Tài liệu Sử dụng biogas được làm giàu bởi hydrogen trên động cơ da465qe

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 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. MỤC LỤC 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 (H2) .....................................................................................................22 2.2.3. Khí oxy (O2) ........................................................................................................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 3.4. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA VAN CUNG CẤP BIOGAS – HYDROGEN 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 CH4 và H2 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 DANH MỤC CÁC BẢNG 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 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 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 CO2 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 CO2 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 3.9. Vòi phun 1 phun biogas liên tục và vòi phun 2 phun biogas gián đoạn........38 Hình 3.10. Đường đồng mức tốc độ, nồng độ CH4, nồng độ H2 và f tại ví trí góc quay trục khuỷu 270 độ. .........................................................................................................39 Hình 3.11. Đường đồng mức nồng độ CH4, H2 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 CH4, H2 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 CH4, H2 ở tốc độ động cơ 1500 vòng/phút, bướm ga mở hoàn toàn......................................51 Hình 3.29. Biến thiên áp suất trên đường nạp khi cung cấp biogas M8C2 thuần chất và khi cung cấp H2 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 CH4 và H2 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 CH4 thuần nhất và cung cấp H2 thuần nhất......53 Hình 3.32. Phân bố nồng độ nhiên liệu trong xi lanh trong trường hợp phun CH4 thuần nhất và H2 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 CH4, H2, f khi pha 5% và khi pha 20% hydrogen vào nhiên liệu biogas chứa 80% CH4 ...................................................................................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 H2 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. Cung cấp biogas-Hydrogen cho động cơ DA465QE thử nghiệm ...............79 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 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Các ký hiệu mẫu tự La tinh: Ký hiệu Thứ nguyên Diễn giải i [-] Số xi lanh n [v/ph] Số vòng quay động cơ Me [N/m] Mô men xoắn S [mm] Hành trình piston D [mm] Đường kính xy lanh Vh [m3] Thể tích công tác a [-] Hằng số [-] Hằng số khí R ᵒK T F α Nhiệt độ [-] Số Faraday [-] Hệ số chuyển 2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp : Ký hiệu Thứ nguyên Diễn giải τ [-] Số kỳ động cơ  [rad/s] Tốc độ góc của động cơ 3. Các chữ viết tắt: Ký hiệu Diễn giải CO Carbon Monoxide HHO Hydrogen CO2 Carbon Dioxide O2 Oxy H2S Hydro sulfua CH4 Metan Ký hiệu Diễn giải 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 Vehicles Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu AVL Hãng sản xuất các trang thiết bị thí nghiệm động cơ của Áo 1 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. 2 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. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Biến thiên nhiệt độ (C) 1.1. VẤN ĐỀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ NGUỒN NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH Trong vòng 400.000 năm trở lại đây, nhiệt độ khí quyển gần mặt đất đã trải qua 4 chu kỳ băng hà (hình 1.1). Sự thay đổi nhiệt độ bầu khí quyển trong quá khứ phụ thuộc vào các hiện tượng tự nhiên. Từ khi bắt đầu thời kỳ công nghiệp, hoạt động của con người là nguyên nhân chính gây ra sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển. Điều này được khẳng định bởi mô hình tính toán sự gia tăng nhiệt độ khi xem xét các yếu tố ảnh hưởng khác nhau. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Nghìn năm về trước Hình 1.1. Biến thiên nhiệt độ khí quyển gần mặt đất qua các thời kỳ băng hà 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. Biến thiên nhiệt độ (C) 4 Trung bình hằng năm Trung bình 5 năm 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 CO 2 là +1,5 ppm/năm trong khoảng 1970 đến 2000 và +2,1 ppm/năm hiện nay. 5 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 CO2 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. 6 Năm Gia tăng mực nước biển (cm) 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). Hình 1.4. Dự báo dâng cao mực nước biển trong thế kỷ 21 theo các mô hình toán họa khác nhau 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 7 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 CO 2 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 CO 2 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. 8 Truyền nhiệt biển-không khí Nước ấm Dòng nước ấm trên mặt đại dương Dòng nước mặn và lạnh dưới đáy 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 CO2 theo COP21 9 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 CH 4 10 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