chương 1, tình hình ô nhiễm không khí từ phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu truyền thống (xăng, dầu) trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng ngày một gia tăng. Sự gia tăng các nồng độ các chất ô nhiễm trong bầu khí quyển kể từ khi nhân loại bước vào thời kỳ công nghiệp đã đặt ra những vấn đề hết bức xúc về môi trường. Thủ phạm chính gây ra các chất 12 ô nhiễm trong bầu không khí là sản phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt. Trong khí thải có những chất trực tiếp gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người như CO, HC, NOx, SO2, bồ hóng.
và những chất gây tác động xấu đến môi trường, đặc biệt là CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất. Nhiều hội nghị cấp cao quốc tế và khu vực đã bàn giải pháp giảm thiểu CO2 trong sản xuất và đời sống và người ta đã đạt được những thỏa thuận quan trọng trong các công ước quốc tế Kyoto, LaHaye và Việt Nam cũng đã cam kết thực hiện. Theo các Công ước này các quốc gia cần áp dụng các giải pháp rút giảm mức độ phát thải CO2 bằng cách nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, sử dụng các nguồn năng lượng sạch, sử dụng năng lượng tái sinh. Năng lượng tái sinh có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng lý tưởng nhất.
Một trong những giải pháp giảm ô nhiễm không khí là tìm và sử dụng các loại nhiên liệu sạch thay thế các loại nhiên liệu truyền thống trên. Nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh từ lâu đã được các nhà khoa học quan tâm, đặc biệt là từ sau khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng dầu mỏ năm 1973. Cuộc khủng hoảng sau đó được khắc phục, tuy nhiên nguy cơ của nó vẫn luôn rập rình. Những năm gần đây, giá dầu thô liên tục gia tăng, có lúc đã vượt ngưỡng 140USD/thùng trong năm 2008.
Mặc dù các nước xuất khẩu dầu mỏ đã sử dụng hết công suất hiện có để sản xuất nhưng cũng rất khó khăn mới có thể làm hạ nhiệt cơn sốt giá dầu thô. Với mức khai thác như hiện nay, trữ lượng dầu thô trong lòng đất sẽ cạn kiệt trong tương lai không xa. Việc chuyển dần sang sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống đã trở thành chiến lược trong chính sách năng lượng của nhiều quốc gia phát triển. Những thách thức trên là bài toán nan giải cho toàn ngành năng lượng - nhiên liệu, cũng như ngành động cơ đốt trong và ô tô.
Để giải quyết những vấn đề trên, các nhà khoa học trên thế giới đang có những hướng nghiên cứu sau: 1) Nghiên cứu chế tạo những thiết bị - động cơ nhiệt loại mới sử dụng nguồn năng lượng thiên nhiên dồi dào, hoặc chế tạo ra những động cơ có hiệu suất 13 nhiệt cao và thải ít khí độc: pin năng lượng mặt trời, turbine gió, động cơ stirling, fuel-cell, động cơ hybrid, động cơ HCCI, động cơ GDI, động cơ DISC, … 2) Nghiên cứu, điều chế, và phát hiện những loại nhiên liệu mới thay thế nhiên liệu có nguồn gốc hoá thạch: nhiên liệu khí (khí Hydro, khí thiên nhiên nén – CNG, khí thiên nhiên hoá lỏng – LNG, khí hoá lỏng – LPG, và khí carbon monoxide – CO), và nhiên liệu sinh học (dầu động thực vật, dầu sinh học – biodiesel, nhiên liệu cồn – methanol, ethanol, khí sinh học – biogas). Hướng nghiên cứu thứ nhất hiện đang được các nhà khoa học trên thế giới, đặc biệt là các nhà khoa học tại các nước phát triển (các nước EU, Mỹ, Nhật, Hàn Quốc…) quan tâm nghiên cứu. Tuy nhiên, hướng nghiên cứu này đang gặp phải những khó khăn nhất định về công nghệ và hiểu biết của nhân loại. Mặc dù vậy, hướng nghiên cứu này hứa hẹn những bước đột phá trong tương lai và những phát minh của con người trong hướng nghiên cứu này sẽ làm biến đổi sâu sắc xã hội loài người trong tương lai.
Hướng nghiên cứu thứ hai, đó là hướng nghiên cứu thích hợp và chi phí thấp cho những mục tiêu ngắn và trung hạn khi dựa trên những hiểu biết về khoa học – kỹ thuật – công nghệ đã phát triển vài trăm năm của con người. Tuy nhiên, có một số khó khăn gặp phải khi phát triển theo những hướng này: những khó khăn về công nghệ và an toàn khi ứng dụng những nhiên liệu khí (khí Hydro, khí thiên nhiên nén – CNG, khí thiên nhiên hoá lỏng – LNG, khí hoá lỏng – LPG, và khí carbon monoxide – CO), và những vấn đề chính trị – xã hội (giảm quỹ đất cho chương trình lương thực: điều này dẫn đến tình trạng giá lương thực tăng lên, đói nghèo cùng với bạo động và tệ nạn xã hội diển ra) khi phát triển nhiên liệu sinh học (dầu động thực vật, dầu sinh học – biodiesel, nhiên liệu cồn – methanol, và ethanol). Tuy nhiên, khí sinh học – biogas, với thành phần chủ yếu là CH4 và CO2, là một “ứng cử viên” sáng giá với những ưu điểm nổi bật của nhiên liệu sinh học: sự phân bố đều khắp trên toàn thế giới, chi phí khai thác-chế biến rẻ, có thể sử dụng trực tiếp trên thiết bị - động cơ nhiệt hoặc trên thiết bị - động cơ nhiệt hiện hữu với một số điều 14 chỉnh nhỏ, góp phần cải tiến hiệu suất cháy và giảm khí thải từ các thiết bị-động cơ nhiệt,…; còn có những ưu điểm mà không nhiên liệu sinh học nào có được: à Sử dụng nguyên liệu là những chất thải từ rác sinh hoạt, phân động vật, phế phẩm hữu cơ từ công nghiệp … à Công nghệ sản xuất và ứng dụng biogas khá đơn giản và rất phù hợp cho những vùng xa xôi – hẻo lánh. à Giảm khí thải (CO2, CH4, NH3, …) và mùi từ rác sinh hoạt, phân động vật, xác động thực vật, phế phẩm hữu cơ từ công nghiệp … à Tăng nguồn thu nhập cho những trang trại, hộ chăn nuôi gia súc,… bằng cách giảm chi phí sử dụng.1 Biogas: Biogas thường được dùng để chỉ khí sinh học được sản xuất từ sự phân hủy kỵ khí hay lên men của chất hữu cơ bao gồm chất thải gia súc, rác thành phố, các chất thải phân rã sinh học khác trong điều kiện thiếu không khí.
Biogas cơ bản chứa methane (CH4) và khí carbonic (CO2). Biogas chứa methane là chất khí có giá trị dùng để sản sinh năng lượng trên ô tô (động cơ đốt trong) hay nhà máy điện. Nó cũng có thể được sử dụng trực tiếp để đun nấu, sấy, sưởi, thắp sáng hay làm lạnh bằng máy lạnh hấp thụ. Thành phần khí biogas thay đổi theo nguồn gốc của quá trình phân hủy kỵ khí.
Biogas từ bãi chôn lấp rác có thành phần methane khoảng 50%. Với công nghệ xử lý rác hiện đại, thành phần biogas có thể đạt 55-75% CH4. Cũng như dầu thực vật, khí biogas là nhiên liệu trung hòa CO2 trong khí quyển. Biogas là kết quả phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí.
Các chất hữu cơ (cây cối, rơm rạ, xác sinh vật, các chất thải từ quá trình chế biến thực phẩm.), các chất thải từ quá trình chăn nuôi. Biogas chứa chủ yếu methane (50-70%) và CO2 (25-50%) và các tạp chất khác như H2S. CH4 được mệnh danh là nhiên liệu “sạch”, có nhiệt trị cao. 15 Theo tính toán, 1m3 CH4 khi cháy tỏa ra một nhiệt lượng tương đương với 1,3kg than đá, 1,15 lít xăng, 1,7 lít cồn hay 9,7kW.
Nếu sử dụng biogas làm nhiên liệu, 1m3 khí biogas có thể cung cấp cho động cơ 1 sức ngựa chạy trong 2 giờ. Vì vậy nếu khí biogas được lọc sạch các tạp chất thì chúng sẽ là nguồn nhiên liệu thay thế rất lý tưởng để chạy động cơ đốt trong trên cơ sở các thành tựu đã đạt được về động cơ sử dụng nhiên liệu khí. Thành phần khí biogas thay đổi theo nguồn gốc của quá trình phân hủy kị khí. Biogas từ bãi chôn lấp rác có thành phần methane khoảng 50%.
Với công nghệ xử lí rác hiện đại, thành phần biogas có thể đạt 55-75% CH4. Đối với qui mô nhỏ của hộ gia đình và các trại chăn nuôi thường được sản xuất từ chất thải của gia súc. Đặc tính và sản lượng khí sinh học thu được từ các nguồn phân thải chủ yếu được giới thiệu trong Bảng 2.1 Sản lượng biogas sinh ra từ các nguyên liệu khác nhau Loại nguyên liệu Lượng thải Hàm lượng Tỷ lệ khối Sản lượng khí hàng ngày chất khô (%) lượng C/N hằng ngày (kg/con) (lít/kg nguyên liệu tươi) Chất thải bò 15-20 18-20 24-25 15-32 Chất thải trâu 18-25 16-18 24-25 15-32 Chất thải lợn 1,2-4 24-33 12-13 40-60 Chất thải gia 0,02-0,05 25-50 5-15 50-60 cầm Chất thải người 0,18-0,34 20-34 2,9-10 60-70 Bèo tây tươi - 4-6 12-25 0,3-0,5 Rơm rạ khô - 80-85 48-117 1,5-2,0 16 2. Tình hình sản xuất và sử dụng biogas trên thế giới: Dầu mỏ đang cạn kiệt dần đã thúc đẩy các nước phát triển nghiên cứu tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế mang tính bền vững hơn.
Công đồng Châu Âu đã kêu gọi các nước trong khối thực hiện mục tiêu sử dụng 5,75 % nhiên liệu sinh học vào năm 2010. Trong kế hoạch ngắn hạn, điều này có nghĩa là nhiên liệu sinh học (biogas, biodiesel,…) đã có mặt trên thị trường và trong tương lai, việc sử dụng chúng sẽ được tăng cường mạnh mẽ hơn. Biogas là nhiên liệu sinh học được dùng để phát điện năng bằng động cơ gas ở Châu Âu. Mặc khác, loại nhiên liệu này cũng đã được dùng trên phương tiện giao thông, cụ thể như ở Thụy Điển đã chế tạo tàu hỏa chạy bằng biogas.
Tàu hỏa này được lắp hai động cơ xe buýt sử dụng biogas, có thể chở 54 hành khách. Quãng đường hoạt động độc lập của tàu là 600 km trước khi cần tiếp nhiên liệu và có thể đạt vận tốc 130 km/h. Một lượng lớn nghiên cứu và báo cáo đã được công bố, cũng như việc sản xuất những tổ hợp động cơ – phát điện (tổ hợp bao gồm những động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu biogas/diesel, động cơ khí biogas, hoặc biogas turbine) sử dụng nhiên liệu biogas của những công ty hàng đầu về động cơ trên thế giới như: công ty Jenbacher – Áo, công ty Caterpillar – Mỹ, công ty Tedom – Séc,…đã cho thấy rằng việc ứng dụng khí biogas từ phân hủy kị khí phân gia súc, rác thải sinh hoạt tại các bãi chôn lấp,…tại các nước phát triển đã được ứng dụng rất phổ biến. Châu Âu hiện có hơn 4500 nhà máy sản xuất biogas tại những bãi chôn lấp rác lớn.
Tốc độ phát triển sản xuất biogas tăng khoảng 6%/năm.
