Nghiên cứu hệ thống từ thủy động lực sử dụng năng lượng sinh khối

Đặt vấn đề

Việt Nam đang trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, dẫn đến nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cho các ngành công nghiệp và sinh hoạt Tuy nhiên, các nguồn năng lượng truyền thống như thủy điện, than đá và dầu mỏ đang dần khan hiếm Dự báo cho thấy, trong 5 năm tới, thế giới sẽ đối mặt với khủng hoảng thiếu năng lượng do tốc độ cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch diễn ra nhanh hơn dự đoán Các chuyên gia cảnh báo rằng nguồn dầu mỏ toàn cầu có thể cạn kiệt vào khoảng năm 2050 - 2060, vì vậy việc giảm phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch là cần thiết, mặc dù việc chuyển đổi sang nguồn năng lượng khác đòi hỏi thời gian và chi phí đáng kể.

Ngành điện lực Việt Nam đã nỗ lực đáng kể để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho sinh hoạt và sản xuất Tuy nhiên, tình trạng thiếu điện vẫn diễn ra nghiêm trọng trên toàn quốc Nghiên cứu cho thấy bức tranh cung cầu điện trong những năm gần đây đang gặp nhiều thách thức.

Hình 1.1 minh họa sự so sánh giữa năm 2015 và 2020, trong đó màu xanh biểu thị khả năng cung cấp điện từ các nguồn năng lượng hiện có trong nước Ngược lại, màu đỏ thể hiện nhu cầu điện năng, được phân chia theo hai kịch bản khác nhau: mức tiêu thụ điện cao nhất (HS) và mức tiêu thụ thấp nhất (LS).

Theo dự báo, đến năm 2015, chênh lệch giữa cung và cầu điện năng sẽ đạt 46,3 TWh và 102,4 TWh, trong khi đến năm 2020, mức chênh lệch này sẽ gia tăng đáng kể lên 159,8 TWh và 270,8 TWh Sự tăng trưởng GDP kéo theo khoảng cách giữa cung và cầu điện năng ngày càng lớn, nếu không có sự thay đổi căn bản trong cấu trúc nguồn điện, sẽ không có nguồn năng lượng nào có khả năng thay thế.

Hình 1.1: Biểu đồ cung cầu điện năng nước ta năm 2015 và 2020

(Chú thích: Con số trên trục bên trái chỉ lượng điện tổng cộng/ năm, tính bằng đơn vị TWh; 1TWh = 1012 Wh =1Tỉ KWh) [2]

Cuộc khủng hoảng năng lượng hiện nay cho thấy rằng kinh tế toàn cầu không thể duy trì ở mức sản xuất năng lượng tĩnh Để đáp ứng nhu cầu khổng lồ từ các cường quốc công nghiệp như Hoa Kỳ và các quốc gia đang phát triển như Trung Quốc, sản lượng dầu khí toàn cầu cần phải tăng trưởng đáng kể hàng năm Theo dự báo của Bộ Năng Lượng Hoa Kỳ, điều này là cần thiết để đảm bảo nguồn cung năng lượng ổn định trong tương lai.

Đến năm 2025, nhu cầu năng lượng toàn cầu dự kiến sẽ tăng 29%, đạt 640 triệu tỉ BTU (640 quadrillion British thermal units) Điều này phản ánh những điều kiện kinh tế hiện tại và sẽ tiếp tục ảnh hưởng đến nền kinh tế thế giới trong tương lai.

Kể từ năm 2011 nhân loại đang đứng trước ba vấn đề lớn về năng lượng:

- Năng lượng hạt nhân đang trên đà tuột dốc

Năng lượng tái tạo được xem là giải pháp khả thi cho nhu cầu năng lượng của con người trong tương lai Các nghiên cứu chỉ ra rằng, năng lượng tái tạo có khả năng giải quyết các vấn đề năng lượng hiện nay, đồng thời thúc đẩy sự phát triển bền vững.

Trang 14 cứu thì năng lượng sinh khối có nhiều tiềm năng phát triển trong tương lai Khai thác năng lượng sinh khối có hiệu quả về kinh tế, có khả năng thực hiện và thân thiện với môi trường

Công nghệ phát điện mới đang được phát triển với sự đơn giản và hiệu quả, trong đó máy phát từ thủy động lực học (MHD) nổi bật với khả năng đáp ứng các yêu cầu này Phương pháp phát điện trực tiếp không cần cơ cấu truyền động cơ khí giúp giảm thiểu tổn hao năng lượng Khi kết hợp MHD với chu trình kín, hiệu suất phát điện sẽ được cải thiện đáng kể Trước đây, quá trình ion hóa khí để sử dụng làm nhiên liệu cho máy phát MHD chủ yếu dựa vào việc đốt than hoặc nguồn nhiệt từ phản ứng hạt nhân Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ, hiện nay có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác như kim loại lỏng và nước biển cho máy phát điện từ thủy động lực học.

Kết hợp máy phát điện từ thủy động lực học với năng lượng sinh khối mang lại nguồn điện sạch, bền vững cho tương lai.

Học viên đã quyết định nghiên cứu đề tài "Nghiên cứu hệ thống từ thủy động lực sử dụng năng lượng sinh khối" nhằm giải quyết các vấn đề cấp thiết hiện nay Đề tài này không chỉ mang tính ứng dụng cao mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững và khai thác hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo.

Tổng quan về MHD và các công trình liên quan nổi bật

Máy phát điện MHD chuyển đổi nhiệt năng và động năng thành điện năng thông qua nguyên lý thủy động học, với ưu điểm là hoạt động ở nhiệt độ cao mà không cần bôi trơn Khí thải từ hệ thống MHD chủ yếu là plasma nóng, có thể tái sử dụng cho các hệ thống nhiệt điện truyền thống như tuabin khí và tuabin hơi nước MHD cũng có khả năng hoạt động ở nguồn nhiệt cấp thấp bằng cách sử dụng kim loại lỏng Về mặt nhiệt động lực học, máy phát điện MHD thường hoạt động theo chu kỳ Brayton, đạt hiệu suất tương đương với chu trình Carnot trong điều kiện lý tưởng, phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh.

Trang 15 có thể là kim loại lỏng hoặc khí làm việc ở nhiệt độ rất cao lên đến 3000 0 K trong khi các máy phát điện thông thường tuabin chỉ làm việc với nhiệt độ khoảng

1000 0 K [2] Về hiệu suất nếu tuabin phát điện vào khoảng 40% thì máy phát MHD nâng hiệu suất đó lên đến 60% [4]

Mặc dù máy phát MHD có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn chưa được áp dụng rộng rãi trong sản xuất điện năng quy mô lớn do các vấn đề kỹ thuật và chênh lệch giá thành so với tuabin khí Máy phát MHD chu trình hở thường sử dụng nguyên liệu hóa thạch và kết hợp với tuabin hơi, được nghiên cứu từ những năm 60 Trong khi đó, máy phát MHD chu trình kín hoạt động với nguồn nhiên liệu từ phản ứng hạt nhân Với khả năng làm việc ở nhiệt độ rất cao, MHD có tiềm năng nâng cao hiệu suất cho các tuabin khí, do đó thường được sử dụng trong chu trình kết hợp.

Máy phát MHD đầu tiên được nghiên cứu và cấp bằng sáng chế tại Mỹ vào năm 1938 với số hiệu 2210918 cho "Quy trình chuyển đổi năng lượng" vào ngày 13 tháng 8 năm 1940 Tuy nhiên, sự phát triển của máy phát này bị gián đoạn do Chiến tranh thế giới thứ II Đến năm 1962, hội nghị quốc tế đầu tiên về máy phát MHD được tổ chức tại Newcastle, Vương Quốc Anh, do Tiến sĩ Brian C Lindley chủ trì.

Vào năm 1964, hội nghị lần thứ hai được tổ chức tại Paris, Pháp, với sự tham gia của Cơ quan Năng lượng Hạt nhân Châu Âu Tiếp đó, vào tháng 7 năm 1966, hội nghị lần thứ ba được tổ chức tại Salzburg, Áo, với sự tài trợ của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế.

Trong nhưng năm của thập niên 1960 tính thực tiễn của máy phát MHD cho hệ thống nhiên liệu hóa thạch đã được nghiên cứu bởi J Rosa Cuối những năm

Vào những năm 1960, sự phát triển của điện hạt nhân đã khiến MHD bị lãng quên Tuy nhiên, đến cuối những năm 1970, khi sự quan tâm đến điện hạt nhân giảm, MHD lại bắt đầu thu hút sự chú ý trở lại.

Năm 1975, UNESCO khuyến nghị nghiên cứu Magnetohydrodynamics (MHD) như một phương pháp hiệu quả để khai thác và sử dụng nguồn dự trữ than đá toàn cầu, đồng thời trở thành nhà tài trợ chính cho dự án ILGHMD.

1.2.2 Công trình liên quan nổi bật

Trên toàn cầu và trong nước, nhiều trường đại học và nhóm nghiên cứu đang tích cực nghiên cứu máy phát điện MHD, mang lại những kết quả đa dạng và thiết thực Nhiều công trình máy phát MHD đã được triển khai với công suất lớn và hiệu suất cao, khẳng định tiềm năng ứng dụng của công nghệ này trong thực tiễn.

1.2.2.1 Công trình máy phát MHD tại Mỹ

Vào đầu thập niên 1980, Bộ Năng lượng Mỹ khởi xướng chương trình phát triển mạnh mẽ về MHD, đạt đỉnh cao với máy phát 50MW chạy bằng than đá vào năm 1992 Chương trình này được xây dựng dựa trên sự kết hợp của bốn phần chính.

Máy phát MHD hiệu ứng Hall, được giám sát bởi AVCO, đứng đầu trong chu trình tích hợp, sử dụng than đá nghiền thành bột và hạt ion hóa Kali làm nguồn nhiệt.

Cơ sở tạo ra các hạt ion hóa được phát triển bởi TRW, sử dụng phương pháp tách Kali Cacbonat từ Sunfat trong tro Quá trình này cho phép lấy Cacbonat và để lại Kali, mang lại hiệu quả trong việc sản xuất hạt ion hóa.

- Phần cuối của chu trình được nghiên cứu và phát triển bởi CDIF

Phương pháp tích hợp MHD do Westinghouse Electric nghiên cứu, kết hợp cùng công ty điện lực Montana, đã hoàn thành chương trình thử nghiệm vào năm 1993 với hơn 4000 giờ hoạt động.

1.2.2.2 Công trình máy phát MHD tại Nhật Bản

Vào cuối những năm 1980, Nhật Bản đã chú trọng phát triển công nghệ phát điện MHD với chu trình kín, phù hợp với nhu cầu sử dụng điện năng nhỏ của quốc gia.

Trang 17 hơn 100MW, thiết kế nhỏ gọn không ô nhiễm môi trường Máy phát đầu tiên phải kể đến là công trình Fuji-1 do viện công nghệ Tokyo chế tạo Đây là một máy phát dạng đĩa với Helium, khí Argon và hạt ion hóa Kali Kết quả của thí nghiệm cho mật độ điện gần 100MW/m 3 hiệu suất EE lên đến 30,2 % [4]

Vào năm 1994, dự án Fuji-2 được phát triển dựa trên nền tảng của Fuji-1, sử dụng khí trơ qua máy phát dạng đĩa nhằm khai thác Enthapy với tỷ lệ 35% và đạt hiệu suất 60%.

1.2.2.3 Công trình máy phát MHD tại Australia

Một số đặc điểm và sự khác nhau của nhà máy điện sinh khối kết hợp từ thủy động lực so với một số nhà máy điện khác

Qua nhiều nghiên cứu và bài báo, nguyên lý phát điện của máy phát MHD cho thấy sự tương đồng về các thông số chu trình Tuy nhiên, mỗi nguồn năng lượng như nhiệt hạch, năng lượng mặt trời và sinh khối lại cung cấp nhiệt độ ban đầu khác nhau, dẫn đến sự khác biệt trong hiệu suất và quy trình xử lý Mỗi loại năng lượng có những đặc thù riêng, tạo nên ưu và nhược điểm cho từng mô hình Sự khác biệt này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất toàn bộ mô hình Trong phần này, tác giả sẽ so sánh sự tương đồng và khác biệt, cùng các yếu tố ảnh hưởng của mô hình máy phát MHD sử dụng năng lượng sinh khối với các mô hình tương tự từ các nguồn năng lượng khác.

1.3.1 Thông số kỹ thuật giữa các mô hình hệ thống từ thủy động lực sử dụng năng lượng sinh khối với một số mô hình tương tự sử dụng nguồn năng lượng khác

Dựa trên nghiên cứu của tác giả Lý Nhật Minh về hệ thống từ thủy động lực sử dụng năng lượng mặt trời, công nghệ vật liệu hiện đại cho phép chúng ta tập trung nguồn nhiệt từ năng lượng mặt trời lên tới 2500 K - 3000 K Mô hình sản xuất điện mặt trời hỗn hợp được thể hiện trong Hình 1.2, cho thấy tiềm năng của việc khai thác năng lượng mặt trời trong sản xuất điện.

Mô hình ứng dụng cho các nhà điện mặt trời công suất lớn có khả năng tập trung nhiệt độ cao, tuy nhiên năng lượng sinh khối có lượng nhiệt tập trung thấp hơn, khoảng 1000 K - 2000 K Năng lượng mặt trời chỉ hiệu quả vào một số tháng trong năm và hoạt động ban ngày, dẫn đến hiệu suất và tính liên tục không cao như năng lượng sinh khối Hiệu suất của chu trình năng lượng mặt trời phụ thuộc vào nhiệt lượng từ bộ thu năng lượng mặt trời, do đó chịu ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết Ngược lại, mô hình máy phát điện năng lượng sinh khối cho phép thu thập năng lượng một cách ổn định hơn.

Trang 20 nguyên liệu thô từ các mùa khác nhau ở các dạng nhiên liệu khác, đồng thời chúng ta cũng có thể tích trữ nhiên liệu thô trong trường hợp lưới điện đã đủ công suất

Hình 1.2: Mô hình sản xuất điện mặt trời hỗn hợp

Hình 1.3: Mô hình máy phát điện năng lượng sinh khối

Trong nghiên cứu về năng lượng sinh khối và năng lượng mặt trời, chu trình MHD hỗn hợp cho thấy hiệu suất vượt trội so với chu trình hỗn hợp khí sử dụng NLSK hoặc các nguồn năng lượng khác Sự tham gia của máy phát MHD góp phần nâng cao rõ rệt hiệu suất của chu trình Bên cạnh đó, tác giả đã thực hiện mô phỏng mô hình LMMHD sử dụng năng lượng sinh khối, dựa trên các kết quả mô phỏng và mô hình LMMHD áp dụng năng lượng mặt trời.

Trang 21 trời, thì hiệu suất của mô hình tăng lên đáng kể Theo thống kê của tác giả Lý Nhật Minh, thì khi sử dụng máy phát MHD hiệu suất của chu trình tăng lên 6 % đối với mô hình điện mặt trời hỗn hợp và 10% đối với mô hình LMMHD dùng NLMT Còn về phần NLSK thì số liệu đó là, khi sử dụng mô hình MHD thì hiệu suất của mô hình cũng tăng lên và đạt ở mức 41% Theo thống kê mô hình sinh khối ở các nước, hiệu suất của mô hình NLSK cũng chỉ đạt ở mức 35%

Đề tài của tác giả Nguyễn Bá Sang, “Nghiên cứu hệ thống phát điện MHD kết hợp với địa nhiệt”, nhấn mạnh rằng năng lượng địa nhiệt được khai thác từ nhiệt độ bên trong lòng Trái Đất Nguồn năng lượng này xuất phát từ quá trình hình thành hành tinh, sự phân hủy phóng xạ của khoáng vật, và năng lượng mặt trời được hấp thụ trên bề mặt Trái Đất.

Nguồn nhiệt từ địa nhiệt thấp hơn nhiều so với nguồn nhiệt từ sinh khối và năng lượng mặt trời Theo thống kê năm 2011, sản lượng điện từ năng lượng địa nhiệt (NLĐN) đạt 19TWh, trong khi năng lượng sinh khối (NLSK) chỉ đạt 8TWh Dự đoán đến năm 2020, NLĐN sẽ tăng lên 28TWh và NLSK đạt 23TWh Đến năm 2035, NLĐN dự kiến sẽ đạt 51TWh, còn NLSK sẽ đạt 63TWh Tốc độ tăng trưởng từ năm 2011 đến 2035 của NLĐN là 4.1%, trong khi NLSK là 9.2%, cho thấy NLSK sẽ phát triển nhanh hơn so với NLĐN trong tương lai.

Hình 1.4: Mô hình nhà máy sản xuất điện địa nhiệt đơn giản

Tác giả Lê Kim Long trong nghiên cứu về “Mô phỏng hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch” đã chỉ ra rằng nhiên liệu chính cho phản ứng nhiệt hạch là các đồng vị deuterium và tritium của hydro, dễ dàng thu được từ nước biển hoặc tổng hợp từ nguyên tử hydro với chi phí thấp Nếu công nghệ này được ứng dụng thành công, nó sẽ trở thành nguồn năng lượng lý tưởng với nhiều ưu điểm vượt trội như mật độ năng lượng cao gấp hàng tỷ lần so với nhiên liệu hóa thạch và không gây ô nhiễm môi trường, vì sản phẩm thải chỉ là heli Hơn nữa, nguồn nhiên liệu thô hydro cho việc tổng hợp D và T là vô tận trong vũ trụ, tạo ra lợi thế lớn cho năng lượng nhiệt hạch so với các loại năng lượng khác Khi công nghệ phát triển đủ để chế tạo vật liệu chứa phản ứng và kiểm soát hiệu quả, năng lượng nhiệt hạch sẽ trở thành nguồn cung cấp năng lượng thiết yếu cho nhân loại.

Hình 1.5: Sơ đồ khối của phản ứng D – T

Nguồn năng lượng sinh khối, như đã đề cập, gặp hạn chế về nhiên liệu thô đầu vào và chỉ có một số khu vực nhất định phù hợp để xây dựng nhà máy điện năng lượng sinh khối.

Các thành phần chính của hệ thống phát điện tuabin kết hợp với năng lượng nhiệt hạch gồm:

- Bộ điều chỉnh năng lượng

- Lò phản ứng nhiệt hạch

- Hệ thống biến đổi điện năng (hệ thống tuabin)

Hình 1.6: Chu trình phát điện nhiệt hạch

Phản ứng nhiệt hạch D – T tạo ra 70% năng lượng từ động năng của nơtron, trong khi 30% còn lại đến từ tia X và các hạt tích điện Bức xạ từ nơtron và tia X làm gia nhiệt lớp bảo vệ của lò phản ứng, và nhiệt độ này được sử dụng để sản xuất điện năng.

Hình 1.7: Năng lượng từ phản ứng nhiệt hạch được chứa ở lớp trong và lớp ngoài

Kết quả cho thấy sự hình thành hai vùng nhiệt độ rõ rệt: một vùng có nhiệt độ khoảng 1300 K đến 1700 K phát ra từ lớp vỏ ngoài, và một vùng khác với nhiệt độ khác biệt.

Hình 1.8: Mô hình biểu diễn 2 vùng nhiệt độ

Và hiệu suất của nhà máy điện nhiệt hạch sử sụng máy phát điện tuabin là 57% cũng lớn hơn nhiều so với NLSK

1.3.2 Công suất lắp đặt nguồn điện của nguồn năng lượng sinh khối và một số nguồn năng lượng tái tạo khác

Theo báo cáo ngành điện năm 2015, sự gia tăng công suất lắp đặt nguồn điện toàn cầu từ năm 1980 đến 2013 đã đạt 5,5 TW, gấp 2,8 lần so với trước đó Đồ thị “Công suất lắp đặt nguồn điện (TW) theo nguồn nhiên liệu” cho thấy năng lượng tái tạo ngày càng đóng vai trò quan trọng trong bối cảnh phát triển kinh tế - chính trị và nhu cầu năng lượng ngày càng tăng trên toàn thế giới.

Hình 1.9: Biểu đồ công suất lắp đặt nguồn điện theo nguồn nhiên liệu

Giai đoạn 1980 – 2004, sản xuất điện năng toàn cầu chủ yếu dựa vào ba nguồn năng lượng chính: nhiên liệu hóa thạch chiếm 65 – 70% tổng công suất, thủy điện chiếm 22 – 25%, và năng lượng hạt nhân chiếm 7 – 10%.

Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu hệ thống từ thủy động lực sử dụng năng lượng sinh khối” nhằm khảo sát và nghiên cứu mô hình máy phát, góp phần phát triển công nghệ năng lượng tái tạo Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống thủy động lực, khai thác nguồn năng lượng sinh khối một cách hiệu quả Thông qua việc phân tích và thử nghiệm, đề tài sẽ cung cấp những giải pháp khả thi cho việc ứng dụng năng lượng sinh khối trong sản xuất điện.

Trang 34 MHD cùng chu trình điện sinh khối Nghiên cứu hệ thống kết hợp máy phát MHD phát điện sử dụng nguồn nhiệt từ năng lượng sinh khối

Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu

Để thực hiện được đề tài nghiên cứu, học viên cần thực hiện các công việc sau:

- Tìm hiểu mô hình máy phát MHD và cơ sở lý thuyết về MHD

- Tìm hiểu về nguồn năng lượng sinh khối

- Khảo sát hệ thống MHD hỗn hợp sử dụng năng lượng sinh khối

- Xây dựng chu trình phát điện, từ đó tính toán thông số và hiệu suất của chu trình

- Tính toán và mô phỏng chu trình sử dụng Simulink

- Tính toán lợi nhuận mang lại từ nhà máy MHD sử dụng năng lượng sinh khối

- Thu thập các kết quả, so sánh, tổng kết, báo cáo

Dựa trên kết quả từ thực nghiệm nghiên cứu, học viên phân tích các ưu và nhược điểm để tìm ra giải pháp cải thiện quy trình phát điện và nâng cao hiệu suất của chu trình.

Phương pháp nghiên cứu

Ứng dụng kiến thức về cơ, điện và tự động hóa trong quy trình của máy phát MHD là rất quan trọng Bài viết này sẽ tập trung vào việc tích hợp hệ thống thông qua các phương pháp cụ thể nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của máy phát.

- Nghiên cứu các tài liệu, luận văn, bài báo có sẵn trong và ngoài nước

- Tính toán thiết kế và mô phỏng để đánh giá chất lượng hệ thống và loại trừ các lỗi khi thiết kế

Do nghiên cứu hệ thống phát điện tại Việt Nam còn ở giai đoạn sơ khai và thiếu điều kiện thực nghiệm, tác giả đã lựa chọn phương pháp nghiên cứu cấu trúc và mô phỏng Phân tích quá trình cân bằng nhiệt dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học của chất khí đã được thực hiện để rút ra những kết luận cần thiết.

- Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng và biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số trong sơ đồ phân tích

- Từ kết quả mô phỏng mô hình ta đánh giá nhận xét kết quả

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.7.1 Ý nghĩa khoa học Đề tài hoàn thành là bước khởi đầu cho các đề tài nghiên cứu chế tạo máy phát điện MHD sử dụng năng lượng sinh khối có sắn trong nước Đồng thời có thể áp dụng các kết quả nghiên cứu làm tài liệu cho các công trình nghiên cứu sau này

1.7.2 Ý nghĩa thực tiễn Đề tài “Nghiên cứu hệ thống từ thủy động lực sử dụng năng lượng sinh khối” nhằm làm cơ sở để lập kế hoạch xây dựng nhà máy điện sinh khối hiệu suất cao phù hợp với điều kiện địa lý, nguồn nhân lực và tiềm lực kinh tế của đất nước Tạo ra mô hình nhà máy điện mới sử dụng năng lượng sinh khối với hiệu suất cao góp phần cải thiện môi trường thiên nhiên

Chúng ta có thể kết hợp mô hình máy phát MHD với nhiều nguồn nhiên liệu khác ngoài năng lượng sinh khối, chẳng hạn như than và năng lượng mặt trời Điều này giúp tăng cường tính linh hoạt trong sản xuất điện năng và tối ưu hóa vận hành kinh tế của nhà máy.

Tóm lược nội dung luận văn

Luận văn gồm 5 chương với cấu trúc như sau:

Nhu cầu năng lượng trong giai đoạn 2015 – 2020 đã tăng cao, đòi hỏi các giải pháp bền vững Bài viết tổng quan về máy phát điện magnetohydrodynamic (MHD) và các công trình liên quan, nhấn mạnh tính khả thi của nguồn năng lượng sinh khối kết hợp với máy phát MHD Đồng thời, bài viết phân tích ưu nhược điểm của một số loại hình máy phát điện hiện có Mục đích nghiên cứu nhằm tìm hiểu tiềm năng và ứng dụng của công nghệ MHD, đồng thời chỉ ra ý nghĩa, giới hạn và bố cục của đề tài để cung cấp cái nhìn tổng quát cho độc giả.

Máy phát từ thủy động lực

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của máy phát từ thủy động lực

2.1.1.1 Nguyên lý hoạt động chung của máy phát từ thủy động lực

Máy phát điện từ thủy động lực (MHD) chuyển đổi nhiệt năng và động năng trực tiếp thành điện năng dựa trên nguyên lý từ thủy động học Hệ thống này hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao và không yêu cầu các chi tiết bôi trơn Khí thải từ máy phát MHD thường là plasma nóng, có thể tái sử dụng để cung cấp nhiệt cho các hệ thống điện truyền thống như máy phát điện hơi nước.

Máy phát điện MHD sử dụng chuyển động của dòng chất lỏng dẫn điện hoặc plasma để tạo ra dòng điện, hoạt động dựa trên định luật Lorentz.

Từ trường tác động lực Lorentz lên mọi điện tử chuyển động [4]:

 q là điện tử của hạt mang điện chuyển động,

 v là vận tốc của hạt,

 × là phép nhân có hướng véctơ,

Theo quy tắc nhân có hướng, lực F vuông góc với các véctơ v và B, tuân theo quy tắc bàn tay phải Lực này hướng dẫn các điện tử trong lưu chất dẫn điện đến các điện cực, từ đó cung cấp điện năng cho phụ tải Máy phát điện MHD hoạt động dựa trên định luật Faraday và quy tắc bàn tay phải.

Hình 2.2: Nguyên lý của máy phát MHD [4]

Máy phát điện thường sử dụng chu trình Brayton, với hiệu suất lý tưởng tương đương chu trình Carnot Hiệu suất này phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh, trong khi các máy phát thủy động lực có khả năng hoạt động ở nhiệt độ nguồn nóng rất cao.

Hình 2.3: So sánh hoạt động máy phát điện từ thủy động lực học (B) với máy phát điện tuabin truyền thống (A) [4]

Trang 41 Đối với một nhà máy điện quy mô lớn để hoạt động hiệu quả cần chú ý tăng tính dẫn điện của chất dẫn điện Nhiệt độ của một chất khí để trạng thái plasma của nó hoặc việc bổ sung các chất dễ dàng ion hóa khác như các muối của các kim loại kiềm có thể thực hiện sự gia tăng này Trong thực tế, một số vấn đề phải được xem xét trong việc thực hiện một máy phát từ thủy động lực học: máy phát điện hiệu quả, kinh tế, và các sản phẩm phụ không độc hại Những vấn đề này đều bị ảnh hưởng bởi sự lựa chọn của một trong bốn thiết kế máy phát điện: máy phát điện Faraday, máy phát điện Hall, máy phát điện cực chéo và các máy phát đĩa

Các phương trình cơ bản của máy phát MHD:

Phương trình động lực học: du dp 0 u JB dx dx

Phương trình tính liên tục:

Mật độ dòng được đưa ra bởi định luật Ohm khi áp dụng cho một máy phát MHD:

2.1.1.2 Hỗn hợp khí làm việc trong máy phát MHD

Trước khi phân tích kênh MHD, cần tóm tắt hoạt động của electron trong khí ion hóa dưới tác động của trường điện từ Trong dòng khí gần điểm cân bằng, các nguyên tử, ion và electron chuyển động một cách bất định, với tốc độ gia tăng theo nhiệt độ Khi xem xét một electron chuyển động tự do không va chạm trong từ trường chuẩn, lực tác động lên electron được xác định bởi công thức qceB, trong đó q là điện tích và ce là độ lớn vận tốc Do lực này không thay đổi, vận tốc của electron duy trì theo các đường tròn quanh đường sức từ trường.

Theo định luật II Newton ta có lực trên electron là

F = (m e c e 2 )/r e = qc e B [N] (2.6) me: khối lượng electron ce: vận tốc electron re: bán kính quỹ đạo electron q: điện tích electron

Tần số góc của các electron theo 1 đường sức từ gọi là tần số cyclotron và có giá trị là: ω = c e /r = qB/m e [1/s] (2.7)

Tần số cyclotron của electron không bị ảnh hưởng bởi tốc độ của chúng, mà chỉ phụ thuộc vào cảm ứng từ và các đặc tính riêng của electron Tuy nhiên, chuyển động cyclotron có thể bị gián đoạn do va chạm với các hạt khác.

Trong từ trường, electron chuyển động theo quỹ đạo tròn dưới tác động của lực Lorentz, với lực này luôn hướng tâm Tần suất va chạm giữa các hạt phụ thuộc vào kích thước của chúng, với các hạt lớn có khả năng va chạm thường xuyên hơn Xác suất va chạm được thể hiện qua mặt cắt Q của các hạt va chạm Tần số va chạm của electron (ωc) được tính toán dựa trên mật độ electron (ne), diện tích mặt cắt va chạm (Q) và tốc độ electron (ce), được mô tả bằng công thức ωc = neQc e = 1/τ.

Trang 43 ne: Mật độ electron

Q: Diện tích mặt cắt va chạm (m 2 )

Với thời gian trung bình giữa các va chạm τ (s) là nghịch đảo của tần số va chạm

Tham số HALL là quan hệ với mật độ từ trường theo công thức sau [4]: ω/ω c = ωτ = qB/n e m e Qc e (2.9)

Thông số HALL phản ánh mối liên hệ giữa số lần quay và số va chạm, cho thấy sự chuyển động của các electron dưới tác động của từ trường.

Hình 2.5: Biểu đồ Vector của bơm MHD và lực điện sinh ra trong dòng ion [4] Ít nhất 3 tốc độ quan trọng của khí dẫn điện trong kênh MHD là:

- Thứ nhất: tốc độ của dòng khí u (trường hợp này giả thuyết là không đổi)

Tốc độ trung bình của các electron trong khí tăng theo nhiệt độ Khi trường điện từ biến mất, tốc độ trung bình của electron tương đương với tốc độ dòng khí Trong điều kiện từ trường mạnh, chuyển động của electron ảnh hưởng đến chuyển động của khí, từ đó cho phép xác định tính dẫn điện của dòng khí.

- Thứ ba: vận tốc tương đối của các electron w e được xác định như là vector lệch của tốc độ tuyệt đối và tốc độ thực của chất lỏng: w e = c e – u [m/s] (2.10)

Tốc độ dịch chuyển electron là độ lớn của tốc độ tương đối của chúng Trong điều kiện không có trường điện, giá trị trung bình của electron là u, dẫn đến tốc độ dịch chuyển bằng không Tuy nhiên, khi có điện trường, sự vận chuyển của điện tích âm từ các electron sẽ tạo ra dòng điện trong khí.

Sự di chuyển của các electron μ phản ánh phản ứng của chúng với điện trường, được định nghĩa là tỷ số giữa độ dời electron we và cường độ điện trường E Công thức tính toán cho chỉ số này là μ = we / E [m²/V-s].

Nếu một electron mất toàn bộ vận tốc do va chạm, gia tốc của nó có thể được ước lượng bằng tỷ lệ giữa vận tốc và thời gian giữa các va chạm Dựa trên lực điện trường qE, theo định luật Newton II, vận tốc của electron có thể được biểu diễn bằng công thức: w e = qEτ/m e (2.12).

Sự dịch chuyển của electron có thể được viết như sau [4]: μ = qτ/m e [m 2 /V-s] (2.13)

Dùng phương trình (2.4), thì tích số μB trở thành thông số HALL [4]: μB = qBτ/m e = ωτ = ω/ω c [dl] (2.14)

Thông số HALL có giá trị lớn đối với các khí có độ di động electron cao trong môi trường từ trường mạnh Đây là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất thiết kế trong hệ thống MHD.

Giả sử electron là các hạt mang điện tích chính, mật độ dòng điện có thể liên quan đến tính chuyển động thông qua tốc độ dời.

Tính dẫn điện của một nơi cấp khí như sau: σ = J/E = μ n e q [Ωm -1 ] (2.16)

Như vậy tính di chuyển cao của electron và mật độ số electron là cần thiết để đạt được độ dẫn điện cao trong máy từ thủy động lực

Nguồn năng lượng sinh khối

2.2.1 Khái niệm và đặc điểm nguồn năng lượng sinh khối

Sinh khối là thuật ngữ rộng dùng để mô tả các vật chất có nguồn gốc sinh học, có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng hoặc dựa vào thành phần hóa học của chúng Nó bao gồm cây cối tự nhiên, cây trồng công nghiệp, tảo, các loài thực vật khác, cũng như bã nông nghiệp và lâm nghiệp Ngoài ra, sinh khối còn bao gồm chất thải từ các hoạt động của con người, như chất thải từ sản xuất thực phẩm, bùn/nước cống, phân bón, sản phẩm phụ gia công nghiệp và các thành phần hữu cơ trong chất thải sinh hoạt.

Sinh khối có thể được phân loại theo mục đích sử dụng như tạo nhiệt, sản xuất điện hoặc làm nhiên liệu giao thông Các nguồn sinh khối được chuyển đổi thành năng lượng dưới các hình thức như điện, nhiệt, hơi nước và nhiên liệu thông qua nhiều phương pháp chuyển hóa, bao gồm đốt trực tiếp, turbin hơi, phân hủy yếm khí, đốt kết hợp, khí hóa và nhiệt phân.

Sinh khối được coi là một dạng tích trữ năng lượng Mặt Trời, khi cây cối giữ lại năng lượng này thông qua quá trình quang hợp trong giai đoạn phát triển Năng lượng sinh khối được xem là tái tạo vì nó được bổ sung nhanh chóng, nhanh hơn nhiều so với năng lượng hóa thạch, vốn cần hàng triệu năm để hình thành Dưới đây là hai quy trình lưu trữ và chuyển hóa năng lượng Mặt Trời vào sinh khối.

Quy trình quang hợp diễn ra dưới tác động của năng lượng mặt trời, trong đó CO2 và H2O được tổng hợp thành glucozo, thành phần chính cấu tạo nên xenlulozo và tinh bột của cây xanh.

- Quy trình 2: Cây xanh chết đi được phân hủy hoặc đốt hình thành nên CO2, H2O và bắt đầu một chu trình mới:

Phản ứng hóa học C6H12O6 + O2→6CO2 + 6H2O cho thấy quá trình chuyển đổi năng lượng từ sinh khối Việc sử dụng sinh khối để tạo năng lượng không chỉ mang lại lợi ích cho môi trường mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm Tuy nhiên, đốt sinh khối không thể hoàn toàn giải quyết vấn đề mất cân bằng sinh thái hiện nay.

Trang 57 bằng về tỷ lệ CO2 hiện nay Tuy nhiên, vai trò đóng góp của sinh khối trong việc sản xuất năng lượng vẫn rất đáng kể trong việc bảo vệ cân bằng môi trường, vì nó tạo ra ít CO2 hơn năng lượng hóa thạch Một cách khái quát, CO2 tạo ra bởi việc đốt sinh khối sẽ được "cô lập" tạm thời (sequestered) trong cây cối được trồng mới để thay thế nhiên liệu Nói một cách khác, đó là một chu kỳ tuần hoàn kín với tác động hết sức nhỏ lên môi trường

Sinh khối là vật chất hữu cơ, chủ yếu bao gồm cellulose và ligno-cellulosic Nó được coi là nguồn tài nguyên tái tạo, bao gồm cây cối, chất xơ gỗ, chất thải từ gia súc, chất thải nông nghiệp, và các thành phần giấy trong chất thải rắn đô thị.

Hình 2.15: Một số dạng sinh khối phổ biến

Cây dự trữ năng lượng mặt trời trong tế bào cellulose và lignin thông qua quang hợp Cellulose là chuỗi polymer của các phân tử đường 6-carbon, trong khi lignin là chất kết dính các chuỗi cellulose Khi đốt, các liên kết giữa các phân tử đường vỡ ra, phóng thích năng lượng dưới dạng nhiệt và thải ra khí CO2 cùng hơi nước Sản phẩm phụ của phản ứng này có thể được thu thập để sản xuất điện năng, thường được gọi là năng lượng sinh học hoặc nhiên liệu sinh học.

Các nguồn sinh khối trong nước bao gồm các chất dư thừa và chất bã đã được xử lý, như bột giấy, chất thải nông lâm nghiệp, chất thải gỗ đô thị, chất thải rắn đô thị, khí từ hố chôn lấp, và chất thải gia súc Ngoài ra, còn có các giống cây năng lượng được trồng chủ yếu để khai thác năng lượng, bao gồm các loại cây trên cạn và dưới nước Dưới đây là mô tả chi tiết về từng loại sinh khối.

2.2.2.1 Chất bã của sinh khối đã qua xử lý

Các quá trình xử lý sinh khối tạo ra các sản phẩm phụ và chất thải gọi là chất bã, chứa một lượng thế năng nhất định Mặc dù không phải tất cả chất bã đều có thể được sử dụng trực tiếp để sản xuất điện năng, một số cần bổ sung thêm dinh dưỡng hoặc nguyên tố hóa học Tuy nhiên, việc sử dụng chất bã trở nên đơn giản nhờ vào quá trình thu thập và phân loại trước đó.

2.2.2.2 Bột giấy và các chất bã trong quá trình sản xuất giấy

Cây cối chứa lignin, hemicellulose và sợi cellulose, trong đó lignin dễ dàng bị phân hủy hơn cellulose do các tính chất hóa học và vật lý của nó Quá trình nghiền nhão giúp tách rời và chia nhỏ sợi lignin, từ đó làm cho sợi cellulose có thể được sử dụng để sản xuất giấy Trong quá trình này, bột giấy dư thừa tạo ra chất bã, là sản phẩm phụ từ việc đốn và xử lý gỗ, bao gồm mùn cưa, vỏ cây, nhánh cây, lá cây và bột giấy Thông thường, các nhà máy giấy tận dụng những chất thải này để sản xuất điện phục vụ cho hoạt động của nhà máy.

2.2.2.3 Bã cây rừng(Forestry residues)

Chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ, sinh khối không được thu hoạch và các vật liệu dư thừa từ quản lý rừng, như phát rừng và di dời cây chết Việc tận dụng bã cây rừng mang lại lợi ích lớn vì phần lớn nguyên liệu này có sẵn từ các nhà máy giấy và xử lý gỗ Sự tái sử dụng mùn cưa và bã gỗ chủ yếu tập trung tại các nhà máy công nghiệp, nhưng tiềm năng nguyên liệu thực sự còn lớn hơn nhiều Theo WEC, tổng công suất dự đoán toàn cầu của bã thải từ rừng đạt 10.000 MWe.

2.2.2.4 Bã nông nghiệp (Agricultural residues)

Chất thải nông nghiệp, bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu, là những chất dư thừa sau vụ thu hoạch Hằng năm, khoảng 80 triệu cây bắp được trồng, khiến vỏ bắp trở thành nguồn sinh khối chính cho năng lượng sinh học Ở những vùng khô, việc giữ lại chất bã rất quan trọng để bổ sung dinh dưỡng cho đất cho vụ mùa tiếp theo Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất cả dinh dưỡng từ cặn bã, dẫn đến việc năng lượng bị thất thoát do không được tận dụng tối đa.

Năng lượng sinh khối từ bã nông nghiệp có tiềm năng lớn, với ước tính của Smil (1999) cho thấy tổng lượng bã nông nghiệp đạt khoảng 3,5-4 tỷ tấn mỗi năm, tương đương 65 EJ năng lượng Hal và cộng sự (1993) chỉ ra rằng nếu thu hồi 25% từ sản lượng nông nghiệp cơ bản toàn cầu, có thể tạo ra 38 EJ năng lượng và giảm 350-460 triệu tấn khí thải CO2 mỗi năm Tuy nhiên, hiện nay, một phần lớn bã nông nghiệp vẫn bị lãng phí hoặc sử dụng không hiệu quả.

Trang 61 cách, gây các ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, sinh thái và lương thực Theo ước tính của WEC, tổng công suất toàn cầu từ nhiên liệu bã thải nông nghiệp là vào khoảng 4.500 MWt