So sánh hiệu quả của các giải pháp cung cấp biogas cho động cơ đốt trong

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 65 SO SÁNH HIỆU QUẢ CỦA CÁC GIẢI PHÁP CUNG CẤP BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG COMPARISONS OF EFFECTIVENESS OF DIFFERENT SOLUTIONS OF BIOGAS SUPPLYING FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến Đại học Đà Nẵng Lê Xuân Thạch Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa, Phú Yên TÓM TẮT Việc chuyển đổi động cơ chạy bằng xăng dầu sang chạy bằng biogas có thể được thực hiện theo các phương án: chỉ chạy bằng biogas hay chạy bằng hai nhiên liệu biogas/xăng dầu. Dựa trên nguyên lý hoạt động của động cơ sau khi cải tạo và giá cả năng lượng hiện nay, bài báo này phân tích hiệu quả kinh tế của các phương án chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng biogas. Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở phạm vi công suất bé, sự khác biệt về hiệu quả kinh tế của động cơ đánh lửa cưỡng bức biogas/xăng và động cơ dual fuel biogas/diesel khi chạy bằng biogas không khác biệt nhau nhiều. Tuy nhiên ở phạm vi công suất lớn, động cơ đánh lửa cưỡng bức thể hiện tính ưu việt hơn hẳn khi chạy bằng biogas so với động cơ dual fuel. Dựa trên kết quả phân tích này, bài báo đề xuất công nghệ cải tạo động cơ sang chạy bằng biogas phù hợp cho từng phạm vi công suất khác nhau. ABSTRACT Traditional engines can be converted into biogas engines by relying on two different solutions: running only on biogas or on bifuel (biogas/petroleum). Based on the principle of operation of converted engines and the actual price of energy, this paper analyses the effectiveness of different biogas conversion solutions. The results shows that on the scale of low power range, there is only a little difference in the effectiveness between spark ignition engines and dual fuel engines. However, on the scale of high power range, the difference in the effectiveness of these two solutions is considerable. In the latter case, the spark ignition engine is more interesting than the dual fuel engine when running on biogas . Based on the results analysed in this paper, the authors also suggest appropriate biogas/petroleum conversion technologies for engines of different power ranges. 1. Giới thiệu Việc sử dụng biogas làm nhiên liệu thay thế cho xăng dầu để sản xuất điện năng và cung cấp năng lượng cho sản xuất và sinh hoạt ở nông thôn mang lại những lợi ích thiết thực về kinh tế và bảo vệ môi trường. Trong thực tế, do yêu cầu sản xuất người dân sử dụng nhiều loại động cơ khác nhau, có dải công suất thay đổi rộng vì vậy việc cải tạo các động cơ có sẵn sang chạy bằng biogas cũng rất đa dạng và hiệu quả hoạt động của chúng cũng khác nhau. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 66 Biogas là nhiên liệu tái sinh được sản xuất từ chất thải hữu cơ. Sau khi lọc các tạp chất có hại, đặc biệt là H2S, biogas có thể được dùng làm nhiên liệu cho động cơ như khí thiên nhiên [1], [6]. Sử dụng biogas là nhiên liệu không làm tăng nồng độ chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí quyển, góp phần hạn chế hiện tượng ấm dần lên toàn cầu. Trong những công trình trước đây chúng tôi đã trình bày các phương án cải tạo động cơ chạy bằng xăng dầu sang chạy bằng biogas với các bộ phụ kiện vạn năng GATEC-20 (hình 1a) và GATEC-21 (hình 1b). Các bộ phụ kiện này được lắp thêm vào động cơ, nguyên lý và kết cấu của động cơ nguyên thuỷ không thay đổi, nhờ vậy động cơ có thể sử dụng lại xăng, dầu khi cần thiết như trước khi cải tạo. Có thể gọi các động cơ sau khi cải tạo là động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel, biogas/xăng [2], [3], [4], [5]. Hình 1. Bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu biogas/xăng dầu cho động cơ đốt trong a. Bộ phụ kiện GATEC-20, b. Bộ phụ kiện GATEC-21 Trên thị trường, động cơ công suất trung bình và lớn được thiết kế chuyên dùng để chạy bằng biogas có giá thành cao và chỉ chạy được bằng biogas, không chạy được bằng xăng, dầu. Vì vậy nó không đảm đương được nhiệm vụ của động cơ dự phòng. Động cơ đánh lửa cưỡng bức cỡ nhỏ chạy bằng biogas hiện có mặt trên thị trường sử dụng bộ chế hòa khí đơn giản, không có hệ thống làm đậm hỗn hợp phù hợp với các điều kiện lý hoá của biogas sản xuất đa dạng ở nước ta, do đó động cơ làm việc không ổn định khi tải bên ngoài thay đổi. Công nghệ GATEC khắc phục được các nhược điểm nêu trên của động cơ biogas có mặt trên thị trường. Ngoài ra các bộ phụ kiện vạn năng của GATEC còn cho phép chuyển đổi nhiên liệu biogas/nhiên liệu lỏng cho hầu hết các chủng loại động cơ đốt trong tĩnh tại hiện đang được sử dụng phổ biến (xăng, diesel, 1 xi lanh, nhiều xi lanh, tăng áp, không tăng áp,...), có phạm vi thay đổi công suất rất rộng từ một vài kW đến hàng trăm kW. Tính năng của động cơ khi chạy bằng biogas với các bộ phụ kiện GATEC có thể tóm tắt như sau: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 67 - Tốc độ động cơ được giữ ổn định khi chế độ tải cản thay đổi. Dao động tốc độ không quá 5% tốc độ định mức, thời gian trở lại tốc độ ổn định không quá 5s. - Động cơ biogas/diesel sử dụng một lượng dầu thấp hơn lượng dầu động cơ nguyên thuỷ tiêu thụ khi chạy không tải; Động cơ biogas/xăng chỉ sử dụng xăng khi khởi động. - Mức độ tiêu thụ biogas phụ thuộc và chất lượng nguồn sản xuất nhưng bình quân động cơ tiêu thụ khoảng 1m3 biogas để sản xuất 1kWh điện. Về mặt kinh tế, công nghệ GATEC đem lại nhiều lợi ích thiết thực cho người sử dụng: • Không phải trang bị thêm một động cơ chỉ chạy bằng biogas đắt tiền cùng công suất với động cơ dự phòng, vừa tiết kiệm kinh phí đầu tư, vừa tránh phiền hà chuyển đổi hệ thống điện giữa hai máy phát. • Tận dụng nguồn biogas để sản xuất điện, không giới hạn khối lượng. Khi hết biogas, máy có thể được chuyển sang chạy bằng xăng, dầu bình thường. • Không phải xả bỏ biogas như trước khi áp dụng công nghệ GATEC, vừa tránh lãng phí năng lượng, vừa đảm bảo an toàn và bảo vệ môi trường. Như trên đã trình bày, công nghệ GATEC cho phép cải tạo động cơ xăng, động cơ diesel có phạm vi công suất thay đổi rất rộng sang chạy bằng biogas. Do đặc thù về mặt cung cấp nhiên liệu biogas của các giải pháp tạo hỗn hợp khác nhau, tính kinh tế của động cơ cũng thay đổi. Động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng biogas không cần nhiên liệu lỏng phun mồi. Trong khi đó động cơ dual fuel chạy bằng biogas được cải tạo từ động cơ diesel cần một lượng diesel phun mồi tối thiểu để đánh lửa. 2. Tính toán hiệu quả kinh tế của các phương án cung cấp biogas cho động cơ 2.1. Đối với động cơ biogas/xăng Động cơ biogas/xăng khi chạy bằng biogas chỉ sử dụng một lượng xăng không đáng kể để khởi động vì vậy mức độ tiết kiệm của nó tỉ lệ với công suất điện mà nó phát ra. - Tiết kiệm khi chạy bằng biogas so với khi chạy bằng xăng: Db-x = 0,48.Pd.Xx (đồng/giờ) (1) Pd: Công suất đầu ra máy phát điện (kW) Xx: Giá xăng (đồng/lít) - Tiết kiệm khi chạy bằng biogas so với khi sử dụng điện sản xuất: Db-d = Pd.Y (đồng/giờ) (2) Pd: Công suất đầu ra máy phát điện (kW) Y: Giá điện (đồng/kWh) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 68 2.2. Đối với động cơ biogas/diesel Động cơ diesel khi chuyển sang chạybằng biogas/diesel phải sử dụng một lượng nhiên liệu diesel phun mồi để đánh lửa. Lượng nhiên liệu này gần như cố định đối với công suất tải và phụ thuộc vào kết cấu cũng như tình trạng kỹ thuật của động cơ. Thực nghiệm cho thấy động cơ cỡ nhỏ lượng nhiên liệu phun mồi chiếm khoảng 5% lượng phun định mức. Động cơ cỡ lớn (trên 100kW) tỉ lệ này khoảng 25%. Chúng ta có thể giả định tỉ lệ nhiên liệu phun mồi tăng một cách tuyến tính theo công suất định mức của động cơ. - Chi phí nhiên liệu diesel phun mồi khi động cơ chạy bằng biogas: K = 7.10- 4Pdm.Xd (Pdm + 25) (đồng/giờ) (3) Pdm: Công suất định mức của động cơ diesel (kW) Xd: Giá dầu diesel (đồng/lít) - Tiết kiệm khi chạy bằng biogas so với khi chạy bằng diesel: Db-diesel = 0,35λPdm.Xd – K (đồng/giờ) (4) λ: Tỉ số công suất đầu ra máy phát điện/công suất định mức của động cơ - Tiết kiệm khi chạy bằng biogas so với khi sử dụng điện sản xuất: Db-d = λPdm.Y – K (đồng/giờ) (5) Y: Giá điện (đồng/kWh) 3. So sánh hiệu quả kinh tế của các phương án cải tạo động cơ biogas So sánh hiệu quả kinh tế của các phương án cung cấp biogas cho động cơ được thực hiện với các số liệu cụ thể sau đây: - Giá dầu: 14.600 đ/lít (loại 0,05S) và 14.550 đ/lít (loại 0,25S) - Giá xăng: 16.990 đ/lít (loại A92) và 17.490 đ/lít (loại A95) Giá điện sinh hoạt từ chữ điện 401 trở đi là 2079 đ/kWh. Giá điện sản xuất được tính theo giờ sử dụng trong ngày theo bảng 1. Bảng 1. Giá điện sản xuất STT Giờ áp dụng Đơn giá (đã tính VAT) (đ/kWh) Ghi chú 1 Giờ thấp điểm 648 Tất cả các ngày trong tuần: từ 22 giờ 00 đến 04giờ 00 sáng ngày hôm sau 2 Giờ bình thường 1126 3 Giờ cao điểm 2132 Gồm các ngày từ thứ Hai đến thứ Bảy: - Từ 09 giờ 30 đến 11 giờ 30 (02 giờ); - Từ 17 giờ 00 đến 20 giờ 00 (03 giờ). TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 69 Hình 2a giới thiệu động động cơ chạy bằng biogas được cải tạo từ động cơ xăng cỡ nhỏ. Bộ phụ kiện GATEC-21 được lắp thêm vào động cơ để cung cấp biogas. Đối với nguồn cung cấp biogas giàu, động cơ có thể khởi động và chạy hoàn toàn bằng biogas. Đối với các nguồn cung cấp biogas nghèo (thành phần CH4 trong biogas nhỏ hơn 60%) thì động cơ được khởi động bằng xăng. Sau khi khởi động xong, khóa xăng được khóa lại và động cơ chuyển sang chạy có tải bằng biogas. Vì vậy mỗi lần khởi động, động cơ tiêu thụ một lượng xăng bằng lượng xăng chứa trong buồng phao của bộ chế hòa khí. Lượng xăng này có thể xem như không đáng kể so với năng lượng mà động cơ tạo ra trong một ngày hoạt động. Vì vậy mức độ tiết kiệm chi phí nhiên liệu trong mỗi giờ hoạt động tỉ lệ thuận với công suất động cơ (hình 2b). Động cơ dual fuel biogas/diesel được cải tạo từ động cơ diesel cỡ nhỏ được thực hiện bằng cách lắp thêm bộ phụ kiện GATEC-20. Hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel nguyên thủy không thay đổi do đó động cơ có thể sử dụng lại diesel khi cần thiết. Như trên đã trình bày, khi chạy bằng biogas, chúng ta phải duy trì một lượng phun diesel tối thiểu để đảm bảo đánh lửa hỗn hợp. Ở động cơ cỡ nhỏ, 1 xi lanh, lượng nhiên liệu phun mồi này thấp, khoảng dưới 10% lượng nhiên liệu phun ở chế độ định mức. Lượng nhiên liệu này khi cháy sinh ra năng lượng làm tăng công suất động cơ biogas. Tuy nhiên khi năng lượng do quá trình cháy biogas đủ để tạo ra công suất cần thiết thì luợng nhiên liệu phun mồi này lại làm giảm hiệu quả kinh tế của động cơ. Vì vậy, với cùng công suất điện phát ra, hiệu quả kinh tế của động cơ dual fuel biogas/diesel thấp hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng biogas. Mức độ khác biệt này bé đối với động cơ có công suất nhỏ hoạt động ở chế độ định mức. Hình… giới thiệu 0 10 000 20 000 30 000 40 000 50 000 60 000 70 000 80 000 90 000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Công suất đầu ra máy phát điện (kW) Ti ết k iệ m (đ ồn g/ gi ờ ) : So với khi chạy bằng xăng : So với giá điện giờ cao điểm b. : So với giá điện sinh hoạt : So với giá điện giờ bình thường a. Hình 2. Máy phát điện biogas/xăng 3kW được cải tạo từ động cơ xăng (a) và mức độ tiết kiệm chi phí theo giờ hoạt động (b) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 70 động cơ dual fuel biogas/diesel được cải tạo từ động cơ diesel 5kW và hình… giới thiệu mức độ tiết kiệm của nó khi chạy ở chế độ định mức so với giá dầu diesel và so với giá điện. 0 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000 30 000 35 000 40 000 45 000 50 000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Công suất định mức (kW) Ti ết k iệ m (đ ồn g/ gi ờ ) : So với khi chạy bằng dầu diesel b. : So với giá điện giờ cao điểm : So với giá điện sinh hoạt : So với giá điện giờ bình thường a. Hình 4. Máy phát điện biogas/diesel 5 kW được cải tạo từ động cơ diesel (a) và mức độ tiết kiệm chi phí theo giờ hoạt động toàn tải (b) : So với khi chạy bằng xăng : So với giá điện giờ cao điểm b. : So với giá điện sinh hoạt : So với giá điện giờ bình thường a. Hình 3. Máy phát điện biogas/xăng 60kW được cải tạo từ động cơ ô tô (a) và mức độ tiết kiệm chi phí theo giờ hoạt động (b) 0 50 000 100 000 150 000 200 000 250 000 300 000 350 000 400 000 450 000 10 20 30 40 50 Công suất đầu ra máy phát điện (kW) Ti ết k iệ m (đ ồn g/ gi ờ ) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 71 Đối với động cơ nhiều xi lanh, việc điều chỉnh lượng nhiên liệu phun mồi phức tạp hơn vì lượng phun tối thiểu được điều chỉnh sao cho tất cả các xi lanh của động cơ đều có thể cháy được. Vì vậy sự tồn tại sự chênh lệch về lượng nhiên liệu phun mồi giữa các xi lanh và điều này làm tăng lượng nhiên liệu cần thiết để đánh lửa. Thực nghiệm cho thấy lượng nhiên liệu phun mồi tăng theo công suất động cơ và thay đổi theo tình trạng kỹ thuật của động cơ. Động cơ cũ, bơm cao áp khó chỉnh được độ đồng đều ở chế độ không tải có lượng phun mồi lớn. Hình 5a giới thiệu động cơ biogas/diesel được cải tạo từ động cơ diesel 60kW và mức độ tiết kiệm chi phí nhiên liệu của động cơ biogas/diesel cỡ lớn trình bày trên hình 5b. Khi công suất định mức của động cơ tăng trên 50kW, mức độ tiết kiệm chi phí năng lượng so với giá điện hầu như không thay đổi. Hình so sánh mức độ tiết kiệm của động cơ biogas/xăng và biogas/diesel so với giá điện sản xuất giờ cao điểm. Kết quả này cho thấy đối với động cơ cỡ nhỏ (công suất nhỏ hơn khoảng 20kW), chênh lệch về mức độ tiết kiệm giữa động cơ biogas/xăng và biogas/diesel không đáng kể. Khi công suất động cơ tăng cao, chênh lệch về mức độ tiết kiệm của hai loại động cơ này trở nên đáng kể. Vì vậy, ở phạm vi công suất bé, ta có thể sử dụng động cơ hai nhiên liệu. Đối với động cơ cỡ trung và cỡ lớn, nếu không có nhu cầu chạy bằng hai nhiên liệu thì nên sử dụng động cơ đánh lửa cưỡng bức để tăng mức độ tiết kiệm chi phí nhiên liệu. 4. Kết luận - Động cơ chạy bằng hai nhiên liệu biogas/xăng dầu có thể đảm đương nhiệm vụ của máy phát điện dự phòng và tận dụng biogas để phát điện do đó giúp người sử dụng tiết kiệm chi phí đầu tư : So với khi chạy bằng dầu diesel b. : So với giá điện giờ cao điểm : So với giá điện sinh hoạt : So với giá điện giờ bình thường a. Hình 5. Máy phát điện biogas/diesel 60kW được cải tạo từ động cơ diesel (a) và mức độ tiết kiệm chi phí theo giờ hoạt động đầy tải của động cơ biogas/diesel cỡ lớn (b) 0 25 000 50 000 75 000 100 000 125 000 150 000 175 000 200 000 225 000 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Công suất định mức (kW) Ti ết k iệ m (đ ồn g/ gi ờ ) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 72 - Đối với động cơ cỡ nhỏ (dưới 20kW), hiệu quả kinh tế của động cơ xăng/biogas và động cơ diesel/biogas không khác biệt nhau nhiều. - Đối với phạm vi công suất lớn nên cải tạo động cơ diesel sang sử dụng biogas theo nguyên lý động cơ biogas đánh lửa cưỡng bức. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bui Van Ga, Ngo Van Lanh, Ngo Kim Phung: Purification of biogas for fueling internal combustion engine. Review Science and Technology, The University of Danang, No 4-2007 [2] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh: Hệ thống cung cấp biogas cho động cơ dual-fuel biogas/diesel. Tạp chí Khoa học-Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 2(25)-2008, pp. 17-22 [3] Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Phi Quang: Tối ưu hóa quá trình cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng hai nhiên liệu biogas- dầu mỏ. Tạp chí Khoa học-Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 5(28)-2008, pp. 22-30 [4] Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm: Động cơ tĩnh tại chạy bằng hai nhiên liệu biogas-diesel. Tạp chí Giao Thông Vận Tải, pp 23-26, tháng 12- 2008 [5] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Trần Thanh Hải Tùng: Tính toán van cung cấp biogas cho động cơ nhiều xi lanh cỡ lớn. Tạp Chí Giao Thông- Vận Tải, số 8/2009, pp. 25-27 [6] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Thi Thanh Xuan: Utilization of biogas engines in rural area: A contribution to climate change mitigation. Colloque International RUNSUD 2010, pp. 19-31, Universite Nice-Sophia Antipolis, 23-25 Mars 2010 0 20 000 40 000 60 000 80 000 100 000 120 000 0 10 20 30 40 50 Công suất định mức (kW) Ti ết k iệ m (đ ồn g/ gi ờ ) Hình 6. So sánh mức độ tiết kiệm của động cơ biogas/xăng và biogas/diesel