TIểu luận năng lượng và môi trường Ứng dụng năng lượng Hydro

Các ứng dụng của năng lượng Hydro Động cơ hydro của Honda Pin nhiên liệu sản xuất điện tại nhà máy xử lý nước thải ở Washington Xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu do Trung Quốc sản xuất

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG HYDRO

GV hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung

Nhóm sinh viên: 1 Dương Văn Tùng Lớp: 08C4B

2 Trương Thanh Hải Lớp: 08C4B

3 Nguyễn Đức Thuận Lớp: 08C4A

4 Võ Anh Vũ Lớp: 08C4A

5 Trần Thượng Khang Lớp: 07C4A

Trang 3

Các kí hiệu viết tắt

- AFC (Alkaline Fuel Cell) - pin nhiên liệu alkali (kiềm)

- MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) - pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy

- PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – pin nhiên liệu axit phosphoric

- PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – pin nhiên liệu màng trao đổi proton

- SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) – pin nhiên liệu oxit rắn

- DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) – pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp

- RFC (Regenerative Fuel Cell) – pin nhiên liệu tái sinh

Trang 5

Tổng quan về nguyên cứu và ứng dụng năng lượng Hydro

1

1.1 Vì sao phải nghiên cứu và ứng

dụng năng lượng hydro ?

Thế giới đang phụ thuộc vào nhiên

liệu hóa thạch

Nguồn nhiên liệu này đang dần cạn

kiệt và đang ảnh hưởng tiêu cực đến

con người, ô nhiễm môi trường, hiệu

ứng nhà kính, tăng nhiệt độ toàn cầu

Một nguồn năng lượng sạch, dồi

dào như nguồn năng lượng hydro là

một giải pháp đầy tiềm năng

Trang 6

Ưu điểm

Hydro là chất khí dồi dào trong

vũ trụ, có thể sản xuất Hydro với

nhiều cách khác nhau, trong đó có

tách hydro từ nước biển

Là nhiên liệu rất "sạch”, không

mùi và cháy hoàn toàn trong O2 tạo

H2O, không thải ra các chất gây ô

nhiễm như nhiên liệu truyền thống

1

1.2 Ưu-nhược điểm của năng lượng

Hydro

Trang 7

1

1.2 Ưu-nhược điểm của năng lượng

Hydro

Nhược điểm

Khí hydro làm cho bình chứa bằng kim loại trở

nên giòn hơn

Khó khăn trong việc vận chuyển và lưu trữ, nhất

là khi dùng trên các phương tiện vận tải

Giá cả của pin nhiên liệu quá cao do phải sử

dụng các vật liệu quý hiếm làm các bộ phận của

pin như chất xúc tác (platium…), màng trao đổi

điện cực

Trang 8

1

1.3 Các ứng dụng của năng lượng Hydro

Động cơ hydro của Honda

Pin nhiên liệu sản xuất điện tại nhà máy xử lý nước thải

ở Washington

Xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu do Trung Quốc sản xuất

Pin nhiên liệu HydroSTIK của hãng Horizon dùng

Trang 9

Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Hydro

2

Vào năm 1766-1781, Henry Cavendish là người đầu tiên nhận ra rằng hydro là một chất riêng biệt và rằng khi bị đốt trong không khí nó tạo ra sản phẩm là H2O, là nguồn gốc của cái tên "hydrogen", trong tiếng Hi Lạp nghĩa

Trong các hợp chất ion, hydro ở hai dạng: anion H- (trong hợp chất với kim loại) và cation H+

2.1 Bản chất của Hydro

Trang 10

2

Dạngnguyên tử

Số proton, electron, nơtron 1, 1, 0

Khối lượng nguyên tử 1,00794(u)

Dạng phân tử

Độ dẫn nhiệt 0,1805 W·m−1·K−1

Nhiệt độ sôi 20,27 K (-252,87 °C)Nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (-259,14 °C)

Một số tính chất vật lí của hydro

2.1 Bản chất của Hydro

Trang 11

2

Đại lượng Hydro

(H 2 ) Metan (CH 4 ) Propan (C 3 H 8 ) Xăng Diezel

Nhiệt độ tự cháy ( 0 C) 585 540 432 340 260

Nhiệt độ cháy trong oxy

( 0 C) 3000 2148 2385 2800 2200Nhiệt độ bay hơi ( 0 C) -252,87 -161,5 - 42,09 20 175 ÷370

Trang 12

2

2.2 Các phương pháp sản xuất Hydro

Phòng thí nghiệm

Điều chế bằng phản ứng giữa axit với kim loại

Hydrogen

Trong công nghiệp

Nhiều cách khác

nhau

Trang 13

2

Natura gas

Biomass Water Petroleum Coal

Công nghiệp thương mại

Trang 14

2

Natura gas, xử lý bằng hơi nước nóng Ở nhiệt độ cao (700-1.100 °C)

Hydrogen

CH4 + H2O → CO + 3H2

Phổ biến nhất hiện nay

Trang 15

Tài nguyên hữu hạn

2

Natural gas

Petroleum

Coal

Nhiên liệu hóa thạch

Trang 16

Tài nguyên vô

hạn

Water Biomass

2

Nhiên liệu xanh

Trang 17

2

Điện phân nước là biện pháp đơn giản nhưng không kinh tế để sản xuất

hàng loạt Hyđro

2H2O → 2H2 + O2

Trang 18

Điện phân dung dịch có màng ngăn: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2 + Cl2

2

Trang 19

2

Sử dụng quá trình quang phân ly nước ở tảo lục hay việc chuyển hóa các dẫn xuất sinh học như glucoza hay sorbitol ở nhiệt độ thấp bằng các chất xúc tác mới

Trang 20

2.3 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của pin nhiên liệu

2

Trang 21

Nguyên lý hoạt động

Tại điện cực âm: Các phân tử H2 tiến đến

điện cực, xảy ra phản ứng với xúc tác và

vỡ ra tạo ra H+ (proton) và các electron

2H2 → 4H + + 4e

-Tại điện cực dương: Phân tử O2 tiến đến bề

mặt điện cực, dưới xúc tác Platin O2 sẽ

nhận electron đồng thời kết hợp với H+

( mới vừa được tạo thành ở diện cực âm)

tạo thành phân tử nước

Trang 22

3 Sơ đồ nguyên lý và thiết bị của ứng dụng năng lượng Hydro

3.1 Các loại pin nhiên liệu

- Nhiên liệu vận hành: khí hydrogen nén và oxy.

- Chất điện phân: dung dịch kiềm KOH

- Hiệu suất pin: khoảng 70%.

- Nhiệt độ hoạt động: từ 150 đến 200 độ C

- Công suất đầu ra khoảng từ 300W đến 5kW.

- Ứng dụng: Tàu Con Thoi,phi thuyền Apollo của

NASA (hiệu suất cao,cung cấp nước uống); taxi

của công ty ZEVCO ở London

Trang 23

- Chất điện phân: muối carnonate của Na và Mg

- Hiệu suất 60 đến 80%.

- Nhiệt độ vận hành khoảng 650 0 C

- Công suất ra : 1 đơn vị 2 MW,kết hợp100 MW.

- Chất xúc tác điện cực nikel nên giá rẻ.

- Hạn chế về vật liệu và an toàn ở nhiệt độ cao.

b MCFC - pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy.

Trang 24

- Chất điện phân: axit phosphoric.

- Ứng dụng: cài đặt cho các tòa nhà, khách sạn,

bệnh viện, các thiết bị điện.

- Cơ chế phản ứng:

Tại Anode: 2 H2 => 4 H + + 4e -

Tại Cathode: O2 + 4 H + + 4e - => 2 H2O

c PAFC – pin nhiên liệu axit phosphoric.

Trang 25

- Màng điện phân: bằng plastic mỏng.

- Hiệu suất pin từ 40 đến 50%.

- Nhiệt độ vận hành: thấp, khoảng 80 0 C.

- Công suất ra: linh hoạt từ 2 kW đến 250 kW.

- Nhiên liệu phải tinh sạch,xúc tác bạch kim ở

cả hai mặt màng điện phân, gia tăng chi phí.

Tổng quát: 2 H + O => 2 H O + điện năng

d PEMFC– pin nhiên liệu màng trao đổi proton.

Trang 26

- Chất điện phân:hợp chất oxit kim loại rắn

(calcium hay ziconium).

- Hiệu suất: khoảng 60%.

e SOFC– pin nhiên liệu oxit rắn.

Trang 27

- Chất điện phân: polymer.

- Điện tích vận chuyển: ion hydrogen

(proton)

- Hiệu suất: khoảng 40%.

- Nhiệt độ vận hành: từ 50 0 C-120 0 C.

- Ứng dụng: trong điện thoại di động và

máy tính xách tay (laptop)…

f DMSOFC– pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp.

Trang 28

- Nhiên liệu: Điện phân nước thành

hydrogen và oxy bằng năng lượng tái

tạo từ các nguồn tự nhiên như gió, mặt

trời hay địa nhiệt.

- Hệ thống này cần có một cơ sở hạ tầng

để phân phối hydrogen đến các pin

nhiên liệu để sử dụng.

- Ứng dụng: trong máy bay Helios của

NASA có thể bay ở độ cao hơn 30

km,có thể giúp chuyến bay kéo dài

được trong nhiều ngày.

g RFC– pin nhiên liệu tái sinh.

Trang 29

- Chất điện phân: chất sứ rắn dùng ion

hydroxyl (OH-) làm chất mang điện tích.

h ZAFC– pin nhiên liệu kẽm/không khí.

Trang 30

3.2 Xe Hybrid

Xe hybrid là loại xe có hai động cơ khác nhau cung cấp năng lượng cho xe hoạt động Cơ cấu phổ biến nhất là một động cơ xăng gắn với một môtơ điện cho phép động cơ ngắt định kỳ để tiết kiệm nhiên liệu

Sơ đồ cấu tạo xe Hybrid

Động cơBình nhiên liệuMotor điện Pin

Bộ nạp

Trang 31

Các chế độ hoạt động của hệ thống

Hoạt động liên hoàn: động cơ hoạt động,

truyền năng lượng cho máy phát điện Dòng

điện sinh ra để sạc pin và chạy motor điện, dẫn

động các bánh xe

Hoạt động song song: cả động cơ và motor

điện cùng truyền lực tới các bánh xe, mức độ

tùy theo các điều kiện khác nhau Pin cấp điện

cho motor hoạt động.

Hoạt động kết hợp: đây là dạng phổ biến.

Trong quá trình phanh hay giảm tốc thì motor

sẽ thành một máy phát và tạo lực cản hãm

chuyển động của xe Năng lượng từ quá trình

cản sẽ cấp lại cho pin, giúp tiết kiệm nhiên

3.2 Xe Hybrid

Trang 32

Cấu tạo: nguồn động lực cơ bản của xe gồm một pin nhiên liệu hydro, thùng

chứa hydro, động cơ điện

Nguyên lý hoạt động

Pin nhiên liệu cung cấp điện cho

một động cơ điện thông qua một

biến tần

Pin nhiên liệu tạo ra điện từ hydro

trong thùng chứa hydro trên xe

Chất thải của xe là nước và tỏa

nhiệt Cơ cấu này có khả năng

chuyển 80% năng lượng hydro

thành công dẫn động xe

3.3 Xe hơi sử dụng pin nhiên liệu hydro

Trang 33

Pin nhiên liệu

Được sản xuất mọi nơi, mọi công suất từ vài watt cho đến hàng trăm kilowatt hoặc megawatt cho mọi nhu cầu.

Xây dựng các trạm phát điện cho các vùng sâu, vùng xa, trạm điện độc lập tự cung cấp cho các thành phố, các cao

ốc mà không cần đến nguồn điện lưới quốc gia.

Phá thế độc quyền cũng như phá vỡ chế

độ tập trung trong việc sản xuất và phân phối điện do nền kinh tế hóa thạch đã tạo ra.

Phát điện và động cơ ứng dụng năng lượng Hydro

4

4.1 Phát điện bằng năng lượng Hydro

Trang 34

4

Nhà máy SRP của Arizona là nhà máy

Hydro thuộc nhà nước đầu tiên hoạt động

có thể tạo ra lên đến 250 KW điện, cung

cấp khoảng100 ngôi nhà

Nhà máy Fountain Valley sử dụng khí CH4

trong nước thải tạo ra Hydro làm pin nhiên

liệu Nhà máy điện này tạo ra 250 kW điện

siêu sạch, cung cấp khoảng 200 ngôi nhà

Trang 35

4

Ứng dụng năng lượng Hydro

cung cấp điện sinh hoạt trong hộ

gia đình

Trang 36

4

Ứng dụng năng lượng Hydro

trong giao thông vận tải đường

bộ, đường biển, đường hàng

không

Trang 37

4 Phát điện và động cơ ứng dụng năng lượng Hydro

Ở Việt Nam: Kỹ sư Vũ Hồng

Khánh ở Hải Phòng chế tạo

thành công chiếc máy điều chế

hydro, có khả năng biến nước

thành “siêu nhiên liệu”

Loại 2KW dùng để hàn

Trang 38

4

4.2 Động cơ chạy bằng năng lượng Hydro

mong muốn tiếp tục

kinh doanh Ôtô thời

Xe hybrid là bước đệm cần thiết cho cả nhà sản xuất và xã hội.

Buồng đốt động

cơ sử dụng nhiên liệu Hydro, thay thế cho các nguồn nhiên liệu truyền thống

Trang 39

4

Hydro có thể được sử dụng trực tiếp

làm nhiên liệu trong động cơ đốt

cháy cưỡng bức :

- Do yêu cầu tia năng lượng thấp và

dễ cháy

- Do nhiệt độ tự bốc cháy cao, thời

gian cháy trễ nhỏ,ngọn lửa tốc độ

cao

- Chỉ số octan cao (> 120) => ít gõ

so với động cơ xăng

Nếu muốn sử dụng hydro cho động

cơ diezel thì phải lắp thêm bugi hoặc

dùng diezel phun mồi

4.2 Động cơ chạy bằng năng lượng Hydro

Trang 40

- Hydro sẽ trở thành nguồn năng lượng tiềm năng của thế kỷ 21, pin nhiên liệu Hydro có một ưu thế không thể nghi ngờ hơn tất cả các thiết bị biến đổi năng lượng khác Là một trong những công nghệ môi trường của tương lai.

- Để đưa hydro vào ngành công nghiệp năng lượng cần giảm giá thành sản xuất, cần nghiên cứu chất xúc tác mới thay thế cho những vật liệu quý hiếm

- Hydro là nhiên liệu có nhiệt trị rất cao,nhiệt độ khi cháy lớn,khí thải sạch nên là nhiên liệu lí tưởng cho động cơ đốt trong

- Tìm cách khắc phục việc lưu trữ hydro trên các phương tiện cơ giới, vì hydro là chất khí rất khó nén và nhiệt độ hóa lỏng rất thấp

Kết luận và ý kiến của nhóm

5

Tiêu đề	Ứng dụng năng lượng Hydro
Tác giả	Nhóm Sinh Viên: Dương Văn Tùng, Trương Thanh Hải, Nguyễn Đức Thuận, Võ Anh Vũ, Trần Thượng Khang
Người hướng dẫn	PGS. Nguyễn Quang Trung
Trường học	Trường đại học bách khoa Đà Nẵng
Chuyên ngành	Kỹ thuật Cơ Khí Giao Thông
Thể loại	Tiểu luận năng lượng và môi trường
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	40
Dung lượng	3,09 MB