Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá hiệu quả bơm nhiệt cấp nước nóng sử dụng môi chất lạnh r32 ở điều kiện khí hậu phía nam việt nam

TỔNG QUAN

Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan

1.1.1 Khái quát nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới và ở nước ta

1.1.1.1 Nhu cầu sử dụng năng lƣợng trên thế giới

Hiện nay, năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt, và thế giới đối mặt với thách thức lớn trong việc tiết kiệm năng lượng sơ cấp Theo báo cáo của EIA, lượng năng lượng tiêu thụ toàn cầu có thể tăng từ 534,10 x 10^24 Btu năm 2010 lên 820,10 x 10^24 Btu vào năm 2040, trong đó các nước không thuộc OECD dự kiến sẽ tăng tiêu thụ tới 90%, trong khi các nước OECD chỉ tăng 17% Năng lượng hóa thạch hiện chiếm 78,4% tổng năng lượng tiêu thụ, trong khi năng lượng hạt nhân chỉ chiếm 2,6% (2013) EIA dự báo rằng năng lượng tái tạo và hạt nhân sẽ là những nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất, với mức tăng dự kiến đạt 2,5% mỗi năm.

Dù nhiên liệu hóa thạch vẫn chiếm gần 80% tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu đến năm 2040, khí tự nhiên được dự đoán sẽ có mức tăng trưởng nhanh nhất, với Mỹ và Nga đóng góp 1/3 sản lượng khí đốt tự nhiên tăng thêm Trong tương lai gần, thế giới cần nỗ lực tìm kiếm nguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo để bù đắp cho sự thiếu hụt năng lượng sơ cấp hóa thạch đang dần cạn kiệt.

Trong bối cảnh nguồn năng lượng ngày càng khan hiếm, đe dọa đến sự ổn định và đời sống kinh tế-xã hội toàn cầu, các quốc gia cần áp dụng ba giải pháp chính: tiết kiệm tối đa năng lượng, tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế và phát triển công nghệ năng lượng tái tạo.

HVTH: TRẦN QUANG DANH Trang 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ đề xuất giải pháp thứ ba, mà chỉ một số quốc gia áp dụng, bao gồm việc sử dụng các biện pháp an ninh, quân sự và kinh tế để kiểm soát các nguồn nguyên liệu năng lượng chiến lược.

Hình 1.1 Tình hình khai thác năng lƣợng trên thế giới năm 2013 [1]

Mặc dù năng lượng thay thế đang được phát triển, nhưng vẫn còn nhiều bất cập và chưa phổ biến Hiện nay, 32 quốc gia và vùng lãnh thổ với tổng dân số gần 4 tỷ người đã sử dụng năng lượng hạt nhân, cung cấp 16,4% sản lượng điện toàn cầu Tuy nhiên, năng lượng hạt nhân tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ phóng xạ và có thể bị lợi dụng để sản xuất vũ khí hạt nhân Đồng thời, 45 quốc gia đang sử dụng năng lượng tái sinh và 60 nước có chương trình phát triển năng lượng này Mặc dù 19 nước khuyến khích sử dụng năng lượng mặt trời và sưởi ấm, nhưng năng lượng tái sinh vẫn phụ thuộc vào thời tiết, trong khi thủy điện có thể gây biến đổi địa chất và khan hiếm nguồn nước Bên cạnh đó, việc phát triển năng lượng sinh học như sản xuất etanol và dầu diesel cũng gặp nhiều thách thức.

HVTH: TRẦN QUANG DANH Trang 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.2 Tình hình khai thác năng lƣợng trên thế giới (Mtoe) 1900 – 2013 [2]

Hình 1.3 Cơ cấu năng lƣợng sơ cấp khai thác trên thế giới(%) 1900 – 2013 [2]

Trên thế giới, nhiều năm qua, nhu cầu năng lượng chủ yếu vẫn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, với dầu mỏ, than đá và khí đốt chiếm tới 80% tổng năng lượng toàn cầu Tuy nhiên, nguồn nhiên liệu này đang ngày càng cạn kiệt, và việc sử dụng chúng gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường Theo báo cáo đánh giá thường niên của Dự án carbon toàn cầu, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch dẫn đến sự gia tăng phát thải carbon dioxide (CO₂), ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái.

Năm 2018, phát thải CO₂ toàn cầu đã tăng hơn 2%, đạt 37,1 tỷ tấn, đánh dấu năm thứ hai liên tiếp tăng mạnh kể từ giai đoạn 2014 – 2016, khi mức phát thải được giữ ổn định để hướng tới các mục tiêu của Thỏa thuận Paris 2016 Dự báo cho năm 2019 cho thấy phát thải CO₂ từ than, dầu và khí tự nhiên sẽ tiếp tục gia tăng do nhu cầu năng lượng ngày càng cao, vượt qua tốc độ loại bỏ carbon của hệ thống năng lượng Tất cả các quốc gia đều đối mặt với thách thức lớn trong việc loại trừ carbon ra khỏi nền kinh tế trong khi vẫn đáp ứng nhu cầu năng lượng.

Hình 1.4: Lƣợng khí thải CO 2 sinh ra do sử dụng năng lƣợng hóa thạch [3]

Hình 1.5: Mức tiêu thụ các nguồn năng lƣợng của thế giới 1970 – 2025 [3]

HVTH: TRẦN QUANG DANH Trang 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong giai đoạn 2017-2018, mức sử dụng than đá đã tăng trở lại sau khi giảm từ đỉnh điểm năm 2013 Phát thải từ than vào năm 2017 đạt 97% so với năm 2013, góp phần làm tăng phát thải trong năm 2018, vượt qua cả dầu và khí tự nhiên Trung Quốc và Ấn Độ là hai quốc gia có lượng phát thải từ than cao nhất, trong khi Mỹ đã giảm đáng kể phát thải từ than nhờ đóng cửa hơn 250 nhà máy điện than từ năm 2010 và dự kiến sẽ ngừng hoạt động hoàn toàn trong vòng 5 năm tới.

Hơn 80% năng lượng toàn cầu hiện nay đến từ nhiên liệu hóa thạch, một nguồn tài nguyên hạn chế và không tái tạo Nguồn năng lượng này đã được giữ gìn trong lòng Trái đất hàng triệu năm, nhưng chỉ trong 100 năm qua, chúng ta mới bắt đầu khai thác nó một cách rộng rãi Mặc dù nhiên liệu hóa thạch là một nguồn tài nguyên quý giá, nhưng nó chỉ có thể được sử dụng một lần, điều này đặt ra thách thức lớn cho tương lai của năng lượng bền vững.

1.1.1.2 Nhu cầu sử dụng năng lƣợng tại Việt Nam

Việt Nam, với dân số khoảng 86 triệu người, đứng thứ 13 thế giới, đang đối mặt với nhu cầu năng lượng ngày càng tăng Theo CIA World Factbook, vào năm 2008, Việt Nam tiêu thụ 76,269 TWh điện, xếp thứ 25 toàn cầu, và sử dụng 1,699.10^15 BTU năng lượng sơ cấp, tương đương 447,3 TWh Vấn đề an ninh năng lượng có ảnh hưởng lớn đến phát triển quốc gia và đặt ra yêu cầu cấp thiết Để giải quyết vấn đề này, Việt Nam đã ban hành “Chiến lược Phát triển năng lượng quốc gia” đến năm 2020 và tầm nhìn 2050 vào ngày 19/12/2007 Mặc dù còn nhiều thách thức trong việc thực hiện, chiến lược này mở ra cơ hội cho Việt Nam trong việc hợp tác quốc tế về khai thác, sử dụng và sản xuất năng lượng.

HVTH: TRẦN QUANG DANH Trang 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ

Giải pháp ưu tiên hàng đầu hiện nay là tiết kiệm năng lượng, tuy nhiên, biện pháp này chưa thể giảm nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng trên toàn cầu, đặc biệt là ở Việt Nam Tại các quốc gia công nghiệp hóa, để đáp ứng nhu cầu phát triển, việc sử dụng năng lượng từ dầu, than và khí đốt vẫn là điều cần thiết cho đến khi có nguồn năng lượng thay thế phù hợp.

Theo dự báo của Viện Khoa học năng lượng Việt Nam, từ năm 2010 đến 2030, nhu cầu năng lượng sẽ tăng từ 27% đến 40% trong từng giai đoạn 5 năm, với nhu cầu năng lượng sơ cấp để sản xuất điện tăng từ 37% đến 55% Để đáp ứng nhu cầu này, Việt Nam dự kiến sẽ trở thành quốc gia nhập khẩu năng lượng vào năm 2020.

Hình 1.6 Tổng công suất và nhu cầu điện năng Việt Nam năm 2015 và 2016 [5]

Việt Nam có thể sẽ cạn kiệt các nguồn năng lượng tự nhiên trước nhiều quốc gia khác trong vài chục năm tới Theo dự báo của các chuyên gia kinh tế năng lượng, trước năm 2020, nước ta sẽ phải nhập khẩu khoảng 12%-20% năng lượng để đáp ứng nhu cầu.

Đến năm 2050, tỷ lệ năng lượng tái tạo dự kiến sẽ đạt từ 50% đến 60%, chưa tính đến năng lượng điện hạt nhân Hiện tại, nguồn điện chủ yếu của chúng ta vẫn dựa vào nhiệt điện và thủy điện Mặc dù thủy điện có tiềm năng phát triển lớn, nhưng nó lại phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, và việc phát triển quá mức có thể gây ra những vấn đề không mong muốn.

Việc thiếu hụt năng lượng đang gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường và nền kinh tế Hiện tại, Việt Nam vẫn phụ thuộc vào việc nhập khẩu xăng dầu, với dự kiến nhà máy lọc dầu Dung Quất chỉ cung cấp khoảng 5 triệu tấn trong tổng nhu cầu 15-17 triệu tấn vào năm 2009-2010 Đến năm 2020, khi hai nhà máy lọc dầu mới đi vào hoạt động, sản lượng dự kiến chỉ đáp ứng được 15-16 triệu tấn trong tổng nhu cầu 30-35 triệu tấn, vẫn còn phải nhập khẩu ít nhất 15 triệu tấn Điều này cho thấy Việt Nam chưa đạt được tự chủ năng lượng, và sự thiếu hụt điện hay tăng giá xăng sẽ ảnh hưởng ngay lập tức đến nền kinh tế.

Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước Các chuyên gia đánh giá rằng bơm nhiệt có thể là giải pháp cứu tinh cho Trái Đất trước thảm họa nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu do phát thải khí nhà kính Bơm nhiệt được xem là công nghệ sạch của thế kỷ 21, mang lại lợi ích vượt trội khi thay thế các lò sưởi và bình nóng.

Việc ứng dụng bơm nhiệt trong đời sống không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng sơ cấp lên đến 50% mà còn giảm phát thải khí nhà kính tới 70% Trong bối cảnh nhiệt độ trung bình bề mặt trái đất đã tăng khoảng 0.8°C trong 100 năm qua và có xu hướng tiếp tục gia tăng, việc giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu trở thành một nhiệm vụ cấp bách Tuy nhiên, các hệ thống bơm nhiệt trước đây có hiệu suất thấp và ít thân thiện với môi trường, do đó, việc nâng cao hiệu quả của bơm nhiệt hiện nay là rất cần thiết Các nhà khoa học đang chú trọng vào việc thay thế môi chất sử dụng trong hệ thống bơm nhiệt nhằm cải thiện hiệu quả và bảo vệ môi trường.

Hình 1.10 Sự thay đổi nhiệt độ trung bình của bề mặt trái đất từ năm 1880 đến năm 2000 [51]

Sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu và chính sách loại bỏ các chất liệu không thân thiện với môi trường đang thúc đẩy nhu cầu tìm kiếm các môi chất mới.

HVTH: TRẦN QUANG DANH Trang 24 LUẬN VĂN THẠC SĨ mới thân thiện hơn với môi trường để ứng dụng trong các hệ thống bơm nhiệt càng cấp thiết hơn

Hình 1.11 Quy trình chuyển đổi từ HCFC sang HFC- nỗ lực nhằm giảm thiểu các chất có khả năng gây phá hủy tầng Ozone bằng 0 [52]

Hình 1.12 Khả năng làm nóng toàn cầu 100 năm của các môi chất lạnh khác nhau [52]

Trong những năm gần đây, bơm nhiệt đã trở thành một giải pháp phổ biến tại Việt Nam, đặc biệt trong việc đun nóng nước từ 45 đến 70 độ C cho gia đình, công sở và thương nghiệp Công nghệ này không chỉ giúp làm nóng nước nhanh chóng mà còn tiết kiệm đến 80% điện năng so với phương pháp đun nước bằng điện thông thường Hiện nay, thị trường máy bơm nhiệt đang ngày càng phát triển và được ưa chuộng.

Máy nước nóng năng lượng mặt trời sử dụng nguồn không khí ấm để gia nhiệt nước bên trong bình, đánh dấu một sự cách tân trong công nghệ sản phẩm này.

Hình 1.13 minh họa khả năng phát thải CO2 của các môi chất lạnh R22, R410A và R32, cho thấy sự cần thiết phải thay thế các môi chất có chỉ số GWP cao như R22 và R410A bằng R32 Việc thay thế môi chất lạnh cho hệ thống bơm nhiệt đang trở thành một vấn đề quan trọng, được các quốc gia trên thế giới chú trọng nhằm giảm thiểu tác động đến sự nóng lên toàn cầu và bảo vệ tầng ozon.

Hình 1.14 Lộ trình cắt giảm lƣợng việc sử dụng các loại môi chất lạnh chứa

HVTH: TRẦN QUANG DANH Trang 26 LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hiện nay, các nghiên cứu về hiệu quả và tính thân thiện với môi trường của các loại môi chất trong hệ thống bơm nhiệt đang được tiến hành Môi chất R410A là loại phổ biến trên thị trường, nhưng việc tiêu thụ năng lượng và hiệu quả của hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng đang được quan tâm Tuy nhiên, việc tìm kiếm các môi chất thay thế an toàn và thân thiện với môi trường đang trở thành vấn đề cấp bách Hệ thống bơm nhiệt cấp nước nóng tức thì vẫn chưa được chú ý nhiều trong các nghiên cứu hiện tại.

Chỉ số phá hủy tầng Ozone (ODP)

Chỉ số làm nóng trái đất (GWP)

COP lý thuyết Áp suất ngƣng tụ (Mpa)

Hỗn hợp không đồng sôi

R32 Đơn chất 0 675 *Khả năng cháy thấp 160 96 2.8

(R290) Đơn chất 0