Giáo trình năng lượng và quản lý năng lượng - Hoàng Trí

NĂNG LƯỢNG

ChươngI: Tổng quan về môi trường và năng lượng 02 tiết

Chương II: Năng lượng không tái tạo 02 tiết

Bài 3: Năng lượng hóa thạch 01 tiết

Bài 4: Năng lượng hạt nhân 01 tiết

Chương III: Năng lượng mới và tái tạo 22 tiết

Bài 6: Năng lượng mặt trời 01 tiết

Bài 7: Các ứng dụng năng lượng mặt trời 05 tiết

Bài 8: Năng lượng sinh khối 04 tiết

Bài 9: Năng lượng gió 04 tiết

Bài 10: Năng lượng nước 03 tiết

Bài 11: Năng lượng Hydro 01 tiết

Bài 12: Năng lượng địa nhiệt 01 tiết

Bài 13: Năng lượng sét 0,5 tiết

Bài 14: Năng lượng từ băng methane hydrate 0,5 tiết

Bài 15: Năng lượng tái tạo nhỏ 01tiết

Phần II: Quản lý năng lượng 04 tiết

Bài 16: Hệ thống quản lý năng lượng 01 tiết Bài 17: Quản lý năng lượng cho gia đình và nhà máy 03 tiết

Với kiến thức được trình bày, tài liệu này hy vọng sẽ truyền cảm hứng cho sinh viên và học sinh trong lĩnh vực Năng lượng tái tạo (NLTT), từ đó kích thích sự sáng tạo trong việc thiết kế các sản phẩm NLTT phục vụ cho môn học và ứng dụng thực tiễn.

Tuy nhiên, với thời lượng 2 tín chỉ thì tác giả không thể trình bày sâu vào thiết kế các sản phẩm hay hệ thống thực tế

Trong quá trình sử dụng giáo trình, tùy theo đối tượng cụ thể, giảng viên có thể điều chỉnh thời lượng (số tiết giảng dạy) sao cho thích hợp

Tác giả đã nỗ lực hoàn thiện giáo trình này, nhưng không thể tránh khỏi một số sai sót Rất mong nhận được sự góp ý chân thành từ độc giả để hoàn thiện hơn.

Để gửi ý kiến đóng góp, vui lòng liên hệ với Bộ môn Công nghệ chế tạo máy thuộc Khoa Cơ khí máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh.

Chương I: Tổng quan về môi trường và năng lượng 11

1.3 Các nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường 12

2.1 Định nghĩa và phân loại 17

2.2 Mối quan hệ giữa năng lượng và môi trường 17

2.3 Hiệu quả tiết kiệm năng lượng 18

2.4 Các nguồn năng lượng tái tạo ở Việt Nam 19

Chương II: Năng lượng không tái tạo 22

Bài 3: Năng lượng hóa thạch 22

3.3 Dầu và khí thiên nhiên (Oil and natural gas) 24

3.4 Methanol tổng hợp từ khí thiên nhiên 26

3.5 Đá phiến dầu và cát chứa dầu 26

3.6 Các vấn đề môi trường của nhiên liệu hóa thạch 28

3.7 Năng lượng hóa thạch còn có thể sử dụng bao lâu nữa? 30

3.8 Những ảnh hưởng của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch 30

Bài 4: Năng lượng hạt nhân 36

4.3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của một nhà máy điện hạt nhân 38

4.4 Công nghệ hạt nhân và các thế hệ lò 38

4.5 Nguyên liệu của lò phản ứng hạt nhân 43

4.6 Các phương pháp xử lý nước thải hạt nhân 43

4.7 Tình hình điện hạt nhân ở Việt Nam và tính khả thi áp dụng điện hạt nhân vào nước ta 47

Chương III: Năng lượng mới và tái tạo 49

5.3 Vai trò của các nguồn năng lượng tái tạo hiện nay 52

Bài 6: Năng lượng mặt trời 53

6.2 Vị trí và sự phân bố tổng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam 55

Bài 7: Các ứng dụng năng lượng mặt trời 58

7.2 Thiết bị nước nóng (đun nước nóng) 62

7.3 Chưng cất nước (lọc nước) 65

7.6 Máy điều hòa không khí 75

7.7 Tủ lạnh năng lượng mặt trời 77

7.9 Xe ôtô chạy bằng năng lượng mặt trời 85

Bài 8: Năng lượng sinh khối 90

8.5 Khai thác năng lượng sinh khối tại Việt Nam 110

9.2 Vật lý học về năng lượng gió 116

9.3 Sử dụng năng lượng gió 116

9.4 Thiết bị thu năng lượng gió 116

9.5 Tình hình và xu hướng phát triển năng lượng gió trên thế giới 120

10.5 Năng lượng nhiệt đại dương (OTEC) 144

11.2 Phương pháp sản xuất năng lượng hydro 153

11.3 Ứng dụng của năng lượng hydro 156

Bài 12: Năng lượng địa nhiệt 163

12.3 Các hệ thống khai thác nguồn địa nhiệt 164

12.6 Tình hình sản xuất điện từ đia nhiệt trên thế giới và Việt Nam 172

13.4 Lợi ích và tác hại 179

13.5 Những nghiên cứu thu sét để sản xuất điện 180

Bài 14: Năng lượng từ băng methane hydrate 182

14.2 Khai thác và sử dụng băng cháy 184

14.3 Nguyên lý tạo thành điện 185

14.4 Phương hướng và giải pháp 186

Bài 15: Năng lượng tái tạo nhỏ 188

PHẦN II: QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG 201

Bài 16: Hệ thống quản lý năng lượng 203

16.2 Lợi ích và hiện trạng của hệ thống quản lý năng lượng 204

16.3 Vai trò quản lý năng lượng trong doanh nghiệp SX nông nghiệp 204

Bài 17: Quản lý năng lượng cho gia đinh và nhà máy 207

17.1 Quản lý năng lượng cho ngôi nhà bạn 207

17.2 Các phương thức tiết kiệm điện 208

17.3 Quản lý năng lượng cho doanh nghiệp 216

Tổng quan về môi trường và năng lượng

Năng lượng

Sau bài học này (hoặc sau khi nghiên cứu chương này) sinh viên sẽ:

- Trình bày được tình hình sử dụng năng lượng tại nước ta và đưa ra được những biện pháp nhằm giảm thiểu việc sử dụng năng lượng hóa thạch

- Trình bày được các nguồn năng lượng tái tạo ở nước ta

2.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI

Năng lượng là một đại lượng có khả năng sinh công của một vật và được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau

Năng lượng theo lý thuyết tương đối của Albert Einstein được xác định qua công thức E = mc², trong đó E là năng lượng, m là khối lượng toàn phần Công thức này cho thấy năng lượng là khối lượng nhân với một hằng số có đơn vị là vận tốc bình phương, với đơn vị đo năng lượng trong hệ đo lường quốc tế là kg (m/s)².

Năng lượng, theo cách hiểu thông thường, được định nghĩa là khả năng thay đổi trạng thái hoặc thực hiện công năng trên một hệ vật chất Đây là một khái niệm quan trọng trong lĩnh vực vật lý, mặc dù không cơ bản như khối lượng.

Năng lượng tiêu thụ hiện nay đến từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm các nguồn tự nhiên như than đá, than bùn, dầu hỏa và khí thiên nhiên Ngoài ra, năng lượng do con người tạo ra cũng rất đa dạng, bao gồm thủy điện (hay còn gọi là than trắng), năng lượng nguyên tử, năng lượng gió và năng lượng mặt trời.

2.2 MỐI QUAN HỆ GIỮA NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG

Mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu đã tăng trưởng liên tục từ cuối thế kỷ 20 đến đầu thế kỷ 21, với nhu cầu hiện tại tăng khoảng 2,3% mỗi năm và dự báo sẽ còn cao hơn trong thập kỷ tới Hiện nay, thế giới tiêu thụ khoảng 400 x 10^18J, tương đương 2 tấn dầu tương đương (TOE) mỗi người mỗi năm, trong đó năng lượng hóa thạch vẫn chiếm 79% tổng năng lượng tiêu thụ.

Trong vòng 50 – 70 năm tới (2060-2080), nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế giới sẽ cạn kiệt, khi mà khai thác năng lượng này đã đạt đến đỉnh điểm Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là than, dầu và khí đốt, gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do phát thải các chất độc hại như SO2, COx và NOx Trong số các loại nhiên liệu hóa thạch, than là nguyên liệu phát thải nhiều chất ô nhiễm nhất trên mỗi đơn vị nhiệt lượng Hệ quả của việc đốt than và dầu đã góp phần làm biến đổi khí hậu và suy thoái môi trường toàn cầu, với các hiện tượng nổi bật như hiệu ứng nhà kính và mưa axit.

2.3 HIỆU QUẢ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

- Tiết kiệm năng lượng giúp tăng năng suất, giảm chi phí sản xuất

- Tiết kiệm năng lượng giúp tăng chất lượng sản phẩm

- Tiết kiệm năng lượng cải thiện môi trường và điều kiện lao động

Tiềm năng tiết kiệm năng lượng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm trình độ công nghệ, hệ thống quản lý và nhận thức của người lao động về việc sử dụng năng lượng Để đánh giá trình độ công nghệ, có thể xem xét các tiêu chí như tuổi thọ trung bình của thiết bị, hiệu suất hoạt động, loại nhiên liệu sử dụng, chi phí năng lượng cho mỗi đơn vị sản phẩm, mức độ cơ khí hóa và tự động hóa, cũng như các yếu tố liên quan đến tổ chức quản lý, năng suất lao động, lợi nhuận và hiệu quả sản xuất.

Hiện nay, nhiều doanh nghiệp đang triển khai chương trình tiết kiệm và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng thông qua các biện pháp chính như tối ưu hóa quy trình sản xuất, áp dụng công nghệ xanh, và nâng cao nhận thức của nhân viên về tiết kiệm năng lượng.

- Cải tiến, hợp lý hóa quá trình đốt nhiên liệu, gia nhiệt, làm lạnh và chuyển hóa nhiệt năng

- Giảm tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng

- Thu hồi năng lượng bằng cách sử dụng thiết bị hoặc công nghệ có hiệu suất cao như sử dụng đèn, động cơ, lò hơi,

- Giảm tiêu thụ năng lượng nhờ hợp lý hóa quá trình sản xuất

Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng hiện nay, việc sử dụng năng lượng hiệu quả và chuyển sang các nguồn năng lượng tái tạo là rất cần thiết Tiết kiệm và tái sử dụng năng lượng thải ra, cùng với việc sử dụng hợp lý nguồn năng lượng, sẽ giúp giải quyết tình trạng khủng hoảng năng lượng trong tương lai và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

2.4 CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Ở VIỆT NAM

Việt Nam nằm trong số 14 quốc gia hàng đầu thế giới về tiềm năng thủy điện và có nguồn năng lượng gió phong phú nhất khu vực Đông Nam Á Tuy nhiên, hiệu quả khai thác các nguồn năng lượng tái tạo này vẫn còn ở mức khiêm tốn.

Việt Nam được đánh giá có tiềm năng lớn trong phát triển năng lượng tái tạo như thủy điện, phong điện, điện mặt trời và địa nhiệt Với cấu trúc địa lý đặc biệt, Việt Nam nằm trong số 14 quốc gia hàng đầu thế giới về tiềm năng thủy điện, hiện sở hữu hơn 120.000 trạm thủy điện.

Việt Nam sở hữu nguồn năng lượng gió phong phú nhất khu vực Đông Nam Á cùng với 2.000-2.500 giờ nắng mỗi năm, tương đương gần 44 triệu tấn dầu quy đổi Tuy nhiên, đất nước vẫn chưa khai thác hiệu quả nguồn tài nguyên quý giá này.

Việt Nam có tiềm năng năng lượng gió lớn với công suất lên tới 1.800 MW nhờ vào đường biển dài và lưu lượng gió dồi dào Hiện nay, Công ty Fuhrlaender từ Đức đã hỗ trợ công nghệ cho Việt Nam, đưa vào vận hành 6 tổ turbine gió, mỗi tổ có công suất 1,5 MW tại Bình Thuận, cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia.

Mặc dù nhiều quốc gia trên thế giới đã khai thác hiệu quả năng lượng mặt trời (NLTT), Việt Nam vẫn chưa tận dụng hết nguồn năng lượng sạch và tiết kiệm này Công nghệ sản xuất điện từ năng lượng mặt trời chủ yếu được áp dụng ở các khu vực nông thôn, miền núi, vùng sâu, vùng xa và hải đảo, giúp cải thiện đời sống và phát triển kinh tế bền vững.

Mặc dù Việt Nam sở hữu nhiều tiềm năng về năng lượng tái tạo, nhưng việc ứng dụng vào sản xuất vẫn còn hạn chế Nguyên nhân chủ yếu là do các công nghệ năng lượng tái tạo hiện tại có chi phí cao, cùng với việc vận hành và bảo trì phức tạp Do đó, sự phát triển của lĩnh vực này thường phụ thuộc vào chính sách hỗ trợ từ Nhà nước hoặc nguồn tài trợ từ nước ngoài.

Từ năm 2000 đến 2010, các dự án sản xuất điện từ năng lượng tái tạo (NLTT) ở Việt Nam đã tăng hơn gấp đôi, mặc dù giá mua điện từ các dự án này vẫn chưa hấp dẫn các nhà đầu tư Đến cuối năm 2010, NLTT chỉ chiếm khoảng 3,5% tổng công suất lắp đặt của hệ thống điện Tuy nhiên, nhiều nhà máy thủy điện nhỏ và cực nhỏ không hoạt động hiệu quả, trong khi các nhà máy điện sinh khối hoạt động cầm chừng Tính đến năm 2012, công suất lắp đặt của điện NLTT đạt khoảng 1000 MW, chủ yếu từ sinh khối, gió và mặt trời Tốc độ tăng trưởng trong ngành điện sinh khối đã làm chuyển dịch mạnh mẽ cơ cấu nguồn, với tổng công suất lắp đặt của điện sinh khối đạt 152 MW.

MW và hiện đã có một số nhà máy bán điện lên lưới và có kế hoạch mở rộng (xem bảng 2.1)

Bảng 2.1 Thực trạng sử dụng NLTT cho phát điện năm 2012

STT Loại nguồn Công suất (MW)

Nguồn: http://nangluongvietnam.vn/news/vn/nhan-dinh-phan-bien- kien-nghi/vai-tro-tu-nhan-trong-phat-trien-nang-luong-tai-tao-o-viet- nam.html

Năng lượng không tái tạo

Năng lượng hạt nhân

- Trình bày được thế nào là nguồn năng lượng hạt nhân

- Phân loại được theo nguồn gốc của các nguồn năng lượng hạt nhân

Trên thế giới, năng lượng hạt nhân đang ngày càng được sử dụng rộng rãi, đóng góp vào việc giảm thiểu phát thải khí nhà kính và đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng Tại Việt Nam, việc phát triển năng lượng hạt nhân cũng đang được xem xét như một giải pháp bền vững cho tương lai Tuy nhiên, để hạn chế tác hại của năng lượng hạt nhân, cần thực hiện các biện pháp an toàn nghiêm ngặt, nâng cao nhận thức cộng đồng về rủi ro, và đầu tư vào công nghệ hiện đại nhằm đảm bảo an toàn cho môi trường và sức khỏe con người.

- Giải thích được vai trò của việc sử dụng nguồn năng lượng hạt nhân

Năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng được khai thác từ việc tách năng lượng từ hạt nhân nguyên tử qua các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát Hiện nay, phương pháp chính được áp dụng là phân hạch hạt nhân, bên cạnh đó còn có các phương pháp khác như tổng hợp hạt nhân và phân rã phóng xạ.

4.2.1 Phản ứng phân hạch (Nuclear Fission)

Phân hạch, hay còn gọi là phản ứng phân rã nguyên tử, là một quá trình vật lý hạt nhân và hóa học hạt nhân, trong đó hạt nhân nguyên tử được chia thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn cùng với một số sản phẩm phụ khác Đây là một dạng chuyển hóa căn bản, với các sản phẩm phụ bao gồm neutron, photon, và các tia gamma, beta, và alpha.

Sự phân hạch của các nguyên tố nặng là một phản ứng toả nhiệt và có thể

Quá trình phân hạch của uranium giải phóng một lượng năng lượng lớn, chủ yếu dưới dạng tia gamma và động năng của các hạt được phát ra, gây ra sự đốt nóng vật chất tại vị trí xảy ra phản ứng phân hạch.

4.2.2 Phản ứng tổng hợp hạt nhân (Nuclear Fusion)

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là quá trình mà hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ kết hợp để tạo thành một hạt nhân nặng hơn cùng với một số neutron Một ví dụ điển hình là sự kết hợp giữa tritium và deuterium để sản xuất helium và một neutron Khác với phản ứng phân hạch, phản ứng tổng hợp này chỉ giải phóng khoảng 18 MeV năng lượng.

Nhưng ưu điểm là nguyên liệu rẻ tiền và dễ tìm hơn uranium

4.2.3 Phân rã phóng xạ (radioactive decay)

Phóng xạ là hiện tượng mà một số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi và phát ra bức xạ hạt nhân, thường được gọi là tia phóng xạ.

Tia phóng xạ bao gồm các hạt mang điện như hạt alpha và proton, hạt mang điện âm như electron (phóng xạ beta), và các hạt không mang điện như neutron và tia gamma, với tia gamma có năng lượng lớn hơn ánh sáng Hiện tượng tự biến đổi của hạt nhân nguyên tử này được gọi là phân rã phóng xạ hay phân rã hạt nhân.

Trong quá trình tự phân hạch và phân rã hạt nhân, xảy ra hiện tượng hụt khối lượng, tức là tổng khối lượng của các hạt tạo thành nhỏ hơn khối lượng hạt nhân ban đầu Khối lượng hao hụt này được chuyển hóa thành năng lượng khổng lồ, được tính theo công thức nổi tiếng của Albert Einstein E = mc², trong đó E là năng lượng thoát ra khi phân rã hạt nhân, m là độ hụt khối và c là vận tốc ánh sáng trong chân không, với giá trị c = 298.000.000 m/s.

Hình 4.2 Phản ứng tổng hợp (nhiệt hạch)

Hình 4.3 Sự phân rã phóng xạ

4.3 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MỘT NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ (NMĐNT)

Một nhà máy điện nguyên tử thường gồm bốn phần chính:

- Lò phản ứng hạt nhân

4.4 CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN VÀ CÁC THẾ HỆ LÒ

4.4.1 Các công nghệ lò phản ứng hiện nay

Hiện nay, có nhiều loại lò được sử dụng trên thế giới, và việc đánh giá ưu thế tuyệt đối của từng loại lò là rất khó khăn Sự lựa chọn và phát triển loại lò của mỗi quốc gia phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chiến lược quốc gia, trình độ khoa học - công nghệ và khả năng tham gia của ngành công nghiệp nội địa Các loại lò được phân loại dựa trên chất tải nhiệt, chất làm chậm và cấu trúc của chúng, như đã nêu trong bảng 4.1.

Bảng 4.1 Phân loại lò phản ứng dùng trong nhà máy điện nguyên tử

STT Loại lò Tên gọi Nhiên liệu Chất làm chậm

1 PWR Lò nước áp lực Urani làm giàu nhẹ 2-4%

2 BWR Lò nước sôi Urani làm giàu nhẹ 2-4%

3 WWER Lò nước áp lực

Lò nước nặng kênh áp lực

5 GCR Lò khí grafit Urani tự nhiên

Hình 4.4 Nhà máy điện nguyên tử

Lò phản ứng hạt nhân Máy phát điện

Bộ phận ngưng tụ Turbine

6 LWGR Lò nước grafit kênh áp lực

7 AGR Lò khí grafit cải tiến

8 FBR Lò nhanh tái sinh

Urani làm giàu hoặc Plutoni

Hiện nay, có ba loại công nghệ lò phản ứng hạt nhân được công nhận và phát triển nhiều nhất, bao gồm: lò phản ứng nước áp lực (PWR) chiếm 60%, lò phản ứng nước sôi (BWR) chiếm 21%, và lò nước nặng kiểu CANDU (PHWR) chiếm 8% Phần còn lại là các loại lò khác.

4.4.1.1 NMĐNT sử dụng lò nước áp lực PWR

Lò PWR, hay lò nước nhẹ áp lực, hiện đang được sử dụng phổ biến với nước nhẹ làm chất tải nhiệt và chất làm chậm neutron Nhà máy điện hạt nhân (NMĐNT) sử dụng lò PWR hoạt động theo công nghệ hai vòng tuần hoàn, như được mô tả trong sơ đồ nguyên lý hoạt động.

Vòng tuần hoàn thứ nhất

(vòng 1) có bốn thành phần chính là lò phản ứng, thiết bị sinh hơi, bình điều áp và máy bơm tuần hoàn chính

Vòng tuần hoàn thứ hai

Vòng 2 bao gồm các thành phần chính như turbine, máy phát, bình ngưng tụ hơi nước, hệ thống lọc nước và các bơm tuần hoàn Vòng tuần hoàn này tương tự như vòng tuần hoàn của nhà máy điện nguyên tử với lò nước sôi BWR.

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý NMĐNT lò PWR

Trong quá trình vận hành lò phản ứng hạt nhân, nước dưới áp suất cao được bơm tuần hoàn vào lò, đi qua vùng hoạt để hấp thụ nhiệt từ quá trình phân rã hạt nhân, làm tăng nhiệt độ của nước Do áp suất cao, nước không bị sôi và được chuyển đến thiết bị sinh hơi, nơi nó truyền nhiệt cho nước ở vòng hai thông qua các dàn ống Sau khi nhiệt độ giảm, nước sẽ được bơm quay trở lại lò phản ứng để tiếp tục chu trình.

Tại vòng hai của quy trình, nước được bơm vào thiết bị sinh hơi, nơi nó nhận nhiệt từ nước ở vòng một qua hệ thống ống trao đổi nhiệt Tại đây, nước hóa hơi và sản sinh hơi nước, sau đó hơi nước này được dẫn vào turbine để quay Trong các nhà máy điện nguyên tử, hơi nước thường được sử dụng là hơi bão hòa.

4.4.1.2 NMĐNT sử dụng lò nước sôi BWR

NMĐNT sử dụng lò BWR là loại công nghệ một vòng tuần hoàn

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của nhà máy điện hạt nhân dùng lò PWR cho thấy chất tải nhiệt là nước nhẹ, đóng vai trò là chất làm chậm và chất sinh công trong turbine Nước được bơm tuần hoàn vào lò phản ứng hạt nhân, nơi nó hấp thụ nhiệt, sau đó nóng lên, sôi và hóa hơi tại vùng hoạt.

Năng lượng mới và tái tạo

Năng lượng mặt trời

- Trình bày được năng lượng từ mặt trời

- Biết cách sử dụng hiệu quả năng lượng mặt trời

- Trình bày được bức xạ năng lượng mặt trời

- Phân tích được những thuận lợi, khó khăn trong việc phát triển năng lượng mặt trời ở nước ta

Mặt trời là nguồn năng lượng có thể được hồi phục theo chu trình biến đổi của thiên nhiên, và theo chuẩn mực của con người là vô hạn

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vĩnh cửu và siêu sạch, đã tồn tại từ lâu, trong khi các nguồn nhiên liệu thiên nhiên như than và dầu mỏ ngày càng trở nên khan hiếm Việc sử dụng năng lượng mặt trời không còn là điều mới mẻ, mà đang trở thành giải pháp bền vững cho tương lai.

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo phong phú và phù hợp nhất trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay Việt Nam, với vị trí địa lý thuận lợi, nằm trong nhóm các quốc gia có lượng ánh sáng mặt trời dồi dào nhất trên thế giới, mang lại tiềm năng lớn cho việc phát triển năng lượng mặt trời.

6.1.2 Khái niệm về mặt trời

Mặt trời là một ngôi sao với nhiệt độ tại tâm khoảng 15 triệu độ K và 6.000 độ K ở bề mặt Do nhiệt độ cao, cấu trúc của mặt trời chủ yếu ở thể khí Mặt trời có hình cầu, đường kính 1.392.000 km, diện tích 6.075 triệu km² và thể tích 1,42 triệu km³ Khoảng cách trung bình từ mặt trời đến Trái Đất là 149,43 triệu km (1 đơn vị thiên văn), nhưng hàng năm, mặt trời vẫn cung cấp cho Trái Đất một nguồn năng lượng khổng lồ, với nhiệt lượng đạt 1,3 triệu tỷ calo.

6.1.3 Khái niệm về bức xạ mặt trời trên thế giới

Do sự chuyển động của trái đất quanh mặt trời theo quỹ đạo elip nên khoảng cách giữa mặt trời và trái đất thay đổi theo thời gian

Năng lượng bức xạ mặt trời đến từng khu vực trên trái đất không đồng nhất, mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vị trí địa lý, thời gian trong năm và điều kiện thời tiết tại từng địa phương.

Hai thành phần cơ bản của bức xạ mặt trời chiếu đến mặt đất:

Bức xạ nhiệt từ mặt trời đến bề mặt trái đất được đặc trưng bởi hằng số mặt trời So, thể hiện lượng bức xạ mặt trời chiếu thẳng góc trên 1 cm² bề mặt ngoài của khí quyển trong 1 phút, khi khoảng cách giữa mặt trời và trái đất là 1 đơn vị thiên văn.

Theo đo lường của Mỹ thì giá trị trung bình:

Khi Trái Đất ở vị trí xa nhất so với Mặt Trời, giá trị S0 giảm 3,4% so với giá trị trung bình Ngược lại, khi Trái Đất ở gần Mặt Trời nhất, giá trị S0 tăng 3,3% so với giá trị trung bình.

Bức xạ ánh sáng thường xuyên xuống mặt đất đặc trưng bằng hằng số rọi E0 (E0 = 2.10 9 lux)

Vậy tổng năng lượng bức xạ của mặt trời xuống mặt đất, gọi tắt là tổng xạ J hay Q, được tính bằng: J = Q = H + S (kcal/cm 2 phút)

Trong đó, H: ánh sáng khuếch tán của bầu trời (tán xạ)

S: nắng, bức xạ trực tiếp (trực xạ)

Hình 6.1 Sự lan truyền tia bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển

Tổng xạ mặt trời là khái niệm chỉ bức xạ mặt trời, bao gồm bức xạ trực tiếp và bức xạ khuếch tán Khi thời tiết quang đãng, cường độ bức xạ cực đại tại mực nước biển đạt 1 kW/m², trong khi ở ngoài vũ trụ là 1,33 kW/m², cho thấy rằng bức xạ khi truyền xuống mặt đất đã giảm đi 30%.

6.1.4 Phân bố năng lượng trong các dải phổ chính trực xạ

Các giá trị của tổng xạ, tán xạ và trực xạ là những đặc trưng quan trọng của bức xạ sóng ngắn từ mặt trời Trên toàn cầu, quang phổ bức xạ mặt trời đến Trái Đất có bước sóng nằm trong khoảng từ 0,17.

Trong đó năng lượng bức xạ chủ yếu tập trung trong phạm vi bước sóng  = 0,01 

6.2 VỊ TRÍ VÀ SỰ PHÂN BỐ TỔNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM

Việt Nam thuộc vùng nhiệt đới gió mùa với số giờ nắng trung bình là

6 -7 giờ/ngày, do đó sử dụng năng lượng mặt trời sẽ có hiệu quả rất cao

6.2.1 Vị trí địa lý nước ta

Việt Nam nằm hoàn toàn trong khu vực nội chí tuyến, với giới hạn phía Bắc tại Đồng Văn (23°22') và phía Nam tại tỉnh Cà Mau (8°30') Do đó, đất nước này chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ chế độ mặt trời nội chí tuyến.

Tổng lượng bức xạ mặt trời hàng năm theo vĩ độ không có sự khác biệt rõ rệt giữa các miền Từ Nam chí Bắc, các khu vực đều có khả năng nhận tổng lượng nhiệt mặt trời dao động từ 120 đến 130 kcal/cm² mỗi năm.

Hình 6.2 Quang phổ bức xạ mặt trời

Bức xạ trực tiếp là lượng bức xạ chiếu thẳng từ mặt trời xuống mặt đất

6.2.2.1 Cường độ bức xạ Ở nước ta cường độ bức xạ trực tiếp nhỏ nhất vào tháng 12  1, lúc đó độ cao mặt trời là thấp nhất; và cường độ bức xạ trực tiếp lớn nhất ở tháng 4  8 khi mặt trời cao nhất

+ Ở miền Bắc từ tháng 12  1 do thời tiết ẩm ướt nhiều mây khiến cho cường độ bức xạ giảm xuống thấp, chỉ có khoảng 0,3 kcal/cm 2 ngày

Từ tháng 4, mặt trời chiếu sáng với cường độ cao nhất tại các vĩ độ nước ta, kéo theo ngày dài hơn và sự gia tăng rõ rệt của bức xạ trực tiếp, có thể đạt tới 0,6 kcal/cm² mỗi ngày.

Ban ngày khi trời quang hay ít mây, bức xạ trực tiếp tăng giảm theo độ cao mặt trời

+ Thời gian từ 10 h  14 h mỗi ngày chiếm 60%  70% tổng lượng bức xạ trực tiếp

Nếu mùa hạ miền Bắc có thể đạt 70  80 cal/cm 2 giờ

Trong mùa khô ở miền Nam và mùa đông ở miền Bắc, chỉ số bức xạ đạt khoảng 50 cal/cm² giờ Trong khi đó, vào mùa mưa ở miền Nam, chỉ số này có thể tăng lên đến 60 cal/cm² giờ.

+ Thời gian trước 8 h và sau 16 h cường độ giảm còn không đầy 10 

20 cal/cm 2 giờ, đôi khi đạt 30 cal/cm 2 giờ

+ Thời gian trước 7 h và sau 17 h cường độ không còn đáng kể

Bức xạ tổng cộng là giá trị tổng hợp của bức xạ trực tiếp và khuếch tán, trong đó bức xạ khuếch tán từ bầu trời và mây luôn phát huy hiệu quả, ngay cả khi bầu trời bị mây che lấp hoặc trước và sau khi mặt trời mọc Do đó, bức xạ tổng cộng biến đổi theo những quy luật phức tạp hơn, không hoàn toàn phụ thuộc vào chế độ mặt trời.

6.2.3.1 Cường độ bức xạ tổng cộng

Nhìn chung, bức xạ tổng cộng có khuynh hướng tăng dần từ Bắc xuống Nam ở lãnh thổ nước ta

Miền Bắc có tổng lượng bức xạ trong khoảng 95  105 kcal/cm 2 năm

Miền Trung đạt tới mức 120  130 kcal/cm 2 năm

Miền Nam có khi vượt quá 130 kcal/cm 2 năm

6.2.3.2 Biến trình ngày của bức xạ tổng cộng

Bức xạ tổng cộng có xu hướng diễn biến ngày lệch hơn so với bức xạ trực tiếp, với các cực đại lùi dần về chiều và sự không đối xứng tại điểm chính trưa trở nên rõ rệt hơn Nguyên nhân chủ yếu là do thành phần bức xạ khuếch tán vào buổi chiều thường lớn hơn.

Các ứng dụng năng lượng mặt trời

Sau bài học này sinh viên sẽ:

- Trình bày được các ứng dụng phổ biến của năng lượng mặt trời

- Giải thích được tác dụng của việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời

- Phân tích được thuận lợi, khó khăn trong việc phát triển năng lượng mặt trời ở nước ta

Là một thiết bị giữ các tia nắng và dùng năng lượng này để đun nấu các loại thực phẩm hoặc đun sôi nước

Thiết bị sử dụng gương hoặc thấu kính Fresnel để hội tụ ánh sáng vào điểm nấu Các bếp này có khả năng hoạt động với công suất lên đến vài trăm Watt và đạt nhiệt độ tối đa 200 độ C.

Hội tụ ánh nắng là phương pháp sử dụng các thiết kế gương hoặc kim loại có độ phản chiếu cao, như giấy nhôm, để tập trung ánh sáng và sức nóng mặt trời vào một khu vực nhỏ.

Chuyển ánh sáng thành sức nóng: Màu đen có tính chất hút nóng nên người ta hay dùng màu đen bên trong các thiết kế

Dẫn nhiệt: Dùng các kim loại có tính dẫn nhiệt nhanh thì bếp mau nóng, thức ăn nhanh chín hơn

Giữ nóng: Một tấm thủy tinh, một bao nylon trong suốt, hoặc một lớp chất dẻo trong suốt cũng đủ thu ánh sáng vào trong và không cho

Hình 7.1 Bếp hộp nhiệt thoát ra Đó chính là hiệu ứng nhà kính nhằm giữ lại sức nóng trong bếp

7.1.3 Một số loại bếp a Bếp kiểu hộp

Bếp kiểu hộp có thiết kế bảo vệ hình hộp, được làm từ gỗ hoặc tôn với tiết diện ngang hình vuông hoặc hình tròn Mặt phản xạ bên trong được chế tạo từ kim loại như nhôm hoặc inox, được đánh bóng nhẵn để tối ưu hóa độ phản xạ Hình dạng của mặt phản xạ bao gồm các mặt parabol tròn xoay, giúp thu nhận ánh sáng từ mặt trời và từ gương phản xạ hiệu quả.

Nồi thức ăn được sơn màu đen giúp hấp thụ ánh sáng tốt, với dung tích tùy thuộc vào kích thước bếp và thời gian nấu Tấm kính có độ trong suốt cao, dày từ 2 đến 3 mm, giúp giảm tổn thất nhiệt khi nấu Gương phản xạ có độ phản xạ cao, có thể xoay quanh trục để hướng chùm tia sáng vào nồi, phía sau gương có tấm bảo vệ và nắp đậy Lớp vật liệu cách nhiệt bằng bông thủy tinh giúp giảm mất nhiệt, trong khi đế đặt nồi ngăn cách giữa nồi và các bộ phận khác.

Hình 7.3 Bếp hộp của SV

Hình 7.4 Biểu đồ quan hệ giữa đường kính mặt thu và dung tích của nồi Hình 7.2 Cấu tạo một bếp hộp

Để chế tạo bếp, cần xem xét mối quan hệ giữa đường kính mặt thu, dung tích nồi và thời gian nấu, điều này có thể được minh họa qua đồ thị như hình 7.5.

Ví dụ: Ta muốn chế tạo nồi có thể chứa 10 lít và dựa vào đồ thị, muốn nấu sôi 10 lít ở 25 0 C trong thời gian 1 h (3600s) ta chọn d2 = 0.8 m Ưu điểm:

- Có thể làm bằng chất liệu rẻ tiền;

- Người sử dụng bếp có thể ở trong mát;

- Thích hợp với việc di chuyển khi đi du lịch;

- Không gây ô nhiễm môi trường;

- An toàn khi sử dụng

- Nhiệt độ tối đa 150 0 C, nhỏ hơn nhiệt độ của các bếp thường nên phải đun lâu hơn;

- Không được mở khi đang đun nấu vì hơi nóng sẽ thoát ra ngoài;

- Có thể bị phỏng tay;

- Cứ mỗi nửa giờ lại phải xoay hướng;

- Không chịu được mưa b Bếp parabol

Bếp nấu parabol hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ nhiệt, với đế đặt nồi (1) được làm từ khung kim loại dẫn nhiệt tốt và có khả năng điều chỉnh chiều cao dễ dàng Nồi nấu thức ăn (2) được sơn màu đen để tối ưu hóa khả năng hấp thụ nhiệt, trong khi mặt phản xạ (3) được chế tạo từ kim loại như nhôm hoặc inox với bề mặt nhẵn để tăng cường hiệu quả phản xạ.

Bản vẽ bếp hộp hình parabol được gắn vào khung đỡ có hình dạng parabol, cho phép lắp đặt gương phản xạ Thanh điều chỉnh giúp điều chỉnh vị trí của chảo parabol, cho phép nó quay quanh trục nằm ngang.

Mặt parabol phản xạ là thành phần quan trọng nhất của bếp, có thể sản xuất hàng loạt bằng phương pháp dập hoặc ghép các mảnh lại với nhau Ưu điểm của phương pháp này là tính hiệu quả và tiết kiệm chi phí trong quá trình chế tạo.

- Nóng nhanh, 1 lít nước có thể sôi sau nửa giờ;

- Dùng được quanh năm tại châu Âu;

- Cần vật liệu đặc biệt và độ chính xác cao;

- Thức ăn có thể cháy khét;

- Dễ bị bỏng, dễ gây lóa mắt và hại mắt;

- Mỗi 15 phút phải chỉnh lại hướng

Hình 7.7 Bếp parabol của SV trường ĐHSPKT TP HCM

Hình 7.8 Nguyên lý ghép mảnh

7.2 THIẾT BỊ NƯỚC NÓNG (ĐUN NƯỚC NÓNG)

Ánh nắng mặt trời chứa các hạt photon mang năng lượng Khi ánh sáng này chiếu vào các vật liệu có hệ số hấp thụ nhiệt cao như đồng và nhôm, chúng sẽ nóng lên Nhiệt lượng từ các vật liệu này sẽ được truyền trực tiếp cho nước, làm cho nước ấm lên.

Hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời để nung nóng nước trực tiếp bao gồm các thành phần chính như bộ thu nhiệt, bình bảo ôn, giá đỡ, bơm và hệ thống dẫn nước nóng đến nơi sử dụng.

Khi bức xạ mặt trời chiếu vào bộ phận thu nhiệt, nó hấp thụ nhiệt và chuyển đổi thành nhiệt năng Nhiệt này được truyền trực tiếp cho nước trong các ống dẫn, khiến nước nóng có tỉ trọng nhỏ hơn đi lên ống dẫn nước nóng vào bình chứa Đồng thời, nước lạnh nặng hơn sẽ di chuyển xuống ống dẫn nước lạnh Quá trình này tiếp tục cho đến khi nước trong bình chứa đạt mức tối đa.

Có hai loại thu nhiệt chính là dạng tấm phẳng và dạng ống chân không Loại thu nhiệt dạng tấm phẳng bao gồm nhiều ống nhỏ bằng đồng, được trang bị tấm hấp thụ làm từ nhôm hoặc đồng, bên trong các ống chứa môi chất truyền nhiệt.

Nhiệt thu được từ tấm hấp thụ sẽ truyền vào ống và làm nóng môi chất bên trong

Tấm hấp thụ nhiệt được phủ một lớp sơn đen đặc biệt để nâng cao khả năng hấp thụ nhiệt Để giảm thiểu sự mất nhiệt, tấm này được bao bọc bằng lớp cách nhiệt và đặt trong hộp kín bằng kim nhôm chuyên dụng, đồng thời bề mặt được lắp kính để bảo vệ khỏi tác động của thời tiết.

Hình 7.9 Tấm hấp thụ nhiệt dạng tấm phẳng

Ngoài ra, hiện nay còn có tấm hấp thụ phẳng đúc bằng nhựa PPR màu đen theo một quy trình đặc biệt Lớp màng phủ chống tia

U/V đảm bảo hiệu suất hấp thụ theo thời gian Tuổi thọ của thiết bị lên tới 25 năm

Loại thiết bị này không đóng cặn và có khả năng sử dụng với nhiều loại nước khác nhau, từ nước phèn đến nước xử lý bằng clo Loại thu nhiệt dạng ống chân không bao gồm các ống chân không gắn song song, mỗi ống có cấu trúc thủy tinh hai lớp với chân không ở giữa Bề mặt ống được phủ một lớp màng kim loại đặc biệt gồm ba lớp.

Lớp 1: chống tản nhiệt (hợp kim inox + đồng)

Lớp 2: hấp thụ nhiệt năng ánh sáng mặt trời (hợp kim đồng)

Lớp 3: truyền nhiệt hấp thụ cho nước bên trong ống (hợp kim inox)

Hình 7.11 Tấm hấp thụ nhiệt loại ống chân không

Hình 7.10 Nguyên lý thu nhiệt dạng tấm phẳng ống dẫn nước lạnh ống dẫn nước nóng

Bộ thu nhiệt Bức xạ mặt trời

Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào bộ thu nhiệt, các ống thủy tinh chân không sẽ hấp thụ nhiệt từ bức xạ mặt trời và chuyển đổi thành nhiệt năng.

Lượng nhiệt này sẽ được truyền trực tiếp cho nước trong các ống

Năng lượng sinh khối

- Phân tích được nguồn gốc của sinh khối

- Trình bày được các đặc tính của các dạng sinh khối

- Trình bày được các hướng chuyển đổi sinh khối

- Giải thích được các chu trình nhiệt động lực học cơ bản trong sản suất điện từ sinh khối

- Trình bày được các ứng dụng trong thực tế và các tác động của NLSK đối với môi trường

- Đánh giá được tiềm năng của NLSK tại Việt Nam

- Phân tích đưọc những lợi thế và thách thức để định hướng nghiên cứu, ứng dụng NLSK

Sinh khối là thuật ngữ chỉ các vật chất có nguồn gốc sinh học, được sử dụng như nguồn năng lượng hoặc dựa trên các thành phần hóa học của chúng.

Sinh khối bao gồm cây cối tự nhiên, cây trồng công nghiệp, tảo, và các loại thực vật khác, cũng như bã nông nghiệp và lâm nghiệp Nó còn bao gồm chất thải từ hoạt động của con người như chất thải trong sản xuất thực phẩm, bùn và nước cống, phân bón, sản phẩm phụ gia hữu cơ từ công nghiệp, cùng với các thành phần hữu cơ trong chất thải sinh hoạt.

Sinh khối có thể được phân loại theo các mục đích sử dụng khác nhau, bao gồm tạo nhiệt, sản xuất điện năng và làm nhiên liệu cho giao thông vận tải.

Hình 8.1 Chu trình chuyển hóa sinh khối

Bảng 8.1 Năng lượng sinh khối có thể thay thế năng lượng hóa thạch

Sinh khối thường được phân loại thành ba nhóm chính: rắn, lỏng và khí Sinh khối rắn bao gồm các thực vật trên cạn như cây cỏ xanh, phế phẩm từ nông lâm nghiệp như rơm rạ, bã mía, vỏ trấu và phân động vật Trong khi đó, sinh khối lỏng chủ yếu bao gồm các nguồn nước thải công nghiệp.

Sinh khối dạng rắn là nguồn tài nguyên hữu cơ quan trọng, bao gồm các chất cellulose và ligno-cellulosic Nó bao gồm các vật liệu tái tạo như cây cối, chất xơ gỗ, chất thải từ gia súc, chất thải nông nghiệp, và thành phần giấy trong chất thải rắn đô thị.

Hình 8.2 Nguồn sinh khối bã gỗ, bã mía

Sinh Hơi Đốt hóa khí khối

Khí lên men Sinh sinh học kỵ khí khối

- Làm mát Đốt Sấy khô Sinh khối

Dầu thô Lọc phẩm dầu

- Nhiên liệu cho giao thông vận tải

Ethanol Lên men Sinh khốí Methanol

8.2.1.1 Chất bã của sinh khối đã qua xử lý

Các quá trình xử lý sinh khối tạo ra sản phẩm phụ và chất thải gọi là chất bã Không phải tất cả chất bã đều có thể sử dụng để sản xuất điện năng; một số cần bổ sung chất dinh dưỡng hoặc nguyên tố hóa học Trong sản xuất giấy, bột giấy và các chất bã là những yếu tố quan trọng cần được xem xét để tối ưu hóa quy trình.

Cây cối chứa các thành phần như sợi chất gỗ, hemicellulose và sợi cellulose, trong đó lignin dễ dàng phân hủy hơn cellulose Quá trình nghiền nhão giúp tách rời và chia nhỏ các sợi chất gỗ để loại bỏ cellulose, từ đó sản xuất giấy Các bột giấy dư thừa tạo thành chất bã, là sản phẩm phụ từ quá trình đốn và xử lý gỗ Trong quá trình này, các chất thải như mùn cưa, vỏ cây, nhánh cây, lá cây và bột giấy cũng được thải ra Thông thường, các nhà máy giấy sử dụng các chất thải này để sản xuất điện phục vụ cho hoạt động của nhà máy.

Chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ quá trình làm thưa rừng để giảm nguy cơ cháy, sinh khối không được thu hoạch tại các khu vực đốn gỗ, và các vật liệu dư thừa trong quản lý rừng như phát rừng và di dời cây chết Phần lớn các chất thải này phát sinh từ các nhà máy chế biến gỗ và giấy.

Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừa phát sinh sau vụ thu hoạch, bao gồm thân và lá bắp, rơm, rạ, và vỏ trấu Hằng năm, khoảng 80 triệu cây bắp được trồng, khiến vỏ bắp trở thành nguồn sinh khối chính cho năng lượng sinh học Ở những vùng khô hạn, việc giữ lại chất thải nông nghiệp là cần thiết để bổ sung dinh dưỡng cho đất, giúp cải thiện vụ mùa tiếp theo.

Chất thải gia súc như phân trâu, bò, heo và gà có thể được chuyển đổi thành khí gas hoặc đốt trực tiếp để cung cấp nhiệt và sản xuất năng lượng Ở các nước đang phát triển, bánh phân thường được sử dụng làm nhiên liệu cho việc nấu nướng Tuy nhiên, do hàm lượng methane cao, việc đốt phân gia súc có thể gây nguy hiểm, vì các chất độc hại sinh ra từ quá trình này có thể ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người tiêu dùng.

Phân có giá trị tiềm năng lớn không chỉ trong việc cải thiện chất lượng đất mà còn trong việc bón cây, mang lại lợi ích rõ ràng cho nông dân Việc sử dụng phân đúng cách giúp tăng năng suất cây trồng và cải thiện hiệu quả sản xuất nông nghiệp.

Phân là nhiên liệu có hiệu suất thấp, do đó người ta có khuynh hướng chuyển qua các dạng năng lượng sinh học khác có hiệu suất cao hơn

Các tác động về môi trường và sức khỏe từ việc khai thác phân thải có phần tiêu cực hơn các dạng nhiên liệu sinh học khác

8.2.1.2 Các loại bã thải khác a Chất thải củi gỗ đô thị

Chất thải củi gỗ là loại chất thải chủ yếu tại các công trường, bao gồm thân cây và phần thừa từ việc cắt tỉa cây Những vật liệu này có thể dễ dàng thu gom sau các dự án và được chuyển đổi thành phân trộn hoặc sử dụng làm nhiên liệu cho các nhà máy năng lượng sinh học.

Chất thải từ các trung tâm thương mại, cơ quan, trường học và hộ gia đình chứa nhiều vật chất hữu cơ từ cây cối, tạo thành nguồn năng lượng tái tạo quý giá Các loại giấy thải, bìa cứng, thùng carton và chất thải gỗ đều là những ví dụ điển hình cho nguồn sinh khối trong chất thải đô thị.

Các giống cây năng lượng là những loại cây và cỏ được cải tiến bằng công nghệ sinh học để tăng trưởng nhanh và phục vụ cho sản xuất năng lượng Chúng có khả năng được trồng, thu hoạch và thay thế một cách nhanh chóng Trong số đó, các giống cây cỏ năng lượng là những cây lâu năm, được thu hoạch hàng năm sau 2-3 năm gieo trồng để đạt hiệu suất tối đa Một số loại cỏ tiêu biểu bao gồm cỏ mềm (switchgrass) từ Bắc Mỹ, cỏ voi và cây tre.

Chất thải công nghiệp, hoa màu, và chất thải thực vật phi gỗ, cùng với chất thải từ chăn nuôi như cây lúa miến ngọt, cỏ đuôi trâu cao và lúa mì, thường được sử dụng trong sản xuất năng lượng Ngoài ra, các giống cây gỗ năng lượng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nguồn nguyên liệu cho ngành năng lượng tái tạo.

Năng lượng gió

Sau bài học này (hoặc sau khi nghiên cứu chương này) sinh viên sẽ

- Giải thích được năng lượng từ gió và tiềm năng gió tại Việt Nam

- Biết đặc điểm, tính chất của gió

- Trình bày được đặc điểm của turbin gió trục đứng và trục ngang,

- Hiểu được cấu trúc của một hệ thống điện gió

- Phân tích được những thuận lợi, khó khăn của việc phát triển năng lượng gió tại Việt Nam

Năng lượng gió, một dạng động năng của không khí trong bầu khí quyển, là một hình thức năng lượng gián tiếp từ mặt trời Từ thời kỳ cổ đại, năng lượng gió đã được nhận diện và sử dụng, trở thành một trong những phương pháp khai thác năng lượng lâu đời nhất.

9.1.2 Sự hình thành năng lượng gió

Hình 9.1 Sự hình thành năng lượng gió

Bức xạ mặt trời không đồng đều chiếu xuống bề mặt trái đất, dẫn đến sự phân bố nhiệt độ khác nhau trong khí quyển, nước và không khí Ban ngày, một nửa bề mặt trái đất nhận ánh sáng mặt trời, trong khi nửa còn lại chìm trong bóng tối Các vùng gần xích đạo nhận bức xạ mặt trời nhiều hơn so với các cực, gây ra sự chênh lệch nhiệt độ và áp suất, từ đó hình thành gió Sự quay tròn của trái đất cũng tạo ra các xoáy không khí, và với trục quay nghiêng, các dòng không khí theo mùa được hình thành.

9.2 VẬT LÝ HỌC VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ

Năng lượng gió được tạo ra từ động năng của không khí di chuyển với vận tốc V Khối lượng không khí đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong khoảng thời gian t được tính bằng công thức liên quan đến tỷ trọng ρ của không khí và thể tích khối lượng không khí đi qua mặt cắt ngang hình tròn có diện tích A và bán kính r.

Động năng (E kin) và công suất (P) của gió được xác định bởi vận tốc gió, trong đó công suất gió tăng theo lũy thừa ba của vận tốc Do đó, vận tốc gió là yếu tố quyết định quan trọng khi khai thác năng lượng gió.

9.3 SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ

Năng lượng gió đã được con người khai thác hàng trăm năm, từ việc di chuyển thuyền buồm và khinh khí cầu đến việc tạo ra công cơ học qua các cối xay gió Ý tưởng sử dụng năng lượng gió để sản xuất điện xuất hiện ngay sau những phát minh về điện và máy phát điện Ban đầu, nguyên tắc hoạt động của cối xay gió chỉ được cải tiến nhẹ, chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học, và sau đó được áp dụng để sản xuất năng lượng điện thông qua máy phát điện.

9.4 THIẾT BỊ THU NĂNG LƯỢNG GIÓ

9.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Một turbine gió phát điện quy mô công nghiệp (công suất từ vài trăm kW đến vài MW) thường bao gồm các bộ phận chính sau đây:

Cấu tạo cơ bản gồm:

 Trục quay tốc độ cao

Ngoài ra còn có các bộ phận khác:

Bộ điều khiển sạc bình ắc quy đóng vai trò quan trọng trong việc nạp điện cho hệ thống bình ắc quy và kiểm soát tình trạng quá tải khi bình đầy Khi xảy ra tình trạng quá tải, bộ điều khiển sẽ tự động chuyển lượng điện năng thừa sang bộ phận xả điện, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho hệ thống.

Bộ phận xả điện có vai trò quan trọng trong việc tiêu thụ lượng điện năng thừa từ bộ điều khiển sạc bình ắc quy Thiết bị này hoạt động như một điện trở, giúp đốt nóng không khí hoặc đun sôi nước hiệu quả.

Hệ thống bình ắc quy bao gồm nhiều bình ắc quy khô được kết nối nối tiếp để lưu trữ nguồn điện một chiều Khi turbine gió không hoạt động hoặc hoạt động kém, hệ thống này sẽ cung cấp điện cho bộ chuyển đổi từ điện một chiều (DC) sang điện xoay chiều (AC).

Hệ thống hiển thị của thiết bị đo đạc và cung cấp thông tin về tình trạng gió cũng như sản lượng điện hiện tại và đã cung cấp, giúp người dùng dễ dàng theo dõi qua màn hình hiển thị.

Tủ điện một chiều là thiết bị bảo vệ dòng điện một chiều từ turbine gió đến bộ chuyển đổi DC sang AC Thiết bị này tự động ngắt kết nối dòng điện từ hệ thống bình ắc quy khi xảy ra sự cố điện, đảm bảo an toàn cho hệ thống.

Bộ chuyển đổi điện DC ra AC là thiết bị chuyển đổi dòng điện một chiều từ bình ắc quy sang điện xoay chiều chuẩn, thường là 220V hoặc 110V tùy theo quốc gia Để hoạt động hiệu quả, bộ chuyển đổi cần có công suất phù hợp với hệ thống turbine gió.

Hình 9.2 Cấu tạo của turbine gió

Máy phát điện dự phòng được sử dụng khi sức gió tại khu vực yếu hoặc không có trong thời gian dài Trong những tình huống thời tiết xấu, máy có thể hoạt động bằng biogas, dầu diesel hoặc xăng, tùy thuộc vào cấu tạo của nó.

Bảng điện xoay chiều là thành phần quan trọng trong hệ thống turbine gió, kết nối tất cả các thiết bị điện dân dụng Nó bao gồm các cầu chì bảo vệ tự động, giúp bảo vệ hệ thống điện xoay chiều và chuyển đổi điện DC thành AC.

Gió làm quay cánh quạt và trục chính, từ đó động năng được truyền qua bộ bánh răng và trục rotor đến bộ phát điện Bộ phát điện hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ, với rotor gắn nam châm vĩnh cửu và stator chứa các vòng dây quấn cố định Khi rotor quay, điện trường xuất hiện trong stator, tạo ra dòng điện Dòng điện này được dẫn đến bộ sạc để nạp vào acquy lớn nhằm lưu trữ năng lượng Hệ thống cũng chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều để phân phối hoặc sử dụng trực tiếp, và có thể bổ sung hệ thống điều khiển phản hồi cho acquy.

Các turbine gió hiện nay được chia thành hai loại:

- Turbine gió trục ngang (HAWT): gồm một máy phát điện có trục quay nằm ngang, với rotor (phần quay) ở giữa, một turbine 2-3 cánh đón gió

- Turbine gió trục đứng (VAWT): gồm một máy phát điện có trục quay thẳng đứng, rotor nằm ngoài được nối với các cánh đón gió đặt thẳng đứng

Turbine gió trục đứng (VAWTs) là loại turbine gió có trục chính lắp đặt theo chiều dọc, mang lại nhiều lợi ích Một trong những ưu điểm nổi bật của VAWTs là máy phát và hộp số có thể được đặt gần mặt đất, giúp giảm thiểu chi phí bảo trì Hơn nữa, thiết kế này cho phép máy phát không cần phải quay theo hướng gió, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận hành trong nhiều điều kiện thời tiết khác nhau.

 Các loại turbine gió trục đứng

Năng lượng nước

- Trình bày được thế nào là nguồn năng lượng nước

- Giải thích được vai trò của việc sử dụng nguồn năng lượng nước

- Nêu được nguyên lý hoạt động của nhà máy thủy điện, thủy triều, sóng biển, nhiệt đại dương

- Nêu được tiềm năng phát triển của các nguồn năng lượng nước tại Việt Nam

- Nêu được những thuận lợi khó khăn khi phát triển các nguồn năng lượng nước

Thủy năng là năng lượng tiềm tàng trong nước Nước trong thiên nhiên có năng lượng ở ba dạng

- Hóa năng: thể hiện chủ yếu trong việc tạo thành dung dịch muối và hòa tan các loại đất đồi núi, trong nước biển

Nhiệt năng được định nghĩa là sự chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp nước ở bề mặt và đáy sóng, cũng như giữa nước trên mặt đất và nước ngầm.

Hai dạng năng lượng của nước nói trên có trữ lượng lớn, song phân tán, kỹ thuật sử dụng còn nhiều khó khăn, hiện nay chưa khai thác được

Cơ năng là dạng năng lượng thể hiện qua hiện tượng mưa rơi, dòng chảy của sông suối, thủy triều và sóng biển Năng lượng này rất phong phú và có khả năng khai thác hiệu quả, đặc biệt là từ các dòng sông, nơi mà việc sử dụng năng lượng trở nên dễ dàng hơn.

Năng lượng nước được chia làm bốn loại đó là: năng lượng thủy điện, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển và năng lượng nhiệt đại dương

Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo được khai thác từ nước, chủ yếu thông qua thế năng của nước được lưu trữ tại các đập Năng lượng này được sử dụng để quay turbine và sản xuất điện năng.

10.2.2 Nguyên lý hoạt động của nhà máy thủy điện

Năng lượng thủy điện được tạo ra từ việc chuyển đổi thế năng của nước thành cơ năng, sau đó được chuyển hóa thành điện năng thông qua các hệ thống rotor và stator của máy phát điện Nguồn nước này thường được tích trữ trong các đập lớn.

Nước được dẫn qua các ống penstock có áp suất, đi qua các turbine lớn và làm xoay chúng Các turbine này được kết nối với rotor của máy phát điện, tạo ra dòng điện và truyền xuống hạ lưu.

Hình 10.1 Nguyên lý hoạt động của nhà máy thủy điện

Turbine nước có thể được phân loại theo các yếu tố sau:

- Tác động của dòng chảy lên các cánh turbine

- Áp lực và lưu lượng nước thực tế

- Chiều dòng chảy trong turbine

- Bố trí của các trục turbine

- Tên của người phát minh

- Tốc độ đặc trưng của turbine

10.2.4 Năng lượng thủy điện của thế giới

Thủy điện hiện nay đóng góp 20% tổng sản lượng điện trên thế giới, với Na Uy sản xuất hoàn toàn điện năng từ sức nước Iceland cũng sử dụng năng lượng thủy điện để đáp ứng 83% nhu cầu điện của mình (năm 2004), trong khi Áo sản xuất 67% điện quốc gia từ nguồn năng lượng này Canada là quốc gia hàng đầu thế giới về sản xuất điện từ thủy điện, với hơn 70% tổng sản lượng điện đến từ năng lượng nước.

Hydro-Québec là công ty sản xuất thuỷ điện lớn nhất thế giới, với tổng công suất lắp đặt năm 2005 đạt 31.512 MW

Năng lực thủy điện không chỉ được khai thác ở những quốc gia có tiềm năng lớn, mà còn được sử dụng để đáp ứng nhu cầu điện vào giờ cao điểm Điều này được thực hiện thông qua hệ thống hồ chứa thủy điện bằng bơm, cho phép tích trữ nước trong các giờ thấp điểm.

Thuỷ điện không còn là sự lựa chọn hàng đầu ở các nước phát triển do hầu hết các vị trí tiềm năng đã được khai thác hoặc không thể khai thác vì lý do môi trường và các yếu tố khác.

 Các nước có công suất thuỷ điện lớn nhất

 Canada, 341.312 GWh (66.954 MW đã lắp đặt)

 Hoa Kỳ, 319.484 GWh (79.511 MW đã lắp đặt)

 Brasil, 285.603 GWh (57.517 MW đã lắp đặt)

 Trung Quốc, 204.300 GWh (65.000 MW đã lắp đặt)

 Nga, 169.700 GWh (46.100 MW đã lắp đặt) (2005)

 Na Uy, 121.824 GWh (27.528 MW đã lắp đặt)

 Nhật Bản, 84.500 GWh (27.229 MW đã lắp đặt)

 Ấn Độ, 82.237 GWh (22.083 MW đã lắp đặt)

 Pháp, 77.500 GWh (25.335 MW đã lắp đặt)

10.2.5 Năng lượng thủy điện của Việt Nam

- Việt Nam có 2360 con sông với chiều dài từ 10 km trở lên, có diện tích lưu vực từ 10 000 km 2

Hình 10.2 Đập thủy điện Hydro-

Hình 10.3 Hồ chứa thuỷ điện bằng bơm

- Có 10 hệ thống sông lớn có tiềm năng phát triển thủy điện

Nghiên cứu về quy hoạch thủy điện tại Việt Nam cho thấy tổng trữ năng lượng của các con sông đạt 300 tỷ KWh/năm, trong khi công suất lắp máy được ước tính khoảng 34.647 MW.

- Trữ năng kinh tế - kỹ thuật được đánh giá khoảng 80-84 tỷ KWh/năm, công suất lắp máy được đánh giá khoảng 19.000-21.0000 MW

Bảng 10.1 Quy hoạch thủy điện quốc gia do hãng SWECO - STATKRAFT lập cho 10 hệ thống sông chính và thủy điện nhỏ (năm 2005)

TT Tên sông Công suất lắp máy NLM (MW) Điện lượng TB hằng năm (E0 năm) (triệu kWh)

6 Sông Vũ Gia – Thu Bồn 1.359 4.965

Trước năm 1945, các trạm thủy điện tại Việt Nam chủ yếu là những công trình nhỏ do Pháp xây dựng, nhằm phục vụ cho việc khai thác khoáng sản và nhu cầu nghỉ dưỡng.

 Thủy điện Thác Bà 108 MW

 Thủy điện Đa Nhim 60 MW

 Thủy điện Hòa Bình 920 MW (1994)

 Thủy điện Trị An 400 MW (1989)

 Thủy điện Vĩnh Sơn 66 MW (1994)

 Thủy điện Thác Mơ 150 MW (1994)

 Thủy điện Sê San 3: 260 MW (2007)

 Thủy điện Tuyên Quang 342 MW (2008)

 Và hàng loạt các công trình thủy điện khác đang trong giai đoạn hoàn thành như Sơn La 2400 MW, Bản Vẽ 320 MW, Sê San 4: 360 MW

Tỷ lệ thủy điện trong hệ thống điện của Việt Nam chỉ còn chiếm là 37,09% (đầu năm 2008) so với 64,40% (năm 1992) nhưng cao hơn so với năm 1980 là 20%

10.2.6 Ưu điểm và nhược điểm của thủy điện

Nhà máy thủy điện giúp giảm chi phí nhiên liệu, vì không bị ảnh hưởng bởi sự tăng giá của các nguồn nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí thiên nhiên và than đá, đồng thời không cần phải nhập khẩu nhiên liệu.

- Tuổi thọ lớn hơn các nhà máy nhiệt điện, một số nhà máy thuỷ điện đang hoạt động hiện nay đã được xây dựng từ 50 đến 100 năm trước

- Chi phí nhân công thấp bởi vì các nhà máy này được tự động hoá cao và có ít người làm việc khi vận hành thông thường

Các nhà máy thủy điện hồ chứa bằng bơm hiện đang trở thành giải pháp hiệu quả để tích trữ năng lượng Chúng cho phép phát điện vào giờ thấp điểm với mức tiêu thụ thấp, trong khi các nhà máy nhiệt điện không thể ngừng hoạt động hoàn toàn Sau đó, nước được tích trữ sẽ được thả ra để phát điện vào giờ cao điểm hàng ngày.

Các hồ chứa kết hợp với nhà máy thủy điện không chỉ là nơi thư giãn lý tưởng cho các hoạt động thể thao nước mà còn thu hút đông đảo khách du lịch Những đập đa chức năng được xây dựng phục vụ cho tưới tiêu, kiểm soát lũ lụt và giải trí, đồng thời có thể lắp đặt thêm nhà máy thủy điện với chi phí thấp, tạo ra nguồn thu nhập hữu ích cho việc vận hành đập.

Việc sử dụng nước tích trữ có thể gặp khó khăn do nhu cầu tưới tiêu không luôn trùng khớp với thời điểm cần thiết.

Các đập nước dọc theo bờ biển Đại Tây Dương và Thái Bình Dương của Bắc Mỹ có thể gây mất cân bằng hệ sinh thái, làm giảm số lượng cá hồi Nghiên cứu đã chỉ ra rằng những công trình này cản trở đường bơi ngược dòng của cá hồi, ảnh hưởng đến quá trình sinh sản của chúng.

- Sự phát điện của nhà máy điện cũng có thể ảnh hưởng đến môi trường dòng sông bên dưới

Năng lượng Hydro

- Giải thích được năng lượng hydro

- Trình bày được nguyên lý sản xuất năng lượng hydro

- Một số phương pháp sản xuất hydro

- Các ứng dụng của năng lượng hydro

Hydro, hay còn gọi là hydrogenium, là nguyên tố hóa học đầu tiên trong bảng tuần hoàn với số nguyên tử là 1 Đây là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm khoảng 75% tổng khối lượng và hơn 90% tổng số nguyên tử Mặc dù hydro rất phổ biến trong không gian, nhưng trên Trái Đất, nó tồn tại tương đối hiếm do tính chất nhẹ của nó, khiến khí hydro dễ dàng thoát ra khỏi lực hấp dẫn của hành tinh Do đó, hydro chủ yếu tồn tại dưới dạng nguyên tử ở các tầng cao của khí quyển Ở điều kiện bình thường, các nguyên tử hydro kết hợp lại với nhau để tạo thành phân tử hydrogen (H2).

Hydro là nguyên tố có khả năng tạo thành các hợp chất cộng hóa trị với hầu hết các nguyên tố khác Nó không chỉ hiện diện trong nước mà còn có mặt trong nhiều hợp chất hữu cơ và các sinh vật sống.

Hydro, là khí nhẹ nhất, kết hợp với nhiều nguyên tố khác để tạo ra các hợp chất Khi kết hợp với oxy, hydro tạo ra nước (H2O) và giải phóng năng lượng, đồng thời có khả năng gây nổ khi cháy trong không khí Một dạng đặc biệt của nước, được gọi là oxit doteri hay nước nặng (D2O), cũng chứa hydro Ngoài ra, hydro còn tham gia vào việc tạo ra nhiều hợp chất với carbon.

Hình 11.1 Cấu trúc nguyên tử hydro

11.2 PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG HYDRO

Các nguyên liệu và phương pháp đang được nghiên cứu và ứng dụng để sản xuất hydrogen bao gồm khí đốt thiên nhiên, than đá, năng lượng hạt nhân, điện giải, năng lượng gió, năng lượng sinh khối và năng lượng mặt trời.

Trên trái đất, hydro chủ yếu tồn tại dưới dạng kết hợp với oxy trong nước hoặc với carbon và các nguyên tố khác trong nhiều hợp chất hữu cơ Khí hydro có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau, với ba phương pháp cơ bản để tạo ra hydro.

+ Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt (Reforming)

+ Phương pháp điện phân nước (Electrolysis)

+ Phương pháp sinh học (Biological method)

11.2.1 Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon a Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming)

Quá trình này gồm hai bước chính:

Khí thiên nhiên, chủ yếu chứa methane, được chuyển hóa thành hydrogen bằng cách tách carbon thông qua hơi nước siêu nhiệt ở áp suất cao và nhiệt độ khoảng 900°C với sự hỗ trợ của xúc tác phù hợp.

Carbon mono-oxide sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydro

Phản ứng CO + H2O => CO2 + H2 là một phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất hydro Tuy nhiên, phương pháp này chủ yếu được sử dụng để cung cấp nguyên liệu cho các ngành công nghiệp hóa chất, phân bón, và tinh lọc dầu mỏ, chứ không phải để tạo ra nguồn năng lượng Một phương pháp khác là khí hóa hydrocarbon nặng, đóng vai trò quan trọng trong sản xuất năng lượng và nguyên liệu hóa học.

Thuật ngữ hydrocarbon nặng đề cập đến dầu mỏ và than đá, trong đó than đá cần được nghiền thành bột và hòa trộn với nước trước khi khí hóa Quá trình hóa nhiệt diễn ra ở khoảng 1400 °C với oxy hoặc không khí, tạo ra hỗn hợp gồm hydro, carbon mono oxide (CO) và một số sản phẩm phụ CO sau đó phản ứng với hơi nước và xúc tác để chuyển hóa thành khí carbonic và tạo thêm khí hydro Tuy nhiên, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch vừa làm nguyên liệu vừa cung cấp nhiệt lượng cho quá trình là một bất lợi lớn, do nguồn tài nguyên này có hạn và việc đốt chúng gây ra khí carbonic, góp phần vào hiệu ứng nhà kính Vì vậy, phương pháp này không bền vững, và cần tìm kiếm cách tạo ra hydrogen từ khí thiên nhiên mà không thải ra CO2.

Từ những năm 1980, tập đoàn dầu khí Na Uy Kvổrner đã phát triển công nghệ mang tên "Kvổrner Carbon Black and Hydrogen Process" (KCB&H) Nhà máy đầu tiên dựa trên quy trình này được đặt tại Canada và bắt đầu sản xuất vào tháng 6 năm 1999 Quy trình Kvổrner hoạt động ở nhiệt độ cao 1600°C, tách hydro và than hoạt tính từ các hợp chất hydrocarbon như dầu mỏ và khí thiên nhiên mà không thải ra khí độc hại.

CO2, một loại khí đen tinh khiết, được sử dụng trong sản xuất vỏ xe hơi và làm chất khử trong ngành công nghiệp luyện kim Nhờ vào những đặc tính đặc biệt, CO2 còn có khả năng lưu trữ hydro thông qua ống carbon nano Ngoài ra, khí hóa sinh khối và nhiệt phân cũng là những ứng dụng quan trọng của CO2 trong các quy trình công nghiệp.

Sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất hydro thông qua quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao, trong đó sinh khối được chuyển thành dạng khí và tạo ra hơi nước Hơi nước chứa hydro được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và sau đó được hóa nhiệt để sản xuất hydro Quá trình này thường cho sản lượng hydro khoảng 12%-17% trọng lượng hydrogen có trong nguyên liệu sinh khối, bao gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, và rác thải nông nghiệp cũng như đô thị Phương pháp sản xuất hydro này hoàn toàn tái tạo được nhờ vào việc sử dụng các chất thải sinh học làm nguyên liệu.

Phương pháp này sử dụng dòng điện để phân tách nước thành khí hydro và oxy, thông qua hai phản ứng diễn ra tại hai điện cực Hydro được sản xuất ở điện cực âm, trong khi oxy được tạo ra ở điện cực dương.

Phản ứng trên cathode: 2 H2O + 2e- => H2 + 2 OH -

Phản ứng trờn anode: 2 OH - => H2O + ẵ O2 + 2e-

Điện phân là một quá trình quan trọng trong sản xuất hydro, với nhiều phương pháp khác nhau Đầu tiên, điện phân thông thường sử dụng nước hoặc dung dịch kiềm, trong đó anode và cathode được tách biệt bởi màng ngăn ion để ngăn chặn sự hòa lẫn khí Tiếp theo, điện phân nước áp suất cao cho phép sản xuất hydro ở áp suất lên đến 5 MPa, hiện vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu Phương pháp điện phân nước ở nhiệt độ cao sử dụng nhiệt năng từ 800-1000 độ C để giảm lượng điện năng tiêu thụ, đồng thời khai thác nhiệt từ các nguồn năng lượng mặt trời Cuối cùng, quang điện phân sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển hóa thành điện năng, tạo ra hydro khi dòng điện chạy qua thiết bị điện phân trong nước Tất cả các phương pháp này đều hướng tới sản xuất hydro sạch, bền vững và tái tạo, góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

Hình 11.2 Phương pháp sản xuất hydro từ quá trình điện phân nước

Một số loại tảo và vi khuẩn đặc biệt có khả năng sản sinh hydro như một sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất Những sinh vật này thường sống trong môi trường nước, nơi chúng phân tách nước thành khí hydro và oxy.

Cơ chế tách nước thành hydro và oxy đã tiến hóa qua hàng triệu năm, giúp tảo tồn tại trong môi trường thiếu oxy.

Năng lượng địa nhiệt

- Trình bày được thế nào là nguồn năng lượng địa nhiệt

- Phân loại được theo nguồn gốc của các nguồn năng lượng địa nhiệt

- Trình bày được tình hình sử dụng năng lượng địa nhiệt trên thế giới cũng như tại nước ta và đưa ra được các biện pháp hạn chế

- Giải thích được vai trò của việc sử dụng nguồn năng lượng địa nhiệt

Năng lượng địa nhiệt là nguồn năng lượng tiềm ẩn bên trong trái đất, với nhiệt độ có thể vượt quá 4000 °C dưới lớp vỏ không dày Áp suất dưới lớp vỏ cũng rất lớn, đạt trên 130 MPa Nguồn năng lượng này được hình thành từ các phản ứng phóng xạ hạt nhân của các nguyên tố như Thori (Th), Protactini (Pa) và Urani (U) có trong lòng đất.

Năng lượng này tích tụ trong lòng quả đất hàng triệu năm với một khối lượng khổng lồ làm nóng chảy lõi quả đất ở nhiệt độ khoảng

Nhiệt độ lên tới 4000 độ C dưới áp suất cao là nguyên nhân hình thành các hiện tượng tự nhiên như núi lửa, mạch nước phun, suối nước nóng và chậu bùn sôi Những hiện tượng này là bằng chứng rõ ràng cho sự tồn tại của các hồ chứa nhiệt lớn bên trong và bên dưới bề mặt trái đất.

Hình 12.1 Tổng quát các ứng dụng địa nhiệt

Trong thế kỷ XX, năng lượng địa nhiệt đã được khai thác một cách quy mô lớn lần đầu tiên để phục vụ cho mục đích sưởi ấm, cũng như ứng dụng trong các ngành công nghiệp và sản xuất điện.

Vào năm 1904, Hoàng tử Piero Ginori Conti khởi đầu việc phát điện bằng hơi nước địa nhiệt tại Larderello, Tuscany, Italy, và chính thức sản xuất điện tại đây vào năm 1913 Năm 1930, Iceland trở thành nơi đầu tiên triển khai dịch vụ sưởi ấm quy mô lớn.

Năng lượng địa nhiệt đã được khai thác thương mại trong khoảng 90 năm và trong 40 năm qua đã đạt quy mô hàng trăm MW để phát điện và sử dụng trực tiếp Đến năm 2000, nguồn tài nguyên địa nhiệt đã được xác định tại hơn 80 quốc gia, với ứng dụng nhiệt ở 58 quốc gia trên toàn thế giới Việc sử dụng năng lượng địa nhiệt toàn cầu đã tạo ra sản lượng điện ấn tượng khoảng 49 TWh/năm (theo Huttrer).

2000) và 53 TWh/năm để sử dụng trực tiếp

Nguồn địa nhiệt được chia thành hai loại chính: nguồn mắc-ma, có nguồn gốc từ mắc-ma, và nguồn tài nguyên thiên thạch, là nước ngầm được làm nóng bởi mắc-ma Không phải tất cả các nguồn tài nguyên địa nhiệt đều sản sinh ra dòng chất lỏng nóng; một số chỉ chứa đá nóng Các nguồn địa nhiệt bao gồm bốn loại cơ bản.

 Áp suất địa nhiệt (Geopressured);

Hệ thống năng lượng thủy nhiệt hiện là loại tài nguyên địa nhiệt tiên tiến nhất và có giá cả cạnh tranh, đồng thời là loại địa nhiệt duy nhất đang được khai thác thương mại Các hệ thống khác như nguồn mắc-ma, áp suất địa nhiệt và đá khô nóng vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm và có tiềm năng khai thác công nghiệp trong tương lai khi công nghệ phát triển.

12.3 CÁC HỆ THỐNG KHAI THÁC NGUỒN ĐỊA NHIỆT

Nguồn nhiệt và các hồ chứa đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thủy nhiệt, nơi nước lạnh thấm sâu vào lòng hồ Các khu vực tích trữ và đường dẫn kết nối giúp điều chỉnh lượng nhiệt của hệ thống theo thời gian Hồ chứa được xem là phần thiết yếu nhất trong toàn bộ hệ thống này.

Hệ thống thủy nhiệt không nhất thiết phải đạt tiêu chuẩn sản xuất công nghiệp toàn diện Một phần của đá thấm tạo ra hồ chứa chất lỏng, cho phép hệ thống này sản xuất công nghiệp từ một phần nhỏ Hệ thống địa nhiệt này rất nổi tiếng trong ngành năng lượng.

Larderello ở Ý, The Geysers ở California, Tiwi ở Philippin

Hệ thống nước chi phối bao gồm hai lĩnh vực chính: nước nóng và sản xuất nước nóng, nơi có khả năng tạo ra nước nóng ở nhiệt độ lên đến 100°C Ngoài ra, còn có các khu vực sản xuất hỗn hợp nước và hơi nước, nơi chứa nước áp lực với nhiệt độ vượt quá 100°C, và hơi nước nóng được sử dụng làm nguồn phát điện chủ yếu trong các khu vực này.

12.3.2 Hệ thống đá khô nóng

Hệ thống đá khô nóng là một dạng của hoạt động địa nhiệt, tương tự như các nguồn thủy nhiệt nhưng không có nước ngầm Nó hình thành từ các vết nứt địa chất, cho phép nhiệt độ cao tích tụ mà không cần nước dẫn lên bề mặt.

HDR có thể được tạo ra một cách nhân tạo, cho phép con người tạo ra các vết nứt nhằm thuận tiện cho việc khai thác nguồn nhiệt từ địa nhiệt.

Đá khô nóng trong lòng đất có thể được khai thác thông qua việc tạo ra các hồ chứa nhân tạo Để tiếp cận nguồn địa nhiệt này, cần khoan sâu hàng trăm mét Nước sẽ được lưu thông qua các lỗ khoan như một bộ trao đổi nhiệt, và khi chất lỏng này được đưa lên bề mặt, nhiệt độ sẽ được chuyển giao, tạo điều kiện cho quá trình quay máy phát điện.

Hình 12.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống thủy nhiệt

Hệ thống đá khô nóng turbine để phát điện hoạt động dựa trên việc tạo ra hồ chứa nhân tạo với các vết nứt được thực hiện bằng thủy lực, cho phép nước tuần hoàn qua các vết nứt này So với các hồ chứa thủy nhiệt, hệ thống đá khô nóng có khả năng khai thác rộng rãi hơn, từ đó cho thấy tiềm năng lớn của nguồn năng lượng này.

Để xác định khả năng thương mại của hồ chứa đá khô nóng, cần xem xét hai thông số quan trọng: lưu lượng sản xuất từ 50-75 kg/s và hiệu quả truyền nhiệt với diện tích lớn hơn 2 triệu mét vuông, cùng với khối lượng đá truy cập trên 200 triệu khối mét và tổn thất dòng chảy dưới 10% Hệ thống HDR yêu cầu địa chất với đá không thấm nước ở độ sâu và khả năng phục hồi nước nóng hoặc hơi nước cho bề mặt, với nhiệt độ từ 150 đến 290°C Nguồn năng lượng này là tài nguyên lớn nhất của năng lượng địa nhiệt, và mặc dù các hệ thống khai thác đá khô nóng thường nằm ở độ sâu vừa phải, nhưng cần phải có diện tích rộng lớn để cung cấp nhiệt liên tục cho hệ thống.

12.3.3 Giếng địa nhiệt và khai thác chất lỏng

Năng lượng sét

- Định nghĩa năng lượng sét

- Hiểu về quá trình hình thành sét

- Kể được tên một số ứng dụng của năng lượng sét

- Biết những lợi ích và các biện pháp phòng chống sét

Sét hay tia sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và mặt đất hoặc giữa các đám mây mang điện tích khác dấu Nó cũng có thể xuất hiện trong các trận phun trào núi lửa hoặc bão bụi Tia sét di chuyển với tốc độ lên đến 36.000 km/h (22.000 mph) Mặc dù sét là sự di chuyển của các ion, hình ảnh của nó được tạo ra bởi dòng plasma phát sáng, cho phép chúng ta thấy sét trước khi nghe thấy tiếng động Điều này xảy ra vì tốc độ âm thanh chỉ đạt 1.230 km/h (767 mph) trong không khí, trong khi ánh sáng di chuyển với tốc độ 299.792.458 m/s.

Sét có thể đạt nhiệt độ lên tới 30.000°C (54.000 °F), tạo ra những viên đá gọi là Fulgurite khi đánh vào cát, thường có hình dạng ống do sét di chuyển vào lòng đất Trên toàn cầu, có khoảng 2.000 cơn dông đang hoạt động tại bất kỳ thời điểm nào Một cơn dông bình thường kéo dài khoảng 4 tiếng, trong đó có thể xảy ra tới 10.000 cú phóng điện, với 1.000-2.000 cú phóng xuống mặt đất.

Hình 13.1 Sét đánh từ mây xuống mặt đất

Hình 11.1: Sét đánh xuống mặt đấ t

13.1.2 Quá trình hình thành sét

Các nhà khoa học đã nghiên cứu nhiều yếu tố khác nhau như gió, độ ẩm, ma sát và áp suất khí quyển, cùng với ảnh hưởng của gió mặt trời và các hạt tích điện từ năng lượng mặt trời Một trong những yếu tố quan trọng trong việc hình thành tia sét là các tinh thể băng trong đám mây, vì chúng có khả năng tạo ra môi trường tích điện trái dấu, dẫn đến sự hình thành sét.

Khi hai đám mây tích điện trái dấu lại gần nhau, hiệu điện thế giữa chúng có thể đạt hàng triệu vôn, dẫn đến hiện tượng phóng tia lửa điện và tạo ra tia chớp Tiếng nổ “sấm” xuất hiện vài giây sau khi tia chớp, do vận tốc ánh sáng nhanh hơn âm thanh Nếu đám mây dông tích điện gần mặt đất và gặp vật thể cao như cây cối hoặc người cầm cuốc xẻng, sẽ xảy ra phóng tia lửa điện giữa đám mây và mặt đất.

Các loại tia sét khác nhau có những đặc điểm riêng biệt Cả các nhà khoa học lẫn người dân đã xác định và đặt tên cho nhiều loại sét khác nhau.

13.2.1 Sét đánh từ mây xuống đất

Sét đánh từ mây xuống đất là hiện tượng trao đổi điện giữa các đám mây tích điện và mặt đất, xảy ra khi các luồng điện tử di chuyển từ đám mây xuống đất Đây là loại sét phổ biến nhất và thường gặp thứ hai trong các kiểu sét Trong số tất cả các loại sét, sét đánh từ mây xuống đất là loại nguy hiểm nhất, đe dọa tính mạng và tài sản do tác động trực tiếp lên mặt đất.

Hình 13.2 Quá trình hình thành sét

Hình 13.3 Sét đánh từ mây xuống mặt đất

Sét được hình thành khi các luồng ion âm từ đám mây di chuyển xuống gần mặt đất, trong khi các ion dương bên dưới tập hợp tại những vị trí cao và dễ dẫn điện Sự kết nối giữa ion âm và ion dương quyết định vị trí mà tia sét sẽ đánh xuống đất.

13.2.3 Mây và mây Đây là hiện tượng trao đổi điện tử giữa các đám mây với nhau mà không phải đi xuống đất Nó xảy ra khi đám mây tích điện tử có tiềm năng tạo sét lại gần hay va vào nhau Môi trường tích điện trong hai đám mây bị xáo động, hai đám mây sẽ cố gắng lấy lại sự cân bằng ion bằng cách trao đổi các ion này với nhau Nó tạo ra hiệu điện thế dẫn đến việc tạo ra các luồng ion xáo động di chuyển qua lại bên trong đám mây tạo ra sét Đây là loại sét thường gặp nhất

13.2.4 Sét khô Đây là loại sét được tạo thành mà không cần có độ ẩm Nó thường hình thành trong các trận cháy rừng dữ dội Hay các cột tro núi lửa bốc lên rất cao Khi mà tầng trên lạnh và dưới mặt đất nóng, một sự đối lưu sẽ diễn ra mang theo cả các ion dương từ dưới mặt đất thứ sẽ hấp dẫn các ion âm tập trung lại và di chuyển xuống đất theo làn khói dẫn điện Chính vì thế lửa có thể tạo ra sét và sét sẽ tạo ra thêm lửa (thảm họa)

Sự phóng điện từ đám mây thường di chuyển theo chiều ngang và có thể quan sát bằng mắt thường, xuất hiện một cách thường xuyên.

Hình 13.4 Sét đánh từ mây và mây và xuống đất

Hình 13.3 Sét đánh từ đất lên mây

Là một loại sét xuất hiện ngay cả khi bầu trời hoàn toàn quang đãng hay chỉ có vài đám mây nhỏ Nó còn được biết với tên

"Sét từ bầu trời xanh" vì tính chất của nó

Sét dương, khác với các loại sét thông thường, hình thành từ các ion dương và xuất hiện từ vùng đỉnh của tầng đối lưu Nó có khả năng di chuyển ngang qua bầu trời nhiều dặm trước khi tìm đến đám mây tích điện âm bên dưới hoặc đánh xuống mặt đất nơi có điện tích âm tăng vọt Quá trình di chuyển này kéo dài và xa hơn 10 lần so với sét thông thường, dẫn đến điện áp của sét dương cao hơn từ 6 đến 10 lần.

Sét dương có thể xuất hiện trong các cơn bão tuyết, bão tuyết điện hoặc vào cuối một cơn dông Đây là loại sét hiếm gặp và có thể không phù hợp với bất kỳ lý thuyết nào hiện có về sét.

Sét hòn là một hiện tượng điện trong khí quyển bí ẩn, thường xuất hiện dưới dạng những vật thể sáng chói hình cầu có kích thước từ hạt đậu đến vài mét Hiện tượng này thường gắn liền với các cơn giông, nhưng kéo dài lâu hơn ánh sáng chớp của tia sét Nhiều báo cáo cho thấy sét hòn có thể nổ trước khi biến mất, đôi khi gây ra tử vong và để lại mùi sulfur trong không khí Nó cũng tấn công các máy bay thương mại, khiến các nhà khoa học trăn trở Tuy nhiên, do thiếu dữ liệu đáng tin cậy, bản chất của sét hòn vẫn chưa được khám phá.

Sét dị hình là loại sét có quy mô lớn, xuất hiện trên các đám mây bão và mây dông, tạo ra hiện tượng thiên nhiên ấn tượng và đầy sức mạnh.

Sét dị hình có hình dạng đa dạng, thường xuất hiện như một đám mây màu đỏ-cam hoặc xanh lá-xanh dương với các tua bên dưới và đôi khi có vòng ở trên Chúng thường được quan sát ở khoảng cách từ 50 đến 90 dặm (80 đến 145 km) so với mặt đất.

13.2.9 Sét dị hình xanh (Blue jets)

Năng lượng từ băng methane hydrate

- Trình bày được nguồn năng lượng từ băng

- Giải thích được nguyên lý khai thác năng lượng điện từ băng cháy

Năng lượng từ băng tuyết là một nguồn năng lượng mới đầy tiềm năng, cung cấp một lượng lớn năng lượng cho con người Cụ thể, 1 m³ băng tuyết khi phân giải có thể tạo ra 164 m³ khí methane và 0,8 m³ nước, cho thấy năng lượng mà nó mang lại lớn gấp 2-5 lần so với khí thiên nhiên Đặc biệt, nguồn năng lượng này rất sạch và không gây ô nhiễm môi trường.

Hạn chế hiện tại của nguồn năng lượng này vẫn đang trong quá trình nghiên cứu Việc kiểm soát và khai thác nguồn năng lượng này là một thách thức phức tạp, tương tự như việc quản lý năng lượng hạt nhân.

Các nhà khoa học Nhật Bản đã phát hiện rằng tuyết là một nguồn năng lượng tiềm năng và miễn phí, có khả năng được đốt cháy nhờ vào việc hấp thụ methane từ không khí, với lượng hấp thụ lên tới 70% tại các thành phố công nghiệp Trong mùa đông, tuyết hấp thụ bụi và khí độc hại, nhưng khi tan vào mùa xuân, các thành phần này sẽ trở lại bầu không khí Hiện nay, Nhật Bản đang ứng dụng công nghệ khai thác methane từ tuyết, với khả năng thu được 100 lít methane từ mỗi tấn tuyết Khí methane này được sử dụng làm nhiên liệu, trong khi tuyết đã tinh chế được ứng dụng trong các hệ thống máy điều hòa và để làm lạnh kho hàng.

Băng cháy, một dạng nước đá màu trắng, tồn tại sâu dưới lòng đất và là nguyên nhân gây tắc nghẽn đường ống dẫn khí Nó ổn định ở nhiệt độ thấp và áp suất cao, thường được tìm thấy dưới lớp băng vĩnh cửu và các tầng địa chất dưới đáy đại dương Ban đầu, băng cháy được phát hiện trong trầm tích đáy biển, và hiện nay đã được tìm thấy ở nhiều đại dương trên thế giới cũng như các khu vực băng tuyết quanh năm như Siberi Nguồn cung cấp băng cháy này có thể đáp ứng nhu cầu toàn cầu trong hàng trăm năm Tại các đáy biển sâu hơn 300 m, methane hình thành từ xác sinh vật biển trầm tích có thể xuất hiện, và nhiệt độ dưới 0°C là điều kiện lý tưởng cho sự tồn tại của băng cháy Dự báo cho thấy nguồn băng cháy ở đáy các đại dương lớn gấp khoảng 100 lần so với trên lục địa.

Trữ lượng methane hydrat, hay còn gọi là nước đá cháy, ước tính gấp hai lần trữ lượng carbon trong tất cả các nhiên liệu hóa thạch trên trái đất Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng loại nhiên liệu này chứa một lượng carbon khổng lồ, mở ra tiềm năng lớn cho việc khai thác và sử dụng trong tương lai.

Băng cháy, hay methane hydrat, là một hợp chất tinh thể bao gồm phân tử nước và methane, được hình thành dưới điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất cao Chất này chủ yếu được tìm thấy dưới lớp băng vĩnh cửu và trong các tầng địa chất sâu dưới lòng đại dương Băng cháy được xem là nguồn nguyên liệu tiềm năng thay thế cho dầu mỏ và than đá.

Methane hydrat, ban đầu chỉ được cho là tồn tại ở các khu vực ngoài Hệ mặt trời với nhiệt độ thấp và nước đá phổ biến, đã được phát hiện trong trầm tích đáy đại dương của Trái Đất Dự trữ methane dạng này ước tính gấp hai lần lượng carbon có trong tất cả các nhiên liệu hóa thạch đã biết trên Trái Đất.

Khí thiên nhiên có thể hình thành các chất cặn bã, gây tắc nghẽn đường ống dẫn khí và làm hỏng thiết bị.

Methane hydrat là thành phần phổ biến trong đại quyển biển nông và có mặt cả trong các cấu trúc trầm tích sâu, lộ ra trên đáy đại dương Chúng được hình thành từ khí di cư dọc theo các đứt gãy địa chất, kết tủa khi tiếp xúc với nước biển lạnh Ngoài ra, methane hydrat cũng tồn tại trong lõi băng sâu ở Nam Cực, ghi lại lịch sử nồng độ khí methane trong khí quyển suốt 800.000 năm qua.

Hình 14.1 Băng cháy hydrat trong băng là một nguồn dữ liệu sơ cấp cho việc nghiên cứu sự ấm lên toàn cầu, cùng với oxy và carbon dioxide

14.2 KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG BĂNG CHÁY

Băng cháy có thể gây ra sự cố cho tàu thuyền và máy bay do lượng methane lớn sinh ra khi phân giải, làm giảm mật độ nước biển và không khí, dẫn đến nguy cơ chìm tàu và rơi máy bay Việc khai thác và sử dụng băng cháy an toàn, hiệu quả là thách thức lớn cho các nhà khoa học, tương tự như việc chế ngự năng lượng hạt nhân Nếu không kiểm soát tốt, methane và carbon dioxide từ băng cháy sẽ góp phần vào hiệu ứng nhà kính nghiêm trọng Một khó khăn hiện tại là tạo hệ thống ống dẫn và thu gom khí methane khi băng cháy phân hủy, với phương pháp giảm áp là kinh tế nhất Hiện nay, Nga đang khai thác băng cháy ở Siberi nhưng vẫn theo phương pháp truyền thống như khí thiên nhiên, dẫn đến kết quả còn hạn chế.

Các nhà khoa học đang nghiên cứu cơ chế hình thành băng cháy, quy luật phân bố các mỏ, và cách khai thác, sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng đầy tiềm năng này.

Băng cháy có khả năng bay hơi trong điều kiện bình thường, tương tự như băng phiến Nếu không có các nghiên cứu chi tiết và công nghệ khai thác hoàn hảo, băng cháy có thể góp phần gây biến đổi khí hậu toàn cầu do khả năng "tự bốc hơi" ở nhiệt độ và áp suất bình thường.

Tạp chí Chính sách đối ngoại

Mỹ gần đây đã chỉ ra rằng, một lượng lớn băng cháy nằm sâu trong lãnh thổ tranh chấp của châu Á có thể trở thành nguồn bất hạnh cho các nước xung quanh Điều này có nghĩa là nguồn năng lượng mới này có khả năng làm gia tăng căng thẳng trong các xung đột lãnh thổ giữa những quốc gia nhập khẩu năng lượng lớn như Hàn Quốc, Trung Quốc và Nhật Bản.

Mặc dù chưa có quốc gia nào khai thác băng cháy ở quy mô công

Hình 14.2 minh họa dàn khoan khai thác băng cháy của Nhật Bản, một quốc gia đang chú trọng đến nguồn tài nguyên này vì trữ lượng khổng lồ và tiềm năng ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu toàn cầu Băng cháy, một loại khoáng sản năng lượng mới, được dự báo có trữ lượng gấp ba lần tổng tài nguyên năng lượng hóa thạch đã biết trên toàn thế giới Hiện tại, hơn 90 quốc gia đang tiến hành các chương trình nghiên cứu và điều tra băng cháy với nhiều mức độ khác nhau.

14.3 NGUYÊN LÝ TẠO THÀNH ĐIỆN

Nhiệt lượng thu được từ nguồn nguyên liệu này được sử dụng để quay turbine khí, từ đó tạo ra điện năng Nhiệt lượng này phát sinh từ các phản ứng hóa học diễn ra trong quá trình.

QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG

Định dạng
Số trang	225
Dung lượng	14,34 MB