Bài tiểu luận đề tài năng lượng HYDRO

Bài tiểu luận đề tài năng lượng HYDRO

BÀI TIỂU LUẬN

Đề tài: “NĂNG LƯỢNG HYDRO”

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 6

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG HYDRO 6

1.1 Khái niệm hydro và đặc tính của hydro 6

1.1.1 Khái niệm 6

1.1.2 Tại sao lại là năng lượng Hydro (Đặc tính) 6

1.2 Cách sản xuất hydro 9

1.2.1 Phương pháp điện phân nước 9

1.2.2 Nhiệt hóa nhiên liệu hydrocacbon 10

1.2.3 Phương pháp sinh học 11

1.3 Ứng dụng hydro thành nguồn năng lượng 11

1.4 Ưu và nhược điểm của năng lượng hydro 13

1.4.1 Ưu điểm 13

1.4.2 Nhược điểm 14

CHƯƠNG 2 15

THỰC TRẠNG NGÀNH NĂNG LƯỢNG HYDRO TRÊN THẾ GIỚI 15

2.1 Khái quát thực trạng 15

2.1.1 Thực trạng ngành năng lương Hydro ở một số nước và khu vực trên thế giới 15

2.1.2 Hợp tác quốc tế 17

2.2 Phân tích, đánh giá thực trạng 18

CHƯƠNG 3 21

GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG HYDROGEN TẠI VIỆT NAM 21

3.1 Vì sao Việt Nam chưa phát triển ngành năng lượng hydrogen? 21

3.2 Xu hướng phát triển 23

KẾT LUẬN 27

LỜI NÓI ĐẦU

Như chúng ta đã biết, nhiên liệu hóa thạch chủ yếu là than đá và dầu mỏ Việc tạo

ra than đá và dầu mỏ là 1 quá trình xảy ra hàng triệu năm Đó là quá trình mà cáchợp chất hữu cơ khác bị vùi lấp lâu ngày bị phân hủy tạo nên Vì vậy khi đốt cháynhiên liệu hóa thạch sẽ xảy ra việc phát thải khi CO2, lượng CO2 này phải mất hằngtriệu năm các loại thực vật mới hấp thụ hết Vì vậy người ta nói nhiên liệu hoá thạch

là không tái tạo

Thế giới của chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế nhiên liệuhóa thạch Nhiên liệu của đa số phương tiện giao thông vận tải hiện nay: xe hơi, xelửa, máy bay… là xăng dầu Hơn nữa, một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện dùng dầuhỏa, khí thiên nhiên hay than đá Nếu không có nhiện liệu hóa thạch, nền kinh tếcùng với các phương tiện giao thông, liên lạc, vận tải… sẽ rơi vào khủng hoảng ngừngtrệ Vì vậy, toàn bộ nền kinh tế, xã hội hiện đại đã bị phụ thuộc vào nhiên liệu háothạch

Trong khi nhiên liệu hóa thạch giữ vài trò quan trọng trong việc đưa xã hội đếnmức phát triển như ngày nay thì nó cũng tồn tại vấn đề nhức nhối lớn: ô nhiễmkhông khí, các vấn đề về môi trường như tràn dầu, biến đổi khí hậu toàn cầu Ngoài

ra nhiên liệu hóa thạch không hề được tái tạo, và việc dựa trên nhiên liệu hóa thạchcòn làm cho một số nước không có tài nguyên sẽ bị phụ thuộc vào những nước cónguồn dầu dồi dào như khu vực Trung Đông, từ đó dẫn đến nhiều hậu quả chính trịkhác, thậm chí là chiến tranh

Giữa bối cảnh đó, năng lượng hydro – nguồn năng lượng dựa trên nguyên liệusạch, dồi dào, dựa trên mục tiêu phát triển bền vững của nhân loại xuất hiện nhưmột giải pháp đầy tiềm năng Nền kinh tế dựa vào năng lượng hydro hứa hẹn sẽ đẩy

Đây cũng chính là lý do chúng em chọn đề tài này Đây là một đề tài khá mới mẻ,trong quá trình tìm hiểu đề tài, tuy đã cố gắng hết sức nhưng chắc hẳn không tránhkhỏi những thiếu sót Nhóm chúng em hi vọng nhận được sự góp ý từ cô giáo và cácbạn.

Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn đến cô giáo đã tạo điều kiện và hướng dẫnnhóm thực hiện đề tài này

Nhóm sinh viên

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG HYDRO

1.1 Khái niệm hydro và đặc tính của hydro

1.1.1 Khái niệm

Hydro (Hydrogen) là một nguyên tố hóa

học trong hệ thống tuần hoàn các nguyên

tố hóa học Ở nhiệt độ thấp và áp suất tiêu

chuẩn Hydro là một khí lưỡng nguyên tử có

công thức phân tử H2, không màu, không

mùi, dễ bắt cháy, phổ biến nhất trong vũ

trụ, chiếm 75% các chất thông thường theo

khối lượng và trên 90% theo số lượng

nguyên tử Tuy vậy, trên trái đất hydro có

rất ít trong khí quyển, nguồn chủ yếu của nó là nước (H2O), các nguồn khác bao gồm

phần lớn các chất hữu cơ, than, nhiên liệu hóa thạch, khí tự nhiên

Hydro đóng vai trò sống còn trong việc cung cấp năng lượng trong vũ trụ thông qua các phản ứng nhiệt hạch giải phóng năng lượng

1.1.2 Tại sao lại là năng lượng Hydro (Đặc tính)

Trong lĩnh vực năng lượng hydro thể hiện chất mang năng lượng gần như hoàn hảo Hydro khi cháy trong không khí ở nồng độ trong giới hạn 4-75% thể tích, nhiệt

độ cháy của hydro cao nhất đạt được 2318 oC ở nồng độ 29% thể tích, nếu cháy trong ôxy - nhiệt độ có thể lên đến 3000 oC ,cao nhất so với tất cả các loại khí khác như khí metan (CH4) chỉ đạt 2148 oC, propan (C3H8) - 2385 oC Nhiệt độ tự bốc cháy của hydro là 585 oC còn metan 540 oC , propan 487 oC

Mặt khác trong phân tử không chứa cácbon nên sản phẩm cháy hoàn toàn là nước, không phát thải các chất độc hại – rất sạch và thân thiện với môi trường.

Hydro không có sẵn trong thiên nhiên nhưng được xem là một dạng năng lượng tái tạo như những dạng năng lượng tái tạo khác Nguyên nhân vì hydro được tách ra

từ nước nhờ vào các nguồn năng lượng: Năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt , năng lượng nước, vì vậy hydro cũng mang đầy

đủ những đặc tính của một dạng năng lượng tái tạo, nghĩa là có thể tái tạo vô hạn cho con người sử dụng

Hydro còn có thể thu được từ năng lượng sinh khối trực tiếp bằng con đường cải tạo hơi nước khí metan (CH4) hoặc bằng con đường khí hoá trong điều kiện có mặt hơi nước các vật liệu phế thải chứa cacbon dạng cellulose như củi,gỗ,rơm ,bã mía

Quá trình sản xuất hydro từ năng lượng sinh khối nói trên hoàn toàn giống như quá trình sản xuất hydro trong công nghiệp hoá học hiện nay

Tuy nhiên một điểm khác biệt quan trọng so với các dạng năng lượng tái tạo khác là chúng không thể chứa và trữ lại để sử dụng mọi lúc mọi nơi Còn chất mang năng lượng hydro thì có thể lưu giữ, tồn chứa, vận chuyễn, phân phối như tính chất của các dạng năng lượng hoá thạch, để con người sử dụng khi cần đến – Hay nói cách khác nó là chất chuyễn tải năng lượng

So sánh đặc tính năng lượng của hydrogen:

Hydro ở áp suất bình thường là chất khí không màu, không mùi

Tỷ trọng 0,0899g/lít

Hydro sôi ở nhiệt độ - 252,77 oC, hydro lỏng có tỷ trọng 70,99 g/lít

Bảng1: So sánh đặc tính năng lượng của chất mang năng lượng khi cháy

Đơn vị H2 CH4 C3H8

Nhiệt trị thấp kj/kg 119,972 50,020 46,350

Nhiệt trị cao kj/kg 141,890 55,530 50,410

Tỷ trọng kg/m3 0,08988 0,7175 2,011Bảng2: So sánh mật độ năng lượng của chất mang năng lượng

Chất mang

năng lượng Dạng tích trữ

Mật độ năng lượng theo trọng lượng kWh/kg

Mật độ năng lượng theo thể tích kWh/lít

1.2.1 Phương pháp điện phân nước

Phương pháp này dùng dòng điện để tách

nước thành khí hydro và oxi Một số kiểu điện

phân là: điện phân thông thường, điện phân

ở nhiệt độ cao, điện phân ở áp suất cao,

quang điện phân

Trong đó, quang điện phân đang được ứng dụng nhiều hơn cả Phương pháp này

sử dụng năng lượng mặt trời để tách hydro từ nước ứng dụng hiện tượng quangđiện Khí hydro được sinh ra khi dòng quang điện chạy qua thiết bị điện phân đặttrong nước Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này đó là tận dụng được nguồnnăng lượng mặt trời vô tận

Sơ đồ quá trình quang điện phân

1.2.2 Nhiệt hóa nhiên liệu hydrocacbon

Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước: đây là phương pháp công nghiệp phổ

biến hiện nay để sản xuất hydro Tuy nhiên phương pháp này không được áp dụng

để tạo nguồn năng lượng mà chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các ngành hóa chất,phân bón, tinh lọc dầu mỏ

Khí hóa hydrocacbon nặng (dầu mỏ, than đá )

Sơ đồ khí hóa hydrocacbon nặng

Rõ ràng đây không phải là phương pháp tối ưu Bất lợi nhất của nó là sử dụngnhiên liệu hóa thạch làm nguyên liệu và đồng thời cũng làm nhiên liệu cung cấp nhiệtlượng cho quá trình Nhiên liệu hóa thạch là nguồn nhiên liệu hữu hạn, thêm vào đóviệc đốt chúng tạo ra khí cacbonic gây hiệu ứng nhà kính Do đó phương pháp nàyxét về lâu dài không bền vững

Tạo ra khí hydro từ khí thiên nhiên mà không thải ra cacbonic: phương pháp này

sử dụng công nghệ ở nhiệt độ cao tách hydro và than hoạt tính từ lớp chấthydrocacbon như dầu mỏ hay khí thiên nhiên mà không thải ra cacbonic

Khí hóa sinh khối và nhiệt phân: nguyên liệu sử dụng cho phương pháp này có

thể là các mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị Đầutiên sinh khối được chuyển thành dạng khí qua quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao tạo

ra hơi nước Hơi nước có chứa hydro được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và sau

đó được hóa nhiệt để sinh ra hydro Có thể thấy phương pháp này hoàn toàn tái tạođược và bền vững

1.2.3 Phương pháp sinh học

Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản sinh ra hydro như là sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất của chúng Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước thành khí hydro và oxi Hiện tại phương pháp này vẫn đang trong quá trình nghiên cứu

Nghiền

H2O

H2 + CO

CO2 +

14000 0 C Hơi nước, xt

Chu trình sản xuất hydro từ táo xanh

1.3 Ứng dụng hydro thành nguồn năng lượng

Chúng ta đã khá quen thuộc với hình ảnh hydro như là nguyên liệu cho nhiềungành công nghiệp hóa học như: chế tạo ammonia, methanol, lọc dầu, phân bón,luyện kim, mỹ phẩm Thế nhưng không chỉ dừng lại ở đó, hydro còn là một nguồnnhiên liệu đầy tiềm năng với những ưu điểm thuận lợi về môi trường và kinh tế.Hydro được ứng dụng thành nguồn năng lượng tái tạo sạch, và thân thiện với môitrường

Với những đặc tính của hydro đã nêu trên, hydro đã được dùng làm nhiên liệuthay thế cho khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng phục vụ nhu cầu dân dụng hàngngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng, Hydro cũng có thể được đốt trực tiếptrong các động cơ đốt trong tương tự như trong các loại phương tiện giao thôngchạy bằng xăng dầu ngày nay

Xe chạy bằng hydro Máy bay sử dụng nhiên liệu hydro

Mặt khác, hydro còn có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệthống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa sẽ tạo ra điện năng Nó có thể tạo radòng điện liên tục khi có nguồn nhiên liệu cung cấp cho nó, trong khi đó ắc quy cầnphải sạc điện sau một thời gian sử dụng Loại pin nhiên liệu này có ưu điểm là chạy

êm, không gây tiếng động, hiệu suất cao Chính vì những ưu thế vượt trội đó mà hiệnnay pin nhiên liệu càng ngày càng được quan tâm và dự báo sẽ trở thành nguồn nănglượng đầy triển vọng trong viễn cảnh tương lai

Một ứng dụng nữa của pin nhiên liệu hydro đó là chế tạo các trạm phát điện.Công nghệ này có ưu điểm rất lớn, giảm thiểu phát thải khí độc hại ra môi trường vàhiệu suất sử dụng năng lượng cao Tuy nhiên giá thành của nó khá đắt và đòi hỏi các

bộ lưu điện có công suất lớn

Trạm phát điện hydro lắp ráp tại các gia đình

Sơ đồ hoạt động của trạm điện hydro

1.4 Ưu và nhược điểm của năng lượng hydro

1.4.1 Ưu điểm

 Không gây ô nhiễm: khí hydro được sử dụng trong pin nhiên liệu, nó là mộtcông nghệ hoàn toàn sạch Sản phẩm phụ duy nhất sinh ra trong quá trình sửdụng là nước Ngay cả khi sản xuất hydro bằng quá trình điện phân nước cũngkhông hề tạo ra khí nhà kính nào Đó là một quá trình lý tưởng và hoàn hảo,điện phân hydro từ nước, hydro lại tái hợp với oxy để tạo ra nước và cung cấpđiện năng trong pin nhiên liệu

 Không phụ thuộc về kinh tế: nguồn sản xuất hydro từ nước là vô cùng vô tân,không chịu ảnh hưởng của vấn đề nhập khẩu như với dầu thô, do đó sử dụngnăng lượng hydro hoàn toàn độc lập về kinh tế quốc gia.

 Hydro có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau nhất là từ các nguồn nănglượng tái sinh

Như vậy, những lợi ích về mặt kinh tế, xã hội, môi trường của năng lượng hydro là rất đáng kể và ý nghĩa Tất cả những ưu điểm này làm nên nền tảng cho nhân loại tự tin hướng tới một nền kinh tế hydro.

1.4.2 Nhược điểm

 Gây nguy hiểm

 Khi đưa hydro vào các bình chứa có khuynh hướng tạo ra dòng tĩnh điện,

dễ gây nổ

 Hydro gây giòn kim loại

 Khi hydro cháy nó mang mối nguy hiểm tiềm ẩn bởi ngọn lửa của nó khôngthể nhận thấy bằng mắt thường

 Với cùng một lượng thì hydro sinh ra ít năng lượng hơn xăng nên trong những động cơ sử dụng hydro sẽ yếu hơn

 Vận chuyển và lưu trữ khó khăn

CHƯƠNG 2 THỰC TRẠNG NGÀNH NĂNG LƯỢNG HYDRO TRÊN

để lái khí cầu Bắt đầu từ chuyến bay bằng khí cầu Hydro đầu tiên ngày 27/8/1784của Jacque Charle tại Pháp

Ở Nga, động cơ ô tô đầu tiên sử dụng Hydro làm nhiên liệu tại Leningrad khi bịĐức bao vây năm 1942 Vào những năm 80, tổ hợp khoa học kỹ thuật hàng khôngmang tên A.N.Tupolev đã chế tạo ra chiếc máy bay TU -155 đầu tiên sử dụng nhiênliệu được làm lạnh – Hydro lỏng và khí thiên nhiên hóa lỏng

Hiện nay, ngành năng lượng Hydro quy mô lớn đang được quan tâm nhiều hơn,đặc biệt ứng dụng trong ngành giao thông vận tải Hydro có nhiều ưu việt để làmnhiên liệu cho các phương tiện vận tải và ngành công nghiệp ô tô đang tích cực thamgia vào việc sử dụng Hydro

Tuy nhiên, các nghiên cứu, thiết kế, chủ doanh nghiệp và các nhà đầu tư lạihướng sự chú ý đặc biệt vào pin nhiên liệu Các chương trình vũ trụ của Mỹ và Liên

Xô đã áp dụng loại pin này trong suốt nhiều thập niên qua Pin nhiên liệu làm dẫnđộng cho ô tô tải và ô tô khách đang được nghiên cứu triển khai thành công cho cácphương tiện vận tải thế hệ tiếp theo kể cả cho các hệ thống cung cấp điện độc lập

Năm 1960, công ty general electric đã sản xuất ra hệ thống cung cấp điện bằngpin nhiên liệu cho tàu vũ trụ Apolo của NASA và sau đó là hàng loạt tàu vũ trụ khác

Ngày nay hầu hết tàu con thoi và các trạm nghiên cứu không gian của NASA đềuđược các pin nhiên liệu cung cấp (vì trên tàu không gian, hydro và oxi không đượcmang theo sẵn, mà pin nhiên liệu hydro có nước thải là nước siêu sạch cung cấp làmnước uống cho các phi hành gia).

Ở Mỹ, Đức, Nhật Bản, Canada đã xây dựng và khai thác các trạm nạp hydro cho ô

tô Ô tô sử dụng nhiên liệu hydro sẽ trở nên phổ biến, thay thế cho xăng dầu hiệnnay Chúng ta có thể hy vọng vào tương lai với hệ thống giao thông sạch nhờ hydro

Trạm nạp hydro cho xe hơi của Honda

Nhật Bản là quốc gia khá đầu tư cho loại năng lượng này Họ xây dựng được các trạm phát điện hydro và sản xuất ra các máy phát điện hydro nhỏ sử dụng trong các hộ gia đình Theo kế hoạch đến năm 2015 hãng Panasonic của Nhật sẽ bán ra khoảng 60 đến 100 nghìn máy phát điện mỗi năm và tăng dần để hạ giá thành sản phẩm giúp người tiêu dùng dễ dàng tiếp cận hơn Chính phủ Nhật cũng rất hỗ trợ dự

án này Họ sẵn sàng hỗ trợ 1 nữa kinh phí cho mỗi dự án trạm điện hydro

Phân xưởng lắp ráp máy phát điện hydro tại Nhật Bản

Tương tự như với Nhật Bản, các dự án về hydro sẽ không thể thực được nếukhông có sự hỗ trợ từ Chính phủ Từ năm 1995, theo chương trình nghiên cứu chếtạo thử nhằm tạo các kiểu động cơ mới nói trên, chính phủ Mỹ đã tài trợ 1,7 tỷ USD.Phần lớn trong khoản tải trợ nhằm tạo ra các loại ô tô sử dụng pin nhiên liệu Trước

đó xuất hiện nhiều các ô tô chạy bằng hydro liên kết về hóa học trong rượumethanol Ô tô đầu tiên chạy bằng pin năng lượng được hãng Daimler – Benz trìnhdiễn vào năm 1994 Đến năm 2000 đã hoàn thiện mẫu ô tô bình chứa 100 lít hydrolỏng đảm bảo cho công suất động cơ điện 74 mã lực, tốc độ tối đa 160 km/h, đủ chohành trình 450 km Đến năm 2004, loạt ô tô con đầu tiên chạy băng pin năng lượngbằng hydro lỏng được hãng Ford Focus cho ra xưởng Hãng ô tô Toyota – Nhật cũngbắt đầu đưa ra hàng loạt ô tô đầu tiên với pin năng lượng bằng hydro lỏng với giá rấtcao 75 nghìn USD 1 chiếc Cho đến ngày nay, rất nhiều loại ô tô sử dụng năng lượng

từ hydro ra đời và có nhiều cái biến tốt hơn trước, đó là những ô tô sạch về sinh thái.

2.1.2 Hợp tác quốc tế

Không chỉ dừng lại ở việc phát triển ngành năng lượng hydro trong phạm vi mộtquốc gia, mà các nước có lịch sử phát triển ngành này đã mở rộng ra thế giới, điềunày cho thấy tầm quan trọng của năng lượng hydro

Tháng 3 năm 2003, bộ năng lượng Mỹ đã khởi động các công trình theo chươngtrình “sáng kiến về hydro – nguyên tử” nhằm tạo ra trước năm 2015 tổ hợp hydro –nguyên tử về sản xuất hydro bằng lò phản ứng hạt nhân nhiệt độ cao Tháng 7 năm

2003 Thượng Viện Mỹ đã cấp ngân sách cho sáng kiến về hydro – nguyên tử gấp 2lần so với đề nghị của chính quyền tổng thống Mỹ

Tháng 6 năm 2003 tại kỳ học của cơ quan năng lượng quốc tế, bộ trưởng nănglượng Mỹ Spencer Abraham đã tuyên bố rằng sau 20 năm nữa toàn thế giới (cácnước phát triển) sẽ chuyển sang loại nhiên liệu mới chạy động cơ, thí dụ, hydro.Trong suốt 5 năm nghiên cứu triển khai động cơ chạy băng hydro Mỹ đã chi 1,7 tỷ