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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Lê Quốc Trí
Trương Quốc Dũng
Phạm Võ Trọng Ân
Tăng Kiến An
Phạm Đăng Khoa
Hồ Thanh Lâm
Nguyễn Tuấn Anh
Lê Đức Toàn

G1003578
51100649

51200154
51200024
81201717
81201835
81200095
81203913


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

1


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):

2


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.

3


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:

4


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)

5




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)

6