Sử dụng biogas được làm giàu bởi hydrogen trên động cơ DA465QE

KOH Kali hydroxide NaOH Natri hydroxide ppm Parts Per Million phần triệu COP Conference Of the Parties Hội nghị về biến đổi khí hậu rpm Revoletion Per Minute Tốc độ vòng trên phút FCE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐỖ XUÂN HUY

SỬ DỤNG BIOGAS ĐƯỢC LÀM GIÀU BỞI HYDROGEN

TRÊN ĐỘNG CƠ DA465QE

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng - Năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐỖ XUÂN HUY

SỬ DỤNG BIOGAS ĐƯỢC LÀM GIÀU BỞI HYDROGEN

TRÊN ĐỘNG CƠ DA465QE

Chuyên ngành : Cơ khí động lực Mã số : 85.20.11.6

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1 : GS.TSKH BÙI VĂN GA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 2 : PGS.TS BÙI THỊ MINH TÚ

Đà Nẵng - Năm 2019

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả đo đạc nêu trong phần thực nghiệm của luận văn này

là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Đỗ Xuân Huy

SỬ DỤNG BIOGAS ĐƯỢC LÀM GIÀU BỞI HYDROGEN TRÊN ĐỘNG

CƠ DA465QE

Học viên: Đỗ Xuân Huy, Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 85.20.11.6, Khóa: K35, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt-Luận văn tập trung nghiên cứu tính năng của động cơ ô tô tải nhẹ Trường Hải Towner khi chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen Đề tài này nhằm góp phần phát triển công nghệ ứng dụng nhiên liệu tái tạo trên phương tiện giao thông cơ giới nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính

Luận văn sử dụng kết hợp giữa mô phỏng quá trình cung cấp biogas bằng phần mềm Ansys Fluent và thực nghiệm để đánh giá tính năng kỹ thuật của

động cơ DA465QE lắp trên ô tô tải nhẹ Trường Hải Towner 750 khi chạy bằng

Biogas được làm giàu bởi Hydrogen

USING BIOGAS IS RICH BY HYDROGEN ON THE DA465QE ENGINE

Abstract-The thesis focuses on the features of automotive engines lightly

Truong Hai Tower when powered by biogas enriched by hydrogen The subject aims to contribute to the development of renewable fuel application technology

on motor vehicles to save fossil fuels and reduce greenhouse gases emissions

Thesis uses a combination of simulation process providing biogas by software Ansys Fluent and experimental to evaluate the technical features of DA465QE engines mounted on the automotive light Truong Hai Tower 750 when run by Biogas is enriched by Hydrogen

LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

Mở đầu 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 VẤN ĐỀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ NGUỒN N1HIÊN LIỆU HÓA THẠCH 3

1.2 NHIÊN LIỆU THAY THẾ VÀ NHIÊN LIỆU TÁI TẠO 9

1.3 NHỮNG TIỆN ÍCH CỦA Ô TÔ TẢI NHẸ TRƯỜNG HẢI TOWER 750 12

1.4 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ Ô TÔ TẢI NHẸ TRƯỜNG HẢI TOWER 750 13

1.4.1.Các thông số kỹ thuật 13

1.4.2.Đặc điểm kết cấu động cơ DA465QE 15

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 18

CHƯƠNG 2 NHIÊN LIỆU HYDROGEN 19

2.1 HYDROGEN-NHIÊN LIỆU BỀN VỮNG TƯƠNG LAI 19

2.2 TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA HYDROGEN 21

2.2.1 Nguồn gốc và thành phần nhiên liệu HHO 21

2.2.2 Khí hydro (H 2 ) 22

2.2.3 Khí oxy (O 2 ) 22

2.3 SẢN XUẤT VÀ LƯU TRỮ HYDROGEN 23

2.3.1 Sản xuất hydrogen 23

2.3.2 Lưu trữ hydrogen 23

2.4 PIN NHIÊN LIỆU 26

2.5 SỬ DỤNG HYDROEN TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI 28

2.5.1 Ô tô sử dụng động cơ đốt trong chạy bằng hydrogen 28

2.5.2 Ô tô sử dụng pin nhiên liệu chạy bằng hydrogen 29

2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 30

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CUNG CẤP BIOGAS ĐƯỢC LÀM GIÀU BỞI HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ DA465QE 31

3.1 THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 31

3.2 ĐỘ CHÂN KHÔNG TRÊN ĐƯỜNG NẠP 33

3.2.1 Độ chân không trên đường nạp khi không cung cấp nhiên liệu 33

3.2.2 Độ chân không tại họng khi cung cấp nhiên liệu gián đoạn 34

3.3 PHÂN BỐ HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG KHI CẤP BIOGAS VÀ HYDROGEN RIÊNG LẺ 35

CHO ĐỘNG CƠ 45

3.5 PHÂN BỐ HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG KHI CUNG CẤP BIOGAS -HYDROGEN HÒA TRỘN TRƯỚC 50

3.5.1 Cung cấp CH 4 và H 2 thuần nhất 50

3.5.2 Cung cấp hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen hòa trộn trước 54

3.5.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng hydrogen pha vào biogas đến hệ số tương đương 57 3.5.2.2 Ảnh hưởng của thành phần biogas đến hệ số tương đương 60

3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 62

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 63

4.1 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÌNH SINH KHÍ HYDROGEN 63

4.1.1 Phương án thiết kế bình sinh khí hydrogen 63

4.1.2 Lựa chọn phương án bình sinh khí hydrogen 65

4.2 HỆ THỐNG NÉN BIOGAS VÀO BÌNH CHỨA 70

4.3 CẢI TẠO ĐỘNG CƠ TOWNER DA465QE SANG CHẠY BẰNG BIOGAS -HYDROGEN 70

4.4 LẮP ĐẶT BỘ PHỤ KIỆN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU KHÍ LÊN ĐỘNG CƠ THỬ NGHIỆM 72

4.5 LẮP ĐẶT ĐỘNG CƠ TOWNER DA465QE LÊN BĂNG THỬ 73

4.5.1 Tổng quan băng thử AVL 73

4.5.2 Lắp động cơ DA465QE lên băng thử AVL 74

4.6 THỬ NGHIỆM ĐỘNG CƠ TOWNER DA465QE 76

4.7 SO SÁNH KẾT QUẢ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM KHI ĐỘNG CƠ CHẠY BẰNG XĂNG 77

4.7.1 Giới hạn thực nghiệm 77

4.7.2 Thử nghiệm động cơ chạy bằng biogas-LPG trên băng thử công suất 77

4.8.ẢNH HƯỞNG THÀNH PHẦN BIOGAS ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 79

4.9 SO SÁNH CÔNG SUẤT LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM KHI ĐỘNG CƠ CHẠY BẰNG HỖN HỢP BIOGAS-HYDROGEN 80

4.10 KẾT LUẬN CHƯƠNG 81

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật ô tô tải nhẹ Trường Hải Tower 750 13 Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của động cơ DA465QE 15 Bảng 3.1 Tính toán thành phần theo thể tích và khối lượng của hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen với 5% thể tích hydrogen trong biogas 55 Bảng 3.2 Tính toán thành phần theo thể tích và khối lượng của hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen với 10% thể tích hydrogen trong biogas 55 Bảng 3.3 Tính toán thành phần theo thể tích và khối lượng của hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen với 15% thể tích hydrogen trong biogas 56 Bảng 3.4 Tính toán thành phần theo thể tích và khối lượng của hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen với 20% thể tích hydrogen trong biogas 56 Bảng 3.5 So sánh hệ số tương đương khi thay đổi % thể tích hydrogen trong biogas 57 Bảng 4.1.Tính toán công suất lý thuyết động cơ khi chạy bằng xăng 77 Bảng 4.2 Tính toán công suất động cơ khi chạy bằng biogas 79

Hình 1.1 Biến thiên nhiệt độ khí quyển gần mặt đất qua các thời kỳ băng hà 3

Hình 1.2 Biến thiên nhiệt độ của khí quyển so với nhiệt độ trung bình 1961-1990 4

Hình 1.3 Biến thiên nhiệt độ trung bình của khí quyển gần mặt đấtvà nồng độ CO 2 tương ứng 5

Hình 1.4 Dự báo dâng cao mực nước biển trong thế kỷ 21 theo các mô hình toán họa khác nhau 6

Hình 1.5 Nguy cơ chìm ngập ở khu vực Đông Nam Á do sự dâng cao mực nước biển 6 Hình 1.6 Sự dịch chuyển tự nhiên của dòng đại dương 8

Hình 1.7 Kịch bản cắt giảm phát thải CO 2 theo COP21 8

Hình 1.8 Cơ cấu năng lượng tương lai cho phương tiện giao thông cơ giới 9

Hình 1.9 Sản lượng biogas trên thế giới 10

Hình 1.10 Biến thiên giá thành điện mặt trời 11

Hình 1.11 Hình dáng bên ngoài xe Towner 13

Hình 1.12 Đường đặc tính động cơ DA465QE 16

Hình 1.13 Hình dáng bên ngoài của động cơ DA465QE 16

Hình 1.14 Mặt cắt dọc động cơ DA465QE 17

Hình 1.15 Mặt cắt ngang động cơ DA465QE 17

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý điện phân nước 26

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý tạo ra nhiệt và điện 27

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu 27

Hình 3.1 Thiết kế xi lanh, buồng cháy và đường nạp của động cơ sau khi cải tạo và chia lưới không gian tính toán 32

Hình 3.2 Kết quả một trường hợp tính toán 32

Hình 3.3 Các mặt cắt khảo sát trên đường nạp 33

Hình 3.4 Biến thiên độ chân không trên đường nạp khi động cơ quay ở tốc độ 2500 vòng/phút, bướm ga mở hoàn toàn, không cung cấp nhiên liệu 33

Hình 3.5 Biến thiên độ chân không trên đường nạp khi độ mở bướm ga 30 độ, trục khuỷu động cơ quay ở tốc độ 3000 vòng/phút, không cung cấp nhiên liệu 34

Hình 3.6 Biến thiên áp suất tại 5 mặt cắt ngang trên đường nap khi tốc độ động cơ 4000 vòng/phút, bướm ga mở 30 độ 34

Hình 3.7 Biến thiên độ chân không tại mặt cắt số 3 trên đường nạp theo góc quay trục khuỷu khi tốc độ động cơ thay đổi 35

Hình 3.8 Phân bố trường tốc độ, trường áp suất, trường nồng độ nhiên liệu và hệ số tương đương tại góc quay trục khuỷu 90 độ, tốc độ động cơ 4000 vòng/phút, bướm ga mở 30 độ 37

Hình 3.10 Đường đồng mức tốc độ, nồng độ CH 4 , nồng độ H 2 và f tại ví trí góc quay

trục khuỷu 270 độ 39

Hình 3.11 Đường đồng mức nồng độ CH 4 , H 2 và hệ số tương đương f ở cuối quá trình nén 40

Hình 3.12 Biến thiên lưu lượng ra khỏi các vòi phun biogas 41

Hình 3.13 So sánh biến thiên hệ số tương đương ứng với biogas M8C2 và M6C4 khi tốc độ động cơ 4000 vòng/phút 41

Hình 3.14 So sánh biến thiên hệ số tương đương khi động cơ chạy ở tốc độ 1500 vòng/phút được cung cấp nhiên liệu M6C4 trong hai trường hợp: bướm ga mở hoàn toàn và bướm ga mở 30 độ 42

Hình 3.15 So sánh biến thiên hệ số tương đương khi động cơ chạy ở tốc độ 1500 vòng/phút, 2500 vòng/phút, 4000 vòng/phút được cung cấp nhiên liệu M8C2 42

Hình 3.16 So sánh biến thiên hệ số tương đương khi động cơ chạy ở tốc độ 4000 vòng/phút, bướm ga mở hoàn toàn được cung cấp nhiên liệu M8C2 43

Hình 3.17 So sánh biến thiên hệ số tương đương khi động cơ chạy ở tốc độ 4000 vòng/phút, bướm ga mở 30 độ được cung cấp nhiên liệu M8C2 43

Hình 3.18 Biến thiên trường tốc độ, trường nồng độ CH 4 , H 2 và hệ số tương đương ở vị trí góc quay trục khuỷu 180 độ 45

Hình 3.19 Nguyên lý cấp ga bằng van chân không 45

Hình 3.20 Van cấp ga gián đoạn 46

Hình 3.21 Van cấp ga liên tục 47

Hình 3.22 Biến thiên áp suất trung bình tại các mặt cắt ngang khảo sát khi cung cấp biogas liên tục 47

Hình 3.23 Biến thiên áp suất trung bình tại các mặt cắt ngang khảo sát khi cấp biogas gián đoạn 48

Hình 3.24.Biến thiên áp suất trung bình tại các mặt cắt ngang khảo sát khi cung cấp biogas-HHO liên tục 48

Hình 3.25 Biến thiên áp suất trung bình tại các mặt cắt ngang khảo sát khi cấp ga gián đoạn 49

Hình 3.26 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến hệ số tương đương f trong trường hợp bướm ga mở hoàn toàn khi động cơ được cung cấp biogas và hydrogen riêng rẽ 49

Hình 3.27 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến hệ số tương đương f trong trường hợp bướm ga mở 30 độ khi động cơ được cung cấp biogas và hydrogen riêng rẽ 50

Hình 3.28 Biến thiên áp suất trên đường nạp khi cung cấp nhiên liệu thuần nhất CH 4 , H 2 ở tốc độ động cơ 1500 vòng/phút, bướm ga mở hoàn toàn 51

khi cung cấp H 2 thuần chất ở tốc độ động cơ 4000 vòng/phút, bướm ga ở vị trí 30 độ 51 Hình 3.30 Biến thiên hệ số tương đương theo góc quay trục khuỷu trong cùng điều

kiện nạp CH 4 và H 2 khi động cơ chạy ở tốc độ 1500 vòng/phút 52

Hình 3.31 Biến thiên tốc độ, độ chân không trên đường nạp, nồng độ nhiên liệu và phân bố hệ số tương đương ở vị trí góc quay trục khuỷu của động cơ 90 độ, tốc độ động cơ 1500 vòng/phút khi cung cấp CH 4 thuần nhất và cung cấp H 2 thuần nhất 53

Hình 3.32 Phân bố nồng độ nhiên liệu trong xi lanh trong trường hợp phun CH 4 thuần nhất và H 2 thuần nhất 54

Hình 3.33 Biến thiên hệ số tương đương khi thay đổi thành phần hydrogen chứa trong nhiên liệu biogas M8C2, động cơ chạy ở tốc độ 4000 vòng/phút, bướm ga mở 30 độ 57 Hình 3.34 Biến thiên áp suất trên đường nạp khi pha dưới 20% hydrogen vào biogas chứa 80% CH4 58

Hình 3.35 Đường đồng mức CH 4 , H 2 , f khi pha 5% và khi pha 20% hydrogen vào nhiên liệu biogas chứa 80% CH 4 59

Hình 3.36 Biến thiên áp suất trên đường nạp khi thay đổi thành phần biogas cung cấp cho động cơ 60

Hình 3.37 Hệ số tương đương khi sử dụng biogas M6C4 và khi sử dụng biogas M9C1 61

Hình 3.38 Hệ số tương đương khi tăng hàm lượng H 2 khi pha vào biogas M8C2 từ 0% lên 75% 61

Hình 4.1 Cấu tạo bình sinh khí hydrogen 65

Hình 4.2 Phương án bình sinh khí HHO bằng cách điện phân dung dịch NaOH 69

Hình 4.3 Hệ thống nén biogas vào bình chứa 70

Hình 4.4 Van tổ hợp cung cấp hỗn hợp nhiên liệu biogas-hydrogen cho động cơ gồm van cấp ga liên tục và van cấp ga gián đoạn 71

Hình 4.5 Kết cấu van ngắt ga kiểu cơ khí lắp vào van tổ hợp 71

Hình 4.6 Bộ phụ kiện cung cấp nhiên liệu khí lên động cơ thử nghiệm 73

Hình 4.7 Tổng quan băng thử AVL 73

Hình 4.8 Động cơ DA465QE trên băng thử AVL 74

Hình 4.9 Biogas nén và hydrogen nén được xả vào túi chứa khí 76

Hình 4.10 Điều chỉnh áp suất nhiên liệu khí cung cấp cho động cơ 76

Hình 4.11 giới thiệu so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm đường đặc tính ngoài động cơ khi chạy bằng xăng Chúng ta thấy kết quả thực nghiệm nhỏ hơn kết quả lý thuyết khoảng 5% 78

Hình 4.11 So sánh đường đặc tính ngoài động cơ khi chạy bằng xăng cho bởi lý thuyết và thực nghiệm 78

Hình 4.12 Ảnh hưởng của thành phần biogas đến công suất động cơ 80 Hình 4.13 So sánh công suất cho bởi lý thuyết và thực nghiệm khi động cơ chạy bằng hỗn hợp 50% biogas+50% hydrogen 81

1 Các ký hiệu mẫu tự La tinh:

Ký

i [-] Số xi lanh

n [v/ph] Số vòng quay động cơ

Me [N/m] Mô men xoắn

KOH Kali hydroxide

NaOH Natri hydroxide

ppm Parts Per Million (phần triệu)

COP Conference Of the Parties (Hội nghị về biến đổi khí hậu) rpm Revoletion Per Minute (Tốc độ vòng trên phút)

FCEV Fuel Cell Electric VehiclesXe điện chạy bằng pin nhiên liệu AVL Hãng sản xuất các trang thiết bị thí nghiệm động cơ của Áo

MỞ ĐẦU

Tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường là hai vấn đề lớn mà chúng ta đang đối mặt trong thời đại ngày nay Lĩnh vực giao thông vận tải tiêu thụ đến 80% lượng nhiên liệu hóa thạch và đây là lĩnh vực chính phát thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính

Để đảm bảo phát triển bền vững các nhà khoa học đã nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu tái tạo từ những năm giữa thế kỷ trước Nhiên liệu tái tạo có nguồn gốc từ mặt trời nên việc sử dụng chúng không làm gia tăng nồng độ CO2 trong bầu khí quyển

Ở các nước vùng nhiệt đới thì biogas và năng lượng mặt trời là các nguồn năng lượng tái tạo dồi dào nhất Trong 5 năm gần đây, sản lượng điện mặt trời trên thế giới đã tăng gần đến 15 lần Việt Nam đã phát triển điện mặt trời vượt

xa so với kế hoạch dự kiến Người ta dự báo đến năm 2022, công suất năng lượng mặt trời sẽ chiếm tới một nửa so với công suất năng lượng từ than, đồng thời trở thành nguồn năng lượng lớn nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo

Kỷ nguyên năng lượng tái tạo đã chính thức ra đời sớm hơn dự kiến của các nhà khoa học trong thế kỷ trước

Khi đã có điện mặt trời thì việc sản xuất nhiên liệu hydrogen có thể được thực hiện bằng phương pháp điện phân nước Nhiên liệu hydrogen có thể được

sử dụng để cung cấp cơ năng có thông qua pin nhiên liệu hay thông qua quá trình cháy trong động cơ đốt trong

Biogas có tạp chất CO2 nên tốc độ cháy của nó thấp Điều này gây trở ngại cho việc áp dụng hiệu quả nhiên liệu này trên động cơ đốt trong, nhất là động cơ cao tốc Trong khi đó Hydrogen là nhiên liệu có tốc độ cháy cao vượt trội so với các loại nhiên liệu khác Do đó việc sử dụng biogas được làm giàu bởi hydrogen là giải pháp hữu hiệu để áp dụng rộng rãi nguồn nhiên liệu tái tạo biogas cho phương tiện vận chuyển cơ giới

Đề tài này tập trung nghiên cứu tính năng của động cơ ô tô tải nhẹ Trường Hải Tower khi chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen Đề tài này nhằm góp phần phát triển công nghệ ứng dụng nhiên liệu tái tạo trên phương tiện giao thông cơ giới nhằm tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính

Đề tài này sử dụng kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá

tính năng kỹ thuật của động cơ DA465QE lắp trên ô tô tải nhẹ Trường Hải

Tower 750 khi chạy bằng biogas được làm giàu bởi hydrogen

Về mô phỏng: Nghiên cứu mô phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu biogas

được làm giàu bởi hydrogen vào đường nạp động cơ

Về thực nghiệm: Đo công suất động cơ trên băng thử công suất AVL để

so sánh với công suất lý thuyết

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn này gồm 4 chương chính: Nghiên cứu tổng quan, Nhiên liệu Hydrogen, Nghiên cứu mô phỏng, Nghiên cứu thực nghiệm

Tôi xin chân thành cám ơn Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng, Trung tâm Nghiên cứu Động cơ - Ô tô và tập thể hướng dẫn đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Theo diễn biến nhiệt độ khí quyển thì chúng ta đang sống trong thời kỳ có nhiệt độ cao nhất trong 2 thiên niên kỷ qua Sự ấm lên của khí quyển diễn ra ở hai giai đoạn, giai đoạn đầu từ năm 1910 đến 1945 và giai đoạn sau từ 1976 đến nay Sự gia tăng nhiệt độ khí quyển trong khoảng 1906 đến 2005 ước chừng 0,74°C0,18 °C (hình 1.2) Trong khoảng 1956-2006, nhiệt độ tăng 0,65°C Nhiệt độ trung bình của mặt đất trong giai đoạn 2001-2007 là 14,44°C nghĩa là tăng thêm 0,21°C so với giai đoạn 1991-2000 Tốc độ gia tăng nhiệt độ trung bình hiện nay khoảng 2,5°C trong 100 năm

Trung bình hằng năm Trung bình 5 năm

Hình 1.2 Biến thiên nhiệt độ của khí quyển so với nhiệt độ trung bình 1961-1990

Nếu sự gia tăng nhiệt độ trong 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 Cân bằng nhiệt của quả đất được đảm bảo khi hệ thống không tích lũy năng lượng thặng

dư từ mặt trời Ban ngày bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi khí quyển, đại dương

và đại lục và ban đêm các thành phần này truyền ngược bức xạ ra không gian trong vùng hồng ngoại Các tia bức xạ hồng ngoại này đến lượt nó bị hấp thụ bởi mây và một số chất khí có mặt trong khí quyển Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính phản xạ lại một phần bức xạ này về mặt đất và làm nóng lớp khí quyển dưới cùng: Đó là hiệu ứng nhà kính Không có hiệu ứng này, nhiệt độ trung bình của mặt đất là -18°C thay vì +15°C như hiện nay Hiệu ứng nhà kính là một hiện tượng tự nhiên không thể thiếu trên hành tinh xanh của chúng ta Tuy nhiên khi tác động của nó vượt quá mức cho phép thì nó gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với môi trường

Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính thì CO2 chiếm vị trí quan trọng nhất Từ khi bắt đầu thời kỳ công nghiệp đến nay (khoảng 200 năm), sự phát thải CO2 vào bầu khí quyển đã không ngừng gia tăng Nồng độ CO2 hiện nay đã tăng 35% so với thời kỳ tiền công nghiệp, vượt xa nồng độ của chúng 600.000 năm trước (hình 1.3) Nồng độ CO2 đã tăng từ 280ppm ở thời kỳ tiền công nghiệp đến 380ppm vào thời điểm hiện nay Mức tăng trung bình của CO2

là +1,5 ppm/năm trong khoảng 1970 đến 2000 và +2,1 ppm/năm hiện nay

Sự gia tăng nhiệt độ khí quyển gần mặt đất gây ra những hậu quả năng nề đối với môi trường Cây cối lớn nhanh hơn và chết sớm hơn Một số giống động thực vật biến mất do biến đổi khí hậu Nếu môi trường tiếp tục bị tác động bởi sự khô hạn, bão lụt thì sự cân bằng hệ thống sinh thái của hành tinh sẽ bị ảnh hưởng nặng nề Cường độ những cơn bão tăng mạnh hơn nhưng số lượng các cơn bão có giảm đi so với trước đây Nguyên nhân của những biến động môi trường nêu trên là do nhiệt độ khí quyển gia tăng

Hình 1.3 Biến thiên nhiệt độ trung bình của khí quyển gần mặt đấtvà nồng độ CO 2

tương ứng

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 59 cm vào năm 2100 (hình 1.4) Nó có thể dâng cao 2m vào năm

2300 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 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 Việt Nam là một trong năm quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng cũng như nguy cơ ngập nước của một số nước trong khu vực Đông Nam Á (hình 1.5)

Độ cao so với mực nước biển hiện nay

Hình 1.5 Nguy cơ chìm ngập ở khu vực Đông Nam Á do sự dâng cao mực nước biển

Khi nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển vượt quá một giới hạn nào đó thì hiện tượng bùng nổ của hệ thống khí hậu sẽ diễn ra Hiện tượng này làm cho quả đất nóng lên nhanh hơn nhiều so tính toán Vào cuối kỷ nguyên băng hà khí hậu trong một vài năm có thể tăng lên nhiều độ Trong quá khứ, chất khí gây hiệu ứng nhà kính chủ yếu là methane Tính chất gây hiệu ứng nhà kính của methane lớn hơn khí CO2 đến 23 lần

Methane được hình thành do phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí và dưới tác động của vi khuẩn Nếu mặt đất bị đóng băng, methane bị nhốt trong băng dưới dạng hydrate methane Nếu mặt đất được sưởi nóng, băng tan ra, giải phóng methane, gây hiệu ứng nhà kính mạnh làm nhiệt độ mặt đất tăng, dẫn đến băng tan nhanh hơn, giải phóng methane nhiều hơn

và quá trình đó làm cho tốc độ gia tăng nhiệt độ khí quyển lớn hơn nhiều so với bình thường

Trong thời đại chúng ta, quả đất nóng lên chủ yếu là do khí CO2 do hoạt động của con người thải vào khí quyển Nhờ sự chuyển động của dòng đại dương, nước biển hấp thụ hơn 50% lượng khí CO2 do con người thải ra Nếu có sự thay đổi bất kỳ nào đó đối với dòng đại dương, mức độ hấp thụ CO2 của nước biển đều bị ảnh hưởng Động cơ gây ra sự dịch chuyển nước trong đại dương là

do chênh lệch khối lượng riêng Nước lạnh gần các cực tiếp nhận lượng muối do nước đóng băng nhả ra nên khối lượng riêng của nó lớn hơn nước ở vùng gần xích đạo Do khối lượng riêng lớn, nước gần các cực chìm xuống đáy đại dương hút nước nóng trên mặt vùng gần xích đạo về các cực Nước dưới đáy đại dương vùng gần các cực lại nổi lên và sự dịch chuyển này tạo nên dòng đại dương (hình 1 6) Khi băng hà tan ra, động cơ tạo nên dịch chuyển của nước không còn nữa, nước trên mặt bão hòa CO2, mặt khác khi nhiệt độ nước biển tăng lên khả năng hấp thụ CO2 của nó cũng giảm đi đáng kể Do vậy lượng CO2 tích lũy trong bầu khí quyển không giảm đi, làm cho nhiệt độ quả đất tăng nhanh hơn

Truyền nhiệt biển-không khí

Nước ấm

Dòng nước mặn và lạnh dưới đáy

đại dương

Dòng nước ấm trên mặt đại dương

Hình 1.6 Sự dịch chuyển tự nhiên của dòng đại dương

Như vậy vào cuối kỷ nguyên nhiên liệu hóa thạch, lượng CO2 trong bầu khí quyển đạt cực đại, có thể gây ra sự bùng nổ khí hậu làm nhiệt độ bầu khí quyển gần mặt đất tăng nhanh Thiên nhiên và nhân loại khi đó sẽ chịu tác động khủng khiếp của sự gia tăng nhiệt độ đó

Để tránh thảm họa nhiệt độ cực đoan của bầu khí quyển, tại Hội nghị thượng đỉnh về biến đổi khí hậu COP21 năm 2015 tại Paris nguyên thủ các quốc gia trên thế giới đã thống nhất cùng hành động cắt giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính Theo kế hoạch hành động này thì kể từ năm 2020 lượng phát thải CO2 bắt đầu giảm để đến năm 2050 mức phát thải CO2 do sử dụng nhiên liệu hóa thạch tiến về 0 (hình 1.7)

Hình 1.7 Kịch bản cắt giảm phát thải CO 2 theo COP21

Hình 1.8 Cơ cấu năng lượng tương lai cho phương tiện giao thông cơ giới

Trong số các nguồn phát thải CO2 thì phương tiện giao thông cơ giới chiếm tỷ trọng lớn nhất Để giảm phát thải CO2 theo lộ trình COP21 thì ngành ô

tô cần đi đầu trong việc thay đổi cơ cấu năng lượng Hiện nay xăng dầu truyền thống cung cấp trên 90% nhu cầu năng lượng cho giao thông vận tải Theo kịch bản cắt giảm CO2 nêu trên thì đến giữa thế kỷ này, năng lượng tái tạo/thay thế phải chiếm đến trên 60% tổng số năng lượng sử dụng cho ngành giao thông vận tải, trong đó năng lượng điện và nhiên liệu sinh học chiếm tỉ lệ lớn (hình 1.8)

1.2 NHIÊN LIỆU THAY THẾ VÀ NHIÊN LIỆU TÁI TẠO

Sử dụng các loại năng lượng tái tạo 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

Ở các nước vùng nhiệt đới thì biogas và năng lượng mặt trời là hai nguồn năng lượng tái tạo dồi dào 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 CH4

và các tạp chất như CO2, H2S Để có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu, việc đầu tiên là phải lọc các tạp chất có hại Sản lượng biogas trên thế giới tăng gần như tuyến tính qua các năm Khu vực sản xuất biogas nhiều nhất là Châu Âu, tiếp theo là khu vực Châu Á-Thái Bình Dương và Bắc Mỹ (hình 1.9) Biogas ở các nước phát triển chủ yếu dùng để phát điện, chạy ô tô và hòa vào mạng lưới cung cấp khí thiên nhiên Ở các nước đang phát triển, biogas chủ yếu dùng để đun nấu Ở Thái Lan, Việt Nam, Philipines, biogas bắt đầu được nghiên cứu để sử dụng trên động cơ đốt trong

Hình 1.9 Sản lượng biogas trên thế giới

Khó khăn trong khai thác biogas để phát điện ở nước ta hiện nay 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 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 thế việc sử dụng phối hợp giữa biogas và các nguồn năng lượng tái tạo khác để cung cấp năng lượng liên tục phục vụ sản xuất và đời sống ở nông thôn là rất cần thiết

Bên cạnh biogas, năng lượng mặt trời cũng rất dồi dào ở nước ta cũng như

ở các quốc gia vùng nhiệt đới Trong lịch sử phát triển năng lượng thế giới thì năng lượng mặt trời từng có lúc hết sức đắt đỏ và chỉ có hiệu quả kinh tế khi được sử dụng trên tàu vũ trụ, nhưng nay giá thành năng lượng này đã giảm đi rất

nhanh, thậm chí có thể cạnh tranh với giá điện sản xuất bằng than và khí đốt thiên nhiên Sau khi xuất hiện vào năm 1977, chi phí đầu tư ban đầu cho điện mặt trời đã có tốc độ giảm chóng mặt từ 76,67 USD/Wh vào thời điểm đó xuống còn 0,3 USD/Wh vào năm 2014 đối với các tấm pin điện mặt trời (Hình 10) Ước tính trung bình cứ 10 năm thì giá điện mặt trời giảm đi một nửa

Hình 1.10 Biến thiên giá thành điện mặt trời

Hiện nay Đức là nước đi đầu trong điện mặt trời với sản lượng điện mặt trời hiện nay lên đến 39,275GW Chính phủ nước này đặt mục tiêu tỷ trọng năng lượng mặt trời lên đến 35% trong năm 2020, 50% trong năm 2030, 80% trong năm 2050 Trung Quốc là quốc gia sử dụng năng lượng mặt trời đứng thứ hai trên thế giới với 35,78 GW Chính phủ Trung Quốc đặt mục tiêu đến năm 2030, năng lượng mặt trời sẽ thay thế 20% năng lượng hóa thạch Nhật Bản là nước thứ ba về năng lượng mặt trời với 23,36 GW hiện nay và mục tiêu đạt 28 GW năm 2020, 53 GW vào năm 2030 Sau các nước này là Mỹ, Ý, Tây Ban Nha, Pháp, Úc Thành phố Sydney của Úc đang cố gắng để hoàn thành mục tiêu sử dụng 100% nguồn năng lượng tái tạo trong năm 2030

Trong 5 năm gần đây, sản lượng điện mặt trời đã tăng gần đến 15 lần Người ta dự báo đến năm 2022, công suất năng lượng mặt trời sẽ chiếm tới một nửa so với công suất năng lượng từ than, đồng thời trở thành nguồn năng lượng

lớn nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo Kỷ nguyên năng lượng tái tạo đã chính thức ra đời sớm hơn dự kiến của các nhà khoa học trong thế kỷ trước Một

số dự báo lạc quan cho rằng có thể đến ¾ các nước trên thế giới sử dụng hoàn toàn năng lượng tái tạo trước năm 2050 Điều này cũng đồng nghĩa với việc giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính, hiện thực hóa các mục tiêu theo cam kết của Hiệp định khí hậu Paris đưa ra tại COP 21 hồi năm 2015

Khi đã có điện mặt trời thì việc sản xuất nhiên liệu hydrogen có thể được thực hiện bằng phương pháp điện phân nước Nhiên liệu hydrogen có thể được

sử dụng để cung cấp cơ năng có thông qua pin nhiên liệu hay thông qua quá trình cháy trong động cơ đốt trong Hydrogen là nhiên liệu sạch nhất Do không

có chứa thành phần carbon nên quá trình cháy không sinh ra chất khí gây hiệu ứng nhà kính CO2

Nghiên cứu tổng quan trên đây cho thấy thế giới đang tiến rất xa về sử dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện năng mặt trời trực tiếp hay thông qua nhiên liệu hydrogen và nhiên liệu biogas Các nguồn nhiên liệu này là nhiên liệu sạch, không làm tăng chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển Đồng thời chúng là nguồn nhiên liệu bền vững, vô tận trong thước đo thời gian của hệ mặt trời

Biogas có chỉ số octane lớn, khoảng 130 nên nó có khả năng chống kích

nổ tốt Vì thế nó có thể dùng trên động cơ có tỉ số nén cao để cải thiện hiệu suất nhiệt Tuy nhiên biogas có chứa CO2 là một tạp chất làm bẩn nhiên liệu Nó làm giảm tốc độ lan tràn màn lửa và giảm nhiệt trị nhiên liệu vì thế ảnh hưởng đến tính năng của động cơ Khi làm giàu biogas bằng hydrogen thì tính năng của nhiên liệu được cải thiện rõ rệt Tốc độ lan tràn màn lửa của hydrogen cao (230 cm/s) lớn gấp 6 lần tốc độ lan tràn màn lửa của methan CH4 (42 cm/s) trong điều kiện khí quyển Do đó khi làm giàu biogas bằng H2 thì thời kỳ cháy trễ sẽ được rút ngắn, áp suất cực đại và tốc độ tỏa nhiệt tăng và đạt gần điểm chết trên

1.3 NHỮNG TIỆN ÍCH CỦA Ô TÔ TẢI NHẸ TRƯỜNG HẢI TOWER

750

Hình 1.11 Hình dáng bên ngoài xe Towner

Các loại xe tải nhỏ dưới 1 tấn tại Việt Nam hiện nay đang phát triển bởi sản phẩm này phù hợp với điều kiện giao thông đô thị chật hẹp và là phương tiện thích hợp để thay thế các loại xe thô sơ, xe ba gác Thực hiện chiến lược đa dạng hóa sản phẩm nhằm đáp ứng nhu cầu của thị trường, từ ngày 27/7/2009, Trường Hải sẽ cho ra mắt dòng sản phẩm xe tải nhẹ Thaco Towner 750kg Đây là sản phẩm được sản xuất và lắp ráp trên dây chuyền hiện đại của Nhà máy ô tô Chu

Lai-Trường Hải

Đây là loại xe tải nhẹ có trang bị động cơ kiểu DA465QE và 4 xi lanh thẳng hàng, phun xăng điện tử đa điểm, với dung tích xi lanh 970cc cho công suất cực đại là 35Kw và mô men xoắn cực đại là 72 N.m/3000~3500 vòng/phút

Hệ thống lái kiểu bánh răng, hệ thống phanh trợ lực bằng thủy lực, phanh trước dạng đĩa, sau dạng tang trống

1.4 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ Ô TÔ TẢI NHẸ TRƯỜNG HẢI TOWER 750

1.4.1.Các thông số kỹ thuật

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật ô tô tải nhẹ Trường Hải Tower 750

tốc độ quay

Mô men xoắn cực

đại/ tốc độ quay 72Nm/ 3000-3500 vòng/ phút

Hệ thống lái Kiểu bánh răng, thanh răng, cơ khí

Hệ thống phanh Trước đĩa/ sau tang trống

Hệ thống treo

Trước lực Độc lập, thanh xoắn, giảm chấn thủy Sau Phụ thuộc, nhíp lá, giảm chấn thủy lực Lốp xe (trước/ sau) 5.00-12

1.4.2.Đặc điểm kết cấu động cơ DA465QE

a Đặc tính kỹ thuật của động cơ DA465QE:

Động cơ DA465QE/F1 do hãng DONGAN Trung Quốc sản xuất là loại động cơ xăng điều khiển điện tử, 4 xi lanh thẳng hàng, làm mát cưỡng bức Hệ thống nhiên liệu điều khiển bằng ECU, vòi phun của động cơ hoạt động bằng điện từ

Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của động cơ DA465QE

Tên động cơ DA465QE

Loại động cơ Xăng

Kiểu động cơ 4 kỳ, 4 xy lanh, làm mát cưỡng

Hình 1.12 Đường đặc tính động cơ DA465QE

b.Kết cấu động cơ DA465QE:

Hình 1.13 Hình dáng bên ngoài của động cơ DA465QE

Động cơ DA465QE sử dụng cơ cấu phối khí xupáp treo, các xupáp được dẫn động gián tiếp thông qua cơ cấu đòn bẩy Trục cam được dẫn động bằng bánh răng trung gian Hệ thống nhiên liệu được điều khiển bằng điện tử nhằm tối ưu hóa quá trình nạp và giảm tiêu hao nhiên liệu của động cơ

Hình 1.14 Mặt cắt dọc động cơ DA465QE

1 Lò xo xu páp; 2 Xu páp thải; 3 Trục cam; 4 Đòn bẩy; 5 Xu páp nạp; 6 Vòi phun nhiên liệu; 7 Xéc măng; 8 Chốt pít tông; 9 Pít tông;

10 Thân máy; 11 Thanh truyền; 12 Trục khuỷu; 13 Đối trọng; 14 Bơm hút;

15 Que thăm dầu

Hình 1.15 Mặt cắt ngang động cơ DA465QE

1 Dây điện; 2 Nắp máy; 3 Trục cam; 4 Quạt gió; 5 Đai ốc khởi động;6 Trục khuỷu; 7 Đối trọng; 8 Các te; 9 Bơm dầu;10 Nút tháo dầu;

11 Xéc măng; 12 Pít tông; 13 Thân máy; 14 Chốt pít tông

CHƯƠNG 2

NHIÊN LIỆU HYDROGEN

2.1 HYDROGEN-NHIÊN LIỆU BỀN VỮNG TƯƠNG LAI

Hydrogen (H2) là một loại nhiên liệu thay thế có thể được sản xuất từ các nguồn tài nguyên trong nước khác nhau Mặc dù hydro đang ở giai đoạn sơ khai trên thị trường làm nhiên liệu vận chuyển, chính phủ và ngành công nghiệp đang hướng tới việc sản xuất và phân phối hydro sạch, kinh tế và an toàn để sử dụng rộng rãi trong xe điện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV) Các xe điện chạy bằng pin nhiên liệu đang bắt đầu thâm nhập thị trường tiêu dùng ở các khu vực địa phương trong nước và trên thế giới Thị trường cũng đang phát triển cho xe buýt, thiết bị xử lý vật liệu (như xe nâng), thiết bị hỗ trợ mặt đất, xe hạng trung

và hạng nặng và các ứng dụng cố định

Hydrogen có nhiều trong môi trường của chúng ta Nó được lưu trữ trong nước (H2O), hydrocacbon (như metan, CH4) và các chất hữu cơ khác Một trong những thách thức của việc sử dụng hydro làm nhiên liệu đến từ việc có thể chiết xuất nó một cách hiệu quả từ các hợp chất này

Hiện nay, cải cách hơi nước, kết hợp hơi nước ở nhiệt độ cao với khí tự nhiên để chiết xuất hydro, chiếm phần lớn lượng hydro được sản xuất tại Hoa

Kỳ Hydrogen cũng có thể được sản xuất từ nước thông qua quá trình điện phân Điều này tốn nhiều năng lượng hơn nhưng có thể tận dụng năng lượng tái tạo dư thừa rẻ tiền, như gió hoặc mặt trời, đồng thời tránh các khí thải độc hại liên quan đến các loại sản xuất năng lượng khác Viện Khí bền vững (The Sustainable Gas Institute) đã ước tính chi phí sản xuất hydro thông qua điện phân ở mức 4-9p / kWh, so với 2-5p / kWh đối với khí tự nhiên được cải cách bằng khí metan với thu hồi và lưu trữ carbon

Hydrogen sẽ cho phép carbon dioxide thu được từ các quy trình công nghiệp được tái chế thành hóa chất, ví dụ như methanol Nhà máy George Olah

ở Iceland tái chế hơn 5000 tấn carbon dioxide mỗi năm Được đặt theo tên người đoạt giải Nobel hóa học năm 1994, nó sử dụng điện phân để sản xuất hydro, được chuyển đổi trong phản ứng xúc tác với carbon dioxide để tạo ra năm triệu lít metanol Carbon dioxde được thu thập từ khí thải của nhà máy nhiệt điện lân cận

Mặc dù việc sản xuất hydro có thể tạo ra khí thải ảnh hưởng đến chất lượng không khí, tùy thuộc vào nguồn sản xuất, xe điện chạy bằng pin nhiên liệu chạy bằng hydro chỉ phát ra hơi nước và không khí ấm làm khí thải và được coi là phương tiện không phát thải

Sự quan tâm đến hydro như một loại nhiên liệu vận chuyển thay thế bắt nguồn từ khả năng cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu trong các xe điện chạy bằng pin nhiên liệu không phát thải, tiềm năng sản xuất trong nước, thời gian sạc nhanh và hiệu quả cao của pin nhiên liệu Trên thực tế, một pin nhiên liệu kết hợp với động cơ điện có hiệu suất cao gấp hai đến ba lần so với động cơ đốt trong chạy bằng xăng Hydrogen cũng có thể phục vụ như nhiên liệu cho động cơ đốt trong Tuy nhiên, không giống như xe điện chạy bằng pin nhiên liệu, những thứ này tạo ra khí thải thải ra và kém hiệu quả hơn

Năng lượng trong 2,2 pound (1 kg) khí hydro tương đương với năng lượng trong 1 gallon (6,2 pound, 2,8 kg) xăng Bởi vì hydro có mật độ năng lượng thể tích thấp, nó được lưu trữ trên xe dưới dạng khí nén để đạt được phạm vi hoạt động của các phương tiện thông thường Hầu hết các ứng dụng hiện tại sử dụng bình chứa áp suất cao có khả năng lưu trữ hydro ở mức 5.000 hoặc 10.000 pounds mỗi inch vuông (psi) Ví dụ, các xe điện chạy bằng pin nhiên liệu được sản xuất bởi các nhà sản xuất ô tô và có sẵn tại các đại lý có bình chứa 10.000 psi Các máy trạm sạc chủ yếu được đặt tại các trạm xăng, có thể nạp đầy các bình này trong khoảng 5 phút Các công nghệ lưu trữ khác đang được phát triển, bao gồm liên kết hydro hóa học với một vật liệu như hydride kim loại hoặc vật liệu hấp thụ nhiệt độ thấp

Bằng cách này hay cách khác, chúng ta cần cắt giảm 60% lượng khí thải carbon dioxide liên quan đến năng lượng trong 30 năm tới, để hạn chế sự nóng lên toàn cầu ở mức 2°C Giải quyết thách thức là tất cả những gì cấp bách hơn khi dân số toàn cầu tăng lên và ngày càng giàu có Gây ra thiệt hại do ô nhiễm không khí liên quan và không có gì đáng ngạc nhiên khi có sự nổi bật trở lại với một nguyên tố dồi dào không tạo ra khí thải carbon khi đốt cháy và có mật độ năng lượng gấp đôi của nhiên liệu hóa thạch: hydro Điểm hấp dẫn của hydro là

nó có thể được sử dụng làm nguyên liệu và chất mang năng lượng

Trên khắp thế giới, các nhà nghiên cứu đang cố gắng cải thiện hiệu quả và chi phí sản xuất, lưu trữ, vận chuyển và sử dụng hydro trong các ứng dụng đa

dạng như nhiệt và vận chuyển Sự phát triển đang trở nên dày đặc và nhanh: từ những tiến bộ trong sản xuất hydro đến vật liệu xúc tác mới có thể thay thế bạch kim trong các tế bào nhiên liệu màng điện phân polymer sẽ cắt giảm chi phí của chúng Các dự án trình diễn đang được tiến hành có thể cung cấp các con số và công nghệ để chỉ ra nơi và cách thức hydro có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch Nhưng đến một lúc nào đó các chính trị gia sẽ phải đưa ra quyết định khuyến khích cơ sở hạ tầng được xây dựng

Nhật Bản đã thực hiện cam kết đó, sau thảm họa sóng thần và gây ra thảm họa hạt nhân tại Fukushima vào năm 2011 Họ dự định sử dụng Thế vận hội Tokyo 2020 để giới thiệu công nghệ với hàng ngàn phương tiện pin nhiên liệu hydro, một mạng lưới trạm nạp và làng vận động viên chạy bằng hydro Các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản đang bán xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro và Toyota đang xây dựng một nhà máy để sản xuất ngăn xếp pin nhiên liệu Các ngôi nhà Nhật Bản đang được trang bị công nghệ pin nhiên liệu để cung cấp điện và các nhà máy đang được xây dựng để tạo ra hydro bằng năng lượng tái tạo Nước này cũng sẽ nhập khẩu hydro, với Úc là ứng cử viên hàng đầu, sử dụng nguồn cung cấp than dồi dào để sản xuất hydro và thu được lượng khí thải carbon dioxide

2.2 TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA HYDROGEN

2.2.1 Nguồn gốc và thành phần nhiên liệu HHO

HHO (oxyhydrogen) là sản phẩm của quá trình điện phân nước, thành phần chính của HHO là khí hydro H2 và khí oxy O2

Quá trình điện phân: 2 H2O → 2 H2 + O2

Quá trình cháy: 2 H2 + O2 → 2 H2O

Oxyhydrogen có phạm vi dễ cháy hơn so với tất cả các nhiên liệu khác Do

đó, hydro có thể được đốt trong động cơ trên phạm vi rộng hỗn hợp nhiên liệu không khí Vì vậy, HHO đảm bảo đánh lửa nhanh chóng Ngoài ra, người ta đã quan sát thấy rằng phương tiện chạy bằng HHO có mức tiêu thụ nhiên liệu thấp

và thải ra ít khí gây hiệu ứng nhà kính Ngoài ra, người ta đã quan sát thấy rằng, khí HHO có thể được sử dụng làm phụ gia cùng với xăng dầu để giảm lượng khí thải Trong số các nhiên liệu thay thế có thể khác nhau, HHO được cho là có triển vọng nhất do quá trình đốt sạch cùng với quá trình đốt cháy tốt hơn Ngoài

ra sản phẩm của quá trình đốt cháy nhiên liệu HHO có thành phần chính là nước

vì vậy giảm thiểu khí ô nhiễm môi trường

H2 là chất khí không màu, không mùi, không vị, có phân tử khối bằng 2 và nhẹ hơn không khí 14,5 lần H2 tan rất ít trong nước, nhiệt độ hóa lỏng -183 °C,

là khí nhẹ nhất, dễ bắt cháy có nhiệt độ sôi 20,27 K (-252,87 °C) và nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (-259,14 °C) Nhiệt độ tự cháy của H2 trong không khí là 500

°C

Hydro được sản xuất từ nước và năng lượng mặt trời, vì vậy hydro thu được còn gọi hydro nhờ năng lượng mặt trời (solar hydrogen) Nước và ánh nắng mặt trời có vô tận và khắp nơi trên hành tinh Năng lượng mặt trời được thiên nhiên ban cho hào phóng và vĩnh hằng, khoảng 3.1024 J/ngày, tức khoảng

104 lần năng lượng toàn thế giới tiêu thụ hằng năm Vì vậy, hydro nhờ năng lượng mặt trời là nguồn nhiên liệu vô tận, sử dụng từ thế kỷ này qua thế kỷ khác bảo đảm an toàn năng lượng cho loài người mà không sợ cạn kiệt, không thể có khủng hoảng năng lượng và bảo đảm độc lập về năng lượng cho mỗi quốc gia, không một quốc gia nào độc quyền sở hữu hoặc tranh giành nguồn năng lượng hydro như từng xảy ra với năng lượng hóa thạch

Để thu được hydro nhờ năng lượng mặt trời có hai phương pháp sản xuất sau đây: phương pháp điện phân nước (water electrolysis) nhờ năng lượng điện mặt trời thông qua các pin mặt trời (solar cell) và phương pháp quang điện hóa phân rã nước (photoelectrochemical water splitting) nhờ năng lượng bức xạ của ánh nắng mặt trời với sự có mặt chất xúc tác quang Cả hai phương pháp, phản ứng đều xảy ra như sau:

2H2O → 2 H2 + O2

2.2.3 Khí oxy (O 2 )

Oxy là một thành phần quan trọng của không khí, được sản xuất bởi cây cối trong quá trình quang hợp và là cần thiết để duy trì sự hô hấp của người và động vật

Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, oxy là chất khí không màu, không mùi và

không vị có công thức phân tử là O 2

Oxy ngưng tụ ở 90,20 K(−182.95 °C, −297.31 °F), và đóng băng ở 54,36 K

(−218.79 °C, −361.82 °F) Cả hai dạng lỏng và rắn O 2 là những chất trong suốt

với màu xanh da trời nhạt do gây ra bởi sự hấp thụ ánh sáng đỏ O 2 tinh khiết cao thường được chưng cất phân đoạn từ không khí lỏng, oxy lỏng cũng có thể được sản xuất từ sự ngưng tụ không khí bằng cách sử dụng chất làm lạnh là nitơ lỏng Nó là một chất dễ phản ứng và phải được cất giữ cách xa các vật liệu dễ cháy

2.3 SẢN XUẤT VÀ LƯU TRỮ HYDROGEN

từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt từ các nguồn năng lượng tái sinh Ở đây ta chỉ nói đến phương pháp điện phân nước

Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực Hydrogen sinh ra ở điện cực âm và oxygen ở điện cực dương:

Phản ứng trên cathode: 2H O2  2eH2 2OH

Phản ứng trên anode: 2 2 1 2 2

2

OH H O O  e

Tổng quát: 2H O2 + điện năng 2H2O2

2.3.2 Lưu trữ hydrogen

Với vai trò “chuyên chở” năng lượng (energy carrier) hơn là một nguồn năng lượng cơ bản, giống như điện năng, hydrogen giúp cho việc phân phối, sử dụng năng lượng được thuận tiện Thêm vào đó, khác với điện năng, hydrogen còn có thể lưu trữ được lâu dài Về cơ bản có ba phương thức lưu trữ hydrogen như sau:

Lưu chứa hydrogen trong các bình khí nén áp suất cao

Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng

Lưu chứa hydrogen trong hợp chất khác (hấp thụ hóa học, hấp phụ trong hợp chất khác như với các hyđrua kim loại hay ống carbon nano rỗng)

Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí nén:

Hydrogen có thể được nén trong các bình chứa với áp suất cao Các loại bình chứa khác nhau về cấu trúc tùy theo dạng ứng dụng đòi hỏi mức áp suất như thế nào Phần lớn các bình ứng dụng tĩnh có mức áp suất thấp hơn.Trong khi đó, yêu cầu cho các ứng dụng di động lại khá khác biệt bởi sự hạn chế về không gian lưu trữ.Đối với các ứng dụng này, áp suất trong bình được tăng lên đến 700 bar để chứa được càng nhiều hydrogen càng tốt trong một không gian giới hạn

Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên rất nặng.Các bình

áp suất hiện đại được làm từ những vật liệu composite và nhẹ hơn nhiều

Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng:

Hydrogen chỉ tồn tại ở thể lỏng dưới nhiệt độ cực lạnh, 200K hay âm 235ºC Nén, làm lạnh (hóa lỏng) hydrogen tiêu tốn khá nhiều năng lượng, do đó tổn thất năng lượng hao hụt đến khoảng 30% khi dùng phương pháp này Tuy nhiên, ưu điểm của việc lưu trữ hydrogen dưới dạng lỏng là tốn ít không gian nhất, do hydrogen có tỉ trọng năng lượng theo thể tích cao nhất khi hóa lỏng Vì thế mà cách này đặc biệt thích hợp với các ứng dụng di động như các phương tiện giao thông.Hiện tại người ta đã sản xuất được những robot tự động để “tiếp” nhiên liệu (re-fuelling).Với các dạng lưu trữ tĩnh, cách thức này chỉ được dùng khi hydrogen thực sự cần thiết phải ở dạng lỏng, ví dụ như trong các trạm nhiên liệu hay khi cần vận chuyển hydrogen đường dài (bằng tàu biển chẳng hạn) Ngoài ra, với tất cả các ứng dụng khác ta nên tránh dùng cách lưu trữ này bởi sự tiêu tốn khá nhiều năng lượng cần để hóa lỏng

Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa học:

Hydrogen có thể được giữ trong nhiều hợp chất nhờ liên kết hóa học Và khi cần thiết, phản ứng hóa học sẽ xảy ra để giải phóng chúng, sau đó hydrogen được thu thập và đưa vào sử dụng trong pin nhiên liệu Các phản ứng hóa học thay đổi tủy theo hợp chất dùng để lưu trữ hydrogen Ví dụ như: với NH3BH3, hydrogen được giải phóng nhờ nhiệt ở 100-300ºC; hay hydrogen có thể được

giải phóng qua quá trình thủy phân (tác dụng với nước) của các hydride như LiH, LiBH4, NaBH4… Với phương pháp này, ta có thể điều chỉnh được lượng hydrogen sinh ra theo nhu cầu

Lưu chứa hydrogen trong ống carbon nano rỗng:

Phương pháp này về nguyên tắc tương tự như hyđrua kim loại trong cơ chế lưu giữ và giải phóng hydrogen Vật liệu carbon nano này có thể tạo nên một cuộc cách mạng trong công nghệ lưu trữ hydrogen trong tương lai Cách đây vài năm, các nhà khoa học đã khám phá được đặc tính hữu ích của carbon nano là

có thể chứa được những lượng lớn hydrogen trong các vi cấu trúc than chì dạng ống Hydrogen có thể chui vào trong ống, cũng như vào khoảng trống giữa các ống Lượng hydrogen hấp thụ phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, nên về nguyên tắc, người ta có thể thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ, rồi bơm hydrogen vào để lưu trữ, hay đẩy hydrogen ra để sử dụng Vấn đề hiện nay là phải tìm ra các loại ống nano carbon chứa được nhiều hydrogen.Ngoài ra, ta cũng cần vật liệu với tỷ lệ ống nano carbon cao, không lẫn với nhiều loại bụi than khác

Ưu điểm mang tính đột phá của công nghệ nano này chính là lượng lớn hydrogen mà nó có thể lưu chứa được, hơn nữa, so với cách lưu trữ bằng hợp kim thì ống carbon nano cũng nhẹ hơn Ống carbon nano có thể chứa được lượng hydrogen chiếm từ 4% – 65% trọng lượng của chúng Hiện nay, công nghệ này đang được quan tâm nghiên cứu rất nhiều trên thế giới, hứa hẹn một phương thức lưu trữ hydrogen đầy tiềm năng, nhất là cho các ứng dụng pin nhiên liệu di động và nhỏ gọn như máy tính xách tay, máy ảnh, điện thoại di động…v.v

Ngoài ra, còn một phương pháp lưu trữ hydrogen khác tuy ít phổ biến nhưng cũng khá thú vị, đó là chứa hydrogen trong các vi cầu bằng kính

Lưu chứa hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere):

Các khối cầu thủy tinh rỗng tí hon có thể được dùng như một phương thức lưu trữ hydrogen an toàn Những vi cầu rỗng này được làm nóng dẻo, gia tăng khả năng thấm của thành thủy tinh, rồi được lấp đầy khi được đặt ngập trong khí hydrogen với áp suất cao Các khối cầu này sau đó được làm nguội, “khóa lại” hydrogen bên trong khối thủy tinh.Khi ta tăng nhiệt độ, hydrogen sẽ được giải phóng ra khỏi khối cầu và sử dụng Phương pháp vi cầu này rất an toàn, tinh

khiết và có thể chứa được hydrogen ở áp suất thấp, vì thế gia tăng giới hạn an toàn

2.4 PIN NHIÊN LIỆU

- Quá trình điện phân nước:

Truyền điện qua các điện cực bạch kim để tách nước (H2O) thành các thành phần hydro và oxy

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý điện phân nước

- Quá trình tạo ra pin nhiên liệu:

Sử dụng một quá trình ngược lại với quá trình điện phân nước, pin nhiên liệu tạo ra nước bằng cách kết hợp hydro và oxy, tạo ra điện và nhiệt

Hydrogen được đưa đến cực dương nơi xúc tác giải phóng các ion hydro (H +) và electron (e-) Chất điện phân là một vật liệu cho phép các ion đi qua nó, nhưng chặn các electron Các ion hydro (H +) được giải phóng trong quá trình xúc tác đi qua chất điện phân đến cực âm trong khi các electron bị chặn bởi chất điện phân được lấy ra để tạo ra điện Oxy (O2) được đưa đến cực âm nơi xúc tác tách nó thành hai nguyên tử oxy Các nguyên tử oxy, electron (e-) đi từ tải và các ion hydro (H +) đi qua chất điện phân kết hợp để tạo ra nước (H2O)

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý tạo ra nhiệt và điện

- Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hydro:

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu

Sơ đồ nguyên lý của một pin nhiên liệu hydro-oxy hiện đại Các chất điện giải thường được sử dụng là dung dịch NaOH, axit photphoric hoặc oxit rắn Một hạn chế lớn của bất kỳ tế bào nhiên liệu tiêu thụ oxy nào là tốc độ giảm yếu

tố này ở cực âm Các bề mặt cực âm tốt nhất thường được làm bằng bạch kim, đây là một yếu tố chi phí chính trong thiết kế pin nhiên liệu

- Cấu tạo của pin nhiên liệu:

Một pin nhiên liệu bao gồm một lớp điện phân trung tâm, được kẹp giữa hai lớp xúc tác Các vật liệu khác nhau cho các lớp này được sử dụng, nhưng quá trình cơ bản là như nhau Khi một nguyên tử hydro tiếp xúc với lớp xúc tác cực dương âm, nó sẽ tách thành một proton và một electron Các proton đi thẳng qua lớp điện phân trung tâm, trong khi electron tạo ra điện khi nó đi qua một mạch ngoài Mạch trở lại các electron ở phía dương của lớp điện phân, nơi