Chương 3 nhien lieu sinh hoc
Chương NHIÊN LIỆU SINH HỌC 3.1 NGUỒN GỐC, PHÂN LOẠI VÀ VAI TRÒ CỦA NHIÊN LIỆU SINH HỌC 3.1.1 Nguồn gốc phân loại nhiên liệu sinh học Theo dự tính lượng dầu mỏ cạn kiệt vịng 50 năm nữa, đồng thời nhu cầu sử dụng lượng ngày tăng Giá dầu mỏ thường xuyên biến động xu hướng chung tăng nhanh nguyên nhân làm giá thị trường Việc tìm nhiên liệu thay dầu mỏ ứng dụng trở thành mục tiêu nhiều nghiên cứu Nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (các sản phẩm nông nghiệp) giải pháp tốt khơng giải vấn đề lượng mà cịn giải vấn đề mơi trường Những nhiên liệu có nguồn gốc sinh học bao gồm: cồn (ethanol, methanol), biodiesel, biogas,… 3.1.2 Vai trò xu phát triển nhiên liệu sinh học Những ưu điểm nhiên liệu sinh học: • Là nhiên liệu tái sinh • Thay cho diesel, xăng • Có thể sử dụng cho tất phương tiện vận tải • Giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính • Giảm chất thải ống bơ, bao gồm khí độc • Khơng độc, dễ bị phân hủy sinh học, thân thiện với mơi trường • Sản xuất từ sản phẩm nông nghiệp, từ nguồn lượng tái sinh • Dễ sử dụng nắm qui định Vì mà việc sản xuất, ứng dụng nhiên liệu sinh học làm nhiên liệu thay cho nhiên liệu truyền thống vấn đề vô quan trọng, mục tiêu mà nhiều quốc gia đặt Nhằm tránh tác động xấu biến động giá dầu, Chính phủ Thái Lan lên kế hoạch phát triển nguồn lượng thay thế, có việc sử dụng nhiên liệu sinh học song song với loại nhiên liệu Kế hoạch tập trung việc phát triển nhiên liệu sinh học từ lồi thực vật, có cọ dầu, theo dành khoảng 725 triệu USD xây dựng khoảng 85 nhà máy sản xuất dầu diesel sinh học vào năm 2012 Trước mắt, Cục Phát triển lượng thay Thái Lan vừa ký thỏa thuận với Ngân hàng Quân đội Thái Lan (TMB) tiến hành nghiên cứu khả thi việc đầu tư khoảng 7,5 triệu USD xây dựng nhà máy sản xuất dầu diesel sinh học tỉnh Krabi, miền Nam Thái Lan Sau năm nghiên cứu thử nghiệm, Công ty Agifish An Giang sản xuất thành công dầu diesel sinh học (Biodiesel) từ mỡ cá tra cá basa, với tính vượt trội so với dầu diesel sản xuất từ dầu mỏ, khí thải, khơng độc hại Loại dầu Trung tâm thuộc Tổng cục Tiêu chuẩn đo lường chất lượng kiểm nghiệm đạt tất tiêu dầu dùng cho động diesel, đem lại hiệu kinh tế cao cho người sử dụng Thành cơng góp phần tăng giá trị cá tra cá basa vùng Đồng sông Cửu Long Những năm gần đây, sản lượng cá tra cá basa làm nguyên liệu chế biến thực phẩm xuất Đồng sông Cửu Long năm 250.000 tấn, lượng mỡ cá 30.000 Hầu hết mỡ cá cho công ty chế biến thức ăn gia súc với giá thấp Với ý tưởng đưa mỡ cá vào làm nguồn nhiên liệu thay phần nhiên liệu từ dầu mỏ, tháng 1/2004, Công ty Agifish bắt đầu nghiên cứu sản xuất dầu biodiesel từ mỡ cá tra, cá basa, đến tháng 12/2005 cơng trình hồn tất Từ tháng 1/2006 đến sản phẩm nhiều sở chạy máy dầu sử dụng Các nhà máy sản xuất gạch ống Long Xuyên huyện Châu Thành cho biết sử dụng dầu biodiesel ngồi giảm thiểu nhiễm mơi trường, bảo vệ sức khỏe, tiết kiệm gần 50.000 đồng/1.000 viên gạch so với sử dụng dầu thông thường 3.2 Cồn Ethanol Nhiên liệu E85 giúp giảm hai chất thải gây ung thư benzen butadien lại làm tăng nồng độ hai chất thải khác formandehit axetaldehit Những phát cho thấy loại nhiên liệu làm từ ethanol tiềm ẩn nhiều nguy sức khỏe người chẳng khác nhiên liệu xăng thơng thường Nhà khoa học khí Mark Jacobson Đại học Stanford, Mĩ cho số lượng người chết nhập viện chứng bệnh liên quan đến đường hô hấp ngày tăng, ô tô Mĩ áp dụng loại công nghệ chạy loại nhiên liệu có nồng độ ethanol cao Jacobson sử dụng thiết bị máy tính trang bị cơng nghệ 3-D để đo chất lượng khơng khí năm 2020 Đó thời điểm mà ethanol sử dụng rộng rãi tồn nước Mĩ Ơng chia nghiên cứu làm hai phần để so sánh Một nghiên cứu loại ô tơ, xe tải, mơtơ lưu hành tồn quốc chạy nhiên liệu xăng Hai loại động sử dụng nhiên liệu E85 Đó dạng nhiên liệu hỗn hợp với 85% ethanol 15% xăng Jacobson cho biết, động sử dụng nhiên liệu E85 giúp giảm hai chất thải gây ung thư benzen (C6H6) butadien (C4H6), lại làm tăng nồng độ hai chất thải khác formandehit (CH2O) axetaldehit (CH3CHO) Kết khả gây ung thư loại nhiên liệu E85 cao tương đương nhiên liệu xăng Ông Jacobson cho biết, nhiên liệu xăng nguyên nhân hàng đầu gây nên tượng chết trẻ khoảng 10 ngàn người toàn nước Mĩ hàng năm vấn đề nhiễm mơi trường Ơng nói:” Trong nghiên cứu chúng tơi, E85 ngun nhân làm tăng số lượng người chết bệnh liên quan đến ô nhiễm khí Mĩ lên tới số khoảng 200 người năm, so với nhiên liệu xăng, số 120 nạn nhân tính riêng Los Angeles Jacobson công bố chi tiết kết nghiên cứu ấn ngày 18/4 tạp chí khoa học trực tuyến Khoa học môi trường công nghệ (Environmental Science & Technology) Theo ơng số thay đổi phương pháp xử lí cách có hiệu khí thải từ nhiên liệu ethanol phát triển 10 năm tới Ơng cịn nói với tạp chí khoa học LiveScience:” Nhưng, theo biết nay, ethanol nhiên liệu xăng, không tốt cho sức khỏe cộng đồng, có lẽ cịn tệ Riêng tơi cho cịn có cơng nghệ khác mà ta áp dụng thay dùng động đốt Những cơng nghệ cho phép tạo động mà khí thải khơng có hại đến sức khỏe người Chẳng hạn động dùng pin sử dụng lượng mặt trời lượng gió.” 3.2.1 Sản xuất ethanol Ethanol nhiên liệu dạng cồn, sản xuất phương pháp lên men chưng cất loại ngũ cốc chứa tinh bột chuyển hóa thành đường đơn ngơ, lúa mạch, lúa mì, củ cải đường, củ sắn Ethanol sản xuất từ loại cỏ có chứa cellulose Nhiên liệu làm giảm lượng khí phát thải xăng chất phụ gia để tăng trị số ốc-tan, loại trị số đo khả kích nổ Các quốc gia phát triển hay phát triển sản xuất ethanol cơng nghệ điều chế khơng địi hỏi mức cao siêu Ethanol ethyl alcohol, chế tạo từ phương pháp tổng hợp hay lên men chất hữu như: nước ép trái cây, rỉ đường, bã mía, tinh bột sắn, tinh bột ngơ, … Ethanol sản xuất hai dạng hydrous (có nước) anhydrous (tinh chất khơng có nước) Ethanol sản xuất công nghiệp thường anhydrous, chứa 93% đến 96% ethanol 4% đến 7% nước (theo thành phần thể tích) Ethanol (hoặc ethyl alcohol) có cơng thức hố học CH3 CH2OH Theo nhà khoa học, mặt nhiệt lượng 1,5 lít ethanol thay cho lít xăng Nếu pha ethanol vào xăng, tùy theo độ tinh khiết chúng giảm lượng xăng khoảng 10 - 15% mà công suất, hiệu suất độ mài mịn động khơng đổi Do có nguồn gốc từ trồng nên ethanol mang lại nhiều lợi ích: an tồn lượng, giá nhiên liệu thấp, giảm khí CO 2, tái sinh nông nghiệp, tạo thêm nhiều việc làm cho nông dân bảo vệ lớp đất bề mặt Việc sản xuất ethanol từ nguyên liệu sinh khối như: rơm, cành nhỏ, củi tre có dấu hiệu khả quan, báo hiệu thời điểm đẩy mạnh việc sản xuất sử dụng nguồn nhiên liệu vô tận đến Từ kinh nghiệm Bra-xin, gần đây, quốc gia phát triển Mỹ, Đức, Nhật Bản đặc biệt quan tâm đến ethanol loại nhiên liệu sinh học khác Mới đây, ủy ban Thượng viện Mỹ trí thơng qua nghị địi hỏi nhà máy lọc dầu nước phải tăng lên gấp lần việc sử dụng ethanol loại nhiên liệu tái tạo trước năm 2012 Điều hạn chế việc nhập tới tỷ thùng dầu thô khoảng từ năm 2006 đến 2012 Tất nhiên, chạy đua này, hãng sản xuất ô tô hàng đầu Ford, Mercedes, General Motor, Daimler Chrysler, Toyota, Nissan có kế hoạch dài để sản xuất xe dùng nhiên liệu ethanol Về nguồn nguyên liệu sản xuất ethanol, nước ta không gặp bất lợi có vùng trồng mía, lương thực lấy dầu lớn Hiện nhà máy đường nước có phân xưởng sản xuất ethanol CO2 từ rỉ đường Vấn đề lúc nâng cao độ tinh khiết trước dùng chúng làm nhiên liệu Mới đây, nhóm nghiên cứu PGS Trần Khắc Chương, ĐH Bách khoa TP Hồ Chí Minh cơng bố nghiên cứu thành cơng quy trình cơng nghệ sản xuất loại hóa chất phục vụ điều chế xăng sinh học từ nguồn nguyên liệu nước Để sản xuất xăng sinh học đủ tiêu chuẩn thiết phải có loại cồn 100% (cồn tuyệt đối), tức ethanol Hiện tại, nhóm hồn chỉnh quy trình cơng nghệ thiết kế, chế tạo mơ hình thử nghiệm sản xuất cồn tuyệt đối đạt công suất khoảng 100 kg/ngày sử dụng loại hóa chất nhóm chế tạo Ơng Chương cho biết, giải vấn đề sản xuất cồn tinh khiết 100% công nghệ nước với quy mơ cơng nghiệp việc điều chế xăng sinh học việc nằm tầm tay giới khoa học Với nước phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn xăng dầu nhập Việt Nam nay, việc nghiên cứu nhằm sử dụng sản xuất ethanol việc làm đáng lưu tâm 3.2.2 Tính chất cồn ethanol Cồn ethanol có độ octane cao, loại bỏ hồn tồn phụ gia có chứa chì xăng, nhiệt lượng xấp xỉ với xăng dầu có nhược điểm phát thải nhiều khí NOx tác dụng ăn mòn kim loại, ăn mòn loại nhựa lớn xăng thông thường Về mặt kỹ thuật, tăng thêm 10% Ethanol vào xăng có nghĩa số octane tăng thêm điểm, hiệu suất nhiên liệu tăng hàm lượng oxygen tăng Ethanol đảm bảo xăng đốt hơn, giảm khí thải CO, CO qua ống bơ, góp phần bảo vệ mơi trường khơng khí Về mặt kinh tế, ngồi việc khơng lượng lớn ngoại tệ để nhập xăng dầu, giúp giảm giá xăng xuống ít, giá trị hố phế thải nông nghiệp, phát triển công nghiệp sản xuất cồn tạo thêm công ăn việc làm cho xã hội tăng thu nhập cho nơng dân Cồn ethanol có nhiệt trị nhỏ xăng khoảng 25,898 MJ/kg, gây ăn mòn chi tiết động 3.2.3 Ứng dụng cồn 1) Phạm vi ứng dụng Sản lượng cồn dùng làm nhiên liệu giới ngày tăng dần: năm 1980 đạt 10 triệu tấn, đến năm 2001 đạt 26 triệu tấn, năm 2002 đạt 34 triệu tấn, năm 2003 đạt đến 40 triệu Brazil nước đầu với chương trình quốc gia mang tên “PROANCOL” vào năm 1975, sử dụng cồn ethanol sản xuất từ bã mía pha vào xăng với tỷ lệ đến 20% để dùng vận tải Brazil có 20 triệu ô tô dùng động cồn ethanol 17 triệu xe khác sử dụng nhiên liệu hỗn hợp ethanol với xăng, dầu Diesel Từ năm 1975 đến 2002 lượng cồn sử dụng làm nhiên liệu Brazil thay cho khoảng 210 tỷ lít xăng dầu, tiết kiệm cho quốc gia 52 tỷ USD Brazil trở thành nước sản xuất, tiêu thụ xuất ethanol số giới Với 60.000 đồn điền trồng mía, 300 nhà máy sản xuất ethanol, Brazil sản xuất 13 tỷ lít ethanol năm (tương đương 200.000 thùng dầu ngày) số xuất 0,5 tỷ lít ethanol năm Chính phủ có sách khuyến khích người tiêu dùng mua xe chạy loại nhiên liệu Với trình đầu tư phát triển lâu dài ngành cơng nghiệp mía đường từ lai tạo giống suất cao, mở rộng diện tích trồng mía (đạt 65 triệu hecta), đến cải tiến công nghệ sản xuất Brazil sản xuất ethanol với giá thành 0,23USD/lít (khoảng 3.630 đồng VN) Đó thành công lớn việc tạo nguồn nhiên liệu thay sạch, không ô nhiễm môi trường mà cịn mở khả tiêu thụ nơng sản cho người nơng dân, góp phần tích cực giải nhiều vấn đề kinh tế xã hội khác Mỹ bắt đầu thử nghiệm ethanol dùng làm nhiên liệu thay từ năm 1976, sau đợt khủng hoảng lượng năm 1973 Kể từ năm 1980 quốc hội Mỹ cơng nhận lợi ích ethanol việc dùng làm nhiên liệu, cho phép pha trộn cồn vào xăng dầu với tỷ lệ 10% giảm thuế để khuyến khích sử dụng nhiên liệu Các bang Carlifornia, NewYork, Connecticut nơi sử dụng rộng rãi xăng pha cồn Mơ hình sử dụng ethanol cho phương tiện vận tải Brazil nhiều nơi học tập Mêhico, Vênezuêla, Costarica, Ecuador, … Australia tiến hành thử nghiệm nhiên liệu diesohol gồm 84,5% Diesel, 15% ethanol (nồng độ 95%) 0,5% chất phụ gia để làm nhiên liệu phương tiện giao thông công cộng xe buýt thành phố lớn Sydney, Canberra, Scott, Joseph, với mục đích giảm hiệu ứng nhà kính ô nhiễm giao thông đô thị từ năm 1993 Nhiều nước châu Á Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan đề sách cụ thể để sử dụng nhiên liệu sinh học Nhật nhiều quốc gia khác có kế hoạch sử dụng ethanol thời gian tới 2) Chỉ tiêu chất lượng Bảng 3.1 Đặc tính cồn ethanol 95% Các tiêu / Loại nhiên liệu Thành phần khối lượng , kg/kg Cồn ethanol 95% 0,496C; 0,124H2; 0,33O2; 0,05H2O Thành phần khối lượng, kg/lít 0,397C; 0,099H2; 0,264O2; 0,04H2O Khối lượng riêng 150C (kg/dm3) 0,80 Nhiệt ẩm (kJ/kg 250C) 840 Nhiệt trị thấp Qt (MJ/kg) 25,898* Nhiệt trị hồ khí Qt′ (MJ/m3 TC) 3,736* Lượng khơng khí cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu: -theo khối lượng, (kg/kg) 8,4 -theo thể tích, (m3/kg) 6,5 Trị số octan (RON) 106 Trị số CETAN Độ nhớt động học (m2s-1.106)* 1,4 Sức căng bề mặt (Nm-1.103) 22 3.3 BIODIESEL Ưu nhược điểm nhiên liệu Biodiesel 23.08.2007 08:54 Ngoại trừ lượng thuỷ điện lượng hạt nhân, phần lớn lượng giới tiêu tốn nguồn dầu mỏ, than đá khí tự nhiên Tất nguồn có hạn với tốc độ sử dụng chúng bị cạn kiệt hoàn toàn vào cuối kỷ 21 Sự cạn kiệt nguồn dầu mỏ giới quan tâm môi trường ngày tăng dẫn đến nghiên cứu phát triển nguồn lượng thay cho lượng có nguồn gốc dầu mỏ Biodiesel thay đầy tiềm cho diesel dựa vào tính chất tương tự ưu điểm vượt trội Ưu Điểm r Về mặt môi trường — Giảm lượng phát thải khí CO2, giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính — Khơng có chứa hợp chất lưu huỳnh (