Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu hệ thống phát điện từ phế thải nông nghiệp cây lúa tỉnh Kiên Giang

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu nghiên cứu hệ thống phát điện từ phế thải nông nghiệp cây lúa tỉnh kiên giang, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Trần Thế Thanh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Chí Kiên
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện – Điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ tạo hỗn hợp Biogas – không khí để chạy động cơ diesel kéo máy phát điện
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Kiên Giang, HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cần thiết của đề tài
• 1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Mục đích đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Điểm mới của đề tài
• 2. NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE
• 2.1. Cấu trúc lignocellulose
• 2.2. Các chất trích ly
• 3. QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RƠM RẠ
• 3.1. Các phương pháp tiền xử lý hóa học
• 3.2. Các phương pháp tiền xử lý cơ học
• 3.3. Cơ chế quá trình thủy phân
• 3.4. Các yếu tố ảnh hưởng quá trình thủy phân
• 4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG BIOGAS
• 5. I. TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ
• 5.1. Giới thiệu động cơ
• 5.2. Những thông số kỹ thuật của động cơ
• 5.3. Các chi tiết cố định của động cơ
• 5.4. Sơ đồ cấu tạo động cơ diesel
• 5.5. Chu trình làm việc lý thuyết
• 5.6. Chu trình làm việc thực tế của động cơ xăng và diesel
• 5.7. Các thông số chọn của động cơ
• 5.8. Thông số tính toán
• 5.9. Quá trình nạp
• 5.10. Quá trình nén
• 5.11. Quá trình cháy
• 5.12. Quá trình giãn nở
• 5.13. Thông số chỉ thị
• 5.14. Thông số có ích
• 6. TÍNH TOÁN NHIỆT HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG BIOGAS
• 6.1. Tính toán nhiệt khí động cơ dùng biogas
• 6.2. Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hết 1m3 khí biogas (ở đktc)
• 6.3. Thành phần theo thể tích hỗn hợp nạp vào động cơ
• 6.4. Nhiệt trị nhiên liệu khí biogas
• 6.5. Thông số kỹ thuật của động cơ
• 6.6. Thông số chọn
• 6.7. Thông số tính toán
• 6.8. Quá trình nạp
• 6.9. Quá trình nén
• 6.10. Quá trình cháy
• 6.11. Quá trình giãn nở
• 6.12. Thông số chỉ thị
• 6.13. Thông số có ích
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu hệ thống phát điện từ biogas phế thải nông nghiệp tại Kiên Giang

Nghiên cứu hệ thống phát điện từ biogas phế thải nông nghiệp tại Kiên Giang là một bước tiến quan trọng trong việc tận dụng nguồn năng lượng tái tạo. Biogas được sản xuất từ các chất thải nông nghiệp như rơm rạ, phân động vật, và các loại phế thải khác. Việc chuyển đổi những phế thải này thành năng lượng không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn điện năng bền vững cho cộng đồng. Hệ thống này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

1.1. Tầm quan trọng của biogas trong phát triển bền vững

Biogas là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, giúp giảm thiểu khí thải nhà kính và ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng biogas trong sản xuất điện năng không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Theo nghiên cứu, việc chuyển đổi phế thải nông nghiệp thành biogas có thể giảm thiểu đáng kể lượng chất thải ra môi trường.

1.2. Các nguồn nguyên liệu cho hệ thống phát điện từ biogas

Nguồn nguyên liệu cho hệ thống phát điện từ biogas chủ yếu đến từ các phế thải nông nghiệp như rơm rạ, phân động vật và các loại chất thải hữu cơ khác. Những nguyên liệu này không chỉ phong phú mà còn dễ dàng thu gom và xử lý. Việc sử dụng các nguồn nguyên liệu này giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống phát điện và giảm thiểu chi phí sản xuất.

II. Vấn đề và thách thức trong việc phát triển hệ thống phát điện từ biogas

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc phát triển hệ thống phát điện từ biogas cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là việc thu gom và xử lý phế thải nông nghiệp. Nhiều nông dân vẫn chưa nhận thức được giá trị của biogas và thường bỏ qua nguồn nguyên liệu này. Hơn nữa, công nghệ xử lý biogas còn hạn chế, dẫn đến hiệu suất thấp trong việc sản xuất điện năng.

2.1. Khó khăn trong việc thu gom phế thải nông nghiệp

Việc thu gom phế thải nông nghiệp để sản xuất biogas gặp nhiều khó khăn do thiếu cơ sở hạ tầng và nhận thức của người dân. Nhiều nông dân không biết cách thu gom và xử lý phế thải một cách hiệu quả, dẫn đến lãng phí nguồn nguyên liệu quý giá này.

2.2. Công nghệ xử lý biogas còn hạn chế

Công nghệ xử lý biogas hiện tại còn nhiều hạn chế, ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất điện năng. Việc áp dụng công nghệ mới và cải tiến quy trình xử lý là cần thiết để nâng cao hiệu quả của hệ thống phát điện từ biogas.

III. Phương pháp nghiên cứu và giải pháp cho hệ thống phát điện từ biogas

Để phát triển hệ thống phát điện từ biogas, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại và giải pháp công nghệ tiên tiến. Việc thiết kế hệ thống phát điện từ biogas cần chú trọng đến việc tối ưu hóa quy trình xử lý và nâng cao hiệu suất của động cơ. Các giải pháp như sử dụng bộ điều tốc và cải tiến thiết kế hệ thống sẽ giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.

3.1. Thiết kế hệ thống phát điện từ biogas

Thiết kế hệ thống phát điện từ biogas cần đảm bảo tính hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Việc lựa chọn động cơ phù hợp và tối ưu hóa quy trình xử lý sẽ giúp nâng cao hiệu suất của hệ thống. Các nghiên cứu cho thấy việc sử dụng động cơ diesel kết hợp với biogas có thể cải thiện hiệu suất phát điện.

3.2. Ứng dụng công nghệ mới trong xử lý biogas

Việc áp dụng công nghệ mới trong xử lý biogas sẽ giúp nâng cao hiệu suất sản xuất điện năng. Các công nghệ như xử lý kỵ khí và công nghệ sinh học có thể được áp dụng để tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu tại Kiên Giang

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống phát điện từ biogas phế thải nông nghiệp tại Kiên Giang đã mang lại nhiều lợi ích cho cộng đồng. Hệ thống không chỉ giúp cung cấp điện năng cho các hộ gia đình mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng biogas có thể tiết kiệm chi phí sản xuất và tăng thu nhập cho nông dân.

4.1. Lợi ích kinh tế từ hệ thống phát điện

Hệ thống phát điện từ biogas giúp tiết kiệm chi phí cho nông dân và tăng thu nhập. Việc sử dụng biogas thay thế cho nhiên liệu hóa thạch không chỉ giảm chi phí sản xuất mà còn tạo ra nguồn thu nhập ổn định từ việc bán điện.

4.2. Tác động tích cực đến môi trường

Hệ thống phát điện từ biogas giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường bằng cách xử lý phế thải nông nghiệp một cách hiệu quả. Việc giảm khí thải nhà kính và ô nhiễm không khí là một trong những lợi ích lớn nhất của hệ thống này.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai cho hệ thống phát điện từ biogas

Hệ thống phát điện từ biogas phế thải nông nghiệp tại Kiên Giang đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả. Tuy nhiên, để phát triển bền vững, cần có sự hỗ trợ từ chính phủ và các tổ chức để nâng cao nhận thức của người dân về giá trị của biogas. Hướng phát triển trong tương lai cần tập trung vào việc cải tiến công nghệ và mở rộng quy mô ứng dụng hệ thống phát điện từ biogas.

5.1. Cần có chính sách hỗ trợ từ chính phủ

Chính phủ cần có các chính sách hỗ trợ để khuyến khích nông dân tham gia vào việc sản xuất biogas. Các chương trình đào tạo và hỗ trợ tài chính sẽ giúp nâng cao nhận thức và khả năng áp dụng công nghệ mới trong sản xuất điện từ biogas.

5.2. Tương lai của hệ thống phát điện từ biogas tại Kiên Giang

Hệ thống phát điện từ biogas có tiềm năng lớn để phát triển tại Kiên Giang. Việc mở rộng quy mô và áp dụng công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả và tính bền vững của hệ thống, góp phần vào sự phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một quốc gia nông nghiệp nhiệt đới với sản lượng phế thải sinh khối phát sinh hàng năm ước tính lên đến hơn 60 triệu tấn, bao gồm rơm rạ, trấu, bã mía và chất thải hữu cơ từ ngành chăn nuôi gia súc, gia cầm. Nguồn sinh khối dồi dào này phần lớn chưa được khai thác tối ưu, thường bị đốt bỏ ngoài đồng ruộng hoặc xả thải trực tiếp, gây lãng phí nghiêm trọng nguồn năng lượng sơ cấp và làm gia tăng mức độ ô nhiễm không khí. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn tập trung vào việc giải quyết những trở ngại kỹ thuật khi tận dụng nguồn khí sinh học (Biogas) để thay thế nhiên liệu hóa thạch, cụ thể là việc thiết kế bộ tạo hỗn hợp Biogas - không khí nhằm chuyển đổi động cơ diesel truyền thống thành hệ thống máy phát điện lưỡng nhiên liệu (Dual-Fuel) vận hành ổn định.

Mục tiêu cụ thể của công trình là tính toán, chế tạo bộ hòa trộn nhiên liệu khí Biogas với không khí, đồng thời tích hợp cơ cấu điều tốc phụ trợ để kéo máy phát điện công suất nhỏ phục vụ trực tiếp cho các hộ chăn nuôi và trang trại nông nghiệp. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, kết hợp khảo sát thực tế các mô hình hầm ủ sinh học tại tỉnh Kiên Giang và khu vực miền Trung trong năm 2017. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc giảm thiểu trực tiếp từ 40% đến 60% chi phí nhiên liệu dầu diesel trong vận hành phát điện, cắt giảm hơn 45% nồng độ phát thải các khí độc hại như carbon monoxide (CO), hydrogen sulfide (H2S) và nitrogen oxide (NOx), góp phần thực thi cam kết quốc tế về giảm phát thải khí nhà kính và thúc đẩy an ninh năng lượng nông thôn bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp của ba khung lý thuyết chuyên ngành cốt lõi. Thứ nhất là lý thuyết chu trình nhiệt động lực học động cơ đốt trong bốn kỳ, mô tả chi tiết các giai đoạn nạp, nén, cháy và giãn nở sinh công theo chu trình hỗn hợp (Sabathé/Dual cycle). Thứ hai là lý thuyết động học dòng khí và hòa trộn lưu chất, phân tích cơ chế hình thành hỗn hợp hòa khí đồng nhất giữa dòng khí Biogas có chứa 50% đến 70% khí methane (CH4) và dòng không khí nạp tự nhiên qua họng khuếch tán. Thứ ba là lý thuyết chuyển hóa sinh khối lignocellulose và cơ chế thủy phân sinh học bằng hệ enzyme cellulase (bao gồm Endoglucanase, Exoglucanase và Beta-glucosidase), giải thích chu trình tuần hoàn carbon khép kín từ phụ phẩm nông nghiệp tạo ra năng lượng tái tạo.

Bên cạnh đó, mô hình nghiên cứu vận dụng sâu sắc các khái niệm kỹ thuật chính:

1. Nhiên liệu kép (Dual-Fuel): Phương thức cấp đồng thời khí Biogas qua đường nạp và phun một lượng nhỏ dầu diesel mồi để kích hoạt quá trình tự cháy do áp suất nén.
2. Nhiệt trị thấp (Qh): Chỉ số nhiệt năng giải phóng khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị thể tích nhiên liệu, trong đó nhiệt trị thấp của Biogas (khoảng 20 đến 25 MJ/m3) thấp hơn đáng kể so với dầu diesel (khoảng 42.5 MJ/kg).
3. Hệ số nạp của động cơ: Tỷ số giữa lượng môi chất thực tế nạp vào xi-lanh so với lượng môi chất lý thuyết có thể chứa đầy thể tích công tác ở điều kiện tiêu chuẩn.
4. Đặc tuyến phụ tải I-V và P-V: Tập hợp các đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện, điện áp và công suất phát đầu ra của máy phát điện khi thay đổi mức tải tiêu thụ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tính toán mô phỏng nhiệt động lực học kết hợp kiểm chứng thực nghiệm trực tiếp trên mô hình vật lý. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 01 hệ thống động cơ diesel một xi-lanh bốn kỳ do Trung Quốc sản xuất đã được hoán cải, kết nối đồng trục với đầu phát điện xoay chiều một pha công suất định mức 3 kW.

Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm được tiến hành theo quy trình phân tầng ở các dải tốc độ vòng quay từ 1000 đến 2500 vòng/phút, tương ứng với các mức tải tiêu thụ biến thiên từ 0%, 25%, 50%, 75% đến 100% công suất định mức. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích nhiệt động lực học từng quá trình (nạp - nén - cháy - giãn nở) kết hợp đo đạc các thông số chỉ thị và thông số có ích là nhằm định lượng chính xác sự sụt giảm áp suất chỉ thị trung bình cũng như công suất động cơ khi thay thế nhiên liệu lỏng bằng nhiên liệu khí. Quá trình tính toán lý thuyết và thực nghiệm đo đạc điện áp, dòng điện, mức tiêu hao nhiên liệu được thực hiện liên tục trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 10 năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán nhiệt và thử nghiệm thực tế hệ thống máy phát điện chạy bằng Biogas đã chỉ ra 4 phát hiện quan trọng:

1. Sự sụt giảm hệ số nạp động cơ: Khi chuyển sang sử dụng hòa khí Biogas - không khí, hệ số nạp của động cơ diesel giảm từ 10% đến 14% so với chế độ nạp thuần không khí khi dùng dầu diesel. Nguyên nhân do thể tích khí Biogas chiếm chỗ một phần dung tích xi-lanh nạp, làm giảm mật độ oxy nạp vào buồng cháy.
2. Mức độ suy giảm công suất chỉ thị: Do nhiệt trị thấp của Biogas thấp hơn dầu truyền thống khoảng 40% đến 45%, công suất có ích cực đại của động cơ kéo máy phát điện khi sử dụng nhiên liệu khí Biogas bị giảm khoảng 18% đến 22% so với khi chạy bằng 100% dầu diesel ở cùng dải tốc độ 1500 vòng/phút.
3. Hiệu quả ổn định của bộ điều tốc phụ trợ: Khi bổ sung bộ điều tốc cơ điện tử vào bộ chuyển đổi hòa trộn nhiên liệu khí, dao động điện áp đầu ra được duy trì chặt chẽ trong biên độ 220V +/- 4.5% và tần số ổn định ở mức 50 Hz +/- 1 Hz khi đóng/ngắt tải đột ngột từ 20% lên 80% công suất danh định.
4. Cắt giảm phát thải độc hại: Nồng độ phát thải khí carbon monoxide (CO) trong khí xả giảm hơn 46% và muội than giảm trên 60% ở chế độ hoạt động ổn định nhờ đặc tính hòa trộn đồng nhất của nhiên liệu khí trước khi đi vào buồng đốt.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm công suất động cơ khi chuyển đổi từ nhiên liệu lỏng sang nhiên liệu khí là quy luật nhiệt động lực học tất yếu, xuất phát từ hai nguyên nhân kỹ thuật cơ bản: thể tích chứa nhiên liệu khí lớn làm suy giảm hệ số nạp và nhiệt trị hỗn hợp hòa khí thấp hơn so với hòa khí diesel - không khí. Để bù đắp lượng công suất hao hụt này mà không cần can thiệp sâu vào kết cấu cơ khí bên trong động cơ, việc bổ sung bộ điều tốc tự động là giải pháp mang tính đột phá, giúp điều tiết lưu lượng khí Biogas tức thời theo sự biến động của dòng phụ tải điện.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua các bảng đối chiếu thông số chu trình công tác (quá trình nạp, nén, cháy, giãn nở) và đồ thị đặc tuyến công suất - điện áp (P-V). Khi so sánh với các nghiên cứu công bố của Đại học Stanford và Đại học California tại Berkeley (về mô hình phân tích năng lượng sinh khối EBAMM), việc chuyển hóa trực tiếp sinh khối thành khí sinh học chạy máy phát điện mang lại hiệu suất năng lượng tổng thể cao hơn khoảng 80% và hiệu quả giảm phát thải khí nhà kính gấp đôi so với quá trình chuyển hóa sinh khối lignocellulose thành cồn ethanol sinh học dạng lỏng. Kết quả này cũng hoàn toàn tương thích với các khảo sát mô hình hầm ủ thực tế tại Đà Nẵng năm 2013, khẳng định tiềm năng ứng dụng to lớn của hệ thống phát điện phân tán sử dụng khí Biogas tại nông thôn.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và chính sách ứng dụng cụ thể:

1. Nâng cấp hệ thống lọc và khử tạp chất khí Biogas: Tiến hành lắp đặt các cột lọc mạt sắt (Fe2O3) và than hoạt tính đa tầng trước khi dẫn khí vào bộ hòa trộn nhằm đưa nồng độ khí ăn mòn H2S xuống dưới ngưỡng 50 ppm, bảo vệ kim phun và xi-lanh động cơ khỏi hiện tượng mài mòn hóa học; thời gian triển khai khuyến nghị trong vòng 6 tháng đầu vận hành cho các trang trại chăn nuôi quy mô từ 500 đầu gia súc trở lên.
2. Tích hợp bộ điều tốc điện tử tự động (Electronic Governor): Chế tạo và chuẩn hóa bộ điều tốc phản hồi nhanh với sai số vòng quay dưới 1.5% khi phụ tải điện thay đổi đột ngột; thực hiện bởi các kỹ sư cơ điện tử và đơn vị chế tạo thiết bị phụ trợ nông nghiệp trong giai đoạn 2024–2025.
3. Chuẩn hóa quy trình tiền xử lý sinh khối tạo khí: Áp dụng kỹ thuật tiền xử lý nổ hơi nước (Steam Explosion) ở nhiệt độ 200°C đến 230°C đối với phụ phẩm rơm rạ nhằm phá vỡ mạng lưới lignin - hemicellulose, nâng cao hiệu suất sinh khí methane thêm 25% đến 35% cho các hầm ủ liên hoàn; thực hiện bởi các viện nghiên cứu công nghệ sinh học và hợp tác xã nông nghiệp.
4. Ban hành quy chuẩn kỹ thuật và chính sách hỗ trợ tài chính: Đề nghị các cơ quan quản lý nhà nước như Bộ Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn phối hợp cùng Bộ Công Thương xây dựng bộ tiêu chuẩn an toàn cho máy phát điện Biogas hộ gia đình trước năm 2026, đồng thời áp dụng chính sách trợ giá 30% chi phí lắp đặt bộ hòa trộn cho bà con nông dân.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Chủ trang trại chăn nuôi và doanh nghiệp nông nghiệp: Cung cấp giải pháp kỹ thuật chi tiết để tự chế tạo, vận hành hệ thống máy phát điện 3 kW đến 10 kW từ hầm Biogas sẵn có, giúp tiết kiệm hơn 50% chi phí tiền điện phục vụ chiếu sáng, làm mát chuồng trại và xử lý môi trường.
2. Kỹ sư cơ khí động lực và kỹ sư cơ điện tử: Tham khảo hệ thống công thức tính toán chu trình nhiệt, bản vẽ nguyên lý bộ hòa trộn Biogas - không khí và thuật toán ổn định tần số phát điện để thiết kế các bộ chuyển đổi lưỡng nhiên liệu thương mại hóa.
3. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Năng lượng, Kỹ thuật Môi trường: Tiếp cận tài liệu tổng quan toàn diện về cấu trúc lignocellulose, công nghệ enzyme cellulase, cơ chế thủy phân và phương pháp mô hình hóa nhiệt động lực học động cơ đốt trong.
4. Cán bộ quản lý năng lượng và hoạch định chính sách nông thôn: Nắm bắt cơ sở khoa học và số liệu thực chứng để xây dựng các chương trình phát triển năng lượng tái tạo phân tán, mô hình kinh tế nông nghiệp tuần hoàn và tín chỉ carbon tại địa phương.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao công suất động cơ diesel lại sụt giảm khoảng 18% đến 22% khi chuyển sang chạy bằng khí Biogas? Hiện tượng suy giảm công suất xuất phát từ hai yếu tố: thể tích khí Biogas chiếm chỗ làm giảm lượng không khí nạp (hệ số nạp giảm 10% đến 14%), đồng thời nhiệt trị thấp của Biogas (khoảng 20-25 MJ/m3) thấp hơn đáng kể so với dầu diesel, dẫn đến tổng năng lượng giải phóng trong buồng cháy giảm xuống.

2. Hệ thống máy phát điện lưỡng nhiên liệu (Dual-Fuel) có thể hoạt động hoàn toàn bằng 100% khí Biogas không? Động cơ diesel nguyên bản hoạt động theo nguyên lý tự cháy do áp suất nén cao chứ không dùng bugi đánh lửa. Do đó, hệ thống bắt buộc phải duy trì một lượng dầu diesel mồi tối thiểu (khoảng 15% đến 20%) để kích hoạt quá trình bốc cháy hỗn hợp Biogas - không khí trong buồng đốt.

3. Khí Biogas thô từ hầm ủ có thể dẫn trực tiếp vào bộ hòa trộn của máy phát điện được không? Khí Biogas thô chứa nhiều tạp chất như hơi ẩm và khí H2S gây ăn mòn kim loại nghiêm trọng. Khí bắt buộc phải đi qua hệ thống lọc tách nước và bình lọc H2S bằng mạt sắt để nồng độ H2S giảm xuống dưới 50 ppm trước khi đi vào động cơ nhằm bảo vệ buồng đốt.

4. Bộ điều tốc phụ trợ lắp thêm vào động cơ có vai trò cốt lõi như thế nào? Bộ điều tốc tự động điều chỉnh độ mở của van cấp khí Biogas tương ứng với mức tải tiêu thụ của máy phát. Thiết bị này giữ tốc độ động cơ luôn ổn định ở mức 1500 vòng/phút, giúp duy trì điện áp 220V và tần số 50 Hz ổn định, tránh gây hư hỏng cho các thiết bị điện gia dụng.

5. Phương pháp tiền xử lý nổ hơi nước (Steam Explosion) đóng góp gì cho việc sản xuất năng lượng sinh khối? Nổ hơi nước ở nhiệt độ 200°C đến 230°C dưới áp suất cao giúp phá vỡ cấu trúc tinh thể liên kết giữa cellulose, hemicellulose và lignin trong rơm rạ, làm tăng độ xốp bề mặt, từ đó giúp vi sinh vật và enzyme thủy phân nhanh hơn, tăng sản lượng khí sinh học thêm 25% đến 35%.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết toàn diện bài toán khoa học và kỹ thuật về chuyển đổi năng lượng sinh khối ứng dụng cho phát điện phân tán, đạt được các kết quả nổi bật sau:

• Thiết kế và chế tạo thành công bộ tạo hỗn hợp Biogas - không khí chuyên dụng cho động cơ diesel cỡ nhỏ kéo máy phát điện.
• Xây dựng hoàn chỉnh mô hình tính toán nhiệt động lực học chu trình công tác của động cơ lưỡng nhiên liệu, định lượng chính xác độ sụt giảm hệ số nạp và công suất có ích.
• Tích hợp thành công cơ cấu điều tốc phụ trợ, đảm bảo duy trì chất lượng nguồn điện ổn định ở mức điện áp 220V +/- 4.5% và tần số 50 Hz dưới mọi chế độ phụ tải.
• Chứng minh hiệu quả bảo vệ môi trường vượt trội với mức cắt giảm hơn 45% khí thải CO và hơn 50% chi phí nhiên liệu vận hành cho người dân.
• Thiết lập cơ sở lý thuyết vững chắc kết nối giữa công nghệ tiền xử lý sinh khối lignocellulose và kỹ thuật động cơ đốt trong sử dụng năng lượng sạch.

Trong giai đoạn 12 tháng tới, hướng phát triển trọng tâm của đề tài là nâng cấp hệ thống hòa trộn sang cơ chế phun khí Biogas điện tử đa điểm (Electronic Biogas Injection) có điều khiển bằng vi xử lý. Các đơn vị nông nghiệp, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp cơ khí chế tạo hãy đẩy mạnh hợp tác chuyển giao công nghệ, đưa hệ thống máy phát điện Biogas vào ứng dụng thực tế trên diện rộng nhằm thúc đẩy nền nông nghiệp xanh và phát triển kinh tế bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tính cần thiết của đề tài. Việc chuyển đổi sinh khối thành năng lượng (hay còn gọi là năng lượng sinh khối) bao gồm nhiều phương pháp khác nhau phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu, công nghệ chuyển đổi, các hình thức ứng dụng của năng lượng sinh khối và điều kiện kinh tế của mỗi địa phương, mỗi quốc gia. Nguồn nguyên liệu sinh khối có thể được sản xuất từ các loại cây trồng năng lượng chuyên dụng, cây trồng làm chất đốt ngắn ngày, các sản phẩm từ rừng và dư lượng nông nghiệp như: thân cây, củi, rơm rạ … hay từ các nguồn chất thải công nghiệp, chất thải hữu cơ hoặc phân động vật.

Trong mỗi trường hợp các nguyên liệu sinh khối phải được thu thập, vận chuyển và lưu trữ trước khi được chế biến thành dạng nguyên liệu thích hợp cho quá trình xử lý. Theo đó, năng lượng sinh khối là một dạng của năng lượng tái tạo khi sử dụng sẽ giúp giảm tác động có hại của việc khai thác và sử dụng nhiên liệu hoá thạch như hiện nay. Tuy nhiên, cũng như với bất kỳ nguồn năng lượng nào khác, năng lượng sinh khối cũng có những hạn chế nhất định và nó phải cạnh tranh không chỉ với nhiên liệu hóa thạch mà còn với các nguồn năng lượng tái tạo khác từ gió, năng lượng mặt trời và thủy triều. Khi sinh khối được tạo thành bởi thực vật là kết quả của quá trình quang hợp thì một phần năng lượng trong ánh nắng mặt trời được biến đổi thành năng lượng hóa học, gắn kết nhiều nguyên tử khác nhau để thành phân tử carbonhydrate.

Các loài động vật ăn thực vật và tạo ra biomass của chính chúng từ năng lượng tích trữ trong biomass của thực vật mà nó ăn vào. Tương tự, các loại động vật ăn thịt động vật sử dụng sinh khối của động vật mà nó ăn vào để tạo ra sinh khối của chính nó. Khi thực vật và động vật này chết đi, năng lượng tích tụ trong biomass của chúng vẫn tồn tại cho đến khi biomass của chúng phân rã tự nhiên hay bị đốt hay qua quá trình xử lý nhân tạo. HVTH: Trần Thế Thanh 1 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Một phần năng lượng trong biomass được giải phóng khi các phân tử được đốt hay được sắp xếp lại.

Quá trình hô hấp mà nhờ đó động vật và thực vật phá vỡ các phân tử carbohydrate trong cơ thể của chúng để tạo thành CO2 và nước là một ví dụ về cách mà năng lượng tích tụ trong phân tử được giải phóng để cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống. Mặt khác, động vật là thành phần tiêu thụ năng lượng và biomass, và năng lượng mà động vật tích trữ trong cơ thể của chúng ít hơn năng lượng có trong thức ăn của chúng. Tuy nhiên, các chất hữu cơ thải ra từ cơ thể chúng chứa một lượng năng lượng trong đó và đã được dùng để sản xuất ra năng lượng. Khi Biomass được xem là nguồn để sản xuất ra năng lượng, chúng bao gồm cả động vật và thực vật.

Việt nam là một nước nông nghiệp và hàng năm thải ra một lượng lớn đến hàng chục triệu tấn các chất phế thải (sinh khối) như trấu, bã mía, vỏ hạt điều, mùn cưa, rơm. Sử dụng nguồn sinh khối này một cách thích hợp để sản xuất nhiệt và điện năng sẽ đem lại cơ hội mới cho Nông nghiệp, cải thiện an ninh năng lượng, và mang lại lợi ích cho môi trường và xã hội. Vì vậy trong nghiên cứu này sẽ áp dụng kỹ thuật chuyển sinh khối thành nhiên liệu cho máy phát điện sử dụng trực tiếp ở hộ gia đình. Nhiên liệu sinh học (còn được gọi là nhiên liệu từ nông nghiệp – agrofuel) theo định nghĩa rộng là những nhiên liệu rắn, lỏng hay khí được chuyển hóa từ sinh khối.

Tuy nhiên, phần này chỉ đề cập chính đến nhiên liệu sinh học dạng lỏng được sản xuất từ sinh khối. Nói chung, nhiên liệu sinh học mang lại những lợi ích sau: giảm khí thải nhà kính, giảm gánh nặng lên nhiên liệu hóa thạch, tăng sự an toàn về năng lượng quốc gia, góp phần phát triển nông thôn và là một nguồn năng lượng bền vững trong tương lai. Ngược lại, nhiên liệu sinh học cũng có một số hạn chế: nguồn nguyên liệu phải được tái tạo nhanh, công nghệ sản xuất phải được thiết kế và tiến hành sao cho cung cấp lượng nhiên liệu lớn nhất với giá thấp nhất và mang lại lợi ích về môi trường nhất. Nhiên liệu sinh học và những dạng nhiên liệu tái tạo khác nhắm đến tính chất trung tính về carbon.

Điều này có nghĩa là carbon được thải ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu để cung cấp năng lượng vận chuyển hay HVTH: Trần Thế Thanh 2 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên sinh điện năng được tái hấp thụ và cân bằng với lượng carbon hấp thụ bởi cây cối. Những cây này sau đó lại được thu hoạch để tiếp tục sản xuất nhiên liệu. Những nhiên liệu trung tính về carbon không gây ra sự tăng carbon trong khí quyển, vì thế không góp phần vào hiệu ứng trái đất nóng lên. Sau đây là một số các loại nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên theo phân loại của tự điển bách khoa toàn thư trực tuyến Wikipedia.org: - Dầu thực vật: dầu thực vật có thể dùng để làm nhiên liệu sử dụng cho rất nhiều những loại động cơ diesel đời cũ, và chỉ ở điều kiện khí hậu ấm áp.

Trong đa số trường hợp, dầu thực vật được sử dụng để sản xuất biodiesel. - Biodiesel: được sản xuất từ dầu hoặc chất béo qua quá trình tranesterification và là một chất lỏng giống như diesel từ dầu mỏ. - Bioalcohols: là những rượu được sản xuất từ quá trình lên men sinh học. Bioalcohols phổ biến là ethanol, rồi đến propanol và butanol.

- Biogas: biogas được sinh ra từ quá trình tiêu hủy kỵ khí các chất hữu cơ bởi các vi sinh vật kỵ khí. Sản phẩm phụ dạng rắn từ quá trình này có thể được sử dụng làm nhiên liệu hoặc phân bón. Biogas chứa chủ yếu là methane. - Nhiên liệu sinh học dạng rắn: ví dụ như: gỗ, than hoặc phân khô cũng theo tự điển Wikipedia.org, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ 2 bao gồm: - BioHydrogen: là khí Hydro được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh khối.

BioHydrogen được dùng trong pin nhiên liệu (fuel cell). - DMF: được sản xuất DMF từ fructose và glucose sử dụng công nghệ sinh khối-nhiên liệu lỏng có xúc tác. - Bio-DME: là DME được sản xuất từ biomethanol qua quá trình dehydration có xúc tác, được sử dụng trong động cơ khí nén. - Biomethanol: methanol được sản xuất từ sinh khối, có thể được pha vào dầu đến 10-20% mà không làm thay đổi tính chất cơ bản của dầu.

Để đảm bảo an ninh năng lượng bảo vệ môi trường phát triển bền vững, nhiều quốc gia và các tổ chức quốc tế trong vài thập kỉ qua đã tập trung nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch, tiến tới xây dựng ngành “nhiên liệu HVTH: Trần Thế Thanh 3 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên sạch” ở quốc gia mình. Các nước đã có thành công nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học là Brazil, Mỹ, Canada, Mexico, Châu Âu có Anh, Pháp, Đức, Tây Ban Nha, Bỉ, Áo…Châu Á có Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Nhật. Sở dĩ nhiều nước đẩy nhanh chươngtrình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học vì đã cam kết thực hiện nghị định Kyoto về cắt giảm khí nhà kính và để đảm bảo an ninh năng lượng khi nguồn dầu mỏ trở nên đắt đỏ và sẽ cạn dần cuối thế kỷ này. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước Ngoài nước Gasohol còn gọi là xăng sinh học được chế tạo từ hỗn hợp ethanol khan 99,5% pha xăng tỷ lệ 5, 10, 20 hoặc 40% ethanol khan, với hỗn hợp ethanol trong gasohol khoảng 10-20% thì không cần cải tạo động cơ.

Khi xem xét ứng dụng hiện nay của bioethanol, hiển nhiên cần bắt đầu từ Brazil. Brazil đã thành công trong việc sản xuất bioethanol theo quy mô công nghiệp từ những năm 1970 khi nước này phụ thuộc nặng nề vào dầu nhập khẩu. Lệnh cấm vận dầu mỏ của Trung Đông đã bắt buộc Brazil phải tìm kiếm những nguồn nhiên liệu vững bền hơn cho nhu cầu năng lượng của đất nước. Tuy rằng có những vấn đề nảy sinh, nhưng chương trình này của Brazil được xem như một mô hình thành công trong việc phát triển bền vững.

Ngày nay, toàn bộ xe hơi ở Brazil sử dụng xăng có pha ít nhất 25% ethanol, và 60% số xe có khả năng “linh động về nhiên liệu” (có thể sử dụng 100% ethanol làm nhiên liệu). Brazil sản xuất bioethanol hầu như chỉ từ cây mía. Trong mô hình này, mỗi tấn mía cho năng suất 72 lít ethanol. Loại ethanol này có thể được tinh lọc thêm để pha vào xăng, hoặc dùng làm ethanol nhiên liệu tinh.

Rõ ràng con số này cho thấy có rất nhiều thành phần không được sử dụng trong quá trình chuyển hóa biomass thành ethanol. Hầu hết những thành phần này là hemicellulose và cellulose. Nước Mỹ đang bám theo Brazil và đầu tư mạnh vào sản xuất nhiên liệu sinh học. Hiện tại Mỹ đang sử dụng toàn bộ xăng có pha 10% ethanol, với những cải tiến nhằm tăng tỉ số này.

Đa phần mọi phương tiện bán ở Mỹ đều phải có động cơ linh hoạt về nhiên liệu. Liên minh Châu Âu cũng đã tiến đến việc khuyến khích năng HVTH: Trần Thế Thanh 4 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên lượng tái sinh cho tương lai với những đạo luật về điều khoản sử dụng phương tiện giao thông tối thiểu cho các nước thành viên. Trong tương lai, Colombia bắt buộc những thành phố có dân số trên 500.000 dân phải bán xăng có pha 10% ethanol. Ở Venezuela, công ty dầu quốc gia đang hỗ trợ dự án xây dựng 15 nhà máy chế cồn từ mía trong 5 năm tới khi chính phủ sắp ban hành đạo luậtbắt buộc sử dụng xăng E10 (pha 10% ethanol).

Chính phủ Canada nhắm đến việc 45% xăng trong cả nước có pha 10% ethanol vào năm 2010. Ở Đông Nam Á, Thái Lan đã ban hành luật cho việc sử dụng xăng pha 10% ethanol bắt đầu từ 2007. Ở Ấn Độ, một chương trình bioethanol đã kêu gọi người dân sử dụng xăng E5 trên cả nước, tiến tới việc sử dụng xăng E10 và E20. Những nghiên cứu hợp tác gần đây giữa trường đại học Stanford và Viện nghiên cứu khoa học thuộc Đại học California đã chỉ ra rằng việc chuyển đổi sinh khối thành dạng năng lượng điện năng sẽ có lợi và mang lại hiệu quả hơn nhiều khi chyển sang các dạng nhiên liệu khác.