Bài giảng năng lượng môi trường

Bài giảng Năng lượng & Môi trường TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN BÀI GIẢNG NĂNG LƯỢNG & MÔI TRƯỜNG HƯNG YÊN - 2012 Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường Bài giảng Năng lượng & Môi trường CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm Trong cách nói thông thường, lượng tái tạo hiểu nguồn lượng hay phương pháp khai thác lượng mà đo chuẩn mực người vô hạn Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc lượng tồn nhiều đến mức mà trở thành cạn kiệt sử dụng người (thí dụ lượng Mặt Trời) lượng tự tái tạo thời gian ngắn liên tục (thí dụ lượng sinh khối) quy trình diễn tiến thời gian dài Trái đất Tóm lại, “NLTT lượng thu từ nguồn liên tục xem vô hạn” Theo ý nghĩa vật lý, lượng không tái tạo mà trước tiên Mặt Trời mang lại biến đổi thành dạng lượng hay vật mang lượng khác Tùy theo trường hợp mà lượng sử dụng tức khắc hay tạm thời dự trữ Việc sử dụng khái niệm "tái tạo" theo cách nói thông thường dùng để đến chu kỳ tái tạo mà người ngắn nhiều (thí dụ khí sinh học so với lượng hóa thạch) Trong cảm giác thời gian người Mặt Trời nguồn cung cấp lượng thời gian gần vô tận Mặt Trời nguồn cung cấp lượng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến bầu sinh Trái Đất Những quy trình cung cấp lượng cho người mang lại gọi nguyên liệu tái tăng trưởng Luồng gió thổi, dòng nước chảy nhiệt lượng Mặt Trời người sử dụng khứ Ngược lại với việc sử dụng quy trình việc khai thác nguồn lượng than đá hay dầu mỏ, nguồn lượng mà ngày tiêu dùng nhanh tạo nhiều Theo ý nghĩa định nghĩa tồn "vô tận" phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), thực bình diện kỹ thuật, phản ứng phân rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với lò phản ứng tái sinh (breeder reactor), lượng hao tốn lúc khai thác uranium hay thorium giữ mức thấp, nguồn lượng tái tạo thường chúng không tính vào loại lượng 1.2 Tiềm năng, trữ lượng môi trường 1.2.1 Các dạng lượng hóa thạch Dầu mỏ Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường Bài giảng Năng lượng & Môi trường Dầu mỏ hay dầu thô chất lỏng sánh đặc màu nâu ngả lục Dầu thô tồn lớp đất đá số nơi vỏ Trái đất Dầu mỏ hỗn hợp hóa chất hữu thể lỏng đậm đặc, phần lớn hợp chất hydrocacbon thuộc gốc alkan, thành phần đa dạng Hiện dầu mỏ chủ yếu dùng để sản xuất dầu hỏa, diezen xăng nhiên liệu Ngoài ra, dầu thô nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sản phẩm ngành hóa dầu dung môi, phân bón hóa học, nhựa, thuốc trừ sâu, nhựa đường Khoảng 88% dầu thô dùng để sản xuất nhiên liệu, 12% lại dùng cho hóa dầu Do dầu thô nguồn lượng không tái tạo nên nhiều người lo ngại khả cạn kiệt dầu tương lai không xa Tùy theo nguồn tính toán, trữ lượng dầu mỏ giới nằm khoảng từ 1.148 tỉ thùng (barrel) (theo BP Statistical Review 2004 đến 1.260 tỉ thùng (theo Oeldorado 2004 ExxonMobil) Trữ lượng dầu mỏ tìm thấy có khả khai thác mang lại hiệu kinh tế với kỹ thuật tăng lên năm gần đạt mức cao vào năm 2003 Người ta dự đoán trữ lượng dầu mỏ đủ dùng cho 50 năm Năm 2003 trữ lượng dầu mỏ nhiều Ả Rập Saudi (262,7 tỉ thùng), Iran (130,7 tỉ thùng) Iraq (115,0 tỉ thùng) Các Tiểu Vương quốc Ả Rập Thống nhất, Kuwait Venezuela Nước khai thác dầu nhiều giới năm 2003 Ả Rập Saudi (496,8 triệu tấn), Nga (420 triệu tấn), Mỹ (349,4 triệu tấn), Mexico (187,8 triệu tấn) Iran (181,7 triệu tấn) Việt Nam xếp vào nước xuất dầu mỏ từ năm 1991 sản lượng xuất vài ba triệu Đến nay, sản lượng dầu khí khai thác xuất hàng năm đạt vào khoảng 20 triệu tấn/năm Việc sử dụng dầu mỏ có tác động xấu đến môi trường: dầu mỏ bị tràn biển gây ô nhiễm môi trường , ảnh hưởng đời sống sinh vật biển Dầu mỏ đem đốt gây ô nhiễm sinh nhiều khí SO2 , CO2 Xe cộ , máy móc chạy xăng góp phần làm Trái Đất nóng lên Than đá Than đá loại nhiên liệu hóa thạch hình thành hệ sinh thái đầm lầy nơi xác thực vật nước bùn lưu giữ không bị ôxi hóa phân hủy bở sinh vật (biodegradation) Thành phần than đá cacbon, có nguyên tố khác lưu huỳnh Than đá, sản phẩm trình biến chất, lớp đá có màu đen đen nâu đốt cháy Than đá nguồn nhiên liệu sản xuất điện lớn giới, nguồn thải khí carbon dioxide lớn nhất, xem nguyên nhân hàng đầu gây nên tượng nóng lên toàn cầu Than đá khai thác từ mỏ than lộ thiên lòng đất (hầm lò) Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường Bài giảng Năng lượng & Môi trường Than đá sử dụng nhiều sản xuất đời sống Trước đây, than dùng làm nhiên liệu cho máy nước , đầu máy xe lửa Sau , than làm nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện , ngành luyện kim Gần than dùng cho ngành hóa học tạo sản phẩm dược phẩm , chất dẻo , sợi nhân tạo Than chì dùng làm điện cực Than có tính chất hấp thụ chất độc người ta gọi than hấp thụ than hoạt tính có khả giữ bề mặt chất khí , chất , chất tan dung dịch Dùng nhiều việc máy lọc nước , làm trắng đường , mặt nạ phòng độc Trữ lượng than giới cao so với nguyên liệu lượng khác ( dầu mỏ , khí đốt ) Được khai thác nhiều Bắc bán cầu , 4/5 thuộc nước sau : Hoa Kì , Nga , Trung Quốc , Ấn Độ , Úc , Đức , Ba Lan , Canada , sản lượng than khai thác tỉ tấn/năm Tại Việt Nam , có nhiều mỏ than tập trung nhiều tỉnh phía Bắc tỉnh Quảng Ninh , năm khai thác khoảng 15 đến 20 triệu Than khai thác lộ thiên lại khai thác hầm lò Cũng dầu mỏ, việc sử dụng than đá tạo nhiều tác động có hại đến môi trường: việc khai thác than tạo khói bụi, nước thải xử lý chế biến than làm ảnh hưởng môi trường nước Việc sử dụng công nghệ khí hóa than sử dụng than làm nhiên liệu trường không khí tạo nhiều khí CO, CO2, SO2, ảnh hưởng đến môi 1.2.2 Các dạng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo có tiềm thay nguồn lượng hóa thạch lượng nguyên tử Trên lý thuyết, với hiệu suất chuyển đổi 10% diện tích 700 x 700 km sa mạc Sahara đáp ứng nhu cầu lượng toàn giới cách sử dụng lượng mặt trời Trong mô hình tính toán lý thuyết người ta cố gắng chứng minh với trình độ công nghệ ngày nay, bị thất thoát công suất nhu cầu lượng ngày tăng, đáp ứng toàn nhu cầu lượng điện châu Âu tuốc bin gió dọc theo bờ biển phía Tây châu Phi tuốc bin gió lắp đặt biển (off-shore) Sử dụng cách triệt để thiết bị cung cấp nhiệt từ lượng mặt trời đáp ứng nhu cầu nước nóng Với điều kiện địa lý khí hậu thuận lợi, Việt Nam nước có nguồn NLTT lớn đa dạng, phân luồng nhiều vùng sinh thái khác nhau, khai thác Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường Bài giảng Năng lượng & Môi trường để đáp ứng phần nhu cầu lượng, điện chỗ cho miền núi, hải đảo, nông thôn, thành thị nối lưới điện quốc gia Việt Nam phát triển mạnh nguồn NLTT, thủy điện nhỏ, gió, mặt trời sinh khối Trong đó, thủy điện nhỏ có sức cạnh tranh so với nguồn lượng khác, ước tính Việt Nam có khoảng 480 trạm thủy điện nhỏ với tổng công suất lắp đặt 300MW, phục vụ triệu người 20 tỉnh Các đề tài nghiên cứu tiến hành cho thấy Việt Nam phát triển mạnh nguồn lượng tái tạo, thuỷ điện nhỏ, gió, mặt trời sinh khối (biomass) Từ lâu, thuỷ điện nhỏ sử dụng Việt Nam nhằm giải nhu cầu lượng quy mô gia đình cộng đồng nhỏ, chủ yếu vùng trung du miền núi Thuỷ điện nhỏ có sức cạnh tranh so với nguồn lượng khác điện từ có giá thành cạnh tranh, trung bình khoảng cent (600 đồng)/KWh Ước tính Việt Nam có khoảng 480 trạm thuỷ điện nhỏ với tổng công suất lắp đặt 300MW, phục vụ triệu người 20 tỉnh Trong số 113 trạm thuỷ điện nhỏ, công suất từ 100KW-10MW, 44 trạm hoạt động Con số 300MW nhỏ bé so với tiềm thuỷ điện nhỏ Việt Nam 2.000MW, tương đương với công suất nhà máy thuỷ điện Hoà Bình Còn điện mặt trời, Việt Nam phát triển nguồn lượng từ năm 1960 song chưa ứng dụng rộng rãi Theo ý kiến nhiều chuyên gia, nên phát động phong trào sử dụng loại hình lượng thành phố nhằm tiết kiệm điện Bức xạ nắng mặt trời sau qua kính đun nóng nước tới 80oC nước nối qua bình nóng lạnh để tắm rửa đun nấu Với bể 500 lít nước nóng/ngày, hộ gia đình cần đầu tư triệu đồng để mua thiết bị năm thu hồi vốn Một loại NLTT gió Mặc dù Việt Nam nhiều tiềm gió nước châu Âu, song so với khu vực Đông Nam Á lại có tiềm lớn Tuy nhiên tốc độ gió Việt Nam không cao, phân bố mật độ lượng vào khoảng 800 -1.400 kWh/m2/năm hải đảo, 500-1.000 kWh/m2/năm vùng duyên hải Tây Nguyên, khu vực khác 500kWh/m2/năm Ngoài phong điện, tiềm sinh khối phát triển lượng bền vững Việt Nam lớn Nguồn sinh khối chủ yếu Việt Nam trấu, bã mía, sắn, ngô, có dầu, gỗ, phân động vật, rác sinh học đô thị phụ phẩm nông nghiệp Trong đó, tiềm sinh khối từ mía, bã mía 200-250MW, trấu có tiềm tối đa 100MW Hiện nước có khoảng 43 nhà máy mía đường, Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường Bài giảng Năng lượng & Môi trường 33 nhà máy sử dụng hệ thống đồng phát nhiệt điện bã mía với tổng công suất lắp đặt 130MW Mặc dù có nhiều nỗ lực việc thúc đẩy nguồn NLTT số dự án NLTT thực Việt Nam “khiêm tốn” Theo nhiều chuyên gia, mức độ giảm tỷ trọng tiếp diễn năm tới Việt Nam chưa có kế hoạch tổng thể vấn đề Kinh nghiệm giới cho thấy, phương cách đầy triển vọng giải nhiệm vụ chiến lược phát triển bền vững thiết lập chế hữu hiệu, khuyến khích sử dụng nguồn NLTT Cơ chế hình thành nước công nghiệp phát triển vào năm 1970 Chính phủ nước phải can thiệp vào ngành lượng mạnh phương diện đa dạng hóa nguồn cung cấp lượng nâng cao tính tự chủ lượng kiểm soát tiêu thụ Chính giai đoạn đó, NLTT bắt đầu sử dụng tích cực Các nhà sản xuất người tiêu thụ lượng “sạch” Nhà nước dành cho ưu đãi như: tài trợ cấp tín dụng với mức lãi suất thấp, bảo lãnh tiền vay ngân hàng, xác lập giá cố định mua điện sản xuất NLTT, cấp tài cho công tác nghiên cứu triển khai lĩnh vực lượng phi truyền thống… Hiện nhiều nước giới có biện pháp trợ giúp hữu hiệu Nhà nước ngành lượng phi truyền thống hợp đồng dài hạn (từ 15 tới 30 năm) mua điện theo giá cố định (thường cao giá thị trường) công ty nhỏ sản xuất điện nguồn NLTT Tại Mỹ, năm 1992 nước thông qua Luật sách lượng, quy định ưu đãi thuế cố định 10% vốn đầu tư cho thiết bị sử dụng lượng mặt trời địa nhiệt Bằng cách tạo sở để nhà máy điện sử dụng lượng truyền thống nguồn NLTT cạnh tranh với nhau, nhà đầu tư có đủ sở để thu lợi nhuận sử dụng NLTT Trong năm gần đây, chương trình “Gió cung cấp lượng cho Mỹ” đưa vào thực với nguồn trợ cấp hàng năm Bộ Năng lượng Mỹ 33 triệu USD Mỹ quốc gia dẫn đầu lĩnh vực sử dụng lượng mặt trời với mục đích thương mại Trong 20 năm qua, Mỹ chi 1,4 tỷ USD cho việc nghiên cứu triển khai công nghệ sử dụng lượng mặt trời để sản xuất điện Hiện 10.000 nhà Mỹ sử dụng hoàn toàn lượng mặt trời 1.3 Phân loại nguồn NLTT 1.3.1 Nguồn gốc từ xạ mặt trời Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường Bài giảng Năng lượng & Môi trường Năng lượng Mặt Trời thu Trái Đất lượng dòng xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất Chúng ta tiếp tục nhận dòng lượng phản ứng hạt nhân Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng tỷ năm nữa.Có thể trực tiếp thu lấy lượng thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển lượng photon Mặt Trời thành điện năng, pin Mặt Trời Năng lượng photon hấp thụ để làm nóng vật thể, tức chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, làm sôi nước máy nhiệt điện tháp Mặt Trời, vận động hệ thống nhiệt máy điều hòa Mặt Trời.Năng lượng photon hấp thụ chuyển hóa thành lượng liên kết hóa học phản ứng quang hóa.Một phản ứng quang hóa tự nhiên trình quang hợp Quá trình cho dự trữ lượng Mặt Trời vào nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà công nghiệp kỷ 19 đến 21 tận dụng Nó trình cung cấp lượng cho hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc củi đốt, nguồn lượng sinh học tái tạo truyền thống Trong tương lai, trình giúp tạo nguồn lượng tái tạo nhiên liệu sinh học, nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn Năng lượng Mặt Trời hấp thụ thủy Trái Đất khí Trái Đất để sinh tượng khí tượng học chứa dạng dự trữ lượng khai thác Trái Đất, mô hình lượng này, gần giống bình đun nước động nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt hấp thụ từ photon Mặt Trời, thành động dòng chảy nước, nước không khí, thay đổi tính chất hóa học vật lý dòng chảy Thế nước mưa dự trữ đập nước chạy máy phát điện công trình thủy điện Một dạng tận dụng lượng dòng chảy sông suối có trước thủy điện đời cối xay nước Dòng chảy biển làm chuyển động máy phát nhà máy điện dùng dòng chảy biển Dòng chảy không khí, hay gió, sinh điện làm quay tuốc bin gió Trước máy phát điện dùng lượng gió đời, cối xay gió ứng dụng để xay ngũ cốc Năng lượng gió gây chuyển động sóng mặt biển Chuyển động tận dụng nhà máy điện dùng sóng biển Đại dương Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn không khí thay đổi nhiệt độ chậm không khí hấp thụ nhiệt lượng Mặt Trời Đại dương nóng không khí vào ban đêm lạnh không khí vào ban ngày Sự chênh Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường Bài giảng Năng lượng & Môi trường lệch nhiệt độ khai thác để chạy động nhiệt nhà máy điện dùng nhiệt lượng biển Khi nhiệt hấp thụ từ photon Mặt Trời làm bốc nước biển, phần lượng dự trữ việc tách muối khỏi nước mặn biển Nhà máy điện dùng phản ứng nước - nước mặn thu lại phần lượng đưa nước dòng sông trở biển 1.3.2 Nguồn gốc từ nhiệt trái đất Nhiệt Trái Đất, gọi địa nhiệt, lượng nhiệt mà Trái Đất có thông qua phản ứng hạt nhân âm ỉ lòng Nhiệt làm nóng chảy lớp đất đá lòng Trái Đất, gây tuợng di dời thềm lục địa sinh núi lửa Các phản ứng hạt nhân lòng Trái Đất tắt dần nhiệt độ lòng Trái Đất nguội dần, nhanh nhiều so với tuổi thọ Mặt Trời Địa nhiệt dù nguồn lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa, lĩnh vực như: - Nhà máy điện địa nhiệt - Sưởi ấm địa nhiệt 1.3.3 Nguồn gốc từ hệ động trái đất - mặt trăng Trường hấp dẫn không bề mặt Trái Đất gây Mặt Trăng, cộng với trường lực quán tính ly tâm không tạo nên bề mặt hình elipsoit thủy Trái Đất (và mức độ yếu hơn, khí Trái Đất thạch Trái Đất) Hình elipsoit cố định so với đường nối Mặt Trăng Trái Đất, Trái Đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển điểm bề mặt Trái Đất dâng lên hạ xuống ngày, tạo tượng thủy triều Sự nâng hạ nước biển làm chuyển động máy phát điện nhà máy điện thủy triều Về lâu dài, tượng thủy triều giảm dần mức độ, tiêu thụ dần động tự quay Trái Đất, lúc Trái Đất hướng mặt phía Mặt Trăng Thời gian kéo dài tượng thủy triều nhỏ so với tuổi thọ Mặt Trời 1.3.4 Các nguồn NLTT nhỏ khác Ngoài nguồn lượng nêu dành cho mức độ công nghiệp, có nguồn lượng tái tạo nhỏ dùng số vật dụng: Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường Bài giảng Năng lượng & Môi trường - Một số đồng hồ đeo tay dự trữ lượng lắc lư tay người hoạt động thành lò xo, thông qua lúc lắc quay Năng lượng dùng để làm chuyển động kim đồng hồ - Một số động có rung động lớn gắn tinh thể áp điện chuyển hóa biến dạng học thành điện năng, làm giảm rung động cho động tạo nguồn điện phụ Tinh thể gắn vào đế giầy, tận dụng chuyển động tự nhiên người để phát điện cho thiết bị cá nhân nhỏ PDA, điện thoại di động - Hiệu ứng điện động giúp tạo dòng điện từ vòi nước hay nguồn nước chảy, nước qua kênh nhỏ xíu làm vật liệu thích hợp - Các ăngten thu dao động điện từ (thường phổ radio) môi trường sang lượng điện xoay chiều hay điện chiều Một số đèn nhấp nháy gắn vào điện thoại di động thu lượng sóng vi ba phát từ điện thoại để phát sáng, hoạt động theo chế 1.4 Vai trò lượng tái tạo 1.4.1 Về môi trường Vấn đề biến đổi khí hậu Việc sử dụng mức nguồn lượng truyền thống gây vấn đề nghiêm trọng môi trường, vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu Để ứng phó với biến đổi khí hậu, nhiều quốc gia nỗ lực tìm kiếm sử dụng hiệu nguồn lượng sạch, lượng tái tạo, giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính Báo cáo phát triển Thế giới Ngân hàng Thế giới công bố cho biết ba yếu tố khiến người dân khu vực Đông Á Thái Bình Dương bị ảnh hưởng biến đổi khí hậu là: Lượng dân cư lớn sống dọc theo bờ biển đảo thấp; số nước nghèo phụ thuộc vào nông nghiệp; kinh tế khu vực phụ thuộc nhiều vào nguồn thuỷ hải sản Việt Nam nước chịu ảnh hưởng nặng nề biến đổi khí hậu chủ động có kế hoạch hành động cộng đồng quốc tế chống biến đổi khí hậu Theo Thứ trưởng Bộ Tài nguyên Môi trường Trần Văn Đức, Việt Nam có nhiều nỗ lực việc ứng dụng công nghệ giảm carbon Chương trình mục tiêu quốc gia chống biến đổi hậu Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Kịch nước biển dâng công bố dựa sở nghiên cứu thực tiễn Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường Bài giảng Năng lượng & Môi trường Một số nước khác giảm thâm dụng lượng, đầu tư vào lượng tái tạo, tích cực bảo vệ rừng, xây dựng đô thị thông minh với khí hậu Một số nước khác giảm thâm dụng lượng, đầu tư vào lượng tái tạo, tích cực bảo vệ rừng, xây dựng đô thị thông minh với khí hậu Thái Lan theo đuổi đường lượng tái tạo để cải thiện an ninh lượng Quốc gia dự kiến tăng tỷ lệ tiêu thụ lượng tái tạo toàn quốc từ 1% lên 20% vào năm 2020.Hay Trung Quốc xây dựng nhà chọc trời thành phố Rizhao (tinhr Sơn Đông) có khả sử dụng lượng mặt trời 99% hộ dân thành phố sử dụng 500.000 m2 đun nước nóng lượng mặt trời, giảm nửa phát thải cacbon Trên thực tế, vấn đề đặt cần nâng cao nhận thức cộng đồng, thuyết phục cộng đồng đương đầu với thay đổi nắm bắt hội để đạt tăng trưởng bền vững Mới đây, Hội nghị khí hậu tạp chí The Economist, Viện nghiên cứu Trái đất Đại học Columbia doanh nghiệp viễn thông Ericsson đồng tổ chức, Tổng Thư ký Liên hợp quốc, tuyên bố: “Chúng ta sống giới phát triển nhanh, giới phụ thuộc, tương trợ lẫn nhau” Ông nhấn mạnh tăng trưởng xanh đường để giúp giải thách thức khí hậu “Điều giúp đạt tảng phục hồi bền vững rộng mở” 1.4.2 Về kinh tế xã hội Nhu cầu sử dụng lượng Thế giới ngày tăng việc lạm dụng nguồn lượng hóa thạch làm cho nguồn lượng ngày trở nên cạng kiệt, đồng thời kéo theo giá lượng leo thang Do việc sử dụng nguồn NLTT góp phần giải nhu cầu sử dụng lượng, giảm chi phí cho việc sử dụng lượng, góp phần vào phát triển kinh tế, cải thiện đời sống kinh tế tinh thần người dân vùng sâu, vùng xa, 1.4.3 Về an ninh quốc gia Hạn chế, tiến đến chấm dứt phụ vào lượng nước ngoài, bảo đảm an ninh lượng nước 1.4.4 Việc nghiên cứu ứng dụng lượng lượng tái tạo Đức dẫn đầu giới mức sử dụng nguồn lượng tái tạo trở thành quốc gia G20 từ bỏ nguồn nhiên liệu từ dầu Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường 10 Bài giảng Năng lượng & Môi trường độ cao 7000C Để phòng tránh cố xảy đun nấu khí methan cần ý số điểm sau: - Bệ ủ, hệ thống tạo khí methan hệ thống đường ống dẫn đến phận tiêu thụ phải tuyệt đối kín, cững vững Nghiêm cấm khả xuất tia lửa quanh khu vực sản xuất sử dụng biogas - Trước bật lửa mồi bếp phải mở rộng cửa thông gió 10 – 15 phút để loại trừ khả tích tụ khí methan đường ống, van bị dò rỉ - Hệ thống dẫn khí vào hộ tiêu thụ phải có đầy đủ van an toàn để kịp thời xử lý cần thiết - Khi châm lửa vào bếp biogas cần mở từ từ van dẫn khí, không đun nấu phải vặn chặt van cấp khí - Trong trình sử dụng thấy có tượng khả nghi phải kiểm tra khắc phục 4.2 Năng lượng địa nhiệt 4.2.1 Tổng quan Địa Nhiệt nguồn nhiệt có sẵn lòng đất Cụ thể hơn, nguồn lượng nhiệt tập trung khoảng vài km bề mặt Trái Đất, phần vỏ Trái Đất Cùng với tăng nhiệt độ sâu vào vỏ Trái Đất, nguồn nhiệt lượng liên tục từ lòng đất ước đoán tương đương với với khoảng lượng cỡ 42 triệu MW Lòng đất tiếp tục nóng tỷ năm nữa, đảm bảo nguồn nhiệt gần vô tận Chính Địa Nhiệt liệt vào dạng lượng tái tạo Nguồn nhiệt lượng chuyển lên mặt đất qua dạng nước nóng nước chảy qua đất đá nóng Nhiệt lượng thường sử dụng trực tiếp, ví dụ hệ thống điều hòa nhiệt độ (bơm địa nhiệt), chuyển thành điện (nhà máy nhiệt điện) Địa nhiệt dạng lượng bền vững So với dạng lượng tái tạo khác gió, thủy điện hay điện mặt trời, địa nhiệt không phụ thuộc vào yếu tố thời tiết khí hậu Do địa nhiệt có hệ số công suất cao, nguồn địa nhiệt sẵn sàng 24h/ngày, ngày tuần Cho đến nay, 30 quốc gia giới khai thác tổng cộng 12.000 MW địa nhiệt cho ứng dụng trực tiếp sản xuất 8.000 MW điện Tại vài quốc gia phát triển, địa nhiệt điện chiếm vai trò đáng kể việc đáp ứng nhu cầu điện Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 89 - Bài giảng Năng lượng & Môi trường Các nhà máy địa nhiệt có giới hạn công suất từ 100 kW 100 MW, phụ thuộc vào nguồn lượng vào nhu cầu điện Kỹ thuật thích hợp cho điện khí hóa nông thôn ứng dụng mạng lưới mini (mini-grid), bên cạnh ứng dụng việc hòa mạng quốc gia Tại quốc gia có nguồn tài nguyên eo hẹp có điều kiện khí hậu khắc nghiệt, địa nhiệt điện đóng vai trò hữu dụng Các ứng dụng trực tiếp địa nhiệt góp phần tăng đáng kể sản lượng nông nghiệp ngư nghiệp (nuôi trồng thủy hải sản) cung cấp nhiệt cho trình xử lý công nghiệp phụ trợ Nguồn địa nhiệt xem đặc biệt quan trọng quốc gia phát triển mà lại nguồn tài nguyên lượng than, dầu khí tự nhiên Tương tự hầu hết dạng lượng khác, nhà máy điện địa nhiệt có thuận lợi tác động môi trường định Các vấn đề môi trường liên quan đến địa nhiệt gồm có: khí thải, sử dụng nguồn nước, nguồn đất, quản lý chất thải, subsidence (sụp lún), địa chất cảm ứng, tác động quần thể động vật thực vật Giá thành địa nhiệt điện phụ thuộc mật thiết vào nguồn địa nhiệt qui mô nhà máy Giá điện dao động từ 2,5-10 xu Mỹ/kWh Giá nước (steam) xuống đến 3,5 USD/tấn Các yếu tố ảnh hưởng đến giá địa nhiệt điện độ sâu nhiệt độ bồn địa nhiệt, sản lượng khai thác giếng, vấn đề đáp ứng tiêu chuẩn môi trường, sở hạ tầng yếu tố kinh tế khác qui mô phát triển, qui hoạch tài … 4.2.2 Nguồn lượng địa nhiệt Nguồn địa nhiệt liên quan mật thiết đến cấu trúc nhiệt độ Trái Đất chu trình đối lưu nhiệt lòng Trái Đất Nhiệt độ Trái Đất tăng dần theo độ sâu đạt đến 4.200oC tâm (hình 4.12) Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 90 - Bài giảng Năng lượng & Môi trường Hình 4.12 Cấu trúc nhiệt độ sơ giản trái đất (a) dạng biểu nguồn lượng địa nhiệt Một phần tổng khối nhiệt lượng khổng lồ lòng Trái Đất bắt nguồn từ trình hình thành hành tinh khoảng 4,5 tỷ năm trước (Trái Đất hình thành từ khối cầu vật chất cực nóng, nguội dần từ qua trình quay quanh trục), phần lại kết trình phân rã nguyên tố phóng xạ tồn lõi Trái Đất Theo nguyên lý tuần hoàn nhiệt lượng từ nơi nhiệt độ cao xuống nhiệt độ thấp, dòng nhiệt Trái Đất di chuyển từ lõi vỏ Dưới tác động trình địa chất gọi kiến tạo mảng, vỏ Trái Đất phân thành 12 mảng lớn tái tạo (tái sinh) cách chậm chạp qua hàng triệu năm Các mảng di chuyển tương (phân tách hội tụ) với tốc độ vài cm/năm Khi hai mảng kiến tạo va chạm vào nhau, mảng hút chìm xuống mảng lại, tạo nên trũng đại dương gây động đất Đây nơi vỏ Trái Đất trở nên yếu bình thường, cho phép vật chất nóng từ lòng đất dịch chuyển lên mặt Ở độ sâu lớn đới hội tụ, bên mảng sụp chìm, nhiệt độ tăng lên đủ cao đến nung chảy đất đá tạo magma (nham thạch) Do có mật độ thấp khối đất đá xung quanh, magma di chuyển lên phía vỏ Trái Đất mang theo nhiệt lượng với Đôi magma di chuyển lên tới bề mặt Trái Đất thông qua điểm yếu vỏ Trái Đất phun trào lava miệng núi lửa Tuy nhiên, Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 91 - Bài giảng Năng lượng & Môi trường đa phần magma giữ lại vỏ Trái Đất nung nóng đất đá khối nước ngầm (subterranean water) Một phần khối nước nóng di chuyển lên mặt đất thông qua đới đứt gãy khe đá rạn (cracks), hình thành suối nước nóng (hay geysers, mạch nước nóng) Một khối nước nóng nước bị “bẫy” khối đất đá không thấm (impermeable) phía bên giữ lại khối đất đá thấm (permeable), bồn trũng địa nhiệt hình thành Các bồn trũng nguồn địa nhiệt dùng trực tiếp để sản xuất điện qua hệ thống turbine nước (steam turbine) Có dạng nguồn địa nhiệt khác nhau, có bồn trũng thủy địa nhiệt (hydrothermal reservoirs) lượng trái đất (earth energy) đưa vào khai thác thương mại dạng lại, nước muối địa áp (geopressureed brine), đá khô nóng (dry hot rock) magma, yêu cầu phát triển kỹ thuật cao/tân tiến - Bể thủy nhiệt bể chứa nước nóng bị bẫy đá porous (Hình 4.13) Để sản xuất điện, nước nóng bơm từ bể lên mặt đất để vận hành turbin phát điện Do nguồn nước tương đối hiếm, nên hầu hết nhà máy địa nhiệt sử dụng nguồn nước nóng Chi tiết kỹ thuật giới thiệu phần sau - Đá khô nóng: địa nhiệt khai thác từ số nguồn đá khô, không thấm độ sâu khoảng 5-10 m mặt đất, chí nông số khu vực Ý tưởng chủ đạo bơm nước lạnh xuống nguồn đá khô giếng khoan, cho khối nước chảy qua nguồn đá khô nung nóng, sau dẫn khối nước nung nóng giếng khoan khác trữ bể địa nhiệt Tuy nhiên chưa có ứng dụng thương mại cho kỹ thuật (xem Hình 4.14) Hình 4.13 Bể thủy nhiệt (hồ địa nhiệt) Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 92 - Bài giảng Năng lượng & Môi trường Hình 4.14 Địa nhiệt đá khô - Magma: tất kỹ thuật địa nhiệt khai thác “gián tiếp” nhiệt từ lòng đất magma chuyển lên Hiện chưa có kỹ thuật cho phép khai thác trực tiếp nhiệt lượng từ magma, magma nguồn nhiệt lượng dồi vỏ Trái Đất - Nước muối địa áp dạng nước nóng, áp suất cao chứa methane hòa tan Cả nhiệt methane sử dụng để sản xuất điện thông qua turbine 4.2.3 Ứng dụng địa nhiệt Địa nhiệt có ứng dụng sau: - Sản xuất điện năng: người ta khoan giếng xuống bể địa nhiệt để hút nước nước nóng cho việc vận hành turbine mặt đất, cách trực tiếp gián tiếp - Sử dụng trực tiếp: nguồn nước nóng gần bề mặt Trái Đất sử dụng trực tiếp nhiệt lượng Một số ứng dụng trực tiếp địa nhiệt là: hệ thống suởi, nhà kính, sấy thóc, làm ấm nước trại nuôi cá, số ứng dụng công nghiệp tiệt trùng sữa Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 93 - Bài giảng Năng lượng & Môi trường - Bơm địa nhiệt: hay biết bơm nhiệt từ lòng đất (ground-source heat pump), kỹ thuật lượng có hiệu suất cao ngày sử dụng rộng rãi hộ gia đình công sở Kỹ thuật ứng dụng việc điều hòa nhiệt độ cung cấp nước nóng Thuận lợi lớn khả tập trung nhiệt từ tự nhiên (lòng đất) tạo nhiệt từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm môi trường Hình 4.15 Sơ đồ nhà máy điện địa nhiệt 4.2.3.1 Sản xuất điện từ địa nhiệt Có kỹ thuật sử dụng việc sản xuất điện từ địa nhiệt: dry steam, flash steam hệ thống binary cycle Việc lựa chọn giải pháp kỹ thuật phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất bể địa nhiệt (pha lưu chất thủy nhiệt: dạng dạng lỏng) a) Dry steam (nhà máy điện địa nhiệt chạy khô) Dry steam sử dụng nước nhiệt độ cao (>2350C) nước nóng từ bể địa nhiệt Hơi nước dẫn vào thẳng turbine qua ống dẫn để quay máy phát điện Đây dạng kỹ thuật cổ điển sử dụng nhà máy địa nhiệt giới Lardarello, Ý (1904) Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 94 - Bài giảng Năng lượng & Môi trường Hình 4.16 Nhà máy điện địa nhiệt chạy khô b) Flash steam (nhà máy điện địa nhiệt chạy nước siêu lỏng) Flash steam dạng kỹ thuật phổ biến Nhà máy dạng flash steam sử dụng nước nóng áp suất cao (>1820C) từ bể địa nhiệt Nước nóng nhiệt độ cao tự lên bề mặt thông qua giếng áp suất chúng Trong trình nước nóng bơm vào máy phát điện, áp suất nước giảm nhanh lên gần mặt đất Chính giảm áp khiến nước nóng bốc hoàn toàn nước sinh làm quay turbine phát điện Lượng nước nóng không bốc thành bơm xuống trở lại bể địa nhiệt thông qua giếng bơm xuyên (injection wells) c) Binary-cycle (nhà máy điện địa nhiệt chu trình) Các nhà máy địa nhiệt binary-cycle sử dụng nước nóng có nhiệt độ trung bình dao động từ 107-1820C từ bể địa nhiệt Tại hệ thống binary, chất lỏng địa nhiệt dẫn qua bên hệ thống trao đổi nhiệt để nung nóng chất lỏng thứ cấp ống dẫn bên cạnh Chất lỏng thứ cấp thường hợp chất hữu có nhiệt độ sôi thấp nhiệt độ sôi nước, ví dụ Isobutane Iso-pentane Chất lỏng thứ cấp sau đun sôi hệ thống trao đổi nhiệt bốc dẫn vào turbine Lợi chủ yếu hệ thống binary chất lỏng thứ cấp có nhiệt độ sôi thấp nhiệt độ sôi nước, bể địa nhiệt nhiệt độ thấp sử dụng Mặt khác, hệ thống binary cycle chu trình tương đối kính nên khí thải sinh Vì lý kể mà chuyên gia địa nhiệt dự đoán hệ thống binary giải pháp kỹ thuật chủ đạo cho việc sản xuất điện địa nhiệt tương lai Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 95 - Bài giảng Năng lượng & Môi trường Hình 4.17 Nhà máy điện địa nhiệt chạy nước siêu lỏng Hình 4.18 Nhà máy điện địa nhiệt chạy chu trình Trong trình vận hành nhà máy địa nhiệt điện nào, hệ thống làm nguội đóng vai trò quan trọng Các tháp làm nguội (cooling towers) giúp turbin không bị nóng từ kéo dài thời gian sử dụng Có hai dạng hệ thống làm nguội yếu: dùng nước dùng không khí 4.2.3.2 Hệ thống địa nhiệt tầng nông Hầu hết nơi bề mặt Trái Đất, nhiệt độ lòng đất 30 cm giữ nhiệt độ tương đối ổn định vào khoảng 100-160 C Hệ thống bơm địa nhiệt tận dụng nguồn nhiệt để điều hòa nhiệt độ tòa nhà Hệ thống bơm gồm có bơm nhiệt, hệ thống dẫn khí, hệ thống trao đổi nhiệt (hệ thống ống đặt chìm lòng đất gần tòa nhà) Vào mùa đông, bơm nhiệt "lấy" nhiệt từ hệ trao đổi nhiệt bơm vào hệ thống dẫn nhiệt nhà Vào mùa hè, trình đảo ngược, bơm nhiệt "rút" nhiệt từ nhà bơm vào hệ thống trao đổi nhiệt Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 96 - Bài giảng Năng lượng & Môi trường Mặt khác, nhiệt rút từ không khí nhà sử dụng để đun nước ấm sử dụng mùa hè Hình 4.19 Hệ thống trao đổi nhiệt long đất Một hệ thống bơm địa nhiệt bao gồm phần sau: + Hệ nối đất (earth connection): sử dụng Trái Đất nguồn nhiệt, bao gồm hệ ống dẫn, thường gọi loop, chôn mặt đất khu vực gần công trình xây dựng Hệ thống chôn dọc chôn ngang Hệ thống luân chuyển lưu chất (nước, hỗn hợp nước chất chống đông – antifreeze) hấp thụ nhiệt, “nhả” nhiệt, từ khối đất đá ép xung quanh, tùy thuộc vào nhiệt độ không khí cao thấp nhiệt độ đất + Bơm nhiệt (heat pump): máy bơm nhiệt hút nhiệt từ lưu chất luân chuyển loop, tập trung nhiệt lại chuyển vào tòa nhà Để làm mát, trình đảo ngược + Các ống dẫn nhiệt (ductwork) thông thường sử dụng để phân bố không khí ấm mát từ bơm địa nhiệt khắp tòa nhà Trong thập kỷ vừa qua, số quốc gia tiến hành khuyến khích việc khai triển bơm địa nhiệt cho việc điều hòa nhiệt độ vào mùa đông mùa hè với nhiều chương trình trợ giá hấp dẫn khác Hoa Kỳ vận dẫn đầu ứng dụng bơm địa nhiệt (đạt 3.300 GWh/năm theo số liệu năm 1999), với tăng trưởng năm 10% Các quốc gia dẫn đầu khác Thụy Sĩ, Thụy Điển, Đức, Áo Canada Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 97 - Bài giảng Năng lượng & Môi trường Hình 4.20 Hệ thống địa nhiệt tầng nông 4.3 Năng lượng đại dương 4.3.1 Năng lượng thủy triều Thủy triều sinh sức hút mặt trăng, mặt trời lên đất, ảnh hưởng mặt trăng tới thủy triều lớn hơn.Có hai lần triều cao thấp ngày (do tự quay trái đất quanh trục nó) Nước triều cường triều kiệt xảy theo chu kỳ 14 ngày - Thủy triều cực đại (triều cường-khi ảnh hưởng lực hấp dẫn lớn nhất-lúc mặt trăng, mặt trời trái đất giống thẳng hàng) xảy sau trăng tròn trăng non, có chênh lệch lớn độ cao nước dâng nước hạ Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 98 - Bài giảng Năng lượng & Môi trường Hình 4.21 Triều cường - Thủy triều kiệt (khi ảnh hưởng sức hút thấp nhất-khi đường thẳng nối trái đất mặt trăng tạo thành góc 90 độ với đường thẳng nối trái đất mặt trời) Hình 4.22 Triều kiệt Việc chế ngự nguồn lượng ý hàng kỷ Vào kỷ 18, nhà máy lượng nước vận hành nhờ chuyển động lên xuống thủy triều xây dựng New England Bơm nước cống rãnh dùng lượng thủy triều Hamburg, Đức đến năm 1880 Còn bơm nước sử dụng lượng thủy triều lắp Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 99 - Bài giảng Năng lượng & Môi trường đặt năm 1580 cầu London hoạt động suốt 2,5 kỷ Những hệ thống dần thay động tiện lợi hiệu Bình thường, chênh lệch mực nước triều dâng triều hạ khoảng 0,5m Tuy nhiên, số vùng bờ biển với vịnh hẹp có chênh lệch lớn hai mực nước triều Vd như, vịnh Fundy Nova Scota (Đông Nam Canada), có mức triều lớn giới, độ chênh lệch lên đến 16m Bằng cách xây đập bắc ngang qua vịnh, ta điều khiển nguồn lượng để tạo điện Một lòng chảo thủy triều (tidal basin) hồ chứa đầy cạn thủy triều lên xuống Khi nước qua cửa mở đập, chảy trực tiếp vào cánh tuabin nước phát điện Tại đỉnh điểm thủy triều, cửa đóng nước giữ lại basin Thủy triều hạ dần, cửa mở nước lại chảy qua tuabin trở đại dương, quay tuabin phát điện Hình 4.23 Sơ đồ chế vận hành nhà máy điện thủy triều Hiện nay, trạm điện thủy triều hoạt động Pháp, Nga, Trung Quốc Canada Tuy nhiên, lượng thủy triều nguồn lượng quan trọng toàn giới, có số vị trí có mực nước triều dâng cao đủ để việc phát điện mang tính khả thi Nhà máy điện thủy triều xây dựng Pháp nơi sông Rance đổ Đại Tây Dương vùng biển Brittany Hoàn thành năm 1968, có công suất 240 MW "Lòng chảo" (basin) rộng 8,5 dặm vuông có mực triều dâng cao 27,6 feet (8,28m) Trạm thủy triều Bắc Mỹ đặt sông Annapolis, nơi đổ vào vịnh Fundy Hoàn thành năm 1984, có công suất 20 MW Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 100 - Bài giảng Năng lượng & Môi trường Vấn đề đặt bao gồm chi phí đầu tư xây dựng nhà máy điện cao tác động đến môi trường Năng lượng thủy triều lớn tập trung vùng cửa sông, bờ biển, nơi dòng sông gặp thủy triều đại dương Đây lại nơi có hòa trộn nước mặn, tạo nên môi trường thủy sinh có suất cao Cá vô số động vật thân mềm đến sinh sản Vì thế, việc xây dựng đập ảnh hưởng lớn đến sinh thái khu vực 4.3.2 Năng lượng nhiệt đại dương (Ocean Thermal Energy Conversion – OTEC) Khoảng 2/3 bề mặt trái đất bao phủ lớp nước đại dưong sâu hàng kilomet Điều tạo nên trữ lượng khổng lồ nguồn nhiệt Do hấp thụ lượng Mặt Trời mà bề mặt đại dương ấm đáy sâu Ở vịnh Mêxicô Thái Bình Dương gần Hawaii, nhiệt độ giảm từ 25 độ C bề mặt xuống độ C độ sâu 1000 feet (gần 300 m) Trong tương lai, người ta tạo điện nhờ lợi dụng gradient nhiệt độ Một động lấy nhiệt từ lớp đại dương, chuyển thành công có ích bơm xuống lớp sâu đáy Động hoạt động giống tuabin nước Tuy nhiên lấy 20 độ C trả lại 10 độ C nên nước dùng không bốc nhiệt độ Hình 4.24 Sơ đồ công nghệ chuyển hóa lượng nhiệt đại dương Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 101 - Bài giảng Năng lượng & Môi trường Yêu cầu chất lỏng bay 20 độ C tạo áp suất bay đáng kể đặt Ammonia lỏng có khả này, nhiên hiệu suất nhiệt cực đại thiết bị khoảng vài phần trăm chênh lệch nhiệt độ nhỏ Thiết bị OTEC dài khoảng 1000 feet neo đại dương Nước ấm (bề mặt) chảy vào phần hệ thống, sau qua phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt cho nồi hơi, làm bay Ammonia Hơi sau ngưng tụ lại thành chất lỏng trở lại nồi Các ưu điểm hấp dẫn OTEC là: (1) Không sinh ô nhiễm, không sinh CO2 (2) Sử dụng nguồn lượng gần vô tận mặt trời chuyển thành nhiệt bề mặt đại dương Dự án thí điểm gần Hawaii Ngoài việc phát lượng điện, nước sau sử dụng dùng điều hòa không khí, đưa vào khu nuôi trồng thủy sản gần đó, cung cấp nguồn nước biển sạch, giàu dinh dưỡng cho tảo, cá, động vật giáp xác Mặc dù OTEC khả thi mặt kỹ thuật ảnh hưởng tiềm tàng việc đưa lượng lớn nước lạnh lên bề mặt vùng nhiệt đới cần xem xét kỹ trước tiến hành đại trà Các tính chất nước như: nồng độ khí hòa tan, độ đục, nồng độ chất dinh dưỡng, chênh lệch độ mặn thay đổi theo nhiệt độ, thay đổi ảnh hưởng đến sinh vật biển 4.3.3 Năng lượng sóng biển (Ocean Waves) Sóng đại dương sinh gió, gió gây mặt trời (chuyển động khối khí chênh lệch nhiệt độ v.v ) Vì vậy, lượng sóng xem dạng gián tiếp lượng Mặt Trời Giống dạng dòng nước chảy khác, lượng sóng có khả làm quay tuabin phát điện NaUy, Anh, Nhật số nước nghiên cứu sản xuất điện từ sóng đại dương Trạm phát điện từ sóng dùng kỹ thuật đơn giản Thiết bị bêtông rỗng đặt chìm vào máng rãnh khơi để "bắt" sóng Mỗi sóng vào khoang (khoảng 10 giây/lần), nước dâng lên khoang đẩy không khí vào lỗ thoát có đạt tuabin, làm quay tuabin chạy máy phát điện Khi sóng hạ, kéo không khí trở lại khoang chuyển động không khí lại tiếp tục làm quay tuabin Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 102 - Bài giảng Năng lượng & Môi trường Hình 4.25 Sơ đồ hệ thống lượng sóng biển Điều cần lưu ý cố khơi làm hư hỏng thiết bị Năm 1995, trạm phát điện sóng giới biển Bắc Scotland bị nhấn chìm bão sau hoạt động chưa đầy tháng Mặc dù nguồn lượng từ sóng đại dương lớn nay, hiệu suất lượng thu thấp nên việc ứng dụng lượng sóng chưa mang tính kinh tế thực tiễn Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường - 103 -