Biogas đã và đang được ứng dụng mạnh từ các nước đang phát triển đến các
29
nước phát triển. Ở châu Âu, có hàng ngàn các điểm lắp đặt hệ thống xử lý chất hữu cơ thành biogas và các quốc gia đi đầu như Đức, Áo, Đan Mạch và Thụy Điển có số lượng lớn các hệ thống biogas hiện đại [16, 17].
Hầu hết các hệ thống biogas ở châu Á đều sử dụng công nghệ đơn giản. Tại Trung Quốc, có khoảng 18 triệu hầm biogas quy mô hộ gia đình ở khu vực nông thôn đang vận hành vào năm 2006 và tiềm năng biogas toàn bộ Trung Quốc dự đoán là 145 tỉ mét khối trong khi ở Ấn Độ chỉ xấp xỉ 5 triệu hầm biogas quy mô hộ gia đình đang được vận hành.
Tại Ấn Độ, chương trình năng lượng nông thôn được triển khai từ những năm 90 của thế kỷ XX, hàng triệu bể khí methane cung cấp nhiên liệu thắp sáng, nấu bếp và chạy máy phát điện. Ở các nước khác như Nepal và cũng có số lượng đáng kể hầm biogas quy mô gia đình. Chính phủ Thái Lan đặt mục tiêu đến năm 2022, năng lượng tái tạo chiếm khoảng 14% trong tổng lượng năng lượng tiêu thụ. Thái Lan có khả năng sản xuất trên một tỉ mét khối biogas mỗi năm từ nông nghiệp, tuy nhiên năng lực sản xuất hiện tại mới đạt 36% khả năng này [18-20].
Việc sử dụng biogas cho động cơ đốt trong từ thời chiến tranh thế giới lần thứ 2 khi hàng ngàn xe chạy bằng khí nước thải ở châu Âu. Trong những năm 1942-1944, các xe tải thu gom rác sử dụng động cơ diesel được vận hành sử dụng khí cống rãnh được lọc và nén ở Zurich, Thụy sĩ [21]. Khoảng năm 1955, tầm quan trọng của biogas giảm đáng kể vì biogas không còn lợi nhuận nữa do sự dư thừa dầu. Giá của dầu nhiên liệu rất thấp và hầu như các nhà máy biogas dừng hoạt động [34]. Trong những năm 1980, sau cuộc khủng hoảng về năng lượng, biogas trở thành quan trọng trở lại trong việc động cơ đốt trong sản xuất điện.
Năm 1981, một nỗ lực đã được thực hiện để sử dụng biogas cho động cơ diesel chuyển sang đánh lửa cưỡng bức bởi D. J. Hickson [22]. Ông ta cho rằng công suất động cơ biogas giảm 35% khi so sánh với diesel và 40% so sánh với nhiên liệu xăng.
Cũng trong năm đó, các nghiên cứu khác cũng được thực hiện bởi S. Neyeloff và W.
W. Cunkel. Họ đã sử dụng động cơ CFR và đã chạy nó với biogas với các tỉ số nén khác nhau. Họ đã đạt tới tỉ số nén 15:1 cho giải pháp tối ưu [23]. Nhiệt trị thấp, thành
30
phần ăn mòn hóa học và khó khăn trong vận chuyển là những thách thức chính của biogas. Năm 1983, R.H. Thring kết luận rằng biogas chỉ thích hợp cho nơi gần chỗ sản xuất ra nó và ông ta đề nghị chuyển đổi nhiên liệu khí như biogas hoặc khí thiên nhiên thành nhiên liệu lỏng như cồn hoặc xăng.
Năm 1985, Jenbacher Werke AG giới thiệu một nhà máy sản xuất điện sử dụng động cơ đốt cháy khí biogas hỗn hợp nghèo. Họ đã có thể điều khiển tỉ lệ không khí nhiên liệu để đưa nhiều nhiên liệu vào xi lanh và phải cải tạo nắp máy để cho van nạp lớn hơn. A.G.Wunsche đã không định lượng thành phần khí nhưng đã thực nghiệm lượng methane thấp hơn so với lượng họ đã sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ.
Sau đó để tránh kích nổ, họ sử dụng cảm biến kích nổ. Tuy nhiên, công suất đầu ra thấp vẫn còn là vấn đề chưa giải quyết được. Caterpillar nhà sản xuất động cơ khác đã cố gắng vận hành động cơ đánh lửa cưỡng bức với khí bãi rác năm 1987. Họ đã phát triển động cơ tại trại để giải quyết các vấn đề biogas. Sau đó động cơ đã chạy trên một bãi chôn lấp thực sự. Báo cáo của N.C. Macari cho thấy sự mài mòn quá nhiều sau 400 giờ và như vậy là tuổi thọ của dầu bôi trơn giảm [24].
Năm 1992 G. A. Karim và I. Wierzba thuộc đại học Calgary đã nghiên cứu về các đặc tính nhiệt động lực và động lực của quá trình cháy của hỗn hợp methane – không khí có sự hiện diện của CO2 [25]. Sau đó, G. A. Karim tiếp tục mô tả hiện tượng cháy biogas trong động cơ đốt trong [26, 27]. K. Tanoue đã nghiên cứu phát triển nâng cao các giới hạn cháy của nhiên liệu biogas trên ý tưởng cháy của nhiên liệu khí thiên nhiên bằng cách bổ sung thêm hydro vào hỗn hợp methane nghèo [28].
Suất tham dự tối ưu của hydro để đảm bảo tăng công suất động cơ mà không để xảy ra hiện tượng cháy kích nổ là khoảng từ 20-25% tính theo thể tích trong điều kiện thử nghiệm tỉ số nén động cơ 8,5-10, góc đánh lửa sớm 200 trước điểm chết trên, độ đậm đặc của hỗn hợp từ 0,6 đến 1,2.
Một nghiên cứu khác trên các xe hơi của Volkswagen đã được thực hiện ở Brazil để so sánh hiệu năng của nhiên liệu biogas với cồn cho các xe hơi vào năm 1992. Thời điểm đánh lửa, sự phân phối hỗn hợp và khí thải đã được nghiên cứu và các thông số khác nhau như tốc độ xe tối đa, khả năng tăng tốc và tốc độ động cơ tối đa đều được xét đến [29].
31
Trong khi việc chuyển đổi động cơ đánh lửa cưỡng bước sang sử dụng biogas là dễ dàng hơn thì động cơ hai nhiên liệu cho thấy một số ưu điểm. Sau thập niên 90, động cơ diesel được chuyển đổi thành động cơ hai nhiên liệu biogas-diesel. V. Deri và G. Mancini đã chuyển đổi một động cơ diesel sang hai nhiên liệu và đạt được quá trình cháy hỗn hợp nghèo ổn định hơn bởi vì việc sử dụng diesel phun mồi để đánh lửa hỗn hợp. Tuy nhiên việc điều khiển độc lập của hỗn hợp không khí-gas và nhiên liệu phun mồi là rất phức tạp [30].
Sau khi các nghiên cứu chi tiết và quá trình cháy biogas đã được sáng tỏ trong động cơ đốt trong bởi các nhà khoa học, đó là nhiệm vụ của các kỹ sư để tìm ra một giải pháp để mở rộng các giới hạn. G. P. Mueller [31] báo cáo rằng ở tập đoàn Caterpillar, họ đã phát triển thành công một động cơ SI sử dụng khí bãi chôn lấp mà không mất công suất. Họ đã có thể đạt được cùng công suất nhưng hao phí nhiên liệu tăng 4%. Khái niệm buồng cháy phụ đã cải thiện việc đốt cháy biogas trong động cơ SI đã được nghiên cứu chi tiết bởi A. Roubaud và D. Favrat vào năm 2005 [32]. Họ cho thấy rằng có thể đạt được hiệu suất và công suất cao hơn với nhiên liệu biogas so với động cơ sử dụng khí thiên nhiên trong khi khí thải vẫn đảm bảo ở mức thấp.
Ngoài John K. S. Wong [33] đã nghiên cứu kết quả của khí thải động cơ biogas, không ai có những nghiên cứu quan trọng được tiến hành cho đến năm 1998 khi J.
Huang và R. J. Crookers tiến hành thiết lập và đo ô nhiễm cho các thành phần biogas khác nhau trên một động cơ khảo sát.
1.4.2. Các công trình nghiên cứu phát triển động cơ biogas ở Việt Nam GS. Bùi Văn Ga và các cộng sự tại Đại học Đà Nẵng đã bắt đầu tham gia nghiên cứu về động cơ sử dụng biogas từ năm 2007, cho đến nay đã lắp đặt thành công nhiều máy phát điện nhỏ, vừa và lớn trên cả nước [10]. Các động cơ biogas đã trải qua một thời gian hoạt động ổn định và tận dụng hết nguồn biogas sinh ra, đem lại lợi nhuận rất lớn cho người chăn nuôi. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo các bộ phụ kiện cung cấp biogas cho động cơ đánh lửa cưỡng bức (hình 1.8) và động cơ dual fuel biogas-diesel (hình 1.9).
32
Hình 1.8: Bộ phụ kiện cung cấp biogas cho động cơ đánh lửa cưỡng bức
Hình 1.9: Bộ phụ kiện cung cấp biogas cho động cơ dual fuel biogas-diesel Công bố đầu tiên nghiên cứu biogas của GS. Ga và cộng sự là thử nghiệm biogas trên xe gắn máy vào năm 2007 [11]. Nhờ sử dụng oxit sắt để hấp phụ H2S và sử dụng nước để hấp thụ CO2, khí biogas được làm giàu thêm 30%, hàm lượng H2S chỉ còn 0,5% so với mẫu khí nguyên thủy. Động cơ xe gắn máy 110cc với bộ phụ
33
kiện GA5 chạy bằng khí biogas đã qua lọc có mức độ phát thải HC khoảng 10% và CO khoảng 1% so với giới hạn cho phép của tiêu chuẩn Việt Nam. Cũng trong năm này, GS. Ga và các công sự đã công bố nghiên cứu hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ kéo máy phát điện 2HP trình bày hệ thống cung cấp khí biogas hoàn chỉnh cho cụm động cơ đốt trong - máy phát điện [12]. Khí biogas sau khi qua hệ thống khử H2S và hấp thụ CO2 được cung cấp cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu biogas/xăng. Bộ phụ kiện này được phát triển trên cơ sở bộ phụ kiện GA5 sử dụng trên xe gắn máy chạy bằng LPG bằng cách bổ sung thêm bộ điều tốc phụ. Nhờ vậy động cơ có thể làm việc ổn định ở tất cả các chế độ tải khác nhau của máy phát [13]. GS. Ga và các cộng sự đã tiếp tục công bố nghiên cứu về hệ thống cung cấp biogas cho động cơ dual fuel biogas-diesel [14, 15, 3]. Động cơ hai nhiên liệu biogas-diesel đã được chuyển đổi từ động cơ diesel Kubota nguyên thủy. Bộ chuyển đổi bao gồm bộ hòa trộn và bộ điều tốc điều khiển van bướm cơ khí. Nguồn năng lượng chính của động cơ được cung cấp từ biogas. Một lượng nhỏ diesel khoảng 5% lượng phun tối đa được phun để khởi động quá trình cháy. Động cơ tiêu thụ 1m3 biogas/1kWh điện. Khí thải động cơ không có bồ hóng. Dao động điện áp của máy phát nhỏ hơn 5% khi tải bên ngoài thay đổi. Thời gian ổn định điện áp nhỏ hơn 5s.
Đến năm 2009, khả năng giảm phát thải CO2 ở Việt Nam nhờ sản xuất điện năng bằng biogas đã được GS. Ga nghiên cứu cho thấy nếu sử dụng công nghệ chuyển đổi biogas thành điện, mỗi năm nước ta có thể sản xuất 10% điện năng bằng nhiên liệu tái tạo và giảm 6,5% phát thải Carbon vào bầu khí quyển. Bên cạnh đó, động cơ nhiều xi lanh cỡ lớn hai nhiên liệu cũng đã được nghiên cứu xác định kích thước van cung cấp biogas [4]. Mục đích của nghiên cứu này là xác định kích thước của hệ thống cung cấp biogas để cải tạo các động cơ diesel nhiều xi lanh cỡ lớn sang chạy bằng hai nhiên liệu. Dựa vào phân tích áp suất trên đường nạp động cơ, giản đồ kích thước van cung cấp biogas theo các thông số của động cơ và của nguồn nhiên liệu được xác lập. Kết quả cho thấy có thể thiết kế một van cung cấp cho phép động cơ tương ứng làm việc với nguồn biogas có phạm vi thay đổi rộng về hàm lượng CH4 và áp
34
suất. Nghiên cứu cũng nêu bật sự khác biệt về biên dạng của van cung cấp biogas giữa động cơ nhiều xi lanh và động cơ một xi lanh.
Năm 2013, nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Đông của Đại Học Đà Nẵng đã bảo vệ thành công luận án “Nghiên cứu ứng dụng biogas nén cho mô tô”. Luận án góp phần xử lý 3 vấn đề quan trọng để có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho xe gắn máy, đó là (1) nén biogas vào bình chịu áp lực, (2) cung cấp biogas nén cho xe gắn máy đảm bảo cho xe hoạt động tối ưu trong mọi điều kiện vận hành và (3) xác định hệ số tốc độ màng lửa cháy rối ff trong buồng cháy động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sử dụng biogas nén, sử dụng 2 bình 3,5 lít chứa biogas nén có 85% CH4 ở áp suất nén 75 bar thì xe gắn máy có thể chạy quãng đường độc lập 20 km ở tốc độ trung bình 40 km/h, khi động cơ chạy ở vùng tốc độ 3000 vòng/phút và biogas có 85% CH4 thì góc đánh lửa sớm tối ưu là 20 độ. Kết quả chỉ ra khi chuyển động cơ xe gắn máy Honda wave α 110cc sang chạy bằng biogas nén và không cải tạo buồng cháy thì hệ số cháy rối ff có thể chọn bằng 1,3 đối với nhiên liệu biogas có chứa 85% CH4 và động cơ hoạt động trong phạm vi tốc độ trung bình từ 3000 vòng/phút đến 6000 vòng/phút. Trong trường hợp này kết quả tính toán theo mô phỏng với phần mềm Fluent phù hợp với kết quả thí nghiệm trên băng thử xe gắn máy AVL [5, 3].
Cũng trong năm 2013, nghiên cứu sinh Lê Xuân Thạch của Đại Học Đà Nẵng cũng đã bảo vệ thành công luận án “Nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cuỡng bức có tỉ số nén cao sử dụng biogas” [6].
Trong công trình này, động cơ diesel ZH1115 đã được chuyển đổi thành động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức. Hệ thống phun nhiên liệu diesel được tháo bỏ, thay vào đó là hệ thống đánh lửa điện tử. Buồng cháy động cơ được thử nghiệm với 2 dạng:
buồng cháy omega nguyên thủy và buồng cháy phẳng. Tỉ số nén động cơ được thay đổi bằng cách cắt bớt đỉnh piston với chiều dày lớp cắt khác nhau đảm bảo có được tỉ số nén thay đổi từ 9 đến 14. Góc đánh lửa sớm của động cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi vị trí cuộn dây cảm ứng đánh lửa lắp trên thân máy. Việc cung cấp hỗn hợp biogas-không khí cho động cơ được thực hiện nhờ bộ tạo hỗn hợp kiểu
35
venturi. Khi động cơ có tỉ số nén ɛ =12, chạy bằng biogas chứa 60% CH4 thì góc đánh lửa sớm tối ưu nằm trong khoảng từ φs=34o đến 42o trước ĐCT khi tốc độ động cơ thay đổi. Khi động cơ ZH1115 chạy bằng biogas ở tốc độ định mức 2200 vòng/phút, tỉ số nén tối ưu nằm trong khoảng từ ɛ =11,5 đến 12,5 [7].
Trong năm 2014, nghiên cứu sinh Lê Minh Tiến của Đại Học Đà Nẵng đã bảo vệ thành công luận án “Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng hai nhiên liệu biogas/diesel trên cơ sở động cơ diesel một xi lanh tĩnh tại” [8]. Trong công trình này, công suất động cơ nhiên liệu kép có thể lớn hơn công suất của động cơ này khi chạy hoàn toàn bằng diesel. Ở chế độ tốc độ định mức của động cơ nhiên liệu kép, chúng ta có thể sử dụng biogas nghèo có thành phần thể tích CH4 50%÷60%, không cần lọc CO2, mà vẫn đảm bảo được công suất cực đại của động cơ nguyên thủy trước khi chuyển đổi. Điều này là do lượng không khí thừa khi động cơ chạy bằng diesel rất lớn nên chúng ta có thể tăng lượng nhiên liệu biogas cung cấp để tăng công suất động cơ mà không bị hạn chế về độ đậm đặc của hỗn hợp. Góc phun sớm tăng khi hàm lượng CH4 trong nhiên liệu giảm hay khi tốc độ động cơ tăng. Khi động cơ chạy ở chế độ nhiên liệu kép biogas/diesel với tốc độ 2000 vòng/phút sử dụng biogas chứa 70% thể tích CH4 thì góc phun sớm tối ưu là 30 độ. Trong cùng điều kiện vận hành, nhiệt độ, áp suất cực đại của hỗn hợp cháy trong buồng cháy nhiên liệu kép tăng khi hàm lượng CH4 trong biogas tăng, dẫn đến công giãn nở tăng và tăng công suất động cơ. Đối với biogas giàu, công chỉ thị chu trình của động cơ giảm theo thành phần CH4 trong nhiên liệu. Tuy nhiên đối với biogas nghèo, công chỉ thị chu trình giảm nhanh hơn tốc độ giảm thành phần CH4 trong nhiên liệu do chất lượng quá trình cháy bị xấu đi vì nồng độ CO2 trong nhiên liệu tăng nhanh. Trong trường hợp này, cuối quá trình cháy vẫn còn một lượng đáng kể nhiên liệu chưa cháy hết mặc dù độ đậm đặc của hỗn hợp ϕ < 1 [15].
Các bộ tạo hỗn hợp biogas-không khí, quá trình cháy của động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức cũng như động cơ hai nhiên liệu biogas-diesel đã được tính toán mô phỏng trên phần mềm Fluent. Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu biogas, các điều kiện của hỗn hợp trước khi cháy cũng như các điều kiện của ngọn lửa mồi đến diễn
36
biến quá trình đánh lửa trong buồng cháy của động cơ đều được mô phỏng và phân tích nhờ phần mềm động học thủy khí fluent nhằm tăng hiệu quả sử dụng biogas của động cơ [9]. Sản phẩm chủ yếu và nổi bật trong quá trình nghiên cứu ứng dụng biogas cho động cơ đốt trong của GS. Ga là hai bộ chuyển đổi vạn năng Gatec-20 và Gatec 21 [2]. Hai bộ chuyển đổi này đã được lắp đặt và vận hành thực tế cho các động cơ khắp cả nước.