Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về hướng nghiên cứu Kể từ sau cuộc khủng hoảng năng lượng 1970 đến nay, đặc biệt trong hơn thập niên đầu thế kỉ XXI, cấu trúc thị trường năng lượng thế giới có nhiều biến động lớn. Lịch sử giá cả năng lượng trên thị trường thế giới tăng liên tục. Bên cạnh đó, việc khai thác và sử dụng quá mức nguồn nhiên liệu hóa thạch đã gây nên hiện tượng ấm lên toàn cầu.
Hội nghị về biến đổi khí hậu tháng 12 năm 2015 diễn ra tại Pari- Pháp, các bên tham gia công ước khung của Liên Hợp Quốc về biến đổi khí hậu (COP21) đã đạt được những thỏa thuận rất quan trọng vì mục tiêu đi đến thỏa ước quốc tế về biến đổi khí hậu, nhằm giới hạn nhiệt độ trái đất nóng lên không quá 2°C [6]. Với tình hình đó, việc sử dụng hiệu quả năng lượng và tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế như năng lượng gió, mặt trời, sóng biển, địa nhiệt,. được gọi chung là năng lượng tái tạo đã và đang được các quốc gia trên thế giới nghiên cứu, phát triển và đưa vào sử dụng để góp phần giải quyết các vấn đề trên. Theo báo cáo “Planning For the Renewable Future” của cơ quan năng lượng tái tạo quốc tế (IRENA): Các nguồn năng lượng tái tạo đã cung cấp 23% sản lượng điện trên toàn thế giới vào năm 2014.
Với việc thông qua nhanh chóng các kế hoạch và chính sách đầy tham vọng, có thể đạt 45% vào năm 2030. Trong đó, năng lượng mặt trời và năng lượng gió đóng vai trò thiết yếu trong việc sản xuất ra điện [7]. Vậy năng lượng tương lai chính là nguồn năng lượng tái tạo. Trong đó địa nhiệt là nguồn nhiệt năng có sẵn trong lòng đất.
Địa nhiệt là dạng năng lượng sạch và bền vững. So với các dạng năng lượng tái tạo khác như gió, thủy điện hay điện mặt trời, địa nhiệt không phụ thuộc vào các yếu tố thời tiết và khí hậu. Do đó địa nhiệt cũng có hệ số công suất rất cao, nguồn địa nhiệt luôn sẵn sàng 24 giờ 1 ngày, 7 ngày trong tuần. Nguồn nhiệt lượng này được chuyển lên mặt đất qua dạng hơi hoặc nước nóng khi nước chảy qua đất đá nóng.
Nhiệt lượng thường được sử dụng HVTH: Lâm Hữu Dũng 1 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Luan van Luận Văn trực tiếp, ví dụ như hệ thống điều hòa nhiệt độ (bơm địa nhiệt), hoặc chuyển thành điện năng (nhà máy nhiệt điện). Một nghiên cứu của Hyungsul Moon và Sadiq J. Zarrouk cho thấy hiệu suất của các mô hình phát điện địa nhiệt hiện có và nguồn địa nhiệt được xem là đặc biệt quan trọng đối với các quốc gia đang phát triển mà lại không có các nguồn tài nguyên năng lượng như than, dầu và khí tự nhiên. Công trình này là một đánh giá trên toàn thế giới sử dụng dữ liệu được công bố từ 9 nhà máy địa nhiệt.
Hiệu suất chuyển đổi được báo cáo cao nhất là khoảng 21%, với một hiệu suất trung bình trên toàn thế giới khoảng 12%. Bài báo: “Efficiency of geothermal power plants: a worldwide review”, Hyungsul Moon and Sadiq J. Zarrouk, Deparment of Engineering Science, University of Auckland, New Zealand, 2013. Một nghiên cứu tiếp theo của A.
Zare cho thấy việc thực hiện các chu trình nhiệt động lực học hiệu quả cao cho việc phát điện từ các nguồn nhiệt có sẵn là một chiến lược hiệu quả cho phát triển năng lượng bền vững. Trong nghiên cứu này, một chu trình flash-binary được đề xuất cho việc phát điện từ giếng địa nhiệt Sabalan ở Iran, xem xét sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất đầu giếng của các giếng khoan hiện tại. Sử dụng dữ liệu và tính chất của nước biển được khai thác từ lĩnh vực địa nhiệt ở Sabalan, hiệu suất của chu trình được đánh giá và một mục tiêu duy nhất được tối ưu hóa là xem xét chi phí năng lượng đầu ra như là hàm mục tiêu cho 4 chỉ số chất lỏng làm việc của đơn vị nhị phân. Sau đó, một tối ưu hóa đa mục tiêu được tiến hành và vùng biên Pareto như là các giải pháp tối ưu được trình bày.
Các kết quả cho thấy rằng, khi tối ưu hóa mục tiêu đơn được thực hiện, chu trình được đề xuất với R141b là chất lỏng làm việc đơn nhị phân có hiệu suất tốt nhất mà chi phí sản lượng cụ thể được tính là 4.901 $ / GJ với hiệu suất vượt trội là 52. Tuy nhiên, việc tối ưu hoá đa mục tiêu dẫn đến hiệu suất vượt trội là 54,87% và chi phí điện năng là 5,068 $ / GJ tại điểm thiết kế tối ưu được lựa chọn. Cuối cùng, một so sánh hiệu suất được thực hiện giữa chu trình đề xuất trong nghiên cứu này với các hệ thống đã đề xuất trước đây đối với các hồ chứa địa nhiệt HVTH: Lâm Hữu Dũng 2 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Luan van Luận Văn Sabalan và kết luận rằng hệ thống flash binary được đề xuất ở đây có hiệu suất tốt hơn đáng kể so với các hệ thống trước đây. Bài báo “Exergoeconomic analysis and multi-objective optimization of a novel combined flash-binary cycle for Sabalan geothermal power plant in Iran”, A.
Zare, Faculty of Mechanical Engineering, Urmia University of Technology, Urmia, Iran, 2017, Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering, Urmia University, Urmia, Iran, 2017. Một khởi xướng của Hannes Alfvén về hệ thống phát điện từ thủy động lực (MHD) đã nhận được giải thưởng Nobel vật lý năm 1970. MHD là ngành học nghiên cứu động lực học của các chất lỏng dẫn điện. Ví dụ về các chất lỏng như vậy bao gồm plasma, kim loại lỏng, nước muối hoặc một khí ion hóa.
Từ thủy động lực học (MHD) có nguồn gốc: từ’’có nghĩa là từ trường, “hydro” có nghĩa là chất lỏng, và “động” ý nghĩa là chuyển động. Ông mô tả các lớp của sóng từ thuỷ động lực học này gọi là sóng Alfvén. Ý tưởng cơ bản của từ thủy động lực học là từ trường có thể tác động lực Lorentz lên các điện tích chuyển động trong plasma, gây ra áp suất và dòng điện cảm ứng, và dòng cảm ứng lại sinh ra từ trường cảm ứng thay đổi từ trường tổng cộng. Đây là một thiết bị tạo ra điện bằng sự tương tác của một chất lỏng dẫn điện chuyển động và từ trường.
Máy phát MHD có thể chuyển đổi năng lượng nhiệt trực tiếp thành điện mà không có thành phần chuyển động. Do đó, tổn thất năng lượng giảm và hiệu suất phát điện cao. Với những ưu điểm của mình, máy phát điện MHD đã được nghiên cứu khá nhiều trên thế giới. Một số nghiên cứu như sau: Trong những năm đầu của thế kỷ XXI chu trình MHD kín ( MHD plasma) đã có những nghiên cứu và phát triển.
Bài báo“Basic studies on closed cycle MHD power generation system for space application”, 35th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, 28 June-1 July / Portland , Oregon, AIAA 2004-2365, một nghiên cứu của Nob Harada, Le Chi Kien, Hishikawa tại đại học Nagaoka Niigata Nhật Bản về vấn đề MHD kín được báo cáo với tổng hiệu suất dự kiến là 55,2 %. HVTH: Lâm Hữu Dũng 3 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Luan van Luận Văn Bài báo “Investigating the effect of channel angle of a subsonic MHD (Magneto-Hydro-Dynamic) generator on optimum efficiency of a triple combined cycle” Sufi a Khalili, Ali Jafarian Dehkordi, Mohammad Hossein Giahi, School of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Jalal Ale Ahmad Highway, P. BOX: 14115-143, Tehran, Iran-2015. Bài báo này đề xuất 3 chu trình bao gồm một kênh MHD chu trình mở với góc phân chia 5,70 như một chu trình đầu tiên, một tua bin khí như một máy phát điện chính giữa và một tua bin hơi như một chu trình cuối.
Quá trình tính toán, phân tích hiệu suất của chu trình kết hợp dựa trên máy phát điện MHD. Hiệu suất tối ưu là 71,32% đạt được trong 3 chu trình, rõ ràng là lớn hơn hiệu suất của một chu trình kết hợp mà không có máy phát điện MHD được ước lượng là 40,89%. Trong một máy phát MHD, nhiệt plasma chuyển động xuyên qua một từ trường tạo ra năng lượng điện. Trước đây người ta phải đốt than hay sử dụng nguồn nhiệt từ phản ứng hạt nhân để ion hóa chất khí làm nhiên liệu cho máy phát từ thủy động lực học phát điện.
Hiện nay công nghệ khoa học phát triển cao nên ta có thể sử dụng thêm các dạng năng lượng khác chẳng hạn như nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, sinh khối, địa nhiệt. Sử dụng năng lượng sạch, giảm ô nhiễm, giảm khí thải nhà kính và chủ động nguồn năng lượng là xu hướng tất yếu và đã tăng trưởng đều trong các năm qua trên thế giới. Chính vì thế học viên đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu về máy phát điện MHD kết hợp với nguồn năng lượng địa nhiệt sẵn có trong lòng đất để nâng cao hiệu suất phát điện. Tính cấp thiết của đề tài Năng lượng từ lâu đã trở thành nhân tố tác động trực tiếp đến sự phát triển kinh tế, xã hội hầu hết các quốc gia trên thế giới.
Một quốc gia không thể phát triển bền vững nếu thiếu hụt năng lượng. Trong nhiều thập kỷ qua, việc tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng lên nhanh chóng, trong đó nhiên liệu hóa thạch như dầu thô, than đá và khí tự nhiên chiếm phần lớn nguồn năng lượng tiêu thụ. Trong khi sử dụng những nguồn năng lượng này vừa ô nhiểm môi trường và cũng đang dần cạn kiệt trong tương lai. Việt Nam có nguồn tài nguyên nhiên liệu – năng lượng đa dạng HVTH: Lâm Hữu Dũng 4 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Luan van Luận Văn đầy đủ các chủng loại như than, dầu khí, thủy điện và các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng lượng biển… Do đó, nguồn năng lượng tái tạo cần được đầu tư, khai thác và khuyến khích phát triển để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai xa.
Mặc dù nguồn địa nhiệt chưa được điều tra và tính toán kỹ. Tuy nhiên, với số liệu điều tra và đánh giá gần đây nhất cho thấy tiềm năng điện địa nhiệt ở Việt Nam có thể khai thác đến trên 300MW. Khu vực có khả năng khai thác hiệu quả là miền Trung. Bên cạnh đó, công nghệ phát điện từ thủy động lực học đã hình thành từ khá lâu, đã được nghiên cứu, thử nghiệm và đưa vào sử dụng ở các quốc gia phát triển trên thế giới.
Tuy nhiên do hiệu suất không cao khi hoạt động riêng lẽ, tuổi thọ của máy thấp do phải hoạt động liên tục ở nhiệt độ cao (khoảng vài nghìn độ C) gây hư hỏng các điện cực, vật liệu chế tạo đắt đỏ.