Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời sản xuất hydro trong điều kiện việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

CAO MINH THIỆN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
SẢN XUẤT HYDRO TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM
Chuyên ngành: CƠNG NGHỆ NHIỆT
Mã số: 605280

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: GS-TS. LÊ CHÍ HIỆP

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. HÀ ANH TÙNG

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. BÙI TRUNG THÀNH

Luận văn thạc sĩ được nhận xét tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 26 tháng 7 năm 2012
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN –Chủ tịch Hội đồng
2 TS. HÀ ANH TÙNG – Ủy viên
3 TS. BÙI TRUNG THÀNH – Ủy viên

4 TS. HOÀNG AN QUỐC – Thư ký hội đồng
5 GS.TS. LÊ CHÍ HIỆP
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý
chuyên ngành sau khi khóa luận đã được sửa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
Tp. HCM, ngày 30 tháng 6 năm 2012

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Cao Minh Thiện .................................................... Giới tính: Nam ...................
Ngày, tháng, năm sinh: 21/12/1985....................................................... Nơi sinh: Bến Tre.................
Chuyên ngành: Công Nghệ Nhiệt.......................................................... MSHV: 00608421 ................
Khoá: 2008 .............................................................................................................................................
1- TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SẢN
XUẤT HYDRO TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM”
2- NHIỆM VỤ KHĨA LUẬN:

−

Tính tốn hệ thống sản xuất Hydro cung cấp nhiên liệu cho pin nhiên liệu để sản
xuất điện

−

Tính tốn mơ hình sản xuất Hydro với cơng suất 72Nm3/ngày

−

Lập trình chương trình tính tồn hệ thống sản xuất Hydro, Pin mặt trời.

−

Đề xuất các biện pháp ứng dụng vào thực tế trong điều kiện tại Việt Nam.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày tháng 07 năm 2011 ................................................................
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 30 tháng 06 năm 2012..............................................
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS.TS. Lê Chí Hiệp ........................................................
Nội dung và đề cương Khóa luận thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này do tơi tự tính tốn, thiết kế và nghiên cứu dưới sự
hướng dẫn của thầy GS.TS Lê Chí Hiệp và tham khảo tài liệu đã được liệt kê trong
mục tài liệu tham khảo. Nếu sai, tơi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định
Tác giả

Cao Minh Thiện

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian thu thập, nghiên cứu và phân tích các số liệu, tơi đã hồn thành khóa
luận: “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SẢN XUẤT HYDRO
TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM”.

Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy, cô khoa Bộ Môn Công Nghệ Nhiệt-Khoa
Cơ Khí, trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã hết lịng truyền đạt cho tơi
những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong chuyên môn cũng như các lĩnh vực
khác trong những năm học vừa qua.
Đặc biệt, tôi xin được gởi lời cám ơn chân thành đến GS-TS. Lê Chí Hiệp – người thầy
đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ trong suốt khóa học cũng như trong q trình thực hiện
khóa luận tốt nghiệp này.
Sau cùng tơi xin cám ơn gia đình đã tạo những điều kiện thuận lợi và là chỗ dựa cho
tôi trong suốt những năm dài học tập. Đồng thời cũng xin cám ơn tất cả những bạn bè
đã gắn bó cùng nhau học tập và giúp đỡ nhau trong suốt thời gian qua, cũng như trong
suốt q trình thực hiện khóa luận.
Trong khóa luận này khơng tránh khỏi những sai sót, tơi mong nhận được sự góp ý và
bổ sung của thầy cơ và bạn bè.
TP.Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 6 năm 2012
Học viên

Cao Minh Thiện


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Với tình hình cung ứng điện đang gặp nhiều khó khăn trên cả nước, càng khó khăn
hơn là việc cung cấp điện cho người dân tại các khu vực vùng sâu vùng xa và hải đảo.
Với hiện trạng đó, việc nghiên cứu, ứng dụng, phát triển và đưa công nghệ năng lượng
sạch đến vùng sâu, vùng xa, hải đảo, những nơi xa nguồn điện lưới quốc gia sẽ góp

phần giải quyết một phần gánh nặng cung cấp điện của nhà nước và nâng cao chất
lượng cuộc sống người dân. Bên cạnh nguồn năng lượng gió đang được đầu tư và phát
triển mạnh mẽ tại Việt Nam trong khoảng một thập niên vừa qua thì với tiềm năng to
lớn của mình, nguồn năng lượng mặt trời cũng đang dần dần được phát triển và thâm
nhập vào cuộc sống của người dân tại các địa phương xa nguồn điện lưới quốc gia.
Trong khuôn khổ của đề tài lận văn, mơ hình sử dụng và kết hợp năng lượng điện mặt
trời để cung cấp điện cho hộ tiêu thụ và thiết bị điện phân sản xuất Hydro nhằm đề ra
biện pháp mới để sử dụng, lưu trữ nguồn năng lượng được phát triển từ năng lượng
mặt trời. Nguồn năng lượng Hydro sau quá trình điện phân sẽ được lưu trữ qua hệ
thống bình chứa và cung cấp đến thiết bị Pin nhiên liệu nhằm phát điện và cung cấp
đến hộ tiêu thụ trong thời gian nguồn điện từ Pin mặt trời dừng hoạt động.
Để có cơ sở đánh giá, việc xây dựng mơ hình, tính tốn cơng suất thiết bị của các hệ
thống Pin mặt trời, hệ thống điện phân, hệ thống pin nhiên liệu đã được tiến hành và
xem xét thiết kế mơ hình này để ứng dụng cung cấp điện cho phòng cấp cứu của bệnh
viện tại huyện đảo Phú Quốc. Việc tính tốn thiết bị được xử lý thông qua các công
thức, tài liệu kỹ thuật và các thông số từ nhà sản xuất cung cấp thiết bị và các tiêu
chuẩn. Việc mơ hình hóa tính tốn được thực hiện bằng cách lập trình trên phần mềm
FORTRAN. Số liệu đầu vào của mơ hình được tham khảo từ số liệu đo từ trường Đại
học Bách Khoa Tp.HCM và quy chuẩn QCXDVN 02:2008/BXD.
Kết quả của mơ hình cho thấy việc kết hợp nguồn năng lượng mặt trời để cấp điện và
cung cấp điện cho thiết bị điện phân sản xuất Hydro, khí Hydro này cung cấp cho Pin
nhiên liệu phát điện trong trường hợp Pin mặt trời dừng hoạt động là khả thi và có thể
được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi tại các nơi có điều kiện khó khăn như khu vực
vùng sâu, vùng xa, biên giới hải đảo.


Chương

1

TỔNG QUAN


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

1.1. MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
1.1.1.

Tên đề tài luận văn

“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SẢN XUẤT HYDRO
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM”.
1.1.2.
1.1.2.1.

Mục đích và phạm vi của luận văn
Thực trạng cung cấp điện tại các huyện đảo của Việt Nam

Hiện nay, mười (10) huyện đảo của nước ta, trong đó tám huyện đảo thuộc bảy tỉnh
ven biển, do Tập đoàn Ðiện lực Việt Nam (EVN) quản lý và cung cấp điện phục vụ
sinh hoạt, sản xuất.
Tám (8) huyện đảo này gồm: Cô Tô (Quảng Ninh), Bạch Long Vĩ (Hải Phòng), Cồn
Cỏ (Quảng Trị), Lý Sơn (Quảng Ngãi), Phú Quý (Bình Thuận), Cơn Ðảo (Bà RịaVũng Tàu), Phú Quốc và Kiên Hải (Kiên Giang). Các huyện đảo trên đều có dân cư
sinh sống và có các đơn vị bộ đội làm nhiệm vụ.
Các đảo này đều có nhiều tiềm năng phát triển về du lịch, kinh tế biển và giữ vị trí
chiến lược đặc biệt quan trọng về an ninh quốc phòng. Trên thực tế, trong giai đoạn

hiện nay, kinh tế ở các huyện đảo chưa phát triển, trong đó, nguyên nhân cơ bản do cơ
sở hạ tầng kỹ thuật còn yếu kém.
Việc cung cấp điện cho tám huyện đảo hiện nay được đánh giá là không đáp ứng được
nhu cầu của người sử dụng. Vì hầu hết là được cung cấp điện bởi các cụm diezel nhỏ
lẻ, công suất thấp. Tại huyện đảo Cô Tô, trong bảy năm, từ năm 2000 đến năm 2007,
điện thương phẩm tăng trưởng trung bình 18%/năm, tổng điện thương phẩm năm 2006
đạt 306.220 kWh. Ðiện năng chủ yếu cung cấp cho nhu cầu tiêu dùng dân cư, điện cho
sản xuất công nghiệp, thương mại du lịch khơng đáng kể. Giá bán bình qn cho các
hộ năm 2006 trung bình là 2.500 đồng/kWh, trong đó, Nhà nước đã hỗ trợ 50% giá
điện. Thời gian cấp điện cho các phụ tải dân cư trung bình từ bốn đến năm giờ/ngày,
buổi trưa từ 11 đến 12 giờ, buổi tối từ 18 đến 22 giờ. Hầu hết các gia đình đều có bộ
ắc-quy tích điện và thường nạp khi có điện lưới. Do các nguồn điện từ máy phát điện
chạy đầu Diezel vận hành không ổn định, nên năm 2001 bằng nguồn vốn Biển Ðông
và hải đảo đã đầu tư thi công 53 trạm pin mặt trời cho các cơ quan hành chính sự
nghiệp và các hộ dân ở thị trấn Cô Tô nhưng điện của huyện đảo vẫn chưa đáp ứng
nhu cầu.
Tại huyện Bạch Long Vĩ, giá điện cũng được hỗ trợ từ ngân sách Nhà nước, giá bán
bình quân cho 1kWh đối với hộ gia đình là 700 đồng, đối với hộ sản xuất kinh doanh
là 1.300 đồng.Trạm phát điện diezel ở đảo Lý Sơn có bảy máy với tổng công suất
3.515kVA song phần lớn là máy cũ đã qua sử dụng, nên việc cấp điện chỉ đáp ứng
được 50% nhu cầu tiêu dùng. Do phải cấp điện luân phiên cho hai xã An Vĩnh và An
Hải nên mặc dù tỷ lệ được cấp điện cao (97-98%) nhưng điện năng tiêu thụ đầu người
năm 2006 rất thấp chỉ khoảng 58kWh/người. Giá bán điện bình quân năm 2006 là
715,8đồng /kWh.
Từ năm 1998 đến 2002, Chính phủ giao cho EVN mà trực tiếp là Công ty Ðiện lực 2
(PC2) đầu tư xây dựng hệ thống điện trên huyện đảo Phú Quý và Phú Quốc. Giá thành
điện sản xuất, phân phối tăng nhanh hằng năm do giá nhiên liệu tăng nhưng giá bán
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 2


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

điện cho các hộ lại bằng giá điện bán cho các hộ dân trên đất liền. Vì vậy, hằng năm
PC 2 đều phải bù lỗ cho cung cấp điện ở đảo Phú Quý: năm 2003 là 8 tỷ đồng; năm
2004 là 10,3 tỷ đồng; năm 2005 là 11,2 tỷ đồng và năm 2006 là 15,8 tỷ đồng. Tại đảo
Phú Quốc, PC2 cũng thực hiện bán điện trực tiếp đến hộ dân với giá điện bằng 50%
giá bán điện thực hiện trước năm 2002. Năm 2003-2005, PC 2 bù lỗ 50 tỷ đồng. Riêng
năm 2006, bù lỗ hơn 45 tỷ đồng.
Theo đánh giá của EVN, hiện trạng nguồn và lưới điện tại các huyện đảo đều cũ nát,
manh mún và không đáp ứng được nhu cầu cung cấp điện. Giá bán điện cho các hộ
dân do UBND địa phương quản lý cao hơn giá bán điện bậc thang của Chính phủ quy
định, mặc dù địa phương đã phải bù lỗ 50% giá thành. Ðối với các huyện đảo mà giá
bán điện do ngành điện quản lý và kinh doanh thì tình trạng bù lỗ giá điện là quá lớn,
vì vậy, sẽ khơng cân đối được tài chính khi cổ phần hóa các công ty điện lực. Sự phát
triển kinh tế-xã hội của các huyện đảo đều nhằm mục đích nâng cao đời sống tinh thần
vật chất và bảo đảm an ninh quốc phòng, trong khi, các huyện đảo đều xa đất liền
khơng có khả năng nối lưới (trừ huyện đảo Phú Quốc), vì vậy vấn đề cung cấp điện
cho các huyện đảo thật sự là vấn đề cần được nghiên cứu giải quyết, trước khi EVN
tiến hành cổ phần hóa các công ty điện lực 1, 2 và 3 theo Quyết định của Bộ Công
nghiệp (nay là Bộ Công Thương).
Đối với huyện đảo Trường Sa, hiện tại 100% các điểm đóng quân của các đơn vị bộ
đội và các hộ dân sinh sống tại huyện đảo Trường Sa (tỉnh Khánh Hòa) đã được sử

dụng hệ thống điện chiếu sáng, đảm bảo có điện liên tục 24/24 giờ trong ngày. Tồn
địa bàn huyện cũng đã được phủ sóng truyền hình, điện thoại... Điều đặc biệt là toàn
bộ năng lượng được sử dụng tại huyện đảo đều là năng lượng gió và năng lượng mặt
trời. Như vậy đến thời điểm này, Trường Sa là huyện đầu tiên trong cả nước sử dụng
nguồn năng lượng sạch. Kết quả nêu trên có được là nhờ từ năm 2008, Tập đồn Dầu
khí Quốc gia Việt Nam đã tài trợ vốn để xây dựng hệ thống năng lượng tái tạo và
chiếu sáng Trường Sa. Hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời hiện đã hồn
thiện. Nguồn điện ổn định đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong công tác tập luyện, sẵn
sàng chiến đấu bảo vệ biển đảo và thúc đẩy phát triển sản xuất của các hộ đang sinh
sống tại đây. Chỉ tính trong năm 2010 và quý 1/2011, xã Song Tử đạt trên 216 triệu
đồng tổng giá trị sản xuất, xã Trường Sa đạt gần 380 triệu đồng... Kết hợp với âu tàu
có sức chứa hàng chục tàu cá công suất lớn, trong tương lai gần huyện đảo Trường Sa
sẽ mở ra nhiều dịch vụ tiện ích khác như thu mua, chế biến hải sản tại chỗ, sản xuất
nước đá... Tại huyện đảo đã tổ chức nuôi trồng hải sản, thu mua hải sản, cung cấp
nước ngọt, dầu diezzel, thực phẩm, lương thực, sửa chữa máy tàu... với giá bán và thu
mua bằng giá trong đất liền.( nguồn: Tập đoàn Điện lực Việt Nam)
1.1.2.2.

Thực trạng cung cấp điện tại huyện đảo Phú Quốc

Hiện tại toàn huyện đảo Phú Quốc chỉ được cấp nguồn bằng các tổ máy Diesel công
suất khá nhỏ chỉ khoảng từ dưới 1MW đến trên 2MW, Nhà máy điện diesel Phú Quốc
do Công ty điện lực 2 (PC2) quản lý, vận hành, được xây dựng trên diện tích khoảng
7,69ha tại xã Cửa Dương, huyện Phú Quốc, tỉnh Kiên Giang đã đưa vào vận hành từ
tháng 7 năm 2004, gồm các tổ máy như sau:

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 3


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

Bảng 1.1.

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

Tổng hợp các nguồn Diesel hiện hữu của Phú Quốc (nguồn: EVN)
Công suất thiết kế
(kW)

Công suất khả dụng
(kW)

DG 800

800

700

DG 800

800

700

CAT 3580-G1

800

720

CAT 3512-G2

1.020

850

CAT 3412-G3

580

500

MITSUBISHI-G4

1.500

1.000

MITSUBISHI-G5

1.500

1.250

ABC 16VDZC-G6

2.650

2.300

ABC 16VDZC-G7

2.650

2.300

Tổng

12.300

10.320

Loại máy

Hiện tại công suất nguồn cấp không đáp ứng được nhu cầu phụ tải, vì vậy tồn bộ các
hộ tiêu thụ chính như các nhà hàng, khách sạn và các cơ sở sản xuất thường bị cắt điện
vào giờ cao điểm. Để đảm bản sản xuất kinh doanh, các cơ sở sản xuất và nhà hàng
thường trang bị thêm máy phát Diesel để tự cấp điện vào các giờ cao điểm. Với điều
kiện cấp điện hiện tại sẽ dẫn đến các ảnh hưởng tiêu cực đến phát triển kinh tế xã hội,
như sau:
− Ảnh hưởng lớn đến tình hình kinh doanh,
− Khả năng thu hút khách du lịch do tâm lý e ngại về điều kiện sinh hoạt,
− Không thu hút được các nhà đầu tư,
− Chất lượng cuộc sống người dân khơng cao.

Nhìn chung Phú Quốc đang trong tình trạng thiếu hụt cơng suất rất trầm trọng, cần
phải có chính sách đặc biệt để phát triển nhanh chóng nguồn điện cho huyện đảo đáp
ứng nhu cầu điện thúc đẩy kinh tế xã hội huyện đảo.
1.1.2.3.

Mục đích của đề tài luận văn

Với thực trạng cung cấp điện như trên, việc đảm bảo nguồn điện cung cấp 24/24h tại
các cơ quan, đặc biệt là bệnh viện tại huyện đảo Phú Quốc đang là vấn đề khó khăn và
cấp bách. Hiện tại, nhằm đảm bảo điện năng cung cấp cho bệnh viện của huyện đạt
24/24h, bệnh viện phải trang bị các máy phát deiezel để vận hành cung cấp điện trong
trường hợp mất điện. Với thực trạng đó, việc xem xét nghiên cứu mơ hình cung cấp
điện năng linh hoạt và đảm bảo 24/24h cho bệnh viện nhằm đảm bảo an toàn cho bệnh
nhân là vấn đề cần thiết và cần được nghiên cứu. Bên cạnh nguồn điện gió, năng lượng
mặt trời, thì một dạng năng lượng sạch khác là năng lượng Hydro cũng được xem là
nguồn năng lượng mang tính khả thi.

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 4


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

Với mục đích đó, việc xây dựng mơ hình mang tính khả thi và có thể áp dụng để cung
cấp năng lượng độc lập cho các địa phương vùng xâu vùng xa, hải đảo; mơ hình sản
xuất Hydro kết hợp với nguồn năng lượng điện mặt trời sẽ được xem xét lựa chọn và
mang tính khả thi trong tương lai nhằm đảm bảo cung cấp năng lượng điện 24/24h để
phục vụ cho nhu cầu y tế, sản xuất, chiến đấu của bộ đội và nâng cao chất lượng đời
sống của nhân dân tại huyện đảo Phú Quốc nói riêng, các vùng sâu vùng xa của Việt
nam nói chung. Đó là lý do chính để chọn hướng nghiên cứu cửa đề tài luận văn.
1.1.2.4.

Phạm vi nghiên cứu

Dựa vào các tài liệu và cơng trình nghiên cứu các hệ thống ứng dụng năng lượng Mặt
trời tại Việt Nam và các nước trên thế giới để kết hợp vào mơ hình sản xuất khí Hydro
trên cơ sở sử dụng nguồn năng lượng Mặt trời. Xem xét khả năng kết hợp giữa việc sử
dụng năng lượng điện mặt trời và năng lượng Hydro để phục vụ và đảm bảo khả năng
cung cấp điện 24/24h cho hộ tiêu thụ ở những nơi có điều kiện khó khăn về nguồn
điện nối lưới điện quốc gia.
Sơ đồ Công nghệ dự kiến áp dụng cho đề tài Luận văn dự kiến như sau:

Hình 1.1.

Sơ đồ cơng nghệ của mơ hình

Sử dụng phần mềm FORTRAN mơ hình hóa mơ hình.
Do thời gian có hạn, trong đề tài luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu và tính tốn chi
tiết phần hệ thống sản xuất H2, Pin mặt trời (PV), tính tốn nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu
cho pin nhiên liệu và đánh giá về tính hiệu quả của mơ hình.

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
trong điều kiện Việt Nam

GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 5


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

1.1.2.5.

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

Ý nghĩa của đề tài luận văn

Nghiên cứu và đưa ra phương án xây dựng nguồn năng lượng thay thế và bổ sung
nguồn năng lượng điện truyền thống bằng nguồn năng lượng Mặt trời, xem xét khả
năng đưa vào ứng dụng thực tế ở những khu vực có nhu cầu bức thiết về nguồn điện
và có điều kiện đặc biệt khó khăn về nguồn điện nối lưới điện Quốc gia. Mơ hình luận
văn này được xem xét áp dụng tại phòng cấp cứu của bệnh viện tại huyện đảo Phú
Quốc tỉnh Kiên Giang.
Dựa trên các nhu cầu đó và trên cở sở các tài liệu và cơng trình nghiên cứu về Ứng
dụng năng lượng Mặt trời đã có để đưa ra mơ hình tính tốn, sản xuất khí Hydro và
năng lượng điện mặt trời. Nguồn năng lượng Hydro sẽ được dùng làm nhiên liệu cho
pin nhiên liệu để sản xuất điện năng trong thời gian nguồn điện mặt trời không cung
cấp được. Với phương án kết hợp nguồn điện mặt trời và năng lượng Hydro để phát
điện, ta có thể cung cấp nguồn điện cần thiết cho hộ tiệu thụ và đảm bảo cung cấp đủ
điện 24/24h.
Bên cạnh đó, Với những ưu điểm và định hướng của việc sử dụng nguồn năng lượng
Hydro trong tương lai, thì việc ứng dụng năng lượng Mặt trời để sản xuất Hydro sẽ

mang tính định hướng cho việc phát triển nguồn năng lượng sạch tại Việt Nam trong
tương lai và có khả năng ứng dụng vào những nhu cầu khác như nhiên liệu cho động
cơ Hybrid, các trạm nhiên liệu Hydro là hoàn toàn khả thi.
1.2. GIỚI THIỆU MƠ HÌNH SẢN XUẤT HYDRO
1.2.1.

Sơ đồ Công nghệ

Trong đề tài luận văn, hệ thống sản xuất Hydro bằng công nghệ điện phân PEM sẽ
được sử dụng.
Sơ đồ Công nghệ dự kiến áp dụng cho đề tài Luận văn dự kiến như sau:

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 6


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

Năng lượng
Mặt Trời
Thiết bị thu nhiệt và
hấp thụ quang phổ

Hệ thống nước
cấp cho thiết bị
điện phân

Pin quang điện

Thiết bị điện phân nước thành
Hydro và Oxi

Thiết bị tách lọc và thu
Hydro và Oxi
Hình 1.2.
1.2.2.

Sơ đồ cơng nghệ điện phân PEM

Quy trình Công nghệ

Từ nguồn năng lượng Mặt trời, thông qua các thiết bị thu nhiệt và hấp thụ quang phổ,
nguồn nhiệt nhận được và quang phổ sẽ dùng để sản xuất năng lượng điện thông qua
hệ thống pin năng lượng Mặt trời. Nguồn năng lượng sử dụng cho hệ thống điện phân
sẽ được lấy trực tiếp từ hê thống pin năng lượng Mặt trời và có xem xét đấu nối liên
thơng với hệ thống điện cung cấp từ lưới điện quốc gia. Nguồn nước cung cấp cho
thiết bị điện phân được lấy từ nguồn nước thủy cục và có xem xét lắp đặt hệ thống lọc
nhằm đảm bảo an toàn cho thiết bị điện phân. Sản phẩm của quá trình điện phân là
Hydro và Oxy sẽ được đưa đến hệ thống tách lọc, sau đó sẽ được đưa đến lưu trữ tại
các bình chứa. Từ bình chứa, Hydro sẽ được cung cấp đến pin nhiên liệu khi vận hành
hệ thống.

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro

trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 7


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ mơn Cơng Nghệ Nhiệt Lạnh

Hình 1.3.

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

Quy trình điện phân PEM

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 8


Chương

2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

2.1. TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ ỨNG DỤNG
2.1.1.
2.1.1.1.

Giới thiệu năng lượng Mặt trời
Tổng quan về cấu trúc Mặt trời

Mặt trời là khối hình cầu có đường kính 1.390x106km (lớn gấp 110 lần đường kính
Trái đất), cách Trái đất 150 x106km. Khối lượng Mặt trời khoảng M=2x1030kg. Nhiệt
độ tại trung tâm Mặt trời thay đổi khoảng từ 10x106K đến 20x106K, nhiệt độ trung
bình khoảng 15.600.000K. Như vậy, ở nhiệt độ đó vật chất khơng thể giữ được cấu
trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma, trong đó
các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với electron. Các hạt nhân tự do va
chạm với nhau sẽ xuất hiện các vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật chất
nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng
có phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong lịng Mặt trời.
Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí khổng
lồ. Vùng giữa gọi là nhân hay lõi, có những chuyển động tối ưu, nơi xảy ra những
phản ứng hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng Mặt trời, vùng này có bán kính khoảng
175.000km, khối lượng riêng khoảng 160kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ khoảng 14 triệu
độ đến 20 triệu độ K, áp suất khoảng hàng trăm tỉ atmotphe. Vùng kế tiếp gọi là vùng
trung gian, tại vùng này năng lượng truyền từ trong ra ngoài. Vật chất ở vùng này gồm
có sắt (Fe), Canxi (Ca), Natri (Na), Stronti (Sr), Crom (Cr), Niken (Ni), Carbon (C),
Silic (Si) và các khí như Hydro (H2), Heli (He), bề dày vùng này khoảng 400.000km.

Tiếp theo là vùng đối lưu dày 125.000km và vùng quang cầu dày khoảng 1.000km,
nhiệt độ khoảng 6.000K. Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là vùng khí quyển
của Mặt trời.
Nhiệt độ bề mặt của Mặt trời khoảng 5.762K. Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ
và hấp thụ của Mặt trời người ta xác định được rằng trên Mặt trời có ít nhất 2/3 số
ngun tố tìm thấy trên Trái đất. Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời là Hydrogen.
Các thành phần vật chất của Mặt trời bao gồm: 73,46% Hydro và 24,85% Heli, còn lại
là các nguyên tố khác như 0,77% Oxi, 0,29% Cacbon, 0,16% Iron, 0,12% Neon,
0,09% Nitrogen, 0,07% Silicon, 0,05% Magie và 0,04% Lừu huỳnh. Nguồn năng
lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân
Hydro, phản ứng này tạo thành khí Heli. Khi đó cứ 4 hạt nhân Hydro sẽ tạo ra một hạt
nhân Heli, 2 neutino và một lượng bức xạ γ.
4H11 → He24 + 2 neutrino + γ
Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn. sau phản
ứng, các neutrino lập tức bay ra khỏi Mặt trời và sẽ không tham gia tiếp tục vào các
quá trình phản ứng xảy ra bên trong Mặt trời.
Trong q trình diễn biến của phản ứng sẽ có một lượng vật chất của Mặt trời mất đi.
Khối lượng của Mặt trời mỗi giây giảm đi khoảng 4x106 tấn. Do khối lượng của Mặt
trời vô cùng lớn, khoảng M=2x1030kg, nên thời gian tồn tại của Mặt trời cũng vô cùng
lớn. Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên
đến 9x1024kWh. [12]
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
bằng phương pháp điện phân trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 9


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

2.1.1.2.

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

Bức xạ Mặt trời

Trong toàn bộ bức xạ của Mặt trời, bức xạ liên quan trực tiếp đến các phản ứng hạt
nhân xảy ra trong nhân Mặt trời không quá 3%. Bức xạ γ ban đầu khi đi qua 5x105 km
chiều dày của lớp vật chất Mặt trời bị biến đổi rất mạnh. Tất cả các dạng của bức xạ
điện từ đều có bản chất sóng và chúng khác nhau ở bước sóng. Bức xạ γ là sóng ngắn
nhất trong các sóng đó, từ tâm Mặt trời đi ra do sự va chạm hoặc tán xạ mà năng lượng
của các bước sóng ngắn này giảm đi, chuyển thành các bước sóng dài. Các bức xạ γ
chuyển thành các bức xạ Rơn-gen có bước sóng dài hơn.
Đặc trưng của bức xạ Mặt trời truyền trong khơng gian bên ngồi Mặt trời là một dãy
phổ rộng trong đó cực đại của cường độ bức xạ nằm trong dãy từ 10-1 - 10µm, trong đó
khoảng 50% tổng năng lượng Mặt trời tập trung trong dãy bước sóng tư 0,38 – 0,78
µm, đó là vùng ánh sáng thấy được.
Chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời gọi là bức xạ trực xạ, Tổng hợp các tia trực xạ và
tán xạ gọi là tổng xạ. Mật độ dịng bức xạ trực xạ ở ngồi lớp khí quyển tính đối với
1m2 bề mặt đặt vng góc với tia bức xạ gọi là hằng số Mặt trời. Tùy theo nguồn tài
liệu mà hằng số Mặt trời sẽ có một giá trị cụ thể nào đó, các giá trị này có thể khác
nhau tuy nhiên sự sai khác này lá không nhiều. Trong luận văn này, giá trị của hằng số
Mặt trời được lấy là 1.353W/m2.
Khi truyền qua lớp khí quyển bao bọc quanh Trái đất, các chùm tia bức xạ bị hấp thụ
và tán xạ bởi tầng ozon, hơi nước và bụi trong khí quyển, chỉ một phần năng lượng
được truyền trực tiếp tới Trái đất. Do quá trình này, khi đi qua bề mặt khí quyển của
Trái đất, bức xạ tử ngoại bị biến đổi thành bức xạ với năng lượng nhỏ hơn.
2.1.2.

Ứng dụng

Năng lượng Mặt trời là năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng
dụng năng lượng Mặt trời vào sản xuất trên quy mơ rộng thì chỉ mới được ứng dụng
váo những năm cuối thế kỷ 18 và chủ yếu ở các nước có nguồn năng lượng Mặt trời
dồi dào và các vùng sa mạc. Từ sau cuộc khủng hoảng năng lượng năm 1973, nguồn
năng lượng Mặt trời đã được các nước trên thế giới quan tâm đặc biệt. Hiện nay, các
ứng dụng năng lượng Mặt trời chủ yếu được áp dụng trên 2 lĩnh vực:
− Sử dụng năng lượng Mặt trời để biến đổi thành điện năng thông qua các pin Mặt
trời
− Sử dụng năng lượng Mặt trời dưới dạng nhiệt năng: dùng các thiết bị thu bức xạ
Mặt trời và trích trữ nó dưới dạng nhiệt năng để dùng vào các mục đích khác nhau
Các thiết bị sử dụng năng lượng Mặt trời tại Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống
cung máy nước nóng sử dụng năng lượng Mặt trời. Đối với các ứng dụng khác như pin
Mặt trời, hệ thống chưng cất nước dùng năng lượng Mặt trời, ứng dụng năng lượng
Mặt trời để làm lạnh chưa được phát triển cao và vẫn còn là các vấn đề mang tính thời
sự và cũng là các đề tài đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu.
Các ứng dụng chính của năng lượng Mặt trời là:
− Pin Mặt trời
− Hệ thống cấp nước nóng sử dụng năng lượng Mặt trời
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
bằng phương pháp điện phân trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 10


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

− Hệ thống sấy dùng năng lượng Mặt trời
− Bếp nấu dùng năng lượng Mặt trời
− Nhà máy điện Mặt trời
− Hệ thống làm lạnh sử dụng năng lượng Mặt trời
− Hệ thống chưng cất nước dùng năng lượng Mặt trời
− Động cơ Stirling dùng năng lượng Mặt trời
2.2. TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG SẠCH HYDRO VÀ CÁC ỨNG
DỤNG
2.2.1.

Giới thiệu năng lượng Hydro

Chúng ta đã khá quen thuộc với hình ảnh Hydrogen như là ngun liệu cho nhiều
ngành cơng nghiệp hóa học: chế tạo ammonia, methanol, lọc dầu, phân bón, luyện
kim, mỹ phẩm, chất bán dẫn v.v. Thế nhưng, khơng chỉ có vậy, Hydrogen cịn là một
nguồn nhiên liệu đầy tiềm năng với nhiều ưu điểm thuận lợi về môi trường và kinh tế.
Hydrogen là nguồn năng lượng sạch, gần như khơng phát thải khí ơ nhiễm mà chỉ sinh
ra hơi nước. Từ nước qua quá trình điện phân ta lại có thể thu được Hydrogen. Vì vậy,
Hydrogen là nguồn năng lượng gần như vơ tận hay có thể tái sinh được. Hơn nữa, xét
về mặt trọng lượng, Hydrogen có tỉ trọng năng lượng cao. Trên thực tế, nhờ hai đặc
tính nhẹ và tỉ trọng năng lượng cao này, Hydrogen đã được dùng làm nhiên liệu cho
tên lửa từ những buổi ban đầu của công nghệ du hành không gian.
Khi dùng làm nhiên liệu, Hydrogen có thể được đốt trực tiếp trong các động cơ đốt
trong, tương tự như trong các loại phương tiện giao thông chạy bằng xăng dầu phổ
biến hiện nay. Hydrogen cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng
cho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng…v.v.

Mặt khác, Hydrogen cịn có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ
thống pin nhiên liệu, nhờ q trình điện hóa để tạo ra điện năng. Bên cạnh những ưu
điểm của Hydrogen như đã nêu trên (sạch, tái sinh…), pin nhiên liệu còn chạy rất êm,
không gây ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong. Do dựa trên cơ chế của
quá trình điện hóa tạo ra điện năng chứ khơng phải q trình đốt như ở động cơ đốt
trong, pin nhiên liệu còn đạt hiệu suất sử dụng cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong,
vì thế mà tiết kiệm năng lượng hơn. Với những ưu thế vượt trội đó, pin nhiên liệu đang
ngày càng được quan tâm và dự đoán sẽ trở nên nguồn nhiên liệu đầy triển vọng, một
thành phần chủ chốt của nền kinh tế Hydrogen trong tương lai.
2.2.2.
2.2.2.1.

Ứng dụng
Hydrogen sử dụng làm nhiên liệu động cơ.

Khi dùng làm nhiên liệu, Hydrogen có thể được đốt trực tiếp trong các động cơ đốt
trong, tương tự như trong các loại phương tiện giao thông chạy bằng xăng dầu phổ
biến hiện nay. Hydrogen cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng
cho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng...v.v.

Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
bằng phương pháp điện phân trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 11


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

2.2.2.2.

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

Hydrogen sử dụng trong pin nhiên liệu.

Mỗi pin nhiên liệu gồm có hai điện cực âm (cathode) và dương (anode). Phản ứng sinh
ra điện năng xảy ra tại hai điện cực này. Giữa hai điện cực còn chứa chất điện phân,
vận chuyển các hạt điện tích từ cực này sang cực khác, và chất xúc tác nhằm làm tăng
tốc độ phản ứng. Các module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay
trực tiếp để tạo ra các thiết bị có mức cơng suất phát điện khác nhau và lớn hơn.
Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành chỉ đơn giản là Hydrogen
và oxygen. Lợi thế hấp dẫn của pin nhiên liệu là ở chỗ nó tạo ra dịng điện sạch, rất ít ô
nhiễm, do sản phẩm phụ của quá trình phát điện cuối cùng chỉ là nước, không hề độc
hại.
2.3. TIỀM NĂNG SỬ DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG HYDRO TRONG
TƯƠNG LAI
2.3.1.

Hydro thay xăng dầu cho các phương tiện giao thông, vận tải

“Hiện đã có nhiều mẫu xe chạy bằng Hydro (Hydrogen Car) và xe kết hợp giữa động
cơ đốt trong bằng Hydro và động cơ điện có tên gọi xe ghép lai (Hybrid Car) được gọi
chung là dịng xe hồn tồn khơng có khói xả (Zero Emission Vehicle - ZEV) của các
hãng ơtơ nổi tiếng như Honda, Ford, Mercedes Benz... trưng bày giới thiệu trong các
cuộc triển lãm quốc tế về ôtô.
Nhật tuyên bố ngay trong năm 2008 các thế hệ xe không có khói xả ZEV sẽ ra đời với
tên Toyota Prius, Toyota Camry Hybrid, Ford Escape Hybrid, Honda Insigh. Cho đến
tháng 4/2007, ở Mỹ đã có 200 chiếc ơtơ và xe buýt chạy bằng Hydro hoạt động. Gần

đây, một cuộc hành trình thử nghiệm xuyên châu Úc trong một ngày đường khoảng
4.000km bằng ôtô dùng nhiên liệu Hydro cho thấy ôtô có thể chạy an tồn đến mọi nơi
mà khơng cần xăng và hồn tồn khơng xả khí độc hại gây ô nhiễm môi trường”. [16]
2.3.2.

Hydro thay xăng dầu sản xuất điện năng

Hydro được sử dụng để sản xuất điện thay nhiên liệu hóa thạch, thực hiện trong các
pin nhiên liệu (fuel cell). Pin nhiên liệu hoạt động theo nguyên lý ngược với quá trình
sản xuất Hydro, nghĩa là nếu với nguyên liệu là nước, khi được cung cấp một năng
lượng cần thiết sẽ xảy ra quá trình tạo ra Hydro và oxy, thì ngược lại, nếu cho Hydro
và oxy kết hợp lại trong điều kiện nhất định sẽ thu được nước và một năng lượng
tương ứng, đó là điện năng.
Pin nhiên liệu là một hệ mở, khi Hydro và oxy được cấp vào liên tục thì nước và điện
sẽ sinh ra liên tục với cường độ không đổi, kéo dài bao lâu cũng được tùy theo sự cung
cấp Hydro và oxy vào hệ. Nhờ đó, pin nhiên liệu đóng vai trò như một máy sản xuất
điện thực thụ với nguyên liệu đầu vào là Hydro và oxy khơng khí, chất thải ra chỉ là
nước.
Sẽ không cần máy phát điện, không cần những tuabin lớn, khơng có cả những cơ cấu
chuyển động, khơng có tiếng ồn, khơng khói xả. Điện từ các pin nhiên liệu Hydro có
thể sản xuất mọi nơi, mọi công suất từ vài Watt cho đến hàng trăm Kilowatt cho mọi
nhu cầu, từ các vùng sâu, vùng xa, hoặc trạm điện, các cao ốc cho đến các thành phố.
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
bằng phương pháp điện phân trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 12


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM

Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

Người tiêu thụ có thể tự sản xuất điện. Sản xuất điện bằng pin nhiên liệu Hydro sẽ góp
phần vào đa dạng hóa nguồn cung cấp điện.
Nền kinh tế Hydro sẽ thay thế nền kinh tế hóa thạch: cuộc cách mạng về năng lượng
đang được hiện thực hóa. Hydro và pin nhiên liệu là chìa khóa giải quyết vấn đề ô
nhiễm bầu khí quyển và sự biến đổi khí hậu toàn cầu - mối lo của toàn thế giới hiện
nay khi sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Một nền kinh tế Hydro sẽ xuất hiện như đã xuất hiện nền kinh tế dầu - khí, sẽ buộc
phải thay đổi tận gốc những hạ tầng cơ sở của nền kinh tế hóa thạch cùng các hoạt
động của con người. Phương thức sản xuất nguồn năng lượng mới khơng cịn là tìm
kiếm, thăm dò, khai thác; phương thức tồn chứa, vận chuyển, cung ứng Hydro cho các
nhu cầu tiêu thụ sẽ buộc phải cấu trúc, xây dựng hạ tầng cơ sở mới. Động cơ sẽ được
chế tạo theo nguyên lý mới phù hợp nguồn năng lượng Hydro, tất nhiên sẽ khác hẳn
các động cơ xăng, dầu.
Các tiêu chuẩn kỹ thuật, các qui định an toàn, luật lệ pháp lý khi sử dụng nguồn năng
lượng mới sẽ phải xây dựng lại. Công tác giáo dục, đào tạo, nghiên cứu khoa học phục
vụ nền kinh tế Hydro sẽ địi hỏi phải có những nội dung mới, cơ sở vật chất mới, hoàn
toàn khác so với nền kinh tế hóa thạch hiện nay. Những vấn đề về môi trường ô nhiễm
do sử dụng năng lượng Hydro gây ra sẽ khơng cịn là đề tài nghiên cứu tiêu hao tiền
của và sức lao động của các nhà khoa học, khơng cịn là đầu đề của các hội nghị quốc
tế triền miên về biến đổi khí hậu tồn cầu như khi sử dụng năng lượng hóa thạch.
Tất cả những sự thay đổi đó cho thấy đây thật sự là một cuộc cách mạng sâu sắc trong
tiến trình phát triển của xã hội loài người, và đã được đánh giá có ý nghĩa to lớn như
cuộc cách mạng cơng nghiệp trước đây, khi phát minh đầu máy hơi nước với việc sử
dụng nhiên liệu than đá.
“Ngày nay, nền kinh tế Hydro đang trở thành một xu thế không thể đảo ngược trên thế

giới. Ở Mỹ, năm 2003 Tổng thống G. Bush đã cơng bố một chương trình được gọi là
“Sáng kiến nhiên liệu Hydro” (Hydrogen Fuel Initiative) với quyết định dành 1,2 tỉ
USD cho nghiên cứu và phát triển nhằm mục tiêu đến năm 2020 ôtô chạy bằng pin
nhiên liệu Hydro phải triển khai thương mại hóa thành cơng vào thực tế. Nền kinh tế
Hydro nhờ năng lượng Mặt trời khơng cịn là ý tưởng mơ hồ hoặc chỉ là viễn tưởng
khoa học, khả năng hiện thực hóa nền kinh tế Hydro chỉ khoảng 25-35 năm nữa thôi!
Như Tổng thống Mỹ G. Bush hi vọng “chiếc ôtô đầu tiên trong đời của những trẻ mới
sinh hôm nay ngồi cầm lái sẽ là xe Hydro dòng ZEV” [17].
2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT HYDRO
2.4.1.

Sản xuất Hydro bằng phương pháp điện phân

Nối tiếp những thành tựu của công nghệ điện phân được phát triển ở thế kỷ 19 và
trước đó, ngày nay các bộ điện phân có thể đạt được cơng suất sản xuất Hydro lên tới
760Nm3/h, với công suất điện lên đến 2230kW.
Ngày nay, có 2 phương pháp chính để điện phân nước sản xuất Hydro là phương pháp
điện phân dung dịch điện ly và điện phân và phương pháp điện phân bằng màn trao đổi
proton.
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
bằng phương pháp điện phân trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 13


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

2.4.1.1.

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

Điện phân nước trong môi trường dung dịch điện ly

Khi điện phân dung dịch chất điện li thì tùy trường hợp, dung mơi nước của dung dịch
có thể tham gia điện phân ở catode hay ở anode. Dung dịch điện ly thường được sử
dụng là KOH với nồng độ 15%. Có 2 loại cơng nghệ điện phân với dung điện ly:
1. Điện phân ở áp suất khí quyển
Đối với thiết bị điện phân này, quá trình điện phân của thiết bị điện phân xảy ra ở
điều kiện áp suất khí quyển (1013mbar). Sản phẩn của quá trình điện phân loại này
đạt độ tinh khiết khoảng từ 99,8 - 99,9%. với cơng nghệ này, ngày nay các bộ điện
phân có thể đạt đến công suất sản xuất Hydro lớn nhất là 485Nm3/h. với những ưu
điểm như dễ vận hành, chi phí vận hành thấp, các bộ điện phân lại này được sử
dụng phổ biến.
2. Điện phân ở áp suất cao
Thiết bị điện phân ở áp suất cao làm việc ở áp suất từ 5-40bar. Khả năng sản xuất
của bộ điện phân loại này cao hơn loại điện phân ở áp suất khí quyển, hiện nay,
cơng suất điện phân của loại này lên đến 760Nm3/h. Nhược điểm của thiết bị điện
phân áp suất cao chi phí vận hành cao, q trình vận hành phức tạp. Tuy nhiên, nếu
áp suất yêu cầu đầu ra của thiết bị điện phân là cao áp thì việc sử dụng bộ điện phân
kiểu này sẽ mang lại hiệu quá cao hơn sử dụng thiết bị điện phân áp suất thấp và
dùng máy nén để nén khí Hydro lên áp suất cao hơn.
Bảng 2.1.

Các nhà sản suất thiết bị điện phân với dung dịch điện ly

Nhà sản xuất

Xuất xứ

Địa chỉ web tham khảo

ELT Elektrolyse

Đức

www.elektrolyse.de

Norsk Hydro ASA

Na Uy

www.hydro.com/en

The
Electrolyser Canada
Coooperation

www.electrolyzercorp.com

Wasserelecktrolyse
Hydrotechnik

www.ht-hydrotechnik.de

2.4.1.2.

Đức

Điện phân bằng phương pháp màn trao đổi proton (PEM)

Điện phân bằng phương pháp màn trao đổi proton (PEM) là phương pháp điện phân
mới. Đối với phương pháp này, màn trao đổi proton cố định được thay cho chất điện ly
để trao đổi ion. Ưu điểm rất lớn của phương pháp PEM là khơng cần hóa chất, chỉ sử
dụng điện và nước để tham gia vào quá trình điện phân do đó q trình vận hành thiết
bị rất đơn giản. Một ưu điểm khác của phương pháp PEM là chất lượng khí sau q
trình điện phân tốt hơn so với phương pháp điện phân sử dụng dung dịch điện ly. Tuy
nhiên, giá thành sản xuất của loại thiết bị điện phân PEM cao hơn loại dùng dung dịch
điện ly.
Hiện nay, phương pháp PEM được sử dụng trong các hệ thống yêu cầu công suất nhỏ.
Công suất điện phân tối đa của hệ thống là 30Nm3/h. Theo xu hướng phát triển, công
nghệ điện phân sử dụng chất điện ly sẽ sử dụng cho các hệ thống yêu cầu công suất
lớn và công nghệ PEM sẽ được dùng trong các hệ thống có công suất nhỏ.
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
bằng phương pháp điện phân trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 14


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

Bảng 2.2.

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

Nhà sản xuất thiết bị điện phân PEM tham khảo

Nhà sản xuất

Xuất xứ

Địa chỉ web tham khảo

Giner, Inc

Mỹ

www.ginerinc.com

Proton Energy

Mỹ

www.protonenergy.com

Sylatech GmbH

Đức

www.sylatech.com

H Tec GmbH

Đức

www.h-tec.com

Bên cạnh đó, khi so sánh về hiệu suất thì hiệu suất của cơng nghệ PEM nhỏ hơn so với
loại điện phân sử dụng dung dịch điện ly, tuy nhiên nó cũng đạt đến hiệu suất khoảng
93%.
2.4.2.

Q trình sản xuất Hydro từ quang năng

Các panel mặt trời, chất bán dẫn (ứng dụng hiện tượng quang điện), chuyển hóa trực
tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng. Khí Hydrogen được sinh ra khi dòng quang
điện này chạy qua thiết bị điện phân đặt trong nước. Sử dụng năng lượng mặt trời để
tạo ra điện dùng trong điện phân nước, tương tự, chúng ta cũng có thể sử dụng các
nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, thủy điện để điện phân nước tạo ra
Hydrogen. Như thế việc sản xuất Hydrogen sẽ là một q trình sạch (khơng khí thải),
tái sinh và bền vững.
2.4.3.
2.4.3.1.

Phương pháp chuyển hóa Hydrocarbon
Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming)

Q trình này gồm hai bước chính:
Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là Methane) được tách Carbon và
chuyển hóa thành Hydrogen nhờ hơi nước dạng siêu nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác
thích hợp ở nhiệt độ khoảng 900°C.
CH4 + H2O => CO + 3H2
Carbon Mono-oxide sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển
hóa thành khí Carbonic và tạo ra thêm khí Hydrogen.
CO + H2O => CO2 + H2

Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất Hydrogen. Tuy nhiên
phương pháp này không được áp dụng để tạo một nguồn năng lượng mà chỉ để cung
cấp nguyên liệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ v.v.
2.4.3.2.

Khí hóa Hydrocarbon nặng (Gasification heavy Hydrocarbon)

Các Hydrocarbon nặng là các sản phẩm dầu mỏ và than đá. Than đá trước khi khí hóa
phải được nghiền thành dạng bột rồi hịa trộn với nước. Thơng thường, nhiên liệu được
hóa nhiệt ở khoảng 1.4000C với Oxygen hay khơng khí (Oxygen hóa khơng hồn
tồn), tạo ra hỗn hợp gồm Hydrogen, carbon mono-oxide (CO) và các sản phẩm phụ.
CO sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
bằng phương pháp điện phân trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 15


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

carbonic và tạo ra thêm khí Hydrogen, tương tự như bước thứ hai của q trình hóa
nhiệt khí thiên nhiên.
Rõ ràng đây không phải là phương pháp tối ưu. Bất lợi lớn nhất của nó là sử dụng
nhiên liệu hóa thạch làm nguyên liệu và đồng thời cũng làm nhiên liệu cung cấp nhiệt
lượng cho q trình. Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên hữu hạn, thêm vào đó,

việc đốt chúng tạo ra khí carbonic. Do đó phương pháp này xét về lâu dài không bền
vững.
Tuy vậy, phương pháp sản xuất khí Hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch đã và sẽ còn
chiếm ưu thế trong tương lai gần. Lý do chính yếu là do trữ lượng nhiên liệu hóa thách
cịn tương đối dồi dào, nhất là đối với khí thiên nhiên. Hơn nữa, những công nghệ này
(phương pháp sản xuất Hydrogen cơng nghiệp từ khí thiên nhiên nói riêng và nhiên
liệu hóa thạch nói chung) đã khá quen thuộc trong cơng nghiệp hóa chất, trong khi cơ
sở hạ tầng cho việc phát triển sản xuất Hydrogen từ các nguồn khác cịn thiếu thốn. Vì
vậy, một khi nhiên liệu hóa thạch vẫn cịn rẻ thì phương pháp này vẫn có chi phí thấp
nhất. Thêm vào đó, để hạn chế mặt tiêu cực này của nhiên liệu hóa thạch, ta có thể
dùng cơng nghệ tách khí carbonic rồi thu hồi và chơn lấp chúng.
2.4.3.3.

Quy trình hiện đại tạo ra Hydro từ khí thiên nhiên mà khơng thải ra CO2

Từ những năm 1980, Kvỉrner - một tập đồn dầu khí của Na Uy đã phát triển cơng
nghệ mang tên "Kvỉrner Carbon Black and Hydrogen Process" (KCB&H). Nhà máy
đầu tiên dựa trên quy trình Kvỉrner hiện đại này đặt ở Canada và bắt đầu sản xuất vào
tháng 6 năm 1999. Quy trình plasma - Kværner xảy ra ở nhiệt độ cao (1.6000C) tách
Hydrogen và than hoạt tính từ hợp chất Hydrocarbon như dầu mỏ hay khí thiên nhiên
mà khơng thải ra CO2.
Than đen tinh khiết này được dùng trong sản xuất vỏ xe hơi và dùng như chất khử
trong công nghiệp luyện kim. Nhờ một số tính chất đặc biệt mà chúng cịn có thể dùng
để lưu trữ Hydrogen (ống Carbonnano).
2.4.3.4.

Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (Biomass Gasification and Pyrolysis)

Sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất Hydrogen. Đầu tiên, sinh khối được chuyển
thành dạng khí qua q trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước. Hơi nước chứa

Hydrogen được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và sau đó có thể được hóa nhiệt để
sinh ra Hydrogen. Quá trình này thường tạo ra sản lượng Hydrogen khoảng từ 12% 17% trọng lượng Hydrogen của sinh khối. Nguyên liệu cho phương pháp này có thể
gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị v.v.
Do các chất thải sinh học được sử dụng làm nguyên liệu như vậy, phương pháp sản
xuất Hydrogen này hoàn toàn tái tạo được (renewable) và bền vững.
2.4.4.

Các phương pháp khác

Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản sinh ra Hydrogen như là sản phẩm phụ
trong quá trình trao đổi chất của chúng. Các sinh vật này thường sống trong nước,
phân tách nước thành khí Hydrogenvà Oxygen. Hiện tại, phương pháp này vẫn đang
trong giai đoạn nghiên cứu.
Ví dụ của phương pháp này là việc ứng dụng một loại tảo đơn bào có tên
Chlamydomonas reinhardtii. Các nghiên cứu cho thấy loại tảo này chứa enzyme
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
bằng phương pháp điện phân trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 16


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

Hydrogenase có khả năng tách nước thành hai thành phần Hydrogen và Oxygen. Các
nhà khoa học đã xác định được cơ chế q trình, điều này có thể giúp mang lại một

phương pháp gần như vô hạn để sản xuất Hydrogen sạch và tái sinh. Cơ chế này đã
phát triển qua hàng triệu năm tiến hóa giúp tảo tồn tại trong mơi trường khơng có
Oxygen. Một khi ở trong chu trình này, tảo "thở" bằng Oxygen lấy từ nước và giải
phóng ra khí Hydrogen.
Gần đây, các nhà khoa học tại trung tâm năng lượng Hydrogen của trường ĐH tiểu
bang Pennsylvania cũng đã nghiên cứu thành công phương pháp tạo ra Hydrogen từ
quá trình vi khuẩn phân hủy các chất thải hữu cơ sinh học, như nước thải sinh hoạt,
nước thải nông nghiệp v.v. Ứng dụng nghiên cứu này sẽ mở ra triển vọng to lớn đầy
hữu ích, vừa kết hợp xử lý nước thải và vừa sản xuất Hydrogen cung cấp cho pin nhiên
liệu vi khuẩn (micro-fuel cell), tạo ra điện năng.
2.5. VẤN ĐỀ AN TOÀN CỦA NHIÊN LIỆU HYDRO
Hydro là khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị và rất hoạt động. Khi hydro cháy, nó
mang mối nguy hiểm tiềm ẩn bởi ngọn lửa của nó khơng thể nhận thấy bằng mắt
thường, do đó, nó có thể lan đi mà người ta không thể nhận biết để cảnh báo. Tuy
nhiên, trong chừng mực nào đó, hydro cháy an tồn hơn các nhiên liệu hóa thạch thơng
thường. Hydro có tốc độ bừng cháy rất cao và tiêu tán mau. Do đó, những vụ cháy,
thậm chí bắt nguồn từ hydro lỏng, thường bùng lên rất nhanh rồi hết. Theo tính tốn
của các nhà khoa học cho thấy ở một vụ cháy xe cộ liên quan đến xăng dầu, đám cháy
có thể kéo dài hai mươi đến ba mươi phút, trong khi đó, ngọn lửa từ đám cháy của
chiếc xe chạy bằng lượng hydro tương đương chỉ kéo dài từ một đến hai phút.
Hình 2.1 là hình ảnh thu được từ đoạn phim video so sánh hai đám cháy (thử nghiệm)
của xe chạy bằng nhiên liệu hydro và xe chạy bằng xăng tại cùng thời điểm 60 giây
sau khi bắt lửa. Ngọn lửa hydro bắt đầu nguôi bớt trong khi ngọn lửa của xăng vẫn như
đang dữ dội hơn. Sau 100 giây, hydro đã phân tán bay hết và phần bên trong chiếc xe
hơi khơng bị hư hỏng nhiều. Trong khi đó, chiếc xe chạy xăng vẫn tiếp tục cháy vài
phút và hoàn tồn bị hư hại.

Hình 2.1.

So sánh đám cháy của xe chạy bằng nhiên liệu hydro (trái) và xe

chạy bằng nhiên liệu xăng (phải)

Hydro khi bị đốt cháy sinh ra nhiệt và hơi nước. Do khơng có carbon, hơn nữa hơi
nước lại là chất hấp thụ nhiệt nên hydro cháy tỏa nhiệt ít hơn nhiều so với khi các
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
bằng phương pháp điện phân trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 17


Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Phòng Đào tạo Sau đại học- Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh

LUẬN VĂN CAO HỌC
Cao Minh Thiện

hydrocarbon cháy và đám cháy khơng lan đi, chỉ có những vật trực tiếp bị đốt dưới
ngọn lửa đó mới bị cháy nặng, những vật khác ở gần ngọn lửa sẽ khó mà tự bắt cháy
được. Vì thế mà mối nguy hiểm về khói độc và việc cháy lan kéo dài đối với hydro đã
được giảm đi đáng kể. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong vấn đề cứu hỏa.

Hình 2.2.

Ngọn lửa cháy của hydrocarbon (mũi tên đỏ bên trái) so với ngọn
lửa cháy của hydro (vòng tròn xanh bên phải)

Tỉ trọng thấp và khả năng khuếch tán nhanh cho phép hydro thốt nhanh vào khí
quyển nếu như có sự rị rỉ xảy ra. Trong khi đó, propane và xăng dầu, với tỉ trọng cao
và khả năng khuếch tán thấp, dễ tụ lại gần mặt đất, làm gia tăng rủi ro cháy nổ. Hydro

phải đạt đến nồng độ 4% trong khí quyển mới gây nguy hiểm, khi đó khả năng bắt lửa
của hydro sẽ tăng lên nhanh. Mặc dù nồng độ 4% xem như không cao, nhưng nếu so
sánh với nồng độ cần đạt để bốc cháy của xăng dầu chỉ có 1%, hydro cho thấy mức rủi
ro cháy nổ thấp hơn đáng kể.
Hydro không độc và không ăn mòn. Xăng và dầu rất độc với con người và sinh vật nếu
như vơ tình chúng bị rị rỉ ra mơi trường bên ngồi. Trong khi đó, nếu hydro bị thốt
ra, chúng sẽ bay hơi gần như hồn tồn và chỉ để lại nước phía sau. [16]
2.6. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN
Hydro là nguồn năng lượng chất lượng cao và có thể được dữ trữ với thời gian lâu dài.
Tuy nhiên, nguồn năng lượng năng không tồn tại sẵn trong tự nhiên và không thể khai
thác tự nhiên như dầu mỏ được. Đo đó, để có nguồn nhiên liệu Hydro, ta phải tiến
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để sản xuất Hydro
bằng phương pháp điện phân trong điều kiện Việt Nam
GVHD: GS_TS. Lê Chí Hiệp

Trang 18