Nhiên liệu sinh học Ethanol – BioDiesel

Nhiên liệu sinh học Ethanol – BioDiesel

Tiểu luận

Nhiên liệu sinh học Ethanol – BioDiesel

Lời mở đầu

Sự phát triển không ngừng của thị trường năng lượng tái tạo đã làm bừng lên

hy vọng vào sự ra đời của một kỉ nguyên mới – kỉ nguyên năng lượng tái tạo Năng lượng tái tạo ngày càng khẳng định được vị thế và tầm quan trọng so với các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, khí đốt, dầu mỏ và hạt nhân Đặc biệt, trong năm 2010, ngành năng lượng này đã có đà tăng trưởng ấn tượng

Nguồn năng lượng tái tạo chiếm đến ¼ công suất tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới và cung ứng 18% nguồn điện năng cho cả hành tinh trong năm

2009 Tại một số quốc gia, năng lượng tái tạo chiếm một phần quan trọng trong tổng số năng lượng cung cấp, bao gồm cả nhiệt năng và giao thông Số hộ dân trên thế giới sử dụng máy nước nóng năng lượng mặt trời cũng ngày một tăng, ước tính khoảng 70 triệu hộ Nguồn vốn đầu tư cho năng lượng tái tạo trong năm 2008 và 2009 chiếm hơn một nửa tổng số tiền đầu tư cho việc tạo ra các nguồn năng lượng mới trên toàn cầu

Hiện nay, các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, ước tính trữ lượng dầu mỏ của thế giới đến năm 2050 sẽ cạn Nhưng hoạt động sống của con người rất cần năng lượng, bên cạnh đó, nguồn năng lượng hóa thạch đã gây ra vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính Chính vì vậy, nhu cầu về nguồn nhiên liệu thay thế cho xăng, dầu đang là một vấn đề cấp thiết đối với toàn thế giới nói chung và đối với Việt Nam nói riêng Việc đầu tư nghiên cứu “nhiên liệu sạch” – Nhiên liệu sinh học : Xăng sinh học Ethanol và Diesel sinh học đang trở thành đề tài được quan tâm hàng đầu trên thế giới

Nội dung

1 Khái niệm :

Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất

có nguồn gốc động thực vật như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật, ngũ cốc, chất thải nông nghiệp, sản phẩm thải trong công nghiệp…

2 Phân loại :

 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 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

 Xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó

có sử dụng ethanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, xen-lu-lô, lignocellulose Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống

3 Ưu điểm :

• Thân thiện với môi trường: chúng có nguồn gốc từ thực vật, mà

thực vật trong quá trình sinh trưởng (quang hợp) lại sử dụng điôxít

cácbon (là khí gây hiệu ứng nhà kính - một hiệu ứng vật lý khiến Trái

Đất nóng lên) nên được xem như không góp phần làm trái đất nóng

lên

• Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống

II Xăng sinh học :

 Các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn như ngô, lúa mạch, lúa mì, củ cải đường, củ sắn…

 Các loại phó sản thực vật như vỏ trấu, lõi ngô, gỗ, rơm rạ, các loại phế thải có chứa cellulose

2 Khái quát về Ethanol :

 Ethanol C2H5OH là 1 chất lỏng không màu, sôi ở 78,3oC và có thể sản xuất từ dầu khí (ethanol tổng hợp, không sử dụng vào mục đích năng lượng) hoặc từ nguyên liệu sinhhọc (ethanol sinh học, sử dụng chủ yếu vào mục đích năng lượng)

 Ethanol sinh học có khả năng thay thế hoàn toàn xăng sản xuất từ dầu mỏ hoặc có thể pha trộn với xăng để tạo ra xăng sinh học

Xăng sinh học được ghi danh bằng ký tự “E” kèm theo một con số chỉ số phần trăm của ethanol sinh học được pha trộn trong xăng đó

 Trên thị trường ta thường gặp các loại xăng sinh học như E5, E20, E85, E95

3 Quy trình sản xuất Ethanol :

Quá trình sản xuất Ethanol từ tinh bột, cellulose dựa trên các phản ứng hóa học :

- Phản ứng thủy phân tinh bột:

(C6H10O5)n + nH2O = n C6H12O6

- Phản ứng lên men đường thành Ethanol

C6H12O6 = 2 C2H5OH + 2 CO2

Quá trình sản xuất rượu ethanol làm nhiên liệu sinh học sạch gồm có 3 giai đoạn:

 Lên men chất đường với chất men (microbial yeast) Hiệu năng sản xuất ethanol của mía đường cao gấp 6 lần so với bắp

 Cất rượu: Rượu ethanol dùng để làm nhiên liệu cho xe ô tô phải chứa rất

ít nước bằng phương pháp cất rượu, nhưng rượu thuần chỉ đạt đến giới hạn 95-96% Loại rượu này có thể dùng chạy máy, nhưng không thể hòa trộn với dầu xăng

 Làm khô: Đây là phương pháp làm ròng rượu ethanol bằng cách dùng sàng phân tử ZEOCHEM Z3-03, hoặc thêm chất hydrocarbon benzene hoặc dùng chất calcium oxide như là chất làm khô để khử nước trong rượu

Các loại rượu ethanol có thể dùng riêng rẽ hoặc hòa trộn với xăng dầu Hiện nay nhiều loại xe có thể chạy bằng chất hỗn hợp một cách an toàn Nếu chỉ dùng ethanol để chạy xe thì độ thuần rượu phải tối thiểu 71% Dĩ nhiên, càng ít chất ethanol và nhiều nước công suất của máy càng giảm Hơn nữa, rượu ethanol có năng lượng kém hơn xăng dầu Một cách tổng quát, rượu ethanol khô (không chứa nước) cung cấp 1/3 năng lượng thấp hơn cho mỗi đơn vị thể tích,

so với xăng; vì thế cần có bình chứa to hơn và cần rượu ethanol nhiều hơn để xe chạy cùng khoảng cách so với xăng Rượu ethanol thường có đặc tính làm xói

mòn các vật chứa trong hệ thống nhiên liệu, từ bình chứa đến bộ phận nổ của đầu máy Do đó, tùy theo mỗi nước, nhà sản xuất thường hòa trộn rượu ethanol với xăng dầu ở mức độ nào đó Ở Brazil, xăng trộn với 23% ethanol kể từ 2006,

ở Mỹ 10% Hiện nay, có nhiều loại xe được chế tạo để sử dụng loại xăng trộn này với động cơ có hệ thống vi tính điều khiển pha trộn hiệu quả cao cho các tỉ

lệ ethanol/xăng khác nhau, từ 0 đến 100% ethanol

Năm Sản xuất Ethanol nhiên liệu

(Triệu Gallon)

Tiêu thụ Ethanol nhiên liệu (Triệu Gallon)

Bảng 1 : Tình hình sản xuất và tiêu thụ Ethanol 9 tháng đầu năm 2011 tại Mỹ

4 Xăng sinh học E5 :

 Xăng E5 được sản xuất từ hỗn hợp 95% xăng không chì A92 với 5% cồn ethanol (nồng độ 99,7% - không chứa nước) Do ethanol có trị số octan cao (RON=109) nên khi pha vào xăng truyền thống sẽ làm tăng trị số octan của hỗn hợp nhiên liệu Từ đó, giúp tăng khả năng chống kích nổ, tăng tỉ số nén của động cơ, nâng cao hiệu suất hoạt động và kết quả là giúp tiết kiệm nhiên liệu; đồng thời, công suất và moment xoắn tốt hơn làm động cơ vận hành êm hơn và tăng tuổi thọ động cơ Bên cạnh đó, hiện nay giá bán xăng E5 còn rẻ hơn 100 đồng/lít so với xăng A92

 Bất lợi của ethanol là hút ẩm nên xăng ethanol có chứa nhiều nước, làm máy khó khởi động khi nhiệt độ hạ thấp, làm rỉ sét kim loại, hư mòn chất nhựa, nên đòi hỏi phải thay đổi vật liệu làm động cơ, phải bảo trì xe thường xuyên Bồn chứa ethanol cũng phải làm từ kim loại đặc biệt, việc chuyên chở cũng khó khăn hơn xăng thường (dùng bồn đặc chủng) nên cuối cùng tổn phí cao hơn

 Giải pháp:

• Ngày nay mọi hiệu xe hơi đều có thể chạy xăng ethanol E10 (xăng thường pha 10% ethanol), tuy nhiên để bảo đảm máy móc, khuyến cáo nên dùng xăng ethanol E5 (xăng pha 5% ethanol)

• Một vài loại động cơ xe hơi cải biến sử dụng xăng ethanol E85 như

ở Brazil Xăng pha với ethanol thải ít khí nhà kính hơn xăng thường

 Sản xuất xăng sinh học :

 Biến tính ethanol:

Ethanol dùng làm nhiên liệu sẽ được pha trộn với một lượng nhỏ chất biến tính

theo tỷ lệ 1- 5 % thể tích nhằm đánh dấu mục đích sử dụng Chất biến tính thường

được sử dụng là xăng thương phẩm như RON90, RON91, RON 92 hoặc phân

đoạn naphtha

 Pha trộn và phân phối gasohol:

• Pha trộn trong bồn chứa : Ethanol và xăng được trộn theo tỉ lệ % thể tích đồng thời 1 số phụ gia ổn định cũng được thêm vào.Khi trộn trong bồn chứa lớn hỗn hợp được bơm tuần hoàn trong khoảng thời gian nhất định để tạo sự đồng nhất

• Pha trộn trên tuyến ống : Ethanol và xăng được chứa trong hai bồn

riêng biệt và đi theo hai đường ống khác nhau để qua thiết bị trộn Tại thiết bị trộn, phụ gia ổn định được thêm vào Sản phẩm sau

cùng được chở đi tiêu thụ ngay tại các trạm bán lẻ xăng dầu

• Trên thế giới, phương pháp pha trộn trên tuyến ống rất phổ biến trên thế giới

do có nhiều ưu điểm như: không phải đầu tư thêm bồn bể, đáp ứng nhanh với nhu cầu thị trường, giảm thời gian tồn trữ gasohol.Trong quá trình vận chuyển gasohol bằng xe bồn, ethanol và xăng tiếp tục được khuấy trộn một cách tự nhiên

• Sơ đồ pha trộn trên tuyến ống:

 Hiện trạng sử dụng xăng sinh học :

 Brazil: Hiện nay dẫn đầu thế giới về sản xuất và sử dụng xăng ethanol và diesel

sinh học

 Hoa Kỳ: Đặt chỉ tiêu sản xuất E10 để cung cấp 46% nhiên liệu cho xe hơi năm

2010, và 100% xe hơi vào 2012

 Cộng đồng châu Âu (EU) ra biểu quyết chung là mỗi quốc gia phải sản xuất

cung cấp 5.75% xăng sinh học vào năm 2010, và 10% năm 2020 cho nước mình

 Trung quốc: Chỉ tiêu sản xuất 4 triệu tấn ethanol và 2 triệu tấn diesel-sinh-học

vào năm 2010, và 300 triệu tấn ethanol vào 2020

 Thái Lan bắt đầu nghiên cứu sản xuất xăng-sinh-học từ năm 1985 và xăng E10

đã bắt đầu bán ở các trạm xăng từ 2003

 Việt Nam : xăng sinh học E5 đã bắt đầu được bán từ tháng 8 năm 2010 và

sẽ được mở rộng trong thời gian tới

III Diesel sinh học :

1 Khái quát chung :

 Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật

 Diesel sinh học là một loại năng lượng tái tạo

 Nhìn theo phương diện hóa học thì diesel sinh học là methyl este của những axít béo

 Bản chất biodiesel là sản phẩm ester hóa giữa methanol hoặc ethanol và acid béo tự do trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật

• R1, R2, R3 là các chất béo không no hoặc no chứa trong mỡ động vật hoặc dầu thực vật

• Chất xúc tác dùng trong pư có thể là kiềm hoặc axit Nhưng trong quá trình xúc tác đồng thể, xúc tác kiềm thúc đẩy phản ứng nhanh hơn xúc tác axít

• Trong những xúc tác kiềm, phổ biến nhất là NaOH, KOH và các ancolat tương ứng (CH3ONa, CH3OK)

2 Quá trình chuyển hóa Diesel sinh học :

 Nguyên liệu sản xuất : Các nguyên liệu thô để sản xuất dầu diesel sinh học bao gồm các axit béo từ cây cọ, dầu ăn và dầu bôi trơn đã qua sử dụng, cùng với chất béo động vật

 Để sản xuất diesel sinh học người ta pha khoảng 10% mêtanol vào dầu thực vật và dùng nhiều chất xúc tác khác nhau (đặc biệt là hiđrôxít kali, hiđrôxít natri và các ancolat) Ở áp suất thông thường và nhiệt độ vào khoảng 60 °C liên kết este của glyxêrin trong dầu thực vật bị phá hủy và các axít béo sẽ được este hóa với mêtanol Chất glyxêrin hình thành phải được tách ra khỏi dầu diesel sinh học sau đấy

 Thông qua việc chuyển đổi este này dầu diesel sinh học có độ nhớt ít hơn dầu thực vật rất nhiều và có thể được dùng làm nhiên liệu thay thế cho dầu diesel mà không cần phải cải biến động cơ để phù hợp

 Tùy theo loại của nguyên liệu cơ bản người ta còn chia ra thành:

- RME: Mêthyl este của cây cải dầu (Brassica napus) theo DIN EN

14214 (có giá trị toàn châu Âu từ 2004)

- SME: Mêthyl este của dầu cây đậu nành hay dầu cây hướng dương

- PME: Mêthyl este của dầu dừa hay dầu hạt cau

 Bên cạnh đó còn có mêthyl este từ mỡ nhưng chỉ có những sản phẩm hoàn toàn từ dầu thực vật (PME và đặc biệt là RME) là được dùng trong các loại xe diesel hiện đại, khi được các nhà sản xuất cho phép

 Quá trình sản xuất diesel sinh học còn tạo ra phụ phẩm là glyxerin Glyxerin sau khi được tinh luyện có khả năng ứng dụng cao : dược phẩm,

mỹ phẩm, thực phẩm và các ngành hóa chất khác

3 Ưu điểm của Diesel sinh học :

 Biodiesel là nguồn nhiên liệu tái sinh giúp ta chủ động được về nhiên liệu, không phụ thuộc vào tình hình biến động trên thế giới

 Là loại nhiên liệu cụ thể được dùng dạng tự do hoặc pha trộn với diesel nhằm đạt được hiệu quả sử dụng và kinh tế theo yêu cầu của từng quốc gia

 Là loại nhiên liệu bị vi sinh vật phân huỷ nên khi thất thoát ra ngoài môi trường sẽ ít độc hại hơn rất nhiều so với các loại xăng dầu từ dầu mỏ

 Một số đặc tính của diesel và diesel sinh học :

Độ nhớt động học ở

Tỉ trọng ở 150C, lb/gal 7.079 7.328

Hàm lượng nước và

Điểm đông đặc, 0C -15 - +5 -12 - -3

4 Tiềm năng thị trường của diesel sinh học :

Diesel sinh học được tạo thành từ một phản ứng hóa học rất đơn giản Diesel sinh học có nhiều ưu điểm đối với môi trường so với diesel thông thường: Diesel sinh học phát sinh khí thải ít hơn rất nhiều so với nhiên liệu hóa thạch Bụi trong khí thải được giảm một nửa, các hợp chất hyđrocacbon được giảm thiểu đến 40% Diesel sinh học gần như không chứa đựng lưu huỳnh, không độc và có thể được dễ dàng phân hủy bằng sinh học Diesel sinh học hiện nay được coi là một trong những nhiên liệu thân thiện với môi trường nhất trên thị trường Mặc dầu hiện nay có thể mua diesel sinh học tại rất nhiều trạm xăng (riêng tại Đức là 1.900 trạm) nhưng diesel sinh học chưa được người tiêu dùng sử dụng nhiều do có nhiều nguyên nhân: Nhiều người tiêu dùng không tin tưởng vào loại nhiên liệu mới này vì không tưởng tượng được là có thể lái xe dùng một nhiên liệu hoàn toàn từ thực vật Một vấn đề khác là rất nhiều người không biết chắc chắn là liệu ô tô của họ có thể sử dụng được diesel sinh học hay không

Thiếu thông tin cho người tiêu dùng và các câu hỏi về hư hỏng sau này do diesel sinh học gây ra có thể là những vấn đề lớn nhất cho việc chấp nhận rộng rãi việc dùng diesel sinh học Tại châu Âu đã nhiều lần có ý kiến cho là nên pha thêm vào nhiên liệu diesel thông thường khoảng từ 3% đến 5% diesel sinh học vì phần diesel sinh học này được coi là không có hại ngay cả cho những xe cơ giới chưa được trang bị thích hợp Ở Pháp việc này đã được thực hiện từ lâu: Diesel thông thường được pha trộn thêm lượng diesel sinh học mà nông nghiệp nước Pháp có khả năng sản xuất Tại Pháp chất lượng diesel thông thường có thành phần diesel sinh học là 5%, tránh được các nhược điểm kỹ thuật

Từ đầu năm 2004 các trạm xăng ARAL và Shell ở Đức đã bắt đầu thực hiện chỉ thị 2003/30/EC của EU mà theo đó từ ngày 31 tháng 12 năm 2005 ít nhất là 2% và cho đến 31 tháng 12 năm 2010 ít nhất là 5,75% các nhiên liệu dùng để chuyên chở phải có nguồn gốc tái tạo