Tài liệu ĐỀ TÀI " Nhiên liệu sinh học nguồn năng lượng tái tạo trong tương lai" docx

MỞ ĐẦU Theo tờ Newsweek, nhằm đối phó với giá dầu mỏ không ngừng tăng, nhiều nước trên thế giới đề ra biện pháp khẩn cấp nhằm khuyến khích phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế, tron

ĐỀ TÀI Nhiên liệu sinh học - nguồn năng lượng tái tạo trong tương lai

MỞ ĐẦU 3

I VÀI NÉT TỔNG QUÁT VỀ MỘT SỐ NGUỒN NĂNG LƯỢNG 5

II NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH - SƠ LƯỢC TÌNH HÌNH KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG 8 III VẤN ĐỀ PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG 19

IV NHIÊN LIỆU SINH HỌC (BIOFUEL) - CÔNG NGHỆ VÀ ỨNG DỤNG 24

V TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN NHIÊN LIỆU SINH HỌC

(BIOFUEL) 70 KẾT LUẬN 106

MỞ ĐẦU

Theo tờ Newsweek, nhằm đối phó với giá dầu mỏ không ngừng tăng,

nhiều nước trên thế giới đề ra biện pháp khẩn cấp nhằm khuyến khích phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế, trong đó sản xuất nhiên liệu sinh học được nhiều nước lựa chọn vì lợi ích lớn về kinh tế và môi trường

Braxin đang là nước đi đầu về sản xuất nhiên liệu sinh học (biofuel) Ngoài Braxin, rất nhiều nước khác trên thế giới cũng lựa chọn con đường sản xuất biofuel để giảm ngân sách dành cho nhập khẩu dầu mỏ

Ở châu Á, Thái Lan đang xây dựng hơn một chục nhà máy sản xuất etanol từ mía và trấu

Là nước sản xuất etanol lớn thứ ba thế giới, Trung Quốc đang xây dựng các nhà máy sản xuất etanol sinh học lớn nhất thế giới từ ngô và đang sản xuất thí điểm biofuel từ sắn, mía và khoai tây

Liên hiệp châu Âu (EU) đặt mục tiêu tăng tỷ lệ nhiên liệu xanh lên 6% vào năm 2015 Nhằm mục tiêu nói trên, EU trợ cấp 45 euro cho nông dân đối với mỗi ha trồng các loại cây nhiên liệu

Với sản lượng etanol sản xuất một năm hơn 20 tỷ lít, Mỹ trở thành nước sản xuất etanol lớn thứ hai thế giới sau Braxin

Tại gần 30 nước khác, từ Ấn Độ, Indonesia, Malaysia đến Ghana Malawi… diện tích trồng các loại cây nhiên liệu như cọ dầu, đậu tương, dừa để sản xuất biofuel ngày càng tăng

Ngày càng nhiều chính phủ trên khắp thế giới yêu cầu sử dụng biofuel pha trộn với các loại nhiên liệu khác để giảm phát thải lượng khí gây hiệu ứng nhà kính

Các hãng dầu mỏ lớn như Shell và British Petroleum cũng đầu tư mạnh vào việc sản xuất biofuel Shell trở thành nhà phân phối lớn nhất thế giới cung cấp etanol sinh học thông qua mạng lưới các trạm bán xăng của hãng trên toàn cầu Các công ty nhu Du Pont và Volkswagen cũng vào cuộc, chiếm một phần trong thị trường trị giá hơn 20 tỷ USD này Tại Việt Nam vấn đề nghiên cứu sản xuất và sử dụng biofuel cũng là một trong những định hướng lớn của Nhà nước Song do nhiều nguyên nhân mà trong nhiều năm qua vấn đề này vẫn dậm chân tại chỗ và kết quả thu được vẫn còn rất nghèo nàn Đến nay vấn đề này lại được xới lên và đã có một số dự án đang được thực hiện có kết quả bước đầu Các nhà phân tích cho rằng tuy biofuel mới chiếm tỷ lệ nhỏ so với nhiên liệu hoá thạch được sử dụng hiện nay, nhưng do giá dầu mỏ không ngừng tăng cao, mối quan tâm bảo vệ môi trường sống cũng như vấn đề an ninh năng lượng trong tương lai khiến cho sản xuất etanol nói riêng và biofuel nói chung rất có triển vọng

Ngay cả khi nhiều nước trên thế giới quan tâm sử dụng nhiên liệu hydro, biofuel vẫn sẽ là nguồn nhiên liệu thay thế dầu mỏ trong một tương lai không xa

I VÀI NÉT TỔNG QUÁT VỀ MỘT SỐ NGUỒN NĂNG LƯỢNG

1 Nguồn năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ - khí đốt)

Đến đầu thế kỷ thứ 19, than, củi, rơm, rạ cung cấp cho con người 50% năng lượng trong cơ cấu sử dụng nhiên liệu, sau đó các nhiên liệu này dần dần được thay thế bằng than đá trong suốt nửa đầu thế kỷ XX Đến khi động cơ đốt trong được phát minh ra thì dầu mỏ trở thành nguồn nhiên liệu chính thay thế dần than đá trong công nghiệp Năng lượng tính theo đầu người vào năm 1970 ở các nước phát triển là 200.000 kcal/ ngày trong khi đó ở đầu thế kỷ XIX chỉ vào khoảng 70.000 kcal/ ngày Cho tới năm 2000, năng lượng chủ yếu mà con người sử dụng là dầu mỏ và khí đốt

2 Năng lượng mới và năng lượng tái tạo

Do tính hữu hạn của nguồn năng lượng truyền thống nên việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới để có thể khai thác và sử dụng rộng rãi trở nên cấp bách Hiện nay, việc nghiên cứu, thăm dò tập trung chủ yếu vào ba lĩnh vực: năng lượng có nguồn gốc từ bức xạ mặt trời, năng lượng địa nhiệt và năng lượng hạt nhân Trong đó thủy điện, năng lượng mặt trời (sử dụng dưới dạng nhiệt và điện), năng lượng gió (sử dụng trực tiếp sức gió và dưới dạng phong điện), năng lượng từ sinh vật (bao gồm các loại củi, gỗ và khí khi phân hủy các chất hữu cơ, gọi chung là nhiên liệu sinh học - biofuel) được coi là các dạng năng lượng

có thể tái tạo

Thực tế, năng lượng dưới dạng biofuel đã được biết đến và sử dụng từ lâu Đốt củi, rơm hay rác để sinh nhiệt là hình thức dùng năng lượng

sinh vật khô hiển nhiên nhất Ở quy mô công nghiệp, đã có những lò hơi đạt công suất cả chục nghìn kilowat Ở một số nước trên thế giới, người ta trồng rừng để có củi đốt lâu dài Các loại cây lớn nhanh như cây bạch dương và một số loại cây khác thường được dùng cho mục đích này Tại các khu dân cư đông đúc người ta lại đốt rác trong lò để sản xuất hơi phát điện hoặc dùng để sưởi ấm nhà cửa, điều hòa không khí, hay dùng trong các dây chuyền chế biến thực phẩm và hóa chất Tuy nhiên hiện nay ở các khu vực đốt rác như vậy đang nổi cộm vấn đề

ô nhiễm môi trường vì làm sản sinh ra lượng đioxin quá lớn

Một hình thức sử dụng năng lượng sinh vật khô nữa là làm than hoa (người ta đốt củi trong môi trường yếm khí để thành than) Những loại

gỗ thích hợp để sản xuất than thường là loại gỗ rắn Ở vùng ôn đới loại

gỗ tốt nhất là gỗ sồi, ở vùng nhiệt đới ven biển là g0ỗ tràm, đước Trước đây người ta đã phải sử dụng than hoa cho ngành luyện kim, nhưng hiện nay than này chủ yếu chỉ được sử dụng cho các mục đích thủ công, dân dụng (lò nướng thịt, lò rèn nhỏ,v.v )

Một hình thức sử dụng năng lượng sinh vật thứ ba là nhiệt phân để sản xuất nhiên liệu Phụ phẩm của quá trình nhiệt phân - một nhánh công nghệ của ngành hóa học than - là các hợp chất gốc phênol có giá trị kinh tế Tuy nhiên hiện nay ngành hóa học than và hyđrocacbua phát triển mạnh theo hướng sản xuất hóa chất nên phương pháp nhiệt phân

để sản xuất nhiên liệu ít được sử dụng

Khi một chất hữu cơ bị lên men và phân hủy thì sinh ra khí mêtan có thể sử dụng làm khí đốt Người ta gọi loại khí này là khí sinh vật

(biogas) Bã còn lại sau quá trình lên men này có thể dùng làm phân bón

Người ta có thể sử dụng quá trình này để xử lý rác, chất thải nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm Phương pháp sản xuất biogas từ các chất thải là dùng hầm ủ khí sinh vật (hầm biogas) Ở quy mô nhỏ có thể dùng biogas để sản xuất hơi nước hay trộn với khí tự nhiên trong mạng phân phối khí đốt của thành phố Hiện nay một số nước trên thế giới đang sử dụng phương pháp này để xử lý rác của các khu dân cư và sản xuất biogas Các bãi rác có thể đóng vai trò các hầm ủ khí lớn, tương tự những mỏ khí tự nhiên nhỏ, và có thể khai thác cho nhiều mục đích dân sinh Hiện tại một số tập đoàn Gaz Pháp đang thử khai thác một số bãi

đỗ rác của họ nhằm bảo vệ môi trường đồng thời sản xuất khí đốt Thành phố Hồ Chí Minh cũng đã triển khai sử dụng biogas từ bãi rác

để phát điện với công suất ban đầu 750 kW

Công nghệ phân hủy chất hữu cơ đang trong giai đoạn phát triển trên quy mô nhỏ Thành quả sản xuất quy mô lớn sẽ phụ thuộc vào tiến bộ công nghệ sinh học trong tương lai

3 Khái niệm về biofuel

Phương pháp làm rượu (vang và các loại rượu nói chung) bao gồm công đoạn lên men tinh bột, đường, đường quả và một số công đoạn chế biến khác Muốn có loại rượu nặng hoặc sản xuất cồn thì phải chưng cất sản phẩm lên men thu được

Trên thực tế, ngoài mục đích sản xuất bia, rượu làm đồ uống, người ta

có thể áp dụng phương pháp sản xuất rượu quy mô lớn để sản xuất

nhiên liệu chạy xe hoặc các mục đích khác Một trong các loại vật liệu

từ thực vật thích hợp cho mục đích này là đường mía Braxin là nước đang đi đầu trong lĩnh vực này

Dầu của các loại quả hoặc hạt có dầu như lạc, hướng dương, cọ, dừa, v.v…sau khi được và được xử lý hóa học có thể cho sản phẩm làm nhiên liệu Hiện tại ở Paris (Pháp) đang có một số xe buýt bằng biofuel

II NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH - SƠ LƯỢC TÌNH HÌNH KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG

1 Trên thế giới

1.1 Than đá

Hàng nghìn năm trước đây nguồn năng lượng được con người sử dụng cho cuộc sống chủ yếu lấy từ củi gỗ, rơm, rạ, cỏ, lá cây, v.v Than đá được khai thác sớm nhất vào thế kỷ thứ X ở Đức nhưng không được con người ưa chuộng vì khó cháy và lại tỏa nhiều khí độc khi đốt

Đến thế kỷ XV, ngành công nghiệp luyện kim ra đời và ngày càng phát triển, nhất là đến đầu thế kỷ XIX, với sự ra đời của các nhà máy nhiệt điện, thì nhu cầu sử dụng than đá mới chiếm tỷ trọng ngày một lớn Tuy nhiên, cho đến những năm 60 của thế kỷ XX, lượng than đá khai thác và sử dụng mới chỉ chiếm dưới 27% tổng năng lượng sử dụng, còn khí đốt và dầu mỏ thì vẫn coi như không đáng kể

Từ đầu thế kỷ XX, cơ cấu thành phần nhiên liệu sử dụng có sự thay đổi lớn Tỷ lệ dùng than đá, dầu mỏ và khí đốt tăng cao Theo số liệu năm

1965, tỷ lệ đó là 40%, 33,5% và 16,3% tương ứng Song đối với từng khu vực và từng quốc gia, cơ cấu năng lượng sử dụng phụ thuộc vào trình độ phát triển của nền kinh tế - xã hội của mỗi nước., Chẳng hạn

Ấn Độ vào năm 1965, năng lượng do than đá cung cấp chiếm 40%, trong khi đó năng lượng cung cấp từ điện năng (trừ nhiệt điện), dầu mỏ, khí đốt chỉ là 7% Tuy nhiên trong thời gian qua, xu hướng sử dụng năng lượng từ than đá có sự giảm sút rõ rệt vì dầu mỏ và khí đốt được khai thác ngày càng nhiều nên giá thành hạ Gần đây, một xu hướng mới lại xuất hiện ở nhiều nước, trước tình hình nguồn dầu mỏ và khí đốt thiếu hụt, giá tăng nhanh Người ta đang quay trở lại sử dụng than

đá, đồng thời cải tiến kỹ thuật đốt than để dễ diều khiển quá trình cháy

và giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Bảng 1 Nhu cầu sử dụng than đá trên thế giới trước thập kỷ 80 của thế

kỷ XX (số liệu năm 1990)

Trữ lượng than đá thế giới được đánh giá là 23.000 tỷ tấn, trong đó

khoảng 30% tập trung ở Liên Xô (cũ), Mỹ và Trung Quốc Các nước có

trữ lượng than đá lớn hơn 20 tỉ tấn là: Liên Xô (4.122 tỉ tấn), Mỹ (1.100

tỉ tấn), Trung Quốc (1.011 tỉ tấn), Đức (70 tỉ tấn), Canađa (61 tỉ tấn),

Ba Lan (46 tỉ tấn), Nam Phi (26 tỉ tấn), Nhật Bản (20 tỉ tấn) Với nhịp

độ khai thác hiện nay thì việc khai thác than đá có thể tiếp tục chừng

250 năm nữa

Nhu cầu sử dụng than đá ở một số nước vẫn tăng cao, tuy nhiên số

lượng than khai thác thì lại có nguy cơ giảm xuống Thực trạng thị

trường than đá thế giới đang trong giai đoạn cung thấp hơn cầu Hiện

(triệu tấn)

Các nhiên liệu khác (triệu tấn)

Tổng cộng (triệu tấn)

Tỉ lệ % năng lượng từ than sử dụng

tại Trung Quốc và Nhật Bản là hai nước nhập khẩu than đá lớn nhất thế giới

1.2 Dầu mỏ

Từ năm 2000 trở đi, năng lượng chủ yếu được khai thác và sử dụng cho nhu cầu công nghiệp là dầu mỏ và khí đốt Riêng dầu mỏ, trữ lượng toàn cầu (trừ Liên Xô và các nước XHCN cũ) là 65,3 tỉ tấn, và đến năm

1978 trữ lượng này tăng lên 74,9 tỉ tấn do quá trình thăm dò bổ sung ở một số vùng biển và thềm lục địa Không kể phần Liên Xô (cũ) thì khoảng 65% dự trữ dầu mỏ tập trung ở các nước thuộc khối Ả Rập

Từ nửa sau thế kỷ XX, nhu cầu về dầu mỏ ngày càng tăng và lượng dầu khai thác cũng tăng lên gấp đôi Lượng dầu khai thác hàng năm vào cuối thế kỷ XX gấp 150 lần lượng khai thác hàng năm vào đầu thế kỷ (Bảng 2) Theo ước tính, với nhịp độ khai thác hiện nay thì trữ lượng dầu mỏ sẽ cạn trong vòng 30 - 35 năm nữa

Bảng 2: Sản lượng dầu thô khai thác được trên thế giới từ năm 1900

1.3 Khí tự nhiên

Trong nửa sau thế kỷ XX, khí đốt (khí tự nhiên) là nguồn cung cấp quan trọng sau dầu mỏ Trữ lượng khí đốt ở độ sâu hiện đang khai thác (3.000m) là 72,9 ngàn tỉ m3 trong đó có 20% nằm ở đại dương Nếu tính ở độ sâu 5000 mét thì trữ lượng khí đốt là 86 ngàn tỉ m3 Mức độ khai thác khí đốt cũng khác nhau tùy theo khu vực và từng nước là do nhu cầu thực tiễn của sự phát triển kinh tế - xã hội của mỗi nước

Do nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên toàn cầu tăng cao, trong khi nguồn nhiên liệu than đá và dầu mỏ cạn dần, đã khiến giá nhiên liệu nói chung, nhất là dầu mỏ, tăng cao Giá dầu mỏ tăng đang làm chao đảo nền kinh

tế nhiều khu vực và thế giới Mỹ là nước tiêu thụ dầu mỏ lớn nhất thế giới (khoảng 1 tỷ tấn năm) và phải nhập khẩu 70% nhu cầu sử dụng, ước 20 - 25 triệu thùng/ngày Trung Quốc (TQ) hiện đang là nước tiêu thụ dầu mỏ đứng thứ 2 sau Mỹ, vượt cả Nhật Bản Theo số liệu của cơ quan Năng lượng Quốc tế, năm 2003 tổng khối lượng dầu mỏ tiêu thụ của TQ là 252,3 triệu tấn Trong năm 2004, con số đó dự kiến sẽ tăng

đến 308 triệu tấn Theo số liệu của Bộ Thương mại TQ, nước này đang nhập khẩu dầu mỏ với khối lượng ngày càng tăng và chiếm 1/3 lượng dầu mỏ tiêu thụ ở TQ Năm 2004, TQ nhập khẩu 110 triệu tấn dầu thô, vượt 21% so với năm 2003 Dự báo đến năm 2020, sự thâm hụt dầu mỏ

ở TQ sẽ đạt tới 250 triệu tấn/ năm Các nguồn dầu mỏ mà TQ đang hướng tới là Nga, Arập Xeut, Iran, Kazacstan, Tuôcmenistan, Kirgistan, Xyri Ngoài ra TQ cũng đang tìm cách tăng cường thăm dò và khai thác dầu khí trong nước

Khu vực lãnh hải giàu tiềm năng khí đốt đang là chủ đề tranh cãi gay gắt giữa Nhật Bản và TQ Ngoài ra, Chính phủ TQ đang tổ chức các đề

án quy mô lớn nhằm khai thác dầu mỏ và khí đốt trên đại lục

Nước đông dân thứ hai trên thế giới, đồng thời sử dụng dầu mỏ lớn thứ

khoảng hơn 2,5 tỉ tấn than đá (chủ yếu tập trung ở vùng Quảng Ninh)

và hơn 0,4 tỉ tấn than bùn Than Quảng Ninh là than antraxit có chất lượng tốt, nhiệt lượng cao

Tình hình khai thác than đá ở Việt Nam từ năm 1955 đến 2005 được trình bày trong Bảng 3 Hiện nay sản lượng khai thác ngày càng tăng để đáp ứng nhu cầu trong nước và xuất khẩu Việt Nam hiện chiếm 40% lượng than antraxit xuất khẩu trên toàn cầu

Đáp ứng nhu cầu thị trường, năm 2004 tổng lượng than các loại tiêu thụ tại Việt Nam là 25 - 26 triệu tấn (xuất khẩu 8 - 9 triệu tấn) Thị trường

tiêu thụ than trong những tháng cuối năm 2004 và đến năm 2005 vẫn

tiếp tục tăng

Bảng 3 Sản lượng than khai thác ở Việt Nam giai đoạn 1955-2005

Sản lượng (đơn vị: 1.000 tấn) Năm

Than khai thác Than sạch Than xuất khẩu

2.2 Dầu mỏ và khí thiên nhiên

Ở nước ta việc tìm kiếm và thăm dò dầu mỏ đã thực hiện từ lâu trong thời kỳ chiến tranh ở cả 2 miền Nam và Bắc; trong những năm đầu của thập niên 1960 - 1970 chúng ta đã tìm thấy dầu và khí ở vùng châu thổ Sông Hồng song chưa xác định được chính xác Còn ở miền Nam, việc thăm dò chủ yếu ở thềm lục địa vào những năm cuối của thập niên 60 Kết quả thăm dò là phát hiện được 3 bồn trầm tích có dầu khí quan trọng là: bồn Cửu Long, bồn Sài Gòn - Brunây và bồn vịnh Thái Lan

Tháng 8/1973 Chính quyền Sài Gòn đã tổ chức đấu thầu và đã có 4 tổ hợp các công ty nước ngoài trúng thầu, bắt đầu tiến hành thăm dò tìm kiếm vào năm 1974, đến tháng 4/1975 phải bỏ dở khi miền Nam hoàn toàn được giải phóng

Tháng 12/1983 Nhà nước ta lại bắt đầu cho thăm dò tìm kiếm trở lại và

đã phát hiện được dầu ở tầng Miocene hạ (5/1984) rồi ở tầng Oligocene (2/1986) Tấn dầu được khai thác đầu tiên ở mỏ Bạch Hổ vào tháng 6/1986, tháng 9/1988 bắt đầu khai thác chính thức Số liệu về sản lượng dầu khí khai thác tại Việt Nam được trình bày tại Bảng 4

Bảng 4 Sản lượng dầu khai thác ở Việt Nam

Năm khai thác Khối lượng (triệu tấn)

Khí (triệu m3) Khí hóa lỏng (nghìn tấn)

Khối lượng dầu đã khai thác trên đây từ 3 mỏ lớn là Bạch Hổ, Rồng và

Đại Hùng với 133 giếng khai thác và 247 giếng thăm dò Ngoài ra, một

đường ống dẫn khí đồng hành dài trên 100km từ mỏ Bạch Hổ đã được

dẫn khí vào đất liền đến Bà Rịa từ ngày 01/5/1995 đã cung cấp 1 triệu

m3/ ngày đêm và dự kiến từ năm 2000 cung cấp từ 3 - 4 triệu m3/ ngày

đêm Ngày 15/12/2000 bắt đầu xây dựng đường ống dẫn khí dài khoảng 300 km từ mỏ Lan Tây và Lan Đỏ vào bờ

Ngoài liên doanh dầu khí Việt Xô (VIETXOPETRO), hiện có hơn 10 công ty nước ngoài cũng đang tìm kiếm và thăm dò dầu khí ở các thềm lục địa phía Nam và phía Bắc

Trữ lượng dầu thô tiềm tàng ở vùng ngoài khơi phía Nam là 270 triệu tấn và khả năng còn tăng nhiều nếu tiếp tục thăm dò

Việt Nam có trữ lượng khí không đồng hành tiềm tàng khoảng trên 360

tỉ m3 Trữ lượng khí đồng hành xác minh được là vào khoảng 57 tỉ m3 Nguồn tài nguyên này sẽ là tiềm năng nhiên liệu chính cho ngành điện của Việt Nam, tránh phải sử dụng quá nhiều than gây ô nhiễm

Nói chung, sản xuất dầu thô và khí của Việt Nam có tiềm năng lớn Các

mỏ khí mới được phát hiện gần đây đã khơi lại mối quan tâm của các công ty dầu khí quốc tế Tuy nhiên tiến độ thăm dò còn chậm Để khắc phục tình trạng này, Việt Nam đã đưa ra chiến lược phát triển thăm dò

và khai thác dầu khí Bảy dự án lớn thuộc ngành công nghiệp dầu khí

đã được Chính phủ xếp vào danh mục dự án quốc gia gọi vốn đầu tư nước ngoài giai đoạn từ năm 2002 đến năm 2005, trong đó có nhiều dự

án quan trọng như: Dự án nhà máy liên doanh lọc dầu số 2 (công suất 6,5 triệu tấn/ năm), vốn đầu tư 1,5 tỉ USD đặt tại Thanh Hóa; Dự án đường ống dẫn khí lô B - ô Môn, công suất 1,5 tỉ m3/ năm, cần vốn đầu

tư 300 triệu USD; Nhà máy chế biến sản phẩm sau hóa dầu, vốn 17 triệu USD; Nhà máy sản xuất khí công nghiệp 10 triệu USD tại khu công nghiệp Hòa Khánh, Đà Nẵng Ngoài ra, còn có các dự án khai

thác mỏ mới tại Vịnh Bắc Bộ, vùng biển miền Trung, Nam Côn Sơn và Tây Nam,v.v…

III VẤN ĐỀ PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG

1 Thế giới đang cần ngày càng nhiều hơn năng lượng

Dân số thế giới sẽ tăng từ con số hiện tại, khoảng 6,3 tỉ người lên tới 9

tỉ người vào năm 2050 Mức độ phồn thịnh trung bình toàn cầu sẽ ngày càng cao hơn Càng nhiều người và mức sống càng cao hơn có nghĩa là

sẽ không tránh khỏi sử dụng năng lượng nhiều hơn Các nước đang phát triển hiện đang cần nhiều năng lượng hơn bao giờ hết để đáp ứng yêu cầu tăng cao mức sống Theo một số kịch bản, thì vào năm 2050 mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu sẽ tăng gấp đôi, nhưng điều này có thể còn cao hơn thế

Hiện tại, tính trên toàn cầu, mức năng lượng đang sử dụng hàng ngày tương đương với khoảng 200 triệu thùng dầu mỏ (khoảng 10 tỷ tấn /năm) Trong số này, có khoảng 80% năng lượng có nguồn gốc là năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí đốt, than đá) Năng lượng hạt nhân, thủy điện, năng lượng sinh học chiếm gần 20% còn lại Trong đó, thực tế năng lượng tái tạo (thủy điện, gió và sinh học truyền thống như gỗ, chất thải nông nghiệp) chỉ chiếm 10%

Tỷ lệ tăng sử dụng năng lượng trung bình hàng năm trên thế giới hiện nay là khoảng 1,5 - 2,0% Điều này có nghĩa là khối lượng dầu mỏ khai thác phải tăng lên thêm hàng ngày là 1,5 triệu thùng Ngành dầu mỏ toàn cầu sẽ phải hoạt động hết công suất, đồng thời phải luôn tìm kiếm

cơ hội đầu tư thêm và việc mở mỏ mới để bù đắp lại các thất thoát tự

nhiên ở các khai trường (tổng mức thất thoát như vậy đôi khi lên tới 4 - 5%/ năm, tương ứng khối lượng dầu khai thác 3,5 triệu thùng/ ngày) Trong 5 năm tới ngành dầu mỏ toàn cầu sẽ phải tăng thêm công suất tương ứng với mức khai thác 28,5 triệu thùng/ ngày (gấp 3 lần mức khai thác hiện tại của Ả rập Xê út)

Vào thời điểm hiện nay, ngành năng lượng thế giới đang đứng trước ba nhiệm vụ:

* Tăng sản lượng năng lượng hóa thạch và các loại năng lượng khác Vào năm 2050, nhu cầu năng lượng sẽ tương đương 400 thùng dầu/ ngày (một nửa số đó là năng lượng hóa thạch)

* Phải quan tâm phát triển đồng thời các nguồn năng lượng

* Giảm thải tác hại gây ô nhiễm môi trường do khai thác và sử dụng năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm tác nhân gây tăng hiệu ứng nhà kính để bảo vệ môi trường

Trữ lượng dầu mỏ thế giới còn khoảng 1.200 tỷ thùng, khai thác với tốc

độ hiện tại còn độ khoảng 30-35 năm nữa Trữ lượng than đá còn khá lớn (tuy ngày càng khó khai thác) nhưng cũng còn khai thác được 250 năm nữa Nguy cơ thế giới sẽ thiếu năng lượng đang trở thành sự thật hiển nhiên Năng lượng hạt nhân, năng lượng tái tạo (thủy điện, sinh học) sẽ đóng vai trò ngày càng lớn Năng lượng tái tạo nguồn gốc sinh học có một ý nghĩa nhất định nhưng chúng ta không thể đốt cháy giai đoạn Cần phải có thời gian phát triển, thời gian đó có thể là 10 - 20 năm nữa

2 Tính cấp thiết của phát triển năng lượng sinh học ở Việt Nam

Phát triển ngành năng lượng sẽ là biện pháp hỗ trợ và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế Nhu cầu về năng lượng sẽ do tăng trưởng kinh tế, công nghiệp hóa, đô thị hóa và toàn cầu hóa thương mại quyết định Từ nay tới năm 2010, cung cấp năng lượng của Việt Nam sẽ cần phảI tăng nhanh hơn GDP là 30% Mặc dù có những thay đổi lớn trong những năm gần đây nhưng Việt Nam vẫn là một trong những nước có mức sử dụng năng lượng thấp nhất châu Á Năm 1996 tiêu thụ năng lượng hiện đại đầu người tương đương 144 kg quy ra dầu mỏ (bằng 1/7 Thái Lan)

và tiêu thụ điện năng là khoảng 161 kWh thấp nhất trong các nước đang phát triển Nếu tăng trưởng GDP hàng năm trung bình là 6% từ năm 2001 và 7,5% từ 2001 trở đi thì mức tiêu thụ năng lượng hiện tại phải tăng với tốc độ trung bình là 9% Đến năm 2010 tổng nhu cầu về năng lượng hiện tại sẽ gấp 3 lần mức năm 1997 Nhu cầu điện tăng 4 lần, sản phẩm xăng dầu sẽ tăng 2,5 lần Nhu cầu khí đốt tăng gần 10 lần

và nhu cầu trong nước về than sẽ tăng gấp đôi

Cho tới nay Việt Nam chưa sử dụng triệt để các nguồn tài nguyên năng lượng cơ bản của mình

Ngành năng lượng Việt Nam đang đứng trước nhiều thách thức, chủ yếu là bốn thách thức trong quá trình chuyển sang công nghiệp hóa và hiện đại hóa

Thứ nhất, để đạt được chỉ tiêu tăng trưởng kinh tế, từ nay tới năm 2010,

cung cấp năng lượng của Việt Nam sẽ cần phải tăng nhanh hơn GDP là 30%, trong đó điện phải tăng nhanh hơn 70% Để đạt được tốc độ tăng

trưởng đó, cung cấp năng lượng phải có hiệu quả - đến năm 2010 phải tiết kiệm được 2788 MW, tức là một nửa công suất lắp đặt hiện nay và điều này có thể thực hiện thông qua các chương trình giảm tổn thất và quản lý cầu Năng lượng phải được phân bố đều hơn, hiện 80% dân số

ở vùng nông thôn và mức tiêu thụ của họ chỉ chiếm 14% lượng điện được cung ứng

Thứ hai, mặc dù Việt Nam còn giàu tài nguyên thiên nhiên, nhưng các

nguồn tài chính vẫn là là hạn chế về trữ lượng, đòi hỏi phải lập kế hoạch sử dụng một cách thận trọng trong lĩnh vực năng lượng

Thứ ba, Việt Nam phải đầu tư khoảng từ 5,3 - 5,5% GDP (gấp đôi mức

các nước láng giềng Đông Nam Á khác) vào cơ sở hạ tầng thiết yếu cho năng lượng Hơn nữa, mức và cơ cấu giá năng lượng phải được thay đổi để giải tỏa bớt những sức ép tài chính ngắn hạn và đảm bảo hiệu quả lâu dài trong các quyết định đầu tư và sử dụng tài nguyên

Thứ tư, thu hút đầu tư nước ngoài đòi hỏi phải tạo ra được môi trường

kinh doanh thuận lợi, bao gồm cả khuôn khổ pháp lý có tính hỗ trợ

Do nguồn tài chính hạn hẹp, chiến lược năng lượng của Việt Nam phải nhằm vào việc sản xuất, cung cấp và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả

Để giảm suy thoái môi trường, cần có chính sách khuyến khích chuyển

từ nguồn năng lượng truyền thống sang nguồn năng lượng mới và tăng cường cung ứng những loại nhiên liệu sạch hơn Sản xuất và sử dụng Biofuel đáp ứng được các tiêu chí về kinh tế và môi trường nên cần phải được phát triển

3 Dự báo nhu cầu - đáp ứng năng lượng của Việt Nam đến năm 2010

và 2020

Việt Nam có triển vọng đạt mức tăng trưởng hàng năm từ 7 - 7,5% từ nay tới 2010 và khoảng 7,0% từ 2011 - 2020 Tỷ trọng khu vực nông nghiệp có thể sẽ giảm dần từ 23% xuống 11% vào năm 2020, trong khi khu vực công nghiệp sẽ tăng từ 38,5% lên 44%

Người ta dự tính rằng tới năm 2010 tổng mức tiêu thụ năng lượng tối

đa của Việt Nam sẽ vào khoảng 28 - 32 triệu TOE (đương lượng dầu tính bằng tấn), trong đó than chiếm 18%, dầu khí 57% và điện 25% Mức tăng trưởng sử dụng năng lượng trung bình hàng năm của Việt Nam là vào khoảng 8,8% - 10,4%

Vào năm 2020, tổng nhu cầu năng lượng kinh doanh của Việt Nam sẽ đạt mức 53 - 63,6 triệu TOE, trong đó 15%, 56% và 29% là dành cho than, dầu và khí, điện Mức tăng trưởng trung bình hàng năm trong giai đoạn 2010 - 2020 sẽ lên tới 6,6% - 7,1%

Trong tiêu thụ năng lượng chung, ngành công nghiệp vẫn còn chiếm thị phần lớn nhất, chiếm tỷ lệ từ 38% năm 2001 lên 42% và 47% tương ứng 2010 và 2020 Ngành vận tải sẽ tiêu thụ mức chiếm 35% vào 2010

và 33% vào năm 2020 Năng lượng dành cho sinh hoạt sẽ giảm dần từ 23% năm 2001 xuống mức dự tính 19,4% và 17,6% tương ứng 2010 và

2020

Hiện nay Việt Nam có tỷ lệ độc lập về năng lượng là 120 Tỷ lệ đó có nghĩa là cán cân ngoại thương về năng lượng rất thuận lợi, kim ngạch nhập khẩu 100 thì xuất khẩu 120, một tỷ lệ ít quốc gia trên thế giới có

thể đạt được ưu điểm này là nhờ dầu và khí ở các mỏ dầu khí ngoài khơi

Nhưng ưu điểm đó sẽ không tồn tại được lâu vì ba lý do Thứ nhất là trữ lượng những mỏ dầu khí của ta rất eo hẹp Thứ hai là phát triển kinh

tế sẽ quy định phát triển của nhu cầu năng lượng Với đà phát triển kinh

tế của nước ta nhanh hiện nay thì nhu cầu về năng lượng sẽ gia tăng rất mạnh Thứ ba là nước ta đang cơ giới hóa nông nghiệp và phát triển những ngành kỹ nghệ tiêu thụ nhiều năng lượng như là xi măng, thép,? Người ta cho rằng tiêu thụ năng lượng của nước ta đang gia tăng với tỷ

lệ mạnh hơn tỷ lệ tăng trưởng kinh tế Vì ba nguyên nhân đó, chỉ trong vài năm nữa chúng ta sẽ là một nước nhập siêu về nhiên liệu Trung Quốc đã trở nên một quốc gia như vậy và Inđônêxia cũng đang đi vào con đường đó Hiện nay Tổng Công ty Dầu khí Việt Nam đã bắt đầu đi khảo sát mỏ ở một số nước khác (như là Angiêria)

Việt Nam có thể trở thành nước thiếu năng lượng kể từ năm 2015 trở

về sau

IV NHIÊN LIỆU SINH HỌC (BIOFUEL) - CÔNG NGHỆ VÀ ỨNG DỤNG

1 Định nghĩa và phân loại

Nhiên liệu sinh học (biofuel) là loại nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh khối - có thể là từ các sinh vật sống hoặc sản phẩm phụ từ quá trình chuyển hóa của chúng (ví dụ như phân gia súc) Chúng thuộc loại năng lượng tái tạo (hoàn nguyên) hoàn toàn khác với các loại năng lượng khác như hóa thạch, hạt nhân

Biofuel có đặc điểm là khi bị đốt cháy sẽ giải phóng ra năng lượng hóa học tiềm ẩn trong nó Nghiên cứu tìm ra các phương pháp hiệu quả hơn

để biến đổi các vật liệu nguồn gốc sinh học thành điện năng thông qua pin nhiên liệu đang là lĩnh vực hết sức khả quan hiện nay

Theo bảng phân loại của Wikipedia, biofuel được chia thành ba loại:

- Dạng rắn (sinh khối rắn dễ cháy): củi, gỗ và than bùn

- Dạng lỏng : Các chế phẩm dạng lỏng nhận được trong quá trình chế

biến vật liệu nguồn gốc sinh học như:

+ Bioalcohol - các loại rượu nguồn gốc sinh học, ví dụ: bioetanol từ

đường mía, ngô đang được sử dụng làm nhiên liệu hoặc phụ gia pha

xăng tại Braxin, Mỹ và một vài nước khác; biometanol (hiện đang được

sản xuất chủ yếu từ khí tự nhiên, song có thể đi từ sinh khối)

+ Dầu mỡ các loại nguồn gốc sinh học, đã được sử dụng làm nhiên liệu

chạy động cơ diezel Ví dụ: Dầu thực vật sử dụng trực tiếp (SVO) làm nhiên liệu; Biodiezel (diezel sinh học) - sản phẩm chuyển hóa este từ

mỡ động vật hoặc dầu thực vật; Phenol và các loại dung môi, dầu nhựa thu được trong quá trình nhiệt phân gỗ, v.v…

- Dạng khí: Các loại khí nguồn gốc sinh học cũng đã được sử dụng và

ngày càng phổ biến như: Metan thu được từ quá trình phân hủy tự nhiên các loại phân, chất thải nông nghiệp hoặc rác thải - biogas; Hyđrô

thu được nhờ cracking hyđrocacbon, khí hóa các hợp chất chứa cacbon (kể cả sinh khối) hoặc phân ly nước bằng dòng điện hay thông qua quá

trình quang hóa dưới tác dụng của một số vi sinh vật; Các sản phẩm khí

khác từ quá trình nhiệt phân và khí hóa sinh khối (các loại khí cháy thu

được trong quá trình nhiệt phân gỗ)

2 Vai trò của biofuel đối với cân bằng môi trường

Biofuel được sản xuất từ sinh khối, là loại vật liệu xuất phát từ sinh vật (chủ yếu là thực vật) và là một phần trong chu trình cacbon ngắn CO2

mà cây hấp phụ từ không khí để tăng trưởng suốt quá trình sống của chúng bằng con đường quang hợp sẽ quay trở lại bầu khí quyển khi chúng đã bị chuyển hóa thành năng lượng Để có thể coi đó là nguồn năng lượng tái tạo thì ít nhất kho sinh khối đó phải được duy trì không thay đổi Bởi vì trong chu trình không có lượng CO2 thừa và biofuel chạy xe phát tán ngược trở lại nên biofuel có thể được coi là yếu tố

"cân bằng về mặt môi trường" thuộc chu trình

3 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp sản xuất nhiên liệu

4 Sản xuất biofuel

Hiện có rất nhiều cách chuyển hóa nguồn sinh khối đa dạng thành biofuel Các nguồn nguyên liệu chuyển hóa đó có thể là từ gỗ (dăm bào, mùn cưa, phế liệu gỗ); đường từ của các loại cây chức đường, tinh bột; hoặc dầu từ các loại cây có dầu; v.v Dưới đây là một số nét chính về sản xuất các loại biofuel

4.1 Etanol (cồn, rượu etylic)

Etanol là rượu no, đơn chức, chứa 2 nguyên tử các bon, có công thức

C2H5OH, có thể sản xuất theo phương pháp hóa học từ nguyên liệu etan hoặc etylen Trên thực tế etanol thường được sản xuất bằng con đường

sinh học Khi đó sản phẩm etanol được gọi là cồn sinh học hay bioetanol Bioetanol (sau đây gọi tắt là etanol) đã được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu cho ngành giao thông và có thể thay thế hoàn toàn xăng trong động cơ ô tô Ở Brazil 60% etanol sản xuất ra ở đây được bán dưới cồn thô (93% etanol và 7% nước), 40% còn lại được tinh cất thành cồn khô (trên 99% etanol) để pha vào xăng (với tỷ lệ lên tới 24%) Công nghệ chiếm ưu thế hiện nay là chuyển hóa sinh khối thành etanol thông qua lên men rượu rồi chưng cất Quá trình lên men rượu này là quá trình chuyển hóa sinh hóa học Sinh khối sẽ bị men của vi khuẩn hoặc nấm men phân hủy Phương pháp lên men có thể áp dụng đối với nhiều nguồn nguyên liệu sinh khối khác nhau

4.1.1 Nguyên liệu sinh khối

Nguyên liệu sản xuất etanol thích hợp nhất là đường (từ củ cải đường, mía), rỉ đường và cây lúa miến ngọt, tinh bột (khoai tây, các loại hạt lúa, lúa mỳ, ngô, đại mạch…) Năng suất etanol trung bình dao động từ 2.100 đến 5.600 lít/ ha đất trồng trọt tùy thuộc vào từng loại cây trồng Đối với các loại hạt, năng suất etanol thu được vào khoảng 2.800 lít/ha, tức là vào khoảng 3 tấn nguyên liệu hạt sẽ thu được 1 tấn etanol

Hiện nay các hoạt động nghiên cứu và phát triển ở châu Âu về lĩnh vực etanol sinh học ( bioetanol) chủ yếu tập trung vào sử dụng các nguồn nguyên liệu xenlulo (từ gỗ) Các loại cây trồng quay vòng ngắn (liễu, bạch dương, bạch đàn), các chất thải nông nghiệp (rơm, bã mía), các phế thải của công nghiệp gỗ, gỗ thải đều thích hợp để làm nguyên liệu sản xuất etanol Cứ khoảng 2 - 4 tấn vật liệu gỗ khô hoặc cỏ khô đã

có thể cho 1 tấn etanol Nguyên nhân khiến người ta chuyển sang sản xuất etanol từ sinh khối xenlulo (gỗ, thân thảo) là vì các loại này sẵn có

và rẻ tiền hơn so với các loại tinh bột ngũ cốc hoặc cây trồng khác, đặc biệt là với những nguồn chất thải hầu như không có giá trị kinh tế thì vấn đề càng có ý nghĩa, tuy nhiên quá trình chuyển hóa các vật liệu này

sẽ khó khăn hơn

4.1.2 Công nghệ chuyển hóa etanol

Như trên đã nói etanol có thể sản xuất từ các loại nguyên liệu sinh khối khác nhau, nhưng chỉ có một vài loại cây trồng chứa loại đường đơn giản, dễ tách nên thuận lợi cho quá trình xử lý và lên men Thông thường để tách đường hoàn toàn, quá trình tách (chiết hoặc nghiền nhỏ) cần được thực hiện lặp đi lặp lại vài lần

Các loại tinh bột ngũ cốc là các vật liệu gồm các phân tử cacbonhydrat phức tạp hơn nên phải phân hủy chúng thành đường đơn nhờ quá trình thủy phân

Hạt được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão Trong quá trình này đã

có một lượng đường được giải phóng Nhưng để chuyển hóa tối đa lượng tinh bột thành đường, tạo điều kiện lên men rượu, bột nhão được nấu và cho thủy phân bằng enzym (ví dụ amylaza) Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào khối bột nhão trước khi đem nấu Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có mặt một số chủng men rượu Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dịch thủy phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 - 5,0 Etanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nước Quá trình lên men rượu này sinh ra CO2

Nhờ hàng loạt bước chưng cất và tinh cất để loại nước, nồng độ etanol

sẽ được tăng cao tối đa (có thể đạt mức cồn tuyệt đối - etanol khan) Quá trình chuyển hóa sinh khối là hỗn hợp xenlulo thành etanol chỉ khác với quá trình lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá trình lên men Thủy phân hỗn hợp xenlulo khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp xenlulo là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch dài (polyme cacbonhyđrat) gồm khoảng 40 - 60% xenlulo và 20 - 40% hemixenlulo, có cấu trúc tinh thể, bền Hemixenlulo chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơn xenlulo Nói chung hỗn hợp xenlulo khó hòa tan trong nước Phức polyme thơm có trong gỗ là lignin (10 - 25%) không thể lên men vì khó phân hủy sinh học, nhưng

Sản phẩm etanol khan có thể sử dụng làm nhiên liệu ô tô cả dưới dạng tinh khiết lẫn dạng pha trộn với xăng

Etanol có thể làm phụ gia cấp oxy cho xăng (nồng độ 3%) giảm phát thải khí CO đồng thời làm phụ gia thay thế chì tetraetyl, hoặc cũng có thể thành nguyên liệu sản xuất etylterbutyleter (ETBE)- một phụ gia cho xăng Etanol còn được dùng làm yếu tố tăng chỉ số octan cho xăng

và qua đó giảm nổ và cải thiện tiếng ồn động cơ

4.1.3 Thực trạng công nghệ và tính kinh tế

Lên men đường và sản xuất etanol là công nghệ cổ truyền, đang được

áp dụng trên phạm vi kinh doanh rộng Để giảm chi phí sản xuất và hạ giá thành sản phẩm hơn nữa thì cần cải tiến công nghệ và tìm kiếm các nguồn sinh khối rẻ hơn (giá nguyên liệu chiếm 55 - 80% giá sản phẩm cuối) Các công ty của Mỹ và Canađa hiện đang tiếp tục nghiên cứu tận dụng nguồn sinh khối, là hỗn hợp xenlulo và các nguồn phế thải khác

Để dùng làm nhiên liệu, etanol phải ở dạng cồn tuyệt đối (xấp xỉ 100%), hiện nay người ta đang tiếp tục cải tiến khâu loại bỏ triệt để nước từ sản phẩm bằng cách sử dụng phương pháp lọc màng phân tử

Còn một công nghệ sản xuất etanol khác là thông qua con đường khí hóa nguyên liệu, xong rất phức tạp và không kinh tế

Chi phí đầu tư ngắn hạn cho một cơ sở sản xuất etanol từ hạt ngũ cốc tại châu Âu, dự tính 290 euro/kW nhiệt (đối với nhà máy 400 MW nhiệt) Nếu đầu tư dài hạn chi phí có thể giảm 40% Nếu nhà máy sản

xuất etanol từ nguồn gỗ, chi phí đầu tư ngắn hạn khoảng 350 euro/ kW

nhiệt, nếu đầu tư dài hạn chi phí giảm 50%

Chi phí sản xuất etanol từ đường và ngũ cốc tại châu Âu và Mỹ hiện

khá cao: 15 - 25 euro/ GJ (1Giga Jun = 109 Jun) đi từ củ cải ngọt và 20

euro/ GJ đi từ ngô, tức là etanol có giá 0,32 - 0,54 euro/ lit Nếu sản

xuất từ nguồn xenlulo, giá etanol còn 0,11 - 0,32 euro/ lít Nếu nguyên

liệu đầu vào có giá 42 euro/ tấn thì giá thành 1 lít etanol sẽ hạ xuống

0,28 euro Nếu nguyên liệu tận dụng không mất chi phí thì giá 1 lít

etanol còn 0,17 euro Vì nhiệt lượng của etanol thấp hơn so với xăng

nên thực tế chi phí sử dụng etanol sẽ cao hơn xăng với thể tích tương

đương

4.1.4 Sử dụng etanol

Chỉ số octan ở etanol cao nên rất thích hợp với hệ đánh lửa động cơ đốt

trong của ô tô, song chỉ số xetan thấp nên không thích hợp lắm với

động cơ diezel Giải pháp kỹ thuật đối với điều này là người ta sẽ đưa

vào nhiên liệu này một lượng nhỏ dầu diezel hoặc là sử dụng phụ gia

Bảng 5.So sánh một số chỉ tiêu giữa etanol, xăng và ETBE

Chỉ số xetan

Áp lực bay hơi Reid là số đo độ

bay hơi của nhiên liệu (kPa) ở

15oC

Khối lượng riêng (kg/l) ở 15oC

Giá trị calo thấp hơn (MJ/kg) ở

15oC

Giá trị calo thấp hơn (MJ/l) ở

15oC

Tỉ lệ không khí/ nhiên liệu (kg

không khí/ kg nhiên liệu)

Nhiệt độ sôi (oC)

11 16,5 0,80 26,4 21,2

9,0

78

-

28 0,74

36 26,7

-

72

Chỉ số octan của etanol cao hơn xăng nên có tác dụng giảm tiếng ồn

động cơ tốt hơn, hơn nữa etanol chứa oxy nên hiệu quả nhiên liệu ở

động cơ được cải thiện hơn Pha trộn với tỉ lệ hợp lý giữa etanol và

xăng sẽ làm tăng hiệu quả động cơ xe Các loại xe chạy nhiên liệu xăng

pha etanol được gọi là xe chạy nhiên liệu gasohol Thông thường

gasohol có tỉ lệ pha trộn 10% etanol 90% xăng không pha chì (E10)

Nếu xe được cải thiện bộ phận đánh lửa ở động cơ, có thể chạy với

nhiên liệu gasohol E85 (85% etanol và 15% xăng) Đa số các loại xe

thiết kế ở Mỹ hiện nay có thể chạy nhiên liệu tùy ý cả E85 lẫn chạy

hoàn toàn xăng ( E0) Dùng gasohol có tỷ lệ pha trộn từ 10 - 30%

etanol vào xăng thì không cần cải tiến động cơ xe

4.2 Metanol (rượu metylic, cồn gỗ, cacbinon)

Cũng như etanol, metanol được sử dụng làm nhiên liệu cho xe ô tô từ lâu, đặc biệt là ở Mỹ Metanol có thể sản xuất từ khí tổng hợp - sản phẩm khí hóa sinh khối và các nguồn khác đồng thời cũng có thể đi từ khí tự nhiên Metanol được sản xuất từ nguồn nguyên liệu đi từ sinh vật đang được khuyến cáo phát triển sử dụng làm nguyên liệu tái tạo thay thế nhiên liệu dầu mỏ

4.2.1 Nguyên liệu sinh khối

Metanol có thể được sản xuất từ sinh khối, thường là củi gỗ Để sản xuất 1 tấn metanol cần gần 2 tấn gỗ khô, có nghĩa năng suất sẽ là 550 lít metanol/ 1 tấn gỗ Năng suất metanol từ nguyên liệu thân thảo khô (cỏ khô) còn thấp hơn, đạt khoảng 450 l/tấn

4.2.2 Công nghệ chuyển hóa sản xuất metanol

Metanol thu được thông qua quá trình chuyển hóa khí tổng hợp Để thu được khí tổng hợp từ nguyên liệu sinh khối, người ta tiến hành khí hóa sinh khối dưới điều kiện áp suất và nhiệt độ cao Khí tổng hợp sau khi khử bỏ tạp chất sẽ được đưa vào lò phản ứng có xúc tác để tạo thành metanol Công nghệ trước đây sử dụng xúc tác kẽm cromat trong điều kiện áp suất cao (300 - 1000 atm) và nhiệt độ cao (khoảng 400oC), thực hiện trong pha khí

Công nghệ hiện nay chủ yếu tiến hành trong pha lỏng với xúc tác hợp

lý hơn ở nhiệt độ và áp suất thấp hơn nhưng cho hiệu quả cao hơn

Công nghệ chuyển hóa metanol hiện nay cho phép đạt được hiệu suất tới 95%

4.2.3 Thực trạng công nghệ và tính kinh tế

Công nghệ khí hóa sinh khối hiện chưa đạt mức phát triển rộng rãi Vấn

đề kỹ thuật lò khí hóa (nhiệt độ chưa khống chế được) và yêu cầu sản phẩm khí sạch hơn đang cần được nghiên cứu hơn nữa Nói chung vấn

đề nghiên cứu và phát triển đang tập trung vào việc tối ưu hóa xúc tác

và áp suất, đồng thời giảm bớt tiêu thụ oxy nhằm mục đích tăng sản lượng và chất lượng khí thu được, tăng tối đa lượng cacbon chuyển hóa đồng thời giảm tối thiểu các tạp chất

Hiện tại, chi phí đầu tư ngắn hạn cho một cơ sở sản xuất metanol từ sinh khối, công suất 400 MW nhiệt, vào khoảng 700 euro/ kW nhiệt Đầu tư lâu dài vào cơ sở lớn hơn chi phí giảm 25 - 30% Hiệu suất ngắn hạn có thể đạt 50 - 55% Đối với cơ sở sản xuất dài hạn lớn hơn (1000

MW nhiệt) con số này có thể còn 60 - 65% so với đầu tư nhỏ

Chi phí đầu tư cho công nghệ tổng hợp metanol trong pha lỏng thấp hơn công nghệ tổng hợp trong pha khí là 5 - 23%

Chi phí sản xuất metanol ngắn hạn hiện khoảng 0,14 - 0,20 euro/ lit (9 -

13 euro/ GJ) Trong tương lai, chi phí này có thể giảm xuống còn 0,1 euro/ lít (7 euro/ GJ) Cũng như etanol, metanol có nhiệt lượng thấp hơn xăng nên chi phí sử dụng cũng cao hơn xăng

4.2.4 Sử dụng metanol

Metanol có thể ứng dụng trong hầu hết loại xe cộ và có thể được sử dụng như là nhiên liệu riêng hoặc pha trộn với xăng Metanol có chỉ số xetan thấp (5 so với 50 ở diezel dầu mỏ) nên tinh chất đánh lửa kém, rất khó thích hợp với động cơ diezel, tuy nhiên nhờ chỉ số octan cao nên sử dụng thay thế xăng ở động cơ xe ô tô lại cho kết quả tốt

Hầu như 1,2 tỉ galon metanol được sản xuất tại Mỹ hiện nay được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất MTBE (metylterbutyleter) một phụ gia xăng Để làm nhiên liệu trực tiếp, metanol chỉ phù hợp cho một số loại

xe có động cơ hoạt động với tỷ số nén cao

Metanol còn được sử dụng làm chất chống đông đường ống dẫn dầu, làm dung môi, làm nguyên liệu sản xuất các hóa chất và vật liệu khác (chất dẻo, gỗ dán, sơn, chất nổ, v.v…) Metanol có tính độc cao và dễ cháy, khi cháy không thành ngọn lửa nên cần hết sức cẩn thận khi tiếp xúc và sử dụng

Bảng 6 dưới đây đưa ra con số so sánh giữa metanol MTBE và xăng

Bảng 6 So sánh một số chỉ tiêu gữa metanol, xăng và MTBE

Chỉ số xetan

Áp lực bay hơi Reid (kPa) ở 15oC

Khối lượng riêng (kg/l) ở 15oC

Giá trị calo thấp hơn (MJ/kg) ở 15oC

Giá trị calo thấp hơn (MJ/l) ở 15oC

Tỉ lệ không khí/ nhiên liệu (kg không

khí/ kg nhiên liệu)

Nhiệt độ sôi (oC)

5 31,7 0,73 19,8 15,6

6,5

65

-

57 0,74 35,2 26,0

-

53

4.3 Biodiezel (metyleste của một số loại dầu, mỡ động thực vật)

Dầu diezel có nguồn gốc hữu cơ được gọi là biodiezel phân biệt với diezel nguồn gốc dầu mỏ được gọi là petrodiezel

Biodiezel được sản xuất từ dầu thực vật và mỡ động vật Dầu thực vật

ép từ các loại quả hạch và hạt chứa dầu từ lâu đã được sử dụng làm nhiên liệu Việc sản xuất dầu thực vật làm nhiên liệu chạy xe cộ cũng giống như sản xuất dầu ăn Hiện nay ở châu Âu, dầu thực vật làm nguyên liệu sản xuất biodiezel chủ yếu có nguồn gốc từ hạt cây cải dầu

và biodiezel ở đây được mang tên este metylic (hay metyleste) hạt cải dầu (còn được gọi là RME - rapeseed metylester)

4.3.1 Nguyên liệu sinh khối

Dầu thực vật được sử dụng sản xuất biodiezel thường được chiết tách

từ các loại hạt một số cây có dầu hoặc mỡ động vật như hạt cải dầu,

đậu tương, cọ, hướng dương cải hoa vàng, tảo, dầu thực vật thải của công nghệ sản xuất dầu ăn, mỡ lò mổ, v.v…

Ở châu Âu để sản xuất được 1 tấn RME, cần khoảng 2,5 tấn dầu hạt cải dầu, với diện tích đất trồng 0,77 ha (1,3 tấn/ha)

Năng suất dầu (m3/ha đất trồng trọt) đối với một số loại cây như sau: đậu tương 0,40 - 0,50; cải vàng 1,3; cải dầu 1,0 - 1,4; cọ dầu 6,1 Một

số loại rêu tảo đặc biệt có năng suất sinh dầu rất cao 100-200 m3/ha Người ta cho rằng dầu thực vật là nguồn sản xuất biodiezel chất lượng cao nhất nhưng nguồn nguyên liệu này khá khan hiếm, chính vì vậy mà các nguồn dầu thực vật thải, mỡ động vật (biolipid) thậm chí cả rêu, tảo cũng đang là nguồn nguyên liệu bổ sung đầy hứa hẹn, mặc dù quá trình tiền xử lý sẽ phức tạp hơn

4.3.2 Công nghệ chuyển hóa biodiezel

Hạt hoặc sinh khối chứa dầu thực vật được sử dụng trong sản xuất biodiezel sẽ được ép hoặc chiết bằng dung môi (như hexan) để tách dầu Phương pháp sau cho năng suất dầu hiệu quả cao hơn

Dầu thực vật có thể sử dụng thẳng làm nhiên liệu diezel cho động cơ diezel (SV) với điều kiện phải cải tiến động cơ thích hợp vì loại dầu này có một số đặc tính bất lợi đối với động cơ bình thường (độ nhớt cao, không ổn định về nhiệt, có chứa nước và chỉ số xetan thấp) Người ta

đã khắc phục các nhược điểm trên của dầu thực vật bằng phương pháp este hóa nó để biến các phân tử cấu trúc mạch nhánh của dầu (triglyxerit) thành phân tử cấu trúc mạch thẳng nhỏ hơn (metyleste),

phù hợp với thành phần diezel dầu mỏ Metyleste của dầu thực vật chính là biodiezel

Phần lớn các metyleste được sản xuất thông qua quá trình este hóa dầu thực vật với xúc tác và metanol Triglixerit dầu thực vật sẽ tác dụng với metanol với sự có mặt của xúc tác Quá trình este hóa xảy ra ở nhiệt độ

từ 50 - 66oC, áp suất 1,4 bar, trong hệ thống lò kín

Bước đầu tiên trong quá trình sản xuất biodiezel là trộn metanol với chất xúc tác - thường là NaOH (hoặc KOH) để tạo ra natri (hoặc kali) metoxit Lượng metanol cần dư để đảm bảo chuyển hóa hoàn toàn triglyxerit dầu thực vật thành este, bởi vì các phản ứng đầu tiên xảy ra với axit béo tự do trong dầu sẽ xà phòng hóa Hỗn hợp xúc tác/ metanol được rót vào bình phản ứng kín để tránh bay hơi metanol Sau đó dầu thực vật được bổ sung Khuấy đều hỗn hợp, để yên từ 1 - 8 giờ Nồng

độ của axit béo tự do và nước phải được xử lý hợp lý, bởi vì nếu nồng

độ này quá cao sẽ gây khó khăn trong quá trình xà phòng hóa và khó tách glyxerin phụ phẩm

Sau khi dầu thực vật được este hóa, hỗn hợp được trung hòa bằng axit Metanol được thu hồi và tái sử dụng.Trong hỗn hợp còn lại hai sản phẩm chính là biodiezel và glixerin, nên hình thành 2 lớp trong bình phản ứng Glyxerin nặng hơn ở bên dưới được tách khỏi bình cùng với

xà phòng và sẽ được trung hòa Muối kali thu được từ quá trình trung hòa này có thể thu hồi để làm phân bón Glyxerin tinh khiết còn lại có thể sử dụng làm nguyên liệu cho công nghiệp mỹ phẩm hoặc dược phẩm Sau khi tách glyxerin, dung dịch màu vàng hổ phách là

metyleste Metyleste được rửa bằng nước để khử tạp chất còn lại Độ tinh khiết của metyleste thu được đạt khoảng 98% Có thể thu được metyleste tinh khiết hơn nữa nếu xử lý bằng phương pháp chưng cất Biodiezel có thể bảo quản lâu dài hơn dầu thực vật và có thể sử dụng cho các động cơ diezel

Về nguyên tắc sản xuất biodiezel từ dầu ăn thải và mỡ động vật cũng tương tự như với dầu thực vật ép thẳng Tuy nhiên do dầu ăn thải thường không ổn định về cả hàm lượng nước lẫn axit béo tự do trong dầu, vì vậy trước khi este hóa cần xác định rõ hàm lượng từng thành phần để xử lý và bổ sung xúc tác và metanol cho hợp lý

Mỡ động vật cũng là các triglyxerin với hàm lượng khác dầu thực vật nên cần điều chỉnh trước khi este hóa Quá trình este hóa để sản xuất biodiezel có thể sử dụng xúc tác là axit nhưng hầu hết biodiezel ngày nay được sản xuất với xúc tác kiềm vì nhiệt độ phản ứng thấp, hiệu suất thu hồi sản phẩm cao, thời gian phản ứng và phản ứng phụ ở mức thấp

giá trị sản phẩm phụ sau quá trình sản xuất như là bánh ép bã hạt giầu đạm làm thức ăn gia súc và glyxerin tinh khiết thu hồi được

Các dự án dài hơn ở châu Âu hiện nay cho thấy trong tương lai giá RME sẽ giảm xuống 50%, chỉ còn khoảng 0,2 euro/ lít Nhưng do nhiệt năng của RME thấp nên giá của nó sẽ cao hơn so với 1 lít diezel

4.3.4 Sử dụng biodiezel

Biodiezel phù hợp với động cơ diezel, cả về độ nhớt, khối lượng riêng lẫn chỉ số xetan vì nó giống với diezel dầu mỏ Bảng 7 cho các thông số

so sánh giữa biodiezel và diezel dầu mỏ

Bảng 7 So sánh một số chỉ tiêu giữa biodiezel (RME) và diezel

32,8 (20oC) 9,2 - 11