Đang tải... (xem toàn văn)
Ngày nay, với sự phát triển kinh tế, kèm theo đó là sự gia tăng nhanh chóng các phương tiện giao thông vận tải và các thiết bị động lực có trang bị động cơ đốt trong. Nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu ngày càng lớn trong khi nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Một vấn đề nan giải không kém đó là ô nhiễm môi trường do khí thải từ động cơ phát ra. Trước tình hình như vậy, cần thiết phải tìm ra các loại nhiên liệu có thể thay thế hoàn toàn hoặc một phần nhiên liệu hóa thạch đồng thời giảm ô nhiễm môi trường. Giáo trình “Nhiên liệu thay thế” ra đời nhằm mục đích giới thiệu một số loại nhiên liệu thay thế được nghiên cứu sử dụng phổ biến hiện nay trên thế giới cũng như những loại nhiên liệu có tiềm năng to lớn trong tương lai.
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .1 Chương Giới thiệu chung lượng toàn cầu 1.1 Tình hình tiêu thụ lượng giới .2 1.2 Dầu mỏ .3 1.3 Khí tự nhiên 1.4 Than 1.5 Năng lượng hạt nhân 1.6 Năng lượng tái tạo 10 Chương Nhiên liệu chuyển hóa từ than .12 2.1 Khí hóa từ than 12 2.1.1 Giới thiệu chung 12 2.1.2 Phân loại khí tổng hợp theo nhiệt trị 13 2.1.3 Phản ứng khí hóa than 15 2.2 Nhiên liệu lỏng từ than .20 2.2.1 Giới thiệu chung 20 2.2.2 Nhiệt phân than .21 2.2.3 Hóa lỏng trực tiếp từ than 22 2.2.4 Hóa lỏng gián tiếp từ than 24 Chương Nhiên liệu sinh học 25 3.1 Giới thiệu chung nhiên liệu sinh học 25 3.1.1 Giới thiệu chung 25 3.1.2 Các hệ nhiên liệu sinh học 26 3.1.3 Ưu, nhược điểm nhiên liệu sinh học .26 3.2 Các loại nhiên liệu sinh học phương pháp tổng hợp 27 3.2.1 Cồn 28 3.2.2 Metyl ester .28 3.2.3 Hợp chất chứa oxy 29 3.2.4 Dimetyl ether (DME) 29 3.2.5 Dimetyl cacbonate (DMC) 29 3.2.6 Hydrogen 30 3.3 Nhiên liệu biodiesel 30 3.3.1 Khái niệm 30 3.3.2 Ưu, nhược điểm nhiên liệu biodiesel 30 3.3.3 Các tiêu chuẩn chất lượng biodiesel .32 3.3.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel 34 3.3.5 Cơng nghệ chuyển hóa biodiesel 38 3.3.6 Tình hình sản xuất sử dụng biodiesel .40 3.4 Nhiên liệu etanol 45 3.4.1 Tính chất etanol .45 3.4.2 Công nghệ sản xuất etanol .46 3.4.3 Triển vọng tình hình sản xuất, sử dụng nhiên liệu etanol 49 Chương Nhiên liệu từ khí 51 4.1 Khí thiên nhiên 51 4.1.1 Giới thiệu chung 51 4.1.2 Ưu, nhược điểm khí thiên nhiên .51 4.1.3 Sự hình thành khí thiên nhiên 52 4.1.4 Phân loại khí thiên nhiên 53 4.1.5 Tính chất khí thiên nhiên 53 4.2 Khí hóa lỏng (LPG) 55 4.2.1 Giới thiệu chung 55 4.2.2 Tính chất lý hóa LPG 55 4.2.3 Tình hình sản xuất LPG 57 4.2.4 Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG cho động đốt .58 Chương Nhiên liệu hydro 61 5.1 Giới thiệu chung .61 5.2 Sản xuất hydro 61 5.2.1 Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocacbon 62 5.2.2 Điện phân nước .63 5.2.3 Phương pháp sinh học 65 5.3 Lưu chứa hydro 65 5.3.1 Lưu chứa hydro dạng khí nén .65 5.3.2 Lưu chứa hydro dạng khí hóa lỏng 66 5.3.3 Lưu chứa hydro nhờ hấp thụ hóa học 66 5.3.4 Lưu chứa hydro hydrua kim loại (metal hydride) 66 5.3.5 Lưu chứa hydro ống cacbon nano rỗng 67 5.3.6 Lưu chứa hydro vi cầu thủy tinh (glass microsphere) 67 5.4 Vấn đề an toàn 68 5.5 Ứng dụng nhiên liệu hydro .68 5.6 Pin nhiên liệu 69 5.7 Các loại pin nhiên liệu 70 5.8 Viễn cảnh kinh tế hydro (hydro economy) 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển kinh tế, kèm theo gia tăng nhanh chóng phương tiện giao thông vận tải thiết bị động lực có trang bị động đốt Nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu ngày lớn nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày cạn kiệt Một vấn đề nan giải khơng nhiễm mơi trường khí thải từ động phát Trước tình vậy, cần thiết phải tìm loại nhiên liệu thay hồn tồn phần nhiên liệu hóa thạch đồng thời giảm nhiễm mơi trường Giáo trình “Nhiên liệu thay thế” đời nhằm mục đích giới thiệu số loại nhiên liệu thay nghiên cứu sử dụng phổ biến giới loại nhiên liệu có tiềm to lớn tương lai Cuốn giáo trình dùng để phục vụ cho sinh viên chun ngành tơ Ngồi ra, làm tài liệu học tập, tham khảo cho sinh viên chuyên ngành khí vận tải đường bộ, đường thủy, đường sắt, nơng lâm nghiệp… chun ngành có liên quan đến động đốt Nội dung giáo trình bao gồm: Chương Giới thiệu chung lượng toàn cầu; Chương Nhiên liệu chuyển hóa từ than; Chương Nhiên liệu sinh học; Chương Nhiên liệu từ khí; Chương Nhiên liệu hydro; Các thành viên tham gia biên soạn gồm: Nguyễn Tuấn Nghĩa (chủ biên) biên soạn chương chương 3; Lê Hồng Quân biên soạn chương chương 4; Phạm Minh Hiếu biên soạn chương Cuốn giáo trình biên soạn dựa đề cương môn học giảng dạy Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội có kế thừa nội dung giảng dạy trường đại học, cao đẳng kỹ thuật Ngồi ra, giáo trình cập nhật đưa thêm vào nội dung kiến thức nhằm phục vụ tốt công tác giảng dạy học tập Trong q trình biên soạn, dù có nhiều cố gắng chắn tránh khỏi khiếm khuyế Các tác giả mong nhận góp ý bạn đọc để lần tái sau có chất lượng tốt Mọi góp ý xin gửi địa chỉ: Tầng 4, Nhà A10, Khoa Cơng nghệ Ơ tô, Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Chúng xin chân thành cảm ơn! Các tác giả Chương Giới thiệu chung lượng toàn cầu 1.1 Tình hình tiêu thụ lượng giới Tiêu thụ lượng giới gia tăng liên tục lý như: cải thiện chất lượng sống, gia tăng dân số, cơng nghiệp hóa, tăng trưởng kinh tế nhanh chóng nước phát triển, gia tăng phương tiện… Có nhiều loại nhiên liệu có sẵn giới, nhu cầu phụ thuộc lớn vào ứng dụng sử dụng, vị trí khu vực tài nguyên, chi phí, yếu tố “sạch” tác động tới mơi trường, an tồn sản xuất sử dụng, yếu tố kinh tế - xã hội, trị tồn cầu khu vực… Chu trình sử dụng lượng bao gồm ba giai đoạn: sản xuất, phân phối tiêu thụ, tất phải cân với sở hạ tầng, nút thắt thiếu hụt ảnh hưởng đến chu trình Nếu có giảm sút sản xuất số loại nhiên liệu, phân phối tiêu thụ nhiên liệu cụ thể giảm sút, nên việc chuyển đổi nhiên liệu từ loại sang loại khác việc bắt buộc phải tích trữ chắn khơng thể tránh khỏi Hơn nữa, dựa nguyên tắc cung cầu, giá loại nhiên liệu chắn tăng lên Ngay cố hệ thống giao thông loại nhiên liệu định ảnh hưởng trực tiếp đến thị trường tiêu dùng, hậu thiếu nhiên liệu tăng giá xảy thời gian định khu vực bị ảnh hưởng Bảng 1.1 tổng hợp mức tiêu thụ lượng giới cho loại nhiên liệu từ năm 1980 đến 2003[4] Bảng 1.1 Mức tiêu thụ loại lượng giới [4] Loại lượng 1980 1990 2000 2001 2002 2003 Dầu mỏ (1000 thùng/ngày) 63.108 66.576 76.946 77.701 78.458 80.099 Khí tự nhiên (nghìn tỷ m3) 1,98 2,08 2,50 2,53 2,62 2,71 4.126 5.269 5.083 5.165 5.250 5.439 1.722,8 2.151,7 2.651,8 2.559,6 2.619,1 2.654,4 684,4 1.908,8 2.450,3 2.517,2 2.564,0 2.523,1 31,1 131,5 249,5 259,8 292,1 310,1 Than (triệu tấn) Thủy điện (tỷ kWh) Năng lượng hạt nhân (tỷ kWh) Địa nhiệt, gió, mặt trời, gỗ chất thải điện (tỷ kWh) Như thấy, tất loại có mức tăng ổn định giai đoạn Than thủy điện cho thấy có mức tăng tiêu thụ chậm giai đoạn, lượng tái tạo lượng hạt nhân có mức tăng mạnh nhất, điều nguồn lượng lên với tương lai lớn thị trường lượng giới Than thủy điện trở nên thông thường hơn, củng cố rõ ràng giới phải phụ thuộc vào chúng thời gian dài Tỷ lệ tăng trưởng tiêu thụ lượng tái tạo lượng hạt nhân cho thấy tiềm chúng nhiên liệu thay thế, chúng thay bổ sung cho loại nhiên liệu thông thường khác loạt ứng dụng sử dụng sau Trong số loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống, gia tăng tiêu thụ khí tự nhiên tăng nhanh nhiên liệu hóa thạch khác (dầu mỏ than) Điều nhu cầu mạnh khí thiên nhiên sưởi ấm cơng nghiệp khu dân cư, gia tăng lắp đặt nhà máy điện sở khí tự nhiên, phát mỏ khí tự nhiên lớn Một vài lần kỷ 21, giới trải qua tình trạng thiếu hụt đáng kể tăng giá khí đốt tự nhiên, chủ yếu cân cung cầu 1.2 Dầu mỏ Tiêu thụ dầu mỏ giới tổng hợp bảng 1.2 từ năm 1980 đến 2003 [4] Trong giai đoạn này, tiêu thụ dầu mỏ giới tăng trưởng với tỷ lệ trung bình 1,04%/năm Mặc dù tỷ lệ gia tăng thấp, cần phải lưu ý nguồn dầu mỏ có hạn bị cạn kiệt năm tới Ước tính năm mà dầu khí cung cấp tiêu thụ mức tiêu thụ thường thực chuyên gia hoạch định sách, số quán dao động từ năm sang năm khác Chính điều xuất phát từ khó khăn ước lượng thu hồi tương lai xăng dầu từ tất nguồn dự trữ kiểm chứng khó kiểm chứng Hiệp hội kỹ sư dầu khí (SPE) Hội đồng Dầu khí giới (WPC) phát triển phê duyệt số định nghĩa điều khoản dự phòng liên quan đến xăng dầu để tạo điều kiện thống chuyên gia sử dụng điều khoản: Trữ lượng kiểm chứng số lượng xăng dầu, cách phân tích liệu địa chất kỹ thuật, ước tính cách chắn hợp lý để thương mại hóa thu hồi, từ bể chứa biết đến điều kiện kinh tế nay, phương pháp hoạt động, quy định phủ Trữ lượng kiểm chứng phân loại thêm phát triển phát triển Trữ lượng khó kiểm chứng dựa vào địa chất kỹ thuật liệu tương tự sử dụng dự toán trữ lượng kiểm chứng Tuy nhiên, công nghệ, hợp đồng, kinh tế, không chắn điều ngăn cản trữ lượng phân loại kiểm chứng Trữ lượng khó kiểm chứng phân loại trữ lượng xảy trữ lượng Trữ lượng xảy nguồn trữ lượng khó kiểm chứng phân tích liệu địa chất kỹ thuật cho thấy có nhiều khả để thu hồi khơng Nếu giải thích xác suất đưa ra, nên có xác suất 50% mà số lượng thực tế thu hồi vượt tổng ước tính kiểm chứng cộng với trữ lượng xảy Trữ lượng nguồn trữ lượng khó kiểm chứng phân tích liệu địa chất kỹ thuật thấy có khả phục hồi so với trữ lượng xảy Nếu giải thích xác suất đưa ra, nên có xác suất 10% mà số lượng thực tế thu hồi vượt tổng ước tính kiểm chứng cộng với dự trữ xảy cộng với trữ lượng Hiện nay, giao thơng vận tải, nhiên liệu, ngành cơng nghiệp hóa dầu phụ thuộc nhiều vào nguồn nguyên liệu từ dầu mỏ Do đó, nhiên liệu thay thay nguyên liệu hóa dầu bổ sung vật liệu có nguồn gốc dầu mỏ phải phát triển sử dụng nhiều Cơ sở hạ tầng cần thiết cần phát triển thay đổi cho trình chuyển đổi từ kinh tế dầu khí Bảng 1.2 cung cấp liệu tiêu thụ xăng dầu khu vực giới Nó cho thấy tiêu thụ dầu mỏ Tây Âu 23 năm qua ổn định liên tục, châu Á, châu Đại Dương Trung Đông, tiêu thụ tăng lên nhanh, riêng khu vực châu Á châu Đại Dương chiếm 64,1% Điều rõ ràng số lượng lớn kinh tế phát triển nhanh chóng khu vực Hầu khơng phải nước sản xuất dầu lớn, khu vực nhạy cảm tương lai lượng dầu khí Bảng 1.2 Mức tiêu thụ dầu mỏ khu vực giới [4] ĐVT: 1.000 thùng/ngày Khu vực Bắc Mỹ 1980 1990 2000 2001 2002 2003 20.203,8 20.495,0 23.771,8 23.689,7 23.876,7 24.250,3 Trung Nam Mỹ 3.613,4 3.760,6 5.230,0 5.343,2 5.261,6 5.243,4 Tây Âu 14.322,0 13.306,2 14.667,8 14.833,1 14.819,1 14.950,6 Đông Âu Liên Xô cũ 10.707,0 9.731,6 5.095,5 5.154,8 5.269,9 5.407,9 Trung Đông 2.058,1 3.494,2 4.775,6 4.984,5 5.135,1 5.288,1 Châu Phi 1.474,1 2.069,6 2.507,4 2.617,9 2.650,2 2.702,9 Châu Á châu Đại Dương 10.729,1 13.718,8 20.897,8 21.078,2 21.535,2 22.255,5 Toàn giới 63.107,6 66.576,0 76.945,9 77.701,3 78.457,7 80.098,8 Hình 1.1 cho thấy liệu sản xuất dầu thô giới (triệu thùng ngày) Nó cho thấy phân hóa sản xuất dầu thô quốc gia thuộc tổ chức nước xuất dầu mỏ (OPEC) quốc gia không thuộc OPEC Điều đáng ý xu hướng sản xuất hai nhóm giai đoạn 1979-1993 ngược nhau, từ năm 1993 song song Hình 1.1 Sản xuất dầu mỏ giới (triệu thùng/ngày) Tại Mỹ, 97% lượng sử dụng ngành giao thông vận tải, bao gồm ô tô, xe tải, tàu hỏa, tàu thủy máy bay đến từ nhiên liệu dầu mỏ Như vậy, xăng dầu đến nhiên liệu giao thông quan trọng nhất, ảnh hưởng nghiêm trọng đến nỗ lực nghiên cứu ứng dụng thực nhiều quốc gia để phát triển xe chạy lượng thay thế, chẳng hạn điện, ethanol hydro 1.3 Khí tự nhiên Trong năm gần đây, khí thiên nhiên trở nên phổ biến nhiều ngành cơng nghiệp Nó đốt cháy so với than đá hay dầu mỏ, cung cấp lợi ích mơi trường Nó phân phối chủ yếu qua đường ống pha lỏng (gọi khí đốt tự nhiên hóa lỏng [LNG]) vận chuyển qua đại dương tàu chở dầu Bảng 1.3 cho thấy việc tiêu thụ tồn giới khí tự nhiên khơ vùng giai đoạn từ năm 1980 đến năm 2003 Như thấy, tiêu thụ tồn giới khí tự nhiên tăng mức 2,6% năm Bảng 1.3 Tiêu thụ khí tự nhiên khơ giới [4] ĐVT: Nghìn tỷ m3 Khu vực Bắc Mỹ 1980 1990 2000 2001 2002 2003 639,0 636,5 784,2 752,0 780,9 776,5 31,1 57,3 93,6 100,2 100,7 108,2 Tây Âu 245,4 297,3 428,5 439,5 449,5 465,3 Đông Âu Liên Xô cũ 449,2 788,2 645,9 660,0 670,8 707,3 Trung Đông 37,1 101,9 193,2 199,8 216,2 222,7 Châu Phi 20,8 38,3 57,7 64,7 69,3 72,3 Châu Á châu Đại Dương 71,5 158,8 295,5 313,8 333,0 353,0 1.498,3 2.078,5 2.498,8 2.530,0 2.620,5 2.705,5 Trung Nam Mỹ Toàn giới Theo tạp chí “Dầu Khí” (OGJ), trữ lượng khí tự nhiên giới thời điểm 1/1/2004 vào khoảng 172,2 (tỷ m3) Giả sử mức độ tiêu thụ khí đốt tự nhiên cho giới trì, trữ lượng đủ để kéo dài thêm 64 năm, yếu tố cung cấp chẳng hạn tăng mức tiêu thụ hàng năm, phát mỏ tiến cơng nghệ Mặc dù ước tính sơ tốt so với dầu khí chút, số phận khí thiên nhiên nhiều giống xăng dầu Bảng 1.4 cho thấy phân bố toàn giới khí tự nhiên cho nước có trữ lượng lớn Trữ lượng giới khí thiên nhiên nói chung tăng , số phát lĩnh vực khí đốt tự nhiên lớn, trữ lượng ước tính có bù đắp nhiều mức tiêu thụ hàng năm Như trình bày bảng 1.4, Nga có khoảng 27,6% trữ lượng khí đốt thiên nhiên giới, tổng hợp cho khu vực Trung Đông chiếm 41,4% Xét tiêu thụ khí đốt tự nhiên, Mỹ chiếm 23,4% (dựa số liệu thống kê năm 2003), khu vực châu Á châu Đại Dương chiếm 13% Điều khác từ kiểu tiêu thụ xăng dầu, nhiên liệu cho giao thơng ưa thích tồn cầu Năng lượng cung cấp khí tự nhiên thu từ nguồn khác thay loại lượng khác tùy thuộc vào hệ thống sở hạ tầng vùng quy luật cung-cầu Bảng 1.4 Trữ lượng khí tự nhiên giới [4] ĐVT: Nghìn tỷ m Quốc gia Trữ lượng Nga 47,6 Iran 26,6 Qatar 26,0 Ả rập Xê út 6,5 UAE 6,0 Mỹ 5,3 Angiêri 4,5 Nigieria 4,5 I rắc 3,1 Úc 0,8 Tồn giới 172,2 Khí thiên nhiên nguồn lượng sử dụng nhiều thứ ba Mỹ (23%) sau dầu mỏ than đá Người tiêu dùng chủ yếu khí thiên nhiên là: nhà sản xuất, tiện ích cơng cộng, dân cư (sưởi ấm nấu ăn), thương mại, chủ yếu cho công trình sưởi ấm, thể hình 1.2 Khí thiên nhiên giúp sản xuất nhiều loại hàng hóa bao gồm nhựa, phân bón, phim ảnh, mực in, cao su tổng hợp, sợi, chất tẩy rửa, keo, methanol, este, chất đuổi trùng nhiều Nó sử dụng sản xuất điện cháy hiệu so với than đá, có vấn đề phát thải liên quan so với nhiên liệu hóa thạch phổ biến khác Tuy nhiên, khí đốt tự nhiên có thị phần hạn chế loại nhiên liệu cho giao thơng, Hình 1.2 Sử dụng khí tự nhiên Mỹ sử dụng động đốt thông thường Điều chủ yếu mật độ lượng thấp đơn vị khối lượng trừ nén áp suất cao Hơn nửa số hộ gia đình Mỹ sử dụng khí tự nhiên làm nhiên liệu sưởi ấm Bất kỳ gián đoạn lớn việc cung cấp khí đốt tự nhiên mang lại hậu nghiêm trọng quản lý lượng quốc gia, ngắn hạn khu vực bị ảnh hưởng định, khí thiên nhiên sử dụng nhiều hai tiện ích phát điện nhà cửa Các vấn đề phụ thuộc lượng khu vực phần giảm nhẹ cách bãi bỏ quy định tiện ích, điều mà thay đổi thực tiễn kinh doanh công ty điện lực ngành cơng nghiệp khí đốt tự nhiên Bãi bỏ quy định cho phép khách hàng mua khí đốt tự nhiên từ nhà cung cấp khác lợi ích địa phương, cung cấp lựa chọn cho người tiêu dùng kết cuối dẫn đến giá trị tốt cho họ Khí thiên nhiên phân bố chủ yếu qua đường ống Tại Mỹ, triệu dặm đường ống ngầm kết nối mỏ khí đốt tự nhiên thành phố lớn Khí hóa lỏng cách làm lạnh đến 260°F (162°C) nhiều ngưng tụ khối lượng (615 lần) so với khí tự nhiên nhiệt độ phịng, làm cho dễ dàng để lưu trữ vận chuyển Khí hóa lỏng tự nhiên (LNG) bồn chứa đặc biệt vận chuyển xe tải tàu LNG có tính lưu động khối lượng nhỏ gọn nhiên liệu lỏng khác Về vấn đề này, có số phẩm chất cần thiết cho loại nhiên liệu cho giao thông Kết là, 100 sở lưu trữ LNG hoạt động Mỹ số tăng Giống tất loại nhiên liệu hóa thạch khác, khí thiên nhiên tạo CO2 (một loại khí nhà kính chủ yếu) đốt Ngồi ra, khí đốt tự nhiên loại khí nhà kính Vì vậy, tất giai đoạn công đoạn, lưu trữ vận chuyển, biện pháp phòng ngừa phải thực để đảm bảo khơng xảy rị rỉ 1.4 Than Than chủ yếu tiêu thụ phát điện ngành công nghiệp Năm 2002, tiêu thụ than chiếm 24% tổng tiêu thụ lượng giới Khoảng 65% lượng tiêu thụ than sử dụng để phát điện, 31% tiêu thụ cho công nghiệp nhà máy sản xuất thép máy phát điện nước phần lại 4% cho tiêu thụ lĩnh vực dân cư thương mại Than nhiên liệu giao thông quan trọng để cấp nguồn cho động nước Tuy nhiên, than đá ngày sử dụng giao thông vận tải Bảng 1.5 cho thấy tiêu thụ than toàn giới theo vùng giai đoạn 1980-2003 Bảng 1.5 Tiêu thụ than giới [4] ĐVT: Triệu Khu vực Bắc Mỹ Trung Nam Mỹ Tây Âu Đông Âu Liên Xô cũ Trung Đông Châu Phi 1980 1990 749,33 972,17 1.168,91 1.146,33 1.151,38 1.183,97 19,40 2000 2001 2002 2003 26,54 37,10 35,47 34,22 35,07 937,45 1.037,19 717,21 718,54 717,04 712,54 1.225,11 1.289,06 724,04 715,16 704,21 717,52 1,08 5,68 13,84 14,84 15,96 15,55 112,50 151,70 189,56 188,16 186,80 202,60 Châu Á châu Đại Dương 1.081,61 1.786,93 2.231,89 2.346,18 2.440,53 2.572,08 Toàn giới 4.126,48 5.269,29 5.082,54 5.164,68 5.250,14 5.439,33 Theo dự báo cho năm 2025 Cơ quan Thơng tin Năng lượng (EIA), tiêu thụ than tồn giới để phát điện sử dụng công nghiệp tương đối ổn định, thể bảng 1.6 Sự gia tăng nhẹ tiêu thụ ngành công nghiệp chủ yếu tăng trưởng cơng nghiệp nhanh chóng Trung Quốc, có trữ lượng cung ứng than dồi dào, trữ lượng hạn chế dầu khí đốt tự nhiên Thương mại quốc tế than dự kiến tăng từ 714 triệu vào năm 2003 lên 969 triệu năm 2025, chiếm khoảng 12-13% tổng lượng tiêu thụ than toàn giới giai đoạn Tổng trữ lượng thu hồi than giới ước tính khoảng 1.001 tỷ tấn, điều đủ để kéo dài khoảng 184 năm trì mức tiêu thụ năm 2003 với mức 5,439 tỷ Trữ lượng vừa điều chỉnh giảm sau áp dụng tiêu chuẩn chặt chẽ hơn, tức khả thu hồi an toàn kinh tế Mặc dù mỏ than phân phối rộng rãi toàn giới, khoảng 57% trữ lượng than thu hồi giới nằm ba nước: Mỹ (27%), Nga (17%) Trung Quốc (13%) Sau ba nước này, sáu quốc gia chiếm 33% tổng số dự trữ: Ấn Độ, Úc, Nam Phi, Ukraine, Kazakhstan Nam Tư cũ Than phân bố không đồng giống nhiên liệu hóa thạch khác dầu mỏ khí đốt tự nhiên Bảng 1.6 Phân phối dự án thị trường than [4] ĐVT: % Thị trường 2002 2015 2025 Phát điện 39 39 38 Ngành công nghiệp 20 22 22 Các ngành khác 3 Tổng thị trường lượng 24 25 24 Than đá nghiên cứu rộng rãi để chuyển thành nhiên liệu khí chất lỏng, nguyên liệu hydrocarbon Phần lớn nhờ vào phong phú tương đối giá nhiên liệu ổn định thị trường, than mục tiêu trọng tâm cho việc chuyển đổi tổng hợp thành hình thức khác nhiên liệu, tức synfuels Than khí hóa, hóa lỏng đồng xử lý với loại nhiên liệu khác bao gồm dầu, sinh khối, lốp xe phế liệu, chất thải rắn đô thị Việc chuyển đổi thứ cấp khí chất lỏng có nguồn gốc than tạo loạt sản phẩm hóa dầu, nhiên liệu thay Năm 2003, than đá nguồn hàng đầu thứ hai phát thải lượng khí CO2 từ việc tiêu dùng việc đốt nhiên liệu hóa thạch, chiếm 37% tổng số Các nguồn hàng đầu phát thải CO2 từ việc tiêu thụ dầu mỏ, chiếm 42% tổng số Vị trí thứ ba khí đốt tự nhiên mức 21% 1.5 Năng lượng hạt nhân Bảng 1.7 cho thấy liệu phát điện hạt nhân toàn giới bảng 1.8 cho thấy liệu phát điện toàn giới giai đoạn 1980-2003 Khoảng 30,3% phát điện hạt nhân giới năm 2003 Mỹ, Pháp (16,6%), Nhật Bản (9,4%), Đức (6,2%), Nga (5,5%) Hàn Quốc (4,9%) trạm nhiên liệu hay cần vận chuyển hydro đường dài (bằng tàu biển chẳng hạn) Ngoài ra, với tất ứng dụng khác ta nên tránh dùng cách lưu trữ tiêu tốn nhiều lượng cần để hóa lỏng 5.3.3 Lưu chứa hydro nhờ hấp thụ hóa học Hydro giữ nhiều hợp chất nhờ liên kết hóa học Và cần thiết, phản ứng hóa học xảy để giải phóng chúng, sau hydro thu thập đưa vào sử dụng pin nhiên liệu Các phản ứng hóa học thay đổi tùy theo hợp chất dùng để lưu trữ hydro Ví dụ như: với NH3BH3, hydro giải phóng nhờ nhiệt 100-3000C; hay hydro giải phóng qua q trình thủy phân (tác dụng với nước) hydride LiH, LiBH 4, NaBH4 Với phương pháp này, ta điều chỉnh lượng hydro sinh theo nhu cầu 5.3.4 Lưu chứa hydro hydrua kim loại (metal hydride) Phương pháp sử dụng số hợp kim có khả độc đáo, hấp phụ hydro Các hợp kim hoạt động giống miếng xốp hút nước, chúng “hút bám” hydro, tạo nên hyđrua kim loại Khi hyđrua kim loại “lấp kín” dần với ngun tử khí hydro, tỏa nhiệt, đó, muốn giải phóng hydro, ta phải cung cấp nhiệt cho Cơng thức tổng quát trình hấp thụ nhả hấp hyđrua kim loại: M + xH2 MH2x Phương pháp chứa lượng lớn thể tích khí hydro hấp thụ vào kim loại Tuy nhiên, lượng hydro hấp thụ chiếm khoảng 1% - 2% tổng trọng lượng bình chứa (kim loại) Vì mà bình chứa dạng nặng vậy, chúng sử dụng ứng dụng di động Ưu điểm phương pháp hầu hết hyđrua kim loại hoạt động áp suất bình thường, xét mặt sử dụng an toàn, điểm thuận lợi việc lưu trữ hydro nhờ hyđrua kim loại Muốn giải phóng khí hydro cần cung cấp nhiệt, thế, trường hợp thùng chứa bị bể vỡ chẳng hạn hydro giữ kết nối kim loại mà không bị hao hụt Lưu trữ hydro hyđrua kim loại ứng dụng nhiều tàu ngầm 5.3.5 Lưu chứa hydro ống cacbon nano rỗng Phương pháp nguyên tắc tương tự hyđrua kim loại chế lưu giữ giải phóng hydro Vật liệu cacbon nano tạo nên cách mạng công nghệ lưu trữ hydro tương lai Cách vài năm, nhà khoa học khám phá đặc tính hữu ích cacbon nano chứa lượng lớn hydro vi cấu trúc than chì dạng ống Hydro chui vào ống, vào khoảng trống ống Lượng hydro hấp thụ phụ thuộc vào áp suất nhiệt độ, nên nguyên tắc, người ta thay đổi áp suất nhiệt độ, bơm hydro vào để lưu trữ, hay đẩy hydro để sử dụng Vấn đề phải tìm loại ống nano cacbon chứa nhiều hydro Ngoài ra, ta cần vật liệu với tỷ lệ ống nano cacbon cao, không lẫn với nhiều loại bụi than khác 66 Hình 5.3 Mơ hình tương tác ống cacbon nano (đỏ) phân tử hydro (trắng) Ưu điểm mang tính đột phá cơng nghệ nano lượng lớn hydro mà lưu chứa được, nữa, so với cách lưu trữ hợp kim ống cacbon nano nhẹ Ống cacbon nano chứa lượng hydro chiếm từ 4% 65% trọng lượng chúng Hiện nay, công nghệ quan tâm nghiên cứu nhiều giới, hứa hẹn phương thức lưu trữ hydro đầy tiềm năng, cho ứng dụng pin nhiên liệu di động nhỏ gọn máy tính xách tay, máy ảnh, điện thoại di động v.v Ngồi ra, cịn phương pháp lưu trữ hydro khác phổ biến thú vị, chứa hydro vi cầu kính 5.3.6 Lưu chứa hydro vi cầu thủy tinh (glass microsphere) Các khối cầu thủy tinh rỗng tí hon dùng phương thức lưu trữ hydro an toàn Những vi cầu rỗng làm nóng dẻo, gia tăng khả thấm thành thủy tinh, lấp đầy đặt ngập khí hydro với áp suất cao Các khối cầu sau làm nguội, "khóa lại" hydro bên khối thủy tinh Khi ta tăng nhiệt độ, hydro giải phóng khỏi khối cầu sử dụng Phương pháp vi cầu an toàn, tinh khiết chứa hydro áp suất thấp, gia tăng giới hạn an tồn 5.4 Vấn đề an tồn Hydro khí khơng màu, không mùi, không vị hoạt động Khi hydro cháy mang mối nguy hiểm tiềm ẩn lửa khơng thể nhận thấy mắt thường Do đó, lan mà người ta nhận biết để cảnh báo Tuy nhiên, chừng mực đó, hydro cháy an tồn nhiên liệu hóa thạch thơng thường Hydro có tốc độ bùng cháy cao tiêu tán mau Do đó, vụ cháy, chí bắt nguồn từ hydro lỏng, thường bùng lên nhanh hết Theo tính tốn nhà khoa học cho thấy vụ cháy xe cộ liên quan đến xăng dầu, đám cháy kéo dài hai mươi đến ba mươi phút, đó, lửa từ đám cháy xe chạy lượng hydro tương đương kéo dài từ đến hai phút Hydro bị đốt cháy sinh nhiệt nước Do khơng có cacbon, nước lại chất hấp thụ nhiệt nên hydro cháy tỏa nhiệt nhiều so với hydrocacbon cháy đám cháy không lan đi, có vật trực tiếp bị đốt 67 lửa bị cháy nặng Những vật khác gần lửa khó mà tự bắt cháy Vì mà mối nguy hiểm khói độc việc cháy lan kéo dài hydro giảm đáng kể Điều có ý nghĩa quan trọng vấn đề cứu hỏa Tỉ trọng thấp khả khuếch tán nhanh cho phép hydro nhanh vào khí có rị rỉ xảy Trong đó, propane xăng dầu, với tỉ trọng cao khả khuếch tán thấp, dễ tụ lại gần mặt đất, làm gia tăng rủi ro cháy nổ Hydro phải đạt đến nồng độ 4% khí gây nguy hiểm, khả bắt lửa hydro tăng lên nhanh Mặc dù nồng độ 4% xem không cao, so sánh với nồng độ cần đạt để bốc cháy xăng dầu có 1%, hydro cho thấy mức rủi ro cháy nổ thấp đáng kể Hydro không độc khơng ăn mịn Xăng dầu độc với người sinh vật vơ tình chúng bị rị rỉ mơi trường bên ngồi Trong đó, hydro bị ra, chúng bay gần hoàn toàn để lại nước 5.5 Ứng dụng nhiên liệu hydro Chúng ta quen thuộc với hình ảnh hydro nguyên liệu cho nhiều ngành cơng nghiệp hóa học: chế tạo ammonia, methanol, lọc dầu, phân bón, luyện kim, mỹ phẩm, chất bán dẫn Thế nhưng, khơng có vậy, hydro nguồn nhiên liệu đầy tiềm với nhiều ưu điểm thuận lợi môi trường kinh tế Hydro nguồn lượng sạch, gần không phát thải khí nhiễm mà sinh nước Từ nước qua trình điện phân ta lại thu hydro Vì vậy, hydro nguồn lượng gần vơ tận hay tái sinh Hơn nữa, xét mặt trọng lượng, hydro có tỉ trọng lượng cao Trên thực tế, nhờ hai đặc tính nhẹ tỉ trọng lượng cao này, hydro dùng làm nhiên liệu cho tên lửa từ buổi ban đầu công nghệ du hành không gian Khi dùng làm nhiên liệu, hydro đốt trực tiếp động đốt trong, tương tự loại phương tiện giao thông chạy xăng dầu phổ biến Hydro thay khí thiên nhiên để cung cấp lượng cho nhu cầu dân dụng hàng ngày đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng Mặt khác, hydro cịn sử dụng làm nguồn lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ q trình điện hóa để tạo điện Bên cạnh ưu điểm hydro nêu (sạch, tái sinh ), pin nhiên liệu cịn chạy êm, khơng gây tiếng động, chấn động động đốt Do dựa chế q trình điện hóa tạo điện khơng phải q trình đốt động đốt trong, pin nhiên liệu đạt hiệu suất sử dụng cao nhiều so với động đốt trong, mà tiết kiệm lượng Với ưu vượt trội đó, pin nhiên liệu ngày quan tâm dự đoán trở nên nguồn nhiên liệu đầy triển vọng, thành phần chủ chốt kinh tế hydro viễn cảnh tương lai 5.6 Pin nhiên liệu Trong kỉ 19 mệnh danh kỉ động nước kỉ 20 kỉ động đốt ta nói, kỉ 21 kỉ nguyên pin nhiên liệu Pin nhiên liệu dần phổ biến thị trường, dự đoán tạo nên cách mạng lượng giới tương lai Pin nhiên liệu sử 68 dụng hydro làm nhiên liệu, mang đến triển vọng cung cấp cho giới nguồn điện bền vững Tương tự ắc quy, pin nhiên liệu thiết bị tạo điện thông qua chế phản ứng điện hóa Điểm khác biệt nằm chỗ, pin nhiên liệu tạo dịng điện liên tục có nguồn nhiên liệu cung cấp cho nó, đó, ắc quy cần phải nạp điện lại (sạc) sau thời gian sử dụng Vì mà pin nhiên liệu khơng chứa lượng bên trong, chuyển hóa trực tiếp nhiên liệu thành điện năng, ắc quy cần phải nạp điện lại từ nguồn bên ngồi Hình 5.4 Cơ chế hoạt động pin nhiên liệu Mỗi pin nhiên liệu gồm có hai điện cực âm (cathode) dương (anode) Phản ứng sinh điện xảy hai điện cực Giữa hai điện cực chứa chất điện phân, vận chuyển hạt điện tích từ cực sang cực khác, chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng Các module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay trực tiếp để tạo thiết bị có mức cơng suất phát điện khác Hai nhiên liệu cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành đơn giản hydro oxy Lợi hấp dẫn pin nhiên liệu chỗ tạo dịng điện sạch, ô nhiễm, sản phẩm phụ trình phát điện cuối nước, không độc hại Các phản ứng hóa học tạo dịng điện chìa khóa chế hoạt động pin nhiên liệu Có nhiều loại pin nhiên liệu kiểu vận hành cách khác chung nguyên tắc Khi nguyên tử hydrođi vào pin nhiên liệu, phản ứng hóa học xảy anode lấy electron chúng Những nguyên tử hydrol lúc bị ion hóa mang điện tích dương Electron điện tích âm chạy qua dây dẫn tạo dòng điện chiều Oxy vào cathode số dạng pin nhiên liệu, chúng kết hợp với electron từ dòng điện ion hydro vừa qua chất điện phân từ anode; số dạng pin nhiên liệu khác, oxy lấy electron qua chất điện phân đến anode, gặp kết hợp với ion hydro 69 Chất điện phân đóng vai trị định chủ chốt Nó phải cho phép ion thích hợp qua anode cathode; electron tự hay chất khác qua chất điện phân này, chúng làm hỏng phản ứng hóa học Dù gặp anode hay cathode, kết hợp với nhau, hydro oxy cuối tạo nước, thoát khỏi pin Pin nhiên liệu liên tục phát điện cung cấp hydro oxy Dưới sơ đồ mô tả hai phản ứng pin nhiên liệu mà phản ứng tổng quát chúng phản ứng nghịch trình điện phân nước: Phản ứng anode: H2 => H+ + 4e- Phản ứng cathode: O2 + H+ + 4e- => H2O Tổng quát: H2 + O2 => H2O + lượng (điện) Phản ứng hóa học tổng quát cho pin nhiên liệu cịn tương tự phản ứng hóa học mơ tả q trình hydro bị đốt cháy với diện oxy, tức kết hợp khí hydrovà oxy tạo nên lượng; điểm làm nên khác biệt quan trọng hai trình nằm chế phản ứng - phản ứng cháy tạo nhiệt phản ứng điện hóa pin nhiên liệu sinh điện Pin nhiên liệu chuyển đổi trực tiếp hóa thành điện năng, q trình khơng liên quan đến chuyển hóa nhiệt thành nên khơng phải đối tượng định luật nhiệt động lực học giới hạn hiệu suất tối đa động nhiệt thông thường (Carnot) Do đó, hiệu suất pin nhiên liệu vượt giới hạn Carnot, chí vận hành nhiệt độ tương đối thấp 5.7 Các loại pin nhiên liệu Pin nhiên liệu có số kiểu khác nhau, chủ yếu chất điện phân mà chúng sử dụng Trong có chất cho phép proton (H +) qua có chất khác cho phân tử phức tạp xuyên qua màng Các chất điện phân chúng sử dụng lấy làm tên gọi để phân biệt dạng pin nhiên liệu khác nhau, ví dụ như: AFC pin nhiên liệu kiềm, PEMFC - pin nhiên liệu màng trao đổi proton), PAFC - pin nhiên liệu axit phosphoric, MCFC – pin nhiên liệu muối cacbonate nóng chảy, SOFC – pin nhiên liệu oxit rắn… Mỗi dạng pin nhiên liệu có chế độ vận hành ứng dụng khác giới thiệu a) AFC (Alkaline Fuel Cell) - pin nhiên liệu alkali (kiềm) Pin nhiên liệu alkali (kiềm) vận hành với khí hydro nén oxy, dùng dung dịch kiềm KOH làm chất điện phân Hiệu suất pin khoảng 70%, hoạt động từ 150 đến 200oC Công suất đầu khoảng từ 300W đến 5KW Do khối lượng kích thước nhỏ, hiệu suất cao nên phần lớn loại pin nhiên liệu alkali thường dùng phương tiện xe cộ, giao thông Phản ứng anode: H2 + OH- => H2O + 4e- Phản ứng cathode: O2 + H2O + 4e- => OH- Tổng quát: H2 + O2 => H2O + lượng (điện) 70 Pin nhiên liệu alkali NASA chọn sử dụng chương trình khơng gian đội tàu Con Thoi phi thuyền Apollo, chủ yếu lượng sinh đạt hiệu suất đến 70% Điều thú vị là, không cung cấp lượng dạng điện năng, pin nhiên liệu alkali cung cấp nước uống cho phi hành gia Nó địi hỏi nhiên liệu hydro tinh khiết chất xúc tác điện cực Platin (bạch kim) Vì mà pin nhiên liệu alkali cịn đắt đỏ để thương mại hóa cho sản phẩm thơng thường Tuy nhiên, số cơng ty tìm cách giảm giá thành tăng tính đa dụng loại pin nhiên liệu Tháng 7/1998, công ty “xe cộ không phát thải” ZEVCO (the Zero Emission Vehicle Company) tung taxi mẫu London nước Anh Chiếc taxi sử dụng pin nhiên liệu alkali 5KW, chất xúc tác cobalt thay cho bạch kim (platin) để giảm chi phí, xe chạy khơng sinh khí độc vận hành êm, gần không gây tiếng động taxi chạy động đốt thông thường b) MCFC (Molten Cacbonate Fuel Cell) - pin nhiên liệu muối cacbonate nóng chảy MCFC dùng muối carnonate Na Mg nhiệt độ cao làm chất điện phân Hiệu suất pin đạt từ 60 đến 80%, vận hành nhiệt độ khoảng 650 0C Các đơn vị có cơng suất đầu MW kết hợp với thiết kế cho công suất đến 100 MW MCFC dùng chất xúc tác điện cực nikel nên không đắt so với xúc tác điện cực bạch kim AFC Tuy nhiên, nhiệt độ cao có mặt hạn chế vật liệu an tồn Bên cạnh đó, ion cacbonate từ chất điện phân bị sử dụng hết phản ứng, địi hỏi phải tiếp thêm khí cacbonic bù vào Phản ứng anode: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e- Phản ứng cathode: CO2+ ½ O2 + 2e- => CO32- Tổng quát: H2(k) + ½ O2(k) + CO2 (cathode) => H2O(k) + CO2 (anode)+ điện Pin nhiên liệu MC vận hành nhiệt độ cao, đa số ứng dụng nhà máy, trạm phát điện lớn (ứng dụng tĩnh) Nhiệt độ cao q trình vận hành tận dụng tạo nên thêm nguồn lượng bổ sung từ nhiệt thừa để sưởi ấm, dùng cho q trình cơng nghiệp hay động nước sinh thêm điện Nhiều nhà máy nhiệt điện chạy gas áp dụng hệ thống này, gọi cogeneration (phát điện kết hợp) Nhật Bản, Mỹ ứng dụng công nghệ này, xây dựng nhà máy điện pin nhiên liệu MC từ thập kỉ 90 kỉ trước c) PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – pin nhiên liệu axit phosphoric PAFC dùng axit phosphoric làm chất điện phân Hiệu suất pin đạt từ 40 đến 80%, nhiệt độ vận hành nằm khoảng 150 đến 200 độ C Các pin nhiên liệu PAFC có cơng suất đến 200 KW, chí 11 MW thử nghiệm PAFC chịu nồng độ CO khoảng 1,5%, mở rộng khoảng chọn lựa loại nhiên liệu mà chúng sử dụng PAFC đòi hỏi điện cực bạch kim, phận bên phải chống chịu ăn mòn axit PAFC phát triển, kiểm tra thực nghiệm từ thập kỉ 60 70 kỉ trước, dạng pin nhiên liệu thương mại hóa thị trường nên đến 71 ngày PAFC có nhiều cải tiến đáng kể nhằm giảm chi phí tăng tính ổn định, chất lượng hoạt động Hệ thống PAFC thường cài đặt cho tòa nhà, khách sạn, bệnh viện, thiết bị điện (các ứng dụng tĩnh tương đối lớn) công nghệ phổ biến Nhật Bản, châu Âu Mỹ d) PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – pin nhiên liệu màng trao đổi proton PEMFC (còn gọi “Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell” - pin nhiên liệu màng điện phân polymer) có chế phản ứng sơ đồ (5.2) (5.4) Pin nhiên liệu PEM hoạt động với màng điện phân plastic mỏng Hiệu suất pin từ 40 đến 50%, vận hành nhiệt độ thấp, chừng 800C Công suất dịng linh hoạt KW cho ứng dụng nhỏ, di động hay khoảng từ 50 đến 250 kW cho ứng dụng tĩnh lớn Vận hành nhiệt độ thấp nên PEM thích hợp cho ứng dụng gia đình xe cộ Tuy nhiên, nhiên liệu cung cấp cho PEM địi hỏi phải tinh (khơng lẫn nhiều tạp chất) PEM cần xúc tác bạch kim đắt tiền hai mặt màng điện phân, gia tăng chi phí PEMFC lần sử dụng vào thập kỉ 60 kỉ trước chương trình khơng gian Gemini NASA, đến pin nhiên liệu PEM phát triển với hệ thống công suất thông thường từ W đến KW Người ta tin PEMFC dạng pin nhiên liệu thích hợp cung cấp lượng cho xe cộ, phương tiện giao thông, cuối lâu dài thay động đốt chạy xăng dầu, diesel So với dạng pin nhiên liệu khác, PEMFC sinh nhiều lượng với thể tích hay khối lượng nhiên liệu cho trước Hơn nữa, nhiệt độ vận hành 1000C cho phép khởi động nhanh Những ưu điểm với khả thay đổi linh hoạt, nhanh chóng công suất đầu làm cho pin nhiên liệu PEM trở thành ứng cử viên hàng đầu cho loại xe hay ứng dụng di động khác máy tính xách tay… Mặt khác, chất điện phân vật liệu rắn (màng), chất lỏng dạng pin nhiên liệu khác, việc nút kín khí phát từ điện cực đơn giản làm giảm chi phí sản xuất Màng điện phân rắn gặp khó khăn vận hành, bị ăn mịn so với dạng chất điện phân khác, dẫn đến kéo dài tuổi thọ pin e) SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) – pin nhiên liệu oxit rắn SOFC sử dụng hợp chất oxit kim loại rắn (như calcium hay ziconium) làm chất điện phân Hiệu suất đạt khoảng 60% vận hành nhiệt độ từ 6000C đến 1.0000C Được phát triển từ cuối năm 50 kỉ trước, dạng pin nhiên liệu vận hành nhiệt độ cao Nhiệt độ cao cho phép pin sử dụng nhiều loại nhiên liệu đầu vào, khí thiên nhiên, sinh khối hydrocacbon (trích xuất lấy hydro trực tiếp mà khơng cần phải qua chuyển hóa nhiệt) Cơng suất đầu pin đến 100 KW Vận hành nhiệt độ cao vậy, chất điện phân vật liệu oxit rắn, mỏng cho phép ion oxy (O2-) qua Phản ứng anode: H2 + O2- => H2O + e- Phản ứng cathode: O2 + 4e- => O2- 72 Tổng quát: H2 + O2 => H2O + lượng (điện) Cũng giống pin nhiên liệu muối cacbon nóng chảy, vận hành nhiệt độ cao nên dạng pin nhiên liệu thường ứng dụng giới hạn hệ thống tĩnh lớn nhiệt thừa tái tận dụng để tạo thêm nguồn điện bổ sung Năm dạng pin nhiên liệu ứng dụng thực nghiệm từ lâu Ngoài ra, số dạng pin nhiên liệu khác hứa hẹn nhiều triển vọng bước đầu giai đoạn nghiên cứu tiếp tục giới thiệu f) DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) – pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp Dù công nghệ chập chững bước ban đầu thể số thành công ứng dụng điện thoại di động máy tính xách tay (laptop), đem lại triển vọng đầy tiềm cho tương lai DMFC tương tự PEMFC chỗ chất điện phân polymer điện tích vận chuyển ion hydro (proton) Tuy nhiên, với DMFC, methanol lỏng (CH3OH) bị oxy hóa nước anode, sinh khí cacbonic, ion hydro qua chất điện phân phản ứng với oxy từ khơng khí electron từ dòng điện tạo thành nước anode, hồn thành chu trình Phản ứng anode: CH3OH + H2O => CO2 + H+ + 6e- Phản ứng cathode: 3/2 O2 + H+ + 6e- => H2O Tổng quát: CH3OH + 3/2 O2 => CO2 + H2O + lượng (điện) Khi bắt đầu phát triển từ đầu năm 90 kỉ trước, DMFC lúc chưa ý nhiều hiệu suất mật độ lượng thấp số vấn đề khác Tuy nhiên, cải tiến chất xúc tác phát triển gần gia tăng mật độ lượng lên gấp 20 lần hiệu suất cuối đạt đến 40% DMFC thử nghiệm khoảng nhiệt độ từ 500C-1200C Với nhiệt độ vận hành thấp khơng địi hỏi phải qua bước chuyển hóa thành hydro mà dùng trực tiếp nhiên liệu methanol, DMFC trở thành ứng cử viên sáng giá cho ứng dụng cỡ từ nhỏ đến trung bình điện thoại di động sản phẩm tiêu dùng khác Một nhược điểm DMFC nhiệt độ vận hành thấp đòi hỏi chất xúc tác phải hiệu lực hơn, có nghĩa lượng xúc tác bạch kim đắt đỏ cần dùng lớn so với dạng PEMFC thông thường Ngồi ra, methanol cịn chất độc Vì mà số công ty bắt tay vào việc phát triển pin nhiên liệu sử dụng ethanol trực tiếp (DEFC – direct ethanol fuel cell) Hiệu suất DEFC khoảng nửa so với DMFC, dự đoán khoảng cách ngày rút ngắn tương lai g) RFC (Regenerative Fuel Cell) – pin nhiên liệu tái sinh 73 Hình 5.5 Phi thuyền cánh buồm Helios NASA Hình 5.6 Hệ thống pin mặt trời pin nhiên liệu tích hợp cho Helios bay ban ngày ban đêm RFC hệ thống vận hành thành chu trình kín trở thành tảng cho kinh tế hydro dựa nguồn lượng tái tạo Pin nhiên liệu sinh điện năng, nhiệt nước từ hydro oxy sử dụng khắp kinh tế, cung cấp lượng cho nhà máy, xe cộ, phương tiện giao thông vận chuyển cho nhu cầu dân dụng hộ gia đình Hydro sinh từ điện phân nước, tách nước thành hai thành phần hydro oxy; trình sử dụng lượng tái tạo từ nguồn tự nhiên gió, mặt trời hay địa nhiệt Một hệ thống khơng địi hỏi dạng pin nhiên liệu chuyên biệt nào, cần có sở hạ tầng để phân phối hydro đến pin nhiên liệu để sử dụng Tuy nhiên, chưa có sở hạ tầng để phân phối hydro NASA tiến hành dự án phát triển hệ thống pin nhiên liệu tái sinh nhẹ hiệu để sử dụng máy bay tên Helios bay độ cao 30 km Chiếc máy bay trước chạy panel lượng mặt trời Mục tiêu dự án tích hợp hai hệ thống lượng mặt trời pin nhiên liệu tái sinh Hệ thống pin mặt trời cung cấp lượng cho máy bay suốt ban ngày sinh nguồn hydro bổ sung, hydro lưu trữ để cung cấp cho pin nhiên liệu sử dụng vào ban đêm Một hệ thống dùng hồn tồn lượng bền vững, giúp chuyến bay kéo dài nhiều ngày h) ZAFC (Zinc-Air Fuel Cell) – pin nhiên liệu kẽm/không khí ZAFC vừa có đặc tính pin nhiên liệu vừa mang tính chất pin ắc quy Chất điện phân ZAFC chất sứ rắn dùng ion hydroxyl (OH-) làm 74 chất mang điện tích Để đạt hiệu suất điện/nhiên liệu cao vớI nhiên liệu hydrocacbon độ dẫn cao cho chất mang điện tích, ZAFC vận hành 700 oC Điện cực dương, anode làm từ kẽm cung cấp hydro hay chí hydrocacbon Điện cực âm, cathode tách khỏi nguồn khơng khí cấp vào nhờ điện cực phân tán khí GDE (gas diffusion electrode), màng thẩm thấu cho phép oxy khơng khí qua Ở cực âm, oxy phản ứng với hydro để tạo nên ion hydroxyl nước Phản ứng anode: CH4 + H2O => CO2 + H+ + 6eZn + OH- => ZnO + H + e- Phản ứng cathode: O2 + H+ + 2e- => OHO2 + H+ + 4e- => H2O Tổng quát: CH4 + O2 => CO2 + H2O + lượng (điện) Nhiệt độ vận hành cao ZAFC làm cho có khả chuyển hóa nhiệt hydrocacbon trực tiếp, khơng cần thiết bị chuyển hóa bên ngồi để tạo hydro Một thuận lợi khác việc hoạt động nhiệt độ cao nhiệt thừa tận dụng để tạo nước áp suất cao, hữu ích cho nhiều ứng dụng cơng nghiệp thương mại Chất điện phân ZAFC có số ưu điểm trội so với chất điện phân khác Nó khơng địi hỏi nước bão hịa màng polymer PEMFC vậy, không bị khô hết nên không cần thiết bị để kiểm tra giám sát độ ẩm hai điện cực Hơn nữa, chất rắn, rị rỉ chất điện phân không xảy với chất điện phân lỏng Tuy nhiên, điện cực dương kẽm bị hao mòn nên phận cần thay Bảng 5.1 So sánh dạng pin nhiên liệu Dạng pin nhiên liệu PEMFC AFC PAFC MCFC SOFC Polymer hữu cơDung dịch kiềm Dung dịch axitMuối cacbonatOxit zirconium Chất điện rắn phosphoric nóng chảy củarắn phân Li, Na K Nhiệt độ 60-1000C 90-1000C vận hành - Thiết bị điện- Quân cầm tay (di Lĩnh vực động, nhỏ) - Không gian ứng dụng - Giao thông 175-2000C 600-10000C 600-10000C - Thiết bị điện - Giao vận tải Trạm phát điệnTrạm phát điện thông(lớn) (lớn) 75 vận tải (xe cộ) - Chất điệnPhản ứng ở- Đạt hiệu suất- Hiệu suất cao - Hiệu suất cao Ưu điểm phân rắn nêncathode nhanhlên đến 85% giảm thiểuhơn chấtkết hợp phát- Có thể dùng- Có thể dùng vấn đềđiện phân kiềm điện nhiệtđược nhiều loạiđược nhiều loại ăn mòn bảo (cogeneration) nhiên liệu đầunhiên liệu đầu trì vào khác nhauvào khác - Có thể sử(linh hoạt) (linh hoạt) - Nhiệt độ vận dụng nhiên liệu hành thấp nên không tinh khiết- Có thể dùng- Có thể dùng sử (lẫn tạp chất) loạiđược loại dụng rộng rãi xúc tác khácxúc tác khác cho ứng nhau dụng thông thường - Chất điện phân rắn nên giảm - Khởi động thiểu vấn nhanh đề ăn mịn bảo trì Nhược điểm 5.8 - Nhiệt độ thấp -Đòi hỏi xúc tác đòi hỏi xúc tácTốn chi phí chobạch kimNhiệt độ đắt tiền việc khử CO2(Platinium) làm tăng khỏi nhiên liệu mịn có - Nhạy cảm caovà dịng khơng-Cho dịng điệnlàm giịn vỡ cường độ thấp trúc pin với tạp chất củakhí nhiên liệu (nếu -Nặng, kích cỡ có) to lớn caoNhiệt độ cao ănlàm tăng ăn mịn thểvà làm cấugiịn vỡ cấu trúc pin Viễn cảnh kinh tế hydro (hydro economy) Chúng ta đứng ngưỡng cửa buổi giao thời trọng đại, chuyển tiếp sang thời kì lượng đa dạng hóa Cộng đồng quốc tế nhận hydro thành phần chủ chốt cho hệ thống lượng bền vững Hydro chất mang lượng ứng dụng nhiều lĩnh vực từ phát điện đến vận tải, công nghiệp, dân dụng thương mại Trong tương lai, cơng nghệ hồn thiện dần, hydro sản xuất chủ yếu từ công nghệ điện phân từ nguồn tái tạo, hay chuyển hóa nhiệt từ nguyên liệu hóa thạch ban đầu với kỹ thuật thu hồi cacbon Hydro lưu trữ, chuyên chở phương tiện vận tải hay đường ống dẫn khí, sử dụng pin nhiên liệu, động cơ, để tạo dịng điện mà khơng thải khí nhiễm có nước sản phẩm phụ chủ yếu 76 Hình 5.7 Viễn cảnh lượng tương lai Nền kinh tế hydro hệ thống nguồn lượng liên kết với nhiều dạng ứng dụng phong phú thơng qua hydro với vai trị chất mang lượng (chuyên chở lượng) Hydro làm cho việc sản xuất sử dụng lượng linh hoạt, đa dạng sản xuất từ nhiều nguồn khác từ nhiên liệu hóa thạch, hạt nhân đến lượng tái sinh Trước mắt tương lai gần, hydro sản xuất từ khí thiên nhiên cơng nghệ chuyển hóa nhiệt quen thuộc Các cơng nghệ cịn giai đoạn hồn thiện phát triển dần sản xuất hydro điện phân dùng lượng tái tạo, hay trực tiếp từ phương pháp quang sinh học, với công nghệ than sạch… Tất ngày trở nên “chi phí – hiệu quả” góp phần hình thành hệ thống sản xuất hydro nội địa đa dạng phong phú Một mạnh hydro chỗ sản xuất từ nhiều nguồn Mỗi khu vực, tùy điều kiện có cách kết hợp nguồn khác để tạo hydro Cơ sở hạ tầng cho hệ thống lưu trữ, phân phối hydro cần xây dựng dần Nó dựa công nghệ tiên tiến xây dựng đường ống dẫn dầu khí Chúng ta sử dụng hydro động đốt trong, tương tự động phương tiện giao thông dùng xăng dầu nay, với số thay đổi nhỏ cấu trúc Hydro cháy (không thải, sản phẩm phụ nước) hiệu xăng dầu thơng thường, động đốt dùng hydro dần trở thành thực bước chuyển tiếp công nghệ Quan trọng hơn, ứng dụng hydro làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu, công nghệ đầy triển vọng tương lai Về bản, pin nhiên liệu hydro vận hành tương tự trình nghịch phản ứng điện phân: khí hydrovà oxy từ khơng khí kết hợp với phản ứng điện hóa có xúc tác để tạo nên dịng điện nước sinh tinh khiết uống Bên cạnh ưu điểm khơng thải khí nhiễm, pin nhiên liệu cịn vận hành êm ả, khơng gây chấn động hay tiếng động đạt hiệu suất cao gấp hai đến ba lần động đốt Pin nhiên liệu cịn kết nối từ nhiều module khác nên tạo công suất đầu linh hoạt ý muốn Hơn nữa, pin nhiên liệu có nhiều loại, nên có nhiều kiểu ứng dụng phong phú khác nhau, từ ứng dụng di động nhỏ laptop - máy tính xách tay (50-100 W) hay đến trạm phát điện lớn với công suất hàng 77 trăm MW (1-200 MW) Một công nghệ pin nhiên liệu trở nên hồn thiện, chúng sản xuất ứng dụng trực tiếp hộ gia đình, thiết bị văn phịng, cơng nghiệp Mặc dù tiềm pin nhiên liệu phục vụ cho gần mặt kinh tế, tại, cịn tương đối đắt đỏ so với động đốt thông thường Pin nhiên liệu cần phát triển nữa, nâng cao độ bền giảm giá thành để ứng dụng rộng rãi thực tế Bước chuyển tiếp sang kinh tế hydro cần có thời gian phải trải qua nhiều giai đoạn Các giai đoạn xác định tiến công nghệ chấp nhận thị trường Thêm vào đó, việc giáo dục an toàn hydro cần nỗ lực xúc tiến để đảm bảo thuyết phục cộng đồng sẵn sàng cho hydro ngày trở nên phổ biến Nhà nước - phủ, cơng nghiệp cộng đồng, tất đóng vai trị quan trọng định Nhà nước người hỗ trợ cho việc nghiên cứu phát triển công nghệ, việc phát triển quy định luật pháp tiêu chuẩn an toàn cho việc sử dụng hydro Nhà nước sử dụng sách kích thích thị trường khuyến khích cơng nghệ lượng hydro Vai trị cơng nghiệp xác định công nghệ sẵn sàng cho bước chuyển tiếp vào thị trường, thiết lập nên sở sản xuất để cung cấp thành phần công nghệ Công nghiệp với cộng đồng xác định đòi hỏi người tiêu dùng chấp nhận thị trường công nghệ Bước chuyển tiếp đòi hỏi nỗ lực đầu tư đáng kể ban đầu Tuy nhiên, kết đạt kinh tế ổn định bền vững, sử dụng nguồn tài nguyên tái tạo sẵn có địa phương để cung cấp nguồn điện nhiên liệu đáp ứng cho nhu cầu lượng 78 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đinh Thị Ngọ, TS Nguyễn Khánh Diệu Hồng: “Nhiên liệu trình xử lý hóa dầu”, NXB Khoa học kỹ thuật, 2008 [2] Tiêu chuẩn Việt Nam nhiên liệu diesel sinh học gốc B100 TCVN 7717 – 07,2007 [3] Kiều Đình Kiểm, Các sản phẩm dầu mỏ hóa dầu, NXB KHKT, Hà Nội 2005 [4] International Energy Annual 2003 posted in 2005, Energy Information Administration (EIA), U.S Department of Energy, accessible through the Web site, http://www.eia.doe.gov/pub/international/iealf/ [5] Mittelbach, M (Graz 2004): Biodiesel – the comprehensive handbook [6] Daniel Ballerini, Nathalie Alazard-Toux, Les biocarburants: Etat des lieux, perspectives et enjeux du développement, Editions Technip, 2006 [7] Air Products Market outlook for DiMethyl Ether (DME), 2002 Report prepared for DOE Alberta, 2003 80