Có rất nhiều phương pháp sản xuất hydro tùy thuộc vào công nghệ và quy mô sử dụng. Các phương pháp đó được tóm tắt trên sơ đồ hình 1.9 gồm tổng hợp hydro từ tảo, ơ-xy hóa khơng hồn tồn khí thiên nhiên hoặc biogas, nhiệt phân
27
sinh khối, khí hố than đá, điện phân nước, phản ứng biến đổi nhiệt hoá nhiên liệu các-bua-hydro và cồn với hơi nước hoặc với khí CO2... [9]. Một số phương pháp sản xuất hydro điển hình được tóm tắt trong bảng 1.3 và được phân tích dưới đây:
a) Điện phân nước (EW)
Các thiết bị điện phân nước công nghiệp đã đạt hiệu suất điện phân 70-80% với mật độ dòng điện dưới 1A/cm2, hiệu suất (về điện) trên 90% khi mật độ dịng điện 3A/cm2. Q trình điện phân nước là q trình phân giải nước thành hai chất khí là khí ơ-xy và khí hydro khi cho dịng điện một chiều chạy qua nước. Phương pháp này rất tốn điện, hiệu suất biến đổi năng lượng thấp, không kinh tế và thiết bị cồng kềnh nến khó áp dụng trên phương tiện giao thơng vận tải
b) Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hydro với hơi nước (SR)
Các phản ứng hóa học chính trong q trình SR được biểu diễn bởi các phương trình sau:
CnHm + nH2O → nCO + (m/2+n)H2
CO +H2O → CO2 + H2
CnHm + 2nH2O → nCO2 + (m/2+2n)H2
Quá trình SR cho hàm lượng hydro khá cao trong sản phẩm (hàm lượng hydro đạt đến 70% thể tích sản phẩm khơ). Q trình SR xảy ra trong BXT khi các chất tham gia phản ứng được cấp đủ nhiệt để duy trì nhiệt độ chung tối thiểu trên 4000C. Để thực hiện được quá trình SR diễn ra liên tục thì địi hỏi phải có một nguồn nhiệt lớn. Do đó, nếu tận dụng nhiệt khí thải trên động cơ để thực hiện quá trình biến đổi nhiệt hố này (khơng tốn năng lượng đốt nóng) thì hiệu suất biến đổi năng lượng >1 (tỉ số giữa năng lượng của hydro được tạo ra và năng lượng của nhiên liệu các-bua-hydro cấp vào BXT). Điều này cho phép không những tạo nhiên liệu hydro cho động cơ mà còn tăng hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng phương pháp tạo và cấp hydro này cho động cơ.
28
c) Ơ-xy hóa khơng hồn tồn nhiên liệu các- bua- hydro (PO)
Nhiên liệu các-bua-hydro (CnHm) nếu phản ứng cháy với O2 trong điều kiện thiếu O2 sẽ tạo ra sản phẩm là hydro và CO, đồng thời giải phóng một lượng nhiệt. Có thể coi quá trình phản ứng được thực hiện theo phương trình tổng hợp dưới đây:
CnHm + 0,5nO2 → nCO + H2+Q
Đây là quá trình phản ứng phức tạp xảy ra với nhiều phản ứng [10], trước tiên một phần nhiên liệu được cháy hoàn toàn tạo ra hơi nước, CO2 và tỏa nhiệt theo phương trình:
CnHm+(n+0,25m)O2 → nCO2 + 0,5mH2O +Q
Sau đó, hơi nước sẽ phản ứng với phần nhiên liệu còn lại theo các phương trình biến đổi nhiệt hóa nhờ nhiệt sinh ra từ phản ứng cháy của CnHm với oxy.
Quá trình nhiệt hóa trên khơng cần cấp nhiệt cho các chất tham gia phản ứng nhưng hàm lượng hydro tạo ra khơng cao trong khi hàm lượng khí khơng mong muốn như CO thì lại quá cao, đồng thời nhiệt lượng thải ra ngồi lớn gây lãng phí và làm tăng tải nhiệt đối với thiết bị do đó cần phải làm mát để duy trì sự làm việc bình thường của hệ thống. Do vậy hiệu suất sử dụng nhiên liệu thấp, không kinh tế khi sử dụng phương pháp này cho động cơ.
d) Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các- bua- hydro với CO2 (CR)
Trong điều kiện nhiệt độ cao và mơi trường có chất xúc tác, nhiên liệu các- bua-hydro có thể phản ứng với CO2 tạo ra khí CO và hydro theo phương trình sau:
CnHm + nCO2 → 2nCO + 0,5mH2 -Q
Tương tự như phản ứng BĐNH với hơi nước, quá trình phản ứng này cũng cần được cung cấp một nguồn nhiệt. Tuy nhiên phản ứng này cho hàm lượng hydro nhỏ hơn so với phản ứng SR trong khi sản phẩm CO thì lại cao hơn nhiều. Do vậy phương pháp này khơng thích hợp cho việc cung cấp khí hydro trên các phương tiện vận tải.
29
e) Kết hợp ơ-xy-hóa khơng hồn tồn và phản ứng biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu các-bua-hydro với hơi nước (ATR)
Có thể cấp đồng thời hơi nước, nhiên liệu và khơng khí với các tỷ lệ thích hợp vào trong lị phản ứng có chất xúc tác ni-ken để thực hiện các phản ứng dưới đây:
CnHm + (n+0,25m)O2 → nCO2 + 0,5mH2O CnHm + nH2O → nCO + (m/2+n)H2
CO +H2O → CO2 + H2
CnHm + 2nH2O → nCO2 + (m/2+2n)H2 CnHm + nCO2 → 2nCO + 0,5mH2
Sản phẩm cuối cùng của quá trình phản ứng ATR sẽ bao gồm H2, CO, CO2 và có thể có nước và nhiên liệu thừa. Tỷ lệ của các thành phần này trong sản phẩm phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, tỷ lệ thành phần nhiên liệu với hơi nước và đồng thời phụ thuộc vào nhiệt độ của lò phản ứng xúc tác nếu được cấp thêm nhiệt. Như vậy tùy theo tỷ lệ thành phần giữa nhiên liệu, hơi nước và nhiệt cấp vào lò phản ứng mà q trình BĐNH trong lị có thể gần với quá trình SR hay PO.
Bảng 1.3. Ưu nhược điểm của các phương pháp sản xuất hydro
Phương
pháp Ưu điểm Nhược điểm
EW Năng suất tạo H2 cao Cần dịng điện lớn, khó lắp trên động cơ SR Năng suất tạo H2 khá cao Cần cung cấp lượng nhiệt lớn
PO
Không cần cấp nhiệt - Hàm lượng H2 không cao, CO lớn - Tạo ra lượng nhiệt lớn gây lãng phí và tăng tải nhiệt cho động cơ
CR Sản lượng H2 nhỏhơn SR - Sản phẩm CO thì lại cao hơn nhiều. ATR
Sản lượng H2 cao hơn PO, thấp hơn CR, không cần thiết bị cấp nhiệt hay làm mát,
- nhiên sản lượng hydro thấp hơn so với phương pháp SR, thiết bị cồng kềnh hơn SR vì thêm đường cung cấp khơng khí
30
Đối với ĐCĐT, một phần nhiệt lượng đáng kể sinh ra do đốt cháy nhiên liệu bị thải ra ngồi theo khí thải. Phần nhiệt này thơng thường chiếm từ 15% - 25% nhiệt lượng do đốt cháy nhiên liệu [11]. Do đó, có thể tận dụng một phần nhiệt thải này để BĐNH nhiên liệu với hơi nước, tạo nhiên liệu giàu hydro cho động cơ. Bằng phương pháp này, có thể tạo được bộ phản ứng xúc tác nhỏ gọn mà lại có năng suất biến đổi cao, hàm lượng hydro lớn vì có thể sử dụng phương pháp SR trong khi không cần phải có thiết bị cung cấp nhiệt từ ngồi.
1.3. Phương pháp cung cấp và đặc tính của động cơsử dụng nhiên liệu hydro
Hiện nay có thể sử dụng hai nguồn cung cấp hydro chủ yếu cho động cơ, thứ
nhất là sử dụng nhiên liệu hydro được sản xuất sẵn trong cơng nghiệp chứa trong bình áp suất và cung cấp cho động cơ như các loại nhiên liệu truyền thống. Thứ hai là trên các động cơ, nhiên liệu truyền thống được trích ra một phần để tạo ra hydro và cung cấp ngay cho động cơ. Phương pháp sử dụng nguồn tạo hydro trên động cơ thường chỉ cung cấp hydro như một phụ gia hay nhiên liệu thay thế một phần cho động cơ.
Khi đánh giá các đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu hydro ta cần phải đánh giá một vài đặc tính quan trọng sau áp suất có ích trung bình (BMEP), Hiệu suất nhiệt có ích trung bình (BMTE), mơ men và công suất, phát thải, suất tiêu hao nhiên liệu có ích (BSFC)
1.3.1. Hydro được cung cấp từ nguồn tích trữ bên ngồi động cơ
a) Động cơ chạy nhiên liệu hydro
* Phương pháp cung cấp hydro vào động cơ
Các phương pháp cấp hydro có ảnh hưởng lớn đến đặc tính cơng suất và tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Có 3 phương pháp cung cấp hydro phổ biến khác nhau ở vị trí cấp và cách thức cấp, gồm cấp hydro vào đường nạp ở dạng khí (dùng bộ CHK hoặc phun), phun vào đường nạp ở dạng lỏng hoặc phun trực tiếp hydro vào trong xylanh (ở dạng lỏng hoặc khí) [12]. Sơ đồ các phương pháp cấp hydro và hiệu quả sử dụng thểtích xi lanh được chỉ ra trên hình 1.10.
31
1. Động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức thông thường, 2. Hydro dạng khí được phun và đường ống nạp, 3. H2 lỏng được phun vào đường ống nạp,4.H2
dạng khí áp cao phun vào buồng đốt
Hình 1.10. Các phương án cung cấp hydro cho ĐCĐT [8]
Phương án cấp H2 dạng khí vào đường nạp (phương án 2 hình 1.10) làm giảm lượng khơng khí vào xi-lanh do bị hydro chiếm chỗ nên hỗn hợp giảm, dẫn đến công suất động cơ giảm. Tuy nhiên phương pháp tạo hỗn hợp tốt.
Ở phương pháp phun hydro lỏng vào đường nạp (phương án 3 hình 1.10), vì một lượng nhỏhydro chưa bay hơi kịp trong đường nạp đi vào xi-lanh ở dạng lỏng nên chiếm ít thể tích của khơng khí trong xi-lanh làm lượng khơng khí nạp vào xi- lanh bị giảm ít hơn so với phương án 2 nên cơng suất bị giảm ít hơn.
Phun trực tiếp hydro (lỏng hoặc khí) vào xi lanh (phương án 4 trong hình 1.2) hồn tồn khơng làm giảm lượng khơng khí nạp so với động cơ xăng trong khi lại sử dụng nhiên liệu hydro có nhiệt trị cao hơn xăng nên công suất động cơ hydro cao hơn cơng suất động cơ xăng có cùng kích thước. Tuy nhiên phương pháp phun hydro trực tiếp phức tạp hơn nhiều so với phun vào đường nạp
* Hiệu suất nhiệt có ích của động cơ hydro (BTE)
Động cơ hydro có hiệu BTE cao hơn động cơ chạy nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức, động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức đạt hiệu suất nhiệt cao khi tải lớn trong khi động cơ hydro có thể hoạt động ngang bằng ở tải cục bộ với hiệu suất nhiệt cao hơn (hình 1.11).
32
Hình 1.11. BTE của động cơ hydro và động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức
*Mơ men
Hình 1.12. Mơ men của động cơ hydro và động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức
Hình 1.12 so sánh mơ men của động cơ hydro và mô men của động cơ xăng đốt cháy cưỡng bức. Tại tốc độ 3100 rpm, động cơ hydro có mô-men bằng với mô men của động cơ xăng nhưng khi ở dải tốc độ lớn hơn thì mơ men của động cơ hydro lớn hơn hẳn. Bởi vì đặc tính cháy nhanh của hydro nên nó có kết quả tốt khi hoạt động ở tốc độ cao [8].
* Cơng suất
Hình 1.13. so sánh cơng suất của động cơ hydro và động cơ xăng đốt cháy cưỡng bức. Ở tốc độ thấp thì cơng suất của động cơ xăng thấp hơn hẳn nhưng ở dải tốc độ 3000 v/p – 4000 v/p thì cơng suất hai động cơ ngang bằng. Bởi vì mật độ
33
năng lượng trên một đơn vị thể tích thấp nên công suất của động cơ hydro thấp hơn động cơ xăng đốt cháy cưỡng bức thông thường. Hạn chế này có thể khắc phục bằng tăng áp. Với phương pháp này khí được nạp nhiều hơn vào xy lanh làm hịa khí tốt hơn, nó cũng giúp làm mát xy-lanh và tránh hiện tượng cháy sớm [8].
Hình 1.13. Cơng suất của động cơ hydro và động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức
* Suất tiêu hao nhiên liệu
Hình 1.14. BSFC của động cơ hydro và động cơ nhiên liệu hóa thạch đốt cháy cưỡng bức
BSFC của Động cơ xăng đốt cháy cưỡng bức lớn hơn so với của động cơ hydro và tiêu hao thấp nhất tại tốc độ 3500 v/p khi bướm ga mở hồn tồn. Nói chung, đặc tính BSFC của hai loại động cơ có biên dạng giống nhau và đều có một vị trí tối ưu đểđốt cháy nhiên liệu sao cho BSFC là nhỏ nhất [13].
* Phát thải
34
HC, CO. Nhưng trong thực tếkhi động cơ chạy ở tốc độ cao thì vẫn phát sinh HC, CO vì q trình đốt cháy màng dầu bơi trơn trong xi-lanh, khi tăng tốc độ động cơ cũng làm gia tăng hàm lượng CO trong khí thải, CO bắt đầu xuất hiện khi chạy trên 2700 v/p, CO2 hầu như không xuất hiện nhưng lượng O2 trong ống thải gia tăng [8]. Tuy nhiên lượng phát thải các thành phần này rất thấp.