Tổng quan về biohydrogen

Chương 2: Các dạng năng lượng dụng ngày càng cao và sự thay đổi khí hậu, giá dầu tăng làm thay đổi giá lương thực cần thiết cho cuộc sống của chúng ta [15]. Kết quả khảo sát của các tổ chức quốc tế cho thấy, tốc độ phát triển công nghiệp toàn cầu đang suy giảm do giá dầu tăng như ở Mỹ, EU, các nước Châu Á. Nước ta cũng không đứng ngoài xu thế này. Trữ lượng dầu hoả ở các mỏ dầu có giới hạn và sẽ kiệt quệ trong tương lai (khoảng năm 2100). Hình 2.4 Sự thay đổi giá dầu thô qua từng thời kì Quy định của thỏa hiệp Kyoto (1997) về việc giảm lượng khí CO2 sa thải đã tạo nên áp lực về chính trị đòi hỏi phài tìm được nguồn nhiên liệu thay thế. [10] 2.2 Năng lƣợng tái sinh Trong cách nói thông thường, năng lượng tái sinh hay năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con người thì là vô hạn. Vô hạn có hai nghĩa: hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (thí dụ như năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (thí dụ như năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế IEA (International Energy Agency), năng lượng tái sinh được định nghĩa là năng lượng có nguồn gốc từ quá trình tự nhiên và được bổ sung liên tục. Năng lượng tái sinh xuất phát trực tiếp từ mặt trời, hay từ nhiệt sinh ra sâu bên trong trái đất. Có nghĩa là điện và nhiệt sinh ra từ gió, mặt trời, biển, thuỷ điện, sinh khối, các nguồn địa nhiệt, nhiên liệu sinh học và hydro thu được từ các nguồn tài nguyên có khả năng tái sinh.[1] 5 Chương 2: Các dạng năng lượng Hinh 2.5 Một số dạng năng lượng tái sinh  Các dạng năng lƣợng tái sinh Năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ bức xạ Mặt Trời [20] Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất. Trái Đất sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời. Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa. Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng. Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống. Trong tương 6 Chương 2: Các dạng năng lượng lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn. [20] Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được. Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này. Thế năng của nước mưa có thể được dự trữ tại các đập nước và chạy máy phát điện của các công trình thủy điện. Một dạng tận dụng năng lượng dòng chảy sông suối có trước khi thủy điện ra đời là cối xay nước. Dòng chảy của biển cũng có thể làm chuyển động máy phát của nhà máy điện dùng dòng chảy của biển. Dòng chảy của không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuốc bin gió. Trước khi máy phát điện dùng năng lượng gió ra đời, cối xay gió đã được ứng dụng để xay ngũ cốc. Năng lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển. Chuyển động này có thể được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển. [20] Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời. Đại dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày. Sự chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển. Khi nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời làm bốc hơi nước biển, một phần năng lượng đó đã được dự trữ trong việc tách muối ra khỏi nước mặn của biển. Nhà máy điện dùng phản ứng nước ngọt - nước mặn thu lại phần năng lượng này khi đưa nước ngọt của dòng sông trở về biển. Năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ nhiệt năng của Trái Đất [20] Nhiệt năng của Trái Đất, gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái Đất có được thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng. Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái Đất, gây ra hiện tượng di dời thềm lục địa và sinh ra núi lửa. Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái Đất sẽ tắt dần và nhiệt độ lòng trái Đất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ của mặt Trời. 7 Chương 2: Các dạng năng lượng Hình 2.6 Mô hình năng lượng địa nhiệt Địa nhiệt dù sao vẫn có thể là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa, trong các lĩnh vực như: nhà máy điện địa nhiệt, sưởi ấm địa nhiệt. Năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ hệ động năng Trái Đất – Mặt Trăng [20] Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái Đất gây ra bởi Mặt Trăng, cộng với trường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy quyển Trái Đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái Đất và thạch quyển Trái Đất). Hình elipsoit này cố định so với đường nối Mặt Trăng và Trái Đất, trong khi Trái Đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển trên một điểm của bề mặt Trái Đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều. Hình 2.7 Mô hình máy phát điện dựa vào năng lượng thủy triều 8 Chương 2: Các dạng năng lượng Sự nâng hạ của nước biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trong các nhà máy điện thủy triều. Về lâu dài, hiện tượng thủy triều sẽ giảm dần mức độ, do tiêu thụ dần động năng tự quay của Trái Đất, cho đến lúc Trái Đất luôn hướng một mặt về phía Mặt Trăng. Thời gian kéo dài của hiện tượng thủy triều cũng nhỏ hơn so với tuổi thọ của Mặt Trời. Tuy nhiên nguồn năng lượng này cũng được coi là vô hạn đối với con người.[1], [4] Bảng 2.1 Các nguồn năng lượng tái sinh Nguồn năng lƣợng Quy mô tiềm năng (TWh/năm) Lựa chọn chuyển đổi năng lƣợng Quang điện Nhiệt điện Máy nước nóng năng lượng mặt trời Phát điện quy mô lớn, nhỏ Máy bơm nước Mặt trời 12.000 – 40.000 Gió 20.000 – 40.000 Sóng biển 2.000 – 4.000 Thủy triều > 3.500 Địa nhiệt 4.000 – 40.000 Nước nóng Nham thạch Sinh khối 8.000 – 20.000 Đốt, khí hóa, nhiệt phân, cho nhiệt và điện nhiên liệu sinh học Nhiều dạng thiết kế Đập nước Sóng thủy triều 9 Chương 2: Các dạng năng lượng 2.3 Tầm quan trọng của nhiên liệu sinh học Ngày nay thế giới đang phải đối mặt với 3 vấn đề quan trọng đó là giá nhiên liệu ngày càng tăng, khí hậu thay đổi và ô nhiễm không khí. Trong đó có vài vấn đề quan trọng cần được giải quyết trên phương diện toàn cầu là sự khủng hoảng về năng lượng, nguồn năng lượng tái tạo ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm môi trường toàn cầu. Những thảo luận về nhiên liệu sinh học bao gồm những nguyên nhân ổn định năng lượng, mối quan tâm về môi trường, những vấn đề kinh tế xã hội có liên quan đến vùng nông thôn. Sự khác biệt lớn nhất giữa nhiên liệu sinh học và xăng dầu là hàm lượng oxi, các loại nhiên liệu sinh học có mức oxy từ 10% đến 45% trong khi xăng, dầu về bản chất không có, những tính chất hóa học của nhiên liệu sinh học rất khác biệt so với xăng, dầu. Gần đây sự thay đổi của khí hậu và việc bảo vệ nguồn năng lượng cùng một số vấn đề khác đang được quan tâm nên những nghiên cứu về nhiên liệu sinh học ngày càng tăng. Nhiên liệu sinh học có khả năng làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Nó cũng có khả năng làm giảm khí nhà kính trong khí quyển mặc dù khả năng này vẫn có nhiều tranh cãi và phụ thuộc vào các nhân tố khác bao gồm loại cây trồng sử dụng và lựa chọn quá trình lên men. Nhưng nhiên liệu sinh học có khả năng phát triển trong tương lai. Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá...) [10] 2.4 Tổng quan về nhiên liệu sinh học 2.4.1 Giới thiệu Nhiên liệu sinh học là một nguồn năng lượng tái tạo bao gồm các nhiên liệu được sản xuất từ những nguyên liệu tự nhiên (sinh khối). Thuật ngữ này bao gồm sinh khối rắn, nhiên liệu lỏng và các loại gas sinh học khác nhau. Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động - thực vật và một số sản phẩm phụ của chúng (sinh học). Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, ...), ngũ cốc (lúa mỳ,ngô, đậu tương...), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân, ...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải...)... [21] 10