Chương 1: Tổng quan về đề tài - lý do chọn đề tài, mục đich và nhiệm vụ nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và bố cục của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết - tìm hiểu về nhiên liệu Hydrogen, sau đó phân tích về phương tiện sử dụng nhiên liệu khéo léo, cụ thể là động cơ sử dụng nhiên liệu Hydrogen. Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng mô hình mô phỏng động cơ sử dụng Hydrogen trên phần mềm AVL BOOST – nêu ra thông tin về phần mềm AVL BOOST, giới thiệu và giải thích các khối lệnh cơ bản, tiếp đến đề tài cơ sở lý thuyết để mô phỏng động cơ trên phần mềm, sau cùng là mô phỏng cụ thể động cơ 2AR-FE sử dụng nhiên liệu Hydrogen. Chương 4: Kết quả mô phỏng và thảo luận – diễn giải các kết quả mà nhóm có được sau khi mô phỏng trên phần mềm, sau đó đưa ra các nhận định và đánh giá.
3 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển - trình bày tổng kết của quá trình nghiên cứu, bao gồm kết quả đạt được, những hạn chế, và các đề xuất cho những nghiên cứu tiếp theo. Tổng quan về nhiên liệu Hydrogen 2. Thực trạng và tính cấp thiết trong việc nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu Hydrogen Trong khuôn khổ công nghiệp hóa đương đại, năng lượng và nhiên liệu có tầm quan trọng không thể phủ nhận trong việc định hình sự tiến triển kinh tế - xã hội của từng quốc gia. Đồng thời, với sự tăng lên đáng kể của quá trình đô thị hóa, đời sống của con người đang được nâng cao.
Sự tiến triển này đồng nghĩa với việc đòi hỏi về giao thông và vận tải trên liên lục địa, nổi bật ở các nước kinh tế mới nổi, đang tăng trưởng một cách vượt bậc. Số lượng phương tiện tăng lên không ngừng, dẫn đến việc tiêu thụ nhiên liệu tương ứng cũng tăng mạnh.1: Tiêu thụ khí tự nhiên trên thế giới [10] 5 Đáp ứng nhu cầu về nguồn cung năng lượng, các nước trên Trái Đất đang gia tăng khai khẩn và dùng tất cả các nguồn năng lượng hiện có. Trong số đó, hoạt động khai thác và tiêu dùng năng lượng từ các tài nguyên hóa thạch đang diễn ra bừa bãi, làm cho tình trạng lụi tàn dần và không thể làm mới được. Hoạt động tiêu thụ năng lượng từ các nguồn hóa thạch cũng đồng thời là nguyên nhân chính gây ra tình trạng hủy hại môi trường và lệch pha khí hậu toàn cầu, khiến cho hành tinh chúng ta đang nóng lên và gặp phải hiện tượng "hiệu ứng nhà kính".
Lượng phát thải khí giữ nhiệt và khí carbon dioxide có thể thấy thông qua biểu đồ: Hình 2.2: Lượng phát thải khí nhà kính theo từng ngành qua các năm [11] Theo báo cáo của Tổng cục Thống kê, vào tháng 12/2023 ngành ô tô Việt Nam chứng kiến đà tăng trưởng nhẹ, tổng lượng xe mới được bổ sung lên 38.600 chiếc, tăng 4% khi đối chiếu với tháng 11 và tăng 18,5% khi đối chiếu với cùng giai đoạn năm 2022. Với con số 38.600 chiếc được bổ sung, tháng 12 ghi nhận số lượng xe lắp ráp trong nước cao nhất tính từ đầu 2023. Theo báo cáo của Ủy ban An Toàn Giao Thông Quốc gia, năm 2023 trên cả nước đăng ký mới 408.977 mô tô, xe gắn máy. Lũy kế tổng số xe đã đăng 6 ký cập nhật đến cuối 2023 tại Việt Nam là 6.176 mô tô, xe gắn máy.3: Tổng số lượng phương tiện tại Việt Nam [12] Để đảm bảo sự an toàn về năng lượng cũng như giảm thiểu ô nhiễm môi trường, cần áp dụng các cách thức hiệu ích, trong đó các biện pháp cắt giảm lượng khí thải từ các phương tiện di chuyển di chuyển là nhiệm vụ then chốt.
Trên toàn thế giới, nhiều đất nước và hãng xe lớn đã tích lỹ vào tìm kiếm giải pháp giao thông vận tải thân thiện với môi trường. Trong số này, nhiên liệu Hydrogen đang được chú trọng. Loại bỏ nhiên liệu hóa thạch, áp dụng nhiên liệu Hydrogen mang lại lợi ích kép cho môi trường và kinh tế. Hydrogen được coi là một lựa chọn hấp dẫn vì nó không gây ra khí thải carbon dioxide khi đốt cháy, giúp giảm nhiễm bẩn không khí và ổn định biến đổi khí hậu.
Bên cạnh đó, nhiên liệu Hydrogen có khả năng tái tạo từ các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời, gió và thủy điện, tạo ra một chu trình sạch sẽ và bền vững cho ngành vận tải. Việt Nam với tiềm năng trong chuyên môn năng lượng tái tạo, có hoàn cảnh tốt để phát triển nhiên liệu Hydrogen. Với nguồn lực dồi dào từ năng lượng mặt trời, gió, và sự giúp đỡ từ chính quyền và sự đầu tư của các công ty, Việt Nam có lợi thế tận dụng để phát triển nhiên liệu Hydrogen và thúc đẩy sự đổi mới sang nguồn năng lượng sạch trong ngành giao thông. Điều này ngoài việc hoàn thiện giá trị không khí còn đóng góp vào kế hoạch chiến lược hướng đến việc bảo vệ môi trường và thúc đẩy sự phát triển xanh cho quốc gia.
Khái quát về nhiên liệu Hydrogen Hydrogen (H2) đóng vai trò nền tảng cho sự hình thành và cấu tạo của vũ trụ, chiếm khoảng 90% về số lượng và 75% về trọng lượng. Nó thường tạo thành hợp chất với các nguyên tố khác, ví dụ như oxy để tạo ra nước (H2O), hoặc với carbon để tạo ra các hợp chất hữu cơ, quan trọng cho sự sống trên Trái Đất. Hydrogen không mùi, không màu, nhẹ hơn không khí và cực kỳ dễ bắt lửa. Vì thế, nó hiếm khi xuất hiện dưới dạng phân tử nguyên chất trong tự nhiên.
Tuy nhiên, Hydrogen lại có hoạt động hóa học mạnh, đặc biệt với oxy, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt hoặc điện: 2H2 + O2 → 2H2O + Năng lượng Chính điểm này khiến Hydrogen trở thành nguồn năng lượng tiềm năng to lớn cho tương lai, hứa hẹn giải quyết bài toán cạn kiệt tài nguyên hóa thạch và giảm thiểu suy thoái môi trường sống. Tính chất của Hydrogen Hydro dưới điều kiện tiêu chuẩn, nó hiện hữu ở dạng khí hai nguyên tử với công thức H2. Khí này không mùi, không màu, dễ bén lửa, với điểm sôi là -252,87 °C, nhiệt độ hóa lỏng là -259,14 °C. Tinh thể của hydro có kết cấu dạng lục phương và có hóa trị là 1, có khả năng tham gia phản ứng với các nguyên tố khác.1: Đặc tính nhiên liệu của Xăng và Hydrogen Đặc tính Đơn vị Hydrogen Xăng Tỷ lệ không khí/nhiên liệu - 34.7 Hàm lượng Carbon % 0 84 Nhiệt độ sôi ℃ -252.87 35 – 210 Nhiệt độ tự cháy ℃ 580 ~350 Nhiệt trị thấp MJ/kg 119.9 Tỷ trọng Kg/m3 0.089 730 – 780 Nhiệt độ cháy đoạn nhiệt K 2480 2580 Hàm lượng nguyên tố Oxy % 0 < 2.7 Chỉ số Octan RON >130 86 - 95 8 2.
Ưu và nhược điểm của nhiên liệu Hydrogen ❖ Ưu điểm: - Khi sử dụng thì Hydrogen chỉ sinh ra nước và năng lượng, không tạo ra chất gây hại nào cho môi trường cũng như không sinh ra CO2 gây ra các tác động đến khí hậu toàn cầu. Năng lượng từ Hydrogen có thể được coi là gần như không giới hạn hoặc có khả năng tái sinh. - Năng lượng Hydrogen giúp giảm phát thải carbon trong các ngành công nghiệp, giúp cải thiện chất lượng không khí môi trường và sức khỏe của cộng đồng. - Năng lượng Hydrogen sở hữu những đặc tính an toàn vượt trội so với các loại nhiên liệu truyền thống.
Hydrogen có khả năng khuếch tán nhanh, bay hơi gần như hoàn toàn, có phạm vi nguy hiểm hạn chế và có thể dễ dàng phát hiện rò rỉ. Nhờ những ưu điểm này, Hydrogen được xem là nguồn năng lượng tiềm năng và an toàn cho tương lai. ❖ Nhược điểm: - Với tính chất nhẹ và dễ bay hơi, Hydrogen cần được lưu trữ dưới dạng khí hóa lỏng trong các bình khí nén áp suất cao. Tuy nhiên, công nghệ và thiết bị để lưu trữ Hydrogen vẫn đang đối mặt với hạn chế về công suất.
- Mặc dù nguồn Hydrogen không hạn chế, quá trình điện phân để sản xuất vẫn đòi hỏi chi phí khá cao. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đang tiếp tục nghiên cứu để giảm chi phí của quá trình này. - Việc sản xuất Hydrogen hiện vẫn phụ thuộc vào nguồn điện từ nhiên liệu hóa thạch. Vấn đề về năng lượng tái tạo vẫn chưa được giải quyết hoàn toàn.
Dự kiến đến năm 2030, giá thành sản xuất năng lượng tái tạo dự kiến sẽ giảm khoảng 30%, mở ra cơ hội cho việc phát triển hệ thống sản xuất Hydrogen từ nguồn năng lượng tái tạo. Phương pháp sản xuất Hydrogen không sẵn có để khai thác trực tiếp mà phải được tạo ra từ một nguồn sơ cấp như là nước hoặc các hợp chất hydrocarbon khác.4: Các phương pháp sản xuất Hydrogen [13] Hydrogen được tạo ra từ hai phương pháp chính: 1. Nhiệt phân: Phương pháp phổ biến nhất (chiếm 90% sản lượng toàn cầu) nhưng có thể phát thải khí CO2. Bao gồm: • Khí hóa khí thiên nhiên bằng hơi nước (CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2): Phản ứng phổ biến, sử dụng trong sản xuất hóa chất, phân bón, lọc dầu mỏ.
• Khí hóa hydrocarbon nặng: Tận dụng hạ tầng ngành hóa dầu nhưng vẫn tạo ra CO2. • Khí hóa sinh khối: Phương pháp tái tạo, bền vững nhưng cần năng lượng lớn. Điện phân nước: Điện phân tách nước thành H2 và O2, được xem là phương pháp sạch và bền vững hơn, là xu hướng cho tương lai. Bao gồm: • Điện phân thông thường: Sử dụng nước hoặc dung dịch kiềm.
• Điện phân nhiệt độ cao: Hiệu suất cao, khai thác năng lượng mặt trời để sản xuất nhiệt năng, hoặc nhiệt thừa. 10 • Điện phân bằng năng lượng sạch: Năng lượng mặt trời, gió, thủy điện - sạch, bền vững. Ngoài ra, một số vi sinh vật có khả năng sản xuất H2, nhưng cần nghiên cứu thêm để ứng dụng công nghiệp. Xu hướng: • Nghiên cứu và phát triển điện phân bằng năng lượng sạch để giảm chi phí và phát thải.
• Tìm kiếm phương pháp sản xuất H2 từ vi sinh vật hiệu quả, thân thiện môi trường. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu Hydrogen ❖ Trên thế giới Hơn 40 quốc gia đã triển khai Chiến lược Quốc gia về năng lượng hydrogen với mục tiêu giảm khí thải nhà kính. Nổi bật là EU đặt mục tiêu 13-14%, Nhật Bản 10%, Hàn Quốc 33% và Mỹ 50 triệu tấn hydrogen sạch/năm vào năm 2050. Hiện nay, năng lượng hydrogen đang được đẩy mạnh phát triển với 75 cơ sở sản xuất hoạt động và 150 cơ sở đang được xây dựng, tập trung chủ yếu tại Mỹ.