Chương 1 NĂNG LƯỢNG TRONG SẢN XUẤT VÀ ĐỜI SỐNG 1. Lịch sử phát triển của công nghệ năng lượng Để tồn tại và phát triển từ xa xưa loài người đã biết sử dụng các dạng năng lượng khác nhau. Theo đà phát triển của lịch sử con người đã phát hiện và sử dụng thêm nhiều dạng năng lượng khác. Năng lượng là động lực cho mọi hoạt động vật chất và tinh thần của con người.
Trình độ sản xuất phát triển ngày càng cao càng tiêu tốn nhiều năng lượng và tạo ra thách thức to lớn đối với môi trường. Ngày nay năng lượng càng trở nên có tính chất sống còn đối với nhân loại bởi vì một mặt nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, mặt khác sự phát triển của sản xuất đặt ra những vấn đề hết sức cấp bách về yêu cầu năng lượng và có nguy cơ hủy hoại môi trường. Để phát triển bền vững con người phải sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả, đồng thời phải nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới có tính chất tái tạo và thân thiện với môi trường. Lịch sử phát triển của công nghệ năng lượng trên thế giới được tóm tắt trong bảng 1-1 theo các mốc thời gian sau đây: Bảng 1-1.
Các mốc lịch sử của việc sử dụng năng lượng Thời gian Năng lượng sử dụng Với việc phát hiện ngọn lửa người tiến sử đã biết sử dụng nhiệt năng từ gỗ Tiền sử để đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng. Con người đã biết sử dụng năng lượng gió để xay xát, kéo thuyền bè, năng Cổ đại lượng dòng chảy để bơm nước tưới tiêu, xay xát. Isaac Newton (1642-1727) xây dựng cơ sở lý thuyết của cơ học cổ điển đặt 1687 nền móng cho việc sử dụng cơ năng trong kỹ thuật. Daniel Bernoulli (1700-1782) xây dựng cơ sở cho nghiên cứu cơ học chất 1738 lỏng đặt nền móng cho việc sử dụng thủy năng trong kỹ thuật.
Mikhail Lomonossov (1711-1785) đề xuất định luật bảo toàn và biến đổi 1756 năng lượng. James Watt (1736-1919) phát triển máy hơi nước. Năng lượng hơi nước góp phần giải phóng lao động cơ bắp của con nguời. Bắt đầu kỷ nguyên 1763 công nghiệp hóa và cơ khí hóa.
Than đá là nguồn nhiên liệu chủ yếu. Michael Faraday (1791-1867) phát minh định luật cảm ứng điện từ đặt nền 1831 móng cho sự ra đời của các thiết bị điện. Bắt đầu kỷ nguyên điện khí hóa. Maxwell (1831-1879) công bố lý thuyết Trường điện từ thống nhất, 1860 hoàn thiện cơ sở điện từ và sử dụng năng lượng điện từ, đặt nền móng cho sự ra đời của kỹ thuật điện tử.
1860 Luyện thép ra đời thúc đẩy khai thác than phát triển. 1870 Dầu mỏ bắt đầu được sử dụng trong công nghiệp và đời sống. 1881 Tầu hỏa chạy bằng năng lượng hơi nước ra đời tại nước Anh. 1890 Động cơ đốt trong được hoàn thiện.
Ô tô được sản xuất hàng loạt. 1 Pierre và Marie Curie (1867-1934) tìm ra chất phóng xạ. Bắt đầu kỷ nguyên 1898 năng lượng nguyên tử. 1899 Max Planck (1858-1947) công bố thuyết lượng tử.
Cơ học lượng tử ra đời. IEC (International Electrotechnical Commission) Ủy ban Kỹ thuật điện 1900 quốc tế ra đời thúc đẩy sự phát triển và tiêu chuẩn hóa kỹ thuật điện. Albert Einstein (1879-1955) công bố lý thuyết tương đối với định luật nổi 1906 tiếng E = mC 2. 1942 Các nhà khoa học Hoa Kỳ chế tạo bom nguyên tử đầu tiên.
1954 Pin mặt trời bắt đầu được chế tạo và thương mại hóa. Ngày 27-6-1954, nhà máy điện nguyên tử đầu tiên ra đời ở Liên Xô cũ, 1954 công suất 5MW tại Obninsk. IAEA (International Atomic Energy Agency) Uỷ ban Năng lượng Nguyên 1957 tử quốc tế ra đời. Tổ chức các nước xuất khẩu dầu mỏ OPEC (Organization of the Petroleum 1960 Exporting Countries) ra đời.
1973 Khủng hoảng dầu mỏ do hậu quả của cuộc chiến tranh Trung Đông. 1974 IEA (International Energy Agency) Ủy ban Năng lượng quốc tế ra đời. Công ước khung về biến đổi khí hậu của LHQ nhằm ổn định nồng độ khí 9/9/1992 gây hiệu ứng nhà kính. Tổng quan về năng lượng 1.
Các dạng nguồn năng lượng Năng lượng là một dạng vật chất ứng với một quá trình nào đó có thể sinh công. Năng lượng cũng được hiểu như khả năng sinh công hoặc sinh nhiệt. Có nhiều hệ thống phân loại khác nhau về năng lượng đang được sử dụng: Theo dạng vật chất năng lượng được phân loại như: thể rắn (than, củi…), thể lỏng (dầu mỏ và các sản phẩm dầu), thể khí (khí đốt và các sản phẩm khí). Theo dòng biến đổi năng lượng ta thường gặp các khái niệm: - Năng lượng sơ cấp: Năng lượng sơ cấp là năng lượng tồn tại trong tự nhiên chưa qua công đoạn xử lý.
Ví dụ như than đá, dầu thô… - Năng lượng thứ cấp: Năng lượng thứ cấp là năng lượng đã qua một vài quá trình biến đổi. Ví dụ như điện năng, khí hóa than… - Năng lượng cuối cùng: Năng lượng cuối cùng là năng lượng đã được chế biến ở dạng có thể sử dụng cho các thiết bị năng lượng. - Năng lượng hữu ích: Năng lượng hữu ích là năng lượng sử dụng trực tiếp cho sản xuất, đời sống và nhu cầu phát triển của xã hội. Theo khả năng tái sinh năng lượng ta thường gặp khái niệm năng lượng tái tạo và không tái tạo.
Ví dụ năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy năng…là năng tái tạo; năng lượng từ các dạng nhiên liệu hóa thạch như than, dầu mỏ, khí đốt không có khả năng tái tạo. Quan hệ giữa các khái niệm về năng lượng ở trên được cho trên hình 1-1. 2 Năng lượng Năng lượng Năng lượng sơ cấp cuối cùng hữu ích Tổn thất do vận chuyển Tổn thất do truyền tải, và biến đổi từ năng lượng phân phối và do hiệu suất sơ cấp sang thứ cấp của thiết bị sử dụng Uranium Điện năng Động lực Thiết bị sử dụng năng lượng Thủy năng Sản phẩm dầu Hơi nước Dầu thô Khí thiên nhiên Sản phẩm khí Nhiệt Than Than thương Năng lượng Chiếu sáng mại tái tạo Các dạng năng lượng khác Hình 1-1. Quan hệ giữa các loại năng lượng 1.
Đơn vị công, công suất và năng lượng Để biểu diễn công, công suất và năng lượng người ta thường dùng một số đơn vị Đơn vị công: Joule (J): Joule là công do lực 1 Newton làm di chuyển điểm đặt của lực đi 1 mét theo hướng tác dụng của lực. Joule cũng được dùng làm đơn vị đo năng lượng. Đơn vị năng lượng nhiệt Calorie (cal. là nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một gam nước lên thêm 1 0 C.
xấp xỉ bằng 4,18 J. BTU (British Thermal Unit): BTU là đơn vị nhiệt trong hệ Anh là nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một pound nước ở 60 0 F lên thêm 1 0 F. 1 BTU xấp xỉ bằng 1/4 kcal. KilôOat giờ (kWh): kWh = 3,6.
Một số đơn vị năng lượng trong thương mại Tấn dầu tương đương TOE (Tonne of Oil Equivalent) được quy định cho một tấn dầu có nhiệt trị là 10 Gcal = 41,9 GJ. Tấn than tương đương TCE (Tonne of Coal Equivalent) có nhiệt trị 7 Gcal. Đơn vị công suất Watt (W):W là đơn vị công suất khi công 1J thực hiện trong thời gian 1 giây(W = J/s). Hiệu suất quá trình biến đổi năng lượng Từ khâu khai thác đầu tiên đến khâu cuối cùng, năng lượng trải qua một số quá trình biến đổi nối tiếp nhau, từ dạng này sang dạng khác.
Trong quá trình biến đổi, một phần năng lượng không đến được khâu cuối cùng, chúng bị mất mát và tỏa ra môi trường dưới dạng nhiệt. Theo định luật bảo toàn năng lượng thì năng lượng không tự sinh ra, cũng không tự biến mất mà chỉ biến đổi từ dạng này sang dạng khác, truyền từ vật này sang vật khác. Ví dụ: xét quá trình biến đổi năng lượng từ than thành điện năng trong nhà máy nhiệt điện: Hóa năng (Than) Nhiệt năng (Lò hơi) Cơ năng (Tuabin) Điện năng (Máy phát điện) Năng lượng qua lò hơi, tuabin, máy phát điện… đều bị tổn thất, làm cho năng lượng đầu ra luôn nhỏ hơn năng lượng đầu vào. Nếu ký hiệu EV là năng lượng đầu vào, ER là năng lượng đầu ra và năng lượng tổn thất là ETT , theo định luật bảo toàn năng lượng có: EV = ER + ETT (1-1) Hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ thống là tỷ số của năng lượng đầu ra trên năng lượng đầu vào: ER E 1 TT EV EV Hiệu suất càng cao thì hiệu quả của quá trình biến đổi năng lượng càng tốt.
Muốn hiệu suất của quá trình cao ta cần phải tìm các biện pháp giảm thiểu tổn thất năng lượng. Cân bằng năng lượng Cân bằng năng lượng là mô tả và lượng hóa khả năng sản xuất năng lượng nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng và tổn thất năng lượng của một quốc gia, một ngành, một doanh nghiệp, một dây chuyền sản xuất hay của mỗi thiết bị, đảm bảo tính cân bằng giữa năng lượng đầu vào và năng lượng đầu ra trong một khoảng thời gian cho trước. Để đảm bảo cân bằng năng lượng thì năng lượng đầu vào phải bằng năng lượng đầu ra, trong đó năng lượng đầu ra bằng năng lượng hữu ích cộng với năng lượng tổn thất. Đối với mối quốc gia (năng lượng dự trữ không đổi) thì quá trình cân bằng năng lượng được diễn tả bằng: Năng lượng khai thác + Năng lượng nhập khẩu = Năng lượng sử dụng + Năng lượng tổn thất + Năng lượng xuất khẩu.
Đối với mỗi doanh nghiệp năng lượng đầu vào gồm than, dầu, khí đốt và điện năng phải bằng năng lượng cho từng khu vực sản xuất cộng với năng lượng tổn thất. Cân bằng năng lượng và giảm thiểu tổn thất năng lượng phải là mối quan tâm hàng đầu của từng doanh nghiệp. Tình hình khai thác và sử dụng năng lượng trên thế giới Các nguồn năng lượng bao gồm năng lượng hóa thạch, thủy năng, năng lượng nguyên tử. Năng lượng hóa thạch hình thành từ rất lâu trong quá trình biến đổi địa chất của vỏ trái đất gồm có: 1.
Dầu khí Dầu thô và khí tự nhiên được hình thành do các chất hữu cơ bị nén và đốt nóng yếm khí trong quá trình biến đổi địa chất của vỏ trái đất. 4 Dầu mỏ được khai thác từ xa xưa. Người Babilon đã biết sử dụng asphalt để xây tường tháp vườn treo Babilon. Năm 347 trước công nguyên người Trung Hoa đã khai thác giếng dầu.
Năm 1857 Rumani đã khai thác dầu thương mại ở Brent phía bắc Bucarét. Năm 1861 ở Bacu (Azecbaidan) nhà máy lọc dầu được xây dựng, khi đó Bacu sản xuất 90% sản lượng dầu thế giới.