Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trong lĩnh vực liên quan của đề tài, tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam và trên thế giới. Trong đó đặc biệt chú ý đến khả năng sản xuất Butanol sinh học và các nghiên cứu để ứng dụng làm nhiên liệu sinh học. Chương này cũng nghiên cứu các hệ thống cung cấp nhiên liệu cũng như đặc điểm các quá trình khi sử dụng nhiên liệu sinh học pha Butanol.
Từ đó có thể đề xuất cải tiến đường nạp để cait thiện tính năng động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường Phát triển giao thông vận tải là một yêu cầu quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế xã hội của mỗi quốc gia. Theo dự báo, số lượng ô tô ở Châu Á - Thái Bình Dương sẽ tăng 93% (từ năm 1985 đến 2020) và tiếp tục tăng 50% (từ năm 2020 đến 2060). Mức độ gia tăng số lượng ô tô phụ thuộc vào thu nhập bình quân đầu người của mỗi quốc gia.
Theo Tổng cục thống kê, lượng ô tô nhập khẩu về thị trường Việt Nam trong những năm qua tăng mạnh. Nếu như năm 2013, Việt Nam chỉ nhập khẩu 34 nghìn chiếc ô tô, thì trong năm 2014 lượng ô tô nhập là 72 nghìn chiếc, tăng gấp đôi so năm trước đó và năm 2015 là 125 nghìn chiếc, tăng 74% so năm 2014. Năm 2016, lượng ô tô nhập khẩu giảm nhẹ, chỉ đạt 115 nghìn chiếc, giảm 8% so năm 2015, song trong 3 tháng đầu năm 2017 tình hình nhập khẩu ô tô tăng mạnh trở lại, với 28 nghìn chiếc, tăng 43,4% so cùng kỳ năm trước. Ô nhiễm không khí (ONKK) không chỉ là vấn đề nóng tập trung ở các đô thị phát triển, các khu, cụm công nghiệp… mà đã trở thành mối quan tâm của toàn xã hội.
ONKK được xem là một trong những tác nhân hàng đầu có nguy cơ tác động nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng. Giao thông với xu hướng số lượng phương tiện giao thông gia tăng mạnh mẽ qua các năm được đánh giá là nguồn đóng góp đáng kể gây suy giảm chất lượng môi trường không khí (như Hình 1. Trong đó, các khí CO, VOC, TSP chủ yếu do các loại xe máy phát thải còn đối với ô tô thì nguồn ô nhiễm chính gồm các khí SO2 và NO2 [1, 65]. luan an -8- Hình 1.1: Thực trạng giao thông ở thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội Hình 1.2: Diễn biến nồng độ TSP trung bình năm gần các tuyến đường giao thông tại các thành phố lớn (Nguồn: Tổng cục Môi trường, 2016) Bầu không khí tại thủ đô Hà Nội bị cho là ô nhiễm hơn Thành phố Hồ Chí Minh (như Hình 1.
Điểm đáng chú ý là dù dân số và phương tiện giao thông tại Hà Nội ít hơn Thành phố Hồ Chí Minh, thế nhưng mức độ ô nhiễm không khí lại tệ hơn. Cụ thể theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường thì số ngày trong một năm ghi nhận chất lượng không khí tại Hà Nội kém là 237 ngày, số ngày chất lượng không khí xấu là 21 và 1 ngày ô nhiễm ở mức nguy hại. Xe máy chiếm đến 95% phương tiện giao thông tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, chỉ tiêu thụ 56% xăng nhưng thải ra 94% hydro cacbon (HC), 87% cacbon oxit (CO), 57% oxit nitro (NOx)… trong tổng lượng phát thải của các loại xe cơ giới. Nhiều xe sử dụng không bảo đảm tiêu chuẩn phát thải vì cũ kỹ [65].
luan an -9- Thủ tướng chính phủ Việt Nam vừa ký Quyết định số 985a về việc ban hành Kế hoạch hành động quốc gia về quản lý chất lượng không khí mục tiêu đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030. Theo quyết định này thì khuyến khích chủ nhân các phương tiện giao thông như xe máy, ô tô sử dụng xăng sinh học. Từ năm 2007, Chính phủ đã có đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025; tuy nhiên đến nay số điểm bán xăng sinh học vẫn còn hạn chế. Theo thống kê về môi trường, ước tính khoảng 40% NOx, 60% HC, 80% CO và nhiều dạng hạt rắn PM (kích thước rất nhỏ) trong bầu khí quyển là do khí thải của ô tô gây ra [7, 8].
Vì vậy, từ những năm 50 của thế kỷ trước, các quốc gia công nghiệp phát triển đã quan tâm vấn đề này. Nhiều luật bảo vệ môi trường đã ban hành với mức độ càng nghiêm ngặt hơn yêu cầu các nhà chế tạo ô tô phải nghiên cứu cải tiến sản phẩm của mình tốt hơn nhằm hạn chế nồng độ chất ô nhiễm khí thải. Các giá trị giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải của ô tô theo Tiêu chuẩn Euro và bắt đầu áp dụng ở cộng đồng Châu Âu từ năm 1995: Euro I (1995), Euro II (1997), Euro III (2001), Euro IV (2006). Ở Việt Nam, tiêu chuẩn khí thải mới áp dụng từ năm 2006 [64] như mức 2 (Euro II) vào ngày 01/7/2006, mức 3 (Euro III) vào năm 2008, mức 4 (Euro IV) vào năm 2017 và mức 5 (Euro V) sẽ thực hiện năm 2022.
Xu hướng phát triển của phương tiện giao thông trên thế giới được tóm tắt như sau: Động cơ chính làm nguồn động lực cho ô tô có thể chia thành 4 nhóm: động cơ xăng, động cơ diesel truyền thống, động cơ điện và động cơ sử dụng nhiên liệu thay thế. Hai loại động cơ xăng và diesel truyền thống có ưu điểm là việc cung cấp nhiên liệu đơn giản và nhanh chóng; tuy nhiên, hiệu suất của nó hạn chế và mức độ phát thải ô nhiễm cao. Nhờ kỹ thuật xử lý trên đường thải: lọc hạt PM, sử dụng bộ xúc tác ba chức năng là các giải pháp hữu hiệu nhằm tiếp tục khử đến mức thấp nhất các chất độc hại còn lại trong khí thải động cơ. Các hệ thống mới áp dụng tiến bộ khoa học và kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử và công nghệ thông tin đã điều khiển các quá trình làm việc của động cơ đốt trong ngày càng hiện đại hơn như kỹ thuật tổ chức quá trình cháy phân lớp, thời điểm đóng mở cơ cấu phân phối khí thay đổi, hệ thống tự động hồi lưu khí thải, hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử đã cho phép tối ưu hóa luan an -10- quá trình công tác của động cơ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Một xu hướng khác được nghiên cứu là sử dụng năng lượng điện trên động cơ ô tô giảm thiểu đáng kể lượng khí thải ô nhiễm môi trường; tuy nhiên, giải pháp này phụ thuộc vào nguồn năng lượng sử dụng để sản xuất điện năng nạp vào ac-quy cung cấp động lực cho ô tô. Hơn nữa, khả năng tích trữ điện năng của ac-quy có giới hạn, nên hạn chế quãng đường hoạt động độc lập của phương tiện giao thông sử dụng năng lượng này.3: Khí thải ô tô đã gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường không khí Trước những ưu điểm và hạn chế của phương tiện giao thông, các nhà khoa học và hãng chế tạo ô tô có xu hướng: Nâng cao hiệu suất và giảm thiểu khí thải gây ô nhiễm môi trường; Tối ưu hóa hệ thống điều khiển tự động và nâng cao tiện ích trên ô tô; Tiếp tục nghiên cứu sử dụng có hiệu quả nhiên liệu sạch thay thế nhiên liệu truyền thống đang ngày càng cạn kiệt. Động cơ sử dụng nhiên liệu thay thế cũng đang được các nhà khoa học quan tâm và ô tô sinh thái là mục tiêu hướng tới của các nhà khoa học và hãng chế tạo ô tô ngày nay. Nhiên liệu thay thế sử dụng trên phương tiện giao thông Những năm gần đây, khi nhu cầu năng lượng thế giới tăng, nguồn nhiên liệu hóa thạch đang nhanh chóng cạn kiệt và tiêu chuẩn khí thải phương tiện giao thông ngày càng nghiêm ngặt hơn.
Khủng hoảng năng lượng toàn cầu và nguồn cung cấp hạn chế nhiên liệu lỏng từ dầu đã nhóm lên một cuộc cách mạng về sự phát triển công nghệ bền vững sản xuất nhiên liệu thay thế có nguồn gốc phi hóa thạch. Chính vì vậy, đã có nhiều nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sạch thay thế nhiên liệu truyền thống trên luan an -11- động cơ đốt trong như khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên (CNG), nhiên liệu cồn, dầu thực vật, năng lượng điện, nhiên liệu hydrogen. Khi được sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong, mỗi loại nhiên liệu sạch đều có ưu và nhược điểm. Khí dầu hóa lỏng (LPG) là một sản phẩm trong quá trình tinh chế dầu và cũng được tìm thấy trong các mỏ khí tự nhiên.
Sản phẩm này góp phần cải thiện môi trường, giải phóng rất ít hạt bụi lơ lửng và không thải ra lưu huỳnh. Tuy nhiên, LPG lại không mạng lại những lợi ích đáng kể đối với sự thay đổi khí hậu. Khí thiên nhiên nén (CNG) và khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG): Các phương tiện vận tải sử dụng khí thiên nhiên có thể mang lại những lợi ích thiết thực cho cả sự thay đổi khí hậu và chất lượng không khí. Những phương tiện vận tải sử dụng khí thiên nhiên sẽ thải ra ít hơn CO2 và NOx so với các phương tiện vận tải sử dụng xăng và không thải ra những hạt bụi lơ lửng.
Các phương tiện vận tải sử dụng khí thiên nhiên cũng tạo ra ít tiếng ồn hơn. Dầu diesel sinh học có thể được sản xuất từ những loại dầu thực vật mới hoặc đã được sử dụng như dầu hướng dương, dầu đậu nành. Muốn sử dụng biodiesel như nhiên liệu cho động cơ diesel thì chúng thường được pha trộn với diesel thông thường và cần thêm chất phụ gia. Khi sử dụng dầu diesel sinh học có thể giảm việc phát xạ khí nhà kính so với nhiên liệu truyền thống nhưng việc thải ra NOx làm cho dầu diesel sinh học ít phù hợp đối với những vùng đô thị.
Cồn (Ethanol, Butanol và Propanol) có nguồn gốc từ thực vật có thể sử dụng như là một nhiên liệu thay thế nhiên liệu hóa thạch. Trong thực tế, tính chất của cồn tương tự như xăng và được xem là một nhiên liệu thay thế có thể được sản xuất từ sự lên men đường và đang được sản xuất rộng rãi trên khắp thế giới. Điện: những phương tiện vận tải điện không gây ô nhiễm khói bụi và sự phát xạ khí nhà kính phụ thuộc vào phương pháp sử dụng để phát ra điện năng. Bộ nguồn được nạp điện khi xe hơi dừng lại hoặc xuống dốc và sau đó được sử dụng như một nguồn phụ khi tăng tốc.