(LUẬN văn THẠC sĩ) 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 trở nên khan hiếm Dự báo cho thấy thế giới sẽ đối mặt với khủng hoảng thiếu năng lượng trong 5 năm tới 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 Việt Nam cần từ bỏ sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch càng sớm càng tốt, mặc dù việc chuyển đổi nguồn nhiên liệu sẽ yêu cầu thời gian và chi phí lớn.

Ngành điện lực Việt Nam đã nỗ lực cải thiện nguồn cung 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 năng trong những năm tới vẫn gặp nhiều thách thức.

Hình 1.1 minh họa sự so sánh giữa khả năng cung cấp điện năng và nhu cầu tiêu thụ điện trong các năm 2015 và 2020 Màu xanh biểu thị khả năng đáp ứng từ tất cả các nguồn điện hiện có trong nước, trong khi màu đỏ thể hiện nhu cầu điện năng dưới hai giả thuyết khác nhau: mức tiêu thụ cao nhất (HS) và thấp nhất (LS).

Theo dự báo, đến năm 2015, mức chênh lệch giữa cung và cầu điện năng sẽ đạt 46,3 TWh và 102,4 TWh Đến năm 2020, mức chênh lệch này sẽ gia tăng đáng kể, lên tới 159,8 TWh và 270,8 TWh Sự gia tăng này cho thấy khoảng cách giữa cung và cầu điện năng ngày càng lớn, đặc biệt là trong bối cảnh tăng trưởng GDP Nếu không có sự thay đổi căn bản trong cấu trúc các nguồn điện năng, vấn đề này sẽ trở nên nghiêm trọng hơn, khi chưa có nguồn điện nào đủ 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 việc giữ nguyên sản lượng năng lượng không phải là một lựa chọn khả thi cho nền kinh tế toàn cầu Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng 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 gia tăng đáng kể hàng năm Theo dự báo của Bộ Năng Lượng Hoa Kỳ, mức sản xuất toàn cầu sẽ phải điều chỉnh để phù hợp với nhu cầu này.

Đến năm 2025, nhu cầu năng lượng toàn cầu cần tăng trưởng 29% lên 640 triệu tỉ BTU (640 quadrillion British thermal units) để đáp ứng nhu cầu ước tính Đây chính là những yếu tố quyết định ảnh hưởng đến nền kinh tế thế giới hiện tại và 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 cứu cánh cho nhu cầu năng lượng của con người trong tương lai Với khả năng giải quyết các vấn đề về năng lượng, năng lượng tái tạo đang trở thành lựa chọn hàng đầu trong bối cảnh khan hiếm tài nguyên và biến đổi khí hậu.

Năng lượng sinh khối có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong tương lai, với khả năng khai thác hiệu quả về kinh tế và thân thiện với môi trường Việc sử dụng năng lượng sinh khối không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường, tạo ra một nguồn năng lượng bền vững cho các thế hệ sau.

Công nghệ phát điện mới đang được đầu tư 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 Máy phát này hoạt động bằng cách phát điện trực tiếp mà không cần cơ cấu truyền động cơ khí, giúp giảm thiểu tổn hao năng lượng Khi kết hợp với các chu trình kín, hiệu suất phát điện sẽ được nâng cao Trước đây, việc ion hóa khí làm nhiên liệu cho máy phát MHD thường phải dựa vào việc đốt than hoặc nguồn nhiệt từ phản ứng hạt nhân Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ khoa học, hiện nay có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau 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 và 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 những vấn đề cấp thiết hiện nay Đề tài này tập trung vào việc khai thác và ứng dụng năng lượng sinh khối trong hệ thống thủy động lực, góp phần vào việc phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

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 dựa trên nguyên lý thủy động học, với ưu điểm làm việc ở nhiệt độ cao mà không cần bôi trơn Hệ thống này thải ra plasma nóng, có thể tái sử dụng cho các hệ thống nhiệt điện truyền thống như tuabin khí và tuabin hơi nước MHD cũng hoạt động hiệu quả ở nguồn nhiệt cấp thấp khi 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 chu trình Carnot trong điều kiện lý tưởng Hiệu suất của MHD phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh.

Luận văn tốt nghiệp có thể sử dụng kim loại lỏng hoặc khí làm việc ở nhiệt độ cực cao, lên đến 3000 K, trong khi các máy phát điện thông thường, như tuabin, chỉ hoạt động ở nhiệt độ khoảng 1000 K.

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 việc ứng dụng của nó trong sản xuất điện năng quy mô lớn còn hạn chế do các vấn đề kỹ thuật và chi phí cao 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 và 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 1940, với bằng sáng chế số 2210918 về “Quy trình chuyển đổi năng lượng.” Sự phát triển của máy phát này bị gián đoạn bởi Chiến tranh thế giới thứ II, và đến năm 1962, hội nghị quốc tế đầu tiên về máy phát MHD đã được tổ chức tại Newcastle, Vương Quốc Anh, dưới sự nghiên cứu và tổ chức của Tiến sĩ Brian C Lindley.

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 theo, vào tháng 7 năm 1966, hội nghị lần thứ ba diễn ra tại Salzburg, Áo, dưới 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 cho mối quan tâm đến MHD bị lãng quên Tuy nhiên, đến cuối những năm 1970, khi sự chú ý đối với điện hạt nhân giảm sút, MHD lại bắt đầu thu hút sự quan tâm trở lại.

Vào năm 1975, UNESCO đã khuyến cáo nghiên cứu MHD (Magnetohydrodynamics) như một phương pháp hiệu quả nhất để khai thác và sử dụng dự trữ than đá toàn cầu, đồng thời trở thành nhà tài trợ chính cho 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 thiết thực Các nghiên cứu này rất đa dạng và đã dẫn đến việc phát triển nhiều công trình máy phát MHD có công suất lớn và hiệu suất cao.

1.2.2.1 Công trình máy phát MHD tại Mỹ

Vào những năm đầu thập niên 1980, Bộ Năng lượng Mỹ khởi xướng một chương trình phát triển mạnh mẽ về MHD, đạt đỉnh cao với máy phát 50MW sử dụng nhiên liệu 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, đứng đầu trong chu trình tích hợp, được cung cấp nhiệt từ than đá nghiền thành bột và hạt ion hóa Kali, dưới sự giám sát của AVCO.

TRW đã phát triển một phương pháp tạo ra các hạt ion hóa bằng cách tách Kali Cacbonat từ Sunfat trong tro Phương pháp này cho phép thu hồi Cacbonat, trong khi Kali được giữ lại.

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

Phương pháp tích hợp MHD từ nhà máy than được nghiên cứu bởi Westinghouse Electric, hợp tác với công ty điện lực Montana Chương trình thử nghiệm này đã hoàn tất vào năm 1993, đạt được hơn 4000 giờ hoạt động hiệu quả.

1.2.2.2 Công trình máy phát MHD tại Nhật Bản

Vào cuối thập niên 1980, Nhật Bản đã chú trọng nghiên cứu phát điện MHD với chu trình kín, phù hợp với điều kiện và nhu cầu công suất nhỏ của quốc gia này.

Luận văn tốt nghiệp về máy phát điện hơn 100MW, thiết kế nhỏ gọn và không ô nhiễm môi trường, nổi bật với công trình Fuji-1 do Viện Công nghệ Tokyo chế tạo Máy phát này sử dụng dạng đĩa với Helium, khí Argon và hạt ion hóa Kali, đạt được mật độ điện gần 100MW/m³ và hiệu suất EE lên đến 30,2%.

Vào năm 1994, dự án Fuji-2 được triển khai dựa trên nền tảng của Fuji-1, sử dụng khí trơ qua máy phát dạng đĩa nhằm khai thác Enthapy 35%, với hiệu suất đạt 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, nguyên lý phát điện của máy phát MHD có nhiều điểm tương đồng, nhưng các thông số chu trình trong mô hình lại có sự khác biệt Mỗi loại năng lượng như nhiệt hạch, năng lượng mặt trời hay sinh khối cung cấp nhiệt độ ban đầu khác nhau và quy trình xử lý cũng không giống nhau, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể Đặc thù riêng của từng dạng năng lượng tạo ra ưu và nhược điểm cho các mô hình, dẫn đến sự biến đổi về hiệu suất Tác giả sẽ so sánh sự tương đồng và khác biệt, cùng các yếu tố ảnh hưởng giữa mô hình máy phát MHD sử dụng năng lượng sinh khối và 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 đề tài "Nghiên cứu hệ thống từ thủy động lực sử dụng năng lượng mặt trời" của tác giả Lý Nhật Minh, nguồn năng lượng mặt trời có thể được tập trung nhiệt độ lên đến 2500 K - 3000 K nhờ vào sự phát triển của công nghệ vật liệu Hình 1.2 minh họa mô hình sản xuất điện mặt trời hỗn hợp.

Mô hình điện mặt trời công suất lớn có khả năng tập trung nhiệt độ cao, nhưng năng lượng sinh khối lại có nhiệt độ tập trung thấp hơn, khoảng 1000 K - 2000 K Năng lượng mặt trời chỉ hiệu quả trong một số tháng trong năm và hoạt động chủ yếu vào ban ngày, do đó 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 và chịu ảnh hưởng của điều kiện thời tiết Ngược lại, mô hình máy phát điện năng lượng sinh khối cho phép thu hồi năng lượng một cách ổn định hơn.

Luận văn tốt nghiệp nghiên cứu về nguyên liệu thô từ các mùa khác nhau dưới các dạng nhiên liệu khác nhau Đồng thời, chúng ta có thể tích trữ nhiên liệu thô khi lưới điện đạt công suất tối ưu.

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 hơn so với chu trình hỗn hợp khí sử dụng NLSK hoặc nguồn năng lượng khác Việc tích hợp máy phát MHD vào chu trình này góp phần nâng cao hiệu suất rõ rệt Tác giả cũng đã thực hiện mô phỏng mô hình LMMHD sử dụng năng lượng sinh khối và mô hình LMMHD sử dụng năng lượng mặt trời, từ đó thu được những kết quả đáng chú ý.

Theo nghiên cứu của tác giả Lý Nhật Minh, việc sử dụng máy phát MHD đã cải thiện hiệu suất của các mô hình năng lượng Cụ thể, hiệu suất của mô hình điện mặt trời hỗn hợp tăng 6%, trong khi mô hình LMMHD sử dụng năng lượng mặt trời đạt mức tăng 10% Đối với mô hình năng lượng sinh khối (NLSK), hiệu suất cũng tăng lên 41% khi áp dụng công nghệ MHD, so với mức 35% của các mô hình NLSK ở các quốc gia khác.

Tác giả Nguyễn Bá Sang trong nghiên cứu "Nghiên cứu hệ thống phát điện MHD kết hợp với địa nhiệt" chỉ ra rằng năng lượng địa nhiệt là nguồn năng lượng được khai thác từ nhiệt độ bên trong 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 hấp thụ tại bề mặt Trái Đất.

Nguồn nhiệt từ địa nhiệt thấp hơn 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, trong khi NLSK có thể 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 có tốc độ phát triển công suất cao hơn 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 rộng rãi, nó sẽ trở thành nguồn năng lượng lý tưởng với mật độ năng lượng cao gấp hàng tỷ lần so với nhiên liệu hóa thạch và hàng chục lần so với nhiên liệu phân hạch Hơn nữa, năng lượng nhiệt hạch hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường, với sản phẩm thải chủ yếu là heli, một khí hiếm không ảnh hưởng đến môi trường Sự phát triển của công nghệ hạt nhân và nguồn nhiên liệu vô tận từ hydro trong vũ trụ là những lợi thế nổi bật của năng lượng này Khi công nghệ hóa hữu cơ và vật liệu chứa phản ứng được hoàn thiện, cùng với phương pháp kiểm soát hiệu quả trong công nghệ hạt nhân, năng lượng nhiệt hạch sẽ trở thành nguồn năng lượng thiết yếu cho nhân loại.

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

Nguồn năng lượng sinh khối, mặc dù có tiềm năng, nhưng gặp phải hạn chế về nguồn nhiên liệu thô đầu vào Hơn nữa, 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 các 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 lượng 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 có hai vùng nhiệt độ rõ rệt: một vùng với nhiệt độ từ 1300 K đến 1700 K phát ra từ lớp vỏ ngoài, và một vùng khác có 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 2015, năng lượng tái tạo đã có sự ảnh hưởng rõ rệt trong những năm gần đây, như thể hiện trong đồ thị “Công suất lắp đặt nguồn điện (TW) theo nguồn nhiên liệu” Sự phát triển kinh tế - chính trị toàn cầu luôn kéo theo nhu cầu năng lượng và điện năng tăng trưởng Từ năm 1980 đến 2013, tổng công suất lắp đặt nguồn điện toàn cầu đã tăng gấp 2,8 lần, đạt 5,5 TW.

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 chính: nhiên liệu hóa thạch chiếm 65 – 70%, thủy điện từ 22 – 25%, và năng lượng hạt nhân từ 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 phát triển mô hình máy phát điện Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng của hệ thống thủy động lực trong việc chuyển đổi năng lượng sinh khối thành điện năng Mục tiêu là tìm ra giải pháp bền vững cho việc sản xuất điện từ nguồn năng lượng tái tạo.

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 thực nghiệm, học viên phân tích các ưu và nhược điểm để đề xuất giải pháp cải thiện chu trình phát điện và nâng cao hiệu suất hoạt động.

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 những phương pháp cụ thể nhằm nâng cao hiệu quả 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 về 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 được thực hiện dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học của chất khí, từ đó rút ra những kết luận quan trọng.

- 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 Sự kết hợp này giúp tăng tính linh hoạt trong sản xuất điện năng và tối ưu hóa hoạt động 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 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, đồng thời đánh giá tính khả thi của nguồn năng lượng sinh khối kết hợp với máy phát MHD Bên cạnh đó, bài viết cũng nêu rõ ưu nhược điểm của một số loại máy phát điện hiện có Mục đích nghiên cứu nhằm cung cấp cái nhìn sâu sắc về tiềm năng năng lượng mới, cùng với ý nghĩa và giới hạn của đề tài, đồng thời bố cục rõ ràng giúp người đọc dễ dàng tiếp cận thông tin.

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) là hệ thống chuyển đổi nhiệt năng hoặc động năng thành điện năng dựa trên nguyên lý từ thủy động học Thiết bị này hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao và không cần các bộ phận bôi trơn Khí thải từ các hệ thống MHD thường là plasma nóng, có thể được 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 điện năng Nguyên lý hoạt động của máy phát này dựa trên định luật Lorentz, cho phép chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng một cách hiệu quả.

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 của véctơ, lực F vuông góc với cả véctơ vận tốc v và từ trường B, tuân theo quy tắc bàn tay phải Lực này hướng dẫn các điện tử trong chất dẫn điện đến các điện cực được đặt ở vị trí thích hợp trong dòng chảy từ trường, từ đó cung cấp điện năng cho phụ tải Máy phát điện MHD hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản của Định luật Faraday và quy tắc bàn tay phải.

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

Các máy phát điện hoạt động theo chu trình Brayton, có hiệu suất tương đương với chu trình Carnot trong điều kiện lý tưởng Hiệu suất này phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh, với khả năng hoạt động ở nhiệt độ nguồn nóng rất cao của các máy phát từ thủy động lực.

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]

Để một nhà máy điện quy mô lớn hoạt động hiệu quả, cần chú ý đến việc tăng tính dẫn điện của chất dẫn điện Việc điều chỉnh nhiệt độ của khí để đạt trạng thái plasma hoặc bổ sung các chất dễ ion hóa như muối kim loại kiềm có thể giúp tăng cường tính dẫn điện Trong quá trình triển khai máy phát từ thủy động lực học, cần xem xét các yếu tố như hiệu suất, tính kinh tế và sản phẩm phụ không độc hại Những yếu tố này sẽ bị ảnh hưởng bởi lựa chọn trong bốn thiết kế máy phát điện: máy phát điện Faraday, máy phát điện Hall, máy phát điện cực chéo và 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 tăng lên khi nhiệt độ tăng Khi xem xét một electron chuyển động tự do trong điều kiện bình thường mà không có va chạm, dưới tác động của từ trường, electron chịu lực 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

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

Sự va chạm giữa các hạt phụ thuộc vào kích thước của chúng, với các hạt lớn có khả năng va chạm cao hơn Xác suất va chạm được xác định thông qua mặt cắt Q của các hạt Tần số va chạm của electron, ký hiệu là ωc, được tính dựa trên mật độ electron ne (số electron/m³), diện tích mặt cắt va chạm Q (m²) và tốc độ electron ce (m/s) Công thức tính tần số va chạm là ωc = neQc e = 1/τ.

Mật độ electron được xác định thông qua diện tích mặt cắt va chạm (m²) và thời gian trung bình giữa các va chạm τ (s), mà τ 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 sự chuyển động của các electron dưới tác động của từ trường, trong khi số lần quay tương ứng với mỗi va chạm cho thấy mối quan hệ giữa các hiện tượng vật lý này.

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 của các electron tăng theo nhiệt độ, và khi trường điện từ biến mất, tốc độ trung bình của chúng trở thành tốc độ dòng khí u Trong điều kiện từ trường mạnh, chuyển động của các electron liên quan đến khí 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 của electron là đại diện cho tốc độ tương đối của chúng Trong điều kiện không có trường điện, giá trị trung bình của tốc độ electron là u, dẫn đến tốc độ dịch chuyển bằng không Tuy nhiên, khi có điện trường, sự di chuyển của electron tạo ra dòng điện trong khí.

Sự di chuyển của các electron μ là kết quả của phản ứng của chúng đối với điện trường, được xác định bởi tỷ số giữa độ dời electron we và cường độ điện trường E Công thức tính toán là μ = we / E [m²/V-s].

Giả sử rằng một electron mất toàn bộ vận tốc dời do va chạm, gia tốc của electron có thể được ước lượng bằng tỷ lệ giữa vận tốc dời và thời gian giữa các va chạm Dựa vào lực điện trường qE, định luật Newton II cho phép biểu diễn vận tốc dời của electron như sau: \( w_e = \frac{qEτ}{m_e} \).

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 từ trường mạnh, và nó đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất thiết kế MHD.

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 chỉ các vật chất có nguồn gốc sinh học, có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng hoặc do thành phần hóa học của chúng Nó bao gồm cây cối tự nhiên, cây trồng công nghiệp, tảo, và các loài thực vật khác, cùng với bã nông nghiệp và lâm nghiệp Ngoài ra, sinh khối còn bao gồm chất thải từ 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 cho giao thông Các nguồn sinh khối được chuyển hóa thành năng lượng dưới nhiều hình thức như điện, nhiệt, hơi nước và nhiên liệu thông qua các phương pháp như đốt trực tiếp, phân hủy yếm khí, đốt kết hợp, khí hóa và nhiệt phân.

Sinh khối được coi là một hình thức lưu trữ năng lượng Mặt Trời, khi cây cối hấp thụ năng lượng này 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, khác với năng lượng hóa thạch cần hàng triệu năm để hình thành Dưới đây là hai quy trình lưu trữ và chuyển hóa năng lượng Mặt Trời thành sinh khối.

Quá 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 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 thể hiện quá trình chuyển hóa sinh khối thành năng lượng, góp phần tích cực vào bảo vệ môi trường Mặc dù việc đốt sinh khối không thể hoàn toàn giải quyết vấn đề mất cân bằng sinh thái, nhưng nó vẫn là một giải pháp hữu ích trong việc giảm thiểu ô nhiễm và sử dụng nguồn tài nguyên tái tạo.

Luận văn tốt nghiệp về tỷ lệ CO2 hiện nay nhấn mạnh vai trò quan trọng của sinh khối trong sản xuất năng lượng, góp phần bảo vệ môi trường Sinh khối tạo ra ít CO2 hơn so với năng lượng hóa thạch, và lượng CO2 phát thải từ việc đốt sinh khối sẽ được "cô lập" tạm thời trong cây cối được trồng mới Điều này tạo ra một chu kỳ tuần hoàn kín với tác động môi trường rất nhỏ.

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

Hình 2.15: Một số dạng sinh khối phổ biến

Cây tích 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 bị phá vỡ, phóng thích năng lượng dưới dạng nhiệt và thải ra 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 qua xử lý, như bột giấy, chất thải nông lâm nghiệp, chất thải gỗ thành thị, chất thải rắn đô thị, khí từ hố chôn lấp, và chất thải gia súc Ngoài ra, các giống cây năng lượng, bao gồm cây trồng trên cạn và dưới nước, cũng được phát triển chủ yếu để khai thác năng lượng 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, có chứa một lượng thế năng nhất định Không phải tất cả chất bã đều có thể 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 dễ dàng hơn do chúng đã được thu thập và phân loại trong quá trình xử lý.

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 phân hủy hơn cellulose nhờ vào tính chất hóa học và vật lý của nó Quá trình nghiền nhão giúp tách rời và chia nhỏ các sợi lignin, đồng thời giữ lại sợi cellulose để sản xuất giấy Các bột giấy thừa tạo ra chất bã, là sản phẩm phụ từ quá trình đốn và xử lý gỗ Trong quá trình này, các nhà máy giấy thường thải ra mùn cưa, vỏ cây, nhánh cây, lá cây và bột giấy, và họ thường tận dụng những chất thải này để sản xuất điện cho hoạt động của nhà máy.

2.2.2.3 Bã cây rừng(Forestry residues)

Chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ quá trình làm thưa rừng, sinh khối không được thu hoạch, và vật liệu dư thừa từ quản lý rừng Việc tận dụng bã cây rừng mang lại lợi ích lớn, vì phần lớn bã này được sản xuất từ các nhà máy giấy và chế biến gỗ, cung cấp nguồn nguyên liệu sẵn có Mặc dù việc tái sử dụng mùn cưa và bã gỗ chủ yếu tập trung ở các nhà máy công nghiệp, 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, và vỏ trấu, là các sản phẩm 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 Tại những vùng khô, việc giữ lại chất thải nông nghiệp là cần thiết để bổ sung dinh dưỡng cho đất cho vụ mùa sau Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết các chất 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 Smil (1999) ước lượng 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 khai thác 25% lượng thu hoạch nông sản toàn cầu như lúa mạch, lúa mì, gạo, bắp và mía đường, có thể tạo ra 38 EJ năng lượng và giảm 350-460 triệu tấn khí thải CO2 hàng năm Tuy nhiên, hiện nay, một phần lớn bã nông nghiệp vẫn bị lãng phí hoặc sử dụng không hiệu quả.

Luận văn tốt nghiệp chỉ ra rằng việc sử dụng nhiên liệu bã thải nông nghiệp có thể gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường, sinh thái và an ninh lương thực Theo ước tính của Tổ chức Năng lượng Thế giới (WEC), tổng công suất toàn cầu từ nguồn năng lượng này đạt khoảng 4.500 MWt.