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.
