Chọn ngôn ngữ:    

Nghiên cứu

Chuyển hóa RDF thành điện

Mô đun điện-rác thông qua RDF

sản xuất từ chất thải rắn ở nông thôn


GS. Bùi Văn Ga
Đại học Đà Nẵng

 

               Giới thiệu

              Xử lý chất thải rắn trong sinh hoạt và sản xuất nói chung và xử lý chất thải rắn ở nông thôn nói riêng đang là vấn đề rất bức xúc trong thực tế. Hiện nay nước ta vẫn chưa có một mô hình xử lý rác bền vững để có thể áp dụng rộng rãi. Chôn lấp rác đã tạo ra sức ép rất lớn về quỹ đất và những hệ lụy đối với môi trường, nhất là những bãi chôn lấp rác không đúng qui cách hợp vệ sinh. Đốt rác theo kiểu truyền thống luôn đi kèm công nghệ xử lý khí thải tốn kém và lượng chất thải rắn còn lại phải chôn lấp chiếm tỉ lệ lớn. Việc đốt rác sinh hoạt hoặc chất thải rắn sản xuất ở nông thôn trong không gian hở, không được kiểm soát vừa gây ô nhiễm môi trường, vừa gây lãng phí năng lượng.

             Trước thực trạng nêu trên, năm 2018, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 491/QĐ-TTg phê duyệt điều chỉnh chiến lược quốc gia về quản lý tổng hợp chất thải rắn đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2050. Quyết định nêu ưu tiên ứng dụng các công nghệ xử lý chất thải rắn tiên tiến, thân thiện môi trường; lựa chọn các công nghệ xử lý chất thải rắn kết hợp với thu hồi năng lượng, giảm phát thải khí nhà kính. Đối với chất thải rắn sinh hoạt nông thôn Quyết định nêu mục tiêu 80% lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh tại khu dân cư nông thôn tập trung được thu gom, lưu giữ, vận chuyển, xử lý đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường; việc đầu tư xây dựng mới cơ sở xử lý chất thải rắn sinh hoạt phải đảm bảo tỷ lệ chôn lấp sau xử lý không quá 20%. Như vậy theo tinh thần quyết định này thì định hướng nghiên cứu công nghệ xử lý chất thải rắn nói chung và ở nông thôn nói riêng là giảm thiểu chất thải chôn lấp kết hợp thu hồi năng lượng trong rác thải. Vì thế, sản xuất điện năng từ chất thải rắn, gọi tắt là điện-rác, thuật ngữ quốc tế chuyên môn thường viết tắt là WtE, phù hợp với chủ trương của Chính phủ.

            Bên cạnh đó, để chung tay cùng công đồng quốc tế cắt giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính nhằm giữ cho nhiệt độ bầu khi quyển tăng không quá 2°C vào cuối thế kỷ này, tại Hội nghị Thượng đỉnh về biến đổi khí hậu COP26 diễn ra ở Glasgow mới đây, Việt Nam đã cam kết thực hiện các cơ chế theo Thỏa thuận Paris, để đạt mức phát thải ròng bằng 0 (Net Zero) vào năm 2050. Trọng tâm của các chiến lược này là chuyển đổi nhanh chóng và sâu rộng các hệ thống năng lượng, bao gồm giảm mạnh việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, điện khí hóa rộng rãi các lĩnh vực sử dụng năng lượng đầu cuối và khống chế mức phát thải carbon. Vì vậy, xây dựng nền kinh tế tuần hoàn, thu hồi năng lượng từ chất thải rắn sẽ góp phần thực hiện đồng thời hai mục tiêu: giảm lượng chất thải rắn phải chôn lấp và giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính.

           Tài liệu này giới thiệu kết quả nghiên cứu thu hồi năng lượng từ chất thải rắn ở nông thôn thông qua sản xuất RDF. Nhiên liệu syngas thu hồi từ khí hóa RDF được sử dụng riêng rẽ hoặc phối hợp với các nguồn năng lượng tái tạo khác như biogas, hydrogen để sản xuất điện năng thông qua động cơ đốt trong. Chất lượng syngas phụ thuộc vào biomass đầu vào và điều kiện khí hóa. Biomass rất đa dạng và khác biệt về tính chất. Ngay cùng một loại biomass, tính chất của chúngcũng có thể khác nhautheo mùa vụ, điều kiện môi trường... Trên thực tế, tính không đồng nhất của sinh khối là một trong những nhược điểm của quá trình khí hóa vì rất khó xác định các điều kiện vận hành tối ưu và các đặc tính của sản phẩm cuối cùng. Sự thay đổi thành phần nhiên liệu sẽ ảnh hưởng đến tính năng quá trình cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ. Đó là những thách thức cần có được xử lý để góp phần thực hiện việc thu hồi năng lượng từ biomass.


1. Nghiên cứu mô phỏng lò khí hóa RDF sinh khối


    2. Nghiên cứu thực nghiệm lò khí hóa RDF sinh khối

     3. Nghiên cứu mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy động cơ syngas


       4. Cải tạo động cơ đánh lửa cường bức tĩnh tại thành động cơ syngas


    5. Kết luận
 

  • Thu hồi năng lượng từ chất thải rắn thông qua sản xuất viên nén nhiên liệu RDF là giải pháp công nghệ xử lý triệt để chất thải rắn, giảm tối đa chất thải cần phải chôn lấp và hạn chế phát thải các chất khí gây ô nhiễm.Phương án sử dụng năng lượng thu hồi từ chất thải rắn như một cấu phần của hệ thống năng lượng tái tạo hybrid (HRES) khắc phục được nhược điểm không liên tục của nguồn năng lượng tái tạo. Chế biến chất thải rắn thành RDF rồi khí hóa chúng thành syngas để sử dụng chung với hỗn hợp biogas, hydrogen tái tạo là giải pháp hiệu quả để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo.
  • Thành phần rác thải nước ta phần lớn chứa các chất hữu cơ nên việc chế biến rác thải thành viên nén nhiên liệu RDF có nhiều lợi thế so với các phương pháp xử lý rác khác như nhiệt trị RDF cao, có thể sử dụng linh hoạt nhiên liệu RDF để sử dụng cho những mục đích khác nhau.Phụ thuộc vào vật liệu chế tạo viên nén, nhiệt độ khuôn ép tối ưu thay đổi từ 375K đến 475K; độ ẩm của nguyên liệu để ép viên nén khoảng 20% là phù hợp.
  • Đối với nguyên liệu đầu vào chứa 60% biomass, 20% giấy, 10% nhựa thì áp suất ép khoảng 100bar và nhiệt độ khuôn ép duy trì ở 375K sẽ cho viên nén có độ bền cơ học tốt, độ xốp cao, dễ bén lửa. Khi thành phần nhựa trong nguyên liệu đầu vào tăng lên 20% thì nhiệt độ của khuôn ép tăng lên 475K và áp suất ép 130 bar sẽ cho viên nén RDF có bề mặt nhẵn, vật liệu bền chặt, mật độ năng lượng cao. Đối với chất thải rắn từ sản xuất ở nông thôn không chứa thành phần nhựa thì nguyên liệu cần được nghiền nhỏ, độ ẩm duy trì ở 20%, nhiệt độ khuôn khoảng 400-420K và áp suất ép khoảng 140 bar để đảm bảo viên nén nhiên liệu có độ bền chặt, chịu được tác động cơ học.
  • Khi khí hóa sọ dừa, nếu giảm hệ số không khí dư ER thì hàm lượng CH4 trong syngas tăng còn hàm lượng H2 giảm. Nhiệt trị nhiên liệu tăng nhanh khi giảm ER từ 0,9 đến 0,4. Nếu tiếp tục giảm ER thì nhiệt trị syngas hầu như thay đổi không đáng kể do giảm H2 và tăng CO2. Vì vậy để đảm bảo hiệu quả khí hóa sọ dừa thì ER nằm trong khoảng 0,3 đến 0,4.
  • Nhiệt độ khu vực hoàn nguyên tối ưu khi khí hóa sinh khối nói chung nằm trong khoảng từ 900K-1000K. Khi nhiệt độ vùng hoàn nguyên nhỏ hơn 900K thì nhiệt trị syngas giảm nhanh. Khi nhiệt độ khu vực hoàn nguyên tăng thì hàm lượng CO tăng nhưng hàm lượng CH4 giảm, nhiệt trị của syngas chỉ tăng rất nhẹ khi nhiệt độ khu vực hoàn nguyên lớn hơn 1000K.
  • Khi khí hóa hỗn hợp RDF 90% gỗ+10% trấu thì thành phần hỗn hợp tối ưu khoảng 0,4. Khi tỉ lệ RDF trấu trong hỗn hợp tăng thì thành phần CH4 trong syngas giảm rất nhanh theo f dẫn đến sự tụt giảm mạnh nhiệt trị của nhiên liệu. RDF trấu cho thành phần CO và H2 cao hơn gỗ nhưng thành phần CH4 trong syngas RDF gỗ cao hơn trong syngas RDF trấu. Nhiệt  trị của syngas từ khí hóa trấu nhỏ hơn nhiệt trị syngas từ khí hóa gỗ (6,82 MJ/kg so với 7,21 MJ/kg).
  • Syngas có nhiệt trị thấp, tỉ lệ không khí/nhiên liệu thấp; thành phần của các chất khí trong syngas thay đổi trong phạm vi rộng phụ thuộc vào biomass cũng như khi sử dụng chung với biogas, hydrogen. Vì vậy động  cơ sử dung syngas hay syngas-biogas-hydrogen cần có hệ thống điều khiển quá trình cung cấp nhiên liệu, quá trình đánh lửa một cách linh hoạt để đảm bảo hiệu suất cao và phát thải ô nhiễm thấp.Các giải pháp cấp nhiên liệu truyền thống kiểu bộ chế hòa khí và đánh lửa cố định kiểu magneto không phù hợp với động cơ syngas nói riêng và động cơ syngas-biogas-hydrogen nói chung.
  • Sử dụng vòi phun có đường kính lỗ phun lớn thì phù hợp với syngas nhưng không phù hợp với biogas, hydrogen; sử dụng vòi phun đường kính lỗ phun nhỏ thì ngược lại. Đối với động cơ Honda GX200 khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt syngas-biogas-hydrogen thì phối hợp sử dụng 2 vòi phun có đường kính lỗ phun 4mm và 6mm là phù hợp. Góc mở các vòi phun phụ thuộc vào thành phần biogas hay hydrogen có mặt trong hỗn hợp với syngas. Khi tăng các thành phần này thì góc mở vòi phun có đường kính lỗ phun 6mm giảm còn góc mở vòi phun có đường kính lỗ phun 4mm duy trì giá trị cực đại 130°TK đến 70% biogas hay 50% hydrogen, sau đó giảm. Áp suất phun hợp lý là 1 bar.
  • Khi khí hóa trực tiếp chất thải rắn trong sản xuất nông lâm nghiệp và chất thải rắn sinh hoạt thì syngas từ gỗ cho công chỉ thị chu trình của động cơ GX200 cao nhất là 141 J/ct rồi giảm dần theo thứ tự đối với syngas từ chất thải sinh hoạt, bã mía, biomass và vỏ trấu. So với khi chạy bằng xăng công suất động cơ giảm 25% khi chạy bằng syngas gỗ và giảm 36% khi chạy bằng syngas vỏ trấu.
  • Syngas thu được từ khí hóa RDF biomass có chất lượng tốt hơn syngas thu được từ khí hóa trực tiếp biomass. Công chỉ thị chu trình của động cơ khi chạy bằng syngas nhận được từ khí hóa trực tiếp biomass nhỏ hơn khi chạy bằng syngas khí hóa qua RDF khoảng 18%. Công suất suất động cơ lớn nhất khi chạy bằng syngas từ RDF sọ dừa, giảm 22% so với công suất động cơ khi chạy bằng xăng. Mức giảm công suất này là 26% đối với syngas từ khí hóa RDF bã mía hay rơm.
  • Trong tất cả các trường hợp nhiên liệu syngas, phát thải NOx đều rất bé so với các loại nhiên liệu truyền thống. Nồng độ CO, HC chỉ có giá trị đáng kể khi sử dụng hỗn hợp cháy có hệ số tương đương f>1. Hệ số tương đương tối ưu của hỗn hợp syngas-không khí là f=1.05; góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ làm việc bằng syngas js=32°TK.
  • Có thể cải tạo động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức truyền thống thành động cơ sử dụng nhiên liệu khí tái tạo một cách linh hoạt nhờ hệ thống điều khiển động cơ gồm một cảm biến xác định mốc thời điểm đánh lửa, cơ cấu điều khiển bướm ga, vòi phun, cụm đánh lửa tích hợp và ECU đơn giản. Để đảm bảo cho vi điều khiển hoạt động ổn định và tin cậy, tất cả kết nối giữa các bộ phận chấp hành và ECU của động cơ đều phải qua bộ chống nhiễu.
  • Hệ thống đánh lửa nguyên thủy của động cơ được thay thế bằng cụm đánh lửa tích hợp của ô tô bao gồm bô bine, mạch kích hoạt và đường dây cao áp. Nam châm vĩnh cửu trên bánh đà được sử dụng lại để tạo xung đánh lửa thông qua cảm biện Hall. Hê thống điều tốc được thực hiện thông qua servo motor kết nối với càn điều khiển bướm ga. Chương trình điều tốc cài đặt trong vi điều khiển sẽ tự động điều chỉnh độ mở bướm ga đồng thời với điều chỉnh thời gian phun để đảm bảo thành phần hỗn hợp tối ưu ở bất kỳ chế độ tải nào

Diễn biến trong buồng cháy

Diễn biến trong buồng cháy động cơ xe gắn máy chạy bằng biogas nén

Clips diễn biến nhiệt độ trong buồng cháy



Clips diễn biến nồng độ O2 trong buồng cháy



Clips diễn biến nồng độ CH4 trong buồng cháy

 

hybrid

Thông số vận hành tối ưu động cơ biogas-hydrogen trong HRES

Thông số vận hành tối ưu động cơ biogas-hydrogen

trong hệ thống năng lượng tái tạo lai


Hệ thống năng lượng tái tạo lai (HRES) là một giải pháp thích hợp để khắc phục nhược điểm của hệ thống năng lượng tái tạo sử dụng một nguồn duy nhất. Trong HRES năng lượng mặt trời-biogas, máy phát điện chạy bằng động cơ nhiên liệu khí cung cấp năng lượng bổ sung để bù đắp cho công suất gián đoạn của pin mặt trời. Do đó, chế độ công tác của động cơ thay đổi ngẫu nhiên theo điều kiện cung cấp nhiên liệu và tải. Điều khiển thông minh của động cơ chạy bằng khí sinh học-hydro là cần thiết để cải thiện hiệu quả năng lượng tổng thể của HRES. Bài báo tập trung nghiên cứu các thông số điều khiển tối ưu của động cơ trong điều kiện vận hành đó. Kết quả cho thấy sự hài hòa giữa hiệu suất nhiệt và lượng khí thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng khí sinh học-hydro có thể đạt được khi pha 20% hydrogen vào khí sinh học. Khi chạy bằng khí sinh học, tỉ lệ tương đương tối ưu thay đổi từ 1,05 đến 1,01 khi thành phần CH4 trong khí sinh học tăng từ 60% đến 80%. Khi pha 20% hydrogen vào khí sinh học, tỉ lệ tương đương tối ưu xấp xỉ 1, bất chấp sự thay đổi của nồng độ CH4. Ở tốc độ động cơ và hàm lượng hydrogen cho trước, góc đánh lửa sớm tối ưu giảm 2°CA khi tăng 10% CH4 trong khí sinh học; ở tốc độ động cơ và hàm lượng khí sinh học cho trước, góc đánh lửa sớm tối ưu giảm 3°CA khi tăng 10% hàm lượng hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu. Góc đánh lửa tối ưu phụ thuộc rất ít vào chế độ phụ tải. Trong điều kiện vận hành tối ưu, khi bổ sung 20% ​​hàm lượng hydrogen vào khí sinh học, công chỉ thị chu trình của động cơ tăng ​​6% và phát thải CO và HC giảm 5-10 lần, nhưng phát thải NOx tăng khoảng 10-15% so với khi động cơ chạy bằng khí sinh học.

Optimal Operating Parameters of SI Engine Fueled with Biogas-Hydrogen

in Hybrid Renewable Energy System


Hybrid renewable energy system (HRES) is an appropriate solution to overcome the drawback of the single source renewable energy system. In solar-biogas HRES, the generator powered by the gas engine supplies supplemental energy to compensate for the intermittent power of the PV panel. Therefore, the engine operates under random regime of fuel supply and load conditions. The smart control of the biogas-hydrogen engine is needed to improve the overall energy efficiency of the HRES. The paper focuses on studying the optimal control parameters of the engine in such operating conditions.  The results show that the compromise between thermal efficiency and pollutant emissions of the biogas-hydrogen engine can be obtained by adding 20% hydrogen into biogas. In neat biogas fueling mode, the optimal equivalence ratio changes from 1.05 to 1.01 as the CH4 composition in biogas increases from 60% to 80%. By adding 20% hydrogen into biogas, the optimal equivalence ratio practically reaches the stoichiometric value, despite the variation of CH4 concentration. At a given engine speed and hydrogen content, the optimal advanced ignition angle decreased by 2°CA with an increase of 10% CH4 in biogas; at a given engine speed and biogas, the optimal advanced ignition angle decreased by 3°CA when increasing 10% hydrogen content in the fuel mixture. The optimal ignition angle is independent of the load regime. Under optimal operating conditions, as compared to neat biogas fueling mode, the addition of 20% ​​hydrogen content into biogas yields in average, an increase in indicated engine cycle work by 6% and a decrease in CO and HC emissions by 5-10 times, but an increase in NOx emission by about 10-15%.



Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến các đặc trưng của quá trình cháy



Ảnh hưởng của thành phần biogas đến các đặc trưng của quá trình cháy


Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen đến tính năng quá trình cháy


Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến các đặc trưng quá trình cháy


Biến thiên nhiệt dộ cháy và nồng độ NOx theo góc đánh lửa sớm

Kết luận

  • Ứng với một chế độ vận hành của động cơ cho trước, khi hàm lượng CH4 trong biogas tăng từ 60% lên 80% thì hệ số tương đương tối ưu giảm từ 1.06 xuống 1.04, công chỉ thị chu trình của động cơ tăng 6% và mức độ phát thải CO, HC, NOx giảm trung bình khoảng 20%.
  • Hệ số tương đương tối ưu giảm khi tăng hàm lượng H2 pha vào biogas. Khi pha 40% hydrogen vào biogas thì hệ số tương đương tối ưu đạt giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết, công chỉ thị chu trình tăng 13%, mức độ phát thải các chất ô nhiễm CO, HC giảm 10 lần và phát thải NOx giảm 2 lần.
  •  Hiệu quả công tác của động cơ biogas được cải thiện tối đa khi pha 15% hydrogen vào biogas. Quá ngưỡng này, tính năng của động cơ hầu như không thay đổi khi tăng hàm lượng hydrogen pha vào biogas.
  • Với chế độ tốc độ động cơ cho trước, góc đánh lửa sớm tối ưu giảm 2 CA khi tăng 10% CH4 trong biogas và giảm 3CA khi tăng 10% hydrogen trong hỗn hợp với biogas khi hàm lượng hydrogen pha vào biogas nhỏ hơn 20%. Khi hàm lượng hydrogen vượt quá 20%, góc đánh lửa sớm tối ưu hầu như không thay đổi theo hàm lượng H2.
  • Khi pha hydrogen vào biogas tính năng động cơ được cải thiện không phải do năng lượng nó mang vào buồng cháy mà do sự gia tăng tốc độ cháy và mở rộng giới hạn cháy giúp cho quá trình cháy tối ưu diễn ra gần giá trị f=1 hơn khi động cơ chạy bằng biogas.
  • Trong điều kiện vận hành tối ưu, khi pha 20% hydrogen vào biogas thì công chỉ thị tăng trung bình 6%, phát thải CO và HC giảm trung bình từ 5-10 lần, phát thải NOx tăng khoảng 10-15%.

Tóm tắt nghiên cứu động cơ biogas-hydrogen

TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ BIOGAS-HYDROGEN

 
 

 

Tóm tắt

1. Năng lượng tái tạo

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 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 dual fuel.
Bên cạnh biogas, điện mặt trời đang được phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây do chi phí đầu tư giảm. Người ta ước tính với tốc độ phát triển của công nghệ hiện nay, giá thành điện mặt trời cứ sau 10 năm sẽ giảm đi một nửa. Kỷ nguyên năng lượng tái tạo đã chính thức ra đời sớm hơn dự kiến của các nhà khoa học trong thế kỷ trước. Một số dự báo lạc quan cho rằng có thể đến ¾ các nước trên thế giới sử dụng hoàn toàn năng lượng tái tạo trước năm 2050. Khi nguồn điện mặt trời dồi dào thì việc sản xuất hydrogen bằng điện phân nước để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong là giải pháp mang tính bền vững.

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. Trong khi đó hydrogen là nhiên liệu có tốc độ cháy cao. Tốc độ lan tràn màn lửa của hydrogen đạt 230 cm/s, lớn gần gấp 6 lần tốc độ lan tràn màn lửa của methan CH4 (42 cm/s) nên khi phối hợp với biogas nó sẽ giúp cải thiện chất lượng quá trình cháy của động cơ biogas.

Hydrogen có mật độ năng lượng thấp. Một m3 hydrogen ở trạng thái khí tiêu chuẩn chỉ chứa 3 kWh, nghĩa là chỉ bằng 0,3 lít xăng. Trong công nghiệp để điện phân được 1m3 hydrogen điều kiện thường (0C, áp suất khí trời) cần 1 lít nước và 5 kWh điện. Do vậy nếu dùng điện lưới để điện phân nước thành hydrogen thì không có tính kinh tế. Điện phân nước thành hydrogen chí có ý nghĩa kinh tế-kỹ thuật ở khía cạnh lưu trữ năng lượng điện tái tạo.

Hydrogen còn là một nguồn nhiên liệu đầy tiềm năng với nhiều ưu điểm thuận lợi về môi trường và kinh tế. Hydrogen là nguồn năng lượng sạch, gần như không phát thải khí ô nhiễm mà chỉ sinh ra hơi nước. Từ nước qua quá trình điện phân ta lại có thể thu được hydrogen. Vì vậy, hydrogen là nguồn năng lượng gần như vô tận hay có thể tái sinh được. Hơn nữa, xét về mặt trọng lượng, hydrogen có tỉ trọng năng lượng (năng lương tính trên đơn vị khối lượng) rất cao. Trên thực tế, nhờ hai đặc tính nhẹ và tỉ trọng năng lượng cao này, hydrogen đã được dùng làm nhiên liệu cho tên lửa từ những buổi ban đầu của công nghệ du hành không gian.

Khi dùng làm nhiên liệu, hydrogen có thể được đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, tương tự như trong các loại phương tiện giao thông chạy bằng xăng dầu phổ biến hiện nay. Hydrogen cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng...v.v. Mặt khác, hydrogen còn có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra điện năng. Bên cạnh những ưu điểm của hydrogen như đã nêu trên (sạch, tái sinh...), pin nhiên liệu còn chạy rất êm, không gây ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong. Do dựa trên cơ chế của quá trình điện hóa tạo ra điện năng chứ không phải quá trình đốt như ở động cơ đốt trong, pin nhiên liệu còn đạt hiệu suất sử dụng cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong, vì thế mà tiết kiệm năng lượng hơn. Với những ưu thế vượt trội đó, pin nhiên liệu đang ngày càng được quan tâm và dự đoán sẽ trở nên nguồn nhiên liệu đầy triển vọng, một thành phần chủ chốt của nền kinh tế hydrogen trong viễn cảnh tương lai.

2. Sử dụng kết hợp biogas-hydrogen trên động cơ đốt trong
Phụ thuộc vào chiến lược năng lượng của mỗi quốc gia mà nguồn năng lượng thay thế có thể khác nhau. Ở các vùng khí hậu nhiệt đới, năng lượng mặt trời và biogas là những nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng rất cao.  Hai loại năng lượng này có thể được sử dụng trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid, trong đó biogas được làm giàu bằng hydro được tạo ra bởi năng lượng mặt trời. Hệ thống năng lượng tái tạo này phù hợp với việc cung cấp điện không tập trung, là một lựa chọn khả thi cho sản xuất điện bền vững, đặc biệt là ở các vùng nông thôn.

CO2 trong khí biogas có xu hướng làm tăng thời gian cháy trễ và giảm tốc độ lan truyền màng lửa nên sẽ làm giảm hiệu suất nhiệt động cơ. Làm giàu biogas bằng hydro (H2) là giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề này. Khi tăng nồng độ hydro trong hỗn hợp hydro-metan thì vận tốc cháy tăng và mở rộng giới hạn cháy. Điều này cho phép tăng tốc độ tỏa nhiệt và tăng  áp suất cực đại. Các nghiên cứu trên động cơ cho thấy giá trị cực đại của áp suất và tốc độ tỏa nhiệt tăng lên và thời gian cháy trễ được rút ngắn khi tăng hàm lượng hydro trong nhiên liệu. Khi bổ sung hydro vào biogas thì thời gian cháy hoàn toàn được rút ngắn so với khi động cơ chạy bằng biogas.
Nói chung, hydro có thể được coi là một chất phụ gia để tăng cường hiệu suất và giảm phát thải ô nhiễm của động cơ. Với lý do là hydro có đặc tính cháy tốt như giới hạn cháy rộng, tốc độ cháy nhanh, khoảng cách dập tắt ngắn và nhiệt độ đoạn nhiệt của ngọn lửa cao. Tuy nhiên, H2 có thể gây ra các kết quả không mong muốn như tăng lượng phát thải NOx vì nhiệt độ cháy cao và giảm hiệu suất nhiệt do tổn thất nhiệt. Việc pha trộn một tỉ lệ vừa phải H2 vào biogas sẽ cải thiện được tính năng của động cơ đồng thời không làm tăng phát thải các chất ô nhiễm. Một số tác giả đề xuất tỉ lệ thể tích hydro tối ưu trong hỗn hợp metan-hydro khoảng 20% ​​để đạt được sự hài hòa giữa tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải của động cơ.

3. Sử dụng kết hợp biogas-HHO trên động cơ đốt trong
Phân tích trên cho thấy việc sử dụng biogas pha hydro có nhiều triển vọng trong tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Thách thức của việc sử dụng rộng rãi hydro liên quan đến việc lưu trữ nhiên liệu, đặc biệt là trên phương tiện giao thông. Trên thực tế, hydro có năng lượng thể tích thấp, do đó, để cung cấp cùng một lượng năng lượng như nhiên liệu truyền thống thì cần có bình chứa nhiên liệu lớn hơn. Giải pháp lưu trữ chính hiện nay là nén hydro trong bình chứa lên tới 700 bar, so với 200 bar đối với khí thiên nhiên để đảm bảo cùng một tầm hoạt động của ô tô. Do đó, sử dụng hydro trong hỗn hợp với oxy (cụ thể là khí HHO) được sản xuất trực tiếp trên xe hoặc tại chỗ đối với động cơ tĩnh bằng năng lượng tái tạo, như các tấm pin mặt trời ngày nay được quan tâm nhiều hơn.

Khí HHO là hỗn hợp của H2 và O2 theo tỷ lệ thể tích là 2:1, có thể được sản xuất bởi quá trình điện phân nước. HHO được sản xuất theo yêu cầu sử dụng của động cơ, không lưu trữ. Bình điện phân tạo khí HHO hoạt động khi động cơ khởi động và dừng khi tắt động cơ. Khi bổ sung HHO vào xăng thì tính năng cháy của dộng cơ gần như tương tự như hỗn hợp xăng-H2, thậm chí còn tốt hơn. So với hỗn hợp xăng-H2, hỗn hợp xăng- HHO cải thiện hiệu suất nhiệt tốt hơn, đặc biệt là duy trì quá trình cháy ổn định khi động cơ hoạt động với hỗn hợp nghèo. Mặt khác, khí HHO chứa đủ oxy để đốt cháy hoàn toàn hydro, do đó không cần không khí cung cấp cho nhiên liệu này. Trong khi đó, trong trường hợp H2, nhiên liệu phải được đốt bằng O2 từ không khí trong hỗn hợp với N2. Do đó, công chu trình của động cơ chạy bằng hỗn hợp xăng-HHO tăng so với khi chạy bằng hỗn hợp xăng-H2 trong cùng điều kiện. Nhờ hỗn hợp cháy hoàn toàn, lượng khí thải CO và HC của động cơ chạy bằng hỗn hợp xăng-HHO giảm so với hỗn hợp xăng-H2.

4. Kết luận
Để hạn chế sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển chúng ta phải giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính, đặc biệt là giảm phát thải CO2. Giảm dần việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch và thay vào đó bằng nhiên liệu tái tạo giúp chúng ta giữ được nồng độ CO2 trong bầu khí quyển hiện nay, duy trì được môi trường sống trên hành tinh.
Nhiên liệu hóa thạch hay nhiên liệu tái tạo đều có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời. Tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu tái tạo đảm bảo chu trình carbon trong bầu khí quyển khép kín nên không làm tăng nồng độ CO2 trong bầu khí quyển. Năng lượng tái tạo nói chung không ổn định, phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, môi trường. Việc lưu trữ năng lượng tái tạo để bù vào những lúc nguồn cung cấp giảm sút là thách thức rất lớn. Việc sử dụng kết hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo giúp chúng ta khắc phục được những nhược điểm này đặc biệt trong điều kiện sản xuất năng lượng trong qui mô nhỏ.

Ở các quốc gia vùng nhiệt đới thì năng lượng mặt trời và biogas rất dồi dào. Việc kết hợp sử dụng hai nguồn năng lượng này trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid sẽ mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi năng lượng tái tạo ở khu vực nông thôn. Biogas được sản xuất từ chất thải nông nghiệp hay chăn nuôi với thành phần chính là CH4 và CO2. Sự hiện diện của CO2 làm giảm nhiệt trị và tốc độ cháy của nhiên liệu làm ảnh hưởng đến hiệu suất cũng như mức độ phát thải các chất ô nhiễm của động cơ. Tuy nhiên biogas có chỉ số octane cao nên có thể sử dụng chúng trong động cơ đánh lửa lưỡng bức với tỷ số nén lớn hay trong động cơ dual fuel.

Hydrogen có thể được sản xuất từ nước thông qua quá trình điện phân bằng điện mặt trời. Hydrogen có thể ở trạng thái riêng rẽ hay trong hỗn hợp với oxygen tùy thuộc quá trình điện phân. Hydrogen có tốc độ cháy gấp 10 lần methane nên là chất phụ gia rất tốt để cải thiện tính năng cháy của biogas. Ngoài tác nhân là chất phụ gia cải thiện tốc độ cháy của biogas, hydrogen còn có thể thực hiện chức năng lưu trữ năng lượng mặt trời thay cho accu. Khi công suất điện mặt trời phát ra cao hơn phụ tải thì phần công suất dư được dùng để sản xuất hydrogen. Hydrogen được dùng để phối hợp với biogas để phát điện. Nhờ vậy hệ thống có thể sản xuất điện năng vào ban đêm hoặc khi bức xạ mặt trời không đủ để sản sinh công suất cần thiết.

Các loại động cơ truyền thống đều có thể được cải tạo để chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen hay HHO. Các nghiên cứu đã công bố cho thấy tính năng công tác của động cơ biogas được cải thiện đáng kể khi pha hydrogen hay HHO vào nhiên liệu dù là động cơ đánh lửa cưỡng bức hay dual fuel. Việc nghiên cứu tường tận ảnh hưởng của chế độ vận hành cũng như điều kiện cung cấp nhiên liệu đến tính năng kỹ thuật cũng như mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ biogas/hydrogen/HHO sẽ giúp chúng ta định hướng được việc xác định các thông số kết cấu động cơ cũng như hệ thống cung cấp nhiên liệu phù hợp với điều kiện vận hành trong hệ thống năng lượng tái tạo hybrid biogas-năng lượng mặt trời.

So sánh nhiên liệu biogas khi được làm giàu bằng hydrogen/HHO với khi được làm giàu bằng các loại nhiên liệu khác sẽ mở ra triển vọng áp dụng đa dạng nguồn nhiên liệu tái tạo, thay thế cho nhiên liệu truyền thống xăng dầu hiện nay.

Các bài viết khác...

Trang 1 trong tổng số 9

<< Bắt đầu < Lùi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tiếp theo > Cuối >>