CHƯƠNG 1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học 1. Sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, mức độ tăng trưởng dân số và quá trình đô thị hóa nhanh chóng khiến nhu cầu về giao thông, vận tải trên toàn thế giới và đặc biệt là tại các nước đang phát triển tăng lên nhanh chóng. Số lượng phương tiện vận tải liên tục gia tăng khiến cho nhu cầu sử dụng và tiêu thụ nhiên liệu tương ứng tăng theo.
Tốc độ tăng trưởng bình quân về lượng nhiên liệu do các phương tiện tiêu thụ trong thời gian từ năm 2000 - 2015 là 2,1% (Hình 1. Để đáp ứng nhu cầu về nhiên liệu đó, các quốc gia trên thế giới đã tăng cường khai thác sử dụng tất cả các nguồn nhiên liệu hiện có. Tuy nhiên, việc gia tăng khai thác, sử dụng nhiên liệu hoá thạch cũng chính là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường, làm tăng nguy cơ của hiệu ứng nhà kính, làm cho trái đất nóng dần lên. Lượng phát thải khí CO2 do quá trình cháy nhiên liệu từ các phương tiện đã tăng lên 2,2% trong thời gian từ năm 2000 2015 (Hình 1.
Ngoài ra, do sự tăng lên nhanh chóng về nhu cầu nhiên liệu khiến nguồn nhiên liệu chính cho các phương tiện là dầu thô trở nên ngày càng cạn kiệt, đây là nguyên nhân khiến cho giá dầu thô trên thị trường thế giới trong thời gian qua biến động không ngừng (Hình 1. Tổng mức tiêu thụ năng lượng và mức phát thải CO2 trên thế giới [47] Để đảm bảo được an ninh năng lượng, tăng trưởng kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm môi trường nhiều quốc gia và các hãng sản xuất ô tô lớn trên thế giới trong vài thập kỷ qua đã đầu tư cho nghiên cứu và phát triển các loại phương tiện sử dụng các dạng nhiên liệu sạch thay thế, trong đó có Hình 1.2: Sự biến động của giá dầu thô trên thị trường nhiên liệu sinh học. thế giới 4 Tại Việt Nam, trong thời gian qua số lượng phương tiện cơ giới đường bộ đã tăng lên nhanh chóng, giai đoạn 2002 - 2012 tăng 13,59 %, trong đó, ô tô tăng 12,66 % còn mô tô, xe gắn máy tăng 13,64 % (Hình 1. Tính đến thời điểm 15/9/2015, tổng số phương tiện cơ giới đường bộ đã đăng ký trong cả nước là 46065091 xe (trong đó: ô tô là 2579675 xe; mô tô là 43485416 xe) [2].
Cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện này thải ra vào không khí [10,18, 22, 89]. Tăng trưởng phương tiện cơ giới đường bộ [1] Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm giảm thiểu ô nhiễm không khí do khí thải từ các phương tiện. Một trong những giải pháp đó là sử dụng nhiên liệu sinh học có khả năng tái tạo, thân thiện với môi trường và phù hợp với thế mạnh về sản xuất nông nghiệp của Việt Nam. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học nói chung, xăng sinh học nói riêng trên phương tiện giao thông trong giai đoạn hiện nay là điều cần thiết.
Các loại nhiên liệu sinh học được sử dụng trên phương tiện 1. Định nghĩa, phân loại Nhiên liệu sinh học thuộc loại nhiên liệu tái tạo, được định nghĩa là bất kỳ loại nhiên liệu nào nhận được từ sinh khối hoặc có nguồn gốc từ độngthực vật, bao gồm bioethanol, biodiesel, biogas, ethanol pha trộn (ethanol - blended fuels), dimetyl este sinh học và dầu thực vật [4]. Nhiên liệu sinh học (NLSH) được phân thành hai nhóm, nhóm dùng cho động cơ xăng bao gồm các dạng cồn nhưng phổ biến là bioethanol và nhóm dùng cho động cơ diesel là các este của dầu béo (biodiesel). Cồn ethanol được sản xuất với nguyên liệu là tinh bột và đường nhờ quá trình phân giải của vi sinh vật.
Sau đó ethanol được tách nước và bổ sung các chất phụ gia và chất biến tính gọi là ethanol nhiên liệu biến tính hay cồn nhiên liệu. Còn diesel sinh học được chế biến từ dầu thực vật và mỡ động vật. Nhiều nước trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu tận dụng và trồng các loài cây nông, lâm nghiệp để cung cấp nguyên liệu sinh học cho chế biến loại nhiên liệu này. Một số loại nhiên liệu sinh học thường dùng * Diesel sinh học Diesel sinh học (biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống.
Biodiesel được điều chế bằng cách dẫn 5 xuất từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật), thường được thực hiện thông qua quá trình transester hóa bằng cách cho phản ứng với các loại rượu, phổ biến nhất là methanol. Hiện nay biodiesel đã được sử dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới và là loại nhiên liệu sinh học phổ biến nhất ở Châu Âu. Tại Mỹ, lượng biodiesel được tiêu thụ đạt trên 2 tỷ gallon mỗi năm. Tại Áo, phải sử dụng nhiên liệu diesel khoáng pha 5% nhiên liệu sinh học.
Tại Đức, bắt buộc phải sử dụng nhiên liệu diesel-B5. Tại Pháp, hiện đã có hàng vạn phương tiện tham gia giao thông sử dụng nhiên liệu diesel-B30, [4]. * Khí sinh học (Biogas) Khí sinh học (biogas) là một loại khí hữu cơ với thành phần chính gồm methane (CH4) chiếm từ 50 - 60%, CO2 chiếm khoảng trên 30% và chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO…được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20 40ºC và các đồng đẳng khác. Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí.
Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm dầu mỏ trong động cơ đốt trong.Tuy nhiên để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng vì có thể tạo nên hỗn hợp nổ với không khí. Khí H2S trong biogas có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc. Ngoài ra hơi nước trong biogas tuy có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kế đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu. Do đó, hiện nay biogas đã được nghiên cứu tại nhiều quốc gia trên thế giới và được sử dụng nhiều trong các động cơ đốt trong chạy máy phát điện, tuy nhiên các phương tiện sử dụng biogas hiện vẫn chưa được thương mại hoá [4].
* Xăng sinh học Xăng sinh học (biogasoline) là loại nhiên liệu sinh học dạng lỏng được sử dụng phổ biến nhất trên phương tiện hiện nay. Chi tiết về xăng sinh học sẽ được trình bày chi tiết ở mục 1. Ngoài ra còn có một số loại nhiên liệu sinh học khác như: nguyên liệu sinh khối (biomas); Bioether bao gồm sáu loại ether: dimetyl ether (DME), diethyl ether (DEE), methyl teritiary-butyl ether (MTBE), etyl ter-butyl ether (ETBE), ter-amyl methyl ether (TAME), ete ter-amyl ethyl (TAEE); Khí tổng hợp (syngas). cũng đã được nghiên cứu tại nhiều quốc gia trên thế giới, tuy nhiên hiện vẫn chưa có các phương tiện sử dụng các loại nhiên liệu sinh học này được thương mại hoá [4].
Nhiên liệu cồn ethanol và xăng sinh học 1. Nhiên liệu cồn ethanol Ethanol còn được biết đến với tên rượu etylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễ cháy, không màu, là một trong các rượu thông thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn [15]. Trong cách gọi thông thường, ethanol thường được gọi một cách đơn giản là rượu. Công thức hóa học của ethanol là C2H5OH, hay CH3CH2OH, viết tóm tắt là C2H6O [15].
Nguồn gốc, phương pháp sản xuất cồn ethanol * Nguồn gốc Nhiên liệu ethanol có thể được sản xuất từ rất nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, bao gồm: - Các loại nguyên liệu chứa đường: mía, củ cải đường, thốt nốt… - Các loại nguyên liệu chứa tinh bột: sắn, ngô, gạo, lúa mạch, lúa mì… - Các loại nguyên liệu chứa cellulose. Tuy nhiên, tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta chọn loại nguyên liệu có lợi thế nhất để sản xuất nhiên liệu ethanol phù hợp. Ở Việt Nam, các nguồn nguyên liệu thích hợp có thể sản xuất nhiên liệu ethanol là mía, sắn, gạo, ngô và rỉ đường. Trong đó sắn hiện đang được coi là nguồn nguyên liệu chính.
* Phương pháp Tùy thuộc vào các loại nguyên liệu mà nhiêu liệu ethanol sẽ được sản xuất theo các phương pháp và quy trình khác nhau. Tuy nhiên, tổng hợp lại thì có hai phương pháp sản xuất nhiên liệu ethanol được áp dụng phổ biến: + Phương pháp hydrat hóa ethylen: Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hydat hóa ethylen trên xúc tác axit, được trình bày theo phản ứng hóa học sau. Cho etylen hợp nước ở 300C áp suất 70 – 80atm với xúc tác là axit photphoric: H2C = CH2 + H2O → CH3CH2OH + Phương pháp lên men: Mọi sự lên men các đường đến C6 (Ví dụ như: C6H12O6) trong đó chủ yếu là glucose và cenlulozo đều chuyển thành ethanol và khí CO2. Với các loại ngũ cốc thì người ta tách tinh bột và cần có thuỷ phân bởi các enzymes để thu được đường rồi mới lên men.
Ở Pháp ethanol được sản xuất từ củ cải đường hay lúa mạch. Ở Việt Nam và các nước chủ yếu sử dụng các loại nguyên liệu có nguồn gốc cenlulozo hoặc dạng tinh bột. Công nghệ sản xuất ethanol bằng phương pháp lên men được thực hiện qua các bước theo quy trình như sau: Đầu tiên là thuỷ phân tinh bột để thu được đường; Tiếp sau là lên men đường; Rồi chưng cất ethanol để thu được ethanol nguyên chất. Có hai giai đoạn chưng cất: Giai đoạn đầu, thu được loại ethanol 96%; Giai đoạn sau, khử nước để có ethanol alhydrid (99,5% tối thiểu, theo khối lượng).
Quy trình sản xuất ethanol từ cenlulozo được trình bày trong Hình 1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ cenlulozo [9] 7 Phương trình hóa học khi đó tương ứng là: (C6H10O5)n +nH2O → nC6H12O6 C6H12O6→ 2C2H5OH + CO2 1. Tính chất của cồn ethanol Cồn ethanol không có màu, có mùi thơm và có ngọn lửa không màu, bay hơi ở nhiệt độ khá thấp (78°C), có tính háo nước rất lớn, có thể tan vô hạn trong nước và trong nhiều chất hữu cơ, vô cơ khác. So sánh tính chất của cồn ethanol và xăng thông thường (Bảng 1.1) cho thấy sự khác nhau giữa hai loại nhiên liệu này [16]: Bảng 1.