Đặt vấn đề Việt nam là một quốc gia đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhu cầu về năng lượng sử dụng cho các ngành công nghiệp, cho sinh hoạt ngày càng gia tăng. Trong khi các nguồn năng lượng truyền thống (thủy điện, than đá, dầu mở…) đang dần khan hiếm. Theo dự báo, thế giới sẽ phải đối mặt với tình trạng khủng hoảng thiếu năng lượng trong vòng 5 năm tới, vì tốc độ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế giới diễn ra nhanh hơn dự đoán. Theo các chuyên gia, sớm hay muộn thế giới cũng phải đối mặt với sự cạn kiệt nguồn dầu mỏ, lượng dầu thô của thế giới sẽ cạn kiệt vào khoảng năm 2050 – 2060.
Vì vậy, nên cần từ bỏ sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng này càng sớm càng tốt, khi mà tất cả hệ thống kinh tế - xã hội đều phụ thuộc vào dầu, trong khi việc thay đổi nhiên liệu đòi hỏi nhiều thời gian và tiền của. Hiện nay, ngành điện lực đã có rất nhiều cố gắng để cải thiện nhu cầu năng lượng phục vụ sinh hoạt và sản xuất, nhưng tình trạng thiếu điện trên toàn quốc ở Việt Nam là rất lớn. Theo nghiên cứu, bức tranh cung cầu về điện cho những năm 2015 và 2020 được minh họa như Hình 1. Màu xanh mô tả khả năng đáp ứng bằng mọi nguồn điện năng hiện có trong nước.
Màu đỏ mô tả nhu cầu điện năng, theo hai giả thiết khác nhau: sử dụng điện ở mức cao nhất (HS) hay thấp nhất (LS). Theo biểu đồ Hình 1.1, đến năm 2015, mức chênh lệch giữa cung và cầu điện năng sẽ là 46,3 TWh và 102,4 TWh. Còn đến năm 2020, mức chênh lệch giữa cung và cầu điện năng sẽ cao hơn nhiều: 159,8 TWh và 270,8 TWh. Như vậy, cùng với sự tăng trưởng GDP, khoảng cách giữa cung và cầu điện năng càng lớn, càng gay gắt, nếu không có một sự thay đổi căn bản cấu trúc các thành phần điện năng, hay nói cách khác chưa có một nguồn điện năng nào có thể thay thế.
Trang 12 Luận văn tốt nghiệp 600 500 400 300 Nhu cầu 200 Đáp ứng 100 0 2015 2015 2020 2020 LS:46.1: Biểu đồ cung cầu điện năng nước ta năm 2015 và 2020 (Chú thích: Con số trên trục bên trái chỉ lượng điện tổng cộng/ năm, tính bằng đơn vị TWh; 1TWh = 1012 Wh =1Tỉ KWh) [2] Một sự kiện đơn giản cần ghi nhớ vì sẽ giúp chúng ta hiểu được tính nghiêm trọng của cuộc khủng hoảng năng lượng: kinh tế thế giới được cơ cấu trong phương cách một sự dậm chân tại chỗ trong ngạch số năng lượng sản xuất không phải là một lựa chọn. Để thỏa mãn nhu cầu khổng lồ của các cường quốc kỹ nghệ kỳ cựu như Hoa Kỳ cùng với nạn cực kỳ khát dầu của các cường quốc đang lên như TQ, sản lượng dầu khí toàn cầu phải tăng trưởng đáng kể mỗi năm. Theo dự tính của Bộ Năng Lượng Hoa Kỳ (DOE), sản lượng toàn cầu, căn cứ trên mức sản xuất năm 2007, phải tăng trưởng 29% lên 640 triệu tỉ BTU (640 quadrillion British thermal units) vào năm 2025, mới đủ để thỏa mãn nhu cầu ước tính. Trên đây chính là những điều kiện chi phối kinh tế thế giới hiện nay và mãi mãi trong tương lai.
Kể từ năm 2011 nhân loại đang đứng trước ba vấn đề lớn về năng lượng: - Dầu khó khai thác. - Năng lượng hạt nhân đang trên đà tuột dốc. - Hạn hán kéo dài. Vậy đâu là cứu cánh năng lượng cho con người trong tương lai? Năng lượng tái tạo có thể giải quyết vấn đề này.
Trong các dạng năng lượng tái tạo được nghiên Trang 13 Luận văn tốt nghiệp cứu thì năng lượng sinh khối có nhiều tiềm năng phát triển trong tương lai. Khai thác năng lượng sinh khối có hiệu quả về kinh tế, có khả năng thực hiện và thân thiện với môi trường. Bên cạnh đó công nghệ phát điện mới vừa đơn giản vừa hiệu quả đang được đầu tư phát triển. Và máy phát từ thủy động lực học (MHD) đáp ứng được các yêu cầu này.
Trên cơ sở phát điện một cách trực tiếp không có các cơ cấu truyền động cơ khí nên tổn hao thấp hơn. Khi kết hợp kiểu phát điện này với các chu trình kín thì hiệu suất sẽ được nâng cao. 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 nhiên liệu khác cho máy phát điện từ thủy động lực học như kim loại lỏng, nước biển… Việc kết hợp máy phát điện từ thủy động lực học và năng lượng sinh khối hứa hẹn sẽ đem lại nguồn điện sạch cho cuộc sống lâu dài, hướng tới tương lai.
Từ những vấn đề cấp thiết trên, học viên muốn đi sâu vào nghiên cứu và chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ thống từ thủy động lực sử dụng năng lượng sinh khối” là đề tài nghiên cứu. Tổng quan về MHD và các công trình liên quan nổi bật 1. Tổng quan MHD Máy phát điện MHD là hệ thống chuyển nhiệt năng hay động năng trực tiếp thành điện năng dựa trên nguyên lý từ thủy động học. Lợi thế của MHD là có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao và không cần có các chi tiết được bôi trơn (chuyển động cơ học).
Khí thải của hệ thống MHD thường là các dòng Plasma nóng và có thể được tái sử dụng cung cấp cho các hệ thống nhiệt điện truyền thống (tuabin khí và tuabin hơi nước). Ngoài ra MHD còn có thể hoạt động ở nguồn nhiệt cấp thấp khi sử dụng kim loại lỏng phát điện. Về mặt nhiệt động lực học các máy phát điện từ thủy động lực học thường hoạt động theo chu kỳ Brayton và có hiệu suất tương đương với chu trình Carnot trong điều kiện lý tưởng. Hiệu suất của MHD phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh.
Chất dẫn điện trong MHD Trang 14 Luận văn tốt nghiệp có thể là kim loại lỏng hoặc khí làm việc ở nhiệt độ rất cao lên đến 30000K trong khi các máy phát điện thông thường tuabin chỉ làm việc với nhiệt độ khoảng 10000K [2]. Về hiệu suất nếu tuabin phát điện vào khoảng 40% thì máy phát MHD nâng hiệu suất đó lên đến 60% [4]. Tuy có ưu điểm như vậy nhưng máy phát MHD chưa được ứng dụng nhiều cho sản xuất điện năng với quy mô lớn do các vấn đề về kỹ thuật cũng như sự chênh lệch về giá thành so với tuabin khí. Máy phát MHD chu trình hở thường vận hành với nguyên liệu hóa thạch sau đó kết hợp với tuabin hơi được nghiên cứu vào những năm 60.
Máy phát MHD với chu trình kín vận hành với nguồn nhiên liệu từ phản ứng hạt nhân. Do có khả năng làm việc ở nhiệt độ rất cao nên MHD có thể được chọn là chu trình đứng đầu để nâng cao hiệu suất của các tuabin khí do đó MHD sử dụng với chu trình kết hợp. Máy phát MHD đầu tiên được nghiên cứu vào năm 1938 tại Mỹ được cấp bằng sáng chế số 2210918 “ Quy trình chuyển đổi năng lượng” vào ngày 13 tháng 8 năm 1940. Chiến tranh thế giới lần thứ II đã làm gián đoạn sự phát triển của máy phát này đến năm 1962 hội nghị quốc tế đầu tiên về máy phát MHD đã được tổ chức tại Newcastle (Vương Quốc Anh) do Tiến sĩ Brian C Lindley nghiên cứu và tổ chức [4].
Năm 1964 hội nghị lần thứ hai được tổ chức tại Paris ( Pháp) với sự tham gia của cơ quan năng lượng hạt nhân Châu Âu. Tháng 7 năm 1966 hội nghị lần thứ ba với sự tài trợ của cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế đã được tổ chức tại Salzbug (Áo) [4]. Trong nhưng năm của thập niên 1960 tính thực tiễn của máy phát MHD cho hệ thống nhiên liệu hóa thạch đã được nghiên cứu bởi J Rosa. Cuối những năm 1960 do sự phát triển của điện hạt nhân nguyên tử nên sự quan tâm MHD bị từ chối.
Đến cuối những năm 1970 sự quan tâm điện hạt nhân giảm xuống thì có xu hướng quay trở lại đến MHD [4]. Trang 15 Luận văn tốt nghiệp Năm 1975 Unesco khuyến cáo nên nghiên cứu MHD và coi đó như phương pháp hiệu quả nhất để sử dụng dự trữ than đá trên thế giới và Unesco đã trở thành nhà tài trợ chính cho ILGHMD [4]. Công trình liên quan nổi bật Trên thế giới và cả trong nước đã có rất nhiều trường đại học, nhóm nghiên cứu đi sâu vào nghiên cứu máy phát điện MHD. Các nghiên cứu rất đa dạng và có những kết quả thiết thực trong cuộc sống.
Ở mỗi nơi trên thế giới, đã có nhiều công trình máy phát MHD cho công suất lớn với hiệu suất cao. Công trình máy phát MHD tại Mỹ Trong những năm đầu của thập niên 1980 bộ Năng lượng Mỹ bắt đầu chương trình phát triển mạnh mẽ MHD mà đỉnh cao là máy phát 50MW (1992) dung nhiên liệu than đá [4]. Chương trình này được phát triển dựa trên sự kết hợp của 4 phần: - Đứng đầu của chu trình tích hợp này là máy phát MHD hiệu ứng Hall được cấp nhiệt bằng than đá nghiền thành bột cùng hạt mang điện ion hóa Kali với sự giám sát của AVCO. - Cơ sở để tạo ra các hạt ion hóa được phát triển bởi TRW.
Theo phương pháp này Kali Cacbonat được tách ra từ Sunfat trong tro, Cacbonat được lấy ra và để lại Kali. - Phần cuối của chu trình được nghiên cứu và phát triển bởi CDIF. - Phương pháp tích hợp MHD từ nhà máy than được Westinghouse Electric nghiên cứu cùng với sự kết hợp của công ty điện lực Montana. Chương trình thử nghiệm đã kết thúc vào năm 1993 với hơn 4000 giờ hoạt động.
Công trình máy phát MHD tại Nhật Bản Vào cuối những năm 1980 tại Nhật người ta tập trung vào phát điện MHD có chu trình kín. Nghiên cứu này phù hợp với điều kiện của Nhật Bản với công suất nhỏ Trang 16 Luận văn tốt nghiệp hơn 100MW, thiết kế nhỏ gọn không ô nhiễm môi trường. Máy phát đầu tiên phải kể đến là công trình Fuji-1 do viện công nghệ Tokyo chế tạo. Đây là một máy phát dạng đĩa với Helium, khí Argon và hạt ion hóa Kali.
Kết quả của thí nghiệm cho mật độ điện gần 100MW/m3 hiệu suất EE lên đến 30,2 % [4]. Năm 1994 dự án Fuji-2 được xây dựng dựa trên Fuji-1, hệ thống này sử dụng khí trơ thông qua máy phát dạng đĩa với mục đích là khai thác Enthapy 35% và hiệu suất đạt được là 60% [4].