Chuong 1 2 NĂNG LƯƠNG và NHIÊN LIỆU

Năng lượng sơ cấp primary energy và năng lượng thứ cấp secondary energy: NLSC là năng lượng chứa trong tài nguyên thiên nhiên, từ NLSC, bằng quá trình chuyển hóa NL có thể thu được các c

NHIÊN LIỆU &

NĂNG LƯỢNG MỚI

ENERGY & FUELS

TS Nguyễn Ngọc Dũng

Email: dungnn2@hcmut.edu.vn

Chương 1

Tổng quan

Nguồn năng lượng

Năng lượng sơ cấp (primary energy) và năng lượng thứ cấp (secondary energy): NLSC là năng lượng chứa trong tài nguyên thiên nhiên,

từ NLSC, bằng quá trình chuyển hóa NL có thể thu được các chất mang NL để sử

dụng Các CMNL này gọi là năng lượng thứ cấp (NLTC)

Than Dầu mỏ Khí thiên nhiên

Nhiệt và hơi nưới (Tua-bin để phát điện)

Năng lượng sơ cấp vs NL thứ cấp

Nhu cầu năng lượng

• Tăng dân số

• Phát triển kinh tế

• Đô thị hóa

Phân loại năng lượng

• Năng lượng hóa thạch (Năng lượng không tái tạo)

• Năng lượng tái tạo (Renewable energy)

• Năng lượng thay thế (Alternative energy)

• Năng lượng nguyên tử???

Sử dụng năng lượng năm 2012

• Than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên

• Là nguồn năng lượng không tái tạo (non-renewable energy)

• Thu được thừ nguồn tài nguyên thiên nhiên mang NL, khi chuyển hóa thành chất mang NL để sử dụng, đã tiêu hao mất đi, không còn nữa trong thiên nhiên

Năng lượng không tái tạo

Vấn đề sử dụng năng lượng hóa thạch

• Cạn kiệt nguồn nguyên liệu: trữ lượng, phân bố,

an ninh năng lượng

• Ô nhiễm môi trường: Phát thải CO2, biến đổi khí hậu, các khí khác…

• Địa chính trị

NL Mặt trời

(Cty Intel Viet Nam) (Tuy Phong, Bình Thuận) Năng lượng gió (CT Hóa Nhiệt Xanh) Biomass từ trấu

Năng lượng tái tạo

• Gió, mặt trời, nhiên liệu sinh học và sinh khối

• Năng lượng tái tạo (renewable energy): là dạng NL thu được thừ

nguồn tài nguyên thiên nhiên mang NL, khi chuyển hóa thành chất mang NL để sử dụng

• Tuy đã tiêu hao mất đi, không còn nữa, nhưng sau đó được thiên nhiên bù đắp trở lại để chuyển hóa thành dạng NL mới

Năng lượng tái tạo

- Năng lượng gió

- Năng lượng sông

- Năng lượng đại

dương (sóng, thủy

triều)

- Năng lượng quang

điện và quang điện

hóa học trên cơ sở

năng, điện năng Dạng này cũng có thể được chuyển hóa phức

hợp sang chất mang năng lượng dưới dạng nhiên liệu (khí, lỏng,

rắn) làm nhiên liệu thay thế nhiên liệu từ dầu khí

Phân loại các nguồn năng lượng tái tạo

Đặc điểm năng lượng tái tạo

• Tính ổn định, bền vững cao và tạo điều kiện độc lập về năng lượng

• Sạch, ít gây ô nhiễm và ít phát thải CO2

• Có thể tồn trữ, khai thác, chuyển hóa thành chất mang năng lượng

• Độ tăng năng lượng khi chuyển hóa cao

• Giá thành thấp

Nguồn NLTT tuy phong phú và miễn phí nhưng phân tán đòi hỏi phải đầu tư lớn cho NCKH về kỹ thuật, công nghệ, vật liệu mới chế tạo thiết bị

Năng lượng tái tạo 2008 - 2013

• Tốc độ phát triển năng lượng tái tạo và sản xuất nhiên liệu sinh học giai đoạn 2008 đến 2013

Sử dụng năng lượng tái tạo

• Năng lượng tái tạo dùng cho phát điện

• Năng lượng tái tạo dùng cho lò đốt và sưởi ấm (heating

and cooling)

• Năng lượng tái tạo dùng cho giao thông vận tải (transport)

Năng lượng từ nguồn biomass

Theo đánh giá của Liên Hiệp Quốc trong “World Energy Assessment”: Tổng trữ lượng hóa thạch đã xác minh (proved reserves) trên toàn Thế giới hiện nay là: 778 Gtoe (toe = tonnes of oil equivalent)

+ Dầu mỏ: 143 Gtoe; Khí thiên nhiên: 138 Gtoe; Than: 566 Gteo;

Ví dụ: Mức khai thác và sử dụng của năm 2001:

- Dầu mỏ: 3,51 Gtoe/năm; Khí thiên nhiên: 2,16 Gtoe/năm; Than: 2,26 Gtoe/năm

http:// www.wtrg.com/oil_graphs/oilprice1947.gif

Lịch sử giá dầu thô 1947 - 2011

• Cuộc khủng hoảng lần 1 (1973): Cuộc chiến Trung Đông (Yom Kippur War): Israel

và các nước láng giềng

- Giá dầu: 18 USD/thùng  45-50 USD/thùng

- Khai thác: OPEC 5 triệu thùng/ngày  1 triệu thùng/ngày

• Cuộc khủng hoảng lần 2 (1979): Cuộc chiến tranh Iran-Iraq

- Giá dầu: 50 USD/thùng  100 USD/thùng

- Khai thác: 7,5 triệu thùng/ngày  không có dầu để cung cấp cho Thế giới

Khủng hoảng năng lượng

http://www.nasdaq.com/markets/crude-oil.aspx?timeframe=10y

Thị trường năng lượng cuối 2014, đầu 2015

• Khủng hoảng Uckraina với Nga, Nga với Mỹ, Nga với liên minh Châu Âu

• Vũ khí “kinh tế năng lượng”

• Công nghệ mới??? Dầu đá phiến?

• Nền kinh tế thế giới suy thoái trầm trọng (Mỹ - Châu âu – Một số nước Châu Á)  Nhu cầu tiêu thụ năng lượng giảm

• Nhiều nước cắt giảm nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ  Thay thế những dạng năng lượng tái tạo như: Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sinh học,…

• Nguy cơ mất an ninh năng lượng đe dọa đến sự phát triển ổn định của các nền kinh tế thế giới vẫn đang là mối lo của nhiều quốc gia

• Kinh tế Nga cuối năm 2014, đầu năm 2015

Khủng hoảng năng lượng

• Sản phẩm của việc đốt cháy năng lượng có nguồn gốc hóa thạch

• Khí gây hiệu ứng nhà kính bao gồm:

• Hơi nước (không bao gồm mây): 36-37%;

• CO2: 9-26%;

• CH4: 4-9% (gấp hơn 23 lần so với CO 2 trong việc tạo ra GHG)

Tuy nhiên, do hàm lượng của hơi nước và các khí nhà kính khác chỉ chiếm khoảng 10% trong khi hàm lượng CO2 trong khí quyển chiếm đến 90% nên tác nhân gây ra hiệu ứng nhà kính do CO2 trong khí quyển gây ra được xem là chủ yếu

Phát thải CO2 và hiệu ứng nhà kính

http://www.climatechoices.org.uk/pages/cchange3.htm

Tăng CO2 và tăng nhiệt độ trái đất

Do tự nhiên: Các khí nhà kính như

CO2, CH4, N2O,…được tích trữ tự nhiên trong lớp khí quyển của trái đất từ sự bức xạ mặt trời Các khí này gây hiệu ứng nhà kính

Do hoạt động của con người:

Việc đốt cháy nhiên liệu từ dầu thô gây gia tăng khí nhà kính và hiệu ứng nhà kính Kết quả là gây nên hiện tượng ấm lên của trái đất và làm biến đổi khí hậu rất đáng ngại

Hiệu ứng nhà kính

• Thuật ngữ global warming và climate change thường được dùng

để chỉ khái niệm biến đổi khí hậu

• Global warming (hiện tượng ấm lên toàn cầu) là sự gia tăng nhiệt

độ trung bình của trái đất do sự gia tăng tích tụ nhiệt từ khí nhà kính

như CO2 và CH4 trong môi trường khí quyển Dựa trên nhiệt độ của khí quyển và bề mặt trái đất ước tính từ hành nghìn vị trí khác nhau,

và đo đạc từ các vệ tinh, các nhà khoa học đã xác định nhiệt độ trung bình của trái đât gia tăng khoảng 0,8ºC/năm kể từ 1880

• Climate change (hiện tượng biến đổi khí hậu) là thuật ngữ phổ biến hơn nhằm chỉ sự thay đổi các yếu tố về khí hậu (như nhiệt độ và lượng mưa). Các sự thay đổi này xảy ra tương ứng với hiện tượng ấm lên toàn cầu và các yếu tố khác theo các tỷ lệ khác nhau / các kịch bản khác nhau

Biến đổi khí hậu (climate change)

Nguồn phát thải khí nhà kính

1 Phân tích vai trò của năng lượng đối với sự phát triển kinh tế, xã hội của thế giới?

2 Phân tích nhược điểm khi sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch?

3 Phân loại các nguồn năng lượng tái tạo?

4 Phân tích ảnh hưởng của khủng hoảng năng lượng đến nền kinh tế thế giới?

5 Phân tích nguyên nhân giá dầu thô giảm mạnh từ cuối năm 2014 đến đầu năm 2015? Cho biết nhận định của anh/chị về vấn đề này

6 Giải thích hiện tượng hiệu ứng nhà kính? Giải thích các vấn đề liên quan đến biến đổi khí hậu?

7 Phân tích nguyên nhân gây ra biến đổi khí hậu?

Câu hỏi

Chương 2 Giới thiệu chung và Thành

phần hóa học dầu mỏ

Giới thiệu chung về

dầu mỏ

Giới thiệu chung

• Năng lượng dầu mỏ và khí là tài nguyên hóa thạch, là năng lượng không tái tạo

• Dầu mỏ đã được sử dụng cách đây 4000 năm để xây dựng các bức

tường Babylon Vào thế kỷ thứ tư, người Trung Quốc đã từng khoang những giếng sâu 200m và khai thác dầu thông qua những ống tre

• 1848 đã có những ống khoang công nghiệp đầu tiên khai thác dầu ở

Nguồn gốc vô cơ

• Cuối thế kỷ 19, nhà hóa học người Nga Dmitri Ivanovich Mendeleev đưa ra lý thuyết vô cơ giải thích sự hình thành dầu mỏ

• Dầu mỏ phát sinh từ phản ứng hóa học giữa cacbua kim loại với nước tại nhiệt độ cao ở sâu trong lòng đất tạo thành các hydrocarbon và sau đó bị đẩy lên trên

• Năm 1866, Berthelot đã tiến hành các quá trình tổng hợp được các chất hydrocarbon thơm từ axtylen ở nhiệt độ cao với sự có mặt của xúc tác

Nguồn gốc vô cơ

• Năm 1901, Sabatier và Sendereus tiến hành phản ứng hydro hóa axetylen trên xúc tác niken và sắt ở nhiệt độ trong

thành phần dầu mỏ

• Giả thiết này gặp một số hạn chế:

• Hàm lượng các hợp chất cacbua trong lòng đất thì hạn chế, trong khi dầu mỏ tìm được càng nhiều

• Các phản ứng tạo hợp chất thơm và các hợp chất thành phần đòi hỏi nhiệt độ cao, trong khi thực tế nhiệt độ đạt

Nguồn gốc hữu cơ

Dầu mỏ được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc hữu cơ, cụ thể là từ xác chết của động thực vật và trải qua một quá trình biến đổi phức tạp trong một thời gian dài (hàng chục đến hàng trăm triệu năm) dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau như vi khuẩn, nhiệt độ, áp suất và xúc tác có sản trong lòng đất và đôi khi còn có sự tác động của các bức xạ do sự phóng xạ ở trong lòng đất

Dầu và khí – Vàng đen

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ce/Oil_well.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Moscow_traffic_congestion.JPG

NASA

en.wikipedia.org/wiki/Image:Ceratium_hirundinella.jpg

Nguồn gốc hữu cơ (Plankton)

• Hầu hết dầu và khí được hình thành từ thực vật và động vật nhỏ sống ở đại dương hóa thạch>>>năng lượng/nhiên liệu hóa thạch

Nguồn gốc hữu cơ (Plankton)

serc.carleton.edu/images/microbelife/topics/red_tide_genera.v3.jpg

© Miriam Godfrey Dinoflagellate bloom

• Hầu hết sinh vật trôi nổi có

thể tìm tại các khu vực biển

sâu, đặc biệt khi nước sâu

Bề mặt đáy biển

Sea bed

upload.wikimedia.org/wikipedia/en/0/04/Plankton.jpg

•Khi các sinh vật trôi nổi chết

đi, nó lắng xuống mặt biển và

tạo thành nấm hữu cơ

Bề mặt đáy biển

Sea bed

upload.wikimedia.org/wikipedia/en/0/04/Plankton.jpg

• Tuy nhiên, nếu thiếu ô xy,

các sinh vật biển không sống

được, các nấm hữu cơ sẽ tích

tụ lại trên bề mặt

• Khi lớp cặn có hơn 5% chất

hữu cơ, nó hình thành lớp đá

và được gọi tên là đá phiến

Sự phân hủy dưới đáy biển

Do sự thay đổi nhiệt đột, các chất hữu

cơ biến đổi đầu tiên thành kerogen, là một dạng cứng của hydrocarbon

Nhiệt độ khoảng 90°C, nó chuyển thành dạng lỏng, và chúng ta gọi là dầu

Khoảng 150°C, nó biến thành thể khí

Sự phân hủy dưới đáy biển

www.diveco.co.nz/img/gallery/2006/diver_bubbles.jpg

• Dầu nóng và khí không bám

chặt vào khu vực nguồn đá, nơi

nó được sản sinh ra

• Dầu và khí di chuyển lên phía

trên bề mặt đá tương tự như

bong bón nổi lên trên mặt

nước

Rising oil

Trái đất thời đại trung sinh

• Khoảng 150 triệu năm trước, hình thành các đá phiến sét

• Khu vực chứa dầu trên trái đất hình thành trong khu vực biển cạn tại đó sinh vật biển phát triển bùng nổ nhưng nước ở phía dưới thiếu ô xy

Nguồn dầu biển bắc

•The Kimmeridge Clay is a Black Shale with up to 50% organic matter It is the main source rock for the North Sea Oil & Gas Province

© Ian and Tonya West

Túi chứa dầu (Oil traps)

tạo thành mái vòm và bao

quanh bởi đá không thấm qua

được, khu vực này gọi là khu

vực giữ dầu

• http://earthlearningidea.com

Đá giữ dầu (Reservoir rock)

• Tầng thấm quá được của dầu được gọi là Reservoir Rock

• Reservoir rocks có rất nhiều các lỗ liên kết với nhau và được gọi là cá lỗ chứa dầu như tương tự như bọt biển Khi dầu di chuyển điền đầy các lỗ thấm (dầu điền vào các lỗ có màu đen)

Khai thác: Khảo sát địa chấn

• Khảo sát địa chất thường được dùng để xác định cấu trúc dưới lòng đất có cấu trúc tương tự như đá để tìm dầu và khí

• Sóng xung kích được phát vào lòng đất Các phản xạ trở lại của đá và bất cứ cấu trúc vòm nào cho ta biết khu vực đó có thể chứa dầu

Earth Science World Image Bank Image #h5inpj Earth Science World Image Bank Image #h5inor

Drill here!

Khai thác: khoan thăm dò

• Khi xác đinh vị mỏ dầu,

chúng ta sẽ khoan các lỗ để

thăm dò

• Giá thành của mỗi lần khoan

rất mắc, một mũi khoan ở

ngoài biển trị giá khoảng

$10,000 cho mỗi mét khoan

xuống

• Đây là các khoản đầu tư rủi ro

lớn Các công ty thăm dò có

thể chịu các khoản lỗ lớn nếu

Tăng khả năng thu hồi dầu

• Mặc dầu dầu và khí có tỉ

trọng nhỏ hơn nước và thường

nổi lên trên mặt nước, trong

xảy ra như vậy

• Để tăng khả năng thu hồi

dầu, người ta khoan thêm một

lỗ gần lỗ trên đỉnh và bơm hơi

xuống Hơi nóng sẽ giúp đẩy

dầu ra từ đá và đẩy lên trên bề

mặt

© California Department of Conservation

United States Geological Survey

Nhà máy lọc dầu

• Trước khi sử dụng, dầu mỏ phải được tinh luyện

• Quá trình chưng cất dầu mỏ tạo ra các sản phẩm dầu và khí khác nhau

Lịch sử công nghiệp dầu khí

en.wikipedia.org/wiki/Image:Abraham_Gesner.gif

en.wikipedia.org/wiki/Image:Oilfields_California.jpg

Abraham Gesner (1797-1864)

Californian oil gusher

en.wikipedia.org/wiki/Image:Lucas_gusher.jpg

• Kỷ nguyên dầu khí hiện

đại bắt đầu từ năm 1846

khi Gesner hoàn thiện quá

trình chưng cất parafin

• Việc này đã làm cho việc

sản xuất dầu mỏ phát triển

vượt bậc trên toàn thế

giới

• California là trung tâm

của các hoạt động khai

thác và chế biến dầu mỏ

vào những năm đầu thập

niên 1900s, nổi tiếng với

các giếng dầu phun

Lịch sử công nghiệp dầu khí

• Nhu cầu năng lượng chưa bao giờ gia tăng, ngoại trừ sự gia tăng do sự phát triển của nền kinh tế Trung Quốc

• 84% dầu thô chưng cất sử dụng làm nhiên liệu cho xe và máy bay

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Shellgasstationlosthills.jpg blogs.sun.com/richb/resource/NBC_at_the_Pump.jpg

Các nước sản xuất dầu chính - OPEC

• Organization of the Petroleum Exporting Countries (OPEC) là một nhóm gồm 13 quốc gia sản xuất 36% tổng số dầu trên thế giới, khoảng 32 triệu thùng / ngày

United Arab Emirates, Kuwait and Venezuela cũng là các nhà sản xuất chính

en.wikipedia.org/wiki/Image:Opec_Organization_of_the_Petroleum_Exporting_Countries_countries.PNG

Các nước sản xuất dầu khác

• Organization for Economic Co-operation and Development

Nguồn cung và nhu cầu

• Năm 2007, 80 triệu thùng/ngày, tổng lượng tiêu thụ tăng 1.2 triệu thùng/ngày

• Mỹ tiêu thụ 24% tổng sản lượng dầu thế giới Tuy nhiên, lượng tiêu thụ dầu của Trung Quốc tăng từng năm Trung Quốc góp phần lớn vào việc tăng nhu cầu năng lượng thế giới

• Các quốc gia OPEC và OECD chỉ có thể tăng sản lượng đến 2.5 triệu thùng/ngày

en.wikipedia.org/wiki/Image:OilConsumptionpercapita.png

Oil consumption per person (darker reds indicate higher usage)

Nguồn cung và nhu cầu

• Năm 1956, Hubbert dự đoán sản lượng sản xuất dầu đạt cực đại vào năm 2000 và sẽ tạo ra khủng hoảng năng lượng làm tăng đột biến giá năng lượng

en.wikipedia.org/wiki/Image:Hubbert_peak_oil_plot.svg en.wikipedia.org/wiki/Image:Hubbert.jpg

Hubbert (1903-1989)

Era of energy crisis

Giá dầu thô

• Giá dầu tăng vọt và đạt đỉnh $139 vào tháng 6/2008

• Việc gia tăng giá dầu có phải do việc đạt cực đại mức sản xuất hay do vấn đề chính trị, kinh tế nào khác?

http://www.fedprimerate.com/nymex-crude-oil-price-history-chart.htm

Thành phần hóa học

dầu mỏ

Cấu tạo hóa học

Dầu thô

en.wikipedia.org/wiki/Image:Petroleum.JPG

• Là hỗn hợp phức tạp của các loại hydrocarbon khác nhau

• Một hydrocarbon là một phân tử lớn Thành phần cấu tạo

sẽ bao gồm các phân tử hydro trên mạch carbon

• Từ dầu thô: rắn, lỏng, khí