CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Các nguồn năng lượng toàn cầu và tình trạng năng lượng hiện tại Các nguồn năng lượng có thể được chia thành 3 nhóm: năng lượng hóa thạch, năng lượng tái tạo và năng lượng nguyên tử. Năng lượng hóa thạch được hình thành hàng triệu năm trước nên không được gọi là nguồn tái tạo.
Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô trên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng. Thế giới đang phải đối mặt với thực tế là nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40 50 năm nữa nếu không phát hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới. Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu ngày càng tăng lên.
Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng dầu mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn. Năm 2003, lượng dầu mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn. Nếu không được phát hiện thêm những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm nữa. Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng dầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu trên thế giới.
Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở các khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển như Việt Nam [8]. Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ dầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường, phá hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là rất quan trọng và thiết thực. Song hành cùng với việc sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và ngoài nước LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong.
Nhằm đối phó với nguy cơ cạn kiệt năng lượng hóa thạch và ô nhiễm môi trường, các quốc gia trên thế giới đều đưa ra các chính sách đa dạng hóa nguồn năng lượng hướng tới mục tiêu giảm dần sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch. Cộng đồng châu Âu là khu vực dẫn đầu về vấn đề này.1 thể hiện rõ nét nỗ lực của cộng đồng châu Âu trong mục tiêu đa dạng hóa năng lượng sử dụng cho lĩnh vực giao thông vận tải. Kịch bản đa dạng hóa nhiên liệu ở châu Âu [8] Theo kịch bản đa dạng hóa này, các quốc gia châu Âu đưa ra mục tiêu dần thay thế nhiên liệu hóa thạch (xăng và diesel) bằng các nhiên liệu có nguồn gốc sinh học như SunFuel, SunGas, nhiên liệu tổng hợp (SynFuel), khí nén thiên nhiên (CNG) và sử dụng ô tô điện, pin nhiên liệu. Với kịch bản này, đến năm 2030, lượng nhiên liệu hóa thạch sử dụng cho lĩnh vực giao thông vận tải chỉ còn chiếm chưa đến 50% tổng năng lượng sử dụng cho lĩnh vực này.
Yêu cầu cơ bản của nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong Do đặc điểm đốt cháy hỗn hợp trong không gian kín (buồng cháy của động cơ) nên nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong đòi hỏi phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khe sau đây [8]: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 - Dễ dàng hình thành hỗn hợp không khí - nhiên liệu; dễ cháy và cháy không tạo tro; - Trọng lượng nhẹ và có mật độ năng lượng lớn; - Dễ cung cấp cho phương tiện; - Có thể hoạt động tức thì; - An toàn trong tiêu thụ và tiện lợi trong vận chuyển. Với các yêu cầu ở trên, nhiên liệu lỏng được cho là loại nhiên liệu phù hợp nhất nhờ trọng lượng nhẹ, mật độ năng lượng lớn, dễ hình thành hỗn hợp với không khí và hỗn hợp không khí - nhiên liệu lỏng khi cháy hầu như không tạo ra tro. Nhiên liệu lỏng được sử dụng cho động cơ đốt trong bao gồm các hợp chất hydrocacbon (H-C), chủ yếu được chế biến từ dầu thô như xăng và diesel. Nhiên liệu khí do có mật độ năng lượng tính theo thể tích thấp nên ít được sử dụng cho các động cơ đốt trong lắp trên phương tiện di động.
Hiện nay, nhiên liệu khí đang được dùng làm nhiên liệu thay thế ở dạng nén hoặc hóa lỏng. Các loại khí được dùng cho động cơ đốt trong ở dạng nén hoặc hóa lỏng để tăng mật độ năng lượng, bao gồm khí thiên nhiên (NG), khí mêtan, êtan, prôpan, khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí tổng hợp (syngas), khí hyđrô. Nhiên liệu rắn không được sử dụng trực tiếp cho động cơ đốt trong do quá trình đốt cháy sinh ra nhiều tro, tuy nhiên nó có thể sử dụng gián tiếp thông qua biện pháp khí hóa để tạo thành khí tổng hợp hoặc hóa lỏng thông qua quá trình khí hóa kết hợp với quá trình tổng hợp Fisher Tropsch (tổng hợp FT) [8]. Nhiên liệu thay thế 1.
Phân loại Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành 2 nhóm. Nhóm các nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch gồm: Ethanol từ nguồn hóa thạch, khí thiên nhiên (NG - Natural Gas), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas), methanol, hy đrô, khí hóa lỏng (GTL - Gas To Liquid), than đá hóa lỏng (CTL - Coal To Liquid) và Dimethyl Ether (DME). Nhóm các loại nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo gồm: Khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol), methanol sinh học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 (bio-methanol), hy đrô, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay FAME - Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật qua xử lý hy đrô (HVO - Hydrotreating Vegetable Oil), sinh khối hóa lỏng (BTL - Biomass To Liquid) và DME. Tóm lược về các loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong được thể hiện trên bảng 1.
Phân loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong Nguồn gốc Động cơ đánh lửa cưỡng bức Động cơ cháy do nén Ethanol Than đá hóa lỏng (CTL) Methanol Khí hóa lỏng (GTL) Hóa thạch Khí thiên nhiên (NG) Dimethyl Ether (DME) Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) Hyđrô Bio-ethanol/ bio-methanol Diesel sinh học (bio-diesel/FAME) Khí sinh học (biogas) Dầu sinh học (bio-oil) Tái tạo Hyđrô Dầu thực vật qua xử lý hyđrô (HVO) Sinh khối hóa lỏng (BTL) Dimethyl Ether (DME) Các loại nhiên liệu khí có nguồn gốc hóa thạch như khí thiên nhiên và khí dầu mỏ hiện đang được sử dụng rất rộng rãi làm nhiên liệu thay thế cho xăng trên động cơ dùng cho phương tiện giao thông. Tuy nhiên, do mật độ năng lượng thấp nên để sử dụng được cho phương tiện vận tải cần thiết phải nén (ví dụ khí nén thiên nhiên CNG) hoặc hóa lỏng (khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và khí thiên nhiên hóa lỏng LNG). Khí hyđrô hiện cũng đang được sử dụng thí điểm trên phương tiện giao thông ở các dạng như hyđrô nén, hyđrô hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu. Ethanol và mêthanol sinh học hiện là hai loại nhiên liệu lỏng phù hợp nhất để thay thế cho xăng.
Với tính chất tương đồng với nhiên liệu diesel và khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu đối với nhiên liệu cho động cơ cháy do nén, diesel sinh học (bio-diesel) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 hiện đang là loại nhiên liệu được sử dụng nhiều nhất để thay thế cho nhiên liệu diesel. Bio-diesel có thể sử dụng ở dạng nguyên chất (B100) hoặc trộn với nhiên liệu diesel với một tỷ lệ nhất định. Ngoài ra, dầu thực vật và DME cũng được nhiều nước sử dụng cho động cơ cháy do nén. Dầu thực vật có độ nhớt lớn nên cần phải lưu ý cải thiện (cách đơn giản nhất là sấy nóng nhiên liệu để giảm độ nhớt) đồng thời người sử dụng còn phải quan tâm đến vấn đề kết cặn trong buồng cháy và trong hệ thống cung cấp nhiên liệu, vấn đề độ bền ô xy hóa của nhiên liệu dầu thực vật.
Nhiên liệu DME hiện chưa thực sự phổ biến, tuy nhiên triển vọng sản xuất DME từ nguồn tái tạo là rất lớn. Độ nhớt nhỏ của DME cũng là một yếu tố cần lưu tâm nhằm đảm bảo được tính năng bôi trơn cho động cơ. Việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel và một loại nhiên liệu khí cũng đang nhận được quan tâm của nhiều nước [9]. Các loại động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG, diesel/CNG hay các loại động cơ đa nhiên liệu hiện nay đã được sản xuất, hoán cải và sử dụng khá nhiều.
Giới thiệu về nhiên liệu sinh học Các loại nhiên liệu sinh học (nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo) được chia thành các thế hệ như: nhiên liệu sinh học thế hệ I, II và III. Các loại nhiên liệu sinh học có thể trộn với nhiên liệu khoáng và đốt cháy trong động cơ đốt trong và phân phối qua hệ thống hạ tầng sẵn có hoặc được sử dụng trên các phương tiện có điều chỉnh thích nghi nhỏ đối với động cơ đốt trong. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ I là loại nhiên liệu đang được thương mại phổ biến trên thị trường thế giới hiện nay như ethanol làm từ cây mía hay từ tinh bột (ngô, sắn.), diesel sinh học (bio-diesel) và dầu thực vật nguyên chất (PPO - pure plant oil). Nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất là cây mía, tinh bột, các loại hạt chứa dầu (cải dầu, hướng dương, đậu nành, cọ.) hoặc mỡ động vật.
Các loại nhiên liệu này thường là thực phẩm hoặc phụ phẩm của ngành thực phẩm. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ II là nhiên liệu được sản xuất từ xenlulo và hemixenluloza (có trong sinh khối). Ethanol làm từ xenlulo và nhiên liệu FT (Fischer - Tropsch) là những ví dụ điển hình về loại nhiên liệu này.