ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Để đảm bảo mức tăng nhiệt độ bầu khí quyển không quá 2°C (mong muốn dưới ngưỡng 1,5°C) so với thời kỳ tiền công nghiệp [1] theo thỏa thuận Paris 2015 thì lượng phát thải ròng CO2 hàng năm trên toàn cầu phải giảm xuống mức bằng 0 hoặc âm ròng vào giữa thế kỷ này [2-3]. Mức độ gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển tỉ lệ thuận với lượng khí thải CO2 tích lũy. Vì vậy, xây dựng chiến lược để đạt được mục tiêu mức phát thải ròng bằng 0 ngày càng trở bức bách của các quốc gia trên khắp thế giới [2, 4, 5, 6]. Trọng tâm của các chiến lược này là chuyển đổi nhanh chóng và sâu rộng các hệ thống năng lượng, bao gồm giảm mạnh việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng, điện khí hóa rộng rãi các lĩnh vực sử dụng năng lượng đầu cuối và khống chế mức phát thải carbon [7-9].
Sự chuyển đổi hệ thống năng lượng này phải được hài hòa với cả các mục tiêu phát triển bền vững [10-11] cũng như tiềm lực kinh tế để thay thế cơ sở hạ tầng năng lượng hóa thạch hiện có [12]. Mới đây, tại cuộc họp Đại hội đồng Liên hiệp quốc tháng 11-2021, Tổng thư ký Liên hiệp quốc đã nói hiện chưa quá muộn để thực hiện mục tiêu này nhưng cánh cửa đang khép lại nhanh chóng. Tháng 11-2021, tại Hội nghị thượng đỉnh thường niên về chống biến đổi khí hậu COP 26 ở Glasgow, lãnh đạo các quốc gia đã đề ra chiến lược Net-Zero (tức chiến lược trung hòa carbon, mức độ phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính thấp hơn mức độ loại bỏ chúng từ môi trường). Tại hội nghị này, nước ta cũng cam kết giảm phát thải CO2, CH4 để đạt mục tiêu Net-Zero vào năm 2050 [13].
Đến nay đã có 74 quốc gia và vùng lãnh thổ cam kết thực hiện lộ trình Net Zero tương tự. Có khoảng 10 quốc gia cam kết thực hiện lộ trình Net Zero trước ngưỡng thời gian đó. Việc sử dụng năng lượng tái tạo thay thế năng lượng hóa thạch là trụ cột trong chiến lược Net Zero của hầu hết các quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên nhược điểm chính của năng lượng tái tạo nói chung là chúng phụ thuộc trực tiếp vào các điều kiện thời tiết và môi trường khó có thể đoán trước và không thể kiểm soát, xviii gây khó khăn cho việc đảm bảo độ tin cậy của hệ thống.
Do đó sử dụng một nguồn năng lượng tái tạo duy nhất sẽ không đảm bảo tính liên tục của hệ thống cung cấp năng lượng. Bên cạnh đó, sự không cân bằng giữa sản xuất và tiêu thụ gây ra tình trạng thiếu hoặc thừa năng lượng của hệ thống. Do đó hệ thống sử dụng một nguồn năng lượng tái tạo luôn đòi hỏi hệ thống lưu trữ năng lượng hay nguồn năng lượng dự phòng. Điều này làm tăng chi chi phí cho hệ thống.
HRES kết hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo có thể xử lý được bất cập nêu trên. Phụ thuộc vào chiến lược năng lượng của mỗi quốc gia mà nguồn năng lượng phối hợp có thể khác nhau. Ở các vùng khí hậu nhiệt đới, năng lượng mặt trời và sinh khối là những nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng rất cao. Hai loại năng lượng này có thể được sử dụng trong HRES, trong đó biogas được làm giàu bằng hydrogen được tạo ra bởi năng lượng mặt trời [14].
HRES phù hợp với việc cung cấp điện không tập trung. Nó là một lựa chọn khả thi cho sản xuất điện bền vững, đặc biệt là ở các vùng nông thôn. Biogas thô chứa chủ yếu methane (CH4) và tạp chất carbon dioxide (CO2) nên nhiệt trị của nó thấp hơn khí thiên nhiên. Biogas có trị số octan khoảng 130 tương đối cao, nên có khả năng chống kích nổ.
Vì vậy biogas sử dụng thích hợp cho động cơ có tỷ số nén cao [15]. Để làm giàu loại nhiên liệu này chúng ta cần bổ sung các loại nhiên liệu có nhiệt trị cao và tính năng cháy tốt. Theo yêu cầu đó thì hydrogen có thể xem là nhiên liệu bổ sung lý tưởng nhất. Hydrogen là nhiên liệu không chứa carbon, sản phẩm cháy chứa chủ yếu là hơi nước [16].
Hydrogen có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau nhưng sản xuất hydrogen từ điện phân nước bằng năng lượng mặt trời là giải pháp mang tính bền vững và khả thi. Hydrogen có thể sử dụng để cung cấp năng lượng cho phương tiện giao thông cơ giới thông qua pin nhiên liệu. Tuy nhiên, phương án này đắt tiền, yêu cầu hydrogen có độ tinh khiết cao so với sử dụng hydrogen trong động cơ đốt trong [17]. Với công nghệ hiện nay, để ô tô có thể hoạt động được trên cùng quãng đường thì khối lượng cụm động cơ-hệ thống cung cấp nhiên liệu của xe chạy bằng pin nhiên liệu nặng gấp ba lần động cơ đốt trong chạy bằng hydrogen.
xix Mặc dù CO2 có trong biogas làm giảm phát thải NOx, tăng tính chống kích nổ nhưng tạp chất này lại có xu hướng làm tăng thời gian cháy trễ và giảm tốc độ lan truyền màng lửa nên sẽ làm giảm hiệu suất nhiệt động cơ [18]. Làm giàu biogas bằng hydrogen (H2) là giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề này. Công trình nghiên cứu của Ilbas và cộng sự [19] cho thấy khi tăng nồng độ hydrogen trong hỗn hợp H2-CH4 thì vận tốc cháy tăng và mở rộng giới hạn cháy. Điều này cho phép tăng tốc độ tỏa nhiệt và tăng áp suất cực đại.
Chung và cộng sự [20] nghiên cứu hiệu suất cháy của nhiên liệu hydrogen/biogas trong động cơ đánh lửa cưỡng bức bằng mô phỏng số. Nghiên cứu cho thấy rằng giá trị cực đại của áp suất và tốc độ tỏa nhiệt tăng lên và thời gian cháy trễ được rút ngắn khi tăng hàm lượng hydrogen trong nhiên liệu. Porpatham và cộng sự [21] nghiên cứu ảnh hưởng của các tỉ lệ tương đương khác nhau đến hiệu suất của động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng biogas trộn với 5%, 10% và 15% hydrogen. Nghiên cứu cho thấy rằng khi tăng hàm lượng hydrogen thì tốc độ cháy cũng tăng theo.
Rakopoulos và cộng sự [22] đã sử dụng mô hình đa khu vực để nghiên cứu quá trình cháy biogas-hydrogen trong động cơ một xi lanh và phân tích nhiệt động lực học một cách chi tiết. Kết quả cho thấy khi bổ sung hydrogen vào biogas thì thời gian phát triển ngọn lửa rút ngắn. Silvana Di Iorio và cộng sự [23] đã nghiên cứu quá trình cháy hỗn hợp hydrogen-methane trong động cơ đánh lửa cưỡng bức cỡ nhỏ, phun trực tiếp và thấy rằng áp suất cực đại trong xi lanh tăng và di chuyển gần tới TDC, thời gian cháy hoàn toàn được rút ngắn khi tăng hàm lượng hydrogen pha vào biogas. Yong Qian và cộng sự [24] đã tiến hành nghiên cứu đánh giá quá trình cháy của biogas trong động cơ đốt trong và thấy rằng, khi bổ sung một tỉ lệ hydrogen nhất định vào biogas thì quá trình cháy được cải thiện.
Các tác giả cũng cho rằng để xác định tỉ lệ hydrogen trong biogas phù hợp cần có các nghiên cứu sâu hơn về tính hiệu quả quá trình cháy và phát thải ô nhiễm trong các điều kiện khác nhau. Nói chung, hydrogen có thể được coi là một chất phụ gia để tăng hiệu suất và giảm phát thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng biogas [25]. Tuy nhiên, H2 có thể gây ra các kết quả không mong muốn như tăng lượng phát thải NOx vì nhiệt độ cháy cao và giảm hiệu suất nhiệt do tổn thất nhiệt. Việc pha trộn một tỉ lệ thích hợp H2 vào xx biogas sẽ cải thiện được tính năng của động cơ đồng thời không làm tăng phát thải các chất ô nhiễm.
Wang và cộng sự [26] đã khảo sát quá trình cháy của động cơ phun trực tiếp methane-hydrogen với các thành phần khác nhau. Các tác giả đề xuất tỉ lệ thể tích hydrogen tối ưu trong hỗn hợp methane-hydrogen khoảng 20% để đạt được sự hài hòa giữa tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải của động cơ. Nhiệm vụ quan trọng nhất khi cải tạo động cơ chạy bằng xăng, dầu truyền thống sang chạy bằng biogas là thiết kế, chế tạo bộ tạo hỗn hợp đảm bảo cho động cơ có thể hoạt động ở các chế độ tải và tốc độ khác nhau. Tính toán mô phỏng để xác định kết cấu và kích thước cơ bản của bộ tạo hỗn hợp đã được công bố [27-32].
Trong các công trình này, cung cấp nhiên liệu biogas được thực hiện bằng van cơ khí. Kim van có liên hệ cơ khí với cơ cấu điều khiển tải hay bộ điều tốc của động cơ. Lưu lượng biogas cung cấp vào động cơ phụ thuộc vào độ mở của van. Do khoảng dịch chuyển của kim van hạn chế nên rất khó điều chỉnh chính xác lưu lượng biogas theo chế độ công tác của động cơ.
Điều này có nghĩa là khi sử dụng van cơ khí thì phạm vi thay đổi hệ số tương đương sẽ nằm trong một dải rộng. Van cung cấp biogas kiểu cơ khí chỉ phù hợp với động cơ tĩnh tại làm việc thường xuyên với tốc độ và chế độ tải ổn định và với một loại nhiên liệu cho trước [33]. Để tăng hiệu quả của việc cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, giải pháp cung cấp nhiên liệu khí bằng 3 van chức năng đã được đề xuất [34]. Giải pháp này đã được áp dụng thành công với nhiên liệu khí giàu như LPG.
Trong trường hợp này chỉ cần thay đổi chút ít lượng nhiên liệu thì chế độ tải của động cơ đã thay đổi đáng kể. Đối với nhiên liệu khí nghèo như là biogas, việc kiểm soát tỉ lệ không khí-nhiên liệu phức tạp hơn. Trong trường hợp này, để điều chỉnh công suất đầu ra của động cơ, phải cung cấp một lượng lớn nhiên liệu. Mặt khác, nhiên liệu được phun trong một thời gian ngắn, đặc biệt là khi động cơ chạy ở tốc độ cao, thực sự là một thách thức trong việc kiểm soát tỉ lệ không khí-nhiên liệu của động cơ chạy bằng nhiên liệu khí nghèo.
Do tác động của biến đổi khí hậu đang diễn ra ngày càng trầm trọng, việc chuyển xxi đổi năng lượng đang là mối quan tâm hàng đầu của hầu hết các quốc gia trên thế giới. Trong bối cảnh đó thì HRES gồm năng lượng mặt trời và sinh khối là một lĩnh vực nghiên cứu đang được quan tâm [35]. Trong những thập kỷ qua, các nghiên cứu về HRES chủ yếu tập trung tính năng kinh tế-kỹ thuật, tính toán kích thước và và giải pháp phối hợp tối ưu các nguồn năng lượng trong hệ thống [36].