TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, ô tô trở thành phương tiện di chuyển thiết yếu trong cuộc sống, với khoảng một tỷ chiếc đang lưu thông trên toàn cầu, chủ yếu sử dụng nhiên liệu hóa thạch Mặc dù động cơ đốt trong là công nghệ phổ biến nhất, nhưng nó cũng gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người Vấn đề khí thải từ ô tô ngày càng trở nên nghiêm trọng, đặc biệt là ở các thành phố lớn, nơi ô nhiễm do các độc tố thải ra từ ô tô đã trở thành một trong những nguồn ô nhiễm chính.
Theo các nhà khoa học, nếu tiếp tục khai thác và sử dụng dầu mỏ như hiện nay, trong vài thế kỷ tới, con người sẽ đối mặt với tình trạng cạn kiệt tài nguyên và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Do đó, nhu cầu về năng lượng thay thế và năng lượng sạch trở nên cấp thiết Các quốc gia trên thế giới đang tập trung phát triển nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu thay thế để giảm thiểu ô nhiễm do khí thải Hiện tại, phát triển ô tô điện là giải pháp khả thi nhất, bên cạnh đó còn nhiều loại năng lượng khác như CNG, LPG, nhiên liệu sinh học và nhiên liệu cồn Vì vậy, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu nhiên liệu thay thế sử dụng trên ô tô” để hiểu rõ hơn về các loại nhiên liệu này.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1 Các nghiên cứu ứng dụng trong nước
Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh cùng với một số cơ quan nghiên cứu đã tiến hành pha chế và thử nghiệm để chứng minh rằng ethanol có thể thay thế xăng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Ngoài ra, họ cũng nghiên cứu Metyl este như một loại diesel sinh học trong các phòng thí nghiệm.
PGS.TSKH Lưu Văn Bôi đã hợp tác với Nhật Bản trong lĩnh vực kỹ thuật, nhận tài trợ từ tổ chức phát triển công nghệ công nghiệp và năng lượng mới (NEDO) Các nhà khoa học tại Khoa Hóa học, Trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên, ĐH Quốc Gia Hà Nội cùng với Khoa Công nghệ, Đại học Osaka Prefecture đã nghiên cứu và phát triển công nghệ sạch - đồng dung môi nhằm sản xuất Biodiesel chất lượng cao.
Nhóm nghiên cứu do Hồ Sơn Lâm dẫn đầu tại Viện Khoa Học Vật Liệu Ứng Dụng TP HCM, cùng với các tác giả Bernd Ondruschka và Steffen Klupsch từ Trường Đại Học Jena, Đức, đã tiến hành nghiên cứu tổng hợp biodiesel từ một số loại dầu thực vật Việt Nam thông qua phản ứng trao đổi ester Nghiên cứu cũng khảo sát các chỉ số hóa lý của sản phẩm theo các tiêu chuẩn Châu Âu.
1.2.2 Các nghiên cứu ứng dụng ngoài nước
Vào cuối những năm 1990, các hãng xe như Vauxhall và Volvo đã giới thiệu lựa chọn nhiên liệu sinh học cho xe, cho phép xe ban đầu sử dụng xăng và chuyển sang LPG khi đạt đủ nhiệt độ Điều này là do quá trình đốt cháy LPG cần thời gian lâu hơn để đạt được nhiệt độ hoạt động lý tưởng.
Hydrogen đã gặp nhiều khó khăn trong việc thâm nhập thị trường, chủ yếu do giá cao của các xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro như Toyota Mirai và Hyundai Nexo, cùng với sự khan hiếm của các trạm nhiên liệu.
Braxin là quốc gia tiên phong trong việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế từ năm 1970, khi chương trình quốc gia Pro-alcohol ra đời nhằm đối phó với cuộc khủng hoảng dầu mỏ Ban đầu, ethanol được pha 5% trong xăng để nâng cao trị số octan, nhưng hiện nay tỷ lệ này đã tăng lên 25% Các phương tiện giao thông tại Braxin có khả năng sử dụng xăng, ethanol độc lập hoặc hỗn hợp xăng và ethanol Hiện tại, có hơn 3 triệu ô tô chạy hoàn toàn bằng ethanol và 17 triệu ô tô sử dụng xăng pha 25% ethanol.
Tesla Model S, ra mắt vào năm 2013, đã gây ấn tượng mạnh mẽ khi vượt qua các đối thủ danh tiếng như Mercedes Benz S Class và BMW 7 Series, giành giải Xe hơi của năm do Motor Trend bình chọn.
Mẫu ô tô năng lượng mặt trời Immortus, do hãng EVX Ventures của Đức nghiên cứu và phát triển, đã được CEO Barry Nguyễn giới thiệu tại hội thảo IdTechEx expo ở Berlin Immortus là phương tiện độc lập, hoạt động mà không cần bổ sung nguồn năng lượng bên ngoài Nhà sản xuất khẳng định đây là chiếc ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời đầu tiên trên thế giới.
Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu lý thuyết về các nguồn nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong là rất quan trọng Hiện nay, có nhiều nguồn nhiên liệu thay thế đang được áp dụng cả trong nước và quốc tế, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu suất năng lượng Việc nắm vững thông tin về các nguồn nhiên liệu này sẽ hỗ trợ trong việc phát triển công nghệ động cơ bền vững và thân thiện với môi trường.
Đối tương và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu Đề tài “Nghiên cứu nhiên liệu thay thế sử dụng trên ô tô” mang tính ứng dụng cao trong việc dạy học Nhằm giúp sinh viên dễ dàng tiếp cận và hiểu rõ hơn về môn học “năng lượng mới trên ô tô”
Để thực hiện nghiên cứu hiệu quả, cần tìm kiếm và tham khảo nhiều nguồn tài liệu liên quan đến đề tài, từ đó phân tích và tổng hợp các nội dung chính cần thiết Việc tham khảo các bài báo quốc tế, đặc biệt từ các trường đại học, sẽ giúp nâng cao chất lượng nghiên cứu và cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về vấn đề đang được nghiên cứu.
Nội dung đề tài
Chương 1: Tổng quan: Chương này trình bày tóm tắt lý do chọn đề tài, các mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài
Chương 2: Khái quát chung về nguồn nguyên liệu hóa thạch: Chương này trình bày sơ lược về các nguồn nhiên liệu hóa thạch cũng như tầm quan trọng của nhiên liệu hóa thạch đối với ngành ô tô
Chương 3: Nhiên liệu truyền thống sử dụng trên ô tô: Chương này trình bày về các đặc điểm, tính chất, các chỉ tiêu đánh giá nhiên liệu xăng và diesel
Chương 4: Nhiên liệu mới sử dụng trên ô tô: Chương này tập trung trình bày về các nguồn nhiên liệu mới được sử dụng trên ô tô hiện nay
Chương 5: Kết luận và đề nghị: Kết luận về đề tài và các kiến nghị phát triển nghiên cứu trong tương lai về các nguồn nhiên liệu mới sử dụng trên ô tô
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH
Giới thiệu khái quát về nhiên liệu hóa thạch
2.1.1 Nguồn gốc của nhiên liệu hóa thạch
Nhiên liệu hóa thạch là các loại nhiên liệu chứa hàm lượng cacbon và hydrocacbon cao, được hình thành từ quá trình phân hủy kỵ khí của sinh vật chết cách đây hơn 300 triệu năm Cụ thể, thực vật và động vật phù du lắng đọng dưới đáy biển hoặc hồ, trong điều kiện thiếu oxy và qua thời gian địa chất Các hợp chất hữu cơ này sau đó trộn với bùn và bị chôn vùi dưới các lớp trầm tích nặng, trải qua nhiệt độ và áp suất cao, dẫn đến sự biến đổi hóa học và hình thành nhiên liệu hóa thạch.
Hình 2 1: Sự hình thành của nhiên liệu hóa thạch
Năng lượng hóa thạch bao gồm các dạng chất dễ bay hơi như methane và dầu hỏa, với tỷ lệ cacbon và hydro là 1:1, cho đến các dạng không bay hơi chứa hoàn toàn cacbon như than đá.
2.1.2 Tầm quan trọng của nhiên liệu hóa thạch
Nhiên liệu hóa thạch đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất năng lượng, chủ yếu thông qua quá trình oxy hóa thành điôxít cacbon và nước Lịch sử sử dụng than làm nhiên liệu đã bắt đầu từ lâu, không chỉ để nấu chảy quặng kim loại mà còn để cung cấp năng lượng Trong thời cổ đại, các hydrocacbon bán rắn cũng được sử dụng làm chất đốt, nhưng chủ yếu phục vụ cho mục đích chống thấm và ướp xác Đến thế kỷ 19, khai thác dầu mỏ thương mại đã thay thế dầu động vật, như dầu cá, để cung cấp năng lượng cho các loại đèn dầu.
Khí thiên nhiên từng bị đốt bỏ trên các giàn khoan dầu và bị coi là sản phẩm thừa trong quá trình khai thác dầu mỏ Tuy nhiên, hiện nay, khí thiên nhiên đã trở thành một tài nguyên quý giá và nhận được nhiều sự quan tâm.
Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã đóng vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp, bắt đầu với than và dầu hỏa để vận hành động cơ hơi nước Đồng thời, khí đốt từ khí thiên nhiên và khí than cũng được sử dụng rộng rãi Sự phát minh của động cơ đốt trong đã làm gia tăng nhu cầu về xăng và dầu diesel, hai sản phẩm chính từ nhiên liệu hóa thạch Ngoài ra, các hình thức vận tải như đường sắt và hàng không cũng phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Các nguồn tiêu thụ khác bao gồm nhà máy điện và ngành công nghiệp hóa dầu, trong khi hắc ín, sản phẩm còn lại sau khi chiết tách dầu, được sử dụng làm vật liệu trải đường.
2.1.3 Ưu điểm và hạn chế của nhiên liệu hóa thạch
Trong lịch sử, năng lượng hóa thạch, đặc biệt là than đá, đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của nhân loại Dầu mỏ, khí đốt và than đá cung cấp phần lớn năng lượng toàn cầu, với than là nguồn năng lượng chính trong suốt thế kỷ qua Than được sử dụng để sản xuất điện tại các nhà máy nhiệt điện, làm nhiên liệu cho máy hơi nước và đầu máy xe lửa, cũng như tạo nhiệt cho các nhà máy luyện kim Các ngành công nghiệp then chốt như xi măng, luyện kim và hóa chất không thể phát triển nếu thiếu năng lượng từ than.
Điện than đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu điện năng lớn, hỗ trợ sự tăng trưởng của nền kinh tế Nhu cầu điện thường tăng trưởng gấp 1,5-2 lần so với mức tăng trưởng GDP.
Hình 2 2: Than đá, năng lượng hóa thạch đã và đang có vai trò quan trọng trong sự phát triển của nhân loại
Than đá là một nguồn năng lượng hóa thạch có nhiều ưu điểm như dễ khai thác, chế biến, trao đổi mua bán và vận chuyển hơn so với dầu mỏ và khí tự nhiên Công nghệ đốt than cũng tương đối đơn giản và có khả năng phát triển quy mô công nghiệp lớn Do đó, than đá đang được sử dụng phổ biến ở nhiều quốc gia, thể hiện sự phụ thuộc lớn của thế giới vào nguồn năng lượng này và các nguồn năng lượng hóa thạch khác.
- Năng lượng hoá thạch đang dần cạn kiệt:
Trái Đất mất hàng triệu năm để hình thành nhiên liệu hóa thạch, nhưng con người lại tiêu thụ chúng với tốc độ nhanh chóng, dẫn đến tình trạng cạn kiệt nguồn nhiên liệu này Hiện nay, các quốc gia tiêu thụ năng lượng sơ cấp từ than ở mức cao như Trung Quốc (hơn 10.000 TWh), Hoa Kỳ (2.556 TWh) và Ấn Độ (4.871 TWh).
Hoa Kỳ dẫn đầu thế giới về tiêu thụ dầu mỏ với 9039 TWh, tiếp theo là Trung Quốc với 7916 TWh và Ấn Độ với 2506 TWh Về tiêu thụ khí đốt, Hoa Kỳ cũng đứng đầu với 8320 TWh, theo sau là Nga (4114 TWh), Trung Quốc (3306 TWh) và Iran (2331 TWh) Dữ liệu này được trích từ báo cáo đánh giá thống kê về năng lượng thế giới của BP năm 2021.
Theo dự báo, nếu tiếp tục duy trì tốc độ khai thác và tiêu thụ hiện tại, trữ lượng dầu mỏ trên toàn cầu chỉ còn đủ cho khoảng 50 năm nữa, khí thiên nhiên khoảng 53 năm và than đá cũng sẽ cạn kiệt trong thời gian tương tự.
Tại Việt Nam, nếu tiếp tục khai thác tài nguyên như hiện nay, dầu mỏ chỉ còn lại 34 năm, khí thiên nhiên còn 63 năm và than đá chỉ còn 4 năm.
Hình 2 3: Số năm dự trữ nhiên liệu hóa thạch còn lại[ Nguồn: Đánh giá thống kê của BP về năng lượng thế giới 2016]
- Tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người:
Hình 2 4: Sử dụng năng lượng hóa thạch làm phát thải lượng lớn khí nhà kính, là một nguyên nhân gây ra biến đổi khí hậu
Sự phát triển của năng lượng hóa thạch gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường, với việc đốt nhiên liệu hóa thạch thải ra khoảng 21,3 tỉ tấn CO2 mỗi năm, làm gia tăng 10,65 tỉ tấn CO2 trong khí quyển CO2, một khí nhà kính, góp phần vào sự nóng lên toàn cầu Ngoài CO2, quá trình này còn sản sinh ra các chất ô nhiễm không khí khác như NO2, SO2, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và kim loại nặng Theo đánh giá của Ủy ban Liên Chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC), năng lượng hóa thạch chiếm 56,6% tổng lượng khí nhà kính do con người phát thải vào năm 2004 Trong các loại nhiên liệu hóa thạch, than đá được xem là nguồn ô nhiễm nhất, thải ra lượng CO2 gấp đôi so với khí tự nhiên và nhiều hơn 30% so với xăng.
Đốt nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm không khí bằng cách phát thải các axít như sulfuric, cacbonic và nitric, dẫn đến mưa axít ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên Các công trình điêu khắc bằng cẩm thạch và đá vôi cũng bị hủy hoại do axít làm hòa tan cacbonat canxi Hơn nữa, năng lượng hóa thạch còn chứa các chất phóng xạ như urani, gây thêm tác động tiêu cực đến môi trường.
Việc đốt than thải ra khoảng 12.000 tấn thori và 5.000 tấn urani vào không khí mỗi năm, góp phần làm ô nhiễm môi trường Ngoài ra, quá trình này cũng tạo ra một lượng lớn xỉ và tro bay, làm tăng thêm mức độ ô nhiễm không khí.
Hình 2 5: Hoạt động đốt nhiên liệu hóa thạch của nhà máy gây ô nhiểm không khí
Các giải pháp khắc phục ô nhiễm trên phương tiện giao thông
Nhìn chung, các giải pháp khắc phục ô nhiễm trên phương tiện giao thông có thể chia thành 4 nhóm chính
• Nhóm thứ nhất: Tổ chức tốt quá trình cháy nhằm giảm ô nhiễm do các chất như NOx,
CO, HC ngay tại nguồn (trong xy-lanh)
Nhóm biện pháp này tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc của các chi tiết, cụm chi tiết và hệ thống nhằm ảnh hưởng tích cực đến quá trình cháy.
Thiết kế đỉnh pít-tông và nắp máy được tối ưu hóa để tạo ra hiệu ứng lốc xoáy, giúp cải thiện khả năng hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí Nhờ đó, quá trình cháy diễn ra nhanh chóng hơn, điều này thường được áp dụng cho các loại động cơ.
Để nâng cao hiệu suất động cơ diesel và phun xăng trực tiếp, cần áp dụng nhiều biện pháp như sử dụng hệ thống tăng áp, tăng đường kính xu-páp và giảm tổn thất trên đường nạp Việc tối ưu hóa thời điểm mở sớm xu-páp thải cũng rất quan trọng, bên cạnh việc sử dụng các hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử với áp suất phun cao và lựa chọn kiểu phun đơn điểm hoặc đa điểm Tuy nhiên, những biện pháp này vẫn chưa đủ để đáp ứng các tiêu chuẩn ô nhiễm ngày càng nghiêm ngặt.
Hình 2 11: Kết cấu của động cơ có hiệu ứng xoáy lốc trong xi lanh
Nhóm thứ hai liên quan đến xử lý khí thải, bao gồm các biện pháp nhằm đảm bảo rằng hàm lượng chất độc hại trong khí thải trước khi thải ra môi trường phải thấp hơn giới hạn cho phép theo quy định của pháp luật.
Có nhiều công nghệ tiên tiến để xử lý khí thải, bao gồm bộ xử lý khí thải kiểu xúc tác 3 đường, giúp trung hòa ba thành phần chính là CO, HC và NOx Ngoài ra, còn có bộ lọc PM, bộ xử lý khí thải kiểu ô-xy hóa dành cho động cơ diesel, và bộ xử lý NOx kiểu tích lũy.
Trong khí thải động cơ diesel, hai chất độc hại chính cần được loại bỏ là NOx và PM Do đó, xu hướng xử lý khí thải động cơ diesel không chỉ dựa vào các công nghệ hiện có mà còn có giải pháp khác hiệu quả và tiện dụng, được nhiều người tin dùng.
Công nghệ xử lý khí thải xúc tác khử NOx chọn lọc SCR (Selective Catalytic Reduction)
Công nghệ SCR (Selective Catalytic Reduction) là hệ thống xúc tác khử NOx chọn lọc, sử dụng dung dịch DEF (Diesel Exhaust Fluid) để xử lý khí thải Dung dịch DEF/Adblue bao gồm 32,5% ure, 67,1% nước tinh khiết và 0,4% chất phụ gia, được phun trực tiếp vào khí thải nóng Nhờ nhiệt độ cao, hơi nước bay hơi làm ure phân hủy thành amoniac và axit isoxianic, qua đó tạo ra phản ứng hóa học sinh ra N2 và H2O, giúp giảm thiểu lượng NOx thải ra môi trường.
Công nghệ SCR (Selective Catalytic Reduction) cho phép giảm thiểu khí NOx trong quá trình đốt cháy nhiên liệu bằng cách sử dụng amoniac làm chất khử trong hệ thống chất xúc tác Phương pháp này được gọi là “chọn lọc” vì nó hiệu quả trong việc giảm các mức NOx thông qua các phản ứng hóa học đặc trưng.
Dung dịch DEF là chất khử hiệu quả, giúp chuyển đổi NOx thành khí N2, nước và một lượng nhỏ CO2 Công nghệ SCR có khả năng giảm NOx lên tới 90%, đồng thời giảm phát thải HC và CO từ 50-90% và PM từ 30-50% Hệ thống SCR thường được kết hợp với bộ lọc muội than DPF nhằm giảm thiểu lượng phát thải PM.
Hệ thống SCR yêu cầu bổ sung dung dịch Adblue định kỳ, tùy thuộc vào hoạt động của xe, chu kỳ thay dầu, điều kiện sử dụng, quãng đường, tải trọng và các yếu tố khác Bộ SCR tối ưu hóa quá trình cháy, giúp tiết kiệm nhiên liệu và năng lượng mà không ảnh hưởng đến độ bền của động cơ Đặc biệt, ure trong dung dịch này không gây nguy hiểm cho sức khỏe con người, làm cho hệ thống SCR trở thành lựa chọn tốt cho việc giảm thiểu khí thải ô tô.
Hình 2 12: Công nghệ xử lý khí thải SCR trên ô tô
Nhóm thứ ba đề xuất việc sử dụng kết hợp các hệ thống phụ trợ để tối ưu hóa hiệu quả của các giải pháp trước đó và giảm thiểu phát thải động cơ trong một số chế độ làm việc Các hệ thống phụ trợ này bao gồm hệ thống kiểm soát vòng lặp kín (hồi lưu khí thải), hệ thống đảm bảo nhiệt độ khí nạp, hệ thống phun khí (ô-xy) nhằm hỗ trợ phản ứng trên đường thải, và hệ thống tự chẩn đoán – OBD (On-Board Diagnostics).
Hình 2 13: Hệ thống luân hồi khí xả trên ô tô EGR
• Nhóm thứ tư: Các giải pháp có liên quan đến nhiên liệu
Nhiên liệu có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính ô nhiễm khí thải của động cơ đốt trong
Để giảm ô nhiễm khí thải liên quan đến nhiên liệu, cần đảm bảo sự phù hợp giữa động cơ và nhiên liệu, trong đó động cơ có tỷ số nén cao sẽ sử dụng xăng có chỉ số octan lớn Bên cạnh đó, nâng cao chất lượng nhiên liệu bằng cách giảm tạp chất và phụ gia độc hại là rất quan trọng Việc sử dụng nhiên liệu xanh như biodiesel, dầu thực vật và cồn, cùng với các nhiên liệu thay thế như khí thiên nhiên nén (CNG) và khí hóa lỏng (LPG), cũng góp phần giảm thiểu ô nhiễm Cuối cùng, năng lượng tái tạo từ pin năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu, cũng như các dòng xe hybrid và xe điện hiện nay là những giải pháp hiệu quả để bảo vệ môi trường.
Hình 2 14: Nhiên liệu sinh học
NĂNG LƯỢNG TRUYỀN THỐNG SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ
Nhiên liệu xăng
3.1.1 Các tính chất của nhiên liệu xăng
- Xăng dễ bay hơi, dễ bốc cháy, có mùi đặc trưng
- Nhiệt trị thấp (LHV): 42.8 (MJ/kg)
- Tỷ trọng d= từ 0.70 đến 0.75 (kg/𝑚 3 )
- Nhiệt hóa hơi (KJ/kg): 380-500
- Tỷ lệ hóa hơi(kg/l): 70
- Áp suất hơi Reid (áp suất tuyệt đối ở 37.8 o C (100 o F)): 60 - 90 (kPa)
- Chỉ số Octan: RON (90), MON (81-89)
- Giới hạn nồng độ cháy, nổ trên (% hỗn hợp với không khí): 7.6
- Giới hạn nồng độ cháy, nổ dưới (% hỗn hợp với không khí): 1.2
3.1.2 Các yêu cầu đối với nhiên liệu xăng
- Đảm bảo động cơ dễ khởi động và chạy ổn định trong mọi điều kiện thời tiết không bị đông đặc trong mọi điều kiện thời tiết
- Thành phần đồng nhất bắt cháy nhanh có nhiệt trị cao
- Cung cấp đủ công suất thiết kế mà không bị gõ (kích nổ)
- Chất lượng khí xả động cơ theo tiêu chuẩn quy định
- Chất lượng xăng ít bị thay đổi khi lưu trữ vận chuyển
- Không ăn mòn kim loại, không tạo cặn muội ban lên các chi tiết trong buồng đốt
3.1.3 Các chỉ tiêu chính đánh giá chất lượng nhiên liệu xăng
Các chỉ tiêu chất lượng liên quan đến an toàn sức khỏe, môi trường không được lớn hơn các mức quy định trong bảng sau:
Bảng 3 1: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng nhiên liệu xăng
Tên chỉ tiêu Mức giới hạn
2 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg 500
3 Hàm lượng benzen, % thể tích 2,5
4 Hàm lượng hydrocacbon thơm, % thể tích 40
5 Hàm lượng olefin, % thể tích 38
6 Hàm lượng oxy, % khối lượng 2,7
Trị số octan của xăng thể hiện tính chống kích nổ của xăng: Xăng có trị số octan càng cao thì tính chống kích nổ càng cao
- Nếu sử dụng xăng có trị số octan thấp cho xe có tỉ số nén cao sẽ gây hiện tượng cháy kích nổ
Sử dụng xăng có trị số octan cao cho xe có tỉ số nén thấp có thể dẫn đến tình trạng xăng khó cháy hoặc cháy không hết, gây ra cặn than làm bẩn máy và tiêu tốn nhiều nhiên liệu.
• Tính bay hơi thích hợp
Để xăng có thể cháy hiệu quả trong máy, nó cần phải bay hơi đúng cách Xăng bay hơi phù hợp sẽ giúp máy hoạt động tối ưu, trong khi xăng bay hơi không đạt yêu cầu có thể dẫn đến giảm công suất, tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn và gây ra các sự cố kỹ thuật như nghẹt xăng, nút hơi hoặc hiện tượng ngộp xăng.
• Tính ổn định hóa học cao
Tính ổn định hóa học của xăng, tức khả năng giữ vững bản chất hóa học trước ảnh hưởng của môi trường, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nhiệt độ, diện tích tiếp xúc với không khí, độ sạch và khô của vật chứa, mức độ tồn chứa và thời gian tồn chứa Đặc biệt, xăng có hàm lượng keo nhựa cao thì sẽ có tính ổn định hóa học thấp hơn.
Hình 3 1: Chỉ tiêu chất lượng nhiên liệu xăng
Nhiên liệu diesel
3.2.1 Các tính chất của nhiên liệu diesel
- Nhiệt trị thấp (LHV): 42.5 (MJ/kg)
- Nhiệt hóa hơi (KJ/kg): 250 – 290
- Không hòa tan trong nước
Trong chu trình hoạt động của động cơ diesel, nhiên liệu tự bốc cháy khi đạt đến nhiệt độ và áp suất tối ưu, không cần sự trợ giúp của bugi Do đó, một trong những đặc điểm quan trọng nhất của nhiên liệu diesel là khả năng tự cháy của nó.
Trị số cetane là chỉ số quan trọng phản ánh khả năng tự cháy của nhiên liệu diesel Số cetane càng cao, tính tự cháy của nhiên liệu càng tốt, ngược lại, số cetane thấp cho thấy khả năng tự cháy kém hơn.
Trị số Cetane là chỉ tiêu chất lượng quan trọng nhất của nhiên liệu diesel, thể hiện khả năng tự bốc cháy của nó Đây là một đại lượng quy ước, có giá trị từ 0 đến 100, được xác định bằng tỷ lệ phần trăm thể tích của n-cetane (C16H34) trong hỗn hợp với alpha-methyl naphthalene (C10H7CH3) Hỗn hợp này có khả năng tự bốc cháy tương đương với mẫu nhiên liệu diesel trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn, trong đó alpha-methyl naphthalene có trị số cetane bằng 0 và n-heptane có trị số cetane bằng 100 Do đó, thành phần Cetane tính theo % trong hỗn hợp so sánh được coi là trị số Cetane cần xác định của dầu Diesel.
Trị số cetane yêu cầu thì dựa vào thiết kế và kích cỡ động cơ, tốc độ và tải tự nhiên, sự khởi động và điều kiện áp suất
Tính chất bay hơi của nhiên liệu diesel, bên cạnh đặc tính cháy, đóng vai trò quan trọng trong quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ.
Sử dụng nhiên liệu có tính bay hơi tốt giúp đảm bảo sự trộn lẫn hiệu quả với không khí khi được phun sương vào xi lanh, từ đó tạo ra quá trình cháy nhanh chóng Điều này không chỉ đảm bảo máy hoạt động hiệu quả mà còn mang lại sự thuận lợi trong quá trình vận hành.
Việc sử dụng nhiên liệu có tính bay hơi kém có thể dẫn đến hiện tượng cháy không hoàn toàn, gây ra tiếng nổ rung lạ ở động cơ Điều này không chỉ làm lãng phí nhiên liệu mà còn tăng nguy cơ mài mòn động cơ.
Việc sử dụng nhiên liệu có tính bay hơi tốt không chỉ giúp cải thiện hiệu suất động cơ mà còn làm cho việc khởi động động cơ trở nên dễ dàng hơn.
Tính nhớt được hiểu là sự chống lại sự chảy của chất lỏng Độ nhớt cao nghĩa là nhiên liệu đậm đặc và không chảy dễ dàng
Nhiên liệu có độ nhớt không đúng (quá cao hoặc quá thấp) có thể làm cho động cơ hoặc hệ thống nhiên liệu hư hỏng
Dầu diesel cần có độ nhớt thấp để dễ dàng lưu chuyển qua các đường ống và phun sương vào xy lanh động cơ Nếu độ nhớt quá cao, dầu sẽ không tạo thành sương khi phun, dẫn đến hạt nhiên liệu lớn và hiệu suất động cơ giảm Ngược lại, nếu độ nhớt quá thấp, dầu không đủ khả năng bôi trơn các bộ phận bên trong bơm cao áp và kim phun, có thể gây hư hỏng cho các bộ phận này.
Tính bôi trơn của nhiên liệu diesel đóng vai trò quan trọng, đặc biệt đối với các máy bơm cao áp loại quay và phân phối Trong các máy bơm này, bộ phận chuyển động được bôi trơn trực tiếp bằng nhiên liệu diesel khi nó di chuyển qua máy bơm, thay vì sử dụng dầu động cơ.
Sử dụng nhiên liệu bôi trơn thấp có thể dẫn đến mòn cao và để lại vết xước trên các chi tiết máy Ngược lại, nhiên liệu bôi trơn chất lượng cao giúp giảm mài mòn, từ đó kéo dài tuổi thọ của linh kiện.
Điểm chớp cháy được xác định khi nhiên liệu được nung nóng trong một buồng kín nhỏ cho đến khi hơi của nó bốc cháy trên bề mặt chất lỏng Nhiệt độ tại thời điểm này được gọi là điểm chớp cháy của nhiên liệu.
Hàm lượng lưu huỳnh trong diesel đóng vai trò quan trọng; hàm lượng càng thấp càng tốt Lưu huỳnh cao có thể tạo ra axit sunfuric, dẫn đến ăn mòn động cơ, làm hỏng dầu nhớt bôi trơn và giảm tuổi thọ của động cơ.
Nhiên liệu diesel là một chất lỏng có tính điện, có khả năng sinh ra điện tích tĩnh khi di chuyển, cọ sát hoặc va chạm với các bề mặt Tình trạng tĩnh của diesel khi có dòng khí hoặc chất lỏng khác đi qua cũng có thể tạo ra điện tích Những hiện tượng này có thể dẫn đến sự phát sinh tia lửa điện, gây ra nguy cơ cháy nổ.
Truyền nhiệt là một đặc điểm quan trọng của nhiên liệu diesel trong động cơ diesel, nơi chỉ một phần nhiên liệu được đốt cháy trong quá trình hoạt động Phần nhiên liệu còn lại sẽ được đưa trở lại bình xăng, dẫn đến việc nhiệt độ của nhiên liệu có thể cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh.
Thiếu ổn định nhiệt của nhiên liệu diesel có thể dẫn đến sự hình thành các chất không hòa tan được sau đó có thể gây tắc lưới lọc
Tính axit của nhiên liệu diesel cần được kiểm soát để đảm bảo sự ổn định của nhiên liệu, tránh tình trạng ăn mòn sắt thép và ngăn chặn sự hình thành mảng bám trong kim phun.
NĂNG LƯỢNG MỚI SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ
Nhiên liệu khí thiên nhiên nén CNG, hóa lỏng LPG
4.2.1 Khái quát về CNG, LPG
4.2.1.1 Nhiên liệu khí thiên nhiên nén CNG
CNG (Khí tự nhiên nén) là khí methane (CH4) được chiết xuất từ các mỏ khí thiên nhiên, được xử lý và nén dưới áp suất cao (200 bar) để dễ dàng lưu trữ và vận chuyển đến các hộ tiêu thụ như nhà máy nhiệt năng và khu chung cư.
CNG là nhiên liệu sạch, không chứa benzene và hydrocarbon thơm, giúp giảm thiểu khí độc như NO2 và CO, đồng thời phát thải CO2 thấp hơn so với xăng và dầu diesel Khi bị rò rỉ, CNG dễ dàng phát tán vào không khí mà không tích tụ, do đó hạn chế nguy cơ cháy nổ Ngoài ra, CNG không gây đóng cặn tại bộ chế hòa khí, kéo dài chu kỳ bảo dưỡng động cơ và khi cháy, nó không tạo ra màng cũng như hầu như không phát sinh bụi.
CNG là khí thiên nhiên nén, chủ yếu là hợp phần của Methane (chiếm 85% - 95%) còn lại khoảng (5% - 15%) là Ethane
Hình 4 2: Cấu trúc phân tử CH4 (85%-95%)
Hình 4 3: Cấu trúc phân tử C2H6 (5% -15%)
Chú ý : với một số loại khí nén, hàm lượng của Methane còn có thể cao hơn, có thể nén hoàn toàn là Methane
- Nhẹ hơn không khí và ít bắt lửa
- Giải phóng khí nhà kính ít hơn
4.2.1.1.3 Ưu và nhược điểm của nhiên liệu CNG
Nhiên liệu sạch như CNG (Khí tự nhiên nén) không chỉ giảm thiểu khí độc hại mà còn góp phần bảo vệ môi trường So với các loại nhiên liệu truyền thống như xăng, diesel hay LPG, CNG thải ra lượng khí gây ô nhiễm rất thấp, giúp cải thiện chất lượng không khí.
Bảng 4 1: Mức khí thải sinh ra của một số nhiên liệu trên ô tô tại Mỹ
Phương tiện vận tải sử dụng khí CNG có chi phí bảo dưỡng thấp hơn so với các loại năng lượng khác, nhờ vào việc CNG không chứa chì hoặc benzen, giúp giảm cặn bã khi cháy và kéo dài tuổi thọ của dầu bôi trơn.
An toàn, do khả năng tự bốc cháy trên bề mặt thấp vì có nhiệt độ tự bốc cháy cao lên tới
Nồng độ CNG trong không khí tối thiểu cần đạt 5.3% để có thể gây cháy, trong khi CNG lại nhẹ hơn không khí và dễ dàng hòa trộn, giúp giảm thiểu nguy cơ cháy nổ do sự tích tụ của khí.
Hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao và chi phí thấp là những ưu điểm nổi bật của khí CNG Theo bảng số liệu từ Bộ Năng lượng Mỹ, việc so sánh hiệu quả sử dụng khí CNG cho thấy rõ ràng lợi ích kinh tế và hiệu suất vượt trội của loại nhiên liệu này.
Bảng 4 2: Bảng số liệu thống kê tiêu hao năng lượng của một số nhiên liệu tại Mỹ
Sử dụng CNG mang lại lợi ích lớn về chi phí, tiết kiệm khoảng 40% so với xăng, 45% so với Diesel và 32% so với LPG Bên cạnh đó, CNG còn là một loại nhiên liệu xanh, thân thiện với môi trường, làm tăng sức hấp dẫn của nó đối với người tiêu dùng.
Từ năm 2000 đến nay, giá khí CNG tại Mỹ luôn thấp hơn giá xăng, cho thấy lợi thế chi phí lâu dài của khí CNG Bên cạnh đó, giá khí CNG cũng có sự ổn định cao hơn so với giá xăng, diesel và LPG.
Hình 4 4: Giá nhiên liệu bình quân tại Mỹ giai đoạn 2000 đến nay
Những phương tiện vận tải sử dụng CNG cần nhiều không gian để chứa nhiên liệu hơn là phương tiện sử dụng xăng
Khí CNG chỉ được phép vận chuyển tối đa 300 km, tuy nhiên khoảng cách vận chuyển lý tưởng là từ 150 đến 200 km Do đó, cần thiết lập nhiều trạm tiếp nhiên liệu hơn so với việc sử dụng các loại nhiên liệu khác.
Tầm hoạt động của phương tiện vận tải sử dụng CNG thấp hơn phương tiện sử dụng xăng
Khi chuyển đổi, cải tạo các hệ thống trên xe có thể làm thay đổi về bố trí chung, các tính năng động lực học, ổn định của xe
4.2.1.1.4 Quy Trình sản xuất nhiên liệu khí thiên nhiên nén CNG
- Kết nối với lò đốt
- Giảm áp tại trạm khách hàng (PRU)
4.2.1.2 Nhiên liệu hóa lỏng LPG
LPG, hay khí dầu mỏ hóa lỏng, là viết tắt của Liquefied Petroleum Gas, là một hỗn hợp khí hydrocarbon chủ yếu gồm propan (C3H8) và butan (C4H10) với tỷ lệ pha trộn khác nhau giữa hai thành phần này.
LPG được sản xuất từ hai nguồn chính: quặng dầu và mỏ khí, thông qua quá trình chiết xuất các thành phần khác nhau từ dầu hoặc khí thiên nhiên Nó có thể được hóa lỏng ở nhiệt độ bình thường bằng cách tăng áp suất hoặc ở áp suất bình thường thông qua kỹ thuật làm lạnh để giảm nhiệt độ.
4.2.1.2.2 Thành phần và tính chất
LPG chủ yếu bao gồm propan và butan, bên cạnh đó còn có một số chất phụ gia khác với tỷ lệ rất nhỏ, có thể do quá trình tinh chế chưa hoàn thiện hoặc được thêm vào để cải thiện tính chất của LPG, như chất tạo mùi Thành phần của LPG có thể thay đổi tùy thuộc vào từng cơ sở sản xuất và mục đích sử dụng.
Nhưng thông thường thì tỉ lệ propan: butan = 50:50 nhưng đôi khi là 30:70, 40:60 tùy thuộc cơ sở và mục đích sử dụng
Không màu, không mùi, không độc hại (nhưng được pha thêm chất Etylmecaptan có mùi đặc trưng để dễ phát hiện khi có rò xì gas)
Nhiệt độ sôi của gas thấp (từ - 45 đến – 20 0 C) nên để gas lỏng tiếp xúc trực tiếp với da sẽ bị phỏng lạnh
Trong điều kiện nhiệt độ môi trường gas bốc hơi rất mãnh liệt, khi gas chuyển từ trạng thái lỏng sang hơi thì thể tích tăng đến 250 lần
Áp suất của gas chịu ảnh hưởng trực tiếp từ nhiệt độ môi trường; khi nhiệt độ tăng, áp suất gas cũng tăng và ngược lại Tại khu vực phía nam, áp suất gas thường dao động trong khoảng từ 4 đến 7 kg/cm2.
Tỉ trọng của gas lỏng nhẹ hơn nước, khối lượng riêng trong khoảng DL= 0.51 - 0.575 Kg/Lít
4.2.1.2.3 Ưu và nhược điểm của nhiên liệu LPG
LPG là nguồn năng lượng hiệu quả với khả năng tỏa nhiệt cao, mỗi kg LPG cung cấp khoảng 12.000 kcal, tương đương với nhiệt năng của 2 kg than củi, 1,3 lít dầu hỏa hoặc 1,5 lít xăng.
Việc sản xuất khí độc và tạp chất như NOx và SOx trong quá trình cháy thấp đã khiến LPG trở thành một trong những nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường.
- Dễ cháy vì thế nên hiệu suất cháy cao, cháy hoàn toàn, ít gây ô nhiễm
- Nhiệt độ cháy cao (có thể đạt 1900-1950oC) nên có thể nung chảy hầu hết mọi thứ
- Vận tốc bay hơi của LPG rất nhanh, dễ dàng khuyếch tán, hòa trộn với không khí thành hỗn hợp cháy tốt
Nhiên liệu cồn
Sản lượng dầu mỏ và khí đốt toàn cầu đang đạt mức tối đa, khiến việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế trở nên cấp bách Nhiên liệu cồn, bao gồm Metanol (CH3OH) và Etanol (C2H5OH), nổi lên như một giải pháp lý tưởng với đặc điểm tái tạo, bền vững, hiệu quả và tiết kiệm chi phí Trong đó, Etanol được ưa chuộng hơn vì sạch hơn, ít độc hại và ít ăn mòn Hiện nay, nhiên liệu cồn đang được sử dụng rộng rãi trên các phương tiện cơ giới như xe buýt, ô tô và xe tải ở nhiều quốc gia, khẳng định vai trò quan trọng của nó trong việc thay thế nhiên liệu hóa thạch.
Hình 4 9: Ô tô chạy bằng nhiên liệu cồn
4.3.2 Tính chất của nhiên liệu cồn
Metanol, hay còn gọi là rượu metylic, rượu gỗ, là dạng rượu đơn giản nhất, thường được viết tắt là MeOH Đây là một chất lỏng không màu, dễ bay hơi và dễ cháy, với mùi đặc trưng Ở nhiệt độ phòng, metanol là một chất lỏng phân cực có khả năng hòa tan với xăng, nước và hầu hết các hợp chất hữu cơ.
Ethanol, hay còn gọi là rượu ngũ cốc, là một loại chất lỏng không màu, dễ cháy với điểm sôi 78,5 °C Ethanol đốt cháy sạch hơn so với nhiều loại nhiên liệu khác, chỉ tạo ra carbon dioxide và nước, do đó được xem là nhiên liệu thân thiện với môi trường cho giao thông vận tải Bên cạnh đó, ethanol có chỉ số octan cao hơn xăng, yêu cầu điều chỉnh thời gian đánh lửa trong động cơ.
Bảng 4 3: Các tính chất của nhiên liệu cồn
Công thức phân tử CH3OH C2H5OH
Nhiệt trị thấp ( kJ/kg) 20000 26900
4.3.3 Những ưu nhược điểm chính khi sử dụng nhiên liệu cồn trên ô tô
- Cồn có chỉ số Octan cao hơn xăng, cháy sạch hơn, phát thải ít CO hơn và giảm đáng kể lượng muội than, SOx, chất PM
- Cồn có nhiệt ẩn hóa hơi cao nên có hiện tượng làm mát bên trong và điều này cho phép xylanh nạp đầy hơn
- Cồn có thể sản xuất cồn bằng các công nghệ sản xuất hiện nay
- Không cần thay đổi nhiều kết cấu của phương tiện khi dùng nhiên liệu cồn
- Động cơ xăng khi sử dụng hỗn hợp xăng cồn với hàm lượng nhỏ hơn 20%, thì không cần thiết cải tạo lại động cơ cũ
Cồn có thể được sử dụng làm nhiên liệu chính trong động cơ khi kết hợp với 10% nhiên liệu diesel Việc pha cồn vào diesel giúp giảm đáng kể mức độ phát thải ô nhiễm NOx, HC và các chất gây ô nhiễm khác.
- Cồn có chứa axít axêtic gây ăn mòn kim loại, ăn mòn các chi tiết máy động cơ làm giảm thời gian sử dụng động cơ
- Nhiệt trị cồn thấp, thùng nhiên liệu lớn
- Đầu tư ban đầu cao
- Ngọn lửa của nhiên liệu cồn cháy không có màu, điều này sẽ gây khó khăn trong việc nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu cồn
- Các độc chất tiềm ẩn trong nhiên liệu cồn vẫn đang trong quá trình nghiên cứu
4.3.4 Phương án sử dụng nhiên liệu cồn trên ô tô
4.3.4.1 Đối với cồn nguyên chất
Sử dụng nhiên liệu cồn thuần túy Ethanol nguyên chất - 100% ethanol hoặc E100 thay thế xăng và diesel, khả năng này khó thực hiện vì:
- Cồn có tính ăn mòn kim loại và suất tiêu hao nhiên liệu tăng do nhiệt trị thấp của cồn thấp hơn nhiều so với xăng và diesel
Ethanol không phải là lựa chọn tốt cho việc khởi động động cơ trong điều kiện lạnh, do nó cháy chậm hơn xăng mặc dù có chỉ số octan cao hơn Trong những tháng mùa đông, ethanol nguyên chất sẽ không hiệu quả như một loại nhiên liệu.
Không có xe du lịch nào được thiết kế để sử dụng E100, ngoại trừ một số xe đua, vì việc sử dụng loại nhiên liệu này có thể gây hại cho động cơ của bạn Ngay cả những xe nhiên liệu linh hoạt (FFV) cũng không được khuyến nghị sử dụng E100.
- có thể chạy bằng xăng hoặc ethanol - cũng chỉ có thể tiêu thụ tối đa E85
Ethanol 100% rất khó sản xuất và có thể uống được như một loại đồ uống có cồn mạnh Tuy nhiên, các quy định của Hoa Kỳ yêu cầu rằng cồn nhiên liệu không được sử dụng cho mục đích uống và phải được pha loãng đến 95,5%.
4.3.4.2 Đối với hỗn hợp diesel pha cồn
Hỗn hợp diesohol, được tạo ra từ việc trộn diesel và cồn Etanol, có thể được pha trộn trực tiếp hoặc phun cồn (kèm nước) vào đường nạp trước bộ tăng áp Việc điều chỉnh lượng cồn phun vào rất quan trọng để đảm bảo động cơ vận hành êm dịu, đặc biệt khi cồn được sử dụng với tỷ lệ cao Phương pháp này không chỉ tăng công suất động cơ mà còn giảm mức độ ô nhiễm môi trường, mang lại lợi ích bền vững cho ngành công nghiệp năng lượng.
4.3.4.3 Đối với hỗn hợp xăng pha cồn
Sử dụng xăng pha trộn với Metanol để tạo thành hỗn hợp gasohol là phương án khả thi nhất cho nhiên liệu Sau khi sản xuất metanol hoặc etanol công nghiệp, chúng thường được pha trộn với nhiên liệu rượu để tạo ra gasohol Quá trình lên men và chưng cất cho phép pha trộn với xăng theo tỷ lệ khác nhau Ví dụ, hỗn hợp E10 với 10% etanol và 90% xăng có thể sử dụng cho các phương tiện thông thường, trong khi E85, với 85% etanol và 15% xăng, được thiết kế cho các phương tiện chạy bằng nhiên liệu linh hoạt.
Hình 4 10: Xăng sinh học được sử dụng rỗng rãi
Có thể kết hợp cồn và xăng trực tiếp hoặc lưu trữ nhiên liệu cồn trong bình riêng Nhiên liệu này được bơm lên van phân phối (điều khiển bằng chân không) tại họng nạp để phun vào dòng khí nạp Hỗn hợp cồn và xăng sau đó được hòa trộn trong bộ chế hòa khí và điều khiển bằng bướm ga Phương pháp hòa trộn này có khả năng tăng công suất động cơ cao hơn so với việc trộn chung xăng và cồn thành một loại nhiên liệu trước khi đưa vào bộ chế hòa khí.
Nhiên liệu cồn, bao gồm Metanol và Etanol, có thể được sử dụng hiệu quả như một loại nhiên liệu vận chuyển lỏng thay thế khi được bổ sung các chất phụ gia tương thích về mặt hóa học và vật lý Mặc dù cả hai loại cồn này có khả năng trộn lẫn kém với xăng chứa nước, nhưng chúng hoàn toàn có thể hòa tan trong nước Việc pha trộn cồn với xăng trong điều kiện có nước có thể dẫn đến hiện tượng tách pha, do đó, việc bổ sung các chất phụ gia như 1-butanol, n-decanol, iso-propanol và các chất hoạt động bề mặt khác là cần thiết để ngăn chặn tình trạng này Điều này không chỉ giúp cải thiện khả năng lái xe mà còn giảm thiểu nguy cơ ăn mòn trong các thành phần của động cơ.
Nhiên liệu cồn có khả năng hoạt động hiệu quả trong động cơ đánh lửa bằng tia lửa, cho phép đạt được tốc độ tuần hoàn khí thải cao hơn và tỷ số nén lớn hơn Tuy nhiên, cần lưu ý rằng 52 phần nhạy cảm với nước, như nhôm, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ.
4.3.4.4 Tình hình ô tô sử dụng nhiên liệu cồn trên thế giới
Xăng E5 và E10 đã được sử dụng rộng rãi tại Mỹ, Châu Âu và nhiều quốc gia phát triển khác trong nhiều năm qua Một số quốc gia như Úc, New Zealand, Trung Quốc, Ấn Độ và Brazil đã bắt buộc sử dụng xăng sinh học Brazil là quốc gia tiên phong với chương trình hỗ trợ xăng pha cồn từ năm 1975, sử dụng cồn từ mía để pha trộn với xăng thông thường với tỷ lệ lên đến 20% Mỹ cũng đã bắt đầu sử dụng xăng pha cồn từ năm 1976 sau cuộc khủng hoảng năng lượng.
Năm 1973, Mỹ đã bắt đầu sử dụng xăng sinh học E10, và đến cuối năm 2010, hơn 90% tổng lượng xăng tiêu thụ tại đây được pha trộn với ethanol Ngoài ra, nhiều ôtô hạng sang hiện nay đang sử dụng hoàn toàn nhiên liệu sinh học E100 Trong khi đó, Châu Âu đã quy định bắt buộc áp dụng xăng E5 và dự kiến sẽ tiếp tục mở rộng việc sử dụng nhiên liệu sinh học trong tương lai.
Hình 4 11: Lượng tiêu thụ xăng sinh học E10 tại Mỹ giai đoạn 2014-2025
Trung Quốc là quốc gia với mật độ phương tiện giao thông dày đặc, dẫn đến lượng khí thải từ ôtô và xe máy gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng Do đó, Trung Quốc đã đặt ra mục tiêu cải thiện chất lượng không khí và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Nhiên liệu dầu thực vật – Biodiesel
Dầu thực vật (DTV) là loại dầu chiết xuất từ hạt và quả của cây cối, với thành phần hóa học chủ yếu là 95% triglyceride và 5% axit béo tự do Mặc dù hầu hết các hạt và quả đều chứa dầu, thuật ngữ DTV chỉ áp dụng cho dầu từ những cây có hàm lượng dầu cao và được chiết xuất một cách đặc biệt.
Dầu thực vật được chiết xuất từ hạt và quả của các cây như đậu phộng, nành, cải dầu, nho, bông, hướng dương, dừa và cọ, trong đó dừa và cọ có tỷ lệ chiết xuất cao lần lượt là 60% và 50% Dầu thực vật (DTV) là nguồn nhiên liệu thay thế cho Diesel, và khi lựa chọn dầu làm nhiên liệu, cần ưu tiên loại không cạnh tranh với thực phẩm cho con người DTV cho động cơ Diesel có hai dạng: sản phẩm chiết xuất trực tiếp từ hạt và trái cây, và sản phẩm đã qua quá trình este hóa (Biodiesel).
Biodiesel là nhiên liệu được sản xuất từ dầu thực vật và mỡ động vật, cả mới lẫn đã qua sử dụng Quá trình sản xuất diễn ra khi dầu mỡ phản ứng với cồn Metanol hoặc Etanol, tạo ra Este, chính là Biodiesel Bên cạnh đó, quá trình này còn tạo ra Glycerin, một sản phẩm phụ quan trọng được sử dụng trong ngành dược và mỹ phẩm.
Hình 4 14: Nhiên liệu biodiesel sử dụng trên ô tô
4.4.1.2 Đặc điểm, tính chất dầu thực vật – Biodiesel
- Thành phần hóa học của dầu thực vật: Thành phần hóa học DTV nói chung gồm
Dầu thực vật chủ yếu chứa 95% triglyceride và 5% axid béo tự do Triglyceride là triester được hình thành từ phản ứng giữa các axit béo và ba chức rượu của glycerol, với thành phần hóa học bao gồm các nguyên tố H, C, và O So với dầu Diesel, dầu thực vật có chứa carbon (C) ít hơn từ 10 – 12%, hydrogen (H) ít hơn từ 5 – 13%, trong khi lượng oxygen (O) lại cao hơn đáng kể, với dầu Diesel chỉ chứa vài phần ngàn O, trong khi dầu thực vật có từ 9 – 11% O.
DTV là nhiên liệu có chứa nhiều Oxy Chính vì điều này mà DTV có thể cháy hoàn toàn với hệ số dư lượng không khí bé
- Tính chất: Các tính chất của dầu thực vật được thể hiện qua bảng sau:
Bảng 4 4: Các tính chất cơ bản của các dầu thực vật
Bảng 4 5: Tính chất lý hóa cơ bản của các dầu thực vật
Sự khác biệt chủ yếu của dầu thực vật và diesel là độ nhớt và chỉ số Cetan
Độ nhớt của dầu thực vật cao gấp vài chục lần so với diesel, điều này ảnh hưởng đáng kể đến khả năng lưu thông của dầu qua bầu lọc, cũng như chất lượng phun nhiên liệu và sự hòa trộn của hỗn hợp.
- Chỉ số Cetan của dầu thực vật nhỏ hơn so với diesel
Biodiesel có tính chất vật lý tương tự như Diesel, nhưng ưu việt hơn về khả năng giảm thiểu chất thải Nó khắc phục những nhược điểm của dầu thực vật, bao gồm độ nhớt cao gấp 6-14 lần so với Diesel và chỉ số Cetan thấp.
Các loại Biodiesel đều có tỷ lệ % trọng lượng Oxy khá lớn, đây là điều mà dầu Diesel không có
Bảng 4 6: Tính chất cơ bản của các Biodiesel
Bảng 4 7: Tính chất lý hóa cơ bản của các Biodiesel
4.4.1.3 Quy trình sản xuất dầu thực vật – Biodiesel
Để sử dụng dầu thực vật (DTV) làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, cần áp dụng các phương pháp xử lý để cải thiện tính chất của nó, giúp nó gần giống với nhiên liệu Diesel Sự khác biệt chính giữa DTV và nhiên liệu Diesel nằm ở độ nhớt và chỉ số Cetan Độ nhớt và chỉ số Cetan của DTV ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống nhiên liệu và quá trình cháy, do đó việc điều chỉnh những yếu tố này là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Để cải thiện chất lượng quá trình phun và cháy của động cơ đốt trong, cần xử lý dầu thực vật (DTV) nhằm giảm độ nhớt và tăng chỉ số Cetan Các giải pháp này sẽ giúp nâng cao hiệu suất kinh tế của động cơ, từ đó cải thiện các chỉ tiêu hoạt động.
Phương pháp sấy nóng DTV dựa vào sự thay đổi độ nhớt của dầu thực vật theo nhiệt độ, trong đó độ nhớt sẽ giảm khi nhiệt độ tăng Tuy nhiên, việc tăng nhiệt độ quá cao có thể gây ra sự thay đổi trạng thái nhiệt và ảnh hưởng tiêu cực đến hệ thống cung cấp nhiên liệu Đặc biệt, phương pháp này không cải thiện trị số Cetan của DTV, vì vậy nó chỉ nên được áp dụng kết hợp với các phương pháp khác để đạt hiệu quả tốt nhất.
Phương pháp pha loãng DTV là một kỹ thuật đơn giản giúp giảm độ nhớt và tăng chỉ số Cetan, sử dụng nhiên liệu Diesel làm chất pha loãng Khi pha loãng DTV với Diesel, ta tạo ra một hỗn hợp nhiên liệu mới từ DTV, là sự kết hợp đồng nhất và bền vững giữa hai loại nhiên liệu Các chỉ số đặc tính của hỗn hợp DTV/Diesel sẽ thay đổi tùy thuộc vào tỷ lệ giữa DTV và Diesel, tuy nhiên, hỗn hợp này không thể đạt được các tính chất giống như Diesel nguyên chất.
- Phương pháp Cracking: Quá trình Cracking DTV gần giống như Cracking dầu mỏ
Nguyên tắc cơ bản của quá trình cracking là cắt ngắn mạch Hydrocacbon của DTV dưới tác dụng của nhiệt độ và chất xúc tác thích hợp, tạo ra các sản phẩm như nhiên liệu khí, xăng, Diesel và một số sản phẩm phụ khác Tỷ lệ nhiên liệu thành phẩm sẽ khác nhau tùy thuộc vào điều kiện thực hiện Quá trình cracking có thể diễn ra trong môi trường khí Nitơ hoặc trong điều kiện không khí, tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này là tiêu tốn nhiều năng lượng để chế biến nhiên liệu và khó thực hiện ở quy mô lớn.
Phương pháp nhũ tương hóa dầu thực vật sử dụng nhiên liệu ban đầu là dầu thực vật (DTV), rượu và chất tạo sức căng bề mặt Thiết bị tạo nhũ cho phép tạo ra nhũ tương DTV – rượu với các hạt rượu có kích thước 150 nm phân bố đều trong nhũ tương Nhiên liệu nhũ tương đạt độ nhớt tương đương với Diesel, và tỷ lệ rượu cao hơn sẽ làm giảm độ nhớt của nhũ tương Tuy nhiên, việc tạo ra các hạt nhũ tương nhỏ có thể dẫn đến khả năng phân lớp nhũ không ổn định.
Việc tăng nồng độ rượu lên 60% có thể làm nhũ tương trở nên kém đồng nhất, do đó cần áp dụng biện pháp bảo quản nhũ tương hiệu quả Nhiệt độ bay hơi thấp của rượu dẫn đến việc một phần rượu sẽ bay hơi, gây cản trở cho quá trình hoạt động bình thường của hệ thống nhiên liệu.
Phương pháp Este hóa DTV đang thu hút sự chú ý gần đây nhờ vào nguyên lý chuyển hóa cơ bản, trong đó phản ứng giữa Glyceride (axit béo không no, có độ nhớt cao) và ba nguyên tử rượu tạo thành Este của axit béo cùng một nguyên tử Glycerin Quá trình này diễn ra dưới điều kiện có xúc tác và nhiệt độ trung bình, giúp tách các liên kết R1CO_, R2CO_, R3CO_ khỏi phân tử Glyceride, sau đó kết hợp với các nguyên tử Hydro và rượu Kết quả ban đầu là Diglyceride, và sản phẩm cuối cùng là Glycerin.
Glycerin có thể dễ dàng tách ra từ Este và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Sản phẩm cuối cùng đạt tỷ lệ từ 95% đến 98% so với trọng lượng của sản phẩm ban đầu tham gia vào phản ứng.
• Quy trình sản xuất Biodiesel:
Pin năng lượng mặt trời
4.5.1 Khái quát về pin năng lượng mặt trời
4.5.1.1 Sư hình thành và phát triển của Pin năng lượng mặt trời
Pin mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện (Solar panel), bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) Các tế bào này là các phần tử bán dẫn được trang bị cảm biến ánh sáng, gọi là đi ốt quang, giúp chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
Cường độ dòng điện, hiệu điện thế và điện trở của tấm pin mặt trời thay đổi theo lượng ánh sáng chiếu lên chúng Các tế bào quang điện được kết hợp lại thành một khối, thường bao gồm 60 hoặc 72 tế bào trên mỗi tấm pin.
4.5.1.2 Các loại pin năng lượng mặt trời Đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh thể loại này có hiệu suất lên tới 16% Chúng thường có giá thành cao do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module Đa tinh thể: làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận sau đó được làm nguội và làm rắn Các loại pin này có giá rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó
Dải silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể, thường có hiệu suất thấp nhất và giá rẻ nhất trong các loại vì không cần cắt từ thỏi silicon Công nghệ sản xuất này tạo ra các tấm silic với độ dày 300 μm, sau đó được xếp lại để hình thành các module.
4.5.1.3 Ưu và nhược điểm của pin năng lượng mặt trời
Điện mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo, khác biệt hoàn toàn so với các nhiên liệu hóa thạch như than, dầu mỏ và khí đốt, vốn là những nguồn tài nguyên không thể phục hồi.
Năng lượng mặt trời là nguồn cung bền vững và vô tận với tiềm năng lớn Mỗi ngày, bề mặt Trái đất nhận được 120.000 terawatts (TW) ánh sáng mặt trời, gấp 20.000 lần nhu cầu năng lượng của toàn nhân loại.
Năng lượng mặt trời có tính khả dụng cao, có thể được tiếp nhận và sử dụng ở mọi nơi trên thế giới, không chỉ giới hạn ở các khu vực gần xích đạo mà còn ở các vĩ độ cao ở phía Bắc và phía Nam.
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và thân thiện với môi trường, vượt trội hơn so với than đá và dầu mỏ Quy trình sản xuất, vận chuyển, lắp đặt và vận hành các nhà máy điện mặt trời gần như không phát thải khí độc hại vào không khí, hứa hẹn mang lại một tương lai bền vững cho hành tinh.
Năng lượng mặt trời hoạt động một cách yên tĩnh, không giống như các máy phát điện sử dụng động cơ, vì vậy quá trình sản xuất điện từ năng lượng mặt trời hoàn toàn không gây tiếng ồn.
Hình 4 16: Năng lượng mặt trời là vô tận, dư thừa để đáp ứng nhu cầu về năng lượng của nhân loại
Chuyển sang sử dụng pin mặt trời giúp các hộ gia đình tiết kiệm đáng kể chi phí hoạt động, đồng thời mang lại hiệu quả cao trong việc tiêu thụ năng lượng Việc bảo trì và duy trì hệ thống này cũng đơn giản và tiết kiệm, góp phần vào ngân sách chi tiêu hàng tháng.
68 tu hệ thống cung cấp năng lượng mặt trời cho hộ gia đình đòi hỏi chi phí rất thấp - trong
Trong suốt một năm, chỉ cần lau chùi các tấm pin năng lượng mặt trời vài lần, và chúng thường được bảo hành từ các nhà sản xuất trong khoảng thời gian 20-25 năm.
Công nghệ sản xuất pin mặt trời đang ngày càng tiên tiến, với module màng mỏng được tích hợp trực tiếp vào vật liệu từ giai đoạn sơ chế ban đầu Những tiến bộ mới trong công nghệ nano và vật lý lượng tử mở ra khả năng tăng công suất của các tấm pin mặt trời lên gấp ba lần so với hiện tại.
Chi phí lắp đặt ban đầu của hệ thống pin năng lượng mặt trời thường cao do yêu cầu về công nghệ hiện đại và nguyên vật liệu chất lượng, đặc biệt là khung giá đỡ bằng nhôm Tuy nhiên, để khuyến khích việc sử dụng năng lượng sạch, nhiều quốc gia đã triển khai các chính sách cho vay tín dụng hoặc cho thuê pin mặt trời với những hợp đồng có lợi cho người tiêu dùng.
Hình 4 17: Chi phí để sản xuất và lắp đặt ban đầu của hệ thống pin năng lượng mặt trời khá cao
Điện mặt trời không thể hoạt động hiệu quả trong những ngày nhiều mây và mưa, khi không có ánh sáng mặt trời, điều này khiến nó không thể trở thành nguồn điện chính yếu vào ban đêm Tuy nhiên, so với điện gió, điện mặt trời vẫn mang lại nhiều lợi thế hơn.
Chi phí lưu trữ năng lượng cao đang là một rào cản lớn đối với việc sử dụng điện mặt trời, khi giá ắc quy tích trữ điện vẫn cao so với khả năng chi trả của nhiều hộ gia đình Do đó, hiện tại, điện mặt trời chưa thể trở thành nguồn điện chính, mà chỉ có thể đóng vai trò bổ sung cho điện lưới và các nguồn năng lượng khác.
Xe Hybrid (HEV)
4.6.1 Khái quát về xe Hybrid
4.6.1.1 Sự ra đời và phát triển của xe Hybrid
Trong gần hai thập niên qua, ngành công nghiệp sản xuất ô tô đã chứng kiến sự phát triển bùng nổ về công nghệ, bao gồm việc ứng dụng điện tử, tin học và vật liệu mới Những tiến bộ này không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn cải thiện độ an toàn cho người sử dụng.
Xe Hybrid đã có sự phát triển mạnh mẽ từ những năm 2000, cho thấy tiềm năng tương lai sáng sủa của công nghệ này Tuy nhiên, ít ai biết rằng những chiếc xe hybrid thực sự đã xuất hiện hơn một thế kỷ trước.
Hơn một thế kỷ trước, Piper đã đề xuất một động cơ hybrid kết hợp giữa xăng và điện nhằm giúp xe tăng tốc lên 40 km/h trong chưa đầy 10 giây, trong khi tốc độ trung bình của ôtô thời đó mất hơn nửa phút để đạt được Mặc dù ý tưởng độc đáo, Piper không gặp thời do sự bùng nổ của xe máy hai bánh và giá nhiên liệu rẻ, cùng với việc thiếu quy định về khí thải, khiến người tiêu dùng không quan tâm đến các hệ thống động cơ mới lạ.
Nghiên cứu của Toyota cho thấy rằng công ty Ôtô điện Paris đã sản xuất nhiều mẫu xe điện và hybrid vào cuối thế kỷ 19 và đầu 20, khẳng định vai trò tiên phong của các nhà sản xuất xe Pháp trong ngành công nghiệp ô tô Pháp từng là quốc gia chế tạo ôtô lớn nhất thế giới cho đến khi Mỹ chiếm vị trí này, nhưng đáng tiếc là các hãng xe lớn của Pháp lại không có mặt trên thị trường Bắc Mỹ Một trong những mẫu xe hybrid nổi bật của Ôtô điện Paris là Kreiger, với thiết kế dẫn động bánh trước và tay lái trợ lực.
Xe Hybrid là loại xe sử dụng từ hai loại năng lượng trở lên để tạo ra lực kéo, bao gồm động cơ đốt trong truyền thống, bình chứa nhiên liệu, khối pin và một hoặc nhiều động cơ điện Loại xe này thường bị nhầm lẫn với xe điện, hay còn gọi là “Plug-in Hybrid”, vì xe điện chỉ hoạt động bằng năng lượng điện sạc từ bên ngoài Xe Hybrid được thiết kế để kết hợp hợp lý giữa động cơ xăng và động cơ điện, nhằm cải thiện mức tiêu hao nhiên liệu, gia tăng sức mạnh và cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử và tiện nghi trên xe.
4.6.1.2 Cấu tạo và các chế độ làm việc của xe Hybrid
Hình 4 20: Cấu tạo của xe Hybrid
- Bộ điều khiển (Power Control Unit)
- Bộ chia công suất (Power Split Device)
❖ Các chế độ làm việc của xe Hybrid:
Động cơ Hybrid là sự kết hợp giữa động cơ xăng và một hoặc nhiều động cơ điện, bao gồm các thành phần chính như máy phát điện, pin hybrid, bộ điều khiển và bộ chuyển đổi điện áp.
Xe Hybrid hoạt động dựa trên nguyên lý chia thành bốn trạng thái: khởi hành, tăng tốc, di chuyển trên đường bằng và giảm tốc Trong mỗi trạng thái, hệ thống sẽ điều chỉnh lượng nhiên liệu một cách hợp lý nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.
• Chế độ bắt đầu khởi hành:
Khi tài xế ấn nút khởi động xe, lúc này chỉ động cơ điện hoạt động, động cơ đốt trong vẫn trong trạng thái nghỉ, chưa hoạt động
Khi tài xế nhấn ga, cách vận hành sẽ quyết định hiệu suất của xe Nếu nhấn nhẹ chân ga, chỉ có mô-tơ điện hoạt động, cung cấp lực kéo cho trục dẫn động và đẩy xe tiến về phía trước.
Hình 4 22: Khi xe ô tô Hybrid khởi động
Khi tài xế tăng tốc nhanh bằng cách đạp sâu ga, hệ thống điều khiển của xe Hybrid sẽ kích hoạt động cơ xăng để hỗ trợ động cơ điện Khác với xe thông thường, xe Hybrid tiết kiệm nhiên liệu bằng cách sử dụng năng lượng từ bình pin hybrid, giúp khởi động động cơ một cách hiệu quả hơn.
Khi người lái xe đạp thốc ga, xe sẽ tự động lấy thêm điện từ pin hybrid để hỗ trợ động cơ điện, ngay cả khi đang đứng yên hoặc di chuyển ổn định, trong khi động cơ xăng cũng hoạt động song song để cung cấp thêm năng lượng.
Khi xe sử dụng động cơ đốt trong để tăng tốc, mô-men xoắn sẽ được tăng cường đáng kể Điều này dẫn đến vòng tua máy tăng nhanh hơn và tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn.
Xe hơi Hybrid tăng tốc bằng cách kết hợp năng lượng từ ba nguồn: động cơ đốt trong, pin hybrid và máy phát điện xoay chiều Sự kết hợp này giúp giảm tải cho động cơ đốt trong, từ đó tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả hơn.
• Chế độ di chuyển trên đường băng ở tốc độ ổn định:
Khi xe di chuyển với tốc độ thấp và ổn định, chỉ có động cơ điện hoạt động nếu pin còn đủ năng lượng Tuy nhiên, khi tốc độ tăng cao, động cơ đốt trong sẽ được kích hoạt.
Ngoài việc truyền lực cho bánh xe thì nó còn cung cấp năng lượng cho máy phát điện Và cung cấp năng lượng cho động cơ xoay chiều
Khi động cơ xoay chiều hoạt động, nó không chỉ cung cấp năng lượng cho xe mà còn hỗ trợ động cơ đốt trong, đồng thời giúp sạc pin hybrid và ngăn chặn sự thất thoát nhiên liệu.
Hình 4 24: Khi xe di chuyển ở tốc độ ổn định
Chế độ giảm tốc trên xe Hybrid giúp tận dụng động năng khi phanh, chuyển hóa thành điện năng qua máy phát điện Điều này không chỉ giảm thiểu lãng phí năng lượng mà còn tích trữ điện cho pin hybrid, hỗ trợ hiệu quả trong quá trình tăng tốc và khởi động xe.
Hình 4 25: Khi xe giảm tốc
Khi xe dừng hẳn, cả động cơ xăng và mô-tơ điện sẽ tự ngắt để bảo toàn nguồn năng lượng
4.6.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của xe Hybrid
Xe điện ( EV)
4.7.1 Khái quát về xe ôtô điện
4.7.1.1 Sự hình thành và phát triển của xe ôtô điện
Ô tô điện đã xuất hiện hơn 100 năm trước, với chiếc xe chạy điện đầu tiên được thiết kế bởi James Starley vào năm 1880 Đến năm 1884, Thomas Parker đã phát minh ra chiếc ô tô điện đầu tiên có tiềm năng sản xuất hàng loạt Anh và Pháp là hai quốc gia tiên phong trong việc ủng hộ sử dụng xe điện cho giao thông.
Chiếc xe điện đầu tiên tại Mỹ, do nhà chế tạo William Morrison phát minh vào những năm 1890, có khả năng di chuyển với tốc độ 23 km/h.
Hình 4 33: Chiếc xe điện 6 chỗ ngồi của nhà phát minh William Morrision
Trong giai đoạn hiện nay, các nhà thiết kế và chế tạo xe điện tại Châu Âu đã cho ra mắt nhiều mẫu xe đa dạng Đặc biệt, mẫu xe hình tên lửa Jamais Contente, do tay đua Camille Jenatzy điều khiển vào ngày 29/04/1899, đã gây ấn tượng mạnh khi đạt tốc độ tối đa 105,88 km/h, đánh dấu một cột mốc quan trọng trong lịch sử xe điện.
Hình 4 34: Mẫu xe điện có thiết kế hình tên lửa Jamais Contente
Vào đầu thế kỷ 20, xe điện trở thành xu hướng nổi bật nhờ những ưu điểm như không gây tiếng ồn, không thải khói bụi, dễ khởi động và vận hành êm ái Trong khi đó, xe chạy bằng xăng chưa đạt được tốc độ cao Tại Mỹ, thống kê cho thấy vào thời điểm này, xe sử dụng xăng chiếm 22%, xe hơi nước 40% và xe điện 38% Mặc dù chậm hơn Châu Âu, Mỹ đã sở hữu tới 34.000 xe điện trong giai đoạn này.
Xe ô tô điện đã trải qua giai đoạn thoái trào do nhu cầu di chuyển và sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô sử dụng xăng Vào năm 1908, Ford cho ra mắt mẫu xe Model T sản xuất hàng loạt, đồng thời nhà phát minh Charles Kettering giới thiệu bộ khởi động mới, giúp loại bỏ việc phải quay tay để khởi động xe.
Ngoài ra giá thành ô tô điện lúc đó cũng là một điều đáng nói, khi vào khoảng những năm
Vào năm 1910, giá trung bình của một chiếc ô tô điện khoảng 1800 USD, trong khi ô tô chạy xăng chỉ có giá hơn 600 USD Với mức giá chênh lệch như vậy, ô tô điện chủ yếu được sử dụng và tiêu thụ bởi giới quý tộc giàu có, ngay cả trong thời kỳ bùng nổ.
Từ năm 1920, sự phát triển của ngành công nghiệp khai thác hóa dầu đã làm giảm giá nhiên liệu xăng và dầu, đồng thời thúc đẩy sự phát triển của cơ sở hạ tầng giao thông Kể từ đó, xe sử dụng nhiên liệu hóa thạch trở nên phổ biến hơn, và đến những năm 1930, xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch đã bùng nổ, trong khi xe ô tô điện gần như mất hoàn toàn thị phần.
Giữa thế kỷ 19 và sau chiến tranh thế giới thứ hai, nhiều quốc gia đã rơi vào tình trạng cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch Vào năm 1970, giá xăng tại Mỹ đã tăng cao kỷ lục, buộc chính phủ Mỹ phải yêu cầu các hãng ô tô nghiên cứu và phát triển xe điện nhằm giải quyết vấn đề chi phí đi lại và giá xăng ngày càng leo thang Đến năm 1982, các nỗ lực này đã được cụ thể hóa trong các mẫu xe điện đầu tiên.
GM đã chế tạo thành công chiếc xe Hybrid đầu tiên sử dụng cả xăng và điện cùng lúc năm
1996, GM đưa vào sản xuất hàng loạt mẫu xe điện EV1, Mẫu xe này có thể di chuyển được gần 130km cho 1 lần sạc
Vào năm 1997, Toyota đã cho ra mắt mẫu xe nổi tiếng Toyota Prius Hybrid, đánh dấu bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô Đến nay, đã có hơn 37 triệu chiếc Prius được bán ra trên toàn thế giới, khẳng định vị thế của nó trong thị trường xe hybrid.
Hình 4 35: Mẫu xe hybrid đình đám Toyota Prius ra đời lần đầu tiên vào năm 1997
Sự trở lại của xe điện được khởi đầu bởi sự thành lập của hãng Tesla vào năm 2003 tại bang California, Mỹ Tesla đã xây dựng chiến lược đột phá trong ngành công nghiệp ô tô điện, góp phần quan trọng vào sự phát triển và phổ biến của xe điện trên toàn cầu.
Nghiên cứu về sản phẩm xe điện đã chỉ ra rằng vào thời điểm đó, nhiều người còn hoài nghi về khả năng thành công của Tesla trong ngành công nghiệp này Nguyên nhân chính là do giá thành của ô tô điện vẫn còn cao so với các loại xe sử dụng nhiên liệu xăng và dầu.
Khi Tesla ra đời, GM đã ngừng sản xuất xe điện EV1, khiến Tesla rơi vào quên lãng Năm 2006, Tesla giới thiệu Roadster, mẫu xe điện đầu tiên có thể vận hành trên đường cao tốc, nhưng vẫn chưa thu hút sự chú ý của người tiêu dùng.
Hình 4 36: Mẫu Tesla Roadster đầu tiên
Trong những năm 2010, không chỉ Tesla mà các hãng ô tô lớn trên thế giới cũng đã phát triển xe điện, bao gồm xe thuần điện và xe lai Hybrid Xu hướng sử dụng phương tiện thuần điện ngày càng được quan tâm vì nhiều lý do như bảo vệ môi trường, giảm tiếng ồn, tích hợp công nghệ hiện đại, và giá thành hợp lý Hiện nay, xe điện có khả năng di chuyển xa hơn, dung lượng pin lớn hơn, cùng với tốc độ và hiệu suất cao hơn, cho thấy tiềm năng to lớn của loại hình phương tiện này.
Mặc dù ô tô thuần điện đã trải qua hơn một thế kỷ phát triển, các hãng xe và nhà thiết kế vẫn chỉ mới bắt đầu hành trình tạo ra những mẫu xe điện của tương lai Nhiều ý tưởng sáng tạo và công nghệ tiên tiến đang được thử nghiệm và tích hợp vào các dòng xe điện hiện nay.
Xu hướng ô tô điện đang trở thành một điều tất yếu khi nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt Trong bối cảnh này, VinFast, hãng ô tô non trẻ của Việt Nam, đã ra mắt sản phẩm đầu tiên vào năm 2017, đánh dấu bước tiến quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô điện tại Việt Nam.
Fuel cell (Pin nhiên liệu )
4.8.1 Khái quát về pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu là một thiết bị co thể chuyện đổi trực tiếp hóa năng của nhiên liệu thành điện năng nhờ vào các quá trình điện hóa
Nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu hoạt động bao gồm hydro (hoặc nhiên liệu giàu hydro) và ôxy (thường là ôxy từ không khí) Quá trình chuyển đổi năng lượng trong pin nhiên liệu diễn ra thông qua phản ứng hóa học.
Pin nhiên liệu hoạt động theo phản ứng 2O2 → H2O, tạo ra điện năng và nhiệt năng Khác với động cơ hydro truyền thống, pin nhiên liệu không đốt cháy hydro trực tiếp mà sử dụng chất xúc tác để tách electron từ nguyên tử hydro trong nhiên liệu Quá trình này tạo ra các ion, sau đó hướng các ion và electron theo một cách nhất định để sản xuất dòng điện.
Pin nhiên liệu không trải qua quá trình cháy như động cơ đốt trong, vì vậy chúng tạo ra lượng khí gây hiệu ứng nhà kính thấp hơn và không phát thải khí ô nhiễm Khi sử dụng hydro nguyên chất và oxy, pin nhiên liệu chỉ sản sinh nhiệt và nước, với một số loại có thể tạo ra CO2 Hơn nữa, do không chuyển hóa nhiệt thành cơ năng, hiệu suất của pin nhiên liệu không bị giới hạn bởi chu trình Carnot, ngay cả khi hoạt động ở nhiệt độ thấp.
Pin nhiên liệu và accu đều tạo ra dòng điện thông qua phản ứng điện hóa, nhưng khác biệt lớn là pin nhiên liệu cung cấp điện liên tục khi có đủ nhiên liệu, trong khi accu cần phải sạc lại từ nguồn điện bên ngoài sau một thời gian sử dụng Do đó, accu yêu cầu thời gian dài để nạp điện, trong khi pin nhiên liệu chỉ cần cung cấp nhiên liệu để hoạt động.
So với năng lượng gió và năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu có ưu điểm vượt trội là không bị ảnh hưởng bởi thời tiết và thời gian trong ngày, cho phép cung cấp điện liên tục 24/24 giờ Chỉ cần còn hóa chất, pin sẽ luôn đảm bảo nguồn năng lượng ổn định.
Pin nhiên liệu có nguồn cung cấp dồi dào, với oxy có sẵn trong không khí và hydro có thể thu được từ nhiều nguồn như nhiên liệu hóa thạch, nguồn tái sinh, năng lượng hạt nhân và tài nguyên nội địa Điều này giúp giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ từ các quốc gia khác.
Pin nhiên liệu hiện nay được coi là một trong những nguồn năng lượng tiên tiến nhất, hoạt động như một máy sản xuất điện thực thụ với nguyên liệu đầu vào đơn giản chỉ là hydro và oxy.
4.8.2 Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu
4.8.2.1 Cấu tạo chung của pin nhiên liệu đơn giản
Một pin nhiên liệu cơ bản bao gồm hai điện cực: anode, nơi diễn ra quá trình oxy hóa, và cathode, nơi xảy ra quá trình khử Giữa hai điện cực này có chất điện phân, đóng vai trò vận chuyển ion từ điện cực này sang điện cực khác, cùng với chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng.
Hình 4 47: Cấu tạo của một pin nhiên liệu đơn giản
Hệ thống pin nhiên liệu hoạt động dựa trên hai điện cực: anode và cathode, trong đó anode nhận nhiên liệu như hydro hoặc các nhiên liệu giàu hydro, còn cathode nhận oxy, thường là từ không khí Tại hai điện cực này, các phản ứng hóa học diễn ra, tạo ra dòng điện Các vật liệu dẫn điện như kim loại và carbon được sử dụng để tối ưu hóa quá trình này.
Tùy thuộc vào loại pin nhiên liệu, chất điện phân có thể tồn tại dưới dạng rắn, lỏng hoặc cấu trúc màng Chất điện phân này chỉ cho phép các ion thích hợp di chuyển giữa anode và cathode, trong khi không cho phép electron đi qua.
Để thúc đẩy các phản ứng hóa học trong pin nhiên liệu, chất xúc tác được bổ sung giữa các điện cực và chất điện phân theo nhiều cách khác nhau Trong một số loại pin, chất xúc tác là vật liệu của điện cực, trong khi ở các loại khác, nó là một chất riêng biệt tiếp xúc với các điện cực hoặc được phủ lên lớp điện phân Dù vật liệu và cấu tạo của chất xúc tác có thể khác nhau, chúng đều có chức năng chung là thúc đẩy các phản ứng tại các điện cực Chất xúc tác có khả năng thay đổi trạng thái hóa học của các chất khác mà không bị thay đổi bản thân, và thường là các kim loại quý như platin.
4.8.2.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu
Hình 4 48: Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu
Tế bào nhiên liệu, từ góc độ hóa học, là phản ứng ngược lại của quá trình điện phân, trong đó nước được tách thành khí hiđrô và khí ôxy nhờ năng lượng điện Tế bào năng lượng sử dụng hai chất này để tái tạo nước, giải phóng năng lượng điện đã cung cấp, mặc dù thực tế năng lượng thu được thường thấp hơn do thất thoát trong các quá trình hóa học và vật lý Tất cả các loại tế bào nhiên liệu hoạt động theo nguyên tắc chung, được minh họa qua tế bào nhiên liệu PEM (Proton Exchange Membrane), nơi khí hiđrô bị ôxy hóa tại bề mặt cực dương thông qua phản ứng hóa điện.
Phản ứng 2H2 → 4H+ + 4e- diễn ra khi các điện tử được giải phóng từ cực dương, di chuyển qua mạch điện bên ngoài về cực âm Các proton H+ di chuyển trong chất điện phân qua màng chỉ cho phép proton đi về cực âm, nơi chúng kết hợp với khí ôxy từ không khí (nồng độ 21%) và các điện tử để tạo thành nước.
O2 + 4H + + 4e - → 2H2O Tổng quát: 2H2 + O2 → 2H2O + điện năng + nhiệt năng
4.8.3 Ưu, nhược điểm của pin nhiên liệu
- Dường như không có ô nhiễm môi trường
Động cơ điện sử dụng công nghệ FC mang lại hiệu suất cao, hoạt động êm ái và có đặc tính vượt trội hơn so với động cơ đốt trong Ngoài ra, loại động cơ này yêu cầu ít bảo trì và bảo dưỡng, đồng thời dễ dàng trong việc sửa chữa.
- Hydro có thể được điều chế từ nước
- So với bình điện (ắcquy) thì pin nhiên có khối lượng và thể tích nhỏ hơn
- Chi phí đầu tư ban đầu cho ô tô FC rất cao
- Hydro không tồn tại ở trạng thái đơn chất, điều chế, sản xuất Hydro rất khó khăn và tốn kém đôi khi nó dẫn đến ô nhiễm môi trường
- Yêu cầu kỹ thuật bình chứa nhiên liệu rất khắt khe
- Cơ sở hạ tầng cho Hydro chưa có, thói quen sử dụng Hydro còn hạn chế
4.8.4 Phân loại pin nhiên liệu
Hiện nay, pin nhiên liệu được phân loại chủ yếu dựa vào chất điện phân, loại nhiên liệu và nhiệt độ vận hành Có tổng cộng 5 loại pin nhiên liệu chính, mỗi loại có những đặc điểm khác nhau.
Tình hình sử dụng hiện tại và xu hướng phát triển trong tương lai của việc sử dụng nhiên liệu mới trên ô tô
4.9.1 Tình hình sử dụng hiện tại
Hiện nay, nhiên liệu sạch và năng lượng tái tạo mang lại nhiều lợi ích cho môi trường và tiết kiệm chi phí, dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của xe điện, đặc biệt là Tesla Sự xuất hiện của Tesla đã kích thích ngành công nghiệp ôtô chuyển mình, chuẩn bị cho kỷ nguyên không sử dụng nhiên liệu hóa thạch Mercedes dự kiến ra mắt mẫu EQS vào năm 2021, một chiếc limousine điện với phạm vi hoạt động 700km, đồng thời cũng phát triển phiên bản mới của S-Class với các hệ thống truyền động đốt trong và hybrid Tương lai của ngành ôtô đang dần được định hình bởi sự phát triển của xe điện, và tất cả các hãng xe truyền thống đều tham gia vào cuộc đua "không phát thải" trong những thập kỷ tới Nếu một ngày các thành phố trở nên sạch sẽ hơn, Tesla sẽ luôn được nhắc đến như một công ty tiên phong trong lĩnh vực này.
Nhiên liệu khí hydro đang nổi lên như một giải pháp hiệu quả bên cạnh sự phát triển của xe điện, tạo ra thách thức cho ô tô điện trong cuộc đua giao thông xanh Các tập đoàn ô tô lớn trên thế giới đang đầu tư mạnh mẽ vào việc phát triển xe chạy bằng hydro, cho thấy tương lai của loại phương tiện này rất hứa hẹn.
Để ô tô sử dụng hydro hoạt động, cần có pin nhiên liệu, hay còn gọi là tế bào nhiên liệu (fuel cell), giúp chuyển đổi hydro thành năng lượng điện Công nghệ này cho phép hydro được bơm vào bình chứa trên ô tô và sau đó truyền vào cụm pin nhiên liệu, nơi nó kết hợp với oxy để tạo ra phản ứng hóa học, từ đó sản sinh ra năng lượng cần thiết cho việc vận hành xe.
Pin nhiên liệu khác biệt hoàn toàn so với pin truyền thống, vì nó không cần nạp điện và không bị cạn kiệt năng lượng Thay vào đó, pin nhiên liệu hoạt động liên tục miễn là có đủ hydro và oxy cung cấp từ bên ngoài Nhờ vào quá trình này, pin nhiên liệu có khả năng sản sinh điện liên tục mà không phát sinh tiếng ồn hay khí thải độc hại, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
0, rất thân thiện với môi trường Nói một cách ngắn gọn, pin nhiên liệu đóng vai trò như một
Nhà máy sản xuất điện từ hydro và oxy chỉ thải ra nước, sạch hơn nước máy Các nhà sản xuất ô tô đang phát triển xe chạy hydro không chỉ vì lý do bảo vệ môi trường mà còn vì hiệu suất năng lượng cao gấp 2-3 lần so với động cơ đốt trong và điện Hơn nữa, việc tiếp nhiên liệu hydro nhanh chóng hơn so với thời gian sạc điện cho ô tô điện.
121 hydro hiện cũng khá dễ dàng Bằng cách điện phân nước, để cho ra hydro và oxy, không làm ô nhiễm môi trường
Toyota là tập đoàn tiên phong trong việc phát triển xe chạy bằng hydro, nhận thấy đây là nguồn năng lượng sạch Họ đã cho ra mắt mẫu xe chạy hydro đầu tiên, Toyota Mirai, vào tháng 4/2015 với giá khoảng 68.690 USD tại Nhật Bản và Mỹ Hiện nay, có khoảng 4.300 chiếc xe hydro của Toyota đang hoạt động trên đường, chủ yếu là mẫu Mirai, với khả năng vận hành lên tới 500 km và thời gian nạp nhiên liệu chỉ 3 phút, tương đương với thời gian đổ xăng cho xe thông thường.
4.9.2 Xu hướng phát triển trong tương lai
Việc phát triển xe điện đã trở thành chiến lược quan trọng đối với các hãng xe nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường và mở rộng thị phần Toyota, hãng xe hàng đầu Nhật Bản, đã công bố kế hoạch điện hóa hoàn toàn các dòng xe của mình vào năm 2025 Đồng thời, General Motors cũng đang nỗ lực trong lĩnh vực này.
Trong ngành công nghiệp ô tô toàn cầu, nhiều "ông lớn" đang cam kết mạnh mẽ chuyển đổi sang xe điện Volvo, hãng xe Thụy Điển lâu đời, đã tuyên bố rằng từ năm 2019, tất cả mẫu xe mới sẽ chỉ là xe điện hoặc xe lai-ghép Để đáp ứng sự phát triển này, việc phát triển hạ tầng, đặc biệt là hệ thống trạm sạc, là rất cần thiết Tập đoàn Engie của Pháp đã mua lại EV-Box, công ty khởi nghiệp Hà Lan chuyên cung cấp công nghệ sạc cho xe điện Tương tự, Enel từ Italia cũng đã mua lại EMotorWerks, một công ty hàng đầu về trạm sạc lưới điện thông minh với hơn 30.000 trạm sạc Đáng chú ý, Shell, hãng dầu khí quốc tế, đã tham gia vào lĩnh vực này với kế hoạch cung cấp trạm sạc nhanh 8 phút tại hơn 80 địa điểm trên toàn nước Mỹ.
Công ty 122 đã hoàn tất việc mua lại New Motion, một doanh nghiệp Hà Lan chuyên quản lý các trạm sạc điện tại Tây Âu Đồng thời, công ty này cũng sẽ mở rộng phát triển các trạm sạc mới tại các điểm bán hàng của Shell.
Nhiên liệu hydro đang nổi lên như một lựa chọn tiềm năng bên cạnh sự phát triển của xe điện, hứa hẹn sẽ có vai trò quan trọng trong tương lai Giám đốc điều hành của Airbus, Guillaume Faury, nhấn mạnh tham vọng của công ty trong việc hướng tới những chuyến bay không phát thải, cho rằng nhiên liệu hydro có khả năng giảm đáng kể tác động của ngành hàng không đối với khí hậu Nếu được hiện thực hóa, đây sẽ là một trong những chuyển đổi quan trọng nhất trong lịch sử hàng không thế giới.
Theo Faury, vào năm 2035, mẫu máy bay đầu tiên của hãng sẽ có khả năng chở tối đa 200 hành khách với tầm bay khoảng 3.700 km khi nạp đầy nhiên liệu Máy bay này sẽ sử dụng động cơ phản lực cánh quạt với turbine khí chạy bằng hydro, và các thùng chứa nhiên liệu được đặt ở phía sau vách ngăn chịu áp suất tại đuôi máy bay Mẫu thứ hai sẽ nhỏ hơn, chở 100 hành khách và có tầm bay chỉ bằng một nửa mẫu đầu tiên Mẫu thứ ba sẽ có thiết kế thân “đặc biệt rộng”, cho phép linh hoạt trong việc bố trí cabin và các thùng hydro.
Mẫu máy bay mới của Airbus có khả năng chở nhiều hành khách nhất và bay xa nhất Tuy nhiên, hãng lưu ý rằng cần ít nhất 5 năm để hoàn thiện công nghệ trước khi bắt đầu sản xuất Việc sử dụng hydro làm nhiên liệu cũng yêu cầu thay đổi thiết kế đáng kể, vì không gian cần để chứa hydro lớn gấp 4 lần so với nhiên liệu hóa thạch ở cùng mức năng lượng.
Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) tháng 6/2020, dự báo đến năm 2050, nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch sẽ giảm xuống dưới 20%, trong khi nhu cầu điện sẽ tăng gấp đôi, chiếm hơn 40% Đồng thời, nhu cầu về các nhiên liệu thân thiện với môi trường như khí tự nhiên cũng sẽ tăng lên.
LNG, nhiên liệu sinh học và hydro sẽ đạt tỷ lệ gần 40% Tuy đi sau Airbus nhưng Boeing
Nhà sản xuất máy bay hàng đầu thế giới đã công bố lộ trình công nghệ của mình, theo đó trong vòng 30 năm tới, hãng sẽ hoàn toàn chuyển đổi từ nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu hydro tổng hợp cho các máy bay.
