Giải Pháp Phát Điện Hỗ Trợ Năng Lượng Cryogenic Bằng ORC Và Môi Chất Lạnh Ít Cháy

1. Thách Thức Khi Tận Dụng Năng Lượng Cryogenic

1.1 Tại sao phải tối ưu hóa năng lượng cryogenic?

Với nhu cầu giảm phát thải khí nhà kính (GHG) và tối ưu hóa nguồn năng lượng, công nghệ phát điện tận dụng năng lượng cryogenic đang trở thành giải pháp tiềm năng. Tuy nhiên, việc triển khai thực tế vẫn còn gặp nhiều thách thức:

• Làm sao để tận dụng đồng thời nhiệt thải và năng lượng cryogenic một cách hiệu quả?
• Cách nào để tăng hiệu suất mà không làm tăng nguy cơ cháy nổ?
• Môi chất lạnh nào có thể thay thế hydrocarbon dễ cháy nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất cao?
• Mô phỏng động lực học có thể giúp tối ưu thiết kế hệ thống thế nào?

Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng chu trình Rankine hữu cơ (Organic Rankine Cycle – ORC) kết hợp môi chất lạnh ít cháy để giải quyết các vấn đề trên.

1.2 Năng lượng cryogenic bị lãng phí như thế nào?

Nhiên liệu cryogenic như hydro lỏng (-252.9°C) và amoniac (-33°C) được lưu trữ ở trạng thái lỏng. Khi được hóa hơi để sử dụng, chúng thải ra một lượng lớn năng lượng lạnh mà nếu không được tận dụng, sẽ gây lãng phí.

Ngoài ra, nhiệt thải từ động cơ diesel và hệ thống pin nhiên liệu cũng có thể được tái sử dụng, giúp nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.

2. Công Nghệ ORC Hỗ Trợ Năng Lượng Cryogenic

2.1 ORC là gì?

Chu trình Rankine hữu cơ (Organic Rankine Cycle – ORC) là công nghệ tái sử dụng năng lượng phổ biến nhất do:

✅ Cấu trúc hệ thống nhỏ gọn, dễ tích hợp vào các hệ thống hiện có.
✅ Hoạt động hiệu quả với nhiệt độ thấp, phù hợp với nhiều ứng dụng.
✅ Chi phí đầu tư thấp hơn so với các chu trình Brayton và Kalina.

2.2 Ứng dụng của ORC trong ngành công nghiệp

ORC được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực:

• Ngành hàng hải: Thu hồi nhiệt thải từ động cơ diesel tàu biển.
• Công nghiệp: Tận dụng nhiệt dư từ các quy trình sản xuất.
• Năng lượng tái tạo: Kết hợp với năng lượng mặt trời, địa nhiệt.

3. So Sánh Môi Chất Lạnh Ít Cháy Và Hydrocarbon

3.1 Tại sao hydrocarbon dễ cháy không an toàn?

Hydrocarbon như propane, butane, ethane có hiệu suất nhiệt động cao nhưng lại có nhược điểm lớn:

❌ Dễ cháy nổ, gây nguy hiểm trong môi trường hàng hải hoặc công nghiệp.
❌ Khó kiểm soát rò rỉ, đòi hỏi hệ thống an toàn nghiêm ngặt.

3.2 Giải pháp: Hydrofluorocarbon (HFC) ít cháy

Các HFC như R452B, R454C, R455A là lựa chọn an toàn hơn với ưu điểm:

✅ Độ cháy thấp, giảm nguy cơ cháy nổ.
✅ Hiệu suất cao, có thể cạnh tranh với hydrocarbon.
✅ Giảm phát thải GHG, phù hợp với tiêu chuẩn môi trường.

📌 Kết quả nghiên cứu: Khi sử dụng R452B, hệ thống đạt hiệu suất nhiệt 10.43%, hiệu suất exergy 12.75%, và giảm phát thải GHG lên đến 85%.

4. Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Bay Hơi Đến Hiệu Suất Hệ Thống

📊 Dữ liệu thực nghiệm:

• Khi tăng nhiệt độ bay hơi từ 70°C lên 110°C, hiệu suất nhiệt tăng 4.47-7.36%, trong khi hiệu suất exergy giảm từ 6.37-11.11%.
• Môi chất có khối lượng mol nhỏ hơn (R452B) cho hiệu suất cao hơn R450A.

Hệ thống cần cân bằng giữa tăng nhiệt độ bay hơi để nâng cao hiệu suất nhiệt nhưng không làm giảm hiệu suất exergy quá mức.

5. Mô Phỏng Động Với Simcenter Amesim

Siemens Simcenter Amesim được sử dụng để mô phỏng hệ thống với các thông số:

• Thời gian mô phỏng: 4000 giây
• Mô phỏng trạng thái động thay vì trạng thái ổn định
• Thư viện môi chất lạnh phong phú

📌 Kết quả:

• Quá tải môi chất lạnh làm giảm hiệu suất nghiêm trọng.
• Duy trì 70% tỷ lệ lỏng/thể tích để đảm bảo vận hành ổn định.

6. Hiệu Quả Giảm Phát Thải GHG

📊 So sánh với động cơ diesel hàng hải:

• Lloyd’s Register: ORC với HFC có thể giảm 96% phát thải GHG.
• DNV: Mức giảm đạt 62%.

➡️ Ứng dụng hệ thống phát hiện rò rỉ môi chất lạnh là yếu tố quan trọng để đạt được lợi ích môi trường tối đa.

7. Kết Luận Và Triển Vọng

Công nghệ ORC hỗ trợ năng lượng cryogenic kết hợp với môi chất lạnh ít cháy là một bước tiến quan trọng trong việc tái sử dụng năng lượng thải và giảm phát thải khí nhà kính.

💡 Gợi ý cho tương lai:

• Phát triển hệ thống kiểm soát rò rỉ tốt hơn.
• Nghiên cứu môi chất lạnh có GWP thấp hơn nữa.
• Ứng dụng công nghệ AI trong tối ưu hóa vận hành hệ thống.

Link bài báo: Cryogenic energy assisted power generatio nutilizing low flammability refrigerants

📢 Bạn nghĩ gì về công nghệ này? Hãy chia sẻ ý kiến của bạn!

📩 Liên hệ để được tư vấn về Simcenter Amesim và giải pháp năng lượng:

• Website: https://phanthanh.id.vn / https://plm.id.vn
• Facebook: https://www.facebook.com/thanh.sysadmin
• LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/thanhplm/
• Email: lpthanh.plm@gmail.com
• Hotline: +84 976-099-099