng lượng có thể được tạo ra và bổ sung trong một thời gian ngắn. Chúng tồn tại cùng thang đo thời gian của Hệ Mặt trời. Chúng cạn kiệt khi Mặt trời tắt, sớm nhất cũng phải đến vài tỉ năm nữa! Phần lớn các nguồn năng lượng tái tạo chúng ta khai thác hiện nay có nguồn từ Mặt Trời như điện mặt trời (PV solar), thủy điện, điện gió, điện từ sóng biển, nhiên liệu sinh học … Một số khác khai thác từ nhiệt trong lòng đất (địa nhiệt), từ lực hấp dẫn của Mặt Trăng (thủy triều) …

Hình 1.2: Khoảng cách tương đối giữa Trái Đất và các hành tinh khác (a) và bức xạ Mặt Trời ở Việt Nam (b)

Mặt Trời có đường kính 1,39 triệu km. Mặt trời là một lò phản ứng hạt nhân khổng lồ. Trong các hành tinh của Mặt Trời thì Trái đất cách Mặt Trời 8,32 phút ánh sáng (khoảng149,5 triệu km) so với khoảng cách 1,3 giây ánh sáng đến Mặt Trăng.

Tại tâm của Mặt Trời, các phản ứng tổng hợp hạt nhân chuyển hóa hyhro thành heli xảy ra liên tục. Cứ mỗi giây có khoảng 8,9×1037proton được chuyển hóa thành hạt nhân heli. Năng lượng Mặt trời là năng lượng bức xạ điện từ. Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỉ năm nữa. Nhiệt độ tạo lõi Mặt trời khoảng 15.106 K nhưng nhiệt độ bề mặt Mặt trời chỉ khoảng 6000K.

Tuy vậy Mặt Trời chỉ là một ngôi sao nhỏ đã tồn tại khoảng 10 tỉ năm trong vũ trụ. Đến nay nó đã tồn tại hơn nửa thời gian theo tuổi thọ của nó. Khi Mặt Trời tắt thì sẽ không còn bất kỳ một dạng sống nào có thể tồn tại trên hành tinh. Khi tắt, nhân

Mặt Trời sẽ co lại thành một sao lùn trắng trong khi lớp vỏ giãn nở và không ngừng phình to vào không gian đến khi nuốt chửng cả quỹ đạo Trái Đất và các hành tinh khác.

Toàn bộ năng lượng Trái Đất nhận được từ Mặt Trời khoảng 2,4.1018 cal/phút, gồm 48% năng lượng thuộc dải phổ ánh sáng khả kiến (λ = 0,4-0,76 μm), 7% tia cực tím (λ < 0,4 μm) và 45% thuộc dải phổ hồng ngoại và sóng vô tuyến (λ > 0,76 μm).

Ở nước ta bức xạ mặt trời trung bình từ 3,8 (khu vực phía Bắc) đến 5,6kWh/ngày (khu vực phía Nam). Bức xạ mặt trời lớn nhất ở khu vực Nam Trung bộ và Đông Nam bộ (hình 1.2b).

Nhờ có năng lượng từ Mặt Trời Trái Đất mới được sưởi ấm, thực vật mới thực hiện được phản ứng quang hợp để hấp thụ carbon làm nguồn thức ăn cho động vật.

Một cách tổng quát mà nói, nhiên liệu mà chúng ta sử dụng, dù là nhiên liệu hóa thạch hay nhiên liệu tái tạo đều có nguồn gốc trực tiếp hay gián tiếp từ năng lượng Mặt Trời. Hình 1.3 giới thiệu chu trình carbon của Trái Đất. Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, thực vật hấp thụ CO2 trong khí quyển để chuyển thành carbonhydrate trong thực vật để lớn lên và tạo nguồn thực phẩm nuôi sống động vật. CO2 trong bầu khí quyển do động thực vật thở ra hay phát thải từ quá trình cháy của hydrocarbon.

Xác động thực vật chôn vùi trong lòng đất mang theo một lượng CO2 lấy đi từ bầu khí quyển. Sau hàng triệu năm xác động thực vật này biến thành nhiên liệu hóa thạch. Nghĩa là lượng CO2 còn lại trong bầu khí quyển nhỏ hơn lượng CO2 khi Trái Đất hình thành. Với hàm lượng CO2 đó, Trái Đất được giữ đủ ấm để vạn vật sinh sống.

Khi đốt cháy nhiên liệu tái tạo như nhiên liệu sinh học, biomass… thì CO2 vẫn phát sinh nhưng lượng CO2 đó sẽ được thực vật thế hệ tiếp theo hấp thụ để lớn lên, do đó nó không làm tăng hàm lượng CO2 trong bầu khí quyển so với điều kiện hiện tại.

Khi đốt nhiên liệu hóa thạch, CO2 của sản phẩm cháy được thải ra bầu khí quyển. CO2 này không quay ngược được vào lòng đất nên nồng độ CO2 trong bầu khí quyển gia tăng. Tất nhiên về mặt cân bằng vật chất mà nói thì CO2 do nhiên liệu hóa thạch thải ra cũng là CO2 trong bầu khí quyển trước đây. Khi sử dụng hết nhiên liệu hóa thạch vùi chôn trong lòng đất thì hàm lượng CO2 trở lại giá trị ban đầu khi hành

tinh được hình thành, nghĩa là vượt xa so với hàm lượng của nó cần có để đảm bảo môi trường sống bình thường.

Khi hàm lượng CO2 trong bầu khí quyển gia tăng thì hiệu ứng nhà kính do chúng ta ra càng nghiêm trọng làm tăng nhiệt độ bầu khí quyển, băng tuyết tan chảy làm dâng cao mực nước biển, mở rộng sa mạc, khí hậu thất thường… đe dọa cuộc sống của loài người và mọi sinh vật trên hành tinh.

Đó là lý do tại sao chúng ta phải hạn chế sử dụng nhiên liệu hóa thạch và thay vào đó, tăng cường sử dụng nhiên liệu tái tạo.

CO2 trong khí quyển

Carbon thải vào khí

quyển từ quá trình cháy nhiên liệu hóa thạch

Thức ăn

động vật

Carbonic trong nhiên liệu

hóa thạch

Quang hợp sinh ra

carbonhydrates

Carbon thải vào khí quyển từ quá trình hô hấp

Hình 1.3: Chu trình carbon trên Trái Đất

Để đảm bảo sự phát triển bền vững, các nhà khoa học từ lâu đã nghiên cứu phát triển công nghệ ứng dụng các loại nhiên liệu tái tạo có nguồn gốc từ bức xạ mặt trời. Đây là nguồn năng lượng dồi dào và bất tận trong thang đo thời gian của Thái dương hệ. Nguồn năng lượng này phân bố đều khắp trên hành tinh, không phụ thuộc nhiều vào vị trí địa lý như nguồn năng lượng hóa thạch.

Theo cảnh báo của các nhà khoa học thì nếu nhiệt độ bầu khí quyển tăng vượt 2C so với nhiệt độ trung bình trong giai đoạn 1850-1950 thì sẽ xảy ra hiện tượng “househot”, khi đó nhiệt độ khí quyển đạt giá trị cao nhất trong hơn 1,5 triệu năm qua và con người không còn khả năng điều chỉnh lại hệ thống khí hậu. Để nhân loại

không phải đối mặt với hiện tượng khí hậu cực đoan này, tại Hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu thế giới COP21 năm 2015 tại Paris, đa số các quốc gia đã thống nhất cam kết cùng hành động để từ 2020 trở đi, mức phát thải CO2 trên phạm vi toàn cầu giảm dần, đảm bảo nhiệt độ bầu khí quyển cuối thế kỷ 21 không vượt quá ngưỡng cực đoan 2C so với thời kỳ tiền công nghiệp.

Trong các nguồn phát thải CO2 thì động cơ đốt trong là thủ phạm chính. Vì thế để đạt được mục tiêu COP21, thì trong vòng 3 thập niên tới, nhiên liệu thay thế/tái tạo sử dụng trên động cơ đốt trong phải chiếm ít nhất 60% tổng năng lượng sử dụng so với mức 10% hiện nay. Đây là một thách thức rất lớn đối với các nhà khoa học trong lĩnh vực động cơ đốt trong và phương tiện vận chuyển cơ giới.

Ở các nước vùng nhiệt đới, sản xuất nông nghiệp thì biogas và điện mặt trời là nguồn năng lượng dồi dào. Biogas từ lâu đã được dùng để đun nấu, thắp sáng. Với mức độ dồi dào của biogas, việc sử dụng nó làm nguồn nhiên liệu này trên động cơ đốt trong để kéo máy công tác tĩnh tại hay lắp trên phương tiện vận chuyển cơ giới là giải pháp rất hữu hiệu để tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường. Biogas có thể sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức hay động cơ dualfuel.

Biogas có chỉ số octane lớn, khoảng 130, nên nó có khả năng chống kích nổ tốt. Vì thế nó có thể dùng trên động cơ có tỉ số nén cao để cải thiện hiệu suất nhiệt. Tuy nhiên biogas có chứa CO2, một tạp chất làm giảm tốc độ lan tràn màn lửa và giảm nhiệt trị nhiên liệu, ảnh hưởng đến tính năng của động cơ.

1.2. Nhiên liệu sinh học [66]

1.2.1. Các thế hệ nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời, chúng khả năng tái tạo, thân thiện với môi trường, có thể thay thế dầu mỏ. Nhiên liệu sinh học bao gồm các dạng rắn (biomass), lỏng (biodiesel, bioethanol, bio methanol...) và khí (biogas, hydrogen…).

Nhiên liệu sinh học đã trải qua 3 thế hệ:

- Thế hệ thứ nhất

Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất được tạo ra từ các nguồn nguyên liệu carbohydrate như gạo, ngô, lúa mạch, lúa mỳ, củ cải đường...; các loại hạt có dầu như dầu cọ, đậu tương, dầu hạt cải... hoặc từ mỡ động vật. Các loại nhiên liệu sinh học

thế hệ thứ nhất bao gồm: dầu thực vật, diesel sinh học, ethanol sinh học, khí sinh học (biogas), khí đốt tổng hợp (syngas). Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất cơ bản được sản xuất từ tinh bột, quy trình sản xuất đơn giản nên được sử dụng từ rất sớm. Tuy nhiên nguyên liệu để sản xuất chúng phần lớn là lương thực, thực phẩm nên ảnh hưởng đến an ninh lương thực. Ngày nay nhiên liệu sinh học thế hệ thức nhất hầu như chỉ còn sản xuất ở quy mô thí nghiệm.

- Thế hệ thứ hai

Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai ra đời nhằm hạn chế những nhược điểm của nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai cơ bản được sản xuất từ cellulose. Nguồn nguyên liệu để sản xuất chúng là các chất thải trong sản xuất nông nghiệp (rơm, rạ, thân cây bắp...), chất thải chăn nuôi (phân gia súc, gia cầm...) hay các cây nguyên liệu được trồng trên đất bạc màu, bỏ hoang, không trồng được cây lương thực, ví dụ như cỏ switchgrass, cây cọc rào (Jatropha).

Mặc dù nguyên liệu thô cho sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai rất phong phú, nhưng việc sản xuất chúng từ nguyên liệu này vẫn chưa thực sự có hiệu quả kinh tế do chi phí để chuyển hóa cellulose thành đường đắt hơn so với chi phí chuyển tinh bột thành đường.

- Thế hệ thứ ba

Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba được sản xuất từ tảo. Tảo còn sản xuất ra dầu ngay trong tế bào của chúng. Có thể hình dung mỗi tế bào tảo là một nhà máy sinh học nhỏ, sử dụng quá trình quang hợp để chuyển hóa CO2 và ánh sáng mặt trời thành năng lượng dự trữ trong tế bào. Hoạt động chuyển đổi của chúng có thể đạt hiệu quả cao, sinh khối có thể tăng gấp nhiều lần trong một thời gian ngắn. Khác với nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất và thứ hai, nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba không chiếm mặt đất, không ảnh hưởng đến an ninh lương thực nên chúng là xu hướng phát triển nhiên liệu sinh học trong tương lai.

1.2.2. Biogas

1.2.2.1. Sản xuất biogas

Biogas là nhiên liệu tái tạo sinh ra từ quá trình tiêu hóa kỵ khí của các chất

hữu cơ nên có chu trình carbon khép kín. Quá trình sử dụng biogas làm nhiên liệu không làm tăng CO2 trong bầu khí quyển (hình 1.4). Do biogas được sản xuất từ chất thải hữu cơ nên nó không ảnh hưởng đến an ninh lương thực. Mặt khác, việc sử dụng biogas còn giúp biến chất thải thành năng lượng, giảm lượng chất thải rắn phải xử lý, một vấn đề nan giải đối với hầu hết các quốc gia trên thế giới.

Hình 1.4: Chu trình carbon khi sử dụng biogas làm nhiên liệu

Hình 1.5: Động học quá trình sản sinh biogas [1]