Chương 1: Nghiên cứu tổng quan. Chương 2: Cơ sở lý thuyết và nghiên cứu chuyển đổi động cơ. Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng động cơ. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm.
Kết luận chung và hướng phát triển. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1. Tổng quan về nhiên liệu thay thế Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng toàn cầu và các vấn đề ô nhiễm môi trường đang ngày một tăng, việc tìm ra những nguồn năng lượng mới phải thỏa mãn các yêu cầu như: sạch, có khả năng tái tạo và bền vững hơn để dần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng bị cạn kiệt. Những nguồn năng lượng thay thế này sẽ là nguồn lực cơ bản đáp ứng được nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội của đất nước, đồng thời cũng giảm nhẹ được những thách thức về chính trị và an ninh quốc phòng.
Theo báo cáo của “BP Statistical Review of World Energy”, Năng lượng tái tạo đóng góp 15% tổng năng lượng sản xuất trên toàn thế giới, con số này được kỳ vọng tăng lên đến 85% trước năm 2050 [6]. Trong đó, đối với các phương tiện giao thông vận tải nói riêng, nhiên liệu thay thế chiếm khoảng 4% lượng tiêu thụ và được kỳ vọng sẽ đóng góp hơn 50% trong ba thập kỷ tới[7].1 thể hiện mức tiêu thụ của nhiên liệu tái tạo và năng lượng điện năm 2015 và số liệu dự đoán năm 2050. Rõ ràng rằng, cả năng lượng tái tạo và năng lượng điện đang được kỳ vọng rất nhiều sẽ đóng vai trò chủ đạo cho nguồn năng lượng thế giới trong tương lai. Mức tiêu thụ năng lượng tái tạo và điện năm 2015 và 2050 theo lĩnh vực sử dụng[8] Thuật ngữ nhiên liệu thay thế (alternative fuel) được đưa ra vào cuối những năm 1970 để chỉ những nhiên liệu mới không phải xăng, diesel hay nhiên liệu chuyên dụng cho hàng không [9].
Nhiên liệu thay thế và năng lượng thay thế (alternative energy) thường bị nhầm lẫn với nhau khi cả hai đều không bao gồm các nguồn nhiên liệu hóa thạch và hạt nhân. Năng lượng thay thế thường đến từ các nguồn năng lượng tự nhiên như gió, mặt trời, sóng… được chuyển đổi thành năng lượng điện. Trong khi đó, nhiên liệu tái tạo chủ yếu được biết đến với các nhiên liệu cho phương tiện giao thông và nhà máy điện như nhiên liệu sinh học (Biofuel), ethanol, khí thiên nhiên. Để đảo bảo vấn đề an ninh năng lượng cũng như giảm thiểu phát thải từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch, việc nghiên cứu phát triển và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế là vô cùng quan trọng.
4 Nhiên liệu sinh học (Biofuel) Nhiên liệu sinh học thường được sản xuất từ sinh khối (Biomass) chủ yếu là các sản phẩm của nông nghiệp. Nhiên liệu sinh học bao gồm cả nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng, trong đó nhiên liệu sinh học dạng lỏng bao gồm Ethanol sinh học (Bioethanol), Methanol sinh học (Bio methanol), Diesel sinh học (Biodiesel); dạng khí gồm Hydro sinh học (Bio hydro) và Methane sinh học (Biomethane) [10, 11]. Dựa vào nguồn gốc, nhiên liệu sinh học được chia thành bốn thế hệ như sau [12] Thế hệ nhiên liệu sinh học thứ nhất (First-generation biofuel) được tạo ra từ các nguồn nguyên liệu từ thực phẩm hay thức ăn như: gạo, ngô, lúa mạch, lúa mỳ, củ cải đường., hoặc các loại hạt có dầu như: dầu cọ, đậu tương, dầu hạt cải. hoặc từ mỡ động vật.
Các loại nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất cũng bao gồm: Dầu thực vật, Diesel sinh học, Ethanol sinh học, Khí sinh học (Biogas), nhiên liệu sinh học thể rắn, khí đốt tổng hợp (Syngas) [13]. Với nguồn nguyên liệu sinh học này có thể giảm đáng kể lượng CO2 phát thải ra môi trường nhưng không phát triển bền vững, bởi vì nguyên liệu được sử dụng thường là một phần nguồn thức ăn cho người và động vật nuôi. Nếu gia tăng sử dụng nguồn nguyên liệu nêu trên sẽ làm gia tăng giá cả các loại cây trồng này và bất ổn lương thực, quỹ đất trồng cho các loại cây lương thực bị cạnh tranh gây ảnh hưởng đến an ninh lượng thực quốc gia[2]. Vì vậy cần phải tìm kiếm các loại nhiên liệu thay thế đảm bảo an ninh lương thực và năng lượng quốc gia cũng như cải tiến hơn về mặt công nghệ, đây cũng là lý do để tìm kiếm nguồn nguyên liệu cho thế hệ nhiên liệu sinh học thứ hai ra đời.
Nhằm hạn chế những nhược điểm của thế hệ nhiên liệu sinh học thứ nhất, nguồn nguyên liệu sử dụng để tạo ra nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có thể lấy từ nguồn nguyên liệu phế thải của nông nghiệp hay các cây được trồng trên đất bạc màu, bỏ hoang (sản xuất từ Cellulose), ví dụ như cỏ Switchgrass, cây cọc rào (Jatropha) [14]. Về cơ bản nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có thể không đe dọa đến an ninh lương thực quốc gia nhưng có thể gây ô nhiễm và cạn kiệt nguồn tài nguyên nước, giảm diện tích rừng, nguy cơ từ sự độc canh, thêm vào đó là chi phí để chuyển hóa Sen-lu- lô thành đường đắt hơn so với chi phí chuyển tinh bột thành đường. Chính vì vậy, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba đã ra đời, được cho là có thể giải quyết được hầu hết các vấn đề đang tồn tại. Có thể nói nhiên liệu sinh học từ tảo chính là nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba có thể thỏa mãn đồng thời được hai mục tiêu: tạo ra năng lượng và góp phần làm sạch môi trường.
Bởi vì mỗi tế bào tảo là một nhà máy sinh học nhỏ, sử dụng quá trình quang hợp để chuyển hóa CO2 và ánh sáng mặt trời thành năng lượng dự trữ trong tế bào và tạo ra các sản phẩm thứ cấp có giá trị cao, hoạt động này có thể tăng gấp nhiều lần trong một ngày[15]. Trong quá trình quang hợp, tảo sẽ sản xuất ra dầu ngay trong tế bào của chúng, lượng dầu mà tảo tạo ra nhiều gấp 30 lần so với lượng dầu từ hạt đậu nành ở cùng một đơn vị diện tích. Đồng thời tảo có thể tăng khả năng sản xuất dầu bằng cách bổ sung khí CO2 trong quá trình nuôi trồng chúng hoặc sử dụng các môi trường giàu chất hữu cơ như nước thải để nuôi trồng. Điều này vừa tạo ra nhiên liệu sinh học, vừa làm giảm lượng CO2 cũng như làm sạch môi trường [16].
Tuy nhiên, trở ngại lớn nhất đối với thế hệ thứ ba là vấn đề về việc sản xuất dầu tảo vẫn có giá thành cao hơn nhiều so với sản xuất nhiên liệu diesel từ dầu mỏ[17]. Ngoài ra, một thế hệ thứ tư của nhiên liệu sinh học đã được đề xuất và phát triển dựa trên sự ứng dụng của ảnh hay điện sinh học. Trong đó, các thiết bị quang – điện 5 được sử dụng để thúc đẩy quá trình lên men của các nguồn nhiên liệu. Với sự kết hợp của phản ứng lên men và các phương pháp xúc tác, các tế bào glucose được tách ra và tạo ra nhiên liệu mà không cần sử dụng đến O2 [18].
Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất của thế hệ nhiên liệu sinh học này là sự phức tạp của phương pháp lên men cũng như các thiết bị đắt tiền và khó khăn trong việc vận hành. Với nguồn nguyên liệu đa dạng và dồi dào, nhiên liệu sinh học đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình thay thế và giảm thiểu các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, việc sản xuất và sử dụng nguồn nhiên liệu này cũng luôn phải cân đối với việc đảm bảo an ninh thực phẩm cũng như các vấn đề về nguồn nước sạch[19]. Trong ngành giao thông vận tải và động cơ đốt trong nói riêng, nhiên liệu sinh học được sử dụng và biết đến nhiều nhất dưới dạng diesel sinh học (biodiesel), thường được sản xuất từ dầu thực vật hay động vật với tiềm năng thay thế nhiên liệu diesel truyền thống.
Nhiên liệu ethanol hay cồn ethanol đã và đang được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới như một nhiên liệu tự nhiên có khả năng tái tạo với mục tiêu giảm thiểu phát thải và sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch [20]. Nhiên liệu ethanol được biết đến là một nhiên liệu sinh khối với nguồn gốc chế xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu trong thiên nhiên như chất béo động thực vật, ngũ cốc, lúa mỳ, khoai, ngô, đậu tương, hay từ chất thải nông nghiệp cũng như công nghiệp [22]. Thông thường, ethanol được sử dụng để thay thế một phần cho nhiên liệu xăng hoặc diesel. Ngoài những ưu điểm về nguồn nguyên liệu chế xuất lớn cũng như lượng phát thải nhỏ, ưu điểm lớn nhất cho việc sử dụng nhiên liệu ethanol là khả năng ứng dụng và thích ứng trên các động cơ sẵn có [23].
Theo đó, ethanol được hòa trộn trực tiếp vào nhiên liệu xăng hoặc diesel trước khi được cung cấp vào động cơ trên đường ống nạp hoặc trong xylanh mà không cần thay đổi kết cấu động cơ [24]. Tại Mỹ nói riêng, hơn 98% nhiên liệu xăng được hòa trộn cùng ethanol để giảm phát thải cũng như lượng tiêu thụ xăng [25]. Với trị số Octane cao hơn xăng, ethanol cung cấp khả năng hòa trộn tốt hơn cho nhiên liệu xăng, giảm chất lượng xăng yêu cầu cũng như tăng khả năng chống kích nổ cho động cơ xăng [26]. Hỗn hợp nhiên liệu xăng và ethanol, còn được gọi là xăng sinh học (gasohol hay bio gasoline) được hòa trộn từ nhiên liệu xăng thông thường và cồn sinh học khan (anhydrous ethanol) theo một tỉ lệ nhất định [27].
Theo tỷ lệ hòa trộn ethanol, xăng sinh học với tỷ lệ ethanol từ 5 tới 25% (E5 tới E25) được gọi là hỗn hợp ethanol thấp, E30 đến E85 được gọi là hỗn hợp ethanol cao. Khi lượng ethanol hòa trộn cao, lượng phát thải càng thấp, tuy nhiên, một số yêu cầu về kỹ thuật và an toàn trên động cơ cần được đảm bảo[28]. Với những ưu điểm trên, ethanol đang được phát triển, sản xuất và sử dụng tại hầu hết các quốc gia trên thế giới. Riêng tại Việt Nam, tính đến năm 2015, có 6 nhà máy ethanol đang hoạt động với tổng công suất là 512 triệu lít một năm [29].
Hiện nay, xăng E10 với 10% ethanol là xăng sinh học được sử dụng phổ biến nhất tại nhiều quốc gia trên thế giới [30]. Tại Việt Nam, xăng E5 đang được sử dụng thay thế cho xăng RON92 đồng thời đảm bảo các bài toán về an toàn phương tiện [31]. Với tính toán và kỳ vọng sử dụng xăng E10 trong tương lai, ethanol cũng như xăng sinh học đã, đang và sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu phát thải giao thông và đảm bảo an ninh năng lượng trong nước[32].