2.2. Nguồn năng lượng sinh khối
2.2.2.5. Chất thải từ gia súc(Livestock residues)
Chất thải gia súc, như phân trâu, bị, heo và gà, có thể được chuyển thành gas hoặc đốt trực tiếp nhằm cung cấp nhiệt và sản xuất năng lượng. Các trang trại này dùng phân đế sản xuất năng lượng với các cách thức thích hợp nhằm giảm thiểu các mối nguy hại đối với môi trường và sức khỏe cộng đồng. Các chất thải này có thể được sử dụng để sản xuất ra nhiều loại sản phẩm và tạo ra điện năng thông qua các phương pháp tách methane và phân hủy yếm khí .
Luận văn tốt nghiệp
Hình 2.16: Chất thải từ gia súc 2.2.2.6. Các loại bã thải khác
Chất thải củi gỗ đô thị: chất thải củi gỗ là nguồn chất thải lớn nhất ở các công trường. Chất thải củi gỗ đô thị bao gồm các thân cây, phần thừa cây đã qua cắt tỉa. Những vật liệu này có thể được thu gom dễ dàng sau các dự án công trường và cắt tỉa cây, sau đó có thể được chuyển thành phân trộn hay được dùng để cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy năng lượng sinh học.
Chất thải rắn đô thị: chất thải ở các trung tâm thương mại, cơ quan, trường hoc, nhà dân có một hàm lượng nhất định của các vật chất hữu cơ có xuất xứ từ cây, là một nguồn năng lượng tái tạo khơng nhỏ. Giấy thải, bìa cứng, các tơng, chất thải gỗ là những ví dụ của nguồn sinh khối trong chất thải đơ thị.
Luận văn tốt nghiệp
Khí ở các bãi chơn lấp: phần lớn trong q trình phân hủy yếm khí, sản phẩm phụ tự nhiên của quá trình phânn hủy chất thải hữu cơ của vi sinh vật có một lượng lớn khí methane, có thể được thu thập, chuyển dạng và dùng để tạo ra năng lượng. Các chất thải này được thu gom, tái tạo thơng qua q trình tiêu hóa và phân hủy yếm khí. Sự thu gom các chất thải trong các bãi chôn lấp và dùng chúng như một nguồn nănh lượng sinh học tái tạo có rất nhiều lợi ích như: tăng cường bảo vệ sức khỏe cộng đồng thông qua việc xử lý chất thải, giảm diện tích đất sử dụng cho các bãi chôn lấp, giảm ô nhiễm môi trường, mùi hôi thối và giúp cho việc quản lý chất thải một cách hiệu quả.
2.2.2.7. Cây trồng năng lượng(Energy forestry/crops)
Các giống cây năng lượng là các giống cây, cây cỏ được xử lý bằng công nghệ sinh học để trở thành các giống cây tăng trưởng nhanh, được thu hoạch cho mục đích sản xuất năng lượng. Các giống cây này có thể được trồng, thu hoạch và thay thế nhanh chóng.
Các giống cây cỏ (thảo mộc) năng lượng: Đây là các giống cây lâu năm được thu hoạch hằng năm sau 2-3 năm gieo trồng để đạt tới hiệu suất tối đa. Các giống cây này bao gồm các loại cỏ như cỏ mềm (switchgrass) xuất xứ từ Bắc Mỹ, cỏ voi miscanthus, cây tre, cây lúa miến ngọt, cỏ đi trâu cao, lúa mì, kochia,... Các giống cây này thường được trồng cho việc sản xuất năng lượng.
Các giống cây gỗ năng lượng: Các giống cây gỗ có vịng đời ngắn là các giống cây phát triển nhanh và có thể thu hoạch sau 5-8 năm gieo trồng. Các giống cây này bao gồm cây dương ghép lai, cây liễu ghép lai, cây thích bạc, cây bơng gịn đơng phương, cây tần bì xanh, cây óc chó đen, sweetgum và cây sung.
Các giống cây công nghiệp: Các giống cây này đang được phát triển và gieo trồng nhằm sản xuất các hóa chất và vật liệu đặc trưng nhất định. Ví dụ như cây dâm bụt và rơm dùng trong sản xuất sợi, castor cho acid ricinoleic. Các giống cây chuyển gen đang được phát triển nhằm sản xuất các hóa chất mong muốn giống như một thành phần của cây, chỉ đòi hỏi sự chiết xuất và tinh lọc sản phẩm.
Luận văn tốt nghiệp
Các giống cây nông nghiệp (Agricultural Crops): Các giống cây nông nghiệp bao gồm các sản phẩm sẵn có hiện tại như bột bắp và dầu bắp, dầu đậu nành, bột xay thơ, bột mì, các loại dầu thực vật khác và các thành phần đang được phát triển cho các giống cây tương lai. Mặc dù các giống này thường được dùng để sản xuất nhựa, các chất hóa học và các loại sản phẩm, chúng thường cung cấp đường, dầu và các chất chiết xuất khác.
Các giống cây dưới nước (Aquatic crops, thủy sinh): Nguồn sinh khối đa dạng dưới nước bao gồm tảo, tảo bẹ, rong biển, và các loại vi thực vật biển. Các giống dùng trong thương mại bao gồm chiết xuất của tảo bẹ dùng cho các chất làm đặc và các chất phụ gia thực phẩm, chất nhuộm từ tảo, chất xúc tác sinh học được dùng trong các quá trình xử lý sinh học ở các môi trường khắc nghiệt.
2.3. Nguyên lý chung của việc sản xuất điện từ sinh khối
Có 2 phương pháp:
- Phương pháp hóa sinh (biochemical): dùng phương pháp hóa sinh để biến đổi sinh khối (Biomass) thành khí sinh học làm nhiên liệu cho các động cơ đốt trong kéo máy phát điện.
- Phương pháp nhiệt hóa học (Thermochemical): đốt nhiên liệu sinh khối
dạng rắn, nhiệt lượng tỏa ra làm hóa hơi các lị hơi quay các tua bin hơi phát điện.
Sinh Khối
Hóa Sinh Nhiệt Hóa
Lên Men Tiêu hóa Kỵ khí Đốt Khí Hóa Nhiệt Phân
Luận văn tốt nghiệp
Hình 2.17: Những phương pháp biến đổi sinh khối 2.3.1. Phương pháp nhiệt hóa học (Thermochemical)
2.3.1.1. Công nghệ đốt sinh khối
Phương pháp tạo điện từ việc đốt sinh khối là hình thức chung nhất. Phương pháp này có phạm vi áp dụng rộng từ các nhà máy vài MW đến 100 MW hoặc hơn. Trên toàn thế giới, hơn 90% sinh khối được sử dụng để sản xuất điện là bằng phương pháp này. Chi phí và sự dồi dào của nguyên liệu ảnh hưởng mạnh mẽ tới quy mơ và tính kinh tế của dự án.
Có hai thành phần chính trong một nhà máy điện đốt sinh khối: buồng đốt sinh khối để tạo hơi nước, và tua-bin hơi để tạo ra điện.
Hơi nước tạo ra trong buồng đốt được tống vào tua-bin hơi. Điều này chuyển nhiệt chứa trong hơi nước thành cơ năng, làm quay máy phát điện.
Luận văn tốt nghiệp
2.3.1.2. Cơng nghệ khí hóa sinh khối
Khí hóa sinh khối là chuyển sinh khối dạng rắn thành dạng khí, được gọi là khí tổng hợp (syngas). Khí này có thể đốt cháy trong các tua-bin đơn hoặc các tua- bin chu kỳ liên hợp (CCGT) ở hiệu suất cao hơn việc đốt sinh khối để quay tua-bin hơi. Hiệu suất của những hệ thống dạng này có thể lên đến 60%.
Khí hóa sinh khối có hai quy trình:
- Quy trình 1: Nhiệt phân. Nhiệt độ của quy trình này khoảng 500oC. Ở quy trình này, 75% - 90% nguyên liệu dễ bay hơi chuyển thành thể lỏng hoặc khí. Các sản phẩm khó bay hơi cịn lại gọi là than.
- Quy trình 2: Khí hóa. Nhiệt độ của quy trình này khoảng 1000oC. Ở quy trình này, các hydrocarbon khơng bền và than sẽ được chuyển thành CO, H2 và CO2. Tuy nhiên, cho đến nay, quá trình khí hóa vẫn chưa được ứng dụng rộng trong thực tế mà chỉ vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm kỹ thuật. Các lò chuyển đổi sinh khối rắn thành khí đốt nóng sinh khối ở một mơi trường mà tại đó sinh khối rắn phân hủy chuyển thành khí dễ cháy. Q trình này có thuận lợi hơn so với việc đốt trực tiếp. Khí sinh học có thể được làm sạch và lọc để phân loại và tách các hợp chất hóa học có thể có hại.
2.3.1.3. Cơng nghệ nhiệt phân
Nhiệt phân là quá trình đốt sinh khối ở nhiệt độ rất cao (khoảng 500oC) và sinh khối phân rã trong mơi trường thiếu khí oxy. Vấn đề trở ngại ở đây là rất khó tạo ra một mơi trường hồn tồn khơng có oxy. Thơng thường, một lượng nhỏ oxy hóa vẫn diễn ra và có thể tạo ra một số sản phẩm phụ khơng mong muốn. Ngồi ra, cơng nghệ này địi hỏi một nguồn thu nhiệt lượng cao và do đó vẫn cịn rất tốn kém. Quá trình đốt sinh khối tạo ra dầu nhiệt phân (pyrolysis oil), than hoặc khí tổng hợp (char & syngas). Các sản phẩm này có thể được sử dụng tương tự như dầu khí để tạo điện năng. Như vậy, quá trình nhiệt phân khơng tạo ra tro hoặc năng lượng một cách trực tiếp, mà nó chuyển sinh khối thành các nhiên liệu có chất lượng cao hơn. Tiến trình này bắt đầu từ việc hun khô sinh khối để tăng tối đa hiệu suất đốt, tương tự như trong quá trình đốt trực tiếp.
Luận văn tốt nghiệp
2.3.2. Phương pháp hóa sinh (biochemical)
2.3.2.1. Tiêu hóa kỵ khí
Đây là q trình sinh học trong đó khí methane được thải ra từ sự phân hủy các vật chất hữu cơ của các vi sinh vật trong mơi trường khơng có oxy. Khí methane này có thể được thu hồi và sử dụng để tạo ra năng lượng. Q trình tiêu hóa yếm khí sử dụng các chất thải sinh học như phân hữu cơ và các chất thải rắn đô thị. Phân hoặc chất thải được đóng gói và phân hủy bởi vi sinh vật và nước. Q trình này thải ra khí methane trong gói, và khí này được dẫn vào một gói chứa khí khác. Từ đó, khí methane được dùng để cung cấp năng lượng cho tua-bin và tạo ra điện.
Hình 2.18: Tiêu hóa kỵ khí
Sự sinh trưởng của vi sinh vật và sản xuất khí sinh học là rất chậm ở nhiệt độ bình thường. Q trình phân hủy yếm khí thường xảy ra một cách tự nhiên khi nồng độ của các vất chất hữu cơ ẩm cao trong mơi trường khơng có oxy, thường là ở đáy ao hồ, đầm lầy, bãi than bùn, ruột động vật và các khu vực yếm khí của các bãi chơn lấp. Năng suất của quá trình này phụ thuộc vào thành phần và khả năng có thề phân hủy được của các nguyên liêu chất thải. Tuy nhiên, tốc độ của quá trình này phụ thuộc vào mật độ của các vi sinh vật, các điều kiện sinh trưởng của chúng và nhiệt độ của quá trình lên men.
Luận văn tốt nghiệp
Khi được sử dùng như một quá trình xử lý chất thải, tốc độ phân hủy tăng khá cao trong khoảng nhiệt độ 20-40oC. Đối với các chất thải rắn đô thị, tốc độ phân hủy có thể được tăng cao ở nhiệt độ cao hơn như 50-60oC.
Các vi sinh vật phân hủy yếm khí được bán trên thị trường với các giá khá cạnh tranh, chúng được dùng trong các trang trại mặc dù ở quy mô nhỏ. Việc sử dụng methane bằng cách này có thể giúp giảm thiểu các mùi hơi thối và ngăn chặn chúng phát tán vào khơng khí, làm tăng các khí nhà kính và gây ra sương mù.
2.3.2.2. Khí chơn (Landfill Gas)
Khí chơn sử dụng kỹ thuật tương tự như tiêu hóa kỵ khí và có những thuận lợi tương tự. Khí chơn là sản phẩm phụ của q trình phân rã chất thải dạng rắn, với thành phần bao gồm 50% khí methane, 45% CO2 và 4% Nitơ. Hơn nữa, đây cũng là một biện pháp tích cực giúp giảm tỷ lệ sử dụng đất chứa rác thải, qua việc chôn rác để chuyển thành điện.
Có hai cách để thu khí chơn:
- Khoan thông thường: đây là phương pháp truyền thống. Trước khi bơm thu hồi, người ta lập bản đồ cấu trúc ba chiều của bể chơn rác để xác định các vị trí tụ khí và vị trí tối ưu để bơm. Các ống dẫn có thể được lắp đặt thẳng đứng để thuận lợi cho việc thu hồi khí tiện lợi và nhanh chóng.
Hình 2.19: Sử dụng khí chơn để tạo điện
- Phương pháp thu đẩy: sử dụng bản đồ 3 chiều để tìm các giếng khí và có thể được sử dụng cho các vị trí khoan riêng biệt nếu cần thiết.
Luận văn tốt nghiệp
Chương 3
TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TỪ THỦY ĐỘNG LỰC KẾT HỢP NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI
Trong phần này, tác giả tiến hành phân tích các chu trình và xây dựng mơ hình hệ thống từ thủy động lực kết hợp năng lượng sinh khối. Tác giả sử dụng phần mềm Matlab Simulink tiến hành xây dựng sơ đồ khối hệ thống máy phát điện từ thủy động lực sử dụng năng lượng sinh khối. Nhiệt độ máy phát MHD được tác giả giả định trên cơ sở các nghiên cứu trước đây là T3=15000K.
3.1. Phân tích chu trình
3.1.1. Xây dựng chu trình MHD hỗn hợp sử dụng năng lượng sinh khối
Chu trình MHD hỗn hợp này là một chu trình kín dựa trên chu trình Brayton bao gồm:
- Nguồn nhiệt hoạt động (Bộ thu và xử lý năng lượng sinh khối): cung cấp nhiệt lượng cho chu trình hoạt động (Qin) với nhiệt độ của chất khí từ 15000K đến 25000K.
- Máy phát MHD: sử dụng loại máy phát dạng đĩa có hiệu suất ηEE từ 35% đến 46% tạo ra điện năng W1.
- Thiết bị trao đổi nhiệt: nhận nhiệt lượng cịn lại của máy phát MHD sau đó thực hiện quá trình trao đổi nhiệt cấp nhiệt cho chu trình tuabin hơi hoạt động.
- Máy nén khí: sử dụng máy nén với nhiều tầng nén để nâng áp suất chất khí trước khi đưa vào máy phát MHD và tuabin khí để phát điện.
- Tuabin khí: nhận năng lượng vào với áp suất cao biến đổi nhiệt năng thành điện năng phát ra trên lưới điện W2.
- Tuabin hơi: chuyển năng lượng của hơi nước thành điện năng W3.
- Động cơ: nhận năng lượng từ bộ điều phối năng lượng có nhiệm vụ kéo máy nén và tuabin hoạt động.
Luận văn tốt nghiệp
Từ các thiết bị trên ta có chu trình kết hợp như sau:
Hình 3.1: Chu trình kết hợp MHD hỗn hợp dùng NLSK
M là ký hiệu cho chu trình MHD. B là ký hiệu cho chu trình Brayton. Trong đó:
- Qi : Nhiệt lượng tại nút thứ i (MW). - Ti : Nhiệt độ tại nút thứ i (0K). - Pi : Áp suất tại nút thứ i (at).
- Cp : Nhiệt dung riêng của chất khí (J/KgK). - γ : Hệ số nhiệt của chất khí. - η : Hiệu suất . - ΔQ : Tổn thất nhiệt lượng. - Πc : Tỉ số của máy nén. - Πs : Tỉ số nén của các tầng nén. - N : Số tầng nén.
- τc : Tỉ số nhiệt độ ra– vào máy nén. - τs : Tỉ số nhiệt độ ra – vào các tầng nén. - ΔT : Độ chênh lệch nhiệt độ.
Luận văn tốt nghiệp
- Πt : Tỉ số áp suất ra - vào tuabin. - τt : Tỉ số nhiệt độ ra – vào tuabin.
- G : Lưu lượng của chất khí qua máy phát MHD. - PMHD : Điện năng ra khỏi máy MHD.
- Pc : Năng lượng máy nén cần.
- Pion : Năng lượng cần thiết để ion hóa chất khí. - W1 : Điện năng đưa lên lưới của chu trình MHD. - W2 : Điện năng đưa lên lưới sau chu trình Tuabin khí. - W3 : Điện năng đưa lên lưới sau chu trình Tuabin hơi. - Tref : Nhiệt độ lấy mẫu (0K).
- Pref : Áp suất lấy mẫu (at). - Si : Entropy.
3.1.2. Phân tích các khối trong chu trình
3.1.2.1. Phân tích máy phát MHD
Trong các loại máy phát MHD thì máy phát đĩa MHD có hiệu suất cao, có thể được thiết kế nhỏ gọn. Năm 1994, Viện kỹ thuật Tokyo đã chế tạo được máy phát đĩa hiệu suất (ηEE) đến 22% và cho đến ngày nay hiệu suất đã được tăng lên đến 46% [6]. Để phân tích máy phát dạng đĩa ta dùng định luật Ohm, phương trình Maxwell và phương trình năng lượng, trong giới hạn đề tài chúng ta khơng tính tốn thiết kế máy phát đĩa MHD mà chỉ quan tâm sử dụng hiệu suất ηEE của máy phát là 35% [6] đã được nghiên cứu để phân tích nhiệt động lực học và tính tốn chu trình .
Hầu hết khi phân tích máy phát điện MHD chúng ta thường dùng chu trình Brayton. Giả sử áp suất vào máy phát là P3M và áp suất ra là P4M thì ta có tỉ lệ áp suất vào ra MHD như sau:
1 4 EE 3 (1 ) M M MHD P P (3.1)
Nhiệt độ chất khí thốt ra khỏi máy phát MHD được xác định bởi:
4M 3M.(1 EE MHD)