Báo cáo nghiên cứu khoa học: " KHẢ NĂNG GIẢM PHÁT THẢI CO 2 Ở VIỆT NAM NHỜ SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG BẰNG BIOGAS" pptx

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 1 KHẢ NĂNG GIẢM PHÁT THẢI CO 2 Ở VIỆT NAM NHỜ SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG BẰNG BIOGAS POSSIBILITY OF CO 2 EMISSION REDUCTION IN VIETNAM BY UTILIZATION OF BIOGAS FOR ELECTRICITY PRODUCTION Bùi Văn Ga − Lê Minh Tiến − Trương Lê Bích Trâm Đại học Đà Nẵng Nguyễn Văn Đông Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Việc sử dụng rộng rãi biogas cần công nghệ để biến chúng thành các dạng năng lượng khác. Bài báo này giới thiệu công nghệ sản xuất điện năng bằng biogas. Nếu sử dụng công nghệ này, mỗi năm nước ta có thể sản xuất 10% điện năng bằng nhiên liệu tái tạo và giảm 6,5% phát thải Carbon vào bầu khí quyển. ABSTRACT For a large application of biogas, we need transform them to other kind of energy. The paper presents the technology of electricity production by biogas. Wide application of this technology, Vietnam can produce 10% electricity by renewable energy and reduce 6.5% of Carbon emission into atmosphere. 1. Giới thiệu Trong vòng 4,5 tỉ năm tồn tại, quả đất đã có những chu kỳ nóng lên rồi lạnh đi. Từ thời điểm cuối của thời kỳ băng hà cuối cùng, cách đây khoảng 13000 năm, quả đất đã nóng lên trung bình 4°C. Ngày nay quả đất nóng lên nhanh chóng. Trong 1 thế kỷ nhiệt độ của qu ả đất đã tăng lên 0,5°C. Phân tích mẫu lấy ra từ băng hà cho thấy kỷ nguyên của chúng ta nóng nhất từ hơn 600 năm và 20 năm cuối cùng của thế kỷ XX, sự gia tăng nhiệt độ đã vượt qua mọi kỷ lục với đỉnh cao là năm 1998. Nhiệt độ gia tăng nhanh chóng như vậy khiến cho thiên nhiên không có thời gian để thích nghi. Nếu sự gia tăng nhiệt độ tro ng quá khứ gây ra do quá trình tự nhiên thì sự gia tăng nhiệt độ ngày nay chủ yếu là do hoạt động của con người, đặc biệt là sự phát thải các chất khí Năm Phát th i CO 2 (GtC/năm) N ồng độ CO 2 (ppmV) Hình 1. Tính toán dự báo nồng độ CO 2 trong khí quyển với các kịch bản khác nhau về sử dụng năng lượng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 2 gây hiệu ứng nhà kính. Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính thì CO 2 chiếm đến 50% tác dụng. Từ khi bắt đầu thời kỳ công nghiệp đến nay (khoảng 200 năm), sự phát thải CO 2 vào bầu khí quyển đã không ngừng gia tăng. Nồng độ CO 2 hiện nay đã tăng 35% so với thời kỳ tiền công nghiệp, vượt xa nồng độ của chúng 600 000 năm trước. Nồng độ CO 2 đã tăng từ 280ppm ở thời kỳ tiền công nghiệp đến 379ppm vào năm 2005. Mức tăng trung bình của CO 2 là +1,5 ppm/năm trong khoảng 1970 đến 2000 và +2,1 ppm/năm trong khoảng 2000 đến 2007. Các hoạt động của con người như sử dụng nhiên liệu hóa thạch, phá rừng sản sinh ra mỗi năm 6 tỷ tấn carbon. Tính toán diễn biến nồng độ CO 2 trong khí quyển theo các kịch bản khác nhau cho thấy nồng độ này đạt cân bằng ổn định khoảng 500ppmV trong trường hợp ngày từ bây giờ chúng ta không làm gia tăng thêm CO 2 và đạt giá trị cân bằng cực đoan khoảng 1100ppm nếu tiếp tục phát thải như hiện nay (hình 1). Các nghiên cứu về diễn biến khí hậu cho thấy mối quan hệ trực tiếp giữa nồng độ CO 2 trong khí quyển và sự dao động chu kỳ của nhiệt độ trong vòng 150000 gần đây. Nếu nồng độ CO 2 Người ta ước tính đại dương hấp thụ trên 80% năng lượng cấp thêm vào hệ thống khí hậu. Sự gia tăng nhiệt độ đại dương khiến nước giãn nở và làm tăng cao mực nước biển. Các số liệu nghiên cứu do vệ tinh cung cấp cho thấy trong thế kỷ 20, mực nước biển đã dâng cao khoảng vài chục cm (0,1-0,2m). Riêng trong giai đoạn 1961 đến 2003, mực nước biển đã tăng 1,8mm/năm. Sự gia tăng mực nước biển chủ yếu là do giãn nở nhiệt. Ảnh hưởng của sự tan băng ở các cực thể hiện trong quãng thời gian dài nhiều thế kỷ. Mực nước biển sẽ dâng cao từ 18 đến 59cm vào năm 2100 (hình 2). Nó có thể dâng cao 2m vào năm 2300 [3]. Sự dâng cao mực nước biển vài cm không gây ảnh hưởng đáng kể đối với bờ biển đá nhưng nó gây ảnh hưởng nghiêm trọng đối với động học bùn cát của các bãi biển phẳng. Trong những vùng này, đang ở trạng thái cân bằng tăng lên gấp đôi sẽ làm gia tăng nhiệt độ trung bình của mặt đất lên 2,8°C. Điều này sẽ làm đảo lộn khí hậu trên hành tinh. Độ cao so với mực nước biển hiện nay Hình 3. Nguy cơ chìm ngập ở khu vực Đông Nam Á do sự dâng cao mực nước biển Năm Gia tăng m (cm) Hình 2. Dự báo dâng cao mực nước biển trong thế kỷ 21 theo các mô hình toán họa khác nhau TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 3 động học, sự dâng cao mực nước biển tạo ra khả năng xâm thực mạnh và làm dịch chuyển sự cân bằng toàn bộ về phía bãi biển bị xâm thực và lùi dần vào đất liền. Vì vậy sự dâng cao mực nước biển gây ảnh hưởng quan trọng hơn nhiều so với việc dịch chuyển bờ biển đối với chiều cao mực nước tương ứng. Khi băng tuyết trên quả đất tan hoàn toàn thì mực nước biển có thể dâng lên đến 65m. Tuy nhiên sự tan băng ở các cực kéo dài đến hàng nghìn năm ngay cả khi nhiệt độ khí quyển đã ổn định. Dựa trên kết quả tính toán diễn biến nhiệt độ khí quyển, người ta dự báo các nguy cơ gia tăng mực nước biển trong thiên niên kỷ tới. Nguy cơ mực nước biển dâng lên 6m là rất cao trong 1000 năm nữa. Toàn bộ đồng bằng Bắc Bộ, Nam Bộ và duyên hải Miền Trung của nước ta khi đó sẽ bị chìm ngập trong nước biển (hình 3). 2. Giảm phát thải CO 2 Loài người đã thải vào khí quyển 6 Gt (Gt: tỉ tấn) carbon tương đương mỗi năm, tương đương 1 tấn/người/năm. Ước chừng 3 Gt carbon do đại dương hấp thụ, vì vậy cần giảm đi 50% mức độ phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính để không làm gia tăng nồng độ của chúng trong khí quyển, nghĩa là mức thải trên đầu người là 500 kg carbon tương đương mỗi năm. Tiết kiệm năng lượng, đặc biệt là năng lượng hóa thạch là giải pháp hữu hiệu. Giải pháp này đòi hỏi thay đổi thói quen vốn có của con người như: bằng tái cơ cấu năng lượng • Hạn chế đi máy bay. Máy bay tầm xa phát thảỉ 60 g carbon tương đương/km/hành khách. Một hành khách liên lục địa bằng máy bay thải vào không khí gần 500 kg carbon tương đương. Đối với máy bay tầm ngắn, mức độ phát thải trung bình 100 g carbon tương đương/km/hành khách; • Hạn chế tối đa sử dụng ô tô. Ô tô phát thải trung bình 100-250 g CO2 trên mỗi km, nghĩa là 30-70 g carbon tương đương. Sử dụng ô tô 20 000 km mỗi năm sẽ thải vào khí quyển 600-1400 kg carbon tương đương; • Tối ưu hóa cách nhiệt nhà ở bằng kiến trúc sinh khí hậu, sử dụng vật liệu mới để giảm sử dụng nhiệt cho hệ thống sưởi và điều hòa không khí. Mặt khác, sử dụng các loại năng lượng tái sinh được xem là giải pháp bền vững. Giải pháp này một mặt làm giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính và mặt khác đảm bảo nguồn năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt dần. Đối với vấn đề phát thải CO 2 , Việt nam có mức độ phát thải CO 2 trên đầu người dân còn rất thấp so với mức độ phát thải bình quân của thế giới. Những thập niên 80, 90 của thế kỷ trước, mức thải CO 2 bình quân đầu người của nước ta chỉ bằng 1/10 bình quân của thế giới. Hiện nay mức phát thải CO 2 bình quân đầu người ở nước ta xấp xỉ 1/3 mức phát thải bình quân của thế giới [2]. Tuy nhiêu điều quan trọng là tốc độ gia tăng mức độ phát thải CO 2 Với tốc độ gia tăng sử dụng nhiên liệu hóa thạch như hiện nay trong sinh hoạt và sản xuất (hình 6 và hình 7), trong một thời gian ngắn, mức độ phát thải CO của nước ta hiện nay rất lớn, trong khi mức độ phát thải bình quân trên thế giới gần như ổn định (hình 4 và hình 5). 2 trên đầu người dân của chúng ta sẽ tăng vượt mức bình quân chung của thế giới. Để hạn chế mức TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 4 độ phát thải CO 2 Biogas là năng lượng tái sinh nhận được từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí. Rác thải sinh hoạt, các chất thải của quá trình sản xuất nông nghiệp, chăn nuôi, xử lý nước là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất biogas. Biogas chứa thành phần chính là CH và đảm bảo an ninh năng lượng tương lai, chúng ta cần nghiên cứu phát triển các loại năng lượng tái sinh . Trong số các dạng năng lượng này thì năng lượng từ biomass ở nước ta có tiềm năng rất dồi dào (khoảng 100 triệu tấn/năm) và có thể khai thác được bằng các công nghệ truyền thống. Sản xuất biogas từ biomass là giải pháp khả thi và thiết thực nhất. 4 và các tạp chất như CO 2 , H 2 S [4]. Để có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu, việc đầu tiên là phải lọc các tạp chất có hại. Tiềm năng biogas của Việt Nam từ chất thải chăn nuôi khoảng 2 tỷ m Nếu lấy trung bình 200m 3 3 biogas/tấn nguyên liệu và 10% biomass trên đây được chuyển thành biogas thì mỗi năm chúng ta có thể sản xuất được 2 tỷ m 3 biogas. Cộng với 2 tỷ m 3 biogas sản xuất từ chất thải chăn nuôi, mỗi năm chúng ta có thể sản xuất được 4 tỷ m 3 Khó khăn trong khai thác biogas để phát điện của chúng ta là nguồn nhiên liệu không tập trung và qui mô không đều. Những nơi có sản lượng biogas lớn như các bãi chôn lấp rác, các trạm xử lý nước thải có thể sử dụng động cơ cỡ lớn để kéo máy phát biogas. 1950 1970 1990 2010 00 0,12 0,24 0,36 Năm T ấn carbon tư ơng đương Hình 4. Mức thải Carbon bình quân đầu người ở Việt Nam 1950 1970 1990 2010 00 0,50 0,75 1,25 Năm T ấn carbon tư ơng đương 1,00 0,25 Hình 5. Mức thải Carbon bình quân đầu người toàn cầu Năm 1984 1988 1992 1996 2000 2004 10 20 30 40 T ỉ kWh Thủy điện Nhiệt điện Hình 6. Sản xuất điện năng ở Việt Nam (Nguồn EIA International Energy) Năm 1988 1992 1996 2000 2004 2008 100 200 300 400 Nghìn thùng /ngày Hình 7. Tiêu thụ dầu mỏ ở Việt Nam (Nguồn EIA International Energy) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 5 điện. Các trại chăn nuôi trung bình và nhỏ, nếu sử dụng động cơ cỡ lớn thì không đủ biogas để chạy liên tục, nếu dùng động cơ cỡ nhỏ thì không đảm bảo được công suất cần thiết cho sản xuất. Vì vậy trong thực tế hiện nay, phần lớn các hầm biogas ở nước ta chỉ dùng để phục vụ cho việc đun nấu. Ở những trại chăn nuôi chừng 50 con heo trở lên, lượng biogas sinh ra trở nên dư thừa cho nhu cầu đun nấu và chúng được thải ra ngoài khí quyển. CH 4 có tác dụng gây hiệu ứng nhà kính 23 lần lớn hơn CO 2 3. Kỹ thuật cung cấp biogas cho động cơ hai nhiên liệu biogas/dầu mỏ vì vậy việc thải chúng ra không khí sẽ làm cho môi trường bị ô nhiễm trầm trọng hơn. Vì vậy việc tận dụng biogas từ các nguồn khác nhau để sản xuất điện năng là rất cần thiết để giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính và tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch ở nước ta. Do sự đa dạng về qui mô sản xuất biogas, để có thể tận dụng được nguồn biogas phát điện, công suất của động cơ cần phải chọn tối ưu phù hợp qui mô sản xuất của trang trại và công suất của hầm biogas. Để thỏa mãn yêu cầu đó thì động cơ hai nhiêu liệu biogas/nhiên liệu lỏng mang tính thực tế cao hơn động cơ chỉ chạy được bằng biogas [5]. Để tạo điều kiện thuận lợi cho người dân chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng có sẵn sang chạy bằng biogas, trong công trình này chúng tôi chế tạo các bộ phụ kiện vạn năng để có thể lắp được trên nhiều kiểu động cơ khác nhau. Bộ phụ kiện được lắp thêm vào động cơ để cho phép nó chạy bằng biogas, không làm ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống nhiên liệu lỏng nguyên thủy, vì vậy động cơ vẫn có thể chạy được bằng nhiên liệu lỏng như trước khi cải tạo. Hình 8 giới thiệu sơ đồ nguyên lý của hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ hai nhiên liệu biogas/xăng. Hệ thống gồm bộ điều tốc 1 tác động đồng thời lên bướm ga 2 và van cung cấp biogas 3. Van không tải 5 kiểu màng mở khi độ chân không sau bướm ga đủ lớn, hút biogas qua vít chỉnh không tải 4. Tỉ lệ độ mở bướm ga 2 và van côn 3 được tính toán sao cho thành phần hỗn hợp của động cơ đạt giá trị tối ưu ở mọi chế độ công tác [6]. Bộ điều tốc được dẫn động nhờ buli lắp trên bánh đà động cơ. Khi chạy bằng biogas, van cung cấp xăng được khóa lại. Ngược lại, khi chạy bằng xăng, khóa biogas ở vị trí đóng. Đối với động cơ biogas/diesel, hệ thống cung cấp nhiên liệu đơn giản hơn vì không có van không tải 5 và bướm ga 2. Động cơ được đánh lửa bằng cách phun một lượng diesel mồi tối thiểu (khoảng 2-3% lượng diesel ở chế độ định mức). Tốc độ động cơ được giữ ổn định nhờ bộ điều tốc tác động lên van côn cung cấp biogas. Không khí Biogas 1 5 4 3 2 Hình 8. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ biogas/xăng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 6 Hình 9 và hình 10 giới thiệu van điều tốc động cơ biogas/xăng và bộ điều tốc động cơ biogas/diesel. Các van này được tính toán cho các cỡ công suất động cơ khác nhau. Người sử dụng có thể lắp đặt dễ dàng lên động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng có sẵn để chạy bằng biogas (hình 11 và hình 12). Động cơ kéo máy phát điện bằng biogas với công nghệ này có những tính năng sau [7]: − Được cải tạo từ động cơ Diesel hay động cơ xăng − Sau khi cải tạo, động cơ vẫn có thể chạy bằng diesel hay bằng xăng khi cần thiết − Tiêu thụ dầu diesel nhỏ hơn 3% so với định mức − Dao động điện áp nhỏ hơn 5% điện áp định mức, thời gian quá độ nhỏ hơn 2s Nếu biogas được sản xuất từ chất thải chăn nuôi, thời gian (tính theo giờ) máy phát điện biogas có thể hoạt động liên tục trong ngày cho ở bảng 4. Nhờ các bộ phụ kiện trên đây, động cơ có thể biến 1m 3 biogas thành 1kWh đi ện, tiết kiệm được 0,4 lít dầu diesel và góp phần làm giảm phát thải 1kg CO 2 Theo như phần trên đã trình bày, tiềm năng biogas của nước ta có thể đạt được 4 tỷ m vào bầu khí quyển [8]. 3 Hình 10. Van điều tốc động cơ biogas/diesel /năm. Nếu áp dụng công nghệ này để phát điện, mỗi năm chúng ta sản xuất được 4 Hình 9. Van điều tốc động cơ biogas/xăng Hình 11. Động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel Hình 12. Động cơ hai nhiên liệu biogas/xăng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009 7 tỷ kWh điện. Nếu các động cơ trên chạy bằng dầu diesel thì để sản xuất được lượng điện nói trên chúng ta cần đến 1,6 tỷ lít dầu và phát thải vào bầu khí quyển 4 tỷ kg CO 2 Như vậy, nếu sử dụng công nghệ chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng sang chạy bằng biogas, mỗi năm chúng ta có thể sản xuất được 10% năng lượng điện bằng nhiên liệu thay thế, tiết kiệm được 15.000 tỷ đồng tiền nhiên liệu (do các động cơ chạy bằng dầu), giảm phát thải 4 triệu tấn CO . 2 4. Kết luận (tương đương 1,5 triệu tấn C) vào bầu khí quyển. Nếu so với mức phát thải C tương đương của nước ta hiện nay là 24 triệu tấn/năm thì mức giảm này đạt được 6,5%. − Hạn chế mức độ phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính ngay từ bây giờ sẽ góp phần đảm bảo sự cân bằng nồng độ CO 2 − Sử dụng biogas từ các chất thải hữu cơ để chạy động cơ đốt trong phát điện thay cho nhiên liệu hóa thạch bằng công nghệ trong nước sẽ giúp nước ta sản xuất được 10% điện năng bằng năng lượng tái tạo, góp phần làm giảm 6,5% phát thải Carbon vào khí quyển. trong khí quyển ở mức thấp, tránh được nguy cơ bùng nổ khí hậu gây hậu quả khôn lường đối với sự tồn vong của nhân loại. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.globalwarmingart.com/wiki/Image: Global_Warming_Predictions_png. [2] http://cdiac.ornl.gov/trends/emis/vie.html. [3] http://ecologie.nature.free.fr/pages/dossiers/dossier_rechauffement_planete.htm. [4] Bui Van Ga, Ngo Van Lanh, Ngo Kim Phung, Purification of biogas for fueling internal combustion engine. Review Science and Technology, The University of Danang, No 4-2007. [5] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh, Hệ thống cung cấp biogas cho động cơ dual-fuel biogas/diesel. Tạp chí Khoa học-Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 2(25)-2008, pp. 17-22. [6] Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Phi Quang, Tối ưu hóa quá trình cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng h ai nhiên liệu biogas- dầu mỏ. Tạp chí Khoa học-Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 5(28)-2008, pp. 22-30. [7] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Truong Le Bich Tram, Engines fueled by biogas: A contribution to energy saving and climate change mitigation. The 6th Seminar on Environment Science and Technology Issues Related to Climate Change Mitigation. Japan-Vietnam Core University Program, Osaka, Japan, 26-28 November 2008. [8] Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Động cơ tĩnh tại chạy bằng hai nhiên liệu biogas-diesel. Tạp chí Giao thông Vận tải, pp 23-26, tháng 12-2008. . CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30) .20 09 1 KHẢ NĂNG GIẢM PHÁT THẢI CO 2 Ở VIỆT NAM NHỜ SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG BẰNG BIOGAS POSSIBILITY OF CO 2 EMISSION REDUCTION IN VIETNAM. 20 00 20 04 10 20 30 40 T ỉ kWh Thủy điện Nhiệt điện Hình 6. Sản xuất điện năng ở Việt Nam (Nguồn EIA International Energy) Năm 1988 19 92 1996 20 00 20 04 20 08 100 20 0 . Hiện nay mức phát thải CO 2 bình quân đầu người ở nước ta xấp xỉ 1/3 mức phát thải bình quân của thế giới [2] . Tuy nhiêu điều quan trọng là tốc độ gia tăng mức độ phát thải CO 2 Với tốc độ