Chương 1: Tổng Quan 1. Vấn đề năng lượng và ô nhiễm môi trường Trong cân bằng năng lượng thế giới, than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên là ba dạng năng lượng sơ cấp đóng vai trò chủ yếu phục vụ thế giới hiện đại.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 [1]. Tại các thành phố lớn, nơi tập trung mật độ dân số, mật độ phát triển kinh tế cao thường gắn liền với mật độ giao thông dày đặc của các thiết bị vận tải đường bộ, đường sắt, đường thủy và đường hàng không. Các phương tiện giao thông đường bộ sử dụng nhiên liệu lỏng như xăng, diesel đóng góp tỉ lệ rất quan trọng trong việc duy trì và phát triển của nền kinh tế.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.
Các nguồn năng lượng hoá thạch là các nguồn năng lượng hữu hạn và không thể tái tạo.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.
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.Bên cạnh nguồn năng lượng có nguồn gốc hoá thạch, một số nguồn năng lượng khác như thủy điện, năng lượng nguyên tử, các dạng năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều,…) cũng đang góp phần phát triển kinh tế nhân loại.Tuy nhiên, các nguồn này chỉ chiếm một phần nhỏ trong cân bằng năng lượng toàn cầu. 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. Tình hình sử dụng nhiên liệu Theo dự báo của Tổ chức các nước xuất khẩu dầu mỏ (OPEC), nhu cầu dầu thô của nền kinh tế thế giới có xu hướng tăng một cách ổn định.
Nhận định này được công bố ngày 11/11 trong báo cáo hàng tháng của OPEC. Trong báo cáo này, nhu cầu về dầu thô của thế giới trong năm nay so với năm 2009 tăng 1,32 triệu thùng/ngày và đạt mức trung bình 85,78 triệu thùng/ngày. Với mức tăng đều đặn như vậy, sang năm 2011, con số trên có thể đạt tới gần 87triệu thùng/ngày. Các quốc gia xuất khẩu dầu mỏ không thuộc OPEC trong năm nay đã tăng sản lượng khai thác thêm hơn 1 triệu thùng/ngày so với năm ngoái, lên 52,16 triệu thùng/ngày.
Theo các nhà nghiên cứu thuộc Đại học California, thế giới sẽ cạn kiệt dầu mỏ khoảng 100 năm trước khi có đủ các nguồn năng lượng thay thế nếu việc sử dụng dầu mỏ và phát triển các nhiên liệu mới tiếp tục với tốc độ như hiện nay. Với trữ lượng dầu mỏ toàn cầu là 1.332 tỷ thùng theo ước tính vào năm 2008, mức tiêu thụ 85,22 triệu thùng/ngày và tăng 1,3% mỗi năm, dầu mỏ sẽ cạn kiệt vào năm 2041 hoặc lạc quan hơn là vào năm 2054. Trong khi đó, theo tính toán của các nhà nghiên cứu, các nguồn năng lượng mới chỉ có thể thế chỗ của dầu mỏ sớm nhất là vào năm 2140 [3]. Việt Nam là một trong những quốc gia có nguồn tài nguyên dầu mỏ và khí phong phú.
Hiện nay, nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm lọc dầu của Việt Nam tăng lên nhanh chóng trong những năm qua do sự phát triển kinh tế của Việt Nam ngày càng cao. Tiêu thụ năng lượng của nước ta tăng mạnh hơn tỷ lệ tăng trưởng kinh tế. Trong giai đoạn 2001-2006, chứng kiến mức tăng trưởng trung bình hàng năm về nhu cầu tiêu thụ xăng dầu (xăng, DO, FO, kerosene, JetA1, LPG, nhựa đường) trong nước là 4%/năm. Năm 2006, tổng sản lượng tiêu thụ các sản phẩm lọc dầu của Việt Nam là 12,3 triệu tấn/năm.
Trong các sản phẩm xăng dầu của Việt Nam thì dầu diesel chiếm tỷ trọng lớn nhất và có mức tăng trưởng trung bình hàng năm là 5,3%/năm cho giai đoạn 2001-2006, đạt mức 5,1 triệu tấn/năm cho năm 2006. Xăng là sản phẩm chiếm vị trí thứ 2 trong cơ cấu sản phẩm lọc dầu được tiêu thụ tại Việt Nam với mức tăng trưởng hàng năm cho giai đoạn 2001-2006 là 11,9%/năm, sản lượng tiêu thụ xăng cho năm 2006 là 3,3 triệu tấn/năm [4]. Theo báo cáo của nhiều chuyên gia, trong thời gian tới nếu Việt Nam không phát hiện thêm các mỏ dầu mới có trữ lượng lớn thì với sản lượng khai thác hiện tại, dự báo đến 2025 Việt Nam về cơ bản cạn kiệt tài nguyên dầu khí. Việt Nam từ chỗ xuất khẩu năng lượng (dầu thô, than), trong vòng 15 năm tới sẽ phải nhập năng lượng, trong đó xăng dầu dùng cho giao thông vận tải chiếm khoảng 30% tổng nhu cầu năng lượng của cả nước.
Khi nhà máy lọc dầu Dung Quất hoạt động hết công suất, Việt Nam cũng mới tự cung cấp được khoảng 5,3 triệu tấn xăng dầu dùng cho giao thông vận tải trong tổng 2/32 nhu cầu 15,5 - 16 triệu tăng tấn xăng dầu. Do vậy Việt Nam hiện tại vẫn phải nhập khẩu ít nhất 2/3 nhu cầu xăng dầu từ nước ngoài để phục vụ nhu cầu trong nước. Trong khi nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt, chi phí khai thác ngày càng tăng thì nhu cầu sử dụng của con người vẫn không ngừng tăng lên làm cho giá của các loại nhiên liệu hóa thạch tăng cao, điển hình là giá dầu thô trên thế giới. Điều này đã tác động trực tiếp lên giá thành xăng dầu thành phẩm.
Việt Nam đang phải sử dụng một số lượng lớn ngoại tệ để nhập khẩu xăng dầu phục vụ cho nhu cầu trong nước [5]. Nhiên liệu Diesel và biodiesel Nhiên liệu diesel là một loại nhiên liệu lỏng, được sản xuất chủ yếu từ phân đoạn gas-oil nhẹ, là sản phẩm của quá trình chưng cất dầu mỏ (còn gọi là petrodiesel) với khoảng nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển từ 250 đến 3500C, với số nguyên tử carbon khác nhau từ C16 đến C20. Phân đoạn gasoil cũng có thể được trộn chung với các sản phẩm của quá trình như: cracking nhiệt, cracking xúc tác…để tăng sản lượng và đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật. Phần lớn trong phân đoạn này chứa các n-parafin, iso-parafin, naphthene, olefin và các aromatic, còn hydrocarbon thơm rất ít.
Ở cuối phân đoạn có những n-parafin có nhiệt độ kết tinh cao, chúng là những thành phần gây mất tính linh động của phân đoạn ở nhiệt độ thấp. Nhiên liệu diesel được sử dụng chủ yếu cho động cơ diesel (đường bộ, đường sắt, đường thủy…) và cũng được sử dụng trong các tuabin khí (công nghiệp xây dựng, phát điện…) do những ưu điểm của động cơ diesel như độ bền, hiệu suất cao hơn so với động cơ xăng. Để đáp ứng các yêu cầu của động cơ cũng như tiểu chuẩn của môi trường, nhiên liệu diesel phải thỏa mãn một số chỉ tiêu về chất lượng sản phẩm quy định, tùy theo điều kiện cụ thể mà mỗi quốc gia, vị trí có những tiêu chuẩn khác nhau, như Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), ASTM… Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) về nhiên liệu Diesel được trình bày trong Bảng 1. Nhiên liệu diesel được đánh giá qua một số tiêu chuẩn sau: - Trị số xêtan: Trị số xêtan là đơn vị đo quy ước, đặc trưng cho khả năng tự cháy của nhiên liệu diesel, có giá trị đúng bằng giá trị của hỗn hợp chuẩn có cùng khả năng tự bắt cháy.
Trị số xêtan của động cơ diesel tốc độ chậm (dưới 500 vòng/phút) nằm trong khoảng 45 đến 50. Trong khi đó, đối với động cơ diesel cao tốc, (tốc độ lớn hơn 1000 vòng/phút), trị số xêtan thông thường lớn hơn 50. Trị số xetan cao quá sẽ lãng phí nhiên liệu vì một số thành phần ở nhiệt độ cao trong xilanh sẽ phân hủy thành cacbon tự do (tạo muội) trước khi cháy. Trị số xetan thấp quá sẽ xảy ra cháy kích nổ, do có nhiều thành phần khó bị oxy hóa đòi hỏi phải phun rất nhiều nhiên liệu vào xilanh mới xảy ra quá trình tự cháy, dẫn đến lượng nhiên liệu bị đốt cháy nhiều hơn yêu cầu, nhiệt lượng sinh ra rất lớn gây tăng mạnh áp suất, động cơ bị rung giật, nếu kích nổ lâu có thể phá huỷ một số chi tiết bên trong động cơ.
3/32 - Độ nhớt: Độ nhớt là tính chất của một chất lỏng, được xem là ma sát nội của chất lỏng và cản trở sự chảy của chất lỏng. Nguyên nhân có độ nhớt là do ái lực cơ học giữa các hạt cấu tạo nên chất lỏng. Đặc biệt ở những vùng có nhiệt độ môi trường thấp, nhiên liệu phải lưu động một cách dễ dàng trong hệ thống nhiên liệu, nhiên liệu sẳn sàng cung cấp đủ và liên tục. Độ nhớt phù hợp, đảm bảo tính chất bôi trơn và bao kín các bộ đôi bơm cao áp và kim phun.
Tuy nhiên, nếu độ nhớt quá cao thì nhiên liệu khó phun tơi và bốc hơi hoàn toàn, gây chất lượng xấu tới chất lượng hỗn hợp và cháy của nhiên liệu. Độ nhớt động học của nhiên liệu Diesel tối thiểu là tại 20oC là 1. - Độ đông đặc: Đông đặc là một tính chất của dầu mỏ, chúng bị mất linh động khi nhiệt độ hạ xuống thấp.