luận án tiến sĩ tự động điều chỉnh hệ số tương đương và góc đánh lửa sớm để nâng cao hiệu quả công tác của động cơ biogas hydrogen

ĐiÅu quan trãng và cÃp bách hiËn nay là đánh hình các mô đun hË thçng năng l°ùng hybrid tái t¿o đÇ ng°ói dân các vùng ch°a đ°ùc cÃp điËn có thÇ lÃp đÁt, sā dûng mït cách đ¢n giÁn và hiËu

LäI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận án nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quÁ nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác!

Đà Nẵng, tháng năm

Nghiên cÿu sinh

Bùi Vn Hùng

DANH MúC KÝ HIÊU VÀ VIÂT TÂT xvi

Mô ĐÄU xviii

1 ĐÀT VÂN ĐÄ NGHIÊN CþU xviii

2 MúC TIÊU NGHIÊN CþU xxii

3 ĐæI T¯øNG VÀ PH¾M VI NGHIÊN CþU xxiii

4 PH¯¡NG PHÁP NGHIÊN CþU xxiii

5 Ý NGH)A KHOA HâC VÀ TÍNH THĀC TIÈN CüA ĐÄ TÀI xxiv

6 CÂU TRÚC NîI DUNG NGHIÊN CþU xxiv

7 ĐÓNG GÓP MðI CüA LUÀN ÁN xxv

CHƯƠNG 1: TêNG QUAN VÄ VÂN ĐÄ NGHIÊN CþU 1

1.1 C¢ cÃu năng l°ùng toàn cÅu trong chiÃn l°ùc <Net Zero= 1

1.2 HË thçng năng l°ùng tái t¿o hybrid 4

1.3 HË thçng năng l°ùng tái t¿o hybrid điËn mÁt trói-sinh khçi 7

1.4 Ành h°õng cýa hydrogen đÃn tính năng cýa đïng c¢ 12

1.5 KÃt luÁn 22

CHƯƠNG 2: C¡ Sô LÝ THUYÂT QUÁ TRÌNH T¾O HìN HøP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐîNG C¡ ĐÁNH LĀA C¯öNG BþC 25

2.3.2 Xác đánh vá trí màng lāa 36

2.3.3 Tçc đï màng lāa chÁy tÅng 37

2.3.4 Tçc đï cháy rçi 40

2.4 KÃt luÁn 42

CHƯƠNG 3: MÔ PHäNG QUÁ TRÌNH T¾O HìN HøP VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY CüA ĐîNG C¡ PHUN NHIÊN LIÊU BIOGAS-HYDROGEN 43

3.1 ThiÃt lÁp mô hình 43

3.1.1 Xây dāng không gian tính toán và chia l°ñi 43

3.1.2 Trình tā thāc hiËn mô phång 46

3.2 Mô phång quá trình t¿o hín hùp cýa đïng c¢ 51

3.2.1 DiÉn biÃn quá trình n¿p 51

3.2.2 Ành h°õng cýa đ°óng kính lí phun và áp suÃt phun 53

3.2.3 Ành h°õng cýa hàm l°ùng hydrogen 57

3.2.4 Ành h°õng cýa hàm l°ùng CH4 trong biogas 59

3.2.5 Ành h°õng cýa đï mõ b°ñm ga 60

3.2.6 GiÁn đé phun nhiên liËu biogas-hydrogen 63

3.3 Mô phång quá trình cháy và phát thÁi ô nhiÉm cýa đïng c¢ 65

PHäNG 93

4.1 ĐiÅu khiÇn điËn tā vòi phun nhiên liËu biogas-hydrogen 93

4.2 ĐiÅu chßnh góc đánh lāa sñm đïng c¢ ch¿y bằng hín hùp biogas-hydrogen 97 4.2.1 Tçc đï cháy chÁy tÅng 97

4.2.2 Mô hình vÁt lý điÅu chßnh góc đánh lāa sñm 99

4.3 ThiÃt lÁp ECU điÅu khiÇn đïng c¢ biogas-hydrogen 103

4.4 CÁi t¿o đïng c¢ 108

4.4.1 S¢ đé hË thçng cÁi t¿o đïng c¢ 108

4.4.2 LÃp đÁt các bï phÁn lên đïng c¢ cÁi t¿o 110

4.5 Nghiên cÿu thāc nghiËm 114

4.5.1 Chuẩn bá nhiên liËu 114

KÂT LUÀN VÀ H¯ðNG PHÁT TRIÆN 132

DANH MúC CÔNG TRÌNH KHOA HâC 136

TÀI LIÊU THAM KHÀO: 138 PHú LúC I

TĀ ĐàNG ĐIÀU CHÈNH HÆ SÐ T¯¡NG Đ¯¡NG VÀ GÓC ĐÁNH LĀA SâM Đ NÂNG CAO HIÆU QUÀ CÔNG TÁC CĂA ĐàNG C¡

BIOGAS-HYDROGEN

Tóm tÃt: Do tác đïng cýa biÃn đëi khí hÁu đang diÉn ra ngày càng trÅm trãng, viËc

chuyÇn đëi năng l°ùng đang là mçi quan tâm hàng đÅu cýa hÅu hÃt các quçc gia trên thà giñi Trong bçi cÁnh đó thì hË thçng năng l°ùng tái t¿o hybrid (HRES) gém năng l°ùng mÁt trói và sinh khçi là mït l*nh vāc nghiên cÿu đang đ°ùc quan tâm Đïng c¢ đçt trong th°óng đ°ùc thiÃt kà đÇ làm viËc vñi mït lo¿i nhiên liËu cho tr°ñc và trong điÅu kiËn vÁn hành xác đánh Trong HRES thành phÅn nhiên liËu thay đëi th°óng xuyên theo nguyên liËu đÅu vào và nguén hydrogen do điËn mÁt trói cung cÃp MÁt khác, chà đï tÁi cýa đïng c¢ cũng thay đëi th°óng xuyên đÇ cung cÃp tÁi bù cho hË thçng Do đó, đïng c¢ phÁi đ°ùc điÅu chßnh mït cách linh ho¿t các thông sç vÁn hành, đÁc biËt là góc đánh lāa sñm và hË sç t°¢ng đ°¢ng cýa hín hùp Đïng c¢ t*nh t¿i truyÅn thçng khó có thÇ đáp ÿng đ°ùc yêu cÅu này LuÁn án tÁp trung xā lý hai vÃn đÅ chính cýa đïng c¢ trong HRES, đó là điÅu khiÇn quá trình cung cÃp nhiên liËu đÇ điÅu chßnh hË sç t°¢ng đ°¢ng và điÅu chßnh góc đánh lāa sñm tçi °u đÇ đÁm bÁo cho đïng c¢ ho¿t đïng hiËu quÁ vñi nhiên liËu biogas-hydrogen vñi thành phÅn thay đëi trong ph¿m vi rïng

Tÿ khóa: Năng l°ùng tái t¿o, biogas, hydrogen, ô nhiÉm không khí, đïng c¢ đánh lāa

c°÷ng bÿc

AUTOMATIC CONTROL OF EQUIVALENCE RATIO AND ADVANCE IGNITION ANGLE TO IMPROVE THE PERFORMANCE OF

BIOGAS-HYDROGEN ENGINE

Summary:Due to the increasing impact of climate change, the energy transition is a top concern for most countries in the world In that context, the hybrid renewable energy system including solar energy and biomass is an area of research interest Internal combustion engines are typically designed to work with a given fuel type and under defined operating conditions In a hybrid renewable energy system, the fuel

composition changes frequently according to the input material and the source of hydrogen provided by solar power On the other hand, the load mode of the motor also changes frequently to provide a compensating load for the system Therefore, the engine must be flexibly adjusted to the operating parameters, especially the ignition advance angle and the equivalence factor of the mixture Traditional stationary motors can hardly meet this requirement The thesis focuses on dealing with two main problems of the engine in the hybrid renewable energy system, that is controlling the fuel supply process to adjust the equivalence ratio and adjusting the optimal advance ignition angle to ensure efficient engine operation with biogas-hydrogen fuel with variable composition over a wide range

Keywords: Renewable energy, biogas, hydrogen, air pollution, SI engine.

DANH MĀC HÌNH VẼ, ĐÒ THÊ

Hình 1.1: C¢ cÃu các nguén năng l°ùng đÃn năm 2050 [41] 1

Hình 1.2: CÃu phÅn năng l°ùng tái t¿o trên thà giñi (a) và đÁc tính cýa hË thçng năng l°ùng tái t¿o (b) [43] 2

Hình 1.3: Các d¿ng hË thçng năng l°ùng tái t¿o [49] 5

Hình 1.4: S¢ đé HRES năng l°ùng mÁt trói-năng l°ùng sinh khçi 9

Hình 2.1: Quan hË giÿa néng đï, nhiËt đï và khçi l°ùng riêng theo tß hË hín hùp 35 Hình 3.1: Xi lanh và đ°óng n¿p đïng c¢ sau khi cÁi t¿o 43

Hình 3.2: Chia l°ñi không gian tính toán 44

Hình 3.3: Chia l°ñi không gian tính toán khi piston õ ĐCT: 71.321 phÅn tā 44

Hình 3.4: Chia l°ñi không gian tính toán khi piston õ ĐCD: 107.395 phÅn tā 45

Hình 3.5: Chia l°ñi đ°óng n¿p: 48.866 phÅn tā tÿ diËn (a); Chia l°ñi buéng cháy: 20.333 phÅn tā tÿ diËn (b); Chia l°ñi xi lanh: 38.196 phÅn tā hình chêm (c) 45

Hình 3.6: Giao diËn khõi đïng phÅn mÅm ANSYS FLUENT 2021R1 47

Hình 3.7: Cài đÁt các thông sç cýa mô hình 47

Hình 3.8: GiÁi hË ph°¢ng trình và l°u kÃt quÁ mô phång 49

Hình 3.9: Đ°óng đéng mÿc néng đï CH4 trong quá trình phun biogas M7C3 đ°ùc

Hình 3.12: Bç trí các vòi phun mô phång 52

Hình 3.13: Phân bç néng đï CH4 theo góc quay trûc khuỷu (n=3600 v/ph, M7C3-20H, φp=74TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) 53 Én biÃn quá trình t¿o hín hùp khi phun nhiên liËu M6C4-30H qua vòi

ngang buéng cháy t¿i thói điÇm 340°TK, BiÃn thiên l°u l°ùng không khí, l°u l°ùng nhiên liËu và hË sç t°¢ng đ°¢ng theo góc quay trûc khuỷu (n=3600 v/ph, M7C3, φp=70°TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) 57 Hình 3.20: Phân bç hË sç t°¢ng đ°¢ng (a), néng đï CH4 (b) néng đï H2 (c) trong buéng cháy và BiÃn thiên l°u l°ùng không khí, l°u l°ùng nhiên liËu và hË sç t°¢ng đ°¢ng theo góc quay trûc khuỷu (d) (n=3600 v/ph, M7C3-30H, φp=77°TK, pp=0,5 bar, dp=5,5mm) 58 Hình 3.21: So sánh biÃn thiên l°u l°ùng không khí, l°u l°ùng nhiên liËu và hË sç t°¢ng đ°¢ng theo góc quay trûc khuỷu khi phun biogas M6C4 (a) và M8C2 (b) Hình 3.25: So sánh biÃn thiên l°u l°ùng không khí (a), l°u l°ùng nhiên liËu (b) và hË sç t°¢ng đ°¢ng (c) theo góc quay trûc khuỷu trong tr°óng hùp α=0° và α=40°

(dp=5,5mm, pp=0,5bar, M7C3-30H, n=3600 v/ph) 62 Hình 3.26: S¢ đé tiÃt diËn l°u thông trên đ°óng n¿p qua b°ñm ga 63 Hình 3.27: GiÁn đé phun hín hùp nhiên liËu biogas-hydrogen (vòi phun dp=5,5mm, pp=0,5 bar, ñ = 0°, n=3000 v/ph) 64 Hình 3.28: GiÁn đé phun hín hùp nhiên liËu biogas-hydrogen (vòi phun dp=5,5mm, pp=0,5 bar, M7C3-20H, n=3000 v/ph) 65 Hình 3.29: Ành h°õng cýa góc đánh lāa sñm đÃn biÃn thiên áp suÃt (a) và tçc đï tåa nhiËt (b) khi đïng c¢ ch¿y bằng biogas M7C3 õ tçc đï 3600 v/ph và ö=1 66 Hình 3.30: BiÃn thiên nhiËt đï, phát thÁi NOx (a) và biÃn thiên áp suÃt cāc đ¿i, Wi (b) theo góc đánh lāa sñm 66 Hình 3.31: Ành h°õng cýa góc đánh lāa sñm đÃn biÃn thiên áp suÃt trong xi lanh theo góc quay trûc khuỷu (a) và biÃn thiên áp suÃt cāc đ¿i, công chß thá chu trình theo góc đánh lāa sñm (b) khi đïng c¢ ch¿y bằng nhiên liËu M8C2-40H õ tçc đï 3600v/ph, ö=1 67 Hình 3.32: Ành h°õng cýa góc đánh lāa sñm đÃn biÃn thiên néng đï CO (a) và néng đï NOx (b) theo góc quay trûc khuỷu; BiÃn thiên nhiËt đï khí thÁi, NOx (c) và CO, HC (d) theo góc đánh lāa sñm khi đïng c¢ ch¿y bằng nhiên liËu M8C2-40H õ tçc đï 3600v/ph, ö=1 68 Hình 3.33: So sánh Ánh h°õng cýa góc đánh lāa sñm đÃn các thông sç đÁc tr°ng cýa quá trình cháy khi đïng c¢ ch¿y bằng biogas M7C3 (a) và M8C2-40H (b) õ tçc đï 3600 v/ph, ö=1 69 Hình 3.34: Ành h°õng cýa hàm l°ùng hydrogen pha vào biogas M6C4 (a), M7C3 (b) và M8C2 (c) đÃn biÃn thiên góc đánh lāa sñm tçi °u theo tçc đï khi đïng c¢ 70 Hình 3.35: GiÁn đé đánh lāa đïng c¢ ch¿y bằng biogas-hydrogen ÿng vñi biogas M6C4 (a), M7C3 (b) và M8C2 (c) 71 Hình 3.36: Ành h°õng cýa thành phÅn hín hùp đÃn đé thá công (a) và nhiËt đï cháy (b) 72

Hình 3.37: Ành h°õng cýa hË sç t°¢ng đ°¢ng đÃn phát thÁi CO (a) và NOx (b) 72 Hình 3.38: Ành h°õng cýa hË sç t°¢ng đ°¢ng đÃn tính năng công tác và mÿc đï phát thÁi ô nhiÉm khi đïng c¢ ch¿y õ tçc đï 3000 v/ph vñi nhiên liËu M7C3 (a), M7C3-20H (b) và M7C3-40H (c) 73 Hình 3.39: Ành h°õng cýa thành phÅn biogas đÃn biÃn thiên áp suÃt theo góc quay trûc khuỷu khi đïng c¢ ch¿y õ tçc đï 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) 74 Hình 3.40: Ành h°õng thành phÅn biogas đÃn biÃn thiên áp suÃt trong xi lanh khi đïng c¢ ch¿y bằng biogas pha 40% hydrogen õ tçc đï 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) 75 Hình 3.41: Ành h°õng cýa thành phÅn biogas đÃn tçc đï tiêu thû nhiên liËu khi không pha hydrogen (a và b) và khi pha 40% hydrogen (c và d) 76 Hình 3.42: Ành h°õng cýa thành phÅn biogas đÃn tính năng công tác và mÿc đï phát thÁi ô nhiÉm khi đïng c¢ ch¿y õ tçc đï 2100 v/ph và 3600 v/ph bằng biogas (a) và bằng biogas pha 40% hydrogen (b) 77 Hình 3.43: BiÃn thiên các thông sç đÁc tr°ng quá trình cháy theo hË sç t°¢ng đ°¢ng khi đïng c¢ ch¿y õ tçc đï 3000 v/ph vñi biogas M6C4 (a) và M8C2 (b) 79 Hình 3.44: Ành h°õng cýa hàm l°ùng hydrogen pha vào biogas M7C3 đÃn biÃn thiên tçc đï tåa nhiËt và áp suÃt trong xi lanh khi đïng c¢ ch¿y õ tçc đï 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) 79 Hình 3.45: Ành h°õng cýa hàm l°ùng hydrogen pha vào biogas M7C3 đÃn biÃn thiên néng đï nhiên liËu theo góc quay trûc khuỷu khi đïng c¢ ch¿y õ tçc đï 2100 v/ph và 3600 v/ph 80 Hình 3.46: BiÃn thiên áp suÃt cāc đ¿i và công chß thá chu trình theo hàm l°ùng hydrogen pha vào biogas M7C3 khi đïng c¢ ch¿y õ tçc đï 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) 81 Hình 3.47: Ành h°õng cýa hàm l°ùng hydrogen pha vào biogas M7C3 đÃn quá trình cháy và phát thÁi ô nhiÉm cýa đïng c¢ khi ch¿y õ tçc đï 2100 v/ph (a) và 3600 v/ph (b) vñi ö=1 82

Hình 3.48: BiÃn thiên các thông sç đÁc tr°ng quá trình cháy theo hË sç t°¢ng đ°¢ng khi đïng c¢ ch¿y õ tçc đï 3600 v/ph vñi nhiên liËu M7C3-20H 83 Hình 3.49: Ành h°õng cýa tçc đï đïng c¢ đÃn đé thá công (a) và đÃn biÃn thiên áp suÃt, tçc đï tåa nhiËt (b) 84 Hình 3.50: Ành h°õng cýa tçc đï đïng c¢ đÃn biÃn thiên áp suÃt theo góc quay trûc khuỷu khi đïng c¢ ch¿y bằng nhiên liËu M6C4-40H (a), M7C3-40H (b) và M8C2-40H (c) vñi góc đánh lāa sñm 20°TK và hË sç t°¢ng đ°¢ng ö=1 85 Hình 3.51: Ành h°õng cýa tçc đï đïng c¢ đÃn biÃn thiên các thông sç đÁc tr°ng cýa quá trình cháy khi đïng c¢ ch¿y bằng nhiên liËu M7C3-15H (a) và M8C2-40H (b) vñi ö=1 và φs=20°TK 86 Hình 3.52: Đé thá công õ các chà đï tÁi khác nhau (a) và Ánh h°õng cýa chà đï tÁi đÃn các thông sç đÁc tr°ng cýa quá trình cháy (M7C3-0H, n=3600 v/ph, ö=1, φs=32°TK) 87 Hình 3.53: Đé thá công õ các chà đï tÁi khác nhau (a) và Ánh h°õng cýa chà đï tÁi đÃn các thông sç đÁc tr°ng cýa quá trình cháy (M7C3-20H, n=3600 v/ph, ö=1, φs=30°TK) 88 Hình 3.54: Ành h°õng cýa góc đánh lāa sñm đÃn biÃn thiên áp suÃt trong xi lanh (a) và đÃn các thông sç đÁc tr°ng cýa quá trình cháy (b) khi đïng c¢ ch¿y õ tçc đï 3600 v/ph, 60% tÁi vñi nhiên liËu M7C3-20H 89 Hình 3.55: So sánh các đÁc tr°ng quá trình cháy trong điÅu kiËn tçi °u vÅ góc đánh lāa sñm và hË sç t°¢ng đ°¢ng khi sā dûng biogas M6C4 (a), M7C3 (b) và M8C2 (c) 90 Hình 4.1 S¢ đé bç trí hË thçng thí nghiËm thay đëi thói gian phun cýa đïng c¢ t*nh t¿i 94 Hình 4.2 Ành chûp mô hình thí nghiËm điÅu chßnh góc đánh lāa sñm (a) và hïp điÅu khiÇn, hïp công suÃt (b) 94 Hình 4.3 Tín hiËu điÅu khiÇn vòi phun khi ch°a xā lý nhiÉu (a, b) và các tín hiËu cÁm Ãn Hall, tín hiËu đánh lāa và tín hiËu phun khi đã xā lý nhiÉu (c) 95

Hình 4.4 Tín hiËu Hall, tín hiËu đánh lāa và tín hiËu điÅu khiÇn vòi phun do ch°¢ng trình điÅu tçc thāc hiËn khi tăng tÁi cÁn 96 Hình 4.5: BiÃn thiên tçc đï cháy chÁy tÅng theo hË sç t°¢ng đ°¢ng ö và thành phÅn CO2 trong hín hùp vñi CH4 97 Hình 4.6: Tçc đï cháy chÁy tÅng cýa hydrogen, methane (a) và Ánh h°õng cýa hàm l°ùng hydrogen đÃn tçc đï cháy chÁy tÅng cýa hín hùp CH4-H2 98 Hình 4.7 S¢ đé bç trí hË thçng thí nghiËm thay đëi góc đánh lāa sñm cýa đïng c¢ t*nh t¿i 99 Hình 4.8 Ành chûp mô hình thí nghiËm điÅu chßnh góc đánh lāa sñm (a) và hïp điÅu khiÇn, hïp công suÃt (b) 100 Hình 4.9 Tín hiËu cýa cÁm biÃn Hall và tín hiËu đánh lāa khi ch°a xā lý nhiÉu (a), tín hiËu khi xā lý nhiÉu các cëng kÃt nçi bằng tû điËn (b) và tín hiËu sau khi xā lý bằng nguén cách ly quang hãc (c) 101 Hình 4.10 L°ùc đé ch°¢ng trình cài đÁt vào vi điÅu khiÇn đÇ điÅu chßnh góc đánh lāa sñm (a) và đï lËch giÿa xung tín hiËu Hall và xung đánh lāa (b) 102 Hình 4.11 Mô phång thay đëi góc đánh lāa sñm theo hàm l°ùng hydrogen pha vào hín hùp biogas 103 Hình 4.12: S¢ đé bç trí hË thçng thí nghiËm thay đëi góc đánh lāa sñm, thói gian phun cýa đïng c¢ t*nh t¿i 104 Hình 4.13: Arduino Mega 2560 105 Hình 4.14: Tín hiËu ĐCT, tín hiËu điÅu khiÇn vòi phun và đánh lāa 106 Hình 4.15: Tín hiËu cÁm biÃn Hall, tín hiËu đánh lāa và tín hiËu phun khi đã xā lý nhiÉu mô phång theo nhiên liËu biogas M7C3 (a), hín hùp 80% biogas M7C3+20%

c¢ t*nh t¿i phun nhiên liËu khí điÅu khiÇn điËn tā 108

Hình 4.18: Tín hiËu phun nhiên liËu (a) và tín hiËu đánh lāa (b) t°¢ng đçi so vñi tín hiËu cÁm biÃn Hall 109

Hình 4.19: LÃp đÁt các bï phÁn cÁi t¿o đïng c¢ 110

Hình 4.20: CÁi t¿o vòi phun LPG thành vòi phun biogas-hydrogen 111

Hình 4.21: LÃp đÁt cûm cÁm biÃn đo l°u l°ùng không khí và nhiên liËu 112

Hình 4.22: S¢ đé đÃu dây hïp điÅu khiÇn đïng c¢ 113

Hình 4.23: Ành chûp mÁt tr°ñc (a), mÁt sau (b) hïp điÅu khiÇn đïng c¢ 113

Hình 4.24: S¢ đé pha trïn hín hùp nhiên liËu biogas-hydrogen 115

Hình 4.29: So sánh kÃt quÁ mô phång và thāc nghiËm biÃn thiên l°u l°ùng không khí (a) và l°u l°ùng nhiên liËu (b) theo vá trí b°ñm ga khi đïng c¢ ch¿y õ tçc đï 3600 v/ph vñi nhiên liËu M7C3-20H (dp=5,5mm, pp=0,5bar) 119

Hình 4.30: So sánh biÃn thiên hË sç t°¢ng đ°¢ng theo vá trí b°ñm ga cho bõi mô

Hình 4.35: S¢ đé điÅu chßnh góc đánh lāa sñm 124 Hình 4.36: Ành h°õng cýa thành phÅn hydrogen đÃn biÃn thiên công chß thá chu trình theo góc đánh lāa sñm trong tr°óng hùp đïng c¢ ch¿y bằng Biogas M7C3 (a), Biogas M6C4 (b) õ tçc đï 3000 vòng/phút, ö=1, 100% tÁi 125 Hình 4.37: BiÃn thiên góc đánh lāa sñm tçi °u s theo tß sç H2/CH4 126 Hình 4.38: GiÁn đé góc đánh lāa sñm tçi °u 128 Hình 4.39: S¢ đé hË thçng điÅu khiÇn tā đïng hË sç t°¢ng đ°¢ng và góc đánh lāa sñm đïng c¢ biogas-hydrogen có thành phÅn nhiên liËu thay đëi 129 Hình 4.40: S¢ đé cÃu trúc ch°¢ng trình điÅu khiÇn tā đïng hË sç t°¢ng đ°¢ng và góc đánh lāa sñm 130

DANH MĀC BÀNG

BÁng 3.1: Các lo¿i nhiên liËu sā dûng trong nghiên cÿu 52

BÁng 3.2: Năng l°ùng do nhiên liËu mang vào đïng c¢ trong míi chu trình 75

BÁng 3.3: ĐiÅu kiËn tçi °u vÅ hË sç t°¢ng đ°¢ng và góc đánh lāa sñm khi đïng c¢ ch¿y bằng biogas và biogas pha 20% hydrogen 90

BÁng 4.1: BÁng thông sç kỹ thuÁt Arduino Mega 2560 105

BÁng 4.2: Thành phÅn mol cýa nhiên liËu 114

BÁng 4.3: Áp suÃt riêng phÅn cýa các chÃt trong nhiên liËu 114

BÁng 4.4: Thông sç thāc nghiËm 117

BÁng 4.5: KÃt quÁ thāc nghiËm đo l°u l°ùng không khí 120

BÁng 4.6: KÃt quÁ thāc nghiËm đo l°u l°ùng nhiên liËu 120

DANH MĀC KÝ HIÆU VÀ VI¾T TÂT 1 Các ký hiÇu m¿u tā La Tinh

3 Các chÿ vi¿t tÃt

LPG Khí dÅu må hóa lång (Liquefied Petroleum Gas)

Mæ ĐÄU

1 Đ¾T VÂN ĐÀ NGHIÊN CĄU

ĐÇ đÁm bÁo mÿc tăng nhiËt đï bÅu khí quyÇn không quá 2°C (mong muçn d°ñi ng°÷ng 1,5°C) so vñi thói kỳ tiÅn công nghiËp [1] theo thåa thuÁn Paris 2015 thì l°ùng phát thÁi ròng CO2 hàng năm trên toàn cÅu phÁi giÁm xuçng mÿc bằng 0 hoÁc âm ròng vào giÿa thà kỷ này [2-3] Mÿc đï gia tăng nhiËt đï bÅu khí quyÇn tß lË thuÁn vñi l°ùng khí thÁi CO2 tích lũy Vì vÁy, xây dāng chiÃn l°ùc đÇ đ¿t đ°ùc mûc tiêu mÿc phát thÁi ròng bằng 0 ngày càng trõ bÿc bách cýa các quçc gia trên khÃp thà giñi [2, 4, 5, 6] Trãng tâm cýa các chiÃn l°ùc này là chuyÇn đëi nhanh chóng và sâu rïng các hË thçng năng l°ùng, bao gém giÁm m¿nh viËc sā dûng nhiên liËu hóa th¿ch, cÁi thiËn hiËu quÁ sā dûng năng l°ùng, điËn khí hóa rïng rãi các l*nh vāc sā dûng năng l°ùng đÅu cuçi và khçng chà mÿc phát thÁi carbon [7-9] Sā chuyÇn đëi hË thçng năng l°ùng này phÁi đ°ùc hài hòa vñi cÁ các mûc tiêu phát triÇn bÅn vÿng [10-11] cũng nh° tiÅm lāc kinh tà đÇ thay thà c¢ sõ h¿ tÅng năng l°ùng hóa th¿ch hiËn có [12]

Mñi đây, t¿i cuïc hãp Đ¿i hïi đéng Liên hiËp quçc tháng 11-2021, Tëng th° ký Liên hiËp quçc đã nói hiËn ch°a quá muïn đÇ thāc hiËn mûc tiêu này nh°ng cánh cāa đang khép l¿i nhanh chóng Tháng 11-2021, t¿i Hïi nghá th°ùng đßnh th°óng niên vÅ chçng biÃn đëi khí hÁu COP 26 õ Glasgow, lãnh đ¿o các quçc gia đã đÅ ra chiÃn l°ùc Net-Zero (tÿc chiÃn l°ùc trung hòa carbon, mÿc đï phát thÁi các chÃt khí gây hiËu ÿng nhà kính thÃp h¢n mÿc đï lo¿i bå chúng tÿ môi tr°óng) T¿i hïi nghá này, n°ñc ta cũng cam kÃt giÁm phát thÁi CO2, CH4 đÇ đ¿t mûc tiêu Net-Zero vào năm 2050 [13] ĐÃn nay đã có 74 quçc gia và vùng lãnh thë cam kÃt thāc hiËn lï trình Net Zero t°¢ng tā Có khoÁng 10 quçc gia cam kÃt thāc hiËn lï trình Net Zero tr°ñc ng°÷ng thói gian đó ViËc sā dûng năng l°ùng tái t¿o thay thà năng l°ùng hóa th¿ch là trû cït trong chiÃn l°ùc Net Zero cýa hÅu hÃt các quçc gia trên thà giñi Tuy nhiên nh°ùc điÇm chính cýa năng l°ùng tái t¿o nói chung là chúng phû thuïc trāc tiÃp vào các điÅu kiËn thói tiÃt và môi tr°óng khó có thÇ đoán tr°ñc và không thÇ kiÇm soát,

gây khó khăn cho viËc đÁm bÁo đï tin cÁy cýa hË thçng Do đó sā dûng mït nguén năng l°ùng tái t¿o duy nhÃt sÁ không đÁm bÁo tính liên tûc cýa hË thçng cung cÃp năng l°ùng Bên c¿nh đó, sā không cân bằng giÿa sÁn xuÃt và tiêu thû gây ra tình tr¿ng thiÃu hoÁc thÿa năng l°ùng cýa hË thçng Do đó hË thçng sā dûng mït nguén năng l°ùng tái t¿o luôn đòi håi hË thçng l°u trÿ năng l°ùng hay nguén năng l°ùng dā phòng ĐiÅu này làm tăng chi chi phí cho hË thçng

HRES kÃt hùp nhiÅu nguén năng l°ùng tái t¿o có thÇ xā lý đ°ùc bÃt cÁp nêu trên Phû thuïc vào chiÃn l°ùc năng l°ùng cýa míi quçc gia mà nguén năng l°ùng phçi hùp có thÇ khác nhau ô các vùng khí hÁu nhiËt đñi, năng l°ùng mÁt trói và sinh khçi là nhÿng nguén năng l°ùng tái t¿o có tiÅm năng rÃt cao Hai lo¿i năng l°ùng này có thÇ đ°ùc sā dûng trong HRES, trong đó biogas đ°ùc làm giàu bằng hydrogen đ°ùc t¿o ra bõi năng l°ùng mÁt trói [14] HRES phù hùp vñi viËc cung cÃp điËn không tÁp trung Nó là mït lāa chãn khÁ thi cho sÁn xuÃt điËn bÅn vÿng, đÁc biËt là õ các vùng nông thôn

Biogas thô chÿa chý yÃu methane (CH4) và t¿p chÃt carbon dioxide (CO2) nên nhiËt trá cýa nó thÃp h¢n khí thiên nhiên Biogas có trá sç octan khoÁng 130 t°¢ng đçi cao, nên có khÁ năng chçng kích në Vì vÁy biogas sā dûng thích hùp cho đïng c¢ có tỷ sç nén cao [15] ĐÇ làm giàu lo¿i nhiên liËu này chúng ta cÅn bë sung các lo¿i nhiên liËu có nhiËt trá cao và tính năng cháy tçt Theo yêu cÅu đó thì hydrogen có thÇ xem là nhiên liËu bë sung lý t°õng nhÃt Hydrogen là nhiên liËu không chÿa carbon, sÁn phẩm cháy chÿa chý yÃu là h¢i n°ñc [16] Hydrogen có thÇ đ°ùc sÁn xuÃt tÿ nhiÅu nguén khác nhau nh°ng sÁn xuÃt hydrogen tÿ điËn phân n°ñc bằng năng l°ùng mÁt trói là giÁi pháp mang tính bÅn vÿng và khÁ thi Hydrogen có thÇ sā dûng đÇ cung cÃp năng l°ùng cho ph°¢ng tiËn giao thông c¢ giñi thông qua pin nhiên liËu Tuy nhiên, ph°¢ng án này đÃt tiÅn, yêu cÅu hydrogen có đï tinh khiÃt cao so vñi sā dûng hydrogen trong đïng c¢ đçt trong [17] Vñi công nghË hiËn nay, đÇ ô tô có thÇ ho¿t đïng đ°ùc trên cùng quãng đ°óng thì khçi l°ùng cûm đïng c¢-hË thçng cung cÃp nhiên liËu cýa xe ch¿y bằng pin nhiên liËu nÁng gÃp ba lÅn đïng c¢ đçt trong ch¿y bằng hydrogen

MÁc dù CO2 có trong biogas làm giÁm phát thÁi NOx, tăng tính chçng kích në nh°ng t¿p chÃt này l¿i có xu h°ñng làm tăng thói gian cháy trÉ và giÁm tçc đï lan truyÅn màng lāa nên sÁ làm giÁm hiËu suÃt nhiËt đïng c¢ [18] Làm giàu biogas bằng hydrogen (H2) là giÁi pháp hÿu hiËu đÇ giÁi quyÃt vÃn đÅ này Công trình nghiên cÿu cýa Ilbas và cïng sā [19] cho thÃy khi tăng néng đï hydrogen trong hín hùp H2-CH4

thì vÁn tçc cháy tăng và mõ rïng giñi h¿n cháy ĐiÅu này cho phép tăng tçc đï tåa nhiËt và tăng áp suÃt cāc đ¿i Chung và cïng sā [20] nghiên cÿu hiËu suÃt cháy cýa nhiên liËu hydrogen/biogas trong đïng c¢ đánh lāa c°÷ng bÿc bằng mô phång sç Nghiên cÿu cho thÃy rằng giá trá cāc đ¿i cýa áp suÃt và tçc đï tåa nhiËt tăng lên và thói gian cháy trÉ đ°ùc rút ngÃn khi tăng hàm l°ùng hydrogen trong nhiên liËu

Porpatham và cïng sā [21] nghiên cÿu Ánh h°õng cýa các tß lË t°¢ng đ°¢ng khác nhau đÃn hiËu suÃt cýa đïng c¢ đánh lāa c°÷ng bÿc dùng biogas trïn vñi 5%, 10% và 15% hydrogen Nghiên cÿu cho thÃy rằng khi tăng hàm l°ùng hydrogen thì tçc đï cháy cũng tăng theo Rakopoulos và cïng sā [22] đã sā dûng mô hình đa khu vāc đÇ nghiên cÿu quá trình cháy biogas-hydrogen trong đïng c¢ mït xi lanh và phân tích nhiËt đïng lāc hãc mït cách chi tiÃt KÃt quÁ cho thÃy khi bë sung hydrogen vào biogas thì thói gian phát triÇn ngãn lāa rút ngÃn Silvana Di Iorio và cïng sā [23] đã nghiên cÿu quá trình cháy hín hùp hydrogen-methane trong đïng c¢ đánh lāa c°÷ng bÿc c÷ nhå, phun trāc tiÃp và thÃy rằng áp suÃt cāc đ¿i trong xi lanh tăng và di chuyÇn gÅn tñi TDC, thói gian cháy hoàn toàn đ°ùc rút ngÃn khi tăng hàm l°ùng hydrogen pha vào biogas Yong Qian và cïng sā [24] đã tiÃn hành nghiên cÿu đánh giá quá trình cháy cýa biogas trong đïng c¢ đçt trong và thÃy rằng, khi bë sung mït tß lË hydrogen nhÃt đánh vào biogas thì quá trình cháy đ°ùc cÁi thiËn Các tác giÁ cũng cho rằng đÇ xác đánh tß lË hydrogen trong biogas phù hùp cÅn có các nghiên cÿu sâu h¢n vÅ tính hiËu quÁ quá trình cháy và phát thÁi ô nhiÉm trong các điÅu kiËn khác nhau

Nói chung, hydrogen có thÇ đ°ùc coi là mït chÃt phû gia đÇ tăng hiËu suÃt và giÁm phát thÁi ô nhiÉm cýa đïng c¢ ch¿y bằng biogas [25] Tuy nhiên, H2 có thÇ gây ra các kÃt quÁ không mong muçn nh° tăng l°ùng phát thÁi NOx vì nhiËt đï cháy cao và giÁm hiËu suÃt nhiËt do tën thÃt nhiËt ViËc pha trïn mït tß lË thích hùp H2 vào

biogas sÁ cÁi thiËn đ°ùc tính năng cýa đïng c¢ đéng thói không làm tăng phát thÁi các chÃt ô nhiÉm Wang và cïng sā [26] đã khÁo sát quá trình cháy cýa đïng c¢ phun trāc tiÃp methane-hydrogen vñi các thành phÅn khác nhau Các tác giÁ đÅ xuÃt tß lË thÇ tích hydrogen tçi °u trong hín hùp methane-hydrogen khoÁng 20% đÇ đ¿t đ°ùc sā hài hòa giÿa tính năng kỹ thuÁt và mÿc đï phát thÁi cýa đïng c¢

NhiËm vû quan trãng nhÃt khi cÁi t¿o đïng c¢ ch¿y bằng xăng, dÅu truyÅn thçng sang ch¿y bằng biogas là thiÃt kÃ, chà t¿o bï t¿o hín hùp đÁm bÁo cho đïng c¢ có thÇ ho¿t đïng õ các chà đï tÁi và tçc đï khác nhau Tính toán mô phång đÇ xác đánh kÃt cÃu và kích th°ñc c¢ bÁn cýa bï t¿o hín hùp đã đ°ùc công bç [27-32] Trong các công trình này, cung cÃp nhiên liËu biogas đ°ùc thāc hiËn bằng van c¢ khí Kim van có liên hË c¢ khí vñi c¢ cÃu điÅu khiÇn tÁi hay bï điÅu tçc cýa đïng c¢ L°u l°ùng biogas cung cÃp vào đïng c¢ phû thuïc vào đï mõ cýa van Do khoÁng dách chuyÇn cýa kim van h¿n chà nên rÃt khó điÅu chßnh chính xác l°u l°ùng biogas theo chà đï công tác cýa đïng c¢ ĐiÅu này có ngh*a là khi sā dûng van c¢ khí thì ph¿m vi thay đëi hË sç t°¢ng đ°¢ng sÁ nằm trong mït dÁi rïng Van cung cÃp biogas kiÇu c¢ khí chß phù hùp vñi đïng c¢ t*nh t¿i làm viËc th°óng xuyên vñi tçc đï và chà đï tÁi ën đánh và vñi mït lo¿i nhiên liËu cho tr°ñc [33]

ĐÇ tăng hiËu quÁ cýa viËc cung cÃp nhiên liËu khí cho đïng c¢ đánh lāa c°÷ng bÿc, giÁi pháp cung cÃp nhiên liËu khí bằng 3 van chÿc năng đã đ°ùc đÅ xuÃt [34] GiÁi pháp này đã đ°ùc áp dûng thành công vñi nhiên liËu khí giàu nh° LPG Trong tr°óng hùp này chß cÅn thay đëi chút ít l°ùng nhiên liËu thì chà đï tÁi cýa đïng c¢ đã thay đëi đáng kÇ Đçi vñi nhiên liËu khí nghèo nh° là biogas, viËc kiÇm soát tß lË không khí-nhiên liËu phÿc t¿p h¢n Trong tr°óng hùp này, đÇ điÅu chßnh công suÃt đÅu ra cýa đïng c¢, phÁi cung cÃp mït l°ùng lñn nhiên liËu MÁt khác, nhiên liËu đ°ùc phun trong mït thói gian ngÃn, đÁc biËt là khi đïng c¢ ch¿y õ tçc đï cao, thāc sā là mït thách thÿc trong viËc kiÇm soát tß lË không khí-nhiên liËu cýa đïng c¢ ch¿y bằng nhiên liËu khí nghèo

Do tác đïng cýa biÃn đëi khí hÁu đang diÉn ra ngày càng trÅm trãng, viËc chuyÇn

đëi năng l°ùng đang là mçi quan tâm hàng đÅu cýa hÅu hÃt các quçc gia trên thà giñi Trong bçi cÁnh đó thì HRES gém năng l°ùng mÁt trói và sinh khçi là mït l*nh vāc nghiên cÿu đang đ°ùc quan tâm [35] Trong nhÿng thÁp kỷ qua, các nghiên cÿu vÅ HRES chý yÃu tÁp trung tính năng kinh tÃ-kỹ thuÁt, tính toán kích th°ñc và và giÁi pháp phçi hùp tçi °u các nguén năng l°ùng trong hË thçng [36] ĐiÅu quan trãng và cÃp bách hiËn nay là đánh hình các mô đun hË thçng năng l°ùng hybrid tái t¿o đÇ ng°ói dân các vùng ch°a đ°ùc cÃp điËn có thÇ lÃp đÁt, sā dûng mït cách đ¢n giÁn và hiËu quÁ

Trên thá tr°óng hiËn nay có s¿n phÅn lñn các bï phÁn đÇ lÃp ráp hË thçng năng l°ùng tái t¿o hybrid, trÿ đïng c¢ đçt trong kéo máy phát điËn phù hùp vñi yêu cÅu cýa hË thçng Đïng c¢ đçt trong th°óng đ°ùc thiÃt kà đÇ làm viËc vñi mït lo¿i nhiên liËu cho tr°ñc và trong điÅu kiËn vÁn hành xác đánh Trong HRES, thành phÅn nhiên liËu thay đëi th°óng xuyên theo nguyên liËu đÅu vào và nguén hydrogen do điËn mÁt trói cung cÃp MÁt khác, chà đï tÁi cýa đïng c¢ cũng thay đëi th°óng xuyên đÇ cung cÃp tÁi bù cho hË thçng Do đó, đïng c¢ phÁi đ°ùc điÅu chßnh mït cách linh ho¿t các thông sç vÁn hành, đÁc biËt là góc đánh lāa sñm và hË sç t°¢ng đ°¢ng cýa hín hùp Đïng c¢ t*nh t¿i truyÅn thçng khó có thÇ đáp ÿng đ°ùc yêu cÅu này

LuÁn án tÁp trung xā lý hai vÃn đÅ chính cýa đïng c¢ trong hË thçng năng l°ùng tái t¿o hybrid, đó là điÅu khiÇn quá trình cung cÃp nhiên liËu đÇ điÅu chßnh hË sç t°¢ng đ°¢ng và điÅu chßnh góc đánh lāa sñm tçi °u đÇ đÁm bÁo cho đïng c¢ ho¿t đïng hiËu quÁ vñi nhiên liËu biogas-hydrogen vñi thành phÅn thay đëi trong ph¿m vi rïng

2 MĀC TIÊU NGHIÊN CĄU

CÁi t¿o đïng c¢ t*nh t¿i truyÅn thçng cung cÃp xăng bằng bï chà hòa khí thành đïng c¢ t*nh t¿i điÅu khiÇn điËn tā quá trình phun nhiên liËu và góc đánh lāa sñm theo thành phÅn nhiên liËu và chà đï vÁn hành trong HRES sinh khçi-năng l°ùng mÁt trói

3 ĐÐI T¯þNG VÀ PH¾M VI NGHIÊN CĄU

ĐÑi t°ÿng nghiên cąu: Nghiên cÿu đ°ùc thāc hiËn trên đïng c¢ t*nh t¿i Honda

GX200 nguyên thýy vñi nhiên liËu biogas đ°ùc làm giàu bõi hydrogen vñi thành phÅn thay đëi đÇ mô phång điÅu kiËn cung cÃp nhiên liËu trong HRES sinh khçi-năng l°ùng mÁt trói

Ph¿m vi nghiên cąu:

- CÁi t¿o đïng c¢ xăng dùng bï chà hòa khí truyÅn thçng thành đïng c¢ t*nh t¿i điÅu khiÇn điËn tā có tçc đï thay đëi trong ph¿m vi hẹp t°¢ng ÿng vñi điÅu kiËn làm viËc cýa đïng c¢ t*nh t¿i

- Đánh giá bằng thāc nghiËm tính năng kỹ thuÁt và mÿc đï phát thÁi ô nhiÉm cýa đïng c¢ õ mït sç điÇm xác đánh trên đ°óng đÁc tính điÅu tçc vñi thành phÅn nhiên liËu xác đánh

- Mô phång đ°ùc thāc hiËn õ nhiÅu chà đï công tác và nhiÅu thành phÅn nhiên liËu đÇ mõ rïng kÃt quÁ nghiên cÿu

4 PH¯¡NG PHÁP NGHIÊN CĄU

KÃt hùp giÿa nghiên cÿu lý thuyÃt, mô phång và thāc nghiËm

• PhÅn lý thuy¿t: TÁp trung nghiên cÿu c¢ sõ quá trình cháy rçi cýa hín hùp nhiên liËu khí, c¢ sõ hình thành các chÃt ô nhiÉm, tÁp trung phân tích Ánh h°õng cýa thành phÅn hín hùp nhiên liËu biogas-hydrogen đÃn tính năng công tác và mÿc đï phát thÁi ô nhiêm cýa đïng c¢

cung cÃp nhiên liËu và quá trình cháy cýa đïng c¢ ch¿y bằng hín h¢p nhiên liËu biogas-hydrogen VÅ quá trình cung cÃp nhiên liËu tÁp trung phân tích Ánh h°õng cýa kỹ thuÁt cung cÃp nhiên liËu biogas-hydrogen hòa trïn tr°ñc (blend) và cung cÃp nhiên liËu biogas/hydrogen riêng rÁ (dual) VÅ quá trình cháy, tÁp trung mô phång Ánh h°õng cýa thành phÅn hín hùp và góc đánh lāa sñm đÃn tính năng kỹ thuÁt và mÿc đï phát thÁi ô nhiÉm cýa đïng c¢

• PhÅn thāc nghiÇm: Thāc hiËn viËc cÁi t¿o đïng c¢ t*nh t¿i ch¿y xăng, cung cÃp nhiên liËu bằng bï chà hòa khí thành đïng c¢ phun nhiên liËu khí và đánh lāa điÅu khiÇn điËn tā, cû thÇ xây dāng giÁn đé cung cÃp nhiên liËu biogas-hydrogen trên đ°óng đÁc tính điÅu tçc và thiÃt kà m¿ch điÅu khiÇn điËn tā đÇ thāc hiËn viËc cung cÃp nhiên liËu và điÅu chßnh góc đánh lāa sñm tçi °u theo chà đï công tác cýa đïng c¢ TiÃn hành đo đ¿c thāc nghiËm công suÃt và mÿc đï phát thÁi ô nhiÉm cýa đïng c¢ õ mït sç chà đï công tác và thành phÅn nhiên liËu xác đánh đÇ đánh giá kÃt quÁ mô phång

5 Ý NGH)A KHOA HÌC VÀ TÍNH THĀC TIÄN CĂA ĐÀ TÀI

Ý ngh*a khoa hÍc: Đïng c¢ t*nh t¿i truyÅn thçng th°óng đ°ùc thiÃt kà đÇ sā

dûng mït lo¿i nhiên liËu xác đánh, do đó chúng không phù hùp khi vÁn hành trong điÅu kiËn nhiên liËu thay đëi ViËc nghiên cÿu điÅu chßnh linh ho¿t quá trình cung cÃp nhiên liËu và góc đánh lāa sñm cýa đïng c¢ t*nh t¿i đánh lāa c°÷ng bÿc theo thành phÅn nhiên liËu và điÅu kiËn vÁn hành mang ý ngh*a khoa hãc không chß cho HRES mà còn cho sā phát triÇn đïng c¢ sā dûng nhiên liËu khí linh ho¿t

Ý ngh*a thāc tiÅn: N°ñc ta õ vùng nhiËt đñi, sÁn xuÃt nông nghiËp nên có tiÅm

năng lñn vÅ sinh khçi và năng l°ùng mÁt trói ViËc kÃt hùp sā dûng hai nguén năng l°ùng này trong HRES sÁ khÃc phûc đ°ùc các bÃt cÁp khi sā dûng mït nguén năng l°ùng tái t¿o duy nhÃt Đïng c¢ t*nh t¿i sā dûng biogas-hydrogen có vai trò quan trãng trong HRES Nó thay thà cho thiÃt bá l°u trÿ năng l°ùng phÿc t¿p và đÃt tiÅn Do đó viËc nghiên cÿu phát triÇn đïng c¢ t*nh t¿i sā dûng nhiên liËu khí linh ho¿t sÁ t¿o điÅu kiËn đÇ phát triÇn rïng rãi viËc ÿng dûng năng l°¢ng tái t¿o Đó là mït trong nhÿng giÁi pháp thiÃt thāc góp phÅn thāc hiËn các mûc tiêu chiÃn l°ùc Net Zero mà n°ñc ta đã cam kÃt vñi thà giñi.

6 CÂU TRÚC NàI DUNG NGHIÊN CĄU

Bç cûc cýa luÁn án ngoài phÅn mõ đÅu, kÃt luÁn và h°ñng phát triÇn cýa đÅ tài, nïi dung chính đ°ùc trình bày trong 4 ch°¢ng vñi cÃu trúc nh° sau:

Ch°¢ng 1: Tëng quan vÅ vÃn đÅ nghiên cÿu

Ch°¢ng 2: C¢ sõ lý thuyÃt quá trình t¿o hín hùp và quá trình cháy trong đïng c¢ đánh lāa c°÷ng bÿc

Ch°¢ng 3: Mô phång quá trình t¿o hín hùp và quá trình cháy cýa đïng c¢ phun nhiên liËu biogas-hydrogen

Ch°¢ng 4: Nghiên cÿu thāc nghiËm và đánh giá kÃt quÁ mô phång

7 ĐÓNG GÓP MâI CĂA LUÀN ÁN

- ChuyÇn đëi đïng c¢ t*nh t¿i sā dûng nhiên liËu xăng đánh lāa c°÷ng bÿc thành đïng c¢ t*nh t¿i phun nhiên liËu biogas-hydrogen, đánh lāa điÅu khiÇn điËn tā - Xác đánh thành phÅn nhiên liËu hybrid biogas-hydrogen đÇ đ¿t đ°ùc sā hài hòa

tính năng kỹ thuÁt và mÿc đï phát thÁi ô nhiÉm cýa đïng c¢

- Xây dāng giÁn đé phun nhiên liËu và giÁn đé đánh lāa đïng c¢ sā dûng nhiên liËu biogas-hydrogen

- KiÇm soát quá trình phun nhiên liËu và góc đánh lāa sñm theo thành phÅn nhiên liËu và chà đï công tác cýa đïng c¢ đÇ nâng cao hiËu quÁ công tác cýa đïng c¢ sā dûng nhiên liËu biogas-hydrogen

- Chà t¿o ECU điÅu khiÇn đïng c¢ sā dûng nhiên liËu khí linh ho¿t, góp phÅn phát triÇn HRES năng l°ùng sinh khçi-năng l°ùng mÁt trói

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ VÂN ĐÀ NGHIÊN CĄU

1.1 C¢ cÃu nng l°ÿng toàn cÅu trong chi¿n l°ÿc <Net Zero=

Theo Stefano Mandelli thì có khoÁng 2,4 tỷ ng°ói trên thà giñi đ°ùc cung cÃp năng l°ùng h¿n chà vñi hË thçng năng l°ùng không đáng tin cÁy [37], trong đó h¢n 1,6 tỷ ng°ói không đ°ùc sā dûng điËn [36] HÅu hÃt nhÿng cïng đéng dân c° này sçng õ các vùng nông thôn cýa các n°ñc đang phát triÇn [38] Cung cÃp năng l°ùng đóng vai trò rÃt quan trãng trong cÁ sā phát triÇn kinh tà và cÁi thiËn chÃt l°ùng cuïc sçng cýa hã [38] ĐÇ đáp ÿng nhu cÅu năng l°ùng tçi thiÇu cýa mình, ng°ói dân õ nhÿng vùng này, th°óng sā dûng nhiên liËu hóa th¿ch đÇ ch¿y máy phát điËn, do mÁt đï năng l°ùng cýa nhiên liËu cao, thiÃt bá dÉ sā dûng và lÃp đÁt [39-40] Thāc tà này đòi håi các nhà nghiên cÿu phát triÇn các hË thçng phát điËn thay thà đÇ đáp ÿng nhu cÅu cýa ng°ói dân trong khi chó đùi các quçc gia có đý năng lāc kinh tà đÇ mõ rïng m¿ng l°ñi cÃp điËn cýa mình

Hình 1.1: Cơ cấu các nguồn năng lượng đến năm 2050 [41]

MÁc dù dân sç thà giñi gia tăng nh°ng C¢ quan Năng l°ùng quçc tà (IEA) dā báo tëng cung cÃp năng l°ùng giÁm xuçng 550 exajoules (EJ) vào năm 2030, thÃp h¢n 7% so vñi năm 2020 (hình 1.1) Năm 2020, dÅu må cung cÃp 30% tëng nguén cung năng l°ùng, trong khi than đá cung cÃp 26% và khí thiên nhiên cung cÃp 23%

Vào năm 2050, năng l°ùng tái t¿o cung cÃp 2/3 năng l°ùng sā dûng C¢ cÃu năng l°ùng toàn cÅu tÿ nay đÃn 2050 nh° hình 1.1 Năng l°ùng h¿t nhân năm 2050 tăng lên gÅn gÃp đôi so vñi năm 2020 Năng l°ùng hóa th¿ch giÁm tÿ 80% hiËn nay xuçng chß còn h¢n 20% vào năm 2050 ĐiÅu này có ngh*a là v¿n còn mït l°ùng đáng kÇ nhiên liËu hóa th¿ch đ°ùc sā dûng sau năm 2050 trong sÁn xuÃt hàng hóa và vÁn tÁi đ°óng dài Sā phát thÁi CO2 cýa chúng sÁ đ°ùc bù trÿ bõi nhÿng ho¿t đïng phát thÁi CO2 âm

Nhu cÅu vÅ năng l°ùng tăng cao và nhÿng lo ng¿i vÅ ô nhiÉm do nhiên liËu hóa th¿ch gây ra đã khiÃn cho các quçc gia h°ñng vÅ viËc sā dûng năng l°ùng s¿ch hoÁc năng l°ùng tái t¿o khi phát triÇn các m¿ng điËn mñi hay mõ rïng m¿ng điËn hiËn t¿i [42] Ngày nay, nhiÅu quçc gia và khu vāc đã đ°a ra các chính sách °u tiên, thāc hiËn các biËn pháp tích cāc và hiËu quÁ đÇ tăng công suÃt lÃp đÁt hË thçng năng l°ùng tái t¿o (RES) [43-47] Tß lË các lo¿i RES khác nhau trên thà giñi đ°ùc trình bày trong Hình 1.2a Thýy điËn chiÃm tß trãng cao nhÃt trong các lo¿i RES, sau đó là điËn gió và năng l°ùng mÁt trói H¢n 80% RES là hË thçng không đÃu l°ñi (Hình 1.2b) [43]

Hình 1.2: Cấu phần năng lượng tái t¿o trên thế giới (a) và đặc tính của hệ thống năng lượng tái t¿o (b) [43]

Các nguén năng l°ùng tái t¿o có thÇ thay thà nhiên liËu hóa th¿ch trong t°¢ng lai do đÁc tính phong phú, đa d¿ng và s¿ch cýa chúng [48] SÁn xuÃt điËn năng trên toàn thà giñi tÿ các nguén năng l°ùng tái t¿o tăng đÅu đÁn hàng năm [49] Tuy nhiên, không giçng nh° năng l°ùng hóa th¿ch, nh°ùc điÇm chính cýa năng l°ùng tái t¿o

trong hÅu hÃt các tr°óng hùp là sā phû thuïc trāc tiÃp vào các điÅu kiËn thói tiÃt và môi tr°óng không thÇ đoán tr°ñc và không thÇ kiÇm soát, gây khó khăn cho viËc đÁm bÁo đï tin cÁy cýa hË thçng [50-51]

Rõ ràng là mït nguén năng l°ùng tái t¿o duy nhÃt không đý đÇ hí trù hË thçng cung cÃp năng l°ùng liên tûc [52] ViËc sā dûng mït nguén năng l°ùng duy nhÃt th°óng d¿n đÃn kích th°ñc hË thçng quá lñn đÇ bù đÃp năng l°ùng do tính ng¿u nhiên và không liên tûc cýa các RES [53] ĐiÅu này làm tăng chi phí vçn cýa hË thçng [43] Bên c¿nh đó, sā không cân bằng giÿa sÁn xuÃt và nhu cÅu sÁ gây ra tình tr¿ng thiÃu hoÁc thÿa điËn cýa hË thçng [54] Khi công suÃt điËn cýa hË thçng nhå h¢n nhu cÅu thì cÅn phÁi có nguén điËn bë sung vào hË thçng Ng°ùc l¿i khi công suÃt điËn cýa hË thçng v°ùt công suÃt sā dûng thì cÅn tích trÿ năng l°ùng d° Do đó, viËc quÁn lý tÁi cũng nh° các công nghË l°u trÿ phÁi đ°ùc xem xét [55] Pin là thiÃt bá l°u trÿ đ°ùc sā dûng phë biÃn nhÃt Chúng l°u trÿ điËn và đ°ùc kích ho¿t khi hË thçng năng l°ùng tái t¿o không đý đáp ÿng nhu cÅu phû tÁi Giá thành cýa pin chiÃm tß lË quan trãng trong hË thçng năng l°ùng tái t¿o do tuëi thã cýa chúng thÃp, cÅn đ°ùc thay thà th°óng xuyên trong quá trình vÁn hành hË thçng [51] ĐiÅu này làm tăng chi phí năng l°ùng cýa RES

ĐÇ h°ñng tñi mûc tiêu Net-Zero, trong l*nh vāc sÁn xuÃt năng l°ùng, tÿ nhiÅu năm qua, các quçc gia đã có xu h°ñng chuyÇn sang sā dûng năng l°ùng tái t¿o thay cho các lo¿i nhiên liËu hóa th¿ch truyÅn thçng [56] NhiÅu quçc gia đã đ°a ra các chính sách °u tiên và khuyÃn khích đÇ tăng công suÃt lÃp đÁt cýa các hË thçng năng l°ùng tái t¿o SÁn l°ùng điËn trên toàn thà giñi tÿ các nguén năng l°ùng tái t¿o tăng đÅu hàng năm [57] Tuy nhiên, không giçng nh° năng l°ùng hóa th¿ch, nh°ùc điÇm chính cýa năng l°ùng tái t¿o trong hÅu hÃt các tr°óng hùp là phû thuïc trāc tiÃp vào điÅu kiËn thói tiÃt và điÅu kiËn khí hÁu [58-59] NÃu chß sā dûng mït nguén năng l°ùng tái t¿o đ¢n l¿ theo kiÇu truyÅn thçng thì không đÁm bÁo đ°ùc viËc cung cÃp năng l°ùng liên tûc [60] Ng°ùc l¿i, khi công suÃt điËn cýa hË thçng v°ùt quá công suÃt sā dûng thì cÅn có hË thçng tích trÿ năng l°ùng d° thÿa Do đó, hË thçng quÁn lý phû tÁi và các thiÃt bá l°u trÿ năng l°ùng phÁi đ°ùc tích hùp vào hË thçng năng

l°ùng tái t¿o ĐiÅu này làm tăng chi phí năng l°ùng cýa nhà máy nói chung

1.2 HÇ thÑng nng l°ÿng tái t¿o hybrid

ĐÇ đ¿t mûc tiêu phát thÁi ròng bằng 0 vào năm 2050, các n°ñc cÅn dÿng triÇn khai các dā án than mñi, cũng nh° đ°a ra lï trình tiÃn tñi lo¿i bå các dā án điËn than hiËn t¿i và thay vào đó là phát triÇn các dā án điËn tái t¿o Tuy nhiên, nh° trên đã nêu, nh°ùc điÇm chính cýa năng l°ùng tái t¿o nói chung là không ën đánh, công suÃt nguén phát năng l°ùng thay đëi theo thói gian trong ngành hay thay đëi ng¿u nhiên theo điÅu kiËn khí hÁu, thói tiÃt Vì vÁy, đÇ đÁm bÁo tính ën đánh cýa hË thçng năng l°ùng, chúng ta cÅn phçi hùp sā dûng nhiÅu nguén năng l°ùng tái t¿o khác nhau, gãi là HRES [61-65] HË thçng năng l°ùng tái t¿o kÃt hùp có thÇ bao gém nhiÅu lo¿i nguén khác nhau và nói chung, bao gém hai hoÁc nhiÅu nguén tái t¿o cũng nh° không tái t¿o [66] KÃt nçi các nguén năng l°ùng gián đo¿n khác nhau vñi các nguén năng l°ùng có thÇ chuyÇn đëi đ°ùc nh° pin nhiên liËu, biogas và accu hoÁc kÃt nçi vñi hË thçng điËn l°ñi là giÁi pháp hÿu hiËu đÇ khÃc phûc nhÿng h¿n chà cýa RES HRES có thÇ làm giÁm dao đïng công suÃt phát điËn và tăng sÁn xuÃt năng l°ùng tëng thÇ, giúp giÁm nhu cÅu l°u trÿ năng l°ùng

Giá thành năng l°ùng cýa hË thçng năng l°ùng tái t¿o kÃt hùp r¿ h¢n khoÁng 30% so vñi giá thành năng l°ùng ch¿y bằng nhiên liËu hóa th¿ch [67] MÁt khác, các hË thçng này còn có thÇ tçi °u hóa kích th°ñc cýa các thành phÅn hË thçng, do đó có thÇ giÁm giá thành và giÁm chi phí vÁn hành đÇ đÁm bÁo giá thành năng l°ùng hÃp d¿n ng°ói tiêu dùng [68-69] NhiÅu tài liËu cũng đã tÁp trung vào viËc sā dûng hË thçng điËn kÃt hùp dāa trên các nguén năng l°ùng tái t¿o Các HRES có thÇ ho¿t đïng õ các chà đï hòa l°ñi và không nçi l°ñi mït cách bÅn vÿng, giÁm thiÇu các tác đïng môi tr°óng nh° khí thÁi carbon dioxide tÿ viËc sā dûng nhiên liËu hóa th¿ch, h¿ giá thành điËn và cÁi thiËn đï tin cÁy cýa hË thçng NhiÅu nhà nghiên cÿu đã chÿng minh rằng hË thçng năng l°ùng kÃt hùp là phù hùp vñi viËc phát triÇn điËn õ nông thôn, đÁc biËt là cho các vùng sâu vùng xa [70]

Hình 1.3 minh hãa các lo¿i HRES khác nhau và cách sā dûng đÅu ra đa d¿ng Năng l°ùng mÁt trói có thÇ đ°ùc tích hùp vào nhiÅu HRES khác nhau Chi phí cýa pin năng l°ùng mÁt trói PV đã giÁm trāc tiÃp vào bÿc x¿ mÁt trói nên viËc sā dûng phçi hùp năng l°¢ng mÁt trói vñi các nguén năng l°ùng khác là cÅn thiÃt

Hình 1.3: Các d¿ng hệ thống năng lượng tái t¿o [49]

Trong các nguén năng l°ùng tái t¿o sā dûng kÃt hùp vñi năng l°ùng mÁt trói thì sinh khçi rÃt đáng chú ý Sinh khçi hiËn là nguén năng l°ùng lñn thÿ t° trên toàn thà giñi [72] Mït sç tác giÁ đã nghiên cÿu kÃt hùp sā dûng sinh khçi trong các hË thçng quy mô nhå vñi các nguén năng l°ùng tái t¿o khác Perkins [73] đã so sánh chi phí năng l°ùng cýa giÁi pháp sÁn xuÃt điËn năng hybrid năng l°ùng mÁt trói và sinh khçi và kÃt luÁn rằng giÁi pháp này cho giá thành thÃp h¢n khi sā dûng riêng rÁ sinh khçi hay năng l°ùng mÁt trói vñi pin l°u trÿ Vì thÃ, nhiÅu nhà nghiên cÿu đã đÅ xuÃt sā dûng các hË thçng lai t¿o sā dûng năng l°ùng mÁt trói và sinh khçi õ các vùng nông thôn đÇ sÁn xuÃt điËn

ViËc sÁn xuÃt điËn tÿ các nhà máy sinh khçi, đÁc biËt là tÿ các nhà máy biogas không phû thuïc vào điÅu kiËn thói tiÃt, do đó, cho phép cung cÃp năng l°ùng linh ho¿t và có thÇ điÅu chßnh theo nhu cÅu cýa phû tÁi [74] ViËc vÁn hành linh ho¿t các công trình hybrid năng l°ùng mÁt trói-biogas giúp nâng cao chÃt l°ùng nguén điËn

và hiËu quÁ sā dûng năng l°ùng, d¿n đÃn giÁm giá thành năng l°ùng, mang l¿i lùi ích cho toàn bï nÅn kinh tà [74] Ngoài ra, tß lË các công trình khí sinh hãc linh ho¿t ngày càng tăng sÁ làm giÁm nhu cÅu cýa các nhà máy điËn truyÅn thçng, đ°ùc đÁc tr°ng bõi chi phí vÁn hành t°¢ng đçi cao và phát thÁi ô nhiÉm [74] Do đó, biogas có thÇ xem là mït giÁi pháp giúp ën đánh hË thçng điËn mÁt trói vín d* phû thuïc vào sā thay đëi ng¿u nhiên cýa bÿc x¿ [74-76]

HË thçng phát điËn kÃt hùp năng l°ùng mÁt trói/biogas đang trõ thành mït lāa chãn phë biÃn cho các vùng sâu vùng xa hoÁc nhÿng n¢i m¿ng l°ñi điËn ch°a v°¢n tñi vñi phû tÁi điËn nhå [77] ViËc sÁn xuÃt điËn tÿ các nhà máy sinh hãc không phû thuïc vào điÅu kiËn thói tiÃt, do đó, chúng ta có thÇ kiÇm soát đ°ùc sā cân bằng giÿa nguén điËn sÁn xuÃt và nhu cÅu tiêu thû Trên thà giñi, nhÿng công trình sÁn xuÃt biogas qui mô lñn tÁp trung õ Châu Âu, BÃc Mỹ [78] ô các n°ñc đang phát triÇn, biogas đ°ùc sÁn xuÃt vñi qui mô nhå õ hï gia đình, c¢ sõ sÁn xuÃt, chăn nuôi nh°ng vñi sç l°ùng hÅm biogas rÃt lñn, đÁc biËt õ các vùng nông thôn MÁt khác, nhÿng vùng dân c° ch°a tiÃp cÁn đ°ùc vñi nguén điËn hiËn nay phÅn lñn õ châu Phi và Nam Á, n¢i có bÿc x¿ mÁt trói lñn ViËc kÃt hùp sā dûng biogas và điËn mÁt trói là mït lāa chãn hÃp d¿n đÇ điËn khí hóa các vùng này [77-79]

HË thçng điËn hín hùp năng l°ùng mÁt trói-biogas có thÇ cung cÃp năng l°ùng an toàn và hiËu quÁ cho các khu vāc đ°ùc kÃt nçi l°ñi và không nçi l°ñi điËn [80] HË thçng năng l°ùng kÃt hùp khí sinh hãc-năng l°ùng mÁt trói bao gém các tÃm pin quang điËn, bï chuyÇn đëi điËn, và máy phát điËn ch¿y bằng nhiên liËu khí sinh hãc HË thçng sā dûng các thiÃt bá chuyÇn đëi điËn đÇ điÅu hòa công suÃt HË thçng có thÇ ho¿t đïng ën đánh và hiËu quÁ khi đ°ùc đÃu l°ñi hay không đÃu l°ñi NhiÅu nghiên cÿu đã đ°ùc thāc hiËn đÇ đánh giá hiËu quÁ kinh tÃ-kỹ thuÁt cýa hË thçng năng l°ùng tái t¿o kÃt hùp điËn mÁt trói-biogas Nixon và cïng sā [81] đã tiÃn hành nghiên cÿu các tiêu chí khác nhau vÅ các vÃn đÅ kinh tÃ, môi tr°óng và kỹ thuÁt cýa hË thçng năng l°ùng kÃt hùp KÃt luÁn rút ra tÿ nghiên cÿu cho thÃy hË thçng năng l°ùng tái t¿o kÃt hùp tiÃt kiËm chi phí tçt h¢n so vñi năng l°ùng tái t¿o đ¢n l¿ đÇ phát điËn [81] Rajbongshi và cïng sā [82] đã thāc hiËn thiÃt kà và tçi °u hóa hË thçng PV/sinh

khçi/diesel kÃt hùp cho các cÃu hình tÁi trãng khác nhau KÃt quÁ cýa nghiên cÿu chß ra rằng mït hË thçng đ°ùc kÃt nçi vñi l°ñi điËn khÁ thi h¢n vÅ mÁt kinh tà so vñi hË thçng không nçi l°ñi trong cùng mït cÃu hình phû tÁi Ahmad và cïng sā [83], Rajbongshi và cïng sā [82] đã tiÃn hành các nghiên cÿu vÅ khÁ năng kinh tÃ-kỹ thuÁt cýa các hË thçng kÃt hùp nçi l°ñi và không nçi l°ñi Các tác giÁ đi đÃn kÃt luÁn rằng kÃt nçi l°ñi có hiËu quÁ kinh tà cao h¢n so vñi hË thçng ngoài l°ñi Tuy nhiên, đçi vñi các khu vāc xa xôi và dân c° th°a thñt, giÁi pháp không nçi l°ñi có thÇ tiÃt kiËm chi phí h¢n so vñi giÁi pháp nçi l°ñi Shahzad và cïng sā [84] đã phân tích hiËu quÁ kinh tà kỹ thuÁt cýa hË thçng điËn hybrid điËn mÁt trói-biogas ngoài l°ñi và nhÁn thÃy rằng hË thçng này đáng tin cÁy và hiËu quÁ vÅ chi phí vì nó có thÇ cung cÃp điËn õ mÿc giá năng l°ùng thÃp nhÃt HË thçng phát điËn năng l°ùng kÃt hùp điËn mÁt trói-biogas khÁ thi h¢n vÅ mÁt kỹ thuÁt trong cung cÃp nguén năng l°ùng ën đánh cho cïng đéng dân c° õ vùng sâu vùng xa Trong tr°óng hùp đó, hË thçng này cũng có lùi h¢n vÅ mÁt kinh tà so vñi các giÁi pháp khác [85]

1.3 HÇ thÑng nng l°ÿng tái t¿o hybrid điÇn m¿t tråi-sinh khÑi

ViËt Nam là mït n°ñc nông nghiËp, có nguyên liËu đÇ sÁn xuÃt năng l°ùng sinh hãc khá déi dào Nhÿng sÁn phẩm tÿ chăn nuôi, tréng trãt sÁ cung cÃp nguyên liËu khëng lé cho sÁn xuÃt khí sinh hãc Theo báo cáo tiÅm năng và tình hình khai thác, sā dûng năng l°ùng tái sinh õ ViËt Nam, sÁn phẩm phû cýa nông nghiËp có khÁ năng cung cÃp nhiên liËu cho điËn sinh khçi tÿ 8-11 triËu tÃn Riêng sÁn l°ùng trÃu có thÇ thu gom õ Đéng bằng sông Cāu Long lên tñi 1,4 đÃn 1,6 triËu tÃn Bên c¿nh đó, rác thÁi sinh ho¿t nÃu đ°ùc xā lí tçt cũng là nguén nhiên liËu đÅu vào đÇ sÁn xuÃt khí biogas Tëng sÁn l°ùng biogas có thÇ sÁn xuÃt míi năm õ n°ñc ta có thÇ lên đÃn 4 tỷ m3

Khó khăn trong khai thác biogas đÇ phát điËn cýa chúng ta là nguén nhiên liËu không tÁp trung và qui mô không đÅu Nhÿng n¢i có sÁn l°ùng biogas lñn nh° các bãi chôn lÃp rác, các tr¿m xā lý n°ñc thÁi có thÇ sā dûng đïng c¢ c÷ lñn đÇ kéo máy phát điËn Các tr¿i chăn nuôi trung bình và nhå, nÃu sā dûng đïng c¢ c÷ lñn thì

không đý biogas đÇ ch¿y liên tûc, nÃu dùng đïng c¢ c÷ nhå thì không đÁm bÁo đ°ùc công suÃt cÅn thiÃt cho sÁn xuÃt Vì thà đÇ có thuÁn lùi trong viËc áp dûng năng l°ùng tái t¿o trong thāc tà chúng ta cÅn có giÁi pháp phçi hùp sā dûng các nguén năng l°ùng tái t¿o phù hùp

Tuy đ°ùc thiên nhiên °u đãi vÅ bÿc x¿ mÁt trói, gió và sinh khçi nh°ng theo báo cáo th°óng niên cýa TÁp đoàn ĐiËn lāc ViËt Nam năm 2019 thì h¢n 45% tëng năng l°ùng cýa n°ñc ta v¿n đ°ùc sÁn xuÃt tÿ nhiên liËu hóa th¿ch (than đá, khí đçt ) ĐÇ thúc đẩy viËc khai thác tiÅm năng năng l°ùng tái t¿o, Thý t°ñng Chính phý đã ban hành QuyÃt đánh sç 2068/QĐ-TTg ngày 25-11-2015 vÅ chiÃn l°ùc phát triÇn năng l°ùng tái t¿o cýa ViËt Nam đÃn năm 2030, tÅm nhìn đÃn năm 2050 Chính phý đã đÁt ra mûc tiêu tăng tß lË năng l°ùng tái t¿o trong tëng tiêu thû năng l°ùng s¢ cÃp đ¿t khoÁng 31,0% vào năm 2020; khoÁng 32,3% vào năm 2030 và đ¿t khoÁng 44,0% vào năm 2050; tß lË điËn năng sÁn xuÃt tÿ năng l°ùng tái t¿o trong tëng điËn năng sÁn xuÃt toàn quçc tăng tÿ khoÁng 35% vào năm 2015 tăng lên khoÁng 38% vào năm 2020, đ¿t khoÁng 32% vào năm 2030 và khoÁng 43% vào năm 2050 Đéng thói tăng quy mô sā dûng công nghË khí sinh hãc vñi thÇ tích xây dāng tÿ khoÁng 4 triËu m3 vào năm 2015 lên khoÁng 8 triËu m3vào năm 2020; khoÁng 60 triËu m3vào năm 2030 và khoÁng 100 triËu m3vào năm 2050

QuyÃt đánh 2068 cũng chß rõ, trong giai đo¿n tÿ nay đÃn 2030 tÁp trung phát triÇn và sā dûng nguén năng l°ùng tái t¿o đïc lÁp nhằm đáp ÿng mûc tiêu điËn khí hóa nông thôn: Xây dāng các ch°¢ng trình phát triÇn hË thçng điËn đïc lÁp tÿ năng l°ùng tái t¿o và điËn quy mô gia đình cho khu vāc khó khăn và đÁc biËt khó khăn, vùng sâu, vùng xa, miÅn núi, hÁi đÁo nhằm mûc đích xóa đói giÁm nghèo và phát triÇn kinh tà xã hïi đÇ đ¿t mûc tiêu đÃn năm 2020 hÅu hÃt các hï dân nông thôn có điËn, năm 2030 hÅu hÃt các hï dân nông thôn đ°ùc sā dûng nguén năng l°ùng s¿ch ĐÇ đ¿t đ°ùc mûc tiêu này, QuyÃt đánh 2068 đ°a ra giÁi pháp tÁp trung nguén lāc cho nghiên cÿu phát triÇn và chuyÇn giao công nghË năng l°ùng tái t¿o, đÅu t° khÁo sát và xây dāng c¢ sõ dÿ liËu cýa các nguén năng l°ùng tái t¿o cho mûc đích

dài h¿n; tăng c°óng hí trù ho¿t đïng đÅu t°, nghiên cÿu, phát triÇn và sā dûng nguén năng l°ùng tái t¿o cho mûc đích sā dûng nhiËt nhằm giÁm sā dûng nhiên liËu hóa th¿ch và bÁo vË môi tr°óng; tÁp trung nguén lāc, khai thác và sā dûng tçi đa tiÅm năng năng l°ùng tái t¿o trong n°ñc bằng nhÿng công nghË tiên tiÃn, phù hùp vñi điÅu kiËn thāc tà cýa tÿng vùng miÅn, mang l¿i hiËu quÁ cao vÅ kinh tÃ, xã hïi và môi tr°óng; phát triÇn m¿nh mÁ thá tr°óng công nghË năng l°ùng tái t¿o, ngành công nghiËp sÁn xuÃt máy móc thiÃt bá, cung cÃp dách vû năng l°ùng tái t¿o trong n°ñc; tăng c°óng m¿nh tiÅm lāc cho nghiên cÿu, phát triÇn, chuyÇn giao và ÿng dûng các d¿ng năng l°ùng tái t¿o mñi

Hình 1.4: Sơ đồ HRES năng lượng mặt trời-năng lượng sinh khối

ViËt Nam là n°ñc nông nghiËp thuïc vùng nhiËt đñi nên tiÅm năng vÅ năng l°ùng sinh khçi và năng l°ùng mÁt trói rÃt lñn Sā phçi hùp sā dûng hai nguén năng l°ùng này là mït thà m¿nh õ n°ñc ta Hình 1.4 trình bày HRES phçi hùp năng l°ùng

mÁt trói và năng l°ùng sinh khçi

Nguyên lý làm viËc cýa HRES nh° sau: các chÃt thÁi rÃn khó phân hýy trong sinh ho¿t và sÁn xuÃt õ nông thôn đ°ùc chà biÃn thành viên nén nhiên liËu RDF Tÿ đó, RDF đ°ùc chuyÇn thành khí tëng hùp syngas qua lò khí hóa Các chÃt thÁi hÿu c¢ dÉ phân hýy đ°ùc sā dûng đÇ sÁn xuÃt biogas Khi công suÃt cýa điËn mÁt trói cao h¢n công suÃt phû tÁi thì phÅn công suÃt d° đ°ùc sā dûng đÇ sÁn xuÃt hydrogen qua hË thçng điËn phân Biogas và hydrogen đ°ùc l°u trÿ chung trong túi chÿa nhiên liËu khí Khi công suÃt tÁi yêu cÅu lñn h¢n công suÃt cýa hË thçng điËn mÁt trói thì cûm máy phát điËn do đïng c¢ ch¿y bằng nhiên liËu khí ho¿t đïng đÇ cung cÃp năng l°ùng Do tính ng¿u nhiên cýa nguyên liËu sÁn xuÃt nhiên liËu khí nên thành phÅn cýa hín hùp khí biogas-hydrogen thay đëi Vì vÁy hË thçng cung cÃp nhiên liËu cho đïng c¢ sā dûng nhiên liËu khí cũng phÁi đ°ùc điÅu chßnh linh ho¿t đÇ nâng cao hiËu quÁ quá trình cháy và giÁm phát thÁi ô nhiÉm

Trong các công trình [41, 86, 87], tác giÁ đã nhÃn m¿nh chÃt l°ùng quá trình cháy đ°ùc cÁi thiËn đáng kÇ khi bë sung hydrogen vào biogas HË sç t°¢ng đ°¢ng tçi °u cýa hín hùp nhiên liËu biogas-hydrogen thÃp h¢n hË sç t°¢ng đ°¢ng khi ch¿y bằng biogas hoàn toàn nên mÿc đï phát thÁi các chÃt ô nhiÉm CO, HC giÁm so vñi khi đïng c¢ ch¿y bằng biogas Tuy nhiên khi tăng hàm l°ùng hydrogen thì phát thÁi NOx tăng do tăng nhiËt đï cháy [41] Cùng chà đï vÁn hành và hàm l°ùng hydrogen trong hín hùp nhiên liËu, khi thành phÅn biogas thay đëi thì qui luÁt cung cÃp nhiên liËu cũng cÅn đ°ùc điÅu chßnh [87-89] Do đó, khi đïng c¢ ch¿y bằng hín hùp biogas-hydrogen vñi thành phÅn thay đëi trong ph¿m vi rïng nh° trong HRES, viËc cung cÃp nhiên liËu cÅn đ°ùc điÅu chßnh đÇ đÁm bÁo hË sç t°¢ng đ°¢ng nằm trong giñi h¿n tçi °u ViËc điÅu chßnh linh ho¿t quá trình cung cÃp nhiên liËu nh° vÁy khó có thÇ đ°ùc thāc hiËn bằng bï chà hòa khí thông th°óng Trong công trình này chúng tôi sÁ trình bày hË thçng điÅu chßnh thói gian phun bằng vi điÅu khiÇn đÇ cÁi t¿o đïng c¢ t*nh t¿i đánh lāa c°÷ng bÿc truyÅn thçng thành đïng c¢ có thÇ sā dûng phù hùp trong HRES Trong sç các d¿ng năng l°ùng tái t¿o khác nhau, sinh khçi là nguén năng l°ùng lñn thÿ 4 [90] Sinh khçi có thÇ l°u trÿ đ°ùc nên công suÃt phát điËn có

thÇ điÅu chßnh đ°ùc đÇ đáp ÿng nhu cÅu cýa phû tÁi [91] HË thçng phát điËn năng l°ùng mÁt trói-sinh khçi tích hùp đang trõ thành mït lāa chãn phë biÃn cho các vùng sâu vùng xa hoÁc các vùng thiÃu điËn l°ñi [92] Các n°ñc vùng nhiËt đñi có nguén sinh khçi và năng l°ùng mÁt trói déi dào Do đó, sā kÃt hùp hai nguén năng l°ùng năng l°ùng này trong hË thçng HRES có tiÅm năng phát triÇn rÃt lñn trong bçi cÁnh các n°ñc thāc hiËn chiÃn l°ùc Net-Zero

HRES năng l°ùng mÁt trói-sinh khçi c¢ bÁn bao gém các tÃm pin mÁt trói PV, mït bï chuyÇn đëi điËn năng và mït máy phát điËn ch¿y bằng nhiên liËu khí HË thçng có thÇ ho¿t đïng ën đánh và hiËu quÁ trong điÅu kiËn đÃu l°ñi hay ngoài l°ñi điËn MÁc dù hË thçng năng l°ùng này có nhiÅu lùi thà nh°ng các nghiên cÿu chuyên sâu v¿n còn h¿n chà [93] Các công trình nghiên cÿu vÅ HRES chý yÃu tÁp trung vào các tính năng kinh tÃ-kỹ thuÁt, tính toán kích th°ñc và các giÁi pháp điÅu phçi tçi °u các nguén năng l°ùng trong hË thçng [94] ĐiÅu quan trãng và cÃp bách hiËn nay là nghiên cÿu phát triÇn các mô-đun cýa HRES đÇ ng°ói sā dûng có thÇ lÃp đÁt thuÁn lùi mà không cÅn hí trù kỹ thuÁt đÁc biËt

HiËn t¿i, các thành phÅn c¢ bÁn đÇ lÃp đÁt HRES năng l°ùng mÁt trói-sinh khçi nh° pin mÁt trói PV, biÃn tÅn, máy điËn phân hydrogen đã đ°ùc th°¢ng m¿i hóa rïng rãi trên thá tr°óng Tuy nhiên, đïng c¢ đçt trong ch¿y bằng nhiên liËu khí linh ho¿t (t°¢ng tā nh° đïng c¢ sā dûng nhiên liËu lång linh ho¿t trên ô tô FFV) ch°a đ°ùc phë biÃn Trong thāc tÃ, đÁc tính cýa đïng c¢ phû thuïc vào thành phÅn nhiên liËu và điÅu kiËn vÁn hành Trong HRES năng l°ùng mÁt trói-sinh khçi, viËc l°u trÿ năng l°ùng mÁt trói có thÇ đ°ùc thāc hiËn thông qua hydrogen thay vì dùng accu Sinh khçi có thÇ chuyÇn thành biogas đçi vñi nhÿng chÃt hÿu c¢ dÉ phân hýy hay thành syngas (khí tëng hùp) thông qua quá trình khí hóa đçi vñi nhÿng chÃt hÿu c¢ khó phân hýy Do đó, đïng c¢ kéo máy phát điËn cýa hË thçng có thÇ ch¿y bằng hín hùp syngas-biogas-hydrogen vñi thành phÅn nhiên liËu thay đëi MÁt khác, do máy phát điËn chß cung cÃp năng l°ùng bë sung cho HRES nên chà đï tÁi cýa đïng c¢ th°óng xuyên thay đëi Các đÁc tính này cýa đïng c¢ cÅn đ°ùc nghiên cÿu đÇ nâng cao hiËu quÁ tëng thÇ cýa HRES

Các công trình nghiên cÿu cýa Bùi Văn Ga và cïng sā [95-97] cho thÃy góc đánh lāa sñm Ánh h°õng đáng kÇ đÃn tính năng kỹ thuÁt và mÿc đï phát thÁi ô nhiÉm cýa đïng c¢ ch¿y bằng biogas đ°ùc làm giàu bõi hydrogen Khi tăng hàm l°ùng hydrogen trong hín hùp vñi biogas thì góc đánh lāa sñm tçi °u giÁm [95-96] Trên các đïng c¢ t*nh t¿i đánh lāa c°÷ng bÿc, góc đánh lāa sñm cýa đïng c¢ th°óng đ°ùc cç đánh nên không thÇ điÅu chßnh linh ho¿t theo thành phÅn nhiên liËu Các nghiên cÿu đ°ùc công bç gÅn đây cho thÃy đïng c¢ t*nh t¿i truyÅn thçng có thÇ cÁi t¿o thành đïng c¢ điÅu khiÇn điËn tā nhó sā dûng ECU mõ và bï cÁm biÃn cýa xe gÃn máy phun xăng [98-99] HË thçng nh° vÁy phÿc t¿p, khó có thÇ bç trí trên đïng c¢ t*nh t¿i có s¿n

1.4 Ành h°çng căa hydrogen đ¿n tính nng căa đáng c¢

Mït trong nhÿng tính chÃt c¢ bÁn cýa nhiên liËu Ánh h°õng đÃn tính năng công tác cýa đïng c¢ là giñi h¿n cháy và tçc đï cháy c¢ bÁn [100] Biogas chÿa 50-70% methane và 30-50% carbonic và mït ít t¿p chÃt khác [101-102] Đã có nhiÅu nghiên cÿu vÅ Ánh h°õng cýa các t¿p chÃt đÃn quá trình cháy cýa nhiên liËu KÃt quÁ cýa các nghiên cÿu này cho thÃy t¿p chÃt Ánh h°õng m¿nh đÃn chÃt l°ùng quá trình cháy CO2 trong biogas thu hẹp giñi h¿n cháy và làm giÁm tçc đï lan tràn màn lāa [103-105] Nghiên cÿu gÅn đây cho thÃy hín hùp biogas-không khí chí có thÇ bén lāa khi hàm l°ùng CO2trong biogas nhå h¢n 62,5 % theo thÇ tích [106]

Khi thay đëi hàm l°ùng hydrogen pha vào biogas thì tính năng quá trình cháy cýa đïng c¢ đ°ùc cÁi thiËn KÃt quÁ nghiên cÿu cýa Ilbas et al [107] cho thÃy khi tăng thành phÅn hydrogen trong hín hùp vñi methan thì tçc đï lan tràn màn lāa tăng và giñi h¿n cháy mõ rïng ĐiÅu này cho phép rút ngÃn thói gian tÿ lúc đánh lāa đÃn khi áp suÃt đ¿t cāc đ¿i khiÃn áp suÃt cāc đ¿i gÅn điÇm chÃt trên h¢n d¿n đÃn gia tăng tçc đï tåa nhiËt Chung et al [108] nghiên cÿu hiËu quÁ quá trình cháy cýa hín hùp hydrogen/biogas trong đïng c¢ đánh lāa c°÷ng bÿc bằng mô phång và thÃy rằng khi tăng hàm l°ùng hydrogen trong hín hùp nhiên liËu thì áp suÃt cāc đ¿i và tçc đï tåa nhiËt cāc đ¿i đÅu tăng Porpatham et al [109] cũng nhÁn đ°ùc kÃt quÁ t°¢ng tā khi

nghiên cÿu đïng c¢ c°÷ng bÿc ch¿y bằng biogas đ°ùc làm giàu bõi 5%, 10% và 15% hydrogen õ các hË sç t°¢ng đ°¢ng khác nhau Silvana Di Iorio et al [110] nghiên cÿu quá trình cháy cýa hydrogen-methane trong đïng c¢ đánh lāa c°÷ng bÿc c÷ nhå bằng ph°¢ng pháp quay phim kỹ thuÁt sç tçc đï cao và thÃy rằng áp suÃt cāc đ¿i tăng, tiÃn gÅn đÃn ĐCT, thói gian cháy giÁm khi tăng hàm l°ùng hydrogen trong hín hùp nhiên liËu

VÅ mÿc đï phát thÁi ô nhiÉm, đïng c¢ ch¿y bằng biogas có mÿc đï phát thÁi ô nhiÉm thÃp [111] Đïng c¢ ch¿y bằng hydrogen có mÿc đï phát thÁi ô nhiÉm nói chung còn thÃp h¢n đïng c¢ sā dûng nhiên liËu truyÅn thçng hay nhiên liËu thay thà [112] Khi pha hydrogen vào biogas thì mÿc đï phát thÁi NOx phû thuïc vào hàm l°ùng hydrogen Vñi hàm l°ùng hydrogen thích hùp thì NOx giÁm nh°ng khi hàm l°ùng hydrogen cao thì NOx l¿i tăng do tăng nhiËt đï cháy [113-114] Mÿc đï phát thÁi NOx có mçi quan hË chÁt chÁ vñi áp suÃt cāc đ¿i trong xi lanh, áp suÃt cāc đ¿i càng cao, mÿc đï phát thÁi NOx càng lñn [115] Khi đïng c¢ làm viËc vñi ö=1, vñi hàm l°ùng hydrogen thích hùp thì tính năng kinh tÃ, kỹ thuÁt và mÿc đï phát thÁi ô nhiÉm cýa đïng c¢ đ°ùc cÁi thiËn Tuy nhiên khi hàm l°ùng hydrogen tăng v°ùt quá 10% thì l°ùng nhiËt truyÅn cho n°ñc làm mát tăng làm giÁm hiËu suÃt nhiËt đéng thói phát thÁi NOxtăng [116] Khi đïng c¢ làm viËc vñi hín hùp nghèo, do hydrogen cho phép mõ rïng giñi h¿n cháy nên cÁ tính năng kinh tà kỹ thuÁt l¿n mÿc đï phát thÁi NOx đÅu đ°ùc cÁi thiËn khi tăng hàm l°ùng hydrogen [117-119] Sā hiËn diËn cýa hydrogen trong hín hùp vñi biogas không nhÿng làm giÁm phát thÁi ô nhiÉm cýa đïng c¢ đánh lāa c°÷ng bÿc mà nó còn góp phÅn làm giÁm phát thÁi bé hóng trong khí thÁi đïng c¢ dual fuel biogas-diesel [120-121] Wang et al [122] đÅ xuÃt hàm l°ùng thÇ tích hydrogen trong hín hùp vñi methane khoÁng 20% là tçi °u cÁ vÅ hiËu suÃt nhiËt và mÿc đï phát thÁi ô nhiÉm Góc đánh lāa sñm Ánh h°õng đáng kÇ đÃn chÃt l°ùng làm viËc cýa đïng c¢ biogas đ°ùc làm giàu bằng hydrogen [123] Nói mït cách tëng quát, hydrogen có thÇ xem là mït chÃt pha trïn vào biogas đÇ cÁi thiËn hiËu suÃt và giÁm phát thÁi ô nhiÉm nhó nhÿng đÁc tính °u viËt cýa nó nh° giñi h¿n cháy mõ rïng, tçc đï cháy cao, hË sç khuÃch tán lñn, nhiËt đï đo¿n nhiËt cao [124]