giáo trình bài giảng công nghệ xanh

q Năng lượng địa nhiệt được tận dụng từ bên dưới bề mặt trái đất, sản xuất một lượng nhỏ chất thải so với nhiên liệu hóa thạch.. q Là loại nhiên liệu lỏng, sử dụng ethanol làm phụ gi

1

Lý do để phát triển năng lượng xanh:

-   Tài nguyên thiên nhiên sử dụng trong quá trình sản xuất năng lượng đang dần cạn kiệt

-   Sử dụng các nguồn năng lượng không tái tạo nên làm tăng chất ô nhiễm

II Năng lượng xanh – Green Energy

Và công nghệ sản xuất

N ă ng l ượng xanh là lĩnh vực nghiên cứu biện pháp sản xuất năng lượng theo hướng giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường

2

-   Môi trường trong sạch hơn, cân bằng CO2

-   Sử dụng các nguồn tài nguyên vô hạn và giàu tiềm năng

II Năng lượng xanh – Green Energy

3

Một sốnguồ n năng lượng xanh đã được phát triển để thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch truyền thồng như năng lượng mặt trời, gió, địa nhiệt, thủy điện…

II Năng lượng xanh – Green Energy

4

II Năng lượng xanh – Green Energy

1   N ă ng l ượng mặt trời

5

-  Năng lượng mặt trời không sản xuất bất kỳ loại khí thải nào, phù hợp đối với các thiết bị cung cấp năng lượng di động và ở quy mô hộ gia đình: hệ thống cung cấp nước nóng, điều hòa nhiệt độ…

-  Nhược điểm: khi sản xuất với quy mô lớn đòi hỏi diện tích lớn để lắp đặt các tấm pin và thiết bị lưu trữ năng lượng

-   Gió được sử dụng để tạo ra năng lượng nhờ hệ thống tuabin kết hợp với thiết bị lưu trữ và hệ thống phân phối

-   Trong một số trường hợp, sản xuất năng lượng gió được ưu tiên hơn so với năng lượng mặt trời vì yêu cầu diện tích đất nhỏ hơn

-   Hệ thống quạt gió lắp đặt ngoài biển có chi phí lắp đặt và chi phí vận hành cao hơn, nhưng cho hiệu quả khai thác lớn

-   Nhược điểm: kích thước tuabin khá lớn nên ảnh hưởng đến cảnh quan

II Năng lượng xanh – Green Energy

2 N ă ng l ượng gió

6

Hệ thống quạt gió

II Năng lượng xanh – Green Energy

2 N ă ng l ượng gió

7

-   Công nghệ này sử dụng chuyển động của nước để quay các tuabin của máy phát điện

-   Ít phát thải chất gây ô nhiễm, được sử dụng phổ biến hơn so với các nguồn năng lượng xanh khác

-   Ngoài vấn đề cung cấp năng lượng, các hồ thủy điện còn có vai trò trong sản xuất nông nghiệp

-   Nhược điểm: ảnh hưởng đến chế độ chảy của các dòng sông, giảm số lượng của một số sinh vật, ảnh hưởng sinh hoạt của người dân trong khu vực xây hồ thủy điện

II Năng lượng xanh – Green Energy

3 Thủy đ iện

8

II Năng lượng xanh – Green Energy

3 Thủy đ iện

9

q   Năng lượng địa nhiệt được tận dụng từ bên dưới bề mặt trái đất, sản xuất một lượng nhỏ chất thải so với nhiên liệu hóa thạch

chưa được khai thác nhiều

để có thể thu năng lượng dễ dàng hơn

II Năng lượng xanh – Green Energy

4 N ă ng l ượng địa nhiệt

10

11

II Năng lượng xanh – Green Energy

4 N ă ng l ượng địa nhiệt

12

-   Một số loại năng lượng hạt nhân được xếp vào loại năng lượng xanh vì chúng phát sinh rất ít chất thải Một lò phản ứng hạt nhân

có thể đốt cháy chất thải hạt nhân của chính mình để sản xuất

năng lượng, dựa trên một quá trình được gọi là chuyển hóa hạt nhân

-   Khả năng cung cấp năng lượng rất lớn và số lượng các sự cố hạt nhân rất ít nhưng con người vẫn còn lo sợ trước những nguy cơ

mà năng lượng hạt nhân mang đến: tai nạn tại nhà máy điện

Fukushima - Nhật Bản, nhà máy Chernobyl – Ukraine …

II Năng lượng xanh – Green Energy

5 N ă ng l ượng hạt nhân

13

II Năng lượng xanh – Green Energy

5 N ă ng l ượng hạt nhân

14

-  Bên cạnh việc phát triển các nguồn n ă ng l ượng mới thì mục tiêu của

ch ươ ng trình n ă ng l ượng xanh là phát triển các công nghệ sử dụng nhiên liệu hóa thạch để nó trở nên thân thiện với môi tr ường h ơ n

-   Công nghệ than sạch: chuyển đổi than thành khí, sau đó đốt khí để thu

n ă ng l ượng Công nghệ này cho phép giảm phát thải khí h ơ n so với đốt

than

Nh ược đ iểm:

-   Chi phí xử lý môi tr ường vẫn còn quá cao

-  Than đá vẫn là nhiên liệu không thể tái tạo được

II Năng lượng xanh – Green Energy

6 Nhiên liệu hóa thạch sạch h ơ n

15

II Năng lượng xanh – Green Energy

7 Nhiên liệu sinh học

16

II Năng lượng xanh – Green Energy

7 Nhiên liệu sinh học

biến (methanol, ethanol)

-   Một số nguyên liệu để sản xuất biodiesel: mỡ cá, h ướng d ươ ng, cải dầu,

cọ, dầu mè, tảo…

-   Nh ược đ iểm:

§   Có thể gây ă n mòn chi tiết động c ơ

§   Tạo cặn trong bình nhiên liệu do đặc tính dễ bị oxy hóa

§   Cần quy hoạch vùng nguyên liệu nếu sản xuất quy mô lớn … 17

v   Có thành phần chính là CH 4 (50-60%) và CO 2 (>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước, N 2 , O 2 , H 2 S, CO …

v   Các chất hữu cơ được phân hủy trong môi trường yếm khí, xúc tác ở nhiệt độ từ 20 - 40ºC, nhiệt trị thấp của

CH 4 là 37,71.10 3 KJ/m 3 , do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí

v   Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí từ sản phẩm dầu mỏ

II Năng lượng xanh – Green Energy

7 Nhiên liệu sinh học Biogas

18

q   Là loại nhiên liệu lỏng, sử dụng ethanol làm phụ gia

q   Phụ thuộc và lượng ethanol sử dụng mà có nhiều loại xăng sinh học: E5, E10, E85…

q   Ethanol được sản xuất từ quá trình thủy phân và lên men các sản phẩm hữu cơ: cellulose, lignocellulose, tinh bột

q   Nguyên liệu phổ biến để sản xuất ethanol: sắn, mật mía, ngô…

q   Nhược điểm:

cơ khi dùng xăng có hàm lượng ethanol lớn hơn 5%

II Năng lượng xanh – Green Energy

7 Nhiên liệu sinh học Biogasoline

19

Đồng thời giải quyết 2 vấn đề:

-   Giảm đáng kể chất thải gây ô nhiễm môi trường

-   Sản xuất nhiên liệu đáp ứng tiêu chuẩn

Khó khăn: lựa chọn công nghệ thích hợp để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và kinh tế

Nguyên liệu: rác thải, lốp xe, dầu ăn phế thải…

Sản phẩm nhiên liệu tái chế:

-   Dầu FO-R

-   Dầu diesel sinh học

II Năng lượng xanh – Green Energy

8 Nhiên liệu tái chế

20

2 PHÂN LOẠI NLSH

21

q  NLSH ở thể rắn: củi, than củi

q  NLSH ở thể lỏng: xăng-sinh-học, diesel-sinh-học… q  NLSH ở thể khí: khí methane sinh học (biogas)

CÔNG NGHIỆP BIOMASS

22

23

CÔNG NGHIỆP BIOMASS – GIẢI PHÁP CHO SỰ PHÁT

TRIỂN BỀN VỮNG

v  Khái niệm Biorefinery hay tạm dịch công nghiệp chế biến

biomass có thể được định nghĩa là tích hợp các quá trình chuyển đổi sinh khối với công nghệ và thiết bị để sản xuất nhiên liệu, năng lượng và hóa chất từ sinh khối [3-8]

v   Nhà máy chế biến biomass có nhiều ưu điểm là sự đa dạng về sản phẩm bằng việc sử dụng các loại sinh khối khác nhau

24

Sự phát triển dạng năng lượng trên thế giới (Prof.Paritus.B- NSTDA)

25

MÔ HÌNH CÔNG NGHIỆP BIOMASS Multi Products from BIOMASS

(e.g Anaerobic Fermentation)

Shigella Formic acid

Lactobacillus Malic acid

•Oxy Fuel Additives

•Phenols and Furfural

Biomass

rắn sinh học, …

lượng: nhiên liệu lỏng, khí tổng hợp,

…

Ưu điểm

Phương pháp chuyển hoá

Thuỷ phân cellulose

Thuỷ phân cellulose

Thuỷ phân enzyme

Hệ thống enzyme

(CBH) (EC 3.2.1.91), quá trình di chuyển dọc

theo chuỗi cellulose và tách ra khỏi đơn vị

cellobiose khi kết thúc

trong đó quá trình thủy phân β-1,4-glucosidic

một cách ngẫu nhiên trong chuỗi cellulose

cellobiose thủy phân thành glucose và cũng tách các đơn vị glucose từ cellooligosaccharides

Hệ thống enzyme

Cơ chế thuỷ phân enzyme

v  Bước 1: Hấp phụ cellulase lên bề mặt của

cellulose

v  Bước 2: Phân hủy sinh học cellulose thanh

đường

- Endoglucanases tấn công các khu vực có

độ kết tinh yếu của sợi cellulose ra các chuỗi tự

Cơ chế thuỷ phân enzyme

Yếu tố ảnh hưởng

v Chất nền : Ở các mức độ thấp, tăng

nồng độ chất nền dẫn đến tăng năng suất và phản ứng tốc độ Tuy nhiên, nồng độ chất nền cao có thể gây ức

chế, làm giảm đáng kể tốc độ của quá trình thủy phân

enzyme và từng loại nguyên liệu khác nhau

swollen cellulose (PASC), cotton,

filter paper (FP), Avicel and bacterial microcrystalline cellulose (BMCC)

Yếu tố ảnh hưởng

- Tăng hàm lượng cellulose sẽ nâng cao năng suất và tốc độ, nhưng sẽ làm tăng chi phí

- Tải trọng enzyme cellulase trong khoảng 7-33 FPU/g chất nền, tùy thuộc vào loại và mức độ pretreatment

- Sử dụng hỗn hợp nhiều loại enzyme

- Thu hồi cellulose từ dung dịch và cặn rắn

Yếu tố ảnh hưởng

v Ức chế hoạt tính cellulose

SSF thường sử dụng là nấm T reesei và nấm men S cerevisiae

Nhiệt độ tối ưu là khoảng 38°C, là nhiệt độ tối

ưu cân bằng cho quá trình thủy phân (45-50°C)

và lên men (30°C)

Yếu tố ảnh hưởng

v Ưu điểm

§  thời gian xử lý ngắn hơn

Yếu tố ảnh hưởng

v Hạn chế

§  nhiệt độ không phù hợp của quá trình thủy phân và lên men

Ø  5: Sự tái sinh các proton và tạo ra các monomer, oligomer hoặc các polymer, tùy thuộc vào mức độ liên kết ete vị bẻ gãy

Xúc tác acid

Xúc tác acid lỏng

HF và 1 vài acid hữu cơ (oxalic, maleic,

furmaric)

Sản phẩm thuỷ phân: glucose và

oligosaccharide

Khi thêm vào CaCl và LiCl với nồng độ HCl

(6-7M) đạt hiệu suất cao (H=85% ở 90°C)

è Các muối có ảnh hưởng tốt tới quá trình

thuỷ phân

Xúc tác acid lỏng

hiện ở thiết bị phản ứng liên tục ở

240oC, thời gian phản ứng ngắn 0,22 phút, đem đến hiệu suất 50%

độ sôi thấp (19,5°C)

è chỉ có 0,05 - 0,1% bị hao hụt

Xúc tác acid rắn

v Ưu điểm so với acid lỏng

Xúc tác acid rắn

v Xúc tác Oxit kim loại

và thậm chí cellulose

Xúc tác acid rắn

v HNbMoO 6 đạt hiệu suất đáng kể cho quá trình thủy phân sucrose,

cellobiose, tinh bột và cellulose

v Hoạt tính cao là do tính acid và khả

Xúc tác acid rắn

v Xúc tác polymer có tính acid

Xúc tác acid rắn

v Acid carbon đầu tiên được tổng hợp

bởi Hara

không hoàn toàn ở nhiệt độ thấp để tạo thành vòng nhỏ carbon thơm

sunfuric để gắn nhóm sulfonic (- SO3H)

Xúc tác acid rắn

v Đặc tính của axit rắn này cho thấy vật liệu carbon bao gồm chức -SO 3 H, -

COOH và nhóm phenolic –OH

v Diện tích bề mặt hiệu quả của vật liệu carbon trong quá trình thủy phân là

khoảng 560 m 2 / g

v Đặc tính ưa nước giúp chuỗi cellulose trong dung dịch tiếp xúc với các nhóm các -SO 3 H trong xúc tác è làm tăng

hoạt tính xúc tác cao

Xúc tác acid rắn

v Chất lỏng ion được xem là dung môi hiệu quả cho quá trình thuỷ phân

v Cellulose có khả năng hòa tan tốt

trong chất lỏng ion cho phép liên kết

dễ dàng hơn với các tâm axit

v Tại 110°C, tổng sản lượng đường đã lên đến 72,7%

Xúc tác acid rắn

v Xúc tác trên chất mang kim loại

biomass do hoạt tính hydro hóa tốt

glucose hỗ trợ bởi xúc tác Ru

và chất xúc tác Ru/CMK-3 được tái sử dụng ít nhất năm lần mà không mất hoạt tính xúc tác hoặc thất thoát Ru

Xúc tác acid rắn

v Xúc tác trên chất mang kim loại

( XC- 72), than hoạt tính (AC) và C60 đã được thử nghiệm

suất glucose là 34% và hiệu suất

oligosaccharide 5%)

thành oligosaccharides và đường

Xúc tác acid rắn

v Xúc tác trên chất mang kim loại

chuyển đổi các oligosaccharides thành glucose

tử Ru trong xúc tác Ru/CMK-3 là

Xúc tác acid rắn

v Xúc tác trên chất mang kim loại

Xúc tác acid rắn

v Xúc tác H-form zeolite

aluminosilicate thường được sử dụng trong hóa dầu

dung dịch

các cation, như H+, Na+, K+, Mg2+

nguyên tử của Si/Al; lượng nguyên tử Al

là tỷ lệ thuận với số lượng các tâm axit Bronsted

Xúc tác acid rắn

v Xúc tác H-form zeolite

với nhiều loại xúc tác acid rắn trong

nước (H-form zeolites với cấu trúc và tỷ

lệ Si/Al khác nhau)

Kết luận: tỷ lệ Si/Al càng thấp (tính acid

càng giảm), hoạt độ càng cao

Giải thích: Điều này có thể do các tâm rất

kỵ nước của zeolit tỷ lệ với Si/Al

Xúc tác acid rắn

v Xúc tác H-form zeolite

cần kết hợp sử dụng một chất lỏng ion làm dung môi để tăng độ tan của

cellulose, cải thiện liên kết giữa

cellulose và zeolit​​

được sử dụng để thúc đẩy tốc độ thủy phân

Hướng phát triển

v Thách thức hiện nay

áp dụng ở công nghiệp vì hiệu suất và tính kinh tế thấp

nhược điểm của acid lỏng (phân tách, tái chế, môi trường) nhưng bị giới hạn

về mức độ truyền khối

Hướng phát triển

v Hướng phát triển

mặt, kích thước lỗ xốp và tính acid của các tâm acid

chất mang và độ ổn định của xúc tác là chìa khoá cho phản ứng

Khí hoá biomass

phân tử có trong nhiên liệu hóa thạch hoặc các chất sinh học thành các phân tử khí đơn giản

khối

diện của không khí hoặc hơi nước ở nhiệt độ

Cơ chế

Phân hủy hydrocarbon hoặc oxygenate

Phân hủy sâu các hydrocarbon tạo

Phản ứng Water gas shift

Hình thành vòng thơm và tiền chất tạo

cốc

Khí hóa CO2

Phản ứng khí hóa hơi nước

Phản ứng Boud- ouard

và khí hóa

Phản ứng khí hóa hydro

Phản ứng water gas shift

Phản ứng nhiệt phân

hóa học của các hợp chất hữu cơ ở nhiệt độ cao không có sự tham gia của oxy hay không khí

than

Phản ứng oxy hoá một phần

cung cấp năng lượng

phản ứng khí khác:

tự động

Phản ứng khí hoá hơi nước

Phản ứng Boudouard và khí hoá

gây tạo cốc trên bề mặt xúc tác

biến.

Phản ứng water gas shift

sử dụng cho hóa dầu

Công nghệ

QT khí hóa CFB, Nyköping, Thụy

Điển

Công nghệ

QT khí hóa FERCO SilvaGas

Xúc tác cho quá trình khí hoá

Xúc tác dolomite

không phù hợp syngas

Xúc tác kim loại kiềm

phân tán

đó

Sử dụng syngas

Phân loại quá trình nhiệt phân

Nhiệt phân

Cơ chế nhiệt phân sinh khối

nguyên liệu;

hoá và bay hơi nhanh;

sự phân huỷ, trong đó thành phần vô

cơ và phân tử hữu cơ ổn định, chịu

nhiệt phân hủy, hình thành char, và

phản ứng thứ cấp diễn ra giữa các sản phẩm nhiệt phân

Cơ chế nhiệt phân sinh khối

Char

nhiệt phân

trồng

nano carbon

Bio-gas (khí sinh học)

ethane, ethene, propane, propylene

và butane

một lượng nhỏ các dẫn xuất khí hữu

cơ có khối lượng phân tử cao hơn (ví

dụ, benzenes) và hơi nước

Bio-oil

màu nâu đen và mùi khói đặc biệt

Xúc tác rây phân tử

v ZSM-5

§  Nhiệt phân lignin

v MCM-41

Xúc tác oxit kim loại

Nhiệt phân xúc tác mùn cưa gỗ thông

nhất, chủ yếu tạo các sản phẩm lỏng

chủ yếu là khí, nước và các sản khác như axit axetic và levoglucosan, cũng như một ít hydrocarbon thơm

Xúc tác oxit kim loại

Nhiệt phân xúc tác hạt sợi bông

nhau

năng lượng , phân phối hydrocacbon

và giảm hàm lượng oxy

(550°C, 30 phút, tốc độ gia nhiệt 70°C/

phút)

Xúc tác oxit kim loại

Nhiệt phân xúc tác gỗ thông

ứng nhiệt phân tầng sôi ở 520°C sử

dụng dòng khí mang nitơ 50 L/phút

với xúc tác CaO

thấp hơn, hợp chất dẫn xuất furfural tăng lên

Xúc tác zeolite biến tính

kim loại

Vật liệu ZSM-5 biến tính kim loại

việc tạo thành cốc

thành cốc (39,2%) trong nhiệt phân nhanh glucose, tuy nhiên, độ chọn lọc sản phẩm chuyển rất nhiều từ các

chất thơm sang các hợp chất chứa oxy không mong muốn

Xúc tác zeolite biến tính

kim loại

Vật liệu ZSM-5 biến tính kim loại

hiệu suất hydrocarbon tuy nhiên hiệu suất khử oxy giảm theo thời gian bởi

sự lắng đọng cốc

Nhiệt phân sinh khối

tự xúc tác

thấy tự nhiên trong sinh khối (kim

loại kiềm và kiềm thổ) có thể gây ra một hiệu ứng xúc tác trong quá trình nhiệt phân

Kết luận

phương pháp đầy hứa hẹn cho việc

sản xuất của cả hóa chất và nhiên liệu tiềm năng

1 KHÁI NIỆM VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC

(NLSH)

108

đốt được tổng hợp từ nguyên liệu động thực vật gọi là sinh-khối

biomass

Chu trình CO2 và khái niệm nhiên liệu sinh học [1]

2 PHÂN LOẠI NLSH

110

q  NLSH ở thể rắn: củi, than củi

q  NLSH ở thể lỏng: xăng-sinh-học, diesel-sinh-học… q  NLSH ở thể khí: khí methane sinh học (biogas)