Ứng dụng Simcenter Amesim trong Mô phỏng Hệ thống Phát điện Tăng cường Tích Trữ Năng Lượng Cấp Đông

Ứng dụng Simcenter Amesim trong Mô phỏng Hệ thống Phát điện Tăng cường Tích Trữ Năng Lượng Cấp Đông

Bối cảnh và Thách thức

Nhu cầu năng lượng toàn cầu đang tăng nhanh hơn bao giờ hết, khiến lượng khí nhà kính (GHG) phát thải ngày càng trở thành một thách thức nghiêm trọng đối với hành tinh. Nhiều quốc gia, bao gồm Vương quốc Anh, đã đặt mục tiêu đạt được trạng thái Net Zero vào năm 2050, đòi hỏi những thay đổi lớn trong cách chúng ta sử dụng và quản lý năng lượng.

Trong lĩnh vực hàng hải và công nghiệp, năng lượng cấp đông – một dạng năng lượng có giá trị cao được sinh ra trong quá trình hóa hơi các nhiên liệu như hydrogen và amonia – thường bị lãng phí. Thêm vào đó, nhiệt thải từ các động cơ và hệ thống làm mát cũng là nguồn năng lượng tiềm năng chưa được khai thác triệt để.

Câu hỏi đặt ra:

  • Làm thế nào để kết hợp khai thác năng lượng cấp đông và nhiệt thải một cách hiệu quả?
  • Làm sao để giảm thiểu nguy cơ an toàn, nhất là khi làm việc với các chất làm việc dễ cháy?

Hệ thống Chu trình Rankine Hữu cơ (Organic Rankine Cycle – ORC), đặc biệt là khi tích hợp năng lượng cấp đông, đã chứng minh là một trong những giải pháp hiệu quả nhất cho bài toán này.

Ứng dụng Simcenter Amesim trong Mô phỏng Hệ thống Phát điện Tăng cường Tích Trữ Năng Lượng Cấp Đông
Ứng dụng Simcenter Amesim trong Mô phỏng Hệ thống Phát điện Tăng cường Tích Trữ Năng Lượng Cấp Đông

2. Giải pháp: ORC tăng cường tích trữ năng lượng cấp đông

ORC là gì?

ORC là một hệ thống tận dụng năng lượng nhiệt thải để chuyển hóa thành cơ năng, sau đó thành điện năng. Khác với các chu trình Brayton hoặc Kaline, ORC được ưa chuộng hơn nhờ:

  • Khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp: Thích hợp với nguồn nhiệt thải dưới 150°C.
  • Cấu hình nhỏ gọn: Giảm chi phí lắp đặt và vận hành.
  • Tính linh hoạt: Dễ dàng tích hợp vào nhiều ứng dụng công nghiệp, hàng hải, và năng lượng tái tạo.

Vai trò của năng lượng cấp đông

Năng lượng cấp đông là năng lượng sinh ra từ quá trình hóa hơi các nhiên liệu được lưu trữ ở nhiệt độ cực thấp, như hydrogen (-252,9°C) và amonia (-33°C). Tận dụng nguồn năng lượng này giúp:

  • Nâng cao hiệu suất: Kết hợp năng lượng cấp đông với nhiệt thải giúp cải thiện hiệu suất toàn hệ thống.
  • Tăng cường tính bền vững: Hạn chế lãng phí và giảm phát thải khí nhà kính.

Tại sao cần chất làm việc dễ cháy thấp?

Hầu hết các nghiên cứu trước đây sử dụng hydrocarbon làm chất làm việc do hiệu suất cao. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của hydrocarbon là tính dễ cháy, dẫn đến nguy cơ cháy nổ cao, đặc biệt trong môi trường hạn chế không gian như tàu biển.

Trong nghiên cứu này, các chất làm việc hydrofluorocarbon (HFC) dễ cháy thấp như R452B, R455A đã được lựa chọn. Chúng không chỉ an toàn hơn mà còn đáp ứng tốt các tiêu chuẩn môi trường hiện tại.

Vai trò của Simcenter Amesim trong Mô phỏng ORC Tích Trữ Năng Lượng Cấp Đông

Simcenter Amesim là công cụ mô phỏng hệ thống nhiệt động lực hàng đầu, giúp các kỹ sư mô phỏng chính xác và tối ưu hóa các hệ thống phức tạp như ORC.

Những tính năng nổi bật của Simcenter Amesim

  1. Thư viện chất làm việc đa dạng:
    • Cung cấp dữ liệu nhiệt động lực chi tiết cho nhiều loại chất làm việc, từ các chất không cháy (A1) đến các chất dễ cháy nhẹ (A2L).
  2. Mô phỏng động:
    • Mô hình hóa ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ bay hơi, áp suất ngưng tụ, và lượng sạc chất làm việc (system charge) – điều mà mô phỏng trạng thái ổn định không thể thực hiện chính xác.
  3. Khả năng tích hợp toàn diện:
    • Phân tích chi tiết các thành phần chính như bơm, bình ngưng, giãn nở, và bộ trao đổi nhiệt.
  4. Tối ưu hóa kiểm soát:
    • Hỗ trợ các chiến lược kiểm soát và khởi động hệ thống, đảm bảo tính an toàn và hiệu suất cao trong mọi điều kiện vận hành.

Ví dụ nghiên cứu thực tiễn

Trong nghiên cứu này, hệ thống ORC được mô phỏng bằng Simcenter Amesim với các chất làm việc khác nhau. Kết quả nổi bật gồm:

  • R452B: Mang lại hiệu suất cao nhất, với hiệu suất nhiệt đạt 10,44% và giảm 85% khí thải nhà kính (GHG).
  • R450A: An toàn hơn nhờ không cháy, nhưng hiệu suất thấp hơn do nhiệt độ sôi cao hơn.
  • Siemens Amesim cung cấp một thư viện mở rộng về các chất làm lạnh, loại bỏ nhu cầu kết nối với các phần mềm khác để tra cứu các tính chất của chất lỏng.
  • Nhiệt độ bốc hơi (evaporation temperature) thể hiện mối quan hệ trực tiếp với năng lượng và mối quan hệ ngược chiều với hiệu suất năng lượng (exergy performance).
  • Sạc quá mức (system overcharging) dẫn đến sự suy giảm hiệu suất nghiêm trọng, trong khi việc sạc thiếu (undercharging) có thể được dung nạp đến một tỷ lệ lỏng trên thể tích (liquid-to-volume ratio) nhất định trước khi xảy ra hỏng hóc.
  • Kết quả cho thấy các hydrofluorocarbon có độ dễ cháy thấp cho ORC tăng cường đông lạnh là khả thi và có thể giảm đáng kể lượng phát thải khí nhà kính (GHG emissions).

 

Một số trích dẫn chính:

“Organic Rankine Cycles (ORCs)”

  • Chu trình Rankine Hữu cơ (ORC), sử dụng các chất lỏng làm việc là hydrocarbon dễ cháy, được xem là công nghệ tái sử dụng năng lượng thải ưu việt, được ưu tiên hơn so với chu trình Brayton và Kaline nhờ cấu hình hệ thống nhỏ gọn.

Mô hình ORC vi mô

  • Nghiên cứu này đề xuất một mô hình ORC vi mô chuyên sâu nhằm tái sử dụng năng lượng nhiệt thải và năng lượng đông lạnh kép, sử dụng chất làm lạnh có độ dễ cháy thấp làm chất lỏng làm việc.

Siemens Amesim

  • Siemens Amesim là phần mềm mô phỏng hệ thống nhiệt động lực chuyên nghiệp, với các chức năng mở rộng để đánh giá các tính chất nhiệt – vật lý.

Mô phỏng động so với mô phỏng trạng thái ổn định

  • Quyết định sử dụng mô phỏng động thay vì mô phỏng trạng thái ổn định dựa trên nghiên cứu về lượng sạc hệ thống. Một mô hình trạng thái ổn định không thể mô phỏng chính xác các hiệu ứng khi tăng lượng sạc có thể dẫn đến hỏng hóc hệ thống.

Link bài nghiên cứu: Cryogenic energy assisted power generation utilizing low flammability refrigerants

Ứng dụng ORC trong các Ngành Công nghiệp

Hàng hải

  • Ứng dụng: Tái sử dụng năng lượng từ khí thải động cơ và nhiệt cấp đông nhiên liệu.
  • Lợi ích: Giảm lượng CO2 phát thải, đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường khắt khe như của IMO.

Năng lượng tái tạo

  • Ứng dụng: Kết hợp với hệ thống nhiên liệu hydrogen và amonia.
  • Lợi ích: Giảm thiểu phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, hướng tới mục tiêu phát triển bền vững.

Sản xuất công nghiệp

  • Ứng dụng: Tối ưu hóa hiệu suất trao đổi nhiệt trong nhà máy sản xuất.
  • Lợi ích: Giảm chi phí năng lượng và tăng hiệu quả vận hành.

Suy nghĩ của tôi

Công nghệ mô phỏng không chỉ dừng lại ở việc tái tạo các hệ thống thực tế, mà còn mở ra những khả năng mới để nâng cao hiệu suất và tính bền vững. Việc sử dụng Simcenter Amesim trong mô phỏng ORC tăng cường năng lượng cấp đông là minh chứng rõ ràng cho điều này.

Trong bối cảnh các quy định về môi trường ngày càng nghiêm ngặt, các chất làm việc dễ cháy thấp như R452B không chỉ giúp giảm phát thải mà còn đảm bảo an toàn khi vận hành. Đây chính là con đường dẫn đến một tương lai công nghiệp xanh và bền vững.

Nếu bạn muốn tối ưu hóa hệ thống năng lượng của mình và ứng dụng các giải pháp bền vững, hãy liên hệ ngay với tôi:

Disclaimer: I am the author at PLM ECOSYSTEM, focusing on developing digital-thread platforms with capabilities across HIS, RIS/PACS, LIS, and IT systems to manage the product data lifecycle and connect various medical imaging. My opinions may be biased. Articles and thoughts on PLMES represent solely the author's views and not necessarily those of the company. Reviews and mentions do not imply endorsement or recommendations for purchase.

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *