CHƯƠNG I. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Hydro là một trong những nguồn năng lượng đang được quan tâm nghiên cứu và sử dụng rất nhiều trên thế giới. Nguồn năng lượng nay hội đủ hai yếu tố dé trở thành một nguôn cung năng lượng tiềm năng cho con người trong tương lai là: dồi dào và thân thiện với môi trường. Quá trình nghiên cứu khai thác sử dụng Hydro có thể chia làm ba mảng chính 1a: sản xuất, vận chuyền và tồn trữ.
Trong đó, việc sản xuất Hydro từ các loại nhiên liệu hóa thạch (dầu, khí, than) đã được thương mại hóa rộng rãi từ lâu và được sử dụng như một nguyên liệu cho các quá trình chuyển hóa trong nhà máy lọc hóa dầu mà chưa được quan tâm nhiều trên phương diện sử dụng Hydro như một loại nhiên liệu. Có nhiều lý do khiến Hydro vẫn chưa được sử dụng như một loại nhiên liệu thông dụng nhưng một trong những lý do quan trọng là khó khăn trong việc tồn trữ Hydro. Vấn đề tôn trữ Hydro giữ vai trò quan trọng và là một mắt xích không thể thiếu trong chuỗi sản xuất — tồn trữ — phân phối khí Hydro. Thực tế, hiện nay tại Việt Nam đã có rất nhiều công ty, nhà máy đã sản xuất, vận chuyền và tồn trữ Hydro ở quy mô công nghiệp như Linde Gas, Air Liquid.
đang cung cấp khí Hydro cho các hộ tiêu thụ công nghiệp. Mặc dù nhu cầu tiêu thụ năng lượng cho đời sống sinh hoạt cũng chiếm một phần không nhỏ trong toàn cảnh thị trường Hydro nhưng Hydro vẫn chưa thực sự được sử dụng rộng rãi vì nhiều lý do như: khả năng dễ cháy nô của Hydro, chi phí sử dụng cao khi sử dụng các phương pháp lưu trữ truyền thông, giá các loại nhiên liệu khác tương đối vẫn chấp nhận được. Tuy nhiên, một trong những lý do chính ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng Hydro vào cuộc sống là khó khăn trong việc tôn trữ Hydro ở quy mô nhỏ. Thực tế cho thấy, tồn trữ Hydro ở quy mô nhỏ đòi hỏi thiết bị lưu trữ có kích thước vừa phải, vận hành ở điều kiện áp suất — nhiệt độ không quá cao hoặc quá thấp, an toàn cho người sử dụng.
Vì thế, trong những năm gân đây, các nhà nghiên cứu đã tích cực tìm kiếm phương thức lưu trữ Hydro hữu hiệu phù hợp với nhu câu sử dụng trên các phương tiện giao thông vận tải bình thường. Một trong những phương pháp tiềm năng để đưa Hydro ứng dụng vào các phương tiện giao thông vận tải là lưu trữ dưới dạng Metal Hydride, một dạng hop Trường Đại hoc Bách Khoa — Đại học Quốc gia Tp.HCM Trang 7 Mô phỏng và tối ưu hoạt động của thiết bị lưu trữ Hydro sử dụng LaNis chất hóa học kết hợp giữa kim loại/hợp kim và Hydro. quá trình lưu trữ Hydro bằng phương pháp này là một quá trình phức tạp bao gồm cả truyền nhiệt, trao đối chất trong môi trường xốp, chuyển hóa hóa học. và phụ thuộc nhiều vào thông số thiết kế - vận hành.
Do đó, việc mô hình hóa được quá trình lưu trữ xảy ra bên trong thiết bị đóng vai trò rat quan trọng trong việc định hướng xây dựng các hệ thông thủ nghiệm. Trong phạm vi giới han của luận văn này, tác giả sẽ xây dựng mô hình hai chiều (2D) của một thiết bị lưu trữ Hydro dé đánh giá ảnh hưởng của các thông số thiết kế - vận hành chính lên quá trình lưu trữ, từ đó lựa chọn bộ thông số vận hành tối ưu cho mô hình thiết bị này. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động của thiết bị lưu trữ Hydro sử dụng LaNis theo thời gian nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số thiết kế và vận hành lên quá trình làm cơ sở để lựa chọn bộ thông số vận hành tối ưu cho mô hình. Ý nghĩa thực tiễn Tại Việt Nam cũng như các nước trên thế giới hiện nay, nhu cau nhiên liệu cho các phương tiện giao thông vận tải vẫn là các sản phẩm lọc dầu như xăng, DO, JET.
Tuy nhiên, các nước phát triển đã quan tâm đến các nguồn năng lượng thay thé từ lâu mà đặc biệt là Hydro. Do đó, họ đã triển khai rất nhiều các nghiên cứu về Hydro từ lý thuyết, mô hình hóa — mô phỏng, thực nghiệm, sản xuất thử ở quy mô nhỏ. trên mảng lưu trữ Hydro này. Vì quá trình hấp thụ và giải hấp thụ Hydro xảy ra bao gồm rất nhiều quá trình nhỏ đan xen phức tạp, bị ảnh hưởng rất nhiều bởi thiết kế cau trúc bên trong của thiết bị và điều kiện vận hành hệ thống nên việc xây dựng mô hình mô phỏng thiết bị đóng vai trò vô cùng quan trọng trước khi sản xuất thử nghiệm các thiết bị này.
Thông qua việc xây dựng mô hình mô phỏng thiết bị lưu trữ Hydro sử dụng vật liệu xốp, ta có thé đánh giá được độ nhạy của tốc độ quá trình hấp thụ/giải hap theo bién thiên các thông số vận hành, từ đó có thể ước tính được các khoảng vận hành phù hợp với mô hình thiết bị đó. Ngoài ra, việc xây dựng và tính toán mô phỏng bang công cu CFD (Computational Fluid Dynamics — tính toán động luc học lưu chất) đòi hỏi phải thiết lập mã nguồn (code) tính toán cho quá trình hap thụ và giải hap thụ. Trường Đại hoc Bách Khoa — Đại học Quốc gia Tp.HCM Trang 8 Mô phỏng và tối ưu hoạt động của thiết bị lưu trữ Hydro sử dụng LaNis Mã nguồn này sẽ là cơ sở dé từ đó có thé thay đối các thông số đầu vao (inputs) nhằm ứng dụng cho các quá trình lưu trữ Hydro sử dụng loại vật liệu khác. Tóm lại, sản phẩm nghiên cứu là mô hình mô phỏng thiết bị lưu trữ Hydro sử dụng hợp kim LaNis và mã nguồn co sở sẽ là những kết quả nền tảng phục vu cho việc sản xuất thử trong quy mô phòng thí nghiệm hoặc pilot sau này.
Trường Đại hoc Bách Khoa — Đại học Quốc gia Tp.HCM Trang 9 Mô phỏng và tối ưu hoạt động của thiết bị lưu trữ Hydro sử dụng LaNis CHƯƠNG II. Năng lượng Hydro và van đề tồn trữ Hydro Trong những năm gan đây, kết quả đồng thời của việc dân số thế giới tăng trưởng liên tục và quá trình công nghiệp hóa mạnh mẽ ở nhiều quốc gia là nhu cầu sử dụng năng lượng tăng cao. Theo dự báo của tổ chức năng lượng thé giới IEA (International Energy Agency), nhu cầu năng lượng của thé giới sẽ tăng hon 50% so với hiện tại vào năm 2030. Và trong giai đoạn đến năm 2030, nguồn cung năng lượng chính cho thế giới vẫn là các nguồn nhiên liệu hóa thạch.
Như vậy, van dé hang dau dat ra 6 day là phải đáp ứng được nhu cau năng lượng ngày càng tăng của thé giới trong khi nguồn cung cấp hiện tại đang dan cạn kiệt và ngày càng khó khăn dé khai thác. Đồng thời, việc sử dụng các nguồn tai nguyên không thé tái tạo đang dan tác động trực tiếp đến môi trường sống trong những năm gan đây. Do đó, các nhà khoa học đã không ngừng tìm kiếm lời giải cho bài toán cân đối cung cầu năng lượng lẫn bảo vệ môi trường băng cách tập trung vào các nguồn năng lượng sạch thay thế. Trong số đó, Hydro là một trong những đối tượng được quan tâm nghiên cứu bởi nhiều ưu điểm.
Hydro có thể được sử dụng như một loại nhiên liệu cho các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong hoặc động cơ dùng pin nhiên liệu (fuel cell). Đối với động cơ đốt trong, Hydro hoản toàn có khả năng cháy, sinh ra nhiệt và áp suất cao để động cơ vận hành tương tự như các loại nhiên liệu truyền thông khác. Điểm ưu việt hơn của Hydro so với xăng, DO hay JET là Hydro khi cháy chỉ tạo thành nước mà không sinh ra các chất thải như: SOx, NOx và bụi ran. Điều đó vừa có tác dụng bảo vé môi trường, vừa có thể tiết kiệm được hàng loạt những công đoạn xử lý khí thải phía sau.
Đối với động cơ sử dụng pin nhiên liệu, Hydro sẽ kết hợp với Oxy trong không khí để tạo ra dòng điện và được chuyển hóa thành năng lượng cơ giúp động co vận hành. Nhu vậy, có thể nói, Hydro là nguồn năng lượng tiềm năng cho hoạt động sản xuất, sinh hoạt của con người bởi ba lý do chính sau day: - Hydro có thé được sản xuất từ bat kỳ nguôn nguyên liệu hóa thạch nào (dau, khí, than) thông qua nhiều công nghệ đã được thương mại hóa nên việc đưa Hydro vào sản xuất ở mức độ rộng khắp không gặp phải rào cản kỹ thuật; Trường Đại hoc Bách Khoa — Đại học Quốc gia Tp.HCM Trang 10 Mô phỏng và tối ưu hoạt động của thiết bị lưu trữ Hydro sử dụng LaNis — So với các nhiên liệu thứ cấp cũng sản xuất từ các nguồn năng lượng hóa thạch thì hiệu quả quá trình sản xuất Hydro từ khí đã được thương mại hóa từ lâu và đạt hiệu suat nhiệt rat cao nêu so sánh với quá trình khác như Fischer — Tropsch; — Hydro khi được sử dung làm nhiên liệu sẽ giảm thiểu phát thải các khí gây hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, cho đến nay, trở ngại lớn khiến Hydro vẫn chưa được sử dụng rộng rãi là do van dé tôn trữ Hydro. Theo một số nghiên cứu đánh giá kha năng sử dụng Hydro cho các loại xe oto thông dụng thì cần khoảng 4 — 5 kg Hydro dé xe có thé di được quãng đường khoảng 500 km (khoảng 80 — 125 km/kgHydro) [1].
Ở điều kiện và áp suất thường, 5 kg khí Hydro sẽ chiếm một thé tích tương đương một quả cầu đường kính 5m [1]. Do đó, van dé cần dat ra khi nghiên cứu triển khai thực tiễn cách thức tồn trữ Hydro là tìm ra phương pháp an toàn, có thể tích hợp lên các phương tiện vận chuyển dân dụng, thời gian mỗi lần nạp Hydro hợp lý, có sức chứa đủ lượng Hydro cần thiết cho mỗi chặng đường. Các phương pháp lưu trữ Hydro Tính chất hóa lý của Hydro là yếu tố quyết định đến các điều kiện kỹ thuật lưu trữ Hydro. Hiện nay, có nhiều phương pháp để lưu trữ khí Hydro như: lưu trữ dạng khí nén (high-pressure gas storage), lưu trữ dang long (liquid storage), lưu trữ dạng hap phụ vật ly (physically bound hydrogen) va lưu trữ dang hap thụ hóa hoc (chemically bound hydrogen).
Bang IHI-1 Một số tính chat hóa lý của Hydro [1] Tính chất Đơn vị Hydro Khối lượng phân tử g/mol 2,016 Nhiệt trị kJ/g 120 Khối lượng riêng lỏng g/l 708 Khối lượng riêng khí (đktc) g/l 0,09 Nhiệt độ sôi K 20,3 Độ nhớt dang khí Pa.