Chương 1: Tổng Quan 1. Giới thiệu chung Nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch là nguồn năng lượng chính cung cấp cho quá trình phát triển của nhân loại[1]. Trong năm 2006, việc đốt cháy các nguồn năng lượng có nguồn gốc hóa thạch đóng góp hơn 85% tổng số nguồn năng lượng của thế giới. Với sự phát triển của các nền kinh tế lớn, đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ, nhu cầu về năng lượng có nguồn gốc hóa thạch ngày càng tăng cao.
Theo dự đoán của tổ chức năng lượng thế giới, tính từ năm 2006 đến 2030, nhu cầu năng lượng thế giới sẽ tăng khoảng 44%. Trong đó, nhu cầu từ các nước đang phát triển tăng 73%, các nước phát triển tăng 15% [2]. Mặc dù đóng góp to lớn vào sự phát triển của nhân loại, việc sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch này hiện đang gây ra các vấn đề rất lớn về kinh tế, xã hội, tự nhiên, môi trường. Việc đốt nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch thải ra môi trường một lượng lớn các chất gây ô nhiễm, đang phá hủy trầm trọng môi trường sống, gây biến đổi khí hậu, và là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến các thảm họa thiên tai trong những năm gần đây[3].
Ngoài ra, nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch là các loại nhiên liệu không tái sinh, việc sử dụng cạn kiệt nguồn nhiên liệu này cũng dẫn đến các vấn đề rất lớn về kinh tế, chính trị trong việc đảm bảo sự phát triển bền vững của các quốc gia. Vấn đề đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm ô nhiễm môi trường đang là các thách thức hàng đầu cho các quốc gia, các chuyên gia nghiên cứu trong ngành năng lượng, ngành nhiên liệu, và ngành động cơ. Rất nhiều các biện pháp, giải pháp đã được đề xuất, triển khai ứng dụng.Trong đó, có các nghiên cứu và phát triển các loại năng lượng mới, năng lượng tái tạo (new/renewable energy) thay thế nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch.Trong đó, các nghiên cứu về việc ứng dụng nhiên liệu mới/ nhiên liệu thay thế như nhiên liệu dầu sinh học (biodiesel), nhiên liệu cồn (ethanol/methanol, bioethano), nhiên liệu khí sinh học (biogas), thiên nhiên (NG), khí hóa lỏng (LPG) là một trong những hướng nghiên cứu nổi bật trong việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới bổ sung và thay thế từng phần nhiên liệu có xăng và diesel truyền thống trên động cơ đốt trong. Biodiesel là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật.Về phương diện hóa học thì biodiesel là hỗn hợp methyl ester của những axít béo được tạo ra từ các loại dầu thực vật (dầu dừa, dầu Jatropha curcas, dầu đậu nành, dầu cọ, dầu cải [4], [5], [6], các nguồn dầu tái chế trong quá trình chế biến thực phẩm từ các nhà hàng (recycled cooking oils) [7], [8] hoặc dầu từ mỡ động vật [9].
Dầu biodiesel được oxy hóa và chứa khoảng 11% oxy [10]. Biodiesel có tiềm năng rất lớn dùng làm nhiên liệu thay thế nhiên liệu diesel truyền thống sử dụng cho động cơ.Có hai tiêu chuẩn phát triển dầu diesel sinh học chính là 1/36 ASTM-D 6751 ở Hoa Kỳ và EN14214 ở Liên minh Châu Âu.Theo đó, quá trình sản xuất diesel sinh học bắt đầu từ dầu thực vật nguyên chất hoặc các chất béo đã qua sử dụng. Các cấu trúc phân tử phân nhánh lớn của dầu thực vật được chuyển sang các cấu trúc phân tử mạch thẳng ngắn hơn gọi là các ester methyl- hoặc ethyl giống như các thành phần của dầu diesel hoá thạch. Quá trình biến đổi ester hoá này cần có cồn (thường là methanol hoặc ethanol) để loại bỏ glycerol ra khỏi dầu thực vật.Hai sản phẩm chính của phản ứng này là glycerol và ester a-xít béo – FAME (Fatty Acid Methyl Ester, biodiesel), là hai chất có các pha tách biệt với pha ester.
Cả glycerol và lượng methanol còn dư quá trình ester hoá có thể được thu hồi và sử dụng lại trong các ngành công nghiệp mỹ phẩm và dược phẩm. Nhiên liệu biodiesel có tốc độ lão hoá cao, nó bắt đầu xuống cấp và tạo thành các chất lắng đọng có thể làm hư hệ thống phun nhiên liệu.Nhiên liệu biodiesel được khuyến khích sử dụng trong vòng 6 tháng sau ngày sản xuất và phải đảm bảo hạn chế tối đa sự tiếp xúc với ánh sáng, không khí và nước.Chất lượng dầu diesel sinh học được coi là một yếu tố quan trọng trong đặc tính lão hoá và nó ảnh hưởng đến hệ thống nhiên liệu của động cơ.Ngoài ra, do tính chất đặc trưng, Biodiesel hoạt động như một chất hoà tan. Một số các nghiên cứa chỉ ra việc sử dụng pha biodiesel vào nhiên liệu diesel truyền thống có thể tác động làm hư hợp chất chất nhựa tổng hợp và cao su tự nhiên trên đường ống nhiên liệu. Sự tiêu chuẩn hoá các yêu cầu về chất lượng nhiên liệu được coi là một bước quan trọng để phát triển ứng dụng biodiesel.
Nguồn nguyên liệu cho sản xuất dầu diesel sinh học hiện nay ở các nước đi tiên phong chủ yếu là bốn loại dầu thực vật: dầu hạt cải chiếm gần 85%, dầu hạt hướng dương, dầu đậu tương, và dầu cọ[11]. Các nguyên liệu còn lại được sản xuất từ dầu hạt lanh, mỡ bò, và mỡ rán tái chế. Tuy nhiên, bốn loại dầu thực vật chính sử dụng để sản xuất dầu diesel sinh học đang được trồng chủ yếu cho nhu cầu thực phẩm của con người và góp phần dán tiếp đến khủng hoảng lương thực thế giới. Viện Kỹ Thuật Bandung là một trong những trung tâm đầu tiên ứng dụng dầu cây Jatropha vào nghiên cứu sản xuất biodiesel với mục tiêu giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nguyên liệu cạnh tranh với thực phẩm con người [12].
Dầu của cây Jatropha chứa toxalbumine, còn gọi là “curcine” là chất độc, không thể dùng cho thực phẩm. Sự khảo sát về các đặc tính nhiên liệu của ester-methyl và ester-ethyl từ Jatropha đã cho nhiều kết quả hứa hẹn và việc áp dụng nhiên liệu biodiesel sản xuất từ dầu cây Jatropha khá tốt, đáp ứng tốt cho việc ứng dụng trên động cơ diesel truyền thống [13]. Ngoài ra, các chất béo động vật và dầu cá là sản phẩm phụ từ các ngành công nghiệp đánh bắt và chế biến thuỷ sản đây là nguyên liệu hứa hẹn cho sản xuất Biodiesel vì giá của chúng thấp.Các chất béo và dầu có nguồn gốc động vật đã được thử nghiệm làm nguyên liệu sản xuất alkyl ester, bao gồm mỡ bò, mỡ heo, dầu cá. Tuy nhiên, dầu diesel sinh học sản xuất từ các chất béo động vật có một số nhược điểm nhất định là do thành phần a-xít béo và độ bão hoà cao dẫn đến dễ đông đặc, làm tăng sự cản trở nhiên liệu khi nhiệt độ xuống thấp và tính ổn định ô-xy hóa thấp.
2/36 Ưu điểm của dầu biodiesel là giảm đáng kể khí thải (Cacbon monoxide - CO, Hidrocacbon - HC, Particulate matter - PM) của động cơ góp phần giảm hiệu ứng nhà kính [14], [13], có thể sử dụng trực tiếp cho động cơ diesel mà không cần phải cải tạo[15], [16], có độ nhờn cao hơn dầu diesel, tăng tính an toàn trong bảo quản và vận chuyển (có điểm chớp cháy cao hơn)… Vì những ưu điểm trên, dầu biodiesel được xem là nguồn nhiên liệu thay thế phù hợp, tối ưu và đáp ứng được yêu cầu cấp thiết cho sự phát triển ngành năng lượng của nhân loại trong tương lai. Cồn là chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng, dễ hút ẩm, tạo hỗn hợp đẳng phí với nước, nồng độ cồn ở điểm đẳng phí là 89%, cồn trộn với nước có nhiệt độ sôi là 78,150C. Cồn được chia ra làm 2 loại: cồn methanol (CH3OH) và cồn ethanol (C2H5). Cồn dễ cháy và tạo hỗn hợp nổ với không khí.Cồn có thể trộn lẫn với ete và nhiều dung môi khác.Ngoài ra, cồn có thể hoà tan nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ.
Cồn methanol được điều chế từ khí thiên nhiên, dầu thô, than đá, khí sinh khối hoặc thậm chí từ các chất thải hữu cơ.Metanol là một hợp chất đơn giản, nó không chứa lưu huỳnh và các hợp chất hữu cơ phức hợp. Sử dụng Metanol sẽ cho chất lượng không khí tốt hơn xăng ở hai mặt: giảm lượng CO2 và nếu sử dụng metanol tinh khiết thì chất thải rất ít benzen và các Hydrocacbon thơm mạch vòng.Tuy nhiên một trong các chất Oxy hóa ban đầu của Metanol tạo thành là Formaldehyde (HCOH), đây là khí độc và còn là một tác nhân gây bệnh ung thư.Giống như ethanol, methanol là nhiên liệu sạch có thể trộn lẫn với xăng.Methanol được sử dụng trong các xe đua đòi hỏi nhiên liệu có chỉ sô octan cao, loại nhiên liệu tốt cho những động cơ có mức hoạt động cao. Cồn Etanol hoặc cồn ngũ cốc: được chế tạo từ các sản phẩm nông nghiệp như ngô, gạo, đậu tương … hoặc thậm chí từ gỉ đường mía. Etanol giống như Methanol nhưng nó sạch hơn nhiều, ít chất độc và ít chất ăn mòn.
Tuy nhiên giá để sản xuất nó cao hơn, nó đòi hỏi thu hoạch trên các vụ mùa lớn và một lượng năng lượng lớn để chế tạo nó. Etanol sinh học có thể phân làm 2 loại: Etanol khan (nồng độ trên 99%) vàetanol ngậm nước (nồng độ dưới 96%). Etanol ngậm nước được sử dụng ở dạng nguyên chất cho động cơ đốt trong (thay thế 100% nhiên liệu hóa thạch), trong khi etanol khan có thể sử dụng trên động cơ dưới dạng hỗn hợp etanol – nhiên liệu hóa thạch (xăng hay diesel).Không giống như xăng dầu, cồn ethanol là nguồn năng lượng có thể tái sinh được do có nguồn gốc từ thực vật - một nguồn hấp thụ khí CO2 tự nhiên. Việc sản xuất và sử dụng ethanol thải ra ít khí CO2 vào khí quyển hơn loại năng lượng lấy từ dầu mỏ.
Ethanol là một trong những nhiên liệu “sạch” (so sánh với dầu hỏa, ít làm ô nhiễm môi trường hơn) đang được chính phủ nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm đến. Cồn Etanol có tính chống kích nổ cao hơn (chỉ số Octane từ 105 -115) xăng nên người ta còn pha trộn cồn trong xăng để chạy xe có tỷ số nén cao. Động cơ xăng khi sử dụng hỗn hợp xăng - cồn với hàm lượng nhỏ hơn 20% (VN qui định dưới 10%), thì không cần thiết cải tạo lại động cơ cũ. Một kết quả nghiên cứu cho thấy cồn có 3/36 thể sử dụng làm nhiên liệu trong động cơ đa nhiên liệu, trong đó cồn là thành phần chủ yếu kết hợp với phun 10% nhiên liệu Diesel Theo đề án phát triển nguyên liệu ethanol sinh học, đến năm 2015, Việt Nam cần 750 triệu lít ethanol, (E10- tỷ lệ 10% ethanol có trong xăng) tương đương 4,2 triệu tấn sắn (khoai mì) tươi, để đáp ứng nhu cầu hoạt động sản xuất và vận tải của cả nước.