Giải pháp năng lượng mới thay thế cho các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu truyền thống

Nội dung text: Giải pháp năng lượng mới thay thế cho các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu truyền thống

1. GIẢI PHÁP NĂNG LƢỢNG MỚI THAY THẾ CHO CÁC PHƢƠNG TIỆN GIAO THÔNG SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU TRUYỀN THỐNG NEW ENEGRY SOLUTION REPLACE FOR THE TRANSPORTATION USE FUEL OF TRADITION Nguyễn Lê Chiểu1, Đỗ Văn Dũng2, Trần Thanh Thưởng3, 1Sở Khoa học và Công nghệ Tp.HCM, Việt Nam; 2Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thủ Đức, Tp.HCM, Việt Nam; 3Cao đẳng Giao thông Vận tải III, Tp.HCM, Việt Nam. TÓM TẮT Vấn đề khủng hoảng nguồn năng lượng truyền thống và sự ô nhiễm môi trường do khí thải từ động cơ đốt trong đang là hồi chuông cảnh báo đối với Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung. Việc tìm ra nguồn năng lượng mới, sạch và thân thiện với môi trường sử dụng trên các phương tiện giao thông đang là bài toán cấp thiết; công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) được xem là giải pháp tối ưu, không những giải quyết các vấn đề về nêu trên mà còn khắc phục hàng loạt nhược điểm tồn tại ở động cơ đốt trong: giảm tiếng ồn, giảm kết cấu, nâng cao hiệu suất và công suất, Bài báo này giới thiệu về một giải pháp năng lượng mới có khả năng ứng dụng trên các phương tiện giao thông ở nước ta, có thể thay thế cho các loại năng lượng truyền thống sử dụng ở động cơ đốt trong. Từ khóa: pin nhiên liệu, hiệu suất, công suất ABSTRACT The crisis of traditional energy sources and environmental pollution caused by emissions from internal combustion engines are the alarm bell not only in Viet Nam but also in the world. Finding new energy sources, clean and environmental friendly use of the transport problem is urgent; fuel cell technology is considered the optimal solution, not only solve the above problems but also to overcome a series of disadvantages exist in internal combustion engines: noise reduction and vehicle structure, improve performance and power, This paper introduces a new energy solution able to application on the transport in Viet Nam, can substitute for traditional energy use in internal combustion engines. Keywords: fuel cell, performance, power 1
2. 1. GIỚI THIỆU Theo dự báo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, với tốc độ khai thác và tiêu thụ năng lượng truyền thống gia tăng như hiện nay thì các sản phẩm từ dầu mỏ (xăng, dầu) sẽ chính thực cạn kiệt khoảng hơn 30 năm nữa. Mặt khác, giá dầu mỏ không ngừng leo thang, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống, kinh tế, hoạt động sản xuất, kinh doanh, Khí thải từ động cơ đốt trong, bao gồm các chất ô nhiễm trong khí xả và tiếng ồn do động cơ là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường, làm tăng nhiệt độ khí quyển, gây hiệu ứng nhà kính và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của con người. Vì vậy, giải pháp về một nguồn năng lượng mới, sạch và thân thiện với môi trường, đó là công nghệ pin nhiên nhiệu hay còn gọi là fuel cell, sử dụng nhiên liệu hydrogen hứa hẹn sẽ giải quyết những vấn đề cấp bách về khủng hoảng an ninh năng lượng và ô nhiễm môi trường không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn thế giới. Pin nhiên liệu hay còn gọi là tế bào nhiên liệu, là thiết bị chuyển đổi trực tiếp hóa năng của nhiên liệu thành điện năng nhờ các quá trình điện phân hóa học. Khi hydro kết hợp với oxy, nó sẽ tạo ra năng lượng và nước. Năng lượng này có thể được khai thác trong một buồng khí, hay trong pin nhiên liệu để vận hành xe, còn phần nước thì được thải ra như một sản phẩm vô hại. Nhiên liệu chính sử dụng để pin nhiên liệu vận hành là hydro (hoặc nhiên liệu giàu hydro) và oxy (thường lấy oxy từ không khí). Pin nhiên liệu không trực tiếp đốt cháy hydro mà dùng chất xúc tác để tách các electron từ các nguyên tử hydro có trong nhiên liệu, các electron này chuyển động trong mạch sinh ra dòng điện. Hình 1: Quá trình tạo ra dòng điện của pin nhiên liệu Về cơ bản thì mỗi pin nhiên liệu gồm hai điện cực, điện cực âm (cathode) và dương (anode). Phản ứng sinh ra điện năng xảy ra tại hai điện cực này, giữa hai điện cực còn chứa chất điện phân, vận chuyển các hạt điện tích từ cực này sang cực khác, và 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 ra các thiết bị có mức công suất phát điện khác nhau và lớn hơn. Các phương trình phản ứng hóa học trong pin nhiên liệu: 2
3. + - - Phản ứng trên anode: 2H2 4H + 4e (1) + - - Phản ứng trên cathode: O2 + 4H + 4e 2H2O (2) - Phản ứng tổng quát: 2H2 + O2 2H2O + điện năng + nhiệt (3) Pin nhiên liệu có thể tạo ra dòng điện một cách liên tục cho đến khi ngừng cung cấp nguồn nhiên liệu cho pin, đây là ưu điểm vượt trội so với accu (phải nạp điện sau một thời gian sử dụng). Nhiên liệu chính sử dụng cho pin nhiên liệu là hydro, được sản xuất chủ yếu từ nước và năng lượng mặt trời, vì vậy hydro thu được còn gọi hydro nhờ năng lượng mặt trời (solar hydrogen). Nước và ánh nắng mặt trời là vô tận và có khắp nơi trên hành tinh. Năng lượng mặt trời được phát ra khoảng 3×1024 J/ngày, tức khoảng 104 lần năng lượng toàn thế giới tiêu thụ hằng năm. Vì vậy, hydro nhờ năng lượng mặt trời là nguồn nhiên liệu vô tận, có thể sử dụng mà không cạn kiệt. Để thu được hydro nhờ năng lượng mặt trời có hai phương pháp sản xuất: phương pháp điện phân nước (water electrolysis) nhờ năng lượng điện mặt trời thông qua các pin mặt trời (solar cell) và phương pháp quang điện hóa phân rã nước (photoelectrochemical water splitting) nhờ năng lượng bức xạ của ánh nắng mặt trời với sự có mặt chất xúc tác quang. Cả hai phương pháp, phản ứng đều xảy ra như sau: H2O H2 + 1/2O2 (4) Một pin nhiên liệu đơn tạo ra một điện áp và công suất rất thấp (khoảng 1V), tùy vào kết cấu, đặc tính kỹ thuật của phương tiện cũng như mục đích sử dụng ở từng lĩnh vực mà thiết kế, chế tạo hệ thống pin nhiên liệu thích hợp. Hiện tại, trên các phương tiện giao thông, để tạo ra công suất mong muốn đòi hỏi phải bố trí một cụm pin nhiên liện bằng cách tích hợp từ hàng trăm pin nhiên liệu đơn. Hình 2, mô phỏng mô hình tích hợp của một cụm pin nhiên liệu. Hình 2: Mô hình mô phỏng cụm pin nhiên liệu 3
4. Pin nhiên liệu sử dụng trên các phương tiện giao thông không những làm giảm đáng kể lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường, giải quyết được vấn đề khủng hoảng an ninh năng lượng mà còn có thể loại bỏ hoàn toàn những cơ cấu truyền động cồng kềnh, những tuabin, máy phát điện có công suất lớn, Với mục tiêu nghiên cứu và phát triển năng lượng mới sạch, bền vững sử dụng trên các phương tiện giao thông, đã có rất nhiều dự án hợp tác quốc tế và công trình nghiên cứu về công nghệ pin nhiên nhiệu được công bố; tuy nhiên việc ứng dụng pin nhiên liệu trong thực tế chưa thật sự phổ biến do gặp nhiều khó khăn về chi phí chế tạo các điện cực, quá trình vận hành và lưu trữ nghiên liệu hydrogen, vấn đề nâng cao hiệu suất năng lượng sử dụng hay chu kỳ tuổi thọ của hệ thống pin nhiên liệu Bài báo này giới thiệu một loại năng lượng mới, công nghệ pin nhiên liệu ứng dụng trên các phương tiện giao thông để thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống sử dụng ở động cơ đốt trong; đồng thời tập trung đến các giải pháp nhằm khắc phục những nhược điểm mà công nghệ này đang gặp phải. 2. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PIN NHIÊN LIỆU TRÊN Ô TÔ Công nghệ pin nhiên liệu ứng dụng trên ô tô gồm có các bộ phận chính: hệ thống pin nhiên liệu, thùng chứa nhiên liệu, bộ chuyển đổi nhiên liệu (thiết bị tạo ra hydro). Ngoài ra, tùy thuộc vào đặc tính của từng loại xe cũng như các mục đích sử dụng mà bố trí thêm hệ thống phụ khác kết hợp với hệ thống pin nhiên liệu trên ô tô như: Bộ chuyển đổi công suất , hệ thống thu hồi nhiệt, bộ giao tiếp điện tử, 2.1 Hệ thống pin nhiên liệu: Dựa vào các chỉ tiêu về nhiệt độ, điều kiện làm việc pin, nguồn nhiên liệu đầu vào, kích thước và khối lượng pin, tính kinh tế so với các nguồn năng lượng khác, độ tin cậy của hệ thống sử dụng, mà chọn loại pin phù hợp. Trong các công nghệ pin nhiên liệu hiện nay, pin nhiên liệu màng điện phân polymer (PEMFC) với các ưu điểm vượt trội được sử dụng phổ biến trên các loại ô tô: - Màng điện phân là chất rắn nên khắc phục được vấn đề rò rỉ so. - Nhiệt độ hoạt động thấp nên có thể nhanh chóng tạo ra năng lượng điện để đáp ứng các yêu cầu của xe. - Không chứa các chất ăn mòn nên tuổi thọ của pin được nâng cao. 2.2 Thùng chứa nhiên liệu: Hydro sử dụng làm nhiên liệu phải có mật độ năng lượng thấp trên một đơn vị thể tích, đảm bảo được lượng hydro cung cấp cho quãng đường xe chạy xa hơn. Các thùng chứa hydro được thiết kế và chế tạo một cách tối ưu nhất, thùng chứa nhiên liệu với áp suất 350 atm, chống ăn mòn và được cấu tạo gồm 3 lớp theo mô hình (hình 3). 4
5. Hình 3: Thùng chứa hydrogen với áp suất lến đến 350 atm Nếu bố trí tích hợp hai thùng chứa trên ô tô pin nhiên liệu sẽ cung cấp thể tích nhiên liệu lên đến 156,6 lít. Lưu lượng dự trữ lớn kết hợp với mức tiêu thụ nhiên liệu được cải thiện góp phần mở rộng quãng đường xe chạy lên đến 430 km trước khi nạp lại nhiên liệu. Đồng thời, thời gian tiếp nhiên liệu tại các trạm tiếp nhiên liệu áp suất cao chỉ mất khoảng 3 phút, do đó nâng cao mức độ thuận lợi so với xe chạy động cơ xăng. 2.3 Bộ chuyển đổi nhiên liệu: Dùng để tách hydro tinh khiết từ các nguồn nhiên liệu khác nhau để sử dụng cho pin nhiên liệu. Những loại nhiên liệu khí thiên nhiên và các loại hydrocacbon có thể được sử dụng, đặc biệt với khí ga tự nhiên đã được nén (CNG) là phù hợp và sử dụng tốt nhất cho bộ chuyển đổi. Chất xúc tác trong bộ chuyển đổi có thể dùng từ nhiều chất xúc tác khác nhau để tạo ra hydro từ những loại nhiên liệu đã được kể trên, cùng với quá trình chuyển đổi hơi nước. Do đó, ô tô pin nhiên liệu mở rộng phạm vi sử dụng nhiên liệu bằng cách chiết suất từ các nguồn năng lượng khác thông qua bộ chuyển đổi nhiên liệu. 1 - Ống vào của bộ nhiên liệu thô 2 - Lớp chất xúc tác 3 - Ống ra của nhiên liệu hydro 4 - Ống hấp thụ hydro 5 - Xilanh 6 - Lớp vật liệu chịu nhiệt 7 - Ngòi đốt 8 - Đường dẫn nhiên liệu vào để đốt 9 - Đường nạp không khí 10 - Vỏ bộ chuyển đổi 11 - Đường ống thải Hình 4. Cấu tạo của bộ chuyển đổi nhiên liệu 5
6. 2.4 Nguồn công suất cực đại: Nguồn công suất cực đại trên ô tô pin nhiên liệu thường là accu hoặc siêu tụ (peaking power source, viết tắt là PPS), chức năng chính là hỗ trợ khi ô tô cần đạt công suất cực đại, khi xe khởi động hoặc tăng tốc. Trong một số trường hợp, nguồn công suất cực đại cũng có thể dùng để vận hành xe và lúc này pin nhiên liệu sẽ đóng vai trò là một máy sạc điện cho nguồn công suất cực đại. Tùy theo công suất hoặc moment xoắn được yêu cầu từ tín hiệu bàn đạp ga hoặc bàn đạp phanh, bộ điều khiển xe sẽ điều khiển dòng năng lượng giữa hệ thống pin nhiên liệu, PPS và hệ thống truyền động để công suất hoặc moment xoắn đầu ra của motor đạt yêu cầu. Khi yêu cầu công suất cao, trường hợp gia tốc tăng đột ngột, cả hai hệ thống pin nhiên liệu và PPS sẽ cung cấp năng lượng đến motor điện. Khi phanh, motor điện sẽ làm việc như một máy phát chuyển đổi một phần năng lượng phanh thành năng lượng điện và dự trữ trong PPS. PPS cũng có thể phục hồi năng lượng của nó từ hệ thống pin nhiên liệu khi công suất tải thấp hơn công suất thiết kế của hệ thống pin nhiên liệu. 1-Bàn đạp ga; 2-Bàn đạp phanh; 3-Bộ điều khiển xe; 4-hệ thống pin nhiên liệu; 5-Nguồn công suất cực đại; 6-Bộ giao tiếp điện tử; 7-Bộ điều khiển motor; 8- Motor điện; 9-Hộp số; 10-Các bánh xe (1)-Tín hiệu điều khiển kéo; (2)-Tín hiệu điều khiển phanh; (3)-Tín hiệu năng lượng của PPS; (4)-Tín hiệu công suất của pin nhiên liệu; (5)-Tín hiệu điều khiển bộ giao tiếp điện tử; (6)-Tín hiệu điều khiển motor; (7)-Tín hiệu tốc độ xe Hình 5. Sơ đồ PPS bố trí chung với hệ thống pin nhiên liệu và hệ thống truyền động trên một ô tô pin nhiên liệu 6
7. 2.5 Sơ đồ thuật toán điều khiển pin nhiên liệu: Pcomm - Công suất yêu cầu Pfc-rated - Công suất thiết kế của pin nhiên liệu P P bc tc Pm-in - Công suất cần cung cấp cho motor Pfc-min - Công suất nhỏ nhất của pin nhiên liệu E - Mức năng lượng của PPS Emax - Mức năng lượng cao nhất của PPS Emin - Mức năng lượng thấp nhất của PPS Pcomm Pbc - Công suất phanh yêu cầu Pmb-max - Công suất phanh lớn nhất của motor Xe cần Đúng Nếu Sai phanh Ñuùng Pbc > Pmb-max Sai Đúng Chế độ Chế độ phanh lai phanh tái sinh Nếu Đúng Chế độ phanh lai Pm-in > Pfc-rated Sai mototmotormmmmmmmohbwhfhfuhmomotormoto r. Nếu Đúng Nếu Sai Pm-in Pfc-min E < Emin Sai Đúng Chế độ pin nhiên liệu Chế độ chỉ vừa kéo Nếu Đúng có PPS kéo vừa sạc E Emax cho PPS Sai Chế độ pin Chế độ chỉ nhiên liệu có pin vừa kéo nhiên liệu vừa sạc kéo xe cho PPS Hình 6. Sơ đồ thuật toán điều khiển pin nhiên liệu 7
8. 3. KẾT LUẬN Như đã đề cập, vấn đề ô nhiễm môi trường và khủng hoảng an ninh năng lượng đang là bài toán cấp bách và nan giải. Các nước trên thế giới đã bắt đầu lưu tâm đến công nghệ pin nhiên liệu sạch, thân thiện và xem đây là giải pháp then chốt cho những vấn đề lâu dài về bảo đảm an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế của đất nước. Việc sử dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông không những giải quyết tốt các nhược điểm trên mà còn tạo ra nhiều tín hiệu khả quan như: nâng cao hiệu suất và công suất xe, giảm đáng kể tiếng ồn tồn tại ở động cơ đốt trong, không phụ thuộc nhiều về nền kinh tế, Ở Việt Nam, Thành phố Hồ Chí Minh được đánh giá là một trong sáu thành phố có mức độ ô nhiễm không khí cao nhất trên thế giới, phần lớn là do ô nhiễm từ khí thải của các phương tiện giao thông. Đồng thời, nước ta phụ thuộc chủ yếu vào lượng dầu mỏ nhập khẩu từ nước ngoài. Do đó, giải pháp về năng lượng mới, sạch, thân thiện với môi trường (pin nhiên liệu) là giải pháp hữu ích và cấp thiết để thay thế cho các loại năng lượng truyền thống hiện nay. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, hy vọng trong tương lai không xa thì công nghệ pin nhiên liệu sẽ dần khắc phục được các nhược điểm đang gặp phải để ứng dụng rộng rãi trên các phương tiện giao thông ở nước ta. 8
9. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phạm Thùy Dương (1997), Hydrogen và pin nhiên liệu, thông tin tại website 2. Khoa Cơ khí Động lực, Chuyên đề về pin nhiên liệu, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM năm 2010. 3. Nguyễn Lê Chiểu, Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên phương tiện giao thông tại Việt Nam, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 2011. 4. Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo dục, Tp.HCM, 1996. 5. Sharon Thomasand Marcia Zalbowitz, Fuel Cells – Green Power, Los Alamos National Laboratory in Los Alamos, New Mexico 1999. 6. J. Larminie and A. Dicks, John Wiley & Sons, Fuel Cell Systems Explained, New York 2000. 7. Gregor Hoogers, Fuel Cell Technology Handbook, CRC Press 2003. 8. Chris Rayment, Scott Sherwin, Introduction to Fuel Cell Technology, New York 2003. 9. Bryan Jungers, Andrew Burke, Joshua Cunningham, Christopher Yang, Joan Ogden, Assessment of Technical and Market Readiness of Fuel Cell Vehicles, California 2007. XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS Đỗ Văn Dũng 9
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.