CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Khái quát về biofuel (nhiên liệu sinh học) 1. Biofuel Thuật ngữ biofuel hay nhiên liệu sinh học tái tạo (refuel) chỉ những nhiên liệu dạng rắn, lỏng, khí được sản xuất từ sinh khối. Các biofuel lỏng được chú ý trên toàn thế giới bao gồm: (a) Bioalcohols, (b) Dầu thực vật và biodiesel, (c) Dầu tổng hợp (hoặc dầu nhiệt phân) (Demirbas, 2009). Hiện tại, có hai loại biofuel trên thị trường: ethanol thay thế một phần xăng và biodiesel thay thế một phần dầu diesel (Gupta, 2010a).
Hàm lượng oxygen là sự khác biệt lớn nhất giữa các loại biofuel và nhiên liệu dầu mỏ. Biofuel có từ 10 – 45 wt% oxygen, trong khi nhiên liệu dầu mỏ hầu như không có oxygen, làm cho tính chất hóa học của biofuel rất khác so với dầu mỏ (Gupta, 2010a). Dầu thực vật có thể sử dụng trực tiếp cho động cơ khi được phối trộn với dầu diesel ở một tỉ lệ thích hợp, hỗn hợp ổn định trong thời gian ngắn. Quá trình phối trộn dễ dàng, chi phí thiết bị thấp.Tuy nhiên triglyceric ester không đạt yêu cầu về kỹ thuật khi sử dụng trực tiếp trong thời gian dài cho động cơ diesel sẵn có do độ nhớt cao, nhiễm acid, sự hình thành acid béo tự do, quá trình oxy hóa, phản ứng trùng hợp và lắng đọng carbon dẫn đến hình thành chất gôm (gum formation).Triglyceric ester qua chế biến, có độ nhớt và độ bay hơi tương tự như nhiên liệu hóa thạch và sử dụng trực tiếp cho động cơ được gọi là biodiesel (Ranganathan, 2008).
Biodiesel có thể được sản xuất từ quá trình transesterification - phản ứng của dầu thực vật (và các acid béo) với một loại alcohol (methanol, ethanol, butanol) dưới sự có mặt của chất xúc tác kiềm (KOH, NaOH) để tạo ra biodiesel và glycerol (Gupta, 2010a). Đây là phương pháp phổ biến nhất so với phương pháp vi nhũ hóa (microemulsification) và nhiệt phân (pyrolysis hay cracking) (Ranganathan, 2008). Quá trình transesterification có thể được xúc tác bởi kiềm (NaOH/ KOH, đây là phương pháp hiệu quả nhất), acid, chất xúc tác sinh học (lipase), chất xúc tác không đồng nhất hoặc các alcohol ở trạng thái siêu tới hạn (Ranganathan, 2008). 1 do an Hình 1.1: Quá trình sản xuất biodiesel (Ranganathan, 2008) 1.
Ethanol Bioethanol là cồn thu được từ phương pháp lên men đường. Ethanol dùng cho các mục đích công nghiệp thường được sản xuất bằng phản ứng hydrate hóa ethylene – sản phẩm phụ của công nghiệp dầu mỏ (Gupta, 2010b). Hiện nay, bioethanol là loại biofuel lỏng được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới (Cardona, 2009a), (Gupta, 2010a). Khi so sánh với xăng, ethanol có chỉ số octan cao hơn, giới hạn bắt lửa rộng hơn, tốc độ cháy nhanh hơn và nhiệt độ bay hơi cao hơn.
Những thuộc tính này cho phép động cơ có tỉ số nén cao hơn, thời gian cháy ngắn hơn và làm cho động cơ đốt được sạch sẽ hơn. Ethanol là một nhiên liệu oxy hóa chứa 35% oxygen, điều đó làm giảm phát thải các nitrogen oxide trong quá trình đốt cháy. Nhược điểm của ethanol bao gồm mật độ năng lượng thấp hơn xăng, tính ăn mòn, khó khởi động khi trời lạnh do áp suất bay hơi thấp, hiệu suất phát sáng thấp, pha lẫn với nước và một vài độc tính đối với hệ sinh thái (Gupta, 2010b). Ngoài ra acetaldehyde hình thành trong quá trình oxy hóa ethanol ít nguy hiểm hơn formaldehyde hình thành trong quá trình đốt cháy methanol (Cardona, 2009a).
Nhiên liệu xăng pha ethanol làm tăng phát thải formaldehyde, acetaldehyde và acetone từ 5.8 lần so với xăng. Mặc dù lượng khí thải aldehyde sẽ tăng khi ethanol được sử dụng làm nhiên liệu, thiệt hại môi trường do các aldehyde gây ra là ít hơn so với các chất thơm polynuclear thải ra từ việc đốt cháy xăng (Yüksel, 2004). Biofuel đã và đang được sử dụng rộng rãi vì những ưu điểm của nó (Nguyễn, 2012a): 2 do an Nguồn nguyên liệu có thể tái tạo, nếu biết quy hoạch và phát triển thì có thể coi như vô tận. Không chứa lưu huỳnh, rất ít các chất độc hại trong khói thải động cơ do quá trình cháy xảy ra hoàn toàn hơn.
Nhiệt độ chớp cháy cao dẫn đến giảm thiểu bay hơi 1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ ethanol 1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ ethanol trên thế giới Năm 2014, khoảng 100 tỉ lít ethanol được tiêu thụ trên toàn thế giới trong đó 87% dùng dưới dạng nhiên liệu (Biofuels Association of Austraulia). Mỹ và Brazil là 2 quốc gia đứng đầu thế giới về sản xuất ethanol, chiếm lần lượt 58% và 25% sản lượng toàn thế giới (Renewable Fuel Association, 2015).2: Sản lượng và tỉ lệ phần trăm sản xuất ethanol toàn thế giới (Renewable Fuel Association, 2015) Bảng 1.1: Một số công ty sản xuất ethanol trên thế giới (Watanabe, 2013) Tên công ty/Trang web Vị trí Nguyên liệu thô 3 do an Iogen Corporation Canada Rơm lúa mì, lúa mạch, yến http://www.ca mạch Abengoa Bioenergy Europe (Spain) Ngũ cốc, DDG http://www.com USA Rơm lúa mì/lúa mạch Broin jointly with US DoE, DuPont USA Thân và xơ cây bắp and Novozymes Iowa http://www.com/news /showRelease.asp?id=13 Verbio Vereinigte BioEnergie AG Germany Ngũ cốc http://www.de/en/ Dầu hạt cải desktopdefault.aspx British Sugar United Kingdom Củ cải đường http://www.uk Agrana Austria Ngũ cốc http://www.com Hungaria Tereos France Củ cải đường, lúa mì, đường http://www.com/en Czech Republic mía Brazil Inbicon Denmark Rơm lúa mì http://www.com/pages/inde x.aspx Sekab Sweden Sản phẩm từ rừng http://www.com Saint-Louis Sucre France Mật rỉ đường, củ cải đường www.com Cristal Union France Củ cải đường www.fr Tereos France Củ cải đường, lúa mì www.com Üdzucker Germany Lúa mì www.de 4 do an Sauter Germany Lúa mạch www.de Kwst Germany Lúa mạch www.com Germany Sugar beet or molasses Sweden Lúa mì Agroethanol AB www.se Mossi & Ghisolfi Italy Trúc Tây Ban Nha http://www.p hp DINS Sakai Japan Gỗ xây dựng phế thải http://dins-sakai.jp/ Lignol Innovations Inc USA Sinh khối gỗ http://www.ca/ Pacific Ethanol Inc.
USA Rơm lúa mì, lõi bắp, sinh khối http://www.net/ gỗ American Process Inc. USA Sinh khối gỗ http://www. Tình hình sản xuất ethanol ở Việt Nam Hội thảo về Thực trạng và phương hướng phát triển ngành Ethanol tại Việt Nam ngày 14.2014 đã khẳng định những khó khăn của ngành bioethanol từ sắn của Việt Nam là: (1) Giá nguyên liệu quá cao do phải cạnh tranh với sắn xuất khẩu sang Trung Quốc, khấu hao cao và chi phí vốn cao nên các Nhà máy E100 của Việt Nam khó xuất khẩu cồn ra nước ngoài, trong khi thị trường tiêu thụ khác chưa có. (2) Chi phí vốn cao.
(3) Thiếu vốn lưu động để thu mua dự trữ nguyên liệu cho sản xuất sau vụ t hu hoạch sắn. Do đó, tỷ trọng nguyên liệu mua được cho sản xuất có giá tốt thấp hơn tỷ trọng nguyên liệu có giá cao, làm cho giá nguyên liệu bình quân cả năm thường cao. (4) Yêu cầu khắt khe về tiêu chuẩn xả thải của các nhà máy. 5 do an (5) Thị trường tiêu thụ không tốt: Thị trường xăng sinh học chậm ra đời so với kỳ vọng, nên không tạo ra được đầu ra có hiệu quả hơn cho Ethanol Việt Nam.
Trong khi giá thành sản xuất Ethanol của Việt Nam không cạnh tranh được với Mỹ và Braxin nên khó xuất khẩu, từ đó làm tê liệt hoạt động của các Nhà máy sản xuất Ethanol. (Theo Hiệp hội Sắn Việt Nam) Hòa chung vào xu thế của thế giới khi tìm kiếm những nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo và không cạnh tranh với thực phẩm, ở Việt Nam đang có nhiều nguồn nguyên liệu như bã mía và mật rỉ đường (phế phẩm của công nghệ sản xuất đường mía), bã ngô, và rơm rạ. Nghiên cứu này đề cập đến vấn đề sản xuất bioethanol từ rơm rạ. Nguyên liệu sản xuất Biofuel dạng lỏng hiện có trên thị trường chủ yếu là bioethanol từ hạt ngũ cốc, đường mía hoặc củ cải đường và biodiesel từ các loại dầu thực vật và mỡ động vật (Hansen, 2010).
Ngày nay, loại biofuel thế hệ thứ nhất này bị nhiều nước trên thế giới nhất là châu Phi lên tiếng phản đối và cho rằng nó là một trong các nguyên nhân dẫn đến sự nghèo đói của các nước chậm phát triển (Nguyễn, 2012a). Lo ngại trên đã thúc đẩy việc phát triển thế hệ biofuel thứ hai được sản xuất từ nguồn sinh khối không cạnh tranh với thực phẩm, một chủ đề đã được nghiên cứu trong hơn 3 thập kỷ (Sims, 2010). Nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất biofuel thế hệ thứ hai bao gồm: các loại sinh khối từ phụ phẩm cây lương thực (rơm lúa, lúa mạch, lúa miến, lúa mì, thân cây bắp, bã mía), cây năng lượng không cạnh tranh với thực phẩm (sweetgrass, alfalfa, canarygrass, bermudagrass), phụ phẩm gỗ và ngành rừng cho sản xuất bioethanol và cây jatropha, sinh khối tảo cho sản xuất biodiesel (Carriquiry, 2011). Nguồn rơm rạ ở Việt Nam 1.
Sản lượng Theo thống kê sợ bộ của Tổng cục thống kê, tổng diện tích lúa năm 2014 của nước ta là 7813. Ước tính sản lượng rơm rạ vào khoảng 46. 6 do an Theo lý thuyết, một tấn chất khô rơm rạ có thể sản xuất được 109. Department of Energy Biomass Program), tương đương với 417.6 lít ethanol nguyên chất.
Vậy với sản lượng 46.9 triệu tấn rơm một năm, lượng ethanol có thể sản xuất ra là 19585 triệu lít. Hiện trạng sử dụng Ngày nay, hiện tượng đốt đồng sau mỗi mùa thu hoạch lúa đã được hạn chế rất nhiều. Thay vào đó, với sự hỗ trợ của máy cuộn rơm, người nông dân thu gom rơm và bán với giá từ một đến hai nghìn đồng một kí. Rơm được dùng cho bò ăn, trồng nấm hoặc ủ phân sinh học (Cổng thông tin điện tử tỉnh Sóc Trăng).
Rơm không còn là thứ phế phẩm vô dụng mà đã trở thành nguồn thu cho người trồng lúa. Ngày 18/11/2015, việc ký kết bản ghi nhớ hợp tác xuất – nhập khẩu rơm giữa Nông trường Sông Hậu (thuộc Cần Thơ) với đại diện Hiệp hội Xuất nhập khẩu thịt bò Nhật Bản (J – BIX) đã đánh dấu cho con đường xuất ngoại của rơm Việt Nam (Theo Báo Cần Thơ). Tuy nhiên, mùa hạn hán gần đây đã cho thấy nông nghiệp lúa nước đồng bằng sông Cửu Long đang chịu ảnh hưởng nặng nề của biến đổi khí hậu như hạn hán và xâm nhập mặn. Ngành sản xuất ethanol từ rơm rạ sẽ cạnh tranh nguồn rơm rạ với chăn nuôi và xuất khẩu.
Vì vậy, việc phát triển công nghiệp bioethanol từ rơm rạ đòi hỏi phải có sự quy hoạch, sự hợp tác chặt chẽ về nguồn cung ứng, người sản xuất và người tiêu thụ để đảm bảo đầu ra; đồng thời rất cần sự hợp tác của các nhà khoa học để cùng đưa ra công nghệ sản xuất tối ưu với chất lượng và giá cả cạnh tranh để ngành ethanol từ rơm rạ không những có thể đáp ứng đủ nhu cầu trong nước mà có thể xuất khẩu.