Giáo trình nhiên liệu thay thế ngành công nghệ ô tô - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Giáo trình nhiên liệu thay thế cung cấp kiến thức nền tảng và chuyên sâu về các nguồn năng lượng sạch, công nghệ sản xuất cùng xu hướng phát triển.

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Nghĩa
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Ô tô
• Đề tài: Nhiên liệu thay thế
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan giáo trình nhiên liệu thay thế Đại học Công nghiệp

Giáo trình Nhiên liệu thay thế là công trình khoa học do Nhà xuất bản Thống kê ấn hành năm 2018. Cuốn sách do nhóm tác giả Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội biên soạn công phu. Tiến sĩ Nguyễn Tuấn Nghĩa giữ vai trò chủ biên cuốn tài liệu. Nhóm tác giả cộng tác gồm kỹ sư Lê Hồng Quân và kỹ sư Phạm Minh Hiếu. Công trình được phát triển trực tiếp từ đề cương giảng dạy chuyên ngành công nghệ kỹ thuật ô tô. Bộ tài liệu cung cấp kiến thức nền tảng về chuyển dịch năng lượng trong giao thông. Nội dung kế thừa tinh hoa giảng dạy từ nhiều trường đại học kỹ thuật hàng đầu. Sách gồm năm chương chuyên đề mạch lạc và logic. Các tác giả cập nhật sâu rộng xu hướng khoa học mới nhất trên thế giới. Tài liệu chuẩn hóa lý thuyết nhiệt động lực học và các phản ứng cháy hóa học. Sinh viên tiếp cận quy trình chuyển đổi than đá, xử lý dầu mỡ sinh học và ứng dụng hydro. Cuốn sách định hình tư duy nghiên cứu thực nghiệm cho người học kỹ thuật.

1.1. Mục tiêu và phạm vi đào tạo kỹ thuật ô tô

Cuốn giáo trình hướng đến mục tiêu chuẩn hóa kiến thức chuyên môn cho sinh viên kỹ thuật. Đối tượng trọng tâm là ngành công nghệ kỹ thuật ô tô. Người học ngành cơ khí giao thông đường bộ và đường sắt nhận được giá trị tham khảo lớn. Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết để tính toán và thiết kế động cơ đốt trong. Sinh viên làm quen với nguyên lý vận hành động cơ khi đổi nhiên liệu. Các kỹ sư tương lai hiểu rõ đặc tính bay hơi và khả năng kích nổ hỗn hợp. Sách trang bị kỹ năng đánh giá chu trình nhiệt và độ bền chi tiết máy. Đây là hành trang kỹ thuật vững chắc cho kỹ sư vận tải.

1.2. Cấu trúc nội dung năm chương chuyên khảo

Cấu trúc giáo trình được phân bổ khoa học qua năm chương nội dung trọng điểm. Chương một phân tích bức tranh tiêu thụ năng lượng toàn cầu và tiềm năng tái tạo. Chương hai trình bày các kỹ thuật chuyển hóa nhiên liệu sạch từ than đá. Chương ba tập trung vào nhiên liệu sinh học như diesel sinh học và cồn sinh học. Chương bốn cung cấp lý thuyết vận hành nhiên liệu khí nén tự nhiên và hóa lỏng. Chương năm mở rộng nghiên cứu công nghệ năng lượng hydro tiên tiến. Sự phân chia giúp người đọc tiếp cận kiến thức từ tổng quan đến chi tiết. Toàn bộ nội dung gắn liền với bài toán kỹ thuật thực tiễn.

II. Phân tích thách thức năng lượng và nhu cầu nhiên liệu thay thế

Kinh tế toàn cầu tăng trưởng nhanh kéo theo nhu cầu di chuyển bùng nổ. Số lượng phương tiện cơ giới đường bộ và đường thủy tăng vọt liên tục. Động cơ đốt trong vẫn chiếm vị trí thống trị trong giao thông vận tải. Thực trạng này tạo áp lực khổng lồ lên nguồn cung dầu mỏ thế giới. Nhiên liệu hóa thạch không thể tái sinh và đang cạn kiệt từng ngày. Giá dầu thô biến động phức tạp gây bất ổn an ninh năng lượng các quốc gia. Bên cạnh đó, ô nhiễm môi trường từ khí xả động cơ đã chạm mức báo động. Động cơ đốt trong phát thải lượng lớn khí carbon monoxide, hydrocarbon và oxit nitơ. Bụi mịn và khí nhà kính làm gia tăng hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu. Sức khỏe cộng đồng tại các đô thị lớn bị đe dọa nghiêm trọng. Việc phụ thuộc hoàn toàn vào nhiên liệu dầu mỏ không còn là hướng đi an toàn. Ngành công nghiệp ô tô đối mặt bài toán sinh tử về chuyển đổi năng lượng. Nhu cầu tìm kiếm nguồn chất đốt xanh trở nên cấp bách hơn bao giờ hết.

2.1. Cạn kiệt tài nguyên hóa thạch và rủi ro chuỗi cung ứng

Tài nguyên dầu mỏ và khí đốt tự nhiên đang suy giảm sản lượng khai thác. Trữ lượng dầu mỏ dễ tiếp cận đã bước vào giai đoạn cạn kiệt. Chi phí thăm dò các mỏ dầu mới ngoài khơi ngày càng tốn kém. Sự mất cân đối cung cầu gây rủi ro đứt gãy chuỗi cung ứng xăng dầu. Các nước nhập khẩu nhiên liệu chịu tổn thương lớn trước biến động địa chính trị thế giới. Tình trạng độc quyền nguồn năng lượng truyền thống đe dọa trực tiếp nền kinh tế. Ngành giao thông cần đa dạng hóa nguồn chất đốt để đảm bảo tính ổn định lâu dài. Việc tái cấu trúc năng lượng là yêu cầu sống còn của mọi quốc gia.

2.2. Áp lực phát thải khí nhà kính và tiêu chuẩn khí xả

Các hiệp ước khí hậu quốc tế siết chặt tiêu chuẩn phát thải phương tiện giao thông. Tiêu chuẩn khí xả Euro 5 và Euro 6 đặt ra thách thức kỹ thuật lớn. Động cơ đốt trong truyền thống khó lòng đáp ứng các chỉ tiêu khắt khe này. Khí xả chứa hàm lượng lớn khí nhà kính và oxit lưu huỳnh độc hại. Ô nhiễm không khí đô thị gây tổn hại sức khỏe và làm suy giảm kinh tế. Chi phí xử lý khí thải sau buồng đốt ngày càng tăng cao. Do đó, các hãng sản xuất xe buộc phải cải tiến buồng đốt hoặc đổi nguồn năng lượng. Sử dụng nhiên liệu sạch là giải pháp tối ưu nhằm triệt tiêu khí độc hại.

III. Phương pháp nghiên cứu nhiên liệu thay thế của Đại học Công nghiệp

Giáo trình phân tích chi tiết các quy trình công nghệ điều chế nhiên liệu thay thế. Nhóm nghiên cứu tập trung khai thác than đá thông qua phản ứng khí hóa hiện đại. Phản ứng tạo ra khí tổng hợp giàu hydro và carbon monoxide với tỷ lệ thích hợp. Quá trình methanation ứng dụng chất xúc tác Niken chuyển hóa hỗn hợp thành khí metan sạch. Đây là giải pháp tận dụng hiệu quả nguồn tài nguyên khoáng sản sẵn có tại Việt Nam. Bên cạnh than đá, công nghệ nhiên liệu sinh học được trình bày bài bản và khoa học. Giáo trình phân loại diesel sinh học theo tỷ lệ acid béo tự do FFA chuẩn xác. Dầu thực vật tinh chế và mỡ động vật được xử lý qua phản ứng este hóa nghiêm ngặt. Nhiên liệu sinh học không chứa hợp chất thơm và lưu huỳnh độc hại. Khả năng tự bôi trơn cao của diesel sinh học giúp giảm hao mòn động cơ rõ rệt. Phối trộn hợp chất chứa oxy giúp quá trình cháy diễn ra triệt để hơn. Cuối cùng, công nghệ lưu trữ hydro mở ra giải pháp không phát thải cho tương lai.

3.1. Kỹ thuật khí hóa than và xúc tác methanation

Công nghệ khí hóa than biến đổi than đá rắn thành hỗn hợp khí tổng hợp có nhiệt trị cao. Tỷ lệ thể tích giữa hydro và carbon monoxide cần duy trì xấp xỉ mức ba trên một. Phản ứng methanation chuyển hóa hỗn hợp khí trên bề mặt xúc tác kim loại phù hợp. Chuỗi hoạt tính xúc tác ghi nhận kim loại Rutheni và Niken có hiệu suất vượt trội nhất. Do chi phí hợp lý, xúc tác Niken được ứng dụng phổ biến trong sản xuất quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, chất xúc tác này rất dễ bị đầu độc bởi lưu huỳnh trong nguyên liệu. Quy trình bắt buộc phải khử sạch hợp chất sulfua hydro trước khi tiến hành phản ứng. Sản phẩm khí thu được có độ sạch cao và cháy ổn định.

3.2. Chế biến diesel sinh học và phụ gia chứa oxy

Quy trình sản xuất diesel sinh học diễn ra ở nhiệt độ khoảng 50 độ C và áp suất thường. Phản ứng este hóa chuyển đổi triglyceride thành alkyl ester và giải phóng phụ phẩm glycerin. Nguyên liệu được phân chia theo chỉ số acid béo tự do để chọn phương pháp xử lý tương ứng. Dầu mỡ có FFA dưới 1,5% phù hợp nhất cho quá trình xúc tác kiềm. Diesel sinh học sở hữu độ nhớt cao và tính chất bôi trơn bề mặt tuyệt vời. Chất này dễ phân hủy sinh học và hoàn toàn không tan trong môi trường nước. Ngoài ra, việc bổ sung hợp chất hữu cơ chứa oxy giúp cải thiện đáng kể chỉ số octane. Hỗn hợp cháy kiệt làm giảm thiểu nồng độ phát thải khí carbon monoxide.

IV. Ứng dụng thực tiễn của giáo trình nhiên liệu thay thế ngành ô tô

Giáo trình Nhiên liệu thay thế đóng góp giá trị học thuật và thực tiễn to lớn cho ngành ô tô. Cuốn sách cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật tin cậy để cải tạo hệ thống nhiên liệu. Việc ứng dụng diesel sinh học B5 và B20 đã được thử nghiệm thành công trên xe cơ giới. Kỹ sư căn cứ vào tài liệu để điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu và áp suất buồng đốt. Đặc tính bôi trơn của biodiesel giúp bảo vệ bơm cao áp khi dùng dầu hàm lượng lưu huỳnh thấp. Bên cạnh đó, giáo trình trang bị nguyên lý chuyển đổi xe chạy nhiên liệu khí nén CNG và LPG. Động cơ sử dụng khí tự nhiên giảm hao mòn cơ khí và kéo dài tuổi thọ buồng cháy. Định hướng nghiên cứu hydro mở đường cho việc ứng dụng pin nhiên liệu sạch trên phương tiện thế hệ mới. Công trình là cẩm nang hữu ích cho các xưởng chế tạo và trung tâm kiểm định giao thông. Cuốn sách khẳng định vai trò tiên phong của Đại học Công nghiệp Hà Nội trong đào tạo kỹ thuật xanh.

4.1. Phối trộn diesel sinh học trên động cơ hiện hữu

Diesel sinh học được ứng dụng rộng rãi dưới dạng hỗn hợp pha trộn với diesel truyền thống. Tỷ lệ hòa trộn phổ biến từ năm đến hai mươi phần trăm mà không cần cải tạo động cơ. Hỗn hợp này giảm thiểu tối đa lượng bồ hóng và muội than tích tụ trong xilanh. Tuy nhiên, nồng độ biodiesel cao hơn hai mươi phần trăm làm tăng độ nhớt động học ở nhiệt độ thấp. Hiện tượng này ảnh hưởng đến khả năng khởi động nguội của xe trong mùa đông. Đồng thời, biodiesel nguyên chất có thể làm thoái hóa các chi tiết làm kín bằng cao su tự nhiên. Kỹ sư cơ khí cần thay thế ống dẫn nhiên liệu bằng vật liệu tổng hợp chịu dầu phù hợp.

4.2. Triển khai nhiên liệu khí và công nghệ hydro

Nhiên liệu khí như khí tự nhiên nén và khí dầu mỏ hóa lỏng là bước đệm giao thông quan trọng. Các phương tiện xe buýt đô thị và xe taxi đã chuyển đổi thành công sang hệ thống nhiên liệu kép. Khí cháy êm dịu, không đóng cặn carbon và giúp kéo dài chu kỳ thay dầu bôi trơn. Trong khi đó, hydro là đích đến cuối cùng của giao thông không phát thải độc hại. Công nghệ pin nhiên liệu hydro biến đổi trực tiếp năng lượng hóa học thành điện năng với sản phẩm phụ duy nhất là nước. Tài liệu cung cấp nền tảng để nghiên cứu hạ tầng nạp khí và bình chứa hydro chịu áp suất cao an toàn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG TOÀN CẦU 1. Tình hình tiêu thụ năng luựng trên thế giói Tiêu thụ năng luợng trên thế giới gia tăng liên tục bời các lý do như: sụ cải thiện chất lượng cuộc sống, sự gia tăng dân số, công nghiệp hóa, sự tăng trưởng kinh tế nhanh chóng của các nước đang phát triển, sự gia tăng các phương tiện. Có rất nhiều loại nhiên liệu có sẵn trên thế giới, nhu cầu đó phụ thuộc rất lớn vào ứng dụng và sử dụng, vị trí và khu vực tài nguyên, chi phí, yếu tố "sạch" và sự tác động tới môi trường, sự an toàn của sản xuất và sử dụng, yếu tố kinh tế - xã hội, chính trị toàn cầu và khu vực. Chu trình sừ dụng năng lượng bao gồm ba giai đoạn: sản xuất, phân phối và tiêu thụ, tất cà phải được cân bàng với cơ sờ hạ tầng, bất kỳ nút thắt hoặc sự thiếu hụt ngay lập tức nào đều ảnh hường đến chu trình.

Nếu có một sự giảm sút về sản xuất của một số loại nhiên liệu, sự phân phối và tiêu thụ cùa nhiên liệu cụ thể này sẽ giảm sút, nên việc chuyền đổi nhiên liệu từ loại này sang loại khác cũng như việc bắt buộc phải tích trữ chắc chắn không thể tránh khỏi. Hơn nữa, dựa trên nguyên tắc cung cầu, giá cả của loại nhiên liệu này chắc chắn sẽ tăng lên. Ngay cả một sự cố trong hệ thống giao thông của một loại nhiên liệu nhất định sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến thị tnròng tiêu dùng và hậu quả như thiếu nhiên liệu và tăng giá sẽ xảy ra ít nhất trong một thời gian nhất định trong các khu vực bị ảnh hưởng.1 tổng hợp mức tiêu thụ năng lượng trên thế giới cho mỗi loại nhiên liệu từ năm 1980 đến 2003[4]. M ức tiêu thụ các loại năng lượng cơ bản trên thế giới Ị4| Loại năng lượng 1990 2002 2003 Dằu mỏ (1000 thùng/ngày) 77,701 Khí tự nhiên (nghìn tỷ m^) 2,50 2,53 2,62 2,71 Than (triệu tấn) 5.619,1 2,654,4 Năng lượng hạt nhân (tỷ kwh) 684,^ 2.523,1 Địa nhiệt, gió, mặt trới, gỗ 131,5 249,5 259,8 292,1 310,1 vâ chắt thải điện (tỷ kwh) N hư đã thấy, tất cả các loại đều có mức tăng ổn định trong giai đoạn này.

Than và thủy điện cho thấy có mức tăng về tiêu thụ chậm nhất trong giai đoạn, trong khi năng lượng tái tạo và năng lượng hạt nhân có mức tảng mạnh nhất, điều này chi ra ràng đây là những nguồn năng lượng đang nổi lên với tưofng lai lớn nhất trên thị trường năng lượng thế giới. Than và thủy điện trở nên thông thường hơn, được cùng cố và rõ ràng thế giới vẫn sẽ phải phụ thuộc vào chúng trong một thời gian dài. Tỷ lệ sự tăng trường tiêu thụ năng lượng tái tạo và năng lượng hạt nhân cũng cho thấy tiềm năng của chúng như là nhiên liệu thay thế, chúng sẽ thay thế và bô sung cho các loại nhiên liệu thông thường khác trong m ột loạt các ứng dụng và sừ dụng sau cùng. Trong số các loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống, sự gia tăng tiêu thụ của khí tự nhiên tăng nhanh hơn các nhiên liệu hóa thạch khác (dầu mỏ và than).

Điều này là do nhu cầu mạnh đối với khí thiên nhiên trong sưởi âm công nghiệp và khu dân cư, sự gia tăng láp đặt các nhà m áy điện cơ sờ khí tự nhiên, sự phát hiện mới cùa các mò khí tự nhiên lớn. M ột vài lân trong thế kỷ 2 1 , thế giới đã trải qua tình trạng thiếu hụt đáng kể và tăng giá khí đốt tự nhiên, chù yếu do sự mất càn bằng giữa cung và cầu. Dầu mỏ Tiêu thụ dầu mò trên thế giới được tổng hợp trong bảng 1.