Đề tài Công nghệ xanh và năng lượng sạch hạt nhân, địa nhiệt, Fuel Cell

Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh    Bài Tập Lớn Môn Môi Trường Và Con Người Đề Tài: CÔNG NGHỆ XANH VÀ NĂNG LƯỢNG SẠCH HẠT NHÂN, ĐỊA NHIỆT, FUEL CELL Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh Các thành viên của nhóm: 1. Lê Quốc Trí G1003578 2. Trương Quốc Dũng 51100649 3. Phạm Võ Trọng Ân 51200154 4. Tăng Kiến An 51200024 5. Phạm Đăng Khoa 81201717 6. Hồ Thanh Lâm 81201835 7. Nguyễn Tuấn Anh 81200095 8. Lê Đức Toàn 81203913 1 MỤC LỤC I. Công nghệ xanh và năng lượng sạch: ..............................................................2 1. Công nghệ xanh: ..........................................................................................2 2. Năng lượng sạch: .........................................................................................2 II. Ứng dụng cộng nghệ xanh và năng lượng sạch:............................................2 1. Tế bào nhiên liệu (fuel cell): ........................................................................2 a) Định nghĩa: ..............................................................................................3 b) Cấu tạo .....................................................................................................4 c) Nguyên lý hoạt động: ...............................................................................4 d) Phân loại: .................................................................................................5 e) Ứng dụng: ................................................................................................7 f) Vấn đề môi trường: ..................................................................................8 2. Năng lượng địa nhiệt: ..................................................................................9 a) Khái niệm về địa nhiệt năng: ..................................................................9 b) Tác động môi trường: .............................................................................12 c) Kinh tế: ....................................................................................................12 d) Triển vọng khai thác và sử dụng điện địa nhiệt ở Việt Nam: ...............13 3. Năng lượng hạt nhân: ..................................................................................14 a) Khai thác: ................................................................................................14 b) Sử dụng và tái sử dụng: ..........................................................................14 c) Tác động môi trường: ..............................................................................15 2 I. Công nghệ xanh và năng lượng sạch: 1) Công nghệ xanh: Công nghệ xanh là một khái niệm mới của con người trước nguy cơ ô nhiễm toàn cầu. Đây là một nỗi ưu tư lớn của những nhà làm khoa học chân chính nhằm mục đích cổ suý việc tạo dựng và tiêu dùng năng lượng qua chiều hướng phát thải phế thải không độc hại hay ít độc hại ngõ hầu hạn chế được vấn nạn hâm nóng toàn cầu hiện tại. Từ suy nghĩ đó, họ luôn luôn nghĩ đến phương cách, quy trình mới, sáng tạo và cải tiến các công nghệ cũ trở thành công nghệ xanh để bảo vệ môi trường chung cho thế giới. Mục tiêu của chiều hướng giải quyết vần đề qua khái niệm công nghệ xanh gồm nhiều lãnh vực căn bản liệt kê như sau: - Phát triển bền vững bằng những công nghệ thân thiện với môi trường (friendly), không làm tổn hại đền nguồn tài nguyên thiên nhiên hay ảnh hưởng nguy hại đến những thế hệ tương lai. - Tạo dựng một chu trình kín trong sản xuất, nghĩa là phế phẩm của một quy trình sẽ là nguyên liệu của một quy trình sản xuất khác. - Giảm thiểu tối đa phế thải độc hại và tăng cường khả năng tái tạo sản phẩm cũ thành nguyên liệu mới. - Trong nông nghiệp, sáng tạo công nghệ mới thay vì sư dụng phân bón và hoá chất. - Một trong những lãnh vực quan trọng nhất cần phải nêu ra là lãnh vực năng lượng. Công nghệ xanh đòi hỏi cần phải sử dụng năng lượng hợp lý hoặc giảm thiểu hầu bảo vệ mội trường thiên nhiên. - Hóa học xanh cũng là một yếu tố quan trọng góp phần vào việc giải quyết công nghệ xanh. 2) Năng lượng sạch: Là nguồn năng lượng không có chất thải hoặc có chất thải nhưng không gây ô nhiễm bầu không khí và ô nhiễm nguồn nước hoặc không ảnh hưởng tới môi trường sống của con người và hệ sinh thái. Ví dụ như điện, gió, năng lượng mặt trời là những nguồn năng lượng sạch. II. Ứng dụng cộng nghệ xanh và năng lượng sạch: 1) Tế bào nhiên liệu (fuel cell): 3 a. Định nghĩa: Các tế bào nhiên liệu (tiếng Anh: fuel cell), hay còn gọi là "pin nhiên liệu", biến đổi năng lượng hóa họccủa nhiên liệu, thí dụ như là hiđrô, trực tiếp thành năng lượng điện. Không giống như pin hoặc ắc quy, tế bào nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có khả năng tích điện. Tế bào nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu (hiđrô) và chất ôxi hóa (ôxy) được đưa từ ngoài vào. Pin nhiên liệu là loại thiết bị năng lượng có mức thải ô nhiễm gần như "bằng 0", thân thiện với môi trường tuy nhiên giá thành của nó không hề nhỏ * Lịch sử  Năm 1839 nhà khoa học tự nhiên người xứ Wales Sir William Robert Grove đã chế tạo ra mô hình thực nghiệm đầu tiên của tế bào nhiên liệu, bao gồm hai điện cựcplatin được bao trùm bởi hai ống hình trụ bằng thủy tinh, một ống chứa hiđrô và ống kia chứa ôxy. Hai điện cực được nhúng trong axít sulfuric loãng là chất điện phân tạo thành dòng điện một chiều. Vì việc chế tạo các hệ thống tế bào nhiên liệu quá phức tạp và giá thành đắt, công nghệ này dừng lại ở đấy cho đến thập niên 1950.  Thời gian này ngành du hành vũ trụ và kỹ thuật quân sự cần dùng một nguồn năng lượng nhỏ gọn và có năng suất cao. Các tàu du hành vũ trụ và tàu ngầm cần dùng năng lượng điện không thông qua động cơ đốt trong. NASA đã quyết định dùng cách sản xuất điện trực tiếp bằng phương pháp hóa học thông qua tế bào nhiên liệu trong các chương trình du hành vũ trụ Gemini và Apollo. Các tế bào nhiên liệu sử dụng trong chương trình Gemini được NASA phát triển vào năm 1965. Với công suất khoảng 1 kW các tế bào nhiên liệu này đã cung cấp đồng thời điện vànước uống cho các phi hành gia vũ trụ. Các tế bào nhiên liệu của chương trình Gemini chỉ dài 60 cm và có đường kính là 20 cm.  Công việc nghiên cứu về công nghệ tế bào nhiên liệu không phải bị ngưng đến thập niên 50 của thế kỷ 20 mà nó vẫn được tiếp tục phát triển để hoàn thiện.  Nhờ chế tạo được các màng (membrane) có hiệu quả cao và các vật liệu có khả năng chống ăn mòn hóa học tốt hơn và cũng nhờ vào công cuộc tìm kiếm một nguồn năng lượng thân thiện môi trường cho tương lai tế bào nhiên liệu được phát triển mạnh vào đầu thập niên 1990. Thông qua đó việc sử dụng tế bào nhiên liệu dành cho các mục đích dân sự đã trở thành hiện thực. Ngày nay khả năng sử dụng trải dài từ vận hành ô tô, sưởi nhà qua các nhà máy phát điện có công suất hằng 100 kW cho đến những ứng dụng bé nhỏ như trong điện thoại di động hoặc máy vi tính xách tay. 4 b. Cấu tạo: Một tế bào nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm trên nhau. Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu (cực dương), lớp thứ hai là chất điện phân dẫn ion và lớp thứ ba là điện cực khí ôxy (cực âm). Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kim loại, than chì, ...). Chất điện phân được dùng là nhiều chất khác nhau tùy thuộc vào loại của tế bào nhiên liệu, có loại ở thể rắn, có loại ở thể lỏng và có cấu trúc màng. Vì một tế bào riêng lẻ chỉ tạo được một điện thế rất thấp cho nên tùy theo điện thế cần dùng nhiều tế bào riêng lẻ được nối kế tiếp vào nhau, tức là chồng lên nhau. Người ta thường gọi một lớp chồng lên nhau như vậy là stack. Ngoài ra, hệ thống đầy đủ cần có các thiết bị phụ trợ như máy nén, máy bơm, để cung cấp các khí đầu vào, máy trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra các yêu cầu, sự chắc chắn của sự vận hành máy, hệ thống dự trữ và điều chế nhiên liệu. c. Nguyên lý hoạt động: Về phương diện hóa học tế bào nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự điện phân. Trong quá trình điện phân nước bị tách ra thành khí hiđrô và khí ôxy nhờ vào năng lượng điện. Tế bào năng lượng lấy chính hai chất này biến đổi chúng thành nước. Qua đó, trên lý thuyết, chính phần năng lượng điện đã đưa vào sẽ được giải phóng nhưng thật ra vì những thất thoát qua các quá trình hóa học và vật lý năng lượng thu được ít hơn. Các loại tế bào nhiên liệu đều cùng chung một nguyên tắc được mô tả dựa vào tế bào nhiên liệu PEM (Proton Exchange Membrane - tế bào nhiên liệu màng trao đổi bằng proton) như sau: Ở bề mặt cực dương khí hiđrô bị ôxy hóa bằng hóa điện: Các điện tử được giải phóng đi từ cực dương qua mạch điện bên ngoài về cực âm. Các proton H+ di chuyển trong chất điện phân xuyên qua màng có khả năng chỉ cho proton đi qua về cực âm kết hợp với khí ôxy có sẵn trong không khí (nồng độ 21%) và các điện tử tạo thành nước: Tổng cộng: 5 d. Phân loại: Các hệ thống tế bào nhiên liệu được phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy theo cách nhìn: + Phân loại theo nhiệt độ hoạt động + Phân theo loại các chất tham gia phản ứng + Phân loại theo điện cực + Phân theo loại các chất điện phân là cách phân loại thông dụng ngày nay Liệt kê dưới đây là 6 loại tế bào nhiên liệu khác nhau:  AFC (Alkaline fuel cell - tế bào nhiên liệu kiềm)  PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - trao đổi hạt nhân qua mạng lọc) 6  PAFC (Phosphoric acid fuel cell - tế bào nhiên liệu axit phosphoric)  MCFC (Molten carbonate fuel cell - tế bào nhiên liệu carbonat nóng chảy)  SOFC (Solid oxide fuel cell - tế bào nhiên liệu oxit rắn)  DMFC (Direct methanol fuel cell - tế bào nhiên liệu methanol trực tiếp) 7 e. Ứng dụng:  Tế bào nhiên liệu được sử dụng đầu tiên trong những lĩnh vực mà phí tổn không đóng vai trò quan trọng. Tế bào nhiên liệu nhẹ và hiệu quả hơn ắc quy đồng thời đáng tin cậy và ít ồn ào hơn động cơ Diesel. Những điều này giải thích tại sao giới quân sự và ngành du hành vũ trụ quan tâm đến công nghệ này rất sớm. Một số tàu thuyền trên biển cũng dùng tế bào nhiên liệu.  Động cơ thúc đẩy cho các ứng dụng dân sự xuất phát từ nhận thức trữ lượng dầu mỏ trên Trái Đất là có hạn nhưng vẫn mong muốn tiếp tục kinh doanh xe thời kỳ sau dầu mỏ vốn đang mang về nhiều lợi nhuận.  Từ 20 năm nay nhiều hãng sản xuất xe (DaimlerChrysler, Ford, Honda, Opel) đã nghiên cứu về xe có nhiên liệu là hiđrô, sử dụng tế bào nhiên liệu để chuyển hóa năng lượng và dùng động cơ điện để vận hành. Kỷ thuật này đã được phát triển cho xe buýt, xe du lịch, xe tải nhẹ.Ở Hamburg (Đức) và Stuttgart (Đức) người ta đang thử nghiệm chạy xe buýt sử dụng nhiên liệu hydro trên các tuyến đường xe buýt bình thường. Từ năm 2003 hai hãng đóng tàu của Đức đã cung cấp loại tàu ngầm vận hành bằng điện được cung cấp từ máy phát điện Diesel hoặc từ một hệ thống tế bào nhiên liệu hiđrô.  Các tế bào nhiên liệu sử dụng khí đốt đang chuẩn bị đẩy lùi các thiết bị kết hợp phát điện và sưởi (combined heat and power plant). Ở hệ thống này khí đốt được biến đổi thành hiđrô đưa vào tế bào nhiên liệu.  Một số vật dụng cầm tay như điện thoại di động, máy vi tính xách tay, máy quay phim, vật liệu cắm trại hay quân sự cũng đang tiến tới ứng dụng loại nguồn cung cấp năng lượng này. Xe máy Yamaha Xe ôtô GM HydroGen Tàu Hydrogen Challenger. Xe bus dùng pin nhiên liệu Tàu ngầm 8 f. Vấn đề môi trường:  Để thật sự thân thiện với môi trường và khí hậu, một mặt các tế bào nhiên liệu chỉ được phép thải ra các khí nhà kính và các chất có hại khác càng ít càng tốt, mặt khác quá trình khai thác chất đốt cũng không được phép thải ra các chất khí đó. Vấn đề chính là ở chỗ này vì khí hiđrô không có trong tự nhiên mà phải dùng năng lượng để sản xuất ra.  Nước hoặc các hợp chất hydrocacbon như khí tự nhiên, dầu mỏ hoặc mêthanol được xem là nguồn để sản xuất khí hiđrô. Việc tách nước qua điện phân về nguyên tắc là phù hợp với môi trường sinh thái nếu như năng lượng cần dùng cũng được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái sinh như nước, Mặt Trờihoặc gió chứ không phải từ các phương pháp sản xuất điện thông thường.  Trong nhiều loại tế bào năng lượng ngày nay thật ra không phải khí hiđrô tinh khiết được dùng làm khí đốt mà lại là một chất đốt hóa thạch như khí tự nhiên,xăng hay methanol. Các loại tế bào nhiên liệu này được sử dụng nhiều nhất là trong công nghiệp ô tô để tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc chuyển đổi từ các động cơ thông thường sang các loại động cơ thay thế khác. Trong các kiểu động cơ hỗn hợp này khí tự nhiên được chuyển hóa bằng nhiệt lượng thành oxit cacbon và hiđrô. Hiđrô được dùng trong tế bào nhiên liệu làm chất đốt và được tiêu thụ hoàn toàn nhưng khí oxit cacbon vẫn còn lại, phản ứng với nước tạo thành đioxit cacbon, một khí nhà kính tác hại đến khí hậu.  Theo một nghiên cứu của Hội vì môi trường và bảo vệ tự nhiên Đức (Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland – BUND) các ô tô dùng tế bào nhiên liệu tuy thải khí ra tại chỗ rất ít hơn so với các động cơ thông dụng nhưng việc sản xuất ra hiđrô từ những nguồn năng lượng hóa thạch lại tạo ra các khí thải nên nếu tổng cộng lại, lượng các khí tạo ra hiệu ứng nhà kính được thải ra tăng lên rất nhiều. Việc thải khí chỉ di chuyển từ ô tô về nơi sản xuất ra hiđrô.  Thay vì hiđrô, nếu sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch khác như methanol thì tác động đến khí hậu vẫn như các động cơ Otto. Nhưng ít ra thì các hợp chất của lưu huỳnh và các chất độc hại đến sức khỏe thải ra từ ô tô tế bào nhiên liệu giảm đi rất nhiều.  Tóm lại bản nghiên cứu này cho rằng xe tế bào nhiên liệu thật sự là một lựa chọn cho tương lai nhưng chỉ khi hiđrô được sản xuất tái sinh ở khối lượng lớn đủ dùng và có thể tích trữ được. Mặc dù vậy, theo quan điểm của các chuyên gia, xe tế bào nhiên liệu vận hành bằng các chất đốt hóa thạch vẫn có ý nghĩa: Chúng giúp công nghệ này được phổ biến, phát triển và chấp nhận tốt hơn và như thế về lâu dài dọn đường cho các xe thật sự không phát sinh ra khí thải.  Khí tự nhiên được xem là chất đốt thích hợp nhất cho các thiết bị sử dụng tế bào nhiên liệu trong các nhà máy phát điện và cho các thiết bị nhỏ hơn dùng cho nhà ở. Kết quả bản nghiên cứu so sánh của BUND cho thấy ở đây khí hiđrô sản xuất tái sinh vẫn là phương 9 cách phù hợp với sinh thái nhất, nhưng mặc dù vậy các thiết bị tế bào nhiên liệu vận hành bằng khí tự nhiên thải ra lượng oxit nitơ ít đi gấp ba lần và thải ra các hợp chất của lưu huỳnh cũng ít đi nhiều.  Nếu sử dụng trong các nhà máy phát điện các chuyên gia dự tính việc phát thải các khí nhà kính có thể giảm đến khoảng 4% cho đến năm 2010. Thêm nữa, việc sản xuất điện và nhiệt để sưởi ấm được phân tản tiếp tục, các thiết bị nhỏ dùng cho nhà ở được thực hiện dễ dàng hơn và có hiệu quả nhiều hơn so với các công nghệ thông thường rất nhiều. Tổng kết lại các chuyên gia cũng khẳng định ở phần này là công nghệ tế bào nhiên liệu vẫn thân thiện với môi trường hơn các phương pháp sản xuất điện thông dụng rất nhiều. 2) Năng lượng địa nhiệt: a. Khái niệm về địa nhiệt năng: Địa nhiệt năng là loại năng lượng lấy từ nguồn nhiệt tự nhiên trong lòng quả đất bằng cách khoan sâu xuống lòng đất. Độ biến thiên địa nhiệt trong lỗ khoan vào khoảng 10 C/36mét. Nguồn nhiệt này được đưa lên mặt đất dưới dạng hơi nóng hoặc nước nóng. Nguồn nhiệt này có thể sử dụng trực tiếp để sưới ấm các căn hộ hoặc dùng để sản xuất điện năng. Theo tính toán, nhiệt độ ở tâm trái đất vào khoảng 6.650 độ C. Trái đất nguội dần với tốc độ khoảng 300 ÷ 350OC/1 tỉ năm. Khảng 2% lượng nhiệt nằm ở lớp vỏ của trái đất, còn lại 98 % ở phần ruột và trung tâm. Như vậy, 2% lượng nhiệt (tương ứng vào khoảng 840 tỉ W) cũng có thể đáp ứng nhu cầu của loài người trong một thời gian dài. Các nguồn địa nhiệt: Một số vùng trong vỏ trái đất, đặc biệt tại những vùng có hoạt động địa chấn mạnh nhiệt độ tăng rất nhanh theo chiều sâu. Như vậy, tiềm năng địa nhiệt ở những vùng quanh vành đai động đất là rất lớn. Phía dưới lớp vỏ trái đất là lớp đá nóng chảy gọi là mác-ma. Tiềm năng của nhiệt lượng ở độ sâu 10.000 mét gấp khoảng 50.000 lần toàn bộ trữ lượng dầu khí của trái đất. Nhiều điểm nóng nằm trong vành đai động đất Thái Bình Dương, còn gọi là “vành đai lửa” vì có rất nhiều núi lửa hoạt động. Những phương pháp sử dụng năng lượng địa nhiệt Hai phương pháp cơ bản sử dụng năng lượng địa nhiệt là sử dụng trực tiếp nguồn nhiệt hoặc dùng cho sản xuất điện năng. Nguồn nhiệt được sử dụng trực tiếp để sưởi ấm các căn hộ, sấy quần áo, làm tan băng trên các đường giao thông. Nếu dùng nhiệt để sản xuất điện năng, nhiệt độ cần có phải cao hơn 1500C. Tại Caliphocnia khoảng 5% năng lượng điện được sản xuất từ nguồn địa nhiệt. Tại Xanvado là khoảng 30%. Tại Iceland nguồn địa nhiệt được dùng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống và công nghiệp. 10 Nguyên lý hoạt động của các nhà máy điện địa nhiệt Hiện nay có 3 loại sơ đồ sản xuất điện năng sử dụng nguồn địa nhiệt: Sơ đồ trực tiếp sử dụng hơi nóng khô; sơ đồ gián tiếp sử dụng hơi nước và sơ đồ hỗn hợp (hai chu trình). Trong sơ đồ trực tiếp, hơi nóng thổi trực tiếp và tuốc bin, làm quay máy phát để sinh ra điện. Đây là kiểu nhà máy điện địa nhiệt lâu đời nhất, lần đầu tiên được xây dựng ở Italia năm 1904 và vẫn hoạt động cho đến nay. Tại Caliphocnia có nhà máy lớn nhất thế giới hoạt động theo nguyên lý này. Trong sơ đồ gián tiếp, hơi nước địa nhiệt được làm tăng độ nóng lên trên 1820C. Hơi nước được dồn vào buồng bay hơi để giảm áp lực, do vậy một phần dung dịch được biến thành hơi nước. Hơi nước sẽ làm quay tuốc bin. Nếu trong bình chứa còn dư chất lỏng, nó có thể được đưa vào bình bay hơi để tăng thêm công suất. 11 Trong sơ đồ hỗn hợp, sử dụng nước nóng có nhiệt độ thấp hơn 2000 C, là nguồn nước nóng dồi dào nhất trong đa số các vùng địa nhiệt. Nước nóng địa nhiệt và chất lỏng thứ cấp có nhiệt độ sôi thấp hơn được đưa qua buồng trao đổi nhiệt. Nhiệt năng của nước địa nhiệt làm chất lỏng thứ cấp bốc hơi và hơi nước sẽ làm quay tuốc bin. Bởi vì đây là hệ thống khép kín nên không hề có chất thải vào khí quyển. Nước nóng có nhiệt độ vừa phải là nguồn địa nhiệt thông dụng có tiềm năng dồi dào nhất. Do đó đa số các nhà máy điện địa nhiệt trong tương lai sẽ hoạt động theo nguyên lý này. Iceland đang xây dựng nhà máy điện địa nhiệt cực lớn Tại Iceland đã thực hiện một lỗ khoan địa nhiệt sâu 3.000 mét tại vùng núi lửa để chuẩn bị cho dự án khai thác địa nhiệt dùng để sản xuất điện thân thiện với môi trường. Từ lỗ khoan sâu hai dặm gần núi lửa Krafla sẽ khai thác nước siêu lỏng (là trạng thái xóa nhòa ranh giới giữa pha lỏng và hơi). Nếu được sử dụng để phát điện thì Iceland sẽ tăng gấp 10 lần năng lượng khai thác từ lòng đất. Hiện nay có khoảng 50 nước trên thế giới sử dụng địa nhiệt. Iceland xếp vị trí 14 trên thế giới về tiềm năng địa nhiệt nhưng là nước có sản lượng điện địa nhiệt tính theo đầu người cao nhất thế giới. Với tổng vốn đầu tư khoảng 22 tỉ USD, thực hiện trong 10 năm, dự án đầy tham vọng của Iceland ngay từ cuối năm 2009 đã bắt đầu khai thác nguồn nước địa nhiệt siêu lỏng. Các chuyên gia đặt cược cho sự thành công của dự án là 50/50. Nếu thành công, sẽ cho ra một sản lượng điện bằng một nhà máy điện nguyên tử cỡ vừa. Hiện tại, Iceland mới chỉ sử dụng khoảng 20% tiềm năng địa nhiệt đang có. Nếu khai thác toàn bộ trữ lượng địa nhiệt bằng phương pháp thông thường thì hàng năm sẽ cho ra sản lượng khoảng 20 tỉ W/giờ, tương đương với sản lượng của 3 lò phản ứng hạt Krafla Geothermal Station in 12 nhân. Iceland bắt đầu khai thác năng lượng địa nhiệt từ đầu thế kỷ 20. Trên hòn đảo này hiện đang hoạt động 5 nhà máy địa nhiệt điện với tổng công suất khoảng 420 MW, bằng 26,5% tổng năng lượng điện trong cả nước.