chuyên đề năng lượng mới trên ô tô

ii TÓM TẮT Mục tiêu chính của luận văn này là nghiên cứu các nguồn năng lượng thay thế sử dụng trên động cơ đốt trong nhằm giảm phát thải khí ô nhiễm của động cơ và nguy cơ cạn kiệt nguồ

TỔNG QUAN

Lí do chọn đề tài

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế, xã hội, có sự gia tăng nhanh chóng các phương tiện giao thông và thiết bị động lực được trang bị động cơ đốt trong Kéo theo đó là mức tiêu thụ nhiên liệu ngày càng tăng, đặc biệt là nhiên liệu hóa thạch truyền thống là xăng và dầu diesel Điều này đang gây ra nguy cơ cạn kiệt nhanh chóng các nguồn nhiên liệu truyền thống và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do khí thải độc hại của động cơ

Việt Nam là một nước đang phát triển nên không nằm ngoài quy luật phát triển chung của thế giới Tình trạng thiếu nhiên liệu và tình trạng ô nhiễm môi trường do khí thải từ động cơ chạy bằng nhiên liệu truyền thống đang ở mức báo động Vì vậy, vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu, sử dụng các loại nhiên liệu mới có lượng khí thải độc hại thấp để giảm ô nhiễm môi trường, mặt khác có thể bù đắp một phần sự thiếu hụt của hệ thống nhiên liệu truyền động Nhiên liệu mới được ưu tiên là những loại có lượng khí thải độc hại thấp, trữ lượng lớn, chi phí thấp và có thể dễ dàng sử dụng trong các động cơ hiện có mà không cần phải thay đổi nhiều về kết cấu Một số nhiên liệu mới điển hình có thể kể đến như hydro, khí dầu mỏ hóa lỏng, khí thiên nhiên nén (Compression Natural Gas - CNG), khí sinh học Theo dự báo của Bộ Năng lượng Mỹ, đến năm 2030, tỷ trọng năng lượng hóa thạch truyền thống trong tổng năng lượng sử dụng vẫn ở mức cao, trên 80%, năng lượng tái tạo chỉ tăng không đáng kể, khoảng 8,1% Ngoài ra, ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính đặt ra nhiều thách thức khó khăn cho con người Điều đó đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu các phương pháp sử dụng nhiên liệu tiết kiệm hơn (sử dụng phụ gia tiết kiệm nhiên liệu, sử dụng thiết bị, động cơ nhiệt hiệu suất cao ) và phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế, nguồn nhiên liệu mới, tái tạo, giảm phát thải ô nhiễm môi trường Vì vậy nhóm chúng em chọn đề tài “Chuyên đề năng lượng mới trên ô tô”.

Mục đích nghiên cứu

Đề tài này nghiên cứu và sử dụng các loại nhiên liệu mới có lượng phát thải độc hại thấp một mặt nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, mặt khác có thể bù đắp một phần sự thiếu hụt các loại nhiên liệu truyền thống Các mục đích chính của nghiên cứu này gồm:

 Phân tích, thống kê số liệu cụ thể về hệ số phát thải sinh ra từ các nguồn nhiên liệu mới

 Cho chúng ta thấy mức độ cấp bách của vấn đề môi trường và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống

 Nhận thức được lợi ích và hạn chế của nhiên liệu mới

 Hiểu các nguồn nhiên liệu tái tạo thay thế, hiểu các loại nhiên liệu mới khác nhau hiện có

 Biết các tính chất hóa học của nhiên liệu mới.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là các nguồn năng lượng dồi dào và có thể tái tạo hiện nay nhằm khắc phục tình trạng thiếu hụt năng lượng truyền thống và vấn đề ô nhiễm khí thải động cơ

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cơ sở lý luận, thống kê và so sánh thực tế trên nhiều khía cạnh của nhiên liệu thay thế so với xăng và dầu diesel truyền thống như hiệu suất động cơ, khí thải, giá thành

Các nguồn năng lượng truyền thống

Từ xa xưa khi con người tạo ra lửa thì đồng thời những nguồn năng lượng truyền thống cũng đã dần được con người phát hiện, sau đó khai thác và sử dụng Có thể nói gỗ cũng là một loại nhiên liệu đầu tiên được con người sử dụng để làm chất đốt tạo ra lửa Sau này, qua các quá trình phát triển của con người, khoa học kĩ thuật phát triển thì con người cũng đã khám phá ra các nhiên liệu hóa thạch Bao gồm:

Than đá là một dạng nhiên liệu hóa thạch được hình thành từ thực vật bị chôn vùi trải qua các giai đoạn kéo dài lên tới hàng triệu năm Than đá được sử dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp hiện nay từ các ngành công nghiệp năng lượng đến công nghiệp sản xuất, công nghiệp nặng Giải phóng một lượng năng lượng lớn khi cháy tuy nhiên song hành với đó, việc đốt than đá cũng mang lại nhiều tác hại lớn đối với môi trường cũng như sức khỏe của con người, nó có thể gây ung thư và các bệnh liên quan tới đường hô hấp

Dầu mỏ hay dầu thô là một chất lỏng sánh đặc màu nâu hoặc ngả lục, dầu mỏ chỉ tồn tại trong các lớp đất đá tại một số nơi trong vỏ Trái Đất Dầu mỏ sau khi được thu hồi bằng khoan dầu sẽ được tinh chết và tách biệt thành nhiều sản phẩm như xăng, dầu hỏa đến nhựa đường và các hóa chất thuốc thử để sản xuất plastic và dược phẩm Việc sử dụng dầu mỏ có nhiều tác động tiêu cực đến nền sinh quyển của Trái đất, làm tổn hại hệ sinh thái nói chung và sức khỏe của con người nói riêng

Khí tự nhiên hay khí thiên nhiên là hỗn hợp các loại khí cháy được, giống than đá và dầu mỏ, khí tự nhiên là một loại nhiên liệu hóa thạch thường được tìm thấy cùng với các mỏ dầu ở lớp vỏ trái đất Khí thiên nhiên với thành phần chủ yếu là meetan, có chu kỳ bán rã khoảng 7 năm, ngắn hơn khá nhiều so với carbondioxit, vì thế nó thường được mô tả là loại nhiên liệu hóa thạch sạch nhất, tuy nhiên về mặt tuyệt đối, lượng khí CO 2 do khí tự nhiên gây ra vẫn ở một con số khổng lồ.

Các nguồn năng lượng tái tạo

Hiện nay, hai nguồn năng lượng được nghiên cứu và phát triển sử dụng phổ biến trên ô tô đó là năng lượng hydro và năng lượng sinh khối (năng lượng sinh học) Nhiên liệu sinh học có thể được chia thành các nhóm chính sau:

Biodiesel à một loại nhiên liệu lỏng có tính chất 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 bằng các ủ hạt có dầu với methanol và hidroxit natri, các chất hiện đang được sử dụng để chế biến dầu chiết tách

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 Ethanol được trộn với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học, chúng có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống hiện nay

Biogas là một loại khí hữu cơ gồm methane và các đồng đẳng khác Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải nông nghiệp, chủ yếu là xenlulozo, tạo thành sản phẩm ở dạng khí Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm dầu mỏ

Năng lượng Hydro có thể được sử dụng làm nhiên liệu hoặc sản xuất điện Hiện nay thì hydro cũng được sử dụng trong pin nhiên liệu và là nguồn năng lượng cho một số động cơ điện Nguyên liệu để sản xuất Hydro là rất dồi dào tuy nhiên cần công nghệ để có thể sản xuất ở quy mô lớn và áp dụng rộng rãi Những ưu điểm của các loại năng lượng trên có thể kể đến như sau:

 Thân thiện với môi trường: Lượng khí thải độc hại qua quá trình sử dụng ít hơn, từ đó ít gây tác động tiêu cực tới không khí và môi trường sống

 Là nguồn nhiên liệu tái sinh: Các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh Chúng giúp chúng ta giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên không tái sinh truyền thống.

Tình hình nghiên cứu nhiên liệu mới trên Việt Nam và thế giới

 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Theo báo cảo của Viện Năng lượng Anh (EI) cho thấy nhiên liệu hóa thạch chiếm 82% tổng mức tiêu thụ năng lượng trên thế giới năm 2022 Lượng khí thải nhà kính cũng tăng 0.8% khi mà thế giới dùng nhiều năng lượng hơn Các sản phẩm dầu, khí đốt và than đá tiếp tục dẫn dầu trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng trong năm 2022 dù công suất năng lượng tái tạo đã tăng tổng cộng 266 GW Lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa tạch và phát thải khí nhà kinh dự kiến còn tăng cao nữa trong năm 2023 Vì thế nên động lực thúc đẩy nghiên cứu và phát triển năng lượng tái tạo hiện nay là rất lớn, nó giúp giảm áp lực sử dụng nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải khí nhà kính [1]

Trên thực tế, Rudolf Diesel là nhà phát minh ra động cơ diesel người Đức đã thiết kế động cơ diesel chạy bằng dầu lạc và sau đó, Henry Ford là người thiết kế ô tô Model T được sản xuất năm 1903-1926 Chiếc xe này được thiết kế hoàn toàn để sử dụng nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ cây gai dầu làm nhiên liệu Với sự phát triển của khoa học công

5 nghệ kỹ thuật trong việc thăm dò, khai thác và chế biến nhiên liệu hóa thạch với chi phí rẻ và lượng tài nguyên dồi dào đã dẫn đến khó khăn cho việc phát triển xuất khẩu sản phẩm công nghệ cũng như ứng dụng

Tuy nhiên, sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ nghiêm trọng năm 1973 và 1979, việc nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học lại được chú trọng Và kể từ năm 2000, các nước trên thế giới đã thực sự tuân thủ công ước Rio de Janeiro (1992), rồi đến Kyoto (1997), tìm ra các kỹ thuật hạn chế khí nhà kính (CO2, metan, 𝑁 2 O, v.v.) nhiên liệu hóa thạch được thay thế bằng năng lượng xanh như năng lượng mặt trời, gió, thủy điện, v.v Trong hai thập kỷ qua, dự đoán với tốc độ khai thác và tiêu thụ như hiện nay, các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu thô sẽ cạn kiệt trong vài thập kỷ tới, đồng thời nhận thức về hiệu ứng nhà kính do việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, nhiên liệu sinh học một lần nữa được quan tâm và trở thành mục tiêu quan trọng trong chương trình phát triển kinh tế bền vững cho cộng đồng các quốc gia

Các nguồn năng lượng tái tạo sẽ là nguồn năng lượng chính của thế giới trong vòng hai thập niên tới và đang tạo dựng chỗ đứng trong hệ thống năng lượng toàn cầu nhanh hơn bất kỳ nhiên liệu nào trong lịch sử Bristish Petroleum (BP), một trong những tập đoàn dầu khí đa quốc gia hàng đầu thế giới, ước tính vào năm 2040, năng lượng gió, năng lượng mặt trời và các năng lượng tái tạo khác sẽ chiếm khoảng 30% nguồn cung điện năng trên thế giới, đặc biệt ở khu vực các nước châu Âu, tỷ lệ này có thể lên tới 50%” Ngoài ra, BP cũng đặt nhiều kỳ vọng vào tốc độ tăng trưởng của năng lượng tái tạo: “Trong khi dầu mất gần

45 năm để tăng từ mức 1% năng lượng toàn cầu lên 10% và khí đốt mất hơn 50 năm, thì năng lượng tái tạo dự kiến sẽ chỉ trong vòng 25 năm” Năng lượng tái tạo dự kiến sẽ tăng trưởng 7,1% mỗi năm trong hai thập niên tới, sau đó thay thế than đá để trở thành nguồn năng lượng hàng đầu thế giới vào năm 2040.[2]

Ngoài ra, hiện nay trên thế giới có hơn 50 nước đã tiến hành nghiên cứu và sản xuất đưa vào sử dụng nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học được sử dụng làm nhiên liệu trong lĩnh vực giao thông vận tải bao gồm dầu thực vật sạch, ethanol, diesel sinh học, dimethyl ether (DME), ethyl tertiary butyl ether (ETBE) và các sản phẩm của chúng Theo thống kê, đối với nhiên liệu sinh học ethanol sinh học, năm 2023 tổng quy mô thị trường ethanol là 106,79 tỷ lít, ước tính đến năm 2028 quy mô thị trường cả thế giới vào khoảng 137,29 tỉ lít

[3] Về nhiên liệu biodiesel, có một vài quốc gia có sản lượng lớn như là Indonesia với 137.000 thùng mỗi ngày, Mỹ là 112.000 thùng và Brazil với 99.000 thùng [4]

Hoa Kỳ hiện là quốc gia sản xuất ethanol lớn nhất trên thế giới với công suất 60 tỷ lít/năm, đồng thời cũng là quốc gia xuất khẩu ethanol nhiều nhất với trên 5 tỷ lít/năm Để khuyến khích sử dụng nhiên liệu sạch, hiện nay chính phủ chấp nhận việc giảm thuế 0,50 USD/gallon ethanol Đồng thời, chính phủ Mỹ luôn có chính sách hỗ trợ các doanh nghiệp vừa và nhỏ trong lĩnh vực sản xuất nhiên liệu sinh học Người đứng đầu Nhà Trắng tuyên bố sẽ đưa nước Mỹ thoát khỏi sự phụ thuộc vào dầu mỏ nước ngoài bằng cách đầu tư mạnh vào R&D để tạo ra những nhiên liệu sinh học mới và sạch.[5]

Trung Quốc với đặc điểm dân số hàng đầu thế giới, mỗi ngày cần sử dụng 1.1-1.2 triệu thùng dầu Để giải quyết tình trạng thiếu hụt năng lượng, một mặt Trung Quốc đầu tư mạnh ra ngoài lãnh thổ để khai thác khai thác dầu, mặt khác tập trung khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo, đầu tư cơ sở khoa học cho nghiên cứu nhiên liệu sinh học Đầu năm

2003 xăng E10 (10% ethanol và 90% xăng) được chính thức sử dụng ở 5 thành phố lớn và sẽ mở rộng hơn nữa ở 9 thành phố đông dân cư khác Cuối năm 2005, Nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu công suất 600.000 tấn/năm (lớn nhất thế giới thời điểm đó) đã đi vào hoạt động tại Cát Lâm - Miền Trung Sau đó, sản lượng ethanol vào khảng 2.8 triệu tấn vào năm 2017, khoảng 4 triệu tấn vào năm 2020 [6]

Ngoài ra, TQ còn nghiên cứu phát triển khai thác một loại nguyên liệu mới - Tảo Khi nghiên cứu loại dầu sinh học từ tảo thành công và được đưa vào sản xuất, quy mô sản xuất loại dầu này có thể đạt tới hàng chục triệu tấn Mỹ vận dụng công nghệ sinh học hiện đại như nghiên cứu gien đã thực hiện tại phòng thí nghiệm năng lượng tái sinh quốc gia tạo được một giống tảo mới có hàm lượng dầu trên 60%, một mẫu có thể sản xuất được trên 2 tấn dầu diesel sinh học Đại học hải dương Thanh Đảo - TQ cũng đã nhận trách nhiệm nghiên cứu công nghệ nhân giống và trồng tảo biển, họ cũng đã có kinh nghiệm phát triển nguồn nguyên liệu tảo nước ngọt và tảo nước mặn Nếu có thể kết hợp công nghệ sinh học hiện đại và kỹ thuật nuôi trồng truyền thống thì sẽ có thể nuôi trồng giống tảo lấy dầu sản lượng cao trên quy mô lớn Đầu tư của Trung Quốc cho quá trình chuyển đổi năng lượng trong giai đoạn 2016- 2020 là 1.048 tỷ USD, trong khi đầu tư của Mỹ là khoảng 540 tỷ USD Năng lượng hydro được coi là nguồn năng lượng trong tương lai nhằm giải quyết

7 thách thức của cuộc khủng hoảng biến đổi khí hậu mà nhiều quốc gia phải đối mặt, trong đó có Trung Quốc

Tương tự như Trung Quốc, mức tiêu thụ nhiên liệu ở Ấn Độ lớn thứ 3 thế giới Chính phủ Ấn Độ có kế hoạch đầu tư 4 tỷ USD phát triển nhiên liệu tái tạo, mỗi năm xuất khẩu sản phẩm khoảng 3 tỷ lít ethanol Từ tháng 1/2003, 9 bang và 4 vùng có thay đổi lịch sử là chấp nhận sử dụng xăng E5, lần sau sẽ sử dụng ở các bang còn lại, sau đó sẽ sử dụng trên toàn quốc Để phát triển diesel sinh học cho giao thông công cộng, Chính phủ có kế hoạch trồng cây lấy dầu, đặc biệt tham gia dự án trồng 13 triệu ha cây Jatropha curcas/hạt vật lý (cây hàng rào, cây dầu vừng) đến năm 2010 thay thế khoảng 10% mỏ dầu diesel [7] Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), 17 chính phủ đã đưa ra chiến lược năng lượng hydro và hơn 20 chính phủ đã công bố kế hoạch phát triển chiến lược năng lượng hydro vào năm 2021 Việc hoạch định chính sách về năng lượng hydro đã được ưu tiên ở các nước Đông Á Nhật Bản đã triển khai chiến lược năng lượng hydro vào năm 2017 với kế hoạch đưa Nhật Bản trở thành một “xã hội năng lượng hydro” Hàn Quốc đã công bố

Lộ trình Kinh tế năng lượng hydro vào tháng 1/2019 với mục tiêu sản xuất 6,2 triệu ô tô điện chạy bằng pin nhiên liệu năng lượng hydro (FCV) và 1.200 trạm tiếp nhiên liệu vào năm 2040 Ở Đông Nam Á, việc phát triển nghiên cứu sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học được quan tâm và phát triển từ hơn 10 năm nay Từ năm 1985, Thái Lan đã huy động hàng chục cơ quan khoa học hàng đầu thực hiện Dự án Hoàng gia phát triển công nghệ hiệu quả sản xuất ethanol và diesel sinh học từ dầu cọ Năm 2001, cả nước đã thành lập Ủy ban Nhiên liệu Ethanol Quốc gia (NEC) do Bộ trưởng Bộ Công Thương chủ trì, chịu trách nhiệm điều hành chương trình phát triển nhiên liệu sinh học Năm 2003, đã có hàng chục trạm xăng E10 ở Bangkok và các vùng lân cận Chính phủ khẳng định E10 và B10 sẽ sử dụng được lịch sử nước chủ yếu vào đầu thập kỷ tới Với Malaysia, Ủy ban dầu chà MPOB cho biết năm 2015, nước này sẽ có 5 máy xuất khẩu sản phẩm máy diesel sinh học từ dầu cọ, với tổng công suất gần 1 triệu tấn phục vụ tiêu dùng trong nước và xuất khẩu sang EU Indonesia phấn đấu sử dụng B5 rộng rãi trên toàn quốc vào năm 2015 [7]

Ngoài ra, một số nước khác như Mexico có chiến lược phát triển dầu cọ và Jatropha curcas để cung cấp dầu cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học Colombia đã ban hành luật

8 yêu cầu các thành phố có hơn 500.000 dân phải sử dụng E10 Argentina đã thông qua Luật Nhiên liệu sinh học (tháng 4 năm 2006) quy định năm 2010 nhà máy lọc dầu trộn 5% ethanol và 5% dầu diesel sinh học vào xăng để bán trên thị trường Costa Rica, Philippines thậm chí còn tiết lộ sử dụng dầu sinh ra từ dầu cọ, dầu dừa Các nước châu Âu có chương trình nhiên liệu sinh học như: Đức, Anh, Pháp, Tây Ban Nha, Ý, Hà Lan, Thụy Điển, Bồ Đào Nha, Thụy Sĩ, Áo, Bulgaria, Ba Lan, Hungary, Ukraine, Belarus, Nga, Slovakia Ngay cả ở Lào, họ cũng có chương trình này cũng đang xây dựng nhà máy sản xuất diesel sinh học ở ngoại ô thủ đô Viêng Chăn Một số nước châu Phi như Ghana cũng đang tiến gần đến nhiên liệu sinh học

Tính cấp thiết của năng lượng mới sử dụng cho ô tô

 Giảm dự trữ nhiên liệu thông thường

Các nhiên liệu truyền thống bao gồm dầu mỏ sẽ cạn kiệt sau một thời gian Bởi vì chúng không thể tái tạo được

Việc sử dụng nhiên liệu mới có thể giảm lượng khí thải có hại đáng kể Giảm thiểu những tác động tiêu cực cho môi trường và sức khỏe con người

 Ngăn chặn sự nóng lên toàn cầu

Theo một lý thuyết khoa học được chấp nhận rộng rãi, việc đốt nhiên liệu hóa thạch đang khiến nhiệt độ trong bầu khí quyển trái đất tăng lên Mặc dù hiện tượng nóng lên toàn cầu liên tục chỉ là lý thuyết nhưng rất nhiều người trên toàn cầu tin rằng việc khám phá ra các nguồn nhiên liệu đốt sạch hơn là một bước thiết yếu để nâng cao chất lượng môi trường của chúng ta

 Giảm chi phí nhập khẩu và cải thiện nền kinh tế của đất nước

Phần lớn các mỏ dầu nằm ở Trung Đông và phần lớn các nước OPEC đều có liên quan đến các vấn đề cả về chính trị lẫn kinh tế Vì vậy, tốc độ sản xuất không ổn định và có thể không đáp ứng được nhu cầu Điều này khiến giá tăng đột ngột Mặt khác, nguyên liệu cho nhiên liệu mới có thể tái tạo và có thể được sản xuất tại địa phương với chi phí thấp hơn Điều này có nghĩa là tiết kiệm tiền trong dài hạn cho một quốc gia

 Đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu hiện nay

Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cao đã tạo ra khoảng cách lớn giữa cung và cầu Vậy nên ta phải tìm ra, nghiên cứu và sản xuất các nguồn nhiên liệu mới để tăng lượng cung, tránh phụ thuộc vào một số nguồn cùng nhất định

Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG TỪ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu

Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (Environmental Protection Agency - EPA) định nghĩa ô nhiễm là bất kỳ chất nào trong nước, đất hoặc không khí làm suy giảm chất lượng tự nhiên của môi trường, làm ảnh hướng đến các giác quan, gây nguy hiểm cho sức khỏe hoặc làm suy yếu tính hữu ích của tài nguyên thiên nhiên Nói một cách đơn giản, ô nhiễm là bất kỳ chất nào gây hại khi xâm nhập vào môi trường

Có nhiều cách để phân loại ô nhiễm, nhưng có một khuôn khổ chung để phân biệt, đó là “ô nhiễm nguồn điểm” - hay ô nhiễm đến từ một nguồn có thể xác định được - với "ô nhiễm nguồn không điểm", khó xác định hơn

“Nguồn điểm” (Point Source) là một nguồn cụ thể hoặc điểm cụ thể nơi ô nhiễm xuất phát Nguồn điểm thường dễ xác định và theo dõi Ví dụ điển hình là các nhà máy, nhà xưởng, cơ sở sản xuất, trạm xử lý nước thải hoặc bất kỳ cơ sở công nghiệp hoặc hợp pháp nào khác có thể được xác định là nguồn gây ra ô nhiễm Ô nhiễm từ nguồn điểm thường được quản lý và kiểm soát bằng các phương pháp và luật pháp nghiêm ngặt

Ngược lại, “nguồn không điểm” (Non-point Source) là loại ô nhiễm khó xác định một nguồn cụ thể và thường phát ra từ nhiều nguồn phân tán khắp nơi Ví dụ bao gồm ô nhiễm từ việc thoát nước mưa trên các bề mặt đất như đường phố, cánh đồng nông nghiệp, khu dân cư, hoặc từ các hoạt động đô thị như việc sử dụng phân bón và hóa chất trong vườn tại gia đình Ô nhiễm từ nguồn không điểm thường khó kiểm soát hơn và đòi hỏi các biện pháp quản lý môi trường rộng hơn và tối ưu hóa các hành vi cá nhân để giảm thiểu tác động Điều đó nói lên rằng, có nhiều loại ô nhiễm có thể gây ra những tác hại đến môi trường như: ô nhiễm không khí, ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm chất phóng xạ, ô nhiễm đất, v.v Trong đó, ô nhiễm không khí là dạng ô nhiễm ảnh hưởng trực tiếp và dễ nhận thấy nhất trong đời sống của chúng ta

2.1.2 Ô nhiễm không khí Ô nhiễm không khí là khi các loại khí độc hại và sol khí (chất rắn và chất lỏng lơ lửng trong không khí) được thải ra vào tự nhiên thông qua cả quá trình tự nhiên và hoạt động

12 của con người Theo định nghĩa của Cộng đồng Châu Âu đưa ra vào năm 1967 thì không khí được cho là bị ô nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi hoặc khi có sự hiện diện của các chất lạ gây ra tác hại đã được khoa học chứng minh là có hại hoặc gây khó chịu cho con người Ví dụ, cháy rừng và núi lửa giải phóng các hạt vật chất và khí nhà kính vào khí quyển Tuy nhiên, phần lớn ô nhiễm không khí là do các hoạt động của con người tạo ra, bao gồm cả việc đốt nhiên liệu hóa thạch như than, khí đốt tự nhiên và dầu để cung cấp điện, giao thông và công nghiệp Hầu hết các thành phố trên thế giới không tuân thủ các tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) về chất lượng không khí Số liệu cho thấy ô nhiễm không khí là nguyên nhân gây ra hơn 3 triệu ca tử vong mỗi năm, đặc biệt là ở các thành phố ở các nước đang phát triển Ngoài vấn đề sức khỏe, ô nhiễm không khí còn gây hại cho môi trường, ảnh hưởng đến các sinh vật khác trên hành tinh

Các chất gây ô nhiễm không khí bao gồm các chất gây ô nhiễm không khí sơ cấp và thứ cấp Các chất gây ô nhiễm không khí sơ cấp được phát thải trực tiếp từ các nguồn phát thải Chúng bao gồm các chất dạng hạt (PM), sulfur dioxide (SO2), oxit nitric (NOX), hydrocarbon(HC), các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC), carbon monoxide (CO) và amoniac (NH3) Các chất gây ô nhiễm không khí thứ cấp được tạo ra bởi phản ứng hóa học của hai chất gây ô nhiễm chính trở lên hoặc do phản ứng với các thành phần khí quyển bình thường Ví dụ về các chất gây ô nhiễm không khí thứ cấp là khí ozone ở tầng thấp (O3), formaldehyde, khói bụi và sương mù axit

Vật chất dạng hạt là hỗn hợp của các hạt rắn và chất lỏng giọt nước lơ lửng trong không khí Vật chất hạt có thể là chất gây ô nhiễm sơ cấp và đồng thời cũng là chất ô nhiễm thứ cấp được gửi trực tiếp vào khí quyển dưới dạng bụi và đất do gió thổi, phun muối biển, phấn hoa và bào tử Các ví dụ khác về PM là khói và sương mù Đối với vật chất hạt trong đó có hạt đường kính nhỏ hơn x micromet, được định nghĩa là PMX Các thuật ngữ thường được sử dụng là PM10 và PM2.5

Các chất ô nhiễm không khí khác ngoài PM tồn tại chủ yếu ở dạng khí Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) là các hóa chất có chứa cacbon và/hoặc hydro và dễ bay hơi VOC là khí thải chính từ ngành công nghiệp dầu khí, cũng như các sản phẩm tiêu dùng trong nhà và vật liệu xây dựng, chẳng hạn như vải, gỗ và sơn VOC đã được phát hiện là

13 yếu tố chính góp phần tạo ra khí ozone ở tầng thấp (O3), một chất gây ô nhiễm không khí phổ biến và là mối nguy hiểm cho sức khỏe cộng đồng

Sulphur dioxide (SO2) và oxit nitric (NOX) là hai chất gây ô nhiễm không khí dạng khí chính được tạo ra thông qua quá trình đốt cháy Carbon monoxide (CO) và hydrocarbon (HC) được tạo ra từ quá trình đốt cháy không hoàn toàn và được chuyển hóa thành CO2 thông qua quá trình đốt cháy hoàn toàn

Trong thực tế, việc quản lý các chất gây ô nhiễm không khí là điều hoàn toàn có thể

Ví dụ, lệnh cấm CFC (một chất gây ô nhiễm phổ biến được sử dụng trong điện lạnh) năm

1987 đã ngăn chặn sự phá hủy tầng ozone, tầng có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ trái đất khỏi tia UV và hiện tượng nóng lên toàn cầu

Tương tự, kể từ khi ban hành Đạo luật “Không khí Sạch” và các luật khác, các quy định chặt chẽ hơn đã hạn chế lượng khí thải và cải thiện chất lượng không khí ở các nước phát triển như Hoa Kỳ

Hình 2.1 Xếp hạng toàn cầu về các nguy cơ theo tổng số ca tử vong do mọi nguyên nhân năm 2019 [11]

Theo báo cáo “State of the Air” năm 2023 cho thấy rằng: “…sau nhiều thập kỷ tiến bộ trong việc làm sạch các nguồn gây ô nhiễm không khí, gần 36% người Mỹ - 119,6 triệu người - vẫn sống ở những nơi có mức ô nhiễm gây hại cho sức khỏe….” [10] Báo cáo

“State of the Air” xem xét hai trong số các chất gây ô nhiễm không khí phổ biến và nguy hiểm nhất là các hạt mịn và ôzôn Dữ liệu chất lượng không khí được sử dụng trong báo cáo được chính phủ liên bang, tiểu bang, địa phương và các Bộ lạc thu thập tại các địa điểm giám sát chính thức trên khắp Hoa Kỳ Hiệp hội Phổi (The Lung Association) tính toán các giá trị phản ánh vấn đề ô nhiễm không khí và chỉ định cấp độ cho các biện pháp ô nhiễm hạt hàng ngày và dài hạn cũng như các biện pháp đo ozone hàng ngày Những giá trị đó cũng được sử dụng để xếp hạng các thành phố (khu vực đô thị) và các quận…” [10] Theo ước tính, ô nhiễm không khí gây ra hơn 1 trong 9 ca tử vong trên toàn cầu Ước tính nó đã góp phần gây ra 6,67 triệu ca tử vong trên toàn thế giới vào năm 2019 Năm

2019, ô nhiễm không khí là yếu tố nguy cơ gây tử vong đứng thứ 4 trên toàn cầu Tác động của nó chỉ dưới các tác nhân cực kỳ nguy hiểm khác như huyết áp cao, rủi ro về chế độ ăn uống và sử dụng thuốc lá Hàng năm, số người chết do phơi nhiễm ô nhiễm không khí nhiều hơn số người chết do va chạm giao thông trên toàn thế giới, con số ước tính là 1,28 triệu người vào năm 2019 Tác động của nó cũng vượt quá tác động của các yếu tố nguy cơ được công nhận rộng rãi khác đối với bệnh mãn tính như thừa cân, cholesterol cao, suy dinh dưỡng [11]

Hình 2.2 Bản đồ chất lượng không khí toàn cầu ghi nhận ngày

Ô nhiễm từ khí thải động cơ ô tô

Lượng khí thải do động cơ đốt trong của cả ngành vận tải và phi vận tải tạo ra đang là thách thức lớn đối với cả cộng đồng nghiên cứu và chính phủ Ban đầu, lượng chất ô nhiễm độc hại sinh ra từ động cơ đốt trong thấp hơn Tuy nhiên, vào giữa thế kỷ 20, sự cải thiện về mức sống đã dẫn đến nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, dẫn đến số lượng ô tô khổng lồ lưu thông trên đường Các phương tiện hạng nặng được sử dụng để chở nhiều loại hàng hóa khác nhau cũng góp phần vào sự gia tăng này Kết quả là mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, cả ở dạng lỏng và khí tăng mạnh kể từ năm 1960, gây ô nhiễm không khí

Do số lượng ô tô tăng lên, lượng chất ô nhiễm cực lớn được thải ra, gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm từ dầu mỏ là nguyên nhân chính gây ra những tác động bất lợi này Những chất ô nhiễm này xuất hiện ở trạng thái rắn hoặc khí Nhưng các chất hóa học có chứa cacbon là thành phần có ảnh hưởng lớn Một số chất gây ô nhiễm từ phương tiện di chuyển là hydrocarbon (HC), carbon monoxide (CO), oxit nitơ (NOX) và chất dạng hạt (PM) Trong số này, các khí như CO2 và H2O được giải phóng do đốt cháy hoàn toàn trong khi phần lớn khí độc được giải phóng do nhiều lý do khác nhau như đốt cháy không hoàn toàn, tính không đồng nhất của hỗn hợp không khí- nhiên liệu và và sự thiếu hụt oxy trong quá trình cháy Trong khi đó, sự gia tăng nhiệt độ do quá trình đốt cháy hoàn toàn cũng tạo ra NOX do 𝑁 2 có sẵn trong không khí và nhiên liệu Tất cả các khí thải nêu trên như HC, CO, NOX, CO2 và PM đều là các chất ô nhiễm chính thải ra từ động cơ đốt trong Các loại khí thải độc hại khác nhau hình thành trong động cơ xăng và động cơ Diesel được thể hiện trong hình 2.5 và 2.6

CO được tạo ra do thiếu sự oxy và chiếm 50% tổng lượng khí thải Trong khi đó, HC được tạo ra do quá trình đốt cháy không hoàn toàn của quá trình cháy Các hạt vật chất (PM) hình thành bên trong xi lanh động cơ có đường kính nhỏ hơn nhiều và chứa các hạt carbon rắn NOX được tạo ra bên trong xi lanh động cơ phản ứng với khí trong khí quyển và tạo thành các chất độc hại như axit nitric

Hình 2.5 Khí thải do đốt cháy hoàn toàn và không hoàn toàn [15]

Hình 2.6 So sánh lượng chất ô nhiễm tương đối được thải ra từ các phương tiện chạy bằng xăng và dầu diesel đạt tiêu chuẩn Euro 6

2.2.1 Biến thiên nồng độ các chất trong khí xả động cơ

Biến thiên nồng độ các chất trong khí xả động cơ là sự thay đổi nồng độ của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ theo các yếu tố như chế độ vận hành của động cơ, tình trạng kỹ thuật của đông cơ, các điều kiện khác về thời tiết và môi trường và đặc biệt là loại nhiên liệu được sử dụng

 Biến thiên nồng độ khí thải theo chế độ vận hành của động cơ

Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ thay đổi theo chế độ vận hành của động cơ do quá trình cháy diễn ra khác nhau ở các chế độ này

Khi động cơ hoạt động ở chế độ tải thấp, tỷ lệ nhiên liệu/không khí (A/F) cao hơn, dẫn đến quá trình cháy không hoàn toàn Điều này làm tăng nồng độ CO và HC trong khí xả động cơ

Khi động cơ hoạt động ở chế độ tải cao, tỷ lệ (A/F) thấp hơn, dẫn đến quá trình cháy hoàn toàn hơn Điều này làm giảm nồng độ CO và HC trong khí xả động cơ

Khi động cơ tăng tốc đột ngột, lượng nhiên liệu phun vào xy-lanh tăng đột ngột, dẫn đến quá trình cháy không hoàn toàn Điều này làm tăng nồng độ CO, HC và NOX trong khí xả động cơ

Dưới đây là hình ảnh so sánh hai mẫu xe tương đối cũ là Ford Taurus 1999 và Oldsmobile Cutlass 1996, các dòng xe hiện đại hơn có thể có sự thay đổi về lượng khí thải nhưng nhìn chung tỉ lệ giữa các loại khí thải khác nhau là không có sự thay đổi

Như được hiển thị trong hình 2.6, tốc độ phát thải cao nhất được tạo ra trong quá trình tăng tốc Tiếp đến đó chính là chế độ chạy hành trình có tỷ lệ phát thải cao tiếp theo Chạy không tải có tỷ lệ phát thải thấp nhất Độ lệch chuẩn tương đối lớn đối với phần lớn tỷ lệ phát thải Điều này là do sự thay đổi trong lượng khí thải của phương tiện và sự hiện diện của các yếu tố khác ảnh hưởng đến lượng khí thải, chẳng hạn như tình trạng động cơ, sự không ổn định của người lái xe và điều kiện thời tiết Trong khi đó tốc độ phát thải CO khi giảm tốc của Oldsmobile tương đối cao do hầu hết các mẫu xe đời sau đều có chế độ cắt giảm nhiên liệu khi giảm tốc

Hình 2.7 Khí thải theo chế độ lái xe [15]

 Biến thiên nồng độ khí thải theo tình trạng kỹ thuật của động cơ

Tình trạng kỹ thuật của động cơ cũng ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ Động cơ có tình trạng kỹ thuật tốt sẽ thải ra ít chất ô nhiễm hơn động cơ có tình trạng kỹ thuật kém

Các bộ phận của động cơ bị mòn sẽ làm giảm hiệu quả đốt cháy nhiên liệu, dẫn đến tăng nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ

Hệ thống nhiên liệu bị tắc nghẽn sẽ làm giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ, dẫn đến giảm hiệu quả đốt cháy nhiên liệu, cũng làm tăng nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ

Hệ thống đánh lửa bị hỏng sẽ làm giảm khả năng đánh lửa của bugi, dẫn đến quá trình cháy không hoàn toàn, cũng làm tăng nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ

 Biến thiên nồng độ khí thải theo điều kiện thời tiết và môi trường

Thời tiết và điều kiện môi trường cũng ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ Nhiệt độ cao và áp suất thấp sẽ làm tăng nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ

Kiểm soát ô nhiễm không khí

Khí thải không mong muốn trong động cơ đốt trong đã và đang là mối quan tâm lớn vì tác động tiêu cực của chúng đến chất lượng không khí, sức khỏe con người và hiện tượng nóng lên toàn cầu Do sự phát triển của nền công nghiệp ô tô, danh mục các chất ô nhiễm ngày càng trở nên chi tiết hơn, cùng với đó là sự khắt khe trong việc giới hạn nồng độ của chúng trong khí xả ngày càng gia tăng Ngày càng có nhiều quốc gia hưởng ứng vấn đề chống ô nhiễm môi trường do khí xả ô tô gây ra và hầu hết các chính phủ đều có nỗ lực phối hợp để kiểm soát chúng Phần này sẽ trình bày các tiêu chuẩn khí thải của Hoa Kỳ và Châu Âu, cho cả động cơ chạy bằng xăng và dầu diesel, cũng như các chiến lược để kiểm soát những chất không mong muốn trong khí thải

Vai trò của việc thiết kế động cơ, các điều kiện vận hành phương tiện, chất lượng nhiên liệu và thiết bị kiểm soát khí thải trong việc giảm thiểu các chất gây ô nhiễm cũng được đề cập đến Một số công nghệ thay thế như cải tiến thiết kế động cơ, tiền xử lý nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu thay thế, phụ gia nhiên liệu, xử lý khí thải, v.v đang được xem xét để giảm mức phát thải của động cơ

2.3.1 Tiêu chuẩn khí thải và chất lượng không khí

Tiêu chuẩn khí thải là các yêu cầu pháp lý nhằm quản lý các chất gây ô nhiễm không khí có trong khí thải động cơ Trong đó, các tiêu chuẩn về phát thải phải đặt ra các giới hạn về định lượng cho phép của các chất gây ô nhiễm không khí cụ thể có thể được thải ra từ các nguồn cụ thể trong các khung thời gian cụ thể Chúng thường được thiết kế để đạt được tiêu chuẩn chất lượng không khí và bảo vệ cuộc sống con người Các khu vực và quốc gia khác nhau có tiêu chuẩn khác nhau về khí thải xe cộ

Năm 1963 tại Hoa Kỳ, tiêu chuẩn đầu tiên về khí thải ô tô được ban hành nhằm giải quyết vấn đề khói bụi ở Los Angeles Ba năm sau, Nhật Bản ban hành quy định phát thải đầu tiên, tiếp theo là Canada, Úc và một số quốc gia châu Âu từ năm 1970 đến 1972 Các tiêu chuẩn ban đầu chủ yếu liên quan đến việc giới hạn phát thải carbon monoxide (CO) và hydrocarbon (HC) Về sau, các quy định về phát thải oxit nitơ (NOX) được đưa ra ở Hoa

Kỳ, Nhật Bản và Canada vào năm 1973 và 1974, tiếp theo là Thụy Điển vào năm 1976 và Cộng đồng Kinh tế Châu Âu vào năm 1977 Các tiêu chuẩn này dần dần ngày càng nghiêm ngặt hơn nhưng chưa bao giờ được thống nhất

34 Đa phần các quốc gia sẽ sử dụng một trong ba bộ tiêu chuẩn chính: Hoa Kỳ, Nhật Bản và Châu Âu Thụy Điển, Thụy Sĩ và Úc đã có các tiêu chuẩn khí thải riêng biệt trong nhiều năm nhưng sau đó đã áp dụng các tiêu chuẩn Châu Âu Ấn Độ, Trung Quốc và các thị trường mới hơn cũng đã bắt đầu thực thi các tiêu chuẩn về khí thải của phương tiện giao thông (bắt nguồn từ các yêu cầu của Châu Âu) trong thế kỷ 21 do số lượng phương tiện ngày càng tăng cũng làm nảy sinh các vấn đề nghiêm trọng về chất lượng không khí ở các thị trường đó Trong nội dung của phần này, ta tập trung nói về tiêu chuẩn khí thải của Châu Âu vì sự phổ biến của nó cũng như việc các phương tiện tại Việt Nam cũng đang áp dụng các tiêu chuẩn này

 Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu

Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu là tiêu chuẩn khí thải của phương tiện giao thông sử dụng trên mặt đất được bán ở Liên minh Châu Âu và các quốc gia thành viên Khu vực Kinh tế Châu Âu và Vương quốc Anh cũng như tàu thuyền trong vùng biển EU Các tiêu chuẩn này được xác định trong một loạt các chỉ thị của Liên minh Châu Âu nhằm đưa ra các tiêu chuẩn ngày càng nghiêm ngặt Kể từ năm 2022, các tiêu chuẩn này không bao gồm khí thải không phải khí thải như các hạt từ lốp xe và phanh

Châu Âu đã ban hành tiêu chuẩn khí thải đầu tiên vào năm 1992 Kể từ đó, đã có thêm

5 bộ tiêu chuẩn khí thải khác được đưa ra với mục đích liên tục cải thiện chất lượng không khí trên toàn Liên minh Châu Âu (EU)

Bộ luật đầu tiên về khí thải của châu Âu được ban hành vào năm 1970, nhưng tiêu chuẩn đầu tiên trên toàn châu Âu, được gọi là Euro 1, đã không được áp dụng cho đến năm

1992 Tiêu chuẩn này áp dụng cho tất cả các loại ô tô mới được EU phê duyệt từ tháng 7 năm 1992 và tất cả các ô tô mới đăng ký lần đầu tiên từ tháng 1 năm 1993

Hiện nay, tiêu chuẩn về khí thải của Châu Âu đã đạt đến tiêu chuẩn Euro 6 Nó đặt ra mức giảm đáng kể hơn nữa lượng khí thải NOX từ động cơ diesel (giảm 67% so với Euro 5) và thiết lập các tiêu chuẩn tương tự cho động cơ xăng và dầu diesel Các tiêu chuẩn về khí thải trong Euro 6 được trình bày trong Bảng 2.1

Bảng 2.1 Các chỉ số trong tiêu chuẩn khí thải Euro 6

Khí thải Động cơ xăng Động cơ Diesel

PM (khối lượng) 0.005 g/km (Phun xăng trực tiếp) 0.005 g/km

PM (số lượng hạt) 6.0x10 ^11/km (Phun xăng trực tiếp) 6.0x10 ^11/km

 Tiêu chuẩn khí thải của Hoa Kỳ

Tiêu chuẩn khí thải cho phương tiện giao thông của Hoa Kỳ được thiết lập do Quốc hội ban hành thông qua các sửa đổi Đạo luật Không khí Sạch (CAA) từ năm 1970 trở đi và các quy định điều hành do Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) quản lý trên toàn quốc và gần đây hơn là cùng với Cục Quản lý An toàn Giao thông Đường cao tốc Quốc gia (NHTSA) Các tiêu chuẩn này bao gồm ô nhiễm không khí thông thường của xe cơ giới, bao gồm carbon monoxide, nitơ oxit và khí thải dạng hạt, đồng thời các phiên bản mới hơn đã kết hợp các tiêu chuẩn tiết kiệm nhiên liệu

Trong hầu hết các trường hợp, các cơ quan này đặt ra các tiêu chuẩn dự kiến sẽ được đáp ứng trên toàn bộ xe từ các nhà sản xuất ô tô và các phương tiện khác, với các bang được giao quyền thực thi các tiêu chuẩn đó nhưng không được phép đặt ra các yêu cầu khắt khe hơn Tuy nhiên California đã được miễn trừ và được phép đặt ra các tiêu chuẩn chặt chẽ hơn Kể từ đó, một số tiểu bang khác cũng đã nhận được quyền miễn trừ để tuân theo các tiêu chuẩn của California, tiêu chuẩn này cũng đã trở thành tiêu chuẩn thực tế tại Hoa

Kỳ để các nhà sản xuất ô tô tuân theo

Hiện tại, các phương tiện được sản xuất mới tại Hoa Kỳ áp dụng tiêu chuẩn khí thải LEV III Các tiêu chuẩn phát thải LEV III – được thông qua vào tháng 1 năm 2012 và được sửa đổi vào tháng 12 năm 2012 – được áp dụng cho các năm mẫu xe 2015-2025

 Tiêu chuẩn của Nhật Bản

Nhật Bản đã đưa ra các tiêu chuẩn khí thải động cơ mới đầu tiên cho các loại xe tải nhẹ và động cơ hạng nặng trên đường vào cuối những năm 1980 Tuy nhiên, các tiêu chuẩn của Nhật Bản vẫn được nới lỏng trong suốt những năm 1990

Năm 2003, Bộ Môi trường Nhật Bản đã hoàn thiện các tiêu chuẩn khí thải rất nghiêm ngặt năm 2005 cho cả xe hạng nhẹ và hạng nặng Vào thời điểm đó, tiêu chuẩn phát thải cho xe hạng nặng vào năm 2005 (NOX = 2 g/kWh, PM = 0,027 g/kWh) là quy định nghiêm ngặt nhất về phát thải diesel trên thế giới Có hiệu lực từ năm 2009, các giới hạn này đã được thắt chặt hơn nữa ở mức giữa các tiêu chuẩn của Hoa Kỳ năm 2010 và Euro V, đồng thời các giới hạn năm 2016 có mức độ nghiêm ngặt tương đương với các tiêu chuẩn Euro

 Tiêu chuẩn khí thải tại Việt Nam

Vòng đời CO 2 và nhiên liệu thay thế

Như chúng ta đã biết, tốc độ công nghiệp hóa diễn ra nhanh chóng trong những năm vừa qua đã giúp chúng ta khám phá và sử dụng nhiên liệu hóa thạch một cách ồ ạt, thải vào khí quyển một lượng lớn carbon mà trước đây được lưu trữ dưới lòng đất hoặc trong thực vật Vì vậy hiện nay, có sự mất cân bằng lớn giữa những gì được giải phóng vào khí quyển và những gì được hấp thụ trở lại Hậu quả chính của việc này là sự tích tụ carbon, khiến khí quyển hấp thụ nhiều nhiệt hơn, góp phần làm tăng nhiệt độ của trái đất và hậu quả đáng lo ngại là biến đổi khí hậu

Ngành giao thông vận tải đã đạt được mức giảm đáng kể về một số lượng khí thải gây ô nhiễm không khí, chủ yếu là do các tiêu chuẩn phát thải, các biện pháp tài chính cũng như sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế Tuy nhiên, lượng khí thải từ ngành vận tải vẫn là quá lớn để giảm thiểu các tác hại đến môi trường và con người Đặc biệt trong đó là lượng khí CO2 vẫn tăng lên không ngừng trong những năm vừa qua Dưới đây là nồng độ

CO2 trong khí quyển trải dài từ những năm 800 trước Công Nguyên đến số liệu được ghi nhận vào năm 2018 Ta có thể dễ dàng nhận thấy nồng độ CO2 từ các thế kỉ trước có sự tăng và giảm tuần hoàn theo một chu kì rõ rệt – chủ yếu là do những thay đổi trong quỹ đạo của Trái đất quanh mặt trời – và không bao giờ vượt quá 300 phần triệu (ppm) Tuy nhiên trong vài thập kỉ gần đây, quy luật đó đã thay đổi, không chỉ vượt mức 300ppm mà nồng độ CO2 trong khí quyển còn chạm tới ngưỡng 400ppm

Vào năm 2022, lượng khí thải CO2 toàn cầu từ lĩnh vực giao thông vận tải đã đạt gần

8 tỉ tấn (Gt) CO2 Lượng khí thải vẫn thấp hơn so với năm 2019, chứng tỏ những ảnh hưởng kéo dài của đại dịch đối với hoạt động giao thông vận tải vẫn còn đó Tuy nhiên, theo dự báo của các chuyên gia, số liệu này trong các năm sau đó vẫn sẽ tăng lên so với thời điểm báo cáo được công bố

Hình 2.11 Nồng độ CO 2 trong khí quyển qua từng thời kỳ trên Trái đất

Hình 2.12 Lượng khí thải CO 2 từ giao thông vận tải qua các năm đến cột mốc giảm CO 2 đề ra [14]

Theo yêu cầu, lượng khí thải giao thông vận tải cần giảm khoảng 25% xuống còn khoảng 6 Gt vào năm 2030 Để đạt được mức giảm này sẽ phụ thuộc vào việc điện khí hóa nhanh chóng các phương tiện giao thông đường bộ, các biện pháp hiệu quả cũng như các chính sách khuyến khích chuyển đổi phương thức sang ít phát thải hơn

Theo Bộ GTVT, tại Việt Nam vận tải đường bộ là nguồn phát thải CO2 lớn nhất, chiếm tới hơn 80% lượng khí CO2 phát thải trong ngành giao thông vận tải (Số liệu năm 2019) Dự báo vào năm 2025 cả ngành giao thông vận tải sẽ phát thải lên tới 65 triệu tấn

CO2 và ở năm 2030 sẽ là khoảng 89 triệu tấn [13]

Vòng đời CO2 là một thuật ngữ được dùng để xem xét lượng phát thải khí CO2 phát thải trong quá trình sản xuất, vận hành, bảo trì và tái chế phương tiện Trung bình, một chiếc ô tô gia đình cỡ trung bình sử dụng động cơ đốt trong điển hình sẽ tạo ra khoảng 24 tấn CO2 trong suốt vòng đời của nó Lượng khí thải CO2 trong vòng đời của các loại xe chạy bằng xăng và dầu diesel cỡ trung có quãng đường đi được trong suốt vòng đời tương tự nhau là gần như giống nhau Lý giải cho điều này, động cở Diesel hiện tại có hiệu suất cao hơn nên lượng khí thải xả ra môi trường khi vận hành sẽ ít hơn động cơ xăng Tuy

41 nhiên điều đó lại được bù đắp khi lượng khí thải CO2 thải ra khi sản xuất động cơ Diesel là nhiều hơn khi so sánh với động cơ xăng Về cơ bản, hiện tại không có con đường thực tế nào để khử khí CO2 thải ra một cách triệt để cho các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong Ô tô điện hoặc xe hybrid có thể là một giải pháp Tuy nhiên theo một số báo cáo, ô tô điện và xe hybrid tạo ra nhiều lượng khí thải carbon hơn trong quá trình sản xuất so với ô tô sử dụng động cơ đốt trong truyền thống Các nghiên cứu cho thấy rằng một phần lượng

CO2 tiết kiệm được trong quá trình sử dụng các phương tiện ít phát thải sẽ được bù đắp bằng lượng khí thải tăng lên trong quá trình sản xuất Tuy nhiên, nhìn chung ô tô điện và xe hybrid vẫn có lượng khí thải carbon thấp hơn so với xe bình thường Ví dụ, một chiếc ô tô gia đình cỡ trung bình sử dụng động cơ đốt trong điển hình sẽ tạo ra khoảng 24 tấn CO2 trong suốt vòng đời của nó, trong khi một chiếc ô tô điện (EV) sẽ tạo ra khoảng 19 tấn CO2 trong suốt vòng đời của nó Đối với ô tô điện chạy bằng pin, 46% tổng lượng khí thải carbon trong vòng đời của nó được tạo ra tại nhà máy, mà phần lớn là từ pin ô tô điện Dưới đây là Bảng 2.2 phân tích lượng khí thải CO2 trong suốt vòng đời của xe:

Bảng 2.2 Lượng khí thải CO 2 trong suốt vòng đời của xe [18]

Loại xe Lượng CO 2 phát thải (tấn)

Tỉ lệ CO 2 của quá trình sản xuất

CO 2 trong sản xuất (tấn) Động cơ đốt trong 24 23% 5.6

Xu hướng nhiên liệu trên động cơ ô tô

Như ta đã biết, năng lượng là động lực chính cho tăng trưởng kinh tế của bất kỳ quốc gia nào và rất quan trọng đối với sự duy trì của nền kinh tế hiện đại Tăng trưởng kinh tế trong tương lai chủ yếu phụ thuộc vào nguồn năng lượng sẵn có lâu dài từ các nguồn có giá cả phải chăng, dễ tiếp cận và thân thiện với môi trường

Các nguồn năng lượng chính trên thế giới là nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá và khí tự nhiên), năng lượng tái tạo (thủy điện, gió, mặt trời, địa nhiệt, năng lượng biển và

42 chất thải dễ cháy) và năng lượng hạt nhân Các sản phẩm dầu mỏ là nguồn nhiên liệu chủ yếu của giao thông vận tải cho đến thời điểm hiện tại Dầu mỏ, nguồn năng lượng quan trọng nhất và dồi dào nhất, phần lớn được sử dụng và tiêu thụ trên toàn thế giới Lĩnh vực vận tải thương mại sử dụng phần lớn phương tiện chạy bằng diesel, trong khi phương tiện giao thông công cộng hoặc cá nhân – xe hai bánh và xe thương mại hạng nhẹ - hoàn toàn phụ thuộc vào xăng

Tuy nhiên, như đã đề cập ở những phần trước, nguồn nhiên liệu hóa thạch không hề thân thiện với môi trường, nó là tác nhân gây ra sự ô nhiễm mà chúng ta đang phải đánh đổi để ứng dụng vào các phương tiện hiện đại Chính vì thế, đây là lúc chúng ta phải hướng đến các nguồn nhiên liệu mới, bền vững hoặc cải tiến những gì đã có trong hiện tại để hướng tới một tương lai tốt đẹp hơn

Một số diễn biến trên thị trường năng lượng trong vài năm qua sẽ có tác động lớn đến việc sử dụng nhiên liệu Thứ nhất, mức tiết kiệm nhiên liệu của các xe sử dụng những nguồn năng lượng bền vững ngày tăng nhanh trong thập kỷ vừa qua do các tiêu chuẩn tiết kiệm nhiên liệu cao hơn có hiệu lực từ năm 2016 và được đề xuất đến năm 2025

Nhiều loại nhiên liệu thay thế khác nhau đã được đề xuất và cuốn sách này chọn bảy con đường nhiên liệu khác nhau để phân tích:

Chúng được lựa chọn vì tiềm năng giảm sử dụng xăng dầu, được sản xuất với số lượng lớn từ nguồn tài nguyên sẵn có và sẵn sàng về mặt kỹ thuật và thương mại để triển khai trong tương lai gần Hầu hết các loại nhiên liệu được lựa chọn đều có lượng khí thải nhà kính ròng thấp hơn so với nhiên liệu từ dầu mỏ Tuy từng loại nhiên liệu thay thế này vẫn có những khuyết điểm riêng nhưng nó vẫn đáp ứng được một số nhu cầu về cải thiện tình trạng môi trường – ít nhất là so với các loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống

NHIÊN LIỆU CỒN

Methanol

3.1.1 Giới thiệu về Methanol Động cơ diesel được ưa chuộng rộng rãi hơn động cơ xăng cho tải trọng nặng, ứng dụng trong các lĩnh vực nông nghiệp, xây dựng, công nghiệp và giao thông đường bộ vì hiệu suất cao hơn Tuy nhiên, chúng còn được biết đến là nguồn phát thải chính như chất dạng hạt (PM), bồ hóng, khói và oxit nitơ (NOX) Mặt khác, các quy định về khí thải ở nhiều nước đã dẫn đến việc nghiên cứu cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu của động cơ và giảm lượng khí thải do mối lo ngại ngày càng tăng về bảo vệ môi trường và thiếu hụt nhiên liệu Sử dụng nhiên liệu thay thế là một trong những phương pháp hấp dẫn nhất để cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu thay thế giảm ô nhiễm môi trường Trong số các nhiên liệu thay thế, cồn (như methanol và etanol), dầu thực vật, mỡ động vật, dầu diesel sinh học và khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) đang nhận được sự quan tâm Những nhiên liệu thay thế này phần lớn thân thiện với môi trường, nhưng chúng cần được đánh giá về ưu điểm và nhược điểm nếu chúng được sử dụng trong các ứng dụng động cơ Mặc dù có chỉ số cetane thấp và độ hòa tan kém trong nhiên liệu diesel, methanol vẫn là một trong những nhiên liệu thay thế hấp dẫn vì nó có khả năng tái tạo và oxy hóa Trên thực tế, để giảm lượng khí thải của động cơ mà không cần sửa đổi động cơ, việc bổ sung các hợp chất chứa oxy vào nhiên liệu có vẻ hấp dẫn hơn Vì vậy, methanol có thể mang lại tiềm năng giảm lượng khí thải trong động cơ diesel Phần này ta sẽ xem xét tiềm năng, phương pháp sản xuất và đặc tính nhiên liệu của methanol cũng như hiệu suất động cơ, quá trình đốt cháy và khí thải của nó

Việc sử dụng methanol làm nhiên liệu hàng hải được dự đoán sẽ giành được thị phần đáng kể Điều này là do methanol là nhiên liệu tiết kiệm chi phí cũng như có thể đáp ứng các quy định nghiêm ngặt về khí thải của ngành nhằm tránh các nguy cơ môi trường như ô nhiễm không khí Việc sử dụng methanol trong lĩnh vực vận tải biển làm giảm lượng khí thải oxit lưu huỳnh nguy hiểm, oxit nitơ và các chất dạng hạt có hại khác Ngoài ra, chi phí cần thiết để chuyển đổi các tàu hiện có sang chạy bằng methanol rẻ hơn so với các lựa chọn thay thế chuyển đổi nhiên liệu khác như xăng

Hình 3.1 Thị trường Methanol trên thế giới từ năm 2021-2030 [19]

Từ Hình 3.1, ta có thể thấy tiềm năng của methanol là rất lớn và có thể phát triển mạnh trong tương lại Cũng như phân tích khu vực, thị trường methanol ở Châu Á-Thái Bình Dương chiếm 19,849 tỉ USD vào năm 2021 và được dự đoán sẽ tăng trưởng với tốc độ CAGR là 4,9% trong khung thời gian dự kiến Điều này là do ở Trung Quốc, việc sử dụng methanol làm nhiên liệu sạch trong giao thông vận tải đang được phát triển trên quy mô lớn khi số lượng phương tiện chạy bằng methanol ở Trung Quốc đang tăng lên nhanh chóng

3.1.2 Đặc tính nhiên liệu của Methanol Để hiểu được quá trình đốt cháy và phát thải của động cơ diesel, điều quan trọng là phải hiểu các đặc tính cơ bản của nhiên liệu sử dụng trong động cơ Vì vậy, một số tính chất lý hóa của nhiên liệu methanol được trình bày ở Bảng 3.1 Như đã đề cập ở trên, methanol được coi là một trong những loại nhiên liệu có lợi cho động cơ và đã được nghiên cứu và ứng dụng vào động cơ đốt trong

Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của methanol [20]

Công thức hóa học CH3OH

Khối lượng phân tử (g/mol) 32

Khối lượng riêng (g/cm3) 0.79 Điểm bắt lửa (*C) 11

Nhiệt độ tự bốc cháy (*C) 385

Tỉ lệ C/H 0.25 Độ nhớt (mm2/s, at 25*C) 0.59

Tỉ lệ hòa khí tối ưu 6.66

Entanpy hóa hơi (Mj/kg) 1.11

Tuy nhiên, việc cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel bằng methanol khó khăn hơn vì số cetane rất thấp, nhiệt hóa hơi cao và một số đặc tính hóa lý khác Methanol (CH3OH) là một hợp chất đơn giản Nó không chứa lưu huỳnh hoặc bất kỳ hợp chất hữu cơ phức tạp nào Tuy nhiên, nhiên liệu diesel là hỗn hợp phức tạp của một số lượng lớn hydrocacbon (chẳng hạn như hydrocacbon C3–C25) Vì lý do này, đặc tính nhiên liệu của nó có thể thay đổi tùy thuộc vào tỷ lệ các loại hydrocarbon được sử dụng trong hỗn hợp nhiên liệu Methanol chứa một nguyên tử oxy nên nó được chấp nhận là hydrocacbon bị oxy hóa một phần Nó có hàm lượng năng lượng thấp hơn nhiên liệu diesel Do đó, cần nhiều nhiên liệu hơn để có được công suất tương đương với động cơ chạy bằng nhiên liệu diesel Tỷ lệ không khí-nhiên liệu cân bằng hóa học thấp, hàm lượng oxy cao và tỷ lệ H/C cao có thể có lợi cho việc cải thiện quá trình đốt cháy Methanol (CH3OH) là một hợp chất đơn giản Tỷ lệ không khí-nhiên liệu cân bằng hóa học thấp, hàm lượng oxy cao và tỷ lệ H/C cao có thể có lợi cho việc cải thiện quá trình đốt cháy, giảm khói và giảm khối lượng lớn các hạt carbon không tinh khiết do sự cháy không hoàn toàn

Methanol có nhiệt ẩn hóa hơi cao hơn nhiên liệu diesel nên nó tạo ra nhiều nhiệt hơn khi bay hơi Do đó, nó có tác dụng làm mát lượng khí nạp vào xi lanh Methanol có độ nhớt rất thấp so với nhiên liệu diesel nên nó có thể dễ dàng được phun, nguyên tử hóa và trộn với không khí đưa vào xi lanh Methanol có khả năng bắt lửa kém do trị số cetane

46 thấp, nhiệt ẩn hóa hơi cao và nhiệt độ bốc cháy cao Vì vậy, nó có thể làm tăng độ trễ đánh lửa Tuy nhiên, chất cải thiện khả năng đánh lửa, chẳng hạn như dietyl ete, có thể được thêm vào nhiên liệu đã pha trộn để bù lại trị số cetane

Nhiệt độ tự bốc cháy của methanol cao hơn nhiên liệu diesel nên an toàn hơn khi vận chuyển và bảo quản Mặt khác, methanol có điểm chớp cháy thấp hơn nhiều so với nhiên liệu diesel, đây là một bất lợi về an toàn Đồng thời, nên thêm chất phụ gia vào methanol để cải thiện khả năng bôi trơn của nó Do khả năng hòa tan thấp của methanol trong nhiên liệu diesel, một dung môi như axit oleic và iso-butanol, 1-dodecanol, iso-propanol được thêm vào hỗn hợp methanol-diesel Một nhược điểm khác của methanol là khả năng ăn mòn của nó cao hơn nhiên liệu diesel đối với đồng, đồng thau, nhôm, cao su và nhiều loại nhựa Điều này đặt ra một số hạn chế đối với việc thiết kế và sản xuất động cơ sử dụng loại nhiên liệu này Đối với động cơ diesel, đặc tính cháy và khí thải bị ảnh hưởng bởi đặc tính phun nhiên liệu, hình dạng vòi phun, áp suất phun, v.v Do đó, đã có những nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất mở, mật độ môi trường xung quanh và đường kính vòi phun đến chiều dài thâm nhập và góc hình nón của phun methanol Kết quả thu được của các nhà nghiên cứu được thể hiện trong các Hình 3.2 đến 3.5 Họ phát hiện ra rằng độ xuyên thâu của methanol tăng lên khi áp suất mở tăng lên Sự thâm nhập và vận tốc đầu phun của methanol giảm nhanh chóng khi mật độ môi trường xung quanh tăng lên Ngược lại, với sự gia tăng đường kính vòi phun Trong khoảng từ 12 đến 18 MPa, áp suất mở ít ảnh hưởng đến góc phun và góc phun gần như không đổi trong toàn bộ quá trình phun Góc hình nón phun tăng lên khi mật độ môi trường xung quanh hoặc đường kính vòi phun tăng lên So với nhiên liệu diesel, họ nhận thấy rằng độ xuyên thâu của methanol ngắn hơn và góc hình nón của methanol lớn hơn trong cùng điều kiện thí nghiệm

Hình 3.2 Ảnh hưởng của áp suất mở đến tốc độ phun [20]

Hình 3.3 Ảnh hưởng của mật độ môi trường xung quanh đến sự xâm nhập của phun [20]

Hình 3.4 Ảnh hưởng của mật độ môi trường xung quanh đến tốc độ phun [20]

Hình 3.5 Ảnh hưởng của đường kính vòi phun đến khả năng xuyên qua của tia phun [20]

3.1.3 Nguyên liệu và quy trình sản xuất

 Sản xuất methanol bằng khí tổng hợp

Khí tổng hợp có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho nhiều loại sản phẩm, bao gồm cả methanol Sản xuất methanol thông qua khí tổng hợp phụ thuộc vào nguyên liệu được lựa chọn với tỷ lệ khác nhau Khí tổng hợp có thể đến từ nhiều cách khác nhau, bao gồm khí hóa than, oxy hóa một phần dầu nặng, cải tạo hơi nước của khí tự nhiên (có hoặc không phun CO2), cải tạo hơi nước nguyên liệu LPG và naphtha, cải cách kết hợp hoặc tăng cường oxy, và nhiệt -cải cách trao đổi Danh sách này nêu tên các con đường chính mà khí tổng hợp methanol có thể được sản xuất

Methane lần đầu tiên được sản xuất như một sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất than củi thông qua quá trình chưng cất gỗ, với sản lượng 12–24 lít mỗi tấn gỗ Methanol có thể được sản xuất theo nhiều cách khác nhau, nhưng hiện nay hầu hết methanol được sản xuất là từ khí tự nhiên Khí đầu tiên được nén và sau đó được tinh chế bằng cách loại bỏ các hợp chất lưu huỳnh Khí tự nhiên tinh khiết được bão hòa bằng nước nóng Hỗn hợp khí tự nhiên và hơi nước sau đó đi đến thiết bị cải cách để được chuyển đổi một phần thành khí tổng hợp, hỗn hợp CO2, carbon monoxide (CO) và hydro (H2) Khí tổng hợp trải qua bước thứ hai ở nhiệt độ cao nhiệt độ và áp suất để kết hợp CO và H2 tạo thành methanol Thông thường, CO2 bổ sung được thêm vào trong bước này để tạo ra nhiều sản phẩm cuối cùng là methanol Về nguyên tắc, nhiều vật liệu chứa cacbon có thể được thay thế cho khí tự nhiên làm nguyên liệu ban đầu Chúng bao gồm than đá, than non và thậm chí cả rác thải đô thị ngoài gỗ Tuy nhiên, mỗi nguyên liệu thô này trước tiên phải được chuyển đổi thành khí tổng hợp; đối với bước này, mỗi nguyên liệu thay thế yêu cầu sửa đổi quy trình làm tăng chi phí đầu tư vốn so với yêu cầu đối với khí tự nhiên

Khí tự nhiên là nguồn khí tổng hợp lớn nhất Metan (CH4) là thành phần chính của khí tự nhiên Methanol được điều chế từ CH4 bằng một chuỗi ba phản ứng:

 Phản ứng cải cách hơi nước (steam reforming reaction)

Trong quá trình cải cách hơi nước, CH4 phản ứng thu nhiệt cao với hơi nước trên chất xúc tác, thường dựa trên niken, ở nhiệt độ cao (800–1000°C, 20–30 atm) để tạo thành CO và H2

 Phản ứng dịch chuyển khí-nước (WGS)

CO + 𝐻 2 𝑂 ↔ CO 2 + 𝐻 2 ΔHr = 206 kJ/mol (3.2)

Một phần CO hình thành phản ứng với hơi nước trong phản ứng dịch chuyển khí- nước (WGS) để tạo ra nhiều H2 và cả CO2 Khí thu được là hỗn hợp của H2, CO và CO2 Khí tổng hợp được nén đi vào bộ chuyển đổi chứa kẽm đồng và chất xúc tác và quá trình tổng hợp methanol diễn ra theo phản ứng tổng hợp methanol

 Phản ứng tổng hợp methanol

Nếu CO được sử dụng hết trong phản ứng tổng hợp methanol thì phản ứng dịch chuyển khí-nước (WGS) sẽ đảo ngược việc tạo ra nhiều CO hơn

Việc sản xuất methanol từ than không hề đơn giản Than chứa nhiều hợp chất và tạp chất khác có thể cản trở quá trình tổng hợp methanol Than thường chứa các hợp chất như nitơ, lưu huỳnh, tro, oxy và nước Trước khi than có thể được khí hóa, trước tiên nó phải được sấy khô Sản xuất methanol từ than bao gồm một số bước là khí hóa than, loại bỏ khí axit, phản ứng WGS, tổng hợp methanol và tinh chế methanol

Bước đầu tiên trong quá trình sản xuất methanol là khí hóa than thành CO và H2 Phản ứng tổng thể của quá trình khí hóa than là:

C X H Y + (x/2)𝑂 2 → xCO + (y/2)𝐻 2 (3.5) với x và y tùy thuộc vào thành phần than thực tế Sản phẩm phụ chính của quá trình khí hóa than là khí axit, bao gồm hydro sunfua (H2S)và CO2 H2S cần được loại bỏ khỏi khí tổng hợp

Ethanol

Ethanol (rượu etylic, CH3CH2OH) là một trong những hợp chất hóa học có phân tử gồm nhóm hydroxyl (OH) liên kết với một nguyên tử cacbon Việc sử dụng ethanol cho động cơ đốt trong được nghiên cứu lần đầu tiên vào năm 1897 Tuy nhiên, việc sử dụng ethanol lại tăng lên trong các cuộc khủng hoảng nhiên liệu phát sinh từ Thế chiến I và II trong thế kỷ XX Tại Hoa Kỳ, một chương trình ethanol liên bang đã được bắt đầu trong cuộc khủng hoảng năng lượng vào những năm 1970 Đạo luật không khí sạch năm 1970 cho phép Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) đặt ra các tiêu chuẩn về khí thải từ phương tiện giao thông Điều này dẫn đến yêu cầu sử dụng nhiên liệu có oxy để giảm lượng khí thải từ phương tiện giao thông từ động cơ xăng Yêu cầu này tương ứng với khoảng 7,5% etanol hoặc 15% metyl tert-butyl ete (MTBE) trong xăng theo thể tích Để sản xuất ethanol, cây nông nghiệp bao gồm mía, ngô và sắn cùng nhiều loại khác được lên men Hầu hết ethanol được sản xuất trên toàn thế giới, chủ yếu ở Brazil, được làm từ mía Ở Hoa Kỳ, ethanol được làm từ ngô Xe chạy bằng nhiên liệu ethanol có chỉ số octan cao Brazil có hơn 4 triệu ô tô chạy bằng ethanol nguyên chất, ngậm nước và toàn bộ xăng của nước này được trộn với ethanol khan (20-26% ethanol), nhờ một chương trình của chính phủ được thực hiện từ những năm 1970 để sản xuất ethanol từ mía Các sáng kiến tương tự đang được triển khai ở Mỹ, nơi số lượng ô tô chạy bằng ethanol ngày càng tăng Xe chạy bằng xăng thường thải ra ít hạt vật chất (PM) hơn so với xe chạy bằng diesel Nghiên cứu đã chỉ ra rằng ethanol pha với xăng có thể làm giảm ô nhiễm môi trường và làm chậm sự cạn kiệt trữ lượng xăng dầu Vì những lợi ích này, nhiều quốc gia đã bắt đầu sử dụng ethanol để thay thế hoặc thay thế một phần xăng hoặc dầu diesel Nếu có thể sản xuất ethanol dồi dào và tiết kiệm, đây sẽ là nhiên liệu thay thế hấp dẫn cho động cơ đánh lửa cưỡng bức Nó có thể được sử dụng làm nhiên liệu nguyên chất hoặc làm hỗn hợp xăng Cả hai tùy chọn đều mang lại một số lợi thế về hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và lượng khí thải Việc sử dụng ethanol chủ yếu làm nhiên liệu ở dạng thành phần pha trộn xăng để cung cấp năng

64 lượng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức Số octan cao của nó làm cho nó hấp dẫn đối với sử dụng trong các động cơ như vậy

Việc loại bỏ Methyl tert-butyl ether(MTBE) khỏi vai trò phụ gia xăng ở California và một số các tiểu bang khác của Hoa Kỳ đã tạo ra sự quan tâm mới đến việc sử dụng ethanol làm xăng oxy hóa Trên toàn thế giới, ethanol có thể được sử dụng ở mức xấp xỉ 8%v trong xăng có oxy hoặc khoảng 6%v trong xăng tái chế Việc sử dụng ethanol đáng kể nhất trong xe cộ bắt đầu ở Brazil vào những năm 1970 Ở Brazil, Chương trình Rượu Quốc gia được thành lập để đối phó với giá dầu cao trong những năm 1970 và 1980 Các biện pháp khuyến khích của liên bang, kết hợp với sự tham gia của ngành công nghiệp ô tô và lời kêu gọi mạnh mẽ về môi trường, đã làm cho chương trình thành công (EPA 2001) Gắn liền với sản xuất và sử dụng là nhu cầu quản lý chất lượng nhiên liệu để đảm bảo tính tương thích và an toàn của động cơ

3.2.2 Đặc tính nhiên liệu của Ethanol

Chất lượng của ethanol làm nhiên liệu có ảnh hưởng lớn đến các yếu tố như độ ổn định của hỗn hợp nhiên liệu, khả năng tương thích của vật liệu trong động cơ và sự ăn mòn của các bộ phận động cơ Tiêu chuẩn chất lượng đối với nhiên liệu ethanol pha xăng đã được thiết lập ở một số nước Tiêu chuẩn ASTM D4806 và D5798 của Hoa Kỳ là hai tiêu chuẩn đề cập đến chất lượng của ethanol pha xăng D4806 được xuất bản lần đầu tiên vào năm 1999 và bao gồm ethanol nhiên liệu biến tính khan dùng để pha trộn với xăng không chì hoặc có chì ở tỷ lệ phần trăm thể tích 1–10 để sử dụng làm nhiên liệu động cơ ô tô đốt trong D5798 cũng được xuất bản vào năm 1999 để quản lý chất lượng của E85, hỗn hợp nhiên liệu được chỉ định là ethanol nhiên liệu biến tính 75–85%v và hydrocarbon 25–15%v để sử dụng trong động cơ ô tô đốt trong ASTM D4806 đã được sử dụng làm cơ sở để phát triển các tiêu chuẩn ở các quốc gia như Úc, Canada và Trung Quốc Ở Châu Âu, tiêu chuẩn

EN 15376 đã được hoàn thiện vào năm 2008 để sử dụng ethanol làm thành phần pha trộn cho xăng có nồng độ lên tới 5%v

Xăng bao gồm các hydrocacbon C4–C12 và do đó có đặc tính chuyển tiếp rộng hơn etanol Rượu chứa một nguyên tử oxy nên có thể xem nó như một hydrocacbon bị oxy hóa một phần Ethanol là đồng phân của dimethyl ether (DME) và cả ethanol và DME đều có thể được biểu thị bằng công thức hóa học C2H6O Nguyên tử oxy trong ethanol có thể tạo

65 ra ba liên kết hydro Mặc dù chúng có thể có cùng công thức vật lý nhưng tính chất nhiệt động của etanol khác biệt đáng kể so với của DME do liên kết phân tử mạnh hơn thông qua liên kết hydro trong ethanol Ethanol chứa khoảng 35% oxy, giúp cải thiện quá trình đốt cháy và giảm quá trình đốt cháy một phần nhiên liệu Ethanol là thành phần được ưu tiên cho quá trình chuyển hóa diesel sinh học vì nó được sản xuất từ các sản phẩm nông nghiệp và có bản chất tái tạo và ít gây ảnh hưởng đến môi trường hơn Tính chất của ethanol so với xăng và diesel được trình bày ở Bảng 3.2

Ethanol có chỉ số octan nghiên cứu (RON > 100) cao hơn xăng Khi ethanol được trộn với xăng, RON được tăng cường nhưng chỉ số octan động cơ tăng rất ít hoặc không tăng Hỗn hợp xăng-Ethanol của cùng một loại RON đã cho hiệu suất tốt hơn trong điều kiện tăng tốc và tốc độ thấp, nhưng lại kém hơn về hiệu suất ở điều kiện tốc độ cao hơn so với xăng Chỉ số octan động cơ có thể được tăng lên bằng cách bổ sung các bộ phận phù hợp vào chính nhà máy lọc dầu và do đó có thể giảm thiểu nguy cơ hư hỏng động cơ Chỉ số octan cao giúp ngăn chặn tiếng gõ của động cơ và cực kỳ quan trọng trong các động cơ được thiết kế để hoạt động ở tỷ số nén cao nhằm tạo ra nhiều công suất hơn Tỷ số nén cao dẫn đến hiệu quả năng lượng cao hơn Hỗn hợp ethanol ở mức độ thấp, chẳng hạn như E10 (10% v ethanol, 90% v xăng), thường có chỉ số octan cao hơn xăng không chì Có một thử nghiệm hỗn hợp ethanol trong xăng với nồng độ 10%, 20%, 30% và 40% thể tích để sử dụng cho động cơ có tỉ số nén thay đổi Họ phát hiện ra rằng hàm lượng ethanol tăng làm tăng số octan nhưng làm giảm nhiệt trị Họ báo cáo rằng E10 là hỗn hợp tối ưu cho các ứng dụng động cơ xăng

Ethanol là một dung môi hiệu quả và có thể được coi là chất tẩy rửa nhiên liệu Vì vậy, việc sử dụng etanol làm chất phụ gia cho xăng giúp loại bỏ cặn bám và cặn bám khỏi hệ thống nhiên liệu Cặn bám trong bình nhiên liệu và bát bộ chế hòa khí cuối cùng sẽ gây ra sự cố ở động cơ chạy bằng xăng thẳng Tuy nhiên, hỗn hợp etanol có thể đẩy nhanh quá trình giải phóng cặn Có báo cáo cho rằng ethanol có một số đặc tính tẩy rửa giúp giảm sự tích tụ, giúp động cơ hoạt động trơn tru và hệ thống phun nhiên liệu sạch sẽ để có hiệu suất tốt hơn

Bảng 3.2 Tính chất nhiên liệu Ethanol so với xăng và dầu diesel [20] Đặc tính Ethanol Xăng Dầu diesel

Nhiệt độ sôi, o C 78 27-225 180-340 Áp suất hơi reid, bar 0.16 0.55-1.03 -1 Độ nhớt tại 25 o C 1.5 0.6-0.6 2.8-5 Điểm bắt lửa, o C 13 -43 60-80

Nhiệt độ tự bốc cháy, o C 423 257 316

Giá trị nhiệt năng, MJ/kg 29.84 46.53 45.76

3.2.3 Nguyên liệu và quy trình sản xuất

Việc sản xuất nhiên liệu ethanol đang nhanh chóng mở rộng trên toàn thế giới Brazil là nước dẫn đầu thế giới về sản xuất và thương mại hóa ethanol làm nhiên liệu động cơ Ở Brazil, trong tổng số mía có thể nghiền, 45% dành cho sản xuất mía và 55% còn lại để sản xuất ethanol trực tiếp từ mía Nguyên liệu thô để sản xuất ethanol ở mỗi nước khác nhau tùy thuộc vào khả năng sẵn có Người ta ước tính hiện nay 60% ethanol được sản xuất từ ngô, 25% từ mía, 3% từ lúa mì, 2% từ mật đường và phần còn lại từ các loại ngũ cốc khác, sắn và củ cải đường Sản lượng ethanol nhiên liệu hàng năm trên thế giới trong ba năm qua cùng với sản lượng của từng quốc gia đóng góp ít nhất 1% tổng sản lượng được tóm tắt trong Bảng 3.3 Như đã chỉ ra trong Bảng 3.3, năm nhà sản xuất ethanol hàng đầu trước đại dịch COVID-19 -19 đại dịch là Hoa Kỳ, Brazil, Liên minh Châu Âu (EU), Trung Quốc

67 và Canada Năm 2020, Ấn Độ sản xuất nhiều ethanol hơn Canada một chút nhưng thứ hạng của 4 nước sản xuất ethanol hàng đầu không thay đổi [21]

Bảng 3.3 Sản lượng ethanol của thế giới (triệu lít) [21]

Ngoài mía và tinh bột, ethanol còn có thể được sản xuất từ khí tự nhiên, dầu đá phiến và sinh khối xenlulo Tại Hoa Kỳ, nguyên liệu phổ biến nhất để sản xuất nhiên liệu ethanol là tinh bột thu được từ ngô (ngô) Việc chuyển đổi ngô thành ethanol đòi hỏi một quá trình gồm nhiều bước Ngô được xay để loại bỏ tinh bột trong hạt ngô Tinh bột bao gồm khoảng 72% hạt ngô Tinh bột được chuyển hóa thành glucose Glucose được lên men thành bia etanol Bia được chưng cất để loại bỏ hầu hết nước và cuối cùng, một rây phân tử được sử dụng để thu được etanol khan Quá trình đường hóa, quá trình chuyển hóa tinh bột thành đường, xảy ra như sau:

Về mặt lý thuyết, quá trình này tạo ra 1,11 kg glucose trên mỗi kg tinh bột ngô Quá trình lên men glucose thành etanol diễn ra như sau:

Về mặt lý thuyết, quá trình này tạo ra 0,511 kg ethanol trên mỗi kg glucose Theo đơn vị của Anh, theo lý thuyết, 19,46 pound hoặc 2,97 gallon ethanol khan được sản xuất trên mỗi giạ ngô Tính theo đơn vị mét, quy trình này tạo ra 250 kg hoặc 319 lít etanol khan

68 trên một mét khối ngô Ít nhất 85% năng suất lý thuyết đã đạt được trong thực tế Nấm men không phải là chất phản ứng trong quá trình này; nấm men sống tiêu thụ glucose và sản xuất ethanol Quá trình này không thể tiến triển vượt quá điểm mà tại đó nồng độ ethanol trong bia trở nên độc hại đối với nấm men, ở nồng độ ethanol khoảng 15% Bia có ít nhất 85% là nước và được chưng cất để tách ethanol Tuy nhiên, khi etanol sôi lên và ngưng tụ thành chất lỏng, một ít nước sẽ đi kèm với etanol Quá trình chưng cất không thể loại bỏ 5% nước cuối cùng Thông thường người ta sử dụng rây phân tử để loại bỏ lượng nước này để tạo ra etanol khan Quá trình biến ngô thành ethanol cũng tạo ra một nguyên liệu có hàm lượng protein cao, sau khi sấy khô, được gọi là hạt khô chưng cất và được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi Đối với cây trồng có đường như mía, củ cải đường thì không cần phải chuyển hóa tinh bột thành glucose Đường được chiết xuất trực tiếp từ cây trồng và phần còn lại của quá trình cũng giống như quá trình chuyển hóa tinh bột ngô thành ethanol Mía là nguyên liệu chính để sản xuất ethanol nhiên liệu ở Brazil

3.2.4 Thử nghiệm trên động cơ

Bảng 3.3 liệt kê các thuộc tính chính của động cơ được sử dụng trong thử nghiệm cùng với các thông số kỹ thuật Động cơ chỉ được thử nghiệm ở tốc độ vòng tua tối đa 3000 vòng/phút; động cơ được ghép nối với một phanh động lực học dòng điện một chiều Với độ phân giải 1, hệ thống phanh động lực học tham chiếu có thể kiểm tra động cơ có tải trọng tối đa 50 kg cho mô-men xoắn 147 Nm Nó cũng chứa một đầu đọc tương tự lực camry chịu trách nhiệm đọc lực cần thiết theo tải trọng mà động cơ tiếp xúc

Bảng 3.4 Các đặc tính chính của động cơ được sử dụng trong thử nghiệm [22]

Công suất 40 kW at 5500 rpm

Số xy lanh 3 Đường kính xy lanh 76 mm

Kiểu đánh lửa Bugi đánh lửa

Bảng 3.5 Tính chất lý hóa của xăng và etanol [22]

Nhiệt độ sôi ( o C) 38.8 78.5 Điểm bắt lửa ( o C) 21 13

Nhiệt độ tự bốc cháy ( o C) 250 423 Độ hòa tan trong nước Không hòa tan Hòa tan Áp suất hơi (kPa) 6.5-7.8 43

Nhiệt lượng thấp(kJ/kg) 44 000 26800

Nhiệt lượng cao (kJ/kg) 47 300 29600

Trị số octan (RON/MON) 91/80 109/98

Xăng sinh học E10, E15 và E20, các phương pháp thực nghiệm, quy trình thử nghiệm, tiêu chuẩn hóa chế độ quay cho từng loại nhiên liệu và cuối cùng là các phương trình cần thiết để tính toán một số thông số chính đã được tạo ra bằng cách kết hợp xăng sinh học thương mại với ethanol Thử nghiệm thực nghiệm sử dụng xăng E15 và E20 Dung tích tối đa một lít của xi lanh được dùng làm cơ sở cho các phép đo Sau đó chúng được thêm vào một thùng chứa Mỗi loại trong số sáu loại nhiên liệu đều trải qua quá trình này Sự kết hợp này được tạo ra bằng cách sử dụng xăng E10 thương mại, chứa 90% xăng và 10% ethanol Nồng độ thể tích được tạo ra bằng cách kết hợp số lượng ethanol tuyệt đối Nồng độ thể tích của nhiên liệu sử dụng trong thí nghiệm được liệt kê trong Bảng 3.4 và ước tính thể tích nhiên liệu cần thiết dựa trên 1000 ml (1 lít) Bảng 3.5 liệt kê các đặc tính lý hóa của ethanol và xăng

Bảng 3.6 Nồng độ thể tích của nhiên liệu tham gia thử nghiệm [22]

Thể tích ban đầu của

Thể tích Ethanol thêm vào (mL)

Thể tích etanol trong hỗn hợp (mL)

3.2.4.2 Kiểm tra hiệu suất động cơ

Ethanol có thể được thêm vào xăng hoặc sử dụng làm nhiên liệu nguyên chất Cả hai lựa chọn thay thế đều có thể mang lại một số lợi ích về lượng khí thải, hiệu suất sử dụng nhiên liệu và hiệu suất động cơ Ethanol nguyên chất có thể được sử dụng trong động cơ đốt trong với bất kỳ tỷ lệ nào khi kết hợp với xăng Hỗn hợp xăng-etanol nồng độ thấp có thể được sử dụng mà không cần sửa đổi động cơ, trong khi etanol nguyên chất đòi hỏi những thay đổi đáng kể đối với hệ thống nhiên liệu và cấu trúc động cơ

Hình 3.14 Mô-men xoắn hiệu dụng so với RPM đối với hỗn hợp etanol- xăng và mức octan khác nhau [22]

Kết quả về mô-men xoắn được tạo ra bởi các loại nhiên liệu sinh học khác nhau liên quan đến tốc độ được thể hiện trong Hình 3.14 Với mô-men xoắn cực đại là 51 Nm tại

DIESEL SINH HỌC (BIO-DIESEL)

Giới thiệu về Diesel sinh học

Được phát triển vào những năm 1890 bởi nhà phát minh Rudolf Diesel, động cơ Diesel dần trở thành sự lựa chọn đáng tin cậy vì công suất và khả năng tiết kiệm nhiên liệu Hiện nay, nhiều ý kiến cho rằng động cơ Diesel, đặc biệt là động cơ Diesel cho xe thương mại, sẽ vẫn là động cơ xe quan trọng nhất cho đến giữa những năm 2030 Trong quá trình phát triển đã qua, việc cải tiến hiệu suất, đặc biệt là hiệu suất phát thải của động cơ luôn là vấn đề được lưu tâm hàng đầu Các cải tiến đó có thể là việc trang bị thêm các công nghệ mới cho động cơ như bộ lọc hạt hay hệ thống tuần hoàn khí thải Các giải pháp trên có góp phần giảm thiểu tình trạng ô nhiễm nhưng ở đó vẫn còn rất nhiều vấn đề Vì vậy, xu hướng hiện tại đã dần chuyển dịch sang việc sử dụng một nguồn nhiên liệu mới và sạch hơn nhằm giải quyết triệt để hơn tình trạng này Trong số đó, nhiên liệu Diesel sinh học (BioDiesel) nổi lên như một sự thay thế khả thi và phù hợp nhất cho động cơ Diesel Việc sử dụng nhiên liệu sinh học, đặc biệt là dầu Diesel sinh học có nguồn gốc từ dầu thực vật, hiện đang ngày càng trở nên quan trọng hơn vì nó không yêu cầu bất kỳ sửa đổi phần cứng động cơ nào mà không ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ, không phát thải lưu huỳnh và giảm phát thải khí nhà kính

Sự ra đời của động cơ Diesel đánh dấu một cột mốc quan trọng trong nền công nghiệp thế giới Tuy nhiên trước đó gần bốn thập kỷ vào năm 1853, thử nghiệm chuyển hóa dầu thực vật đã được nhà hóa học Patrick Fuffy tiến hành Mãi về sau, chính phủ Pháp và Rudolf Diesel đã có những thử nghiệm đầu tiên về ý tưởng sử dụng dầu thực vật để làm nhiên liệu cho động cơ Diesel Lý do cho điều này bắt nguồn từ nỗ lực tìm kiếm một nguồn năng lượng cho các máy nông nghiệp Diesel đời đầu ở những vùng xa xôi trên thế giới, nơi mà xăng dầu không có sẵn vào thời điểm đó Sự xuất hiện công khai đầu tiên về nhiên liệu Diesel làm từ dầu thực vật là tại Hội chợ Thế giới năm 1900, khi chính phủ Pháp ủy quyền cho công ty Otto chế tạo động cơ Diesel chạy bằng dầu lạc Chính phủ Pháp muốn biến dầu thực vật trở thành nhiên liệu sinh hoạt cho các thuộc địa châu Phi của họ Rudolf Diesel sau đó đã nghiên cứu sâu rộng về nhiên liệu dầu thực vật và trở thành người dẫn đầu trong công cuộc phát triển nó, với niềm tin rằng nông dân có thể hưởng lợi từ việc cung cấp nhiên liệu từ chính những sản phẩm họ làm ra Tuy nhiên, phải mất gần một thế

80 kỷ ý tưởng như vậy mới trở thành hiện thực rộng rãi Ngay sau cái chết của Tiến sĩ Diesel vào năm 1913, xăng dầu đã được phổ biến rộng rãi dưới nhiều dạng khác nhau, bao gồm cả loại nhiên liệu mà ngày nay chúng ta biết là “nhiên liệu Diesel” Với nguồn xăng sẵn có và giá rẻ, thiết kế động cơ Diesel đã được thay đổi để phù hợp với đặc tính của nhiên liệu Diesel dầu mỏ Kết quả là một động cơ tiết kiệm nhiên liệu và rất mạnh mẽ

Năm 1937, một nhà phát minh người Bỉ là người đầu tiên đề xuất sử dụng phương pháp chuyển hóa este hóa để chuyển đổi dầu thực vật thành este alkyl của axit béo và sử dụng chúng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ Diesel Quá trình este hóa đã chuyển đổi dầu thực vật thành ba phân tử nhỏ hơn, ít nhớt hơn và dễ cháy trong động cơ Diesel Phản ứng chuyển hóa este là cơ sở để sản xuất dầu Diesel sinh học hiện đại, cũng là tên thương mại của este metyl axit béo Vào đầu những năm 1980, những lo ngại về môi trường, an ninh năng lượng và sản xuất nông nghiệp quá mức một lần nữa đã đưa việc sử dụng dầu thực vật lên hàng đầu, lần này với quá trình chuyển hóa este là phương pháp được ưa chuộng để sản xuất các loại nhiên liệu thay thế đó

Dầu thực vật (chủ yếu là dầu đậu nành) là nguyên liệu chính để sản xuất dầu Diesel sinh học ở Hoa Kỳ Các nguyên liệu Diesel sinh học chính khác của Hoa Kỳ bao gồm mỡ động vật từ các nhà máy chế biến thịt, dầu ăn đã qua sử dụng/tái chế và mỡ màu vàng từ các nhà hàng Dầu hạt cải, dầu hướng dương và dầu cọ là nguyên liệu chính để sản xuất dầu Diesel sinh học ở các nước khác Trong tương lai, tảo là nguồn tiềm năng cho nhiên liệu sinh học Tảo chứa các túi chất béo giúp chúng nổi, có thể được thu thập và xử lý thành nhiên liệu sinh học Tùy vào loại nhiên liệu được sử dụng để sản xuất, tính chất vật lý và ứng dụng của Diesel sinh học sẽ có sự thay đổi

 Một số ưu điểm của dầu Diesel sinh học

Ngoại trừ việc các loại dầu Diesel sinh học vẫn chưa thể cạnh tranh hoàn toàn với dầu Diesel thông thường về mặt hiệu suất, nó có một số lợi thế đáng kể so với dầu Diesel như:

 Bắt nguồn từ nguồn tài nguyên tái tạo trong nước, do đó giảm sự phụ thuộc và bảo tồn xăng dầu

 Khả năng phân hủy sinh học

 Giảm hầu hết lượng khí thải (ngoại trừ NOX)

 Điểm chớp cháy cao hơn, giúp xử lý và lưu trữ an toàn hơn

 Khả năng bôi trơn tốt

Một số vấn đề liên quan đến dầu Diesel sinh học là giá thành của nó vẫn ở mức khá cao, trở ngại này ở nhiều quốc gia được bù đắp bằng các ưu đãi hoặc trợ cấp về mặt lập pháp và quy định dưới hình thức giảm thuế tiêu thụ đặc biệt Ngoài ra còn các vấn đề như lượng khí thải NOX tăng nhẹ, tính ổn định khi tiếp xúc với không khí (ổn định oxy hóa), và đặc tính dòng lạnh đặc biệt ở Bắc Mỹ Giá cao hơn cũng có thể được bù đắp (một phần) bằng việc sử dụng nguyên liệu thô rẻ hơn, điều này đã làm dấy lên sự quan tâm đến các vật liệu như dầu thải (ví dụ: dầu chiên đã qua sử dụng).

Đặc tính và các thông số đặc trưng của dầu Diesel sinh học

Chất lượng nhiên liệu Diesel sinh học phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu, quy trình sản xuất, bảo quản và xử lý Chất lượng Diesel sinh học được đánh giá thông qua việc xác định thành phần hóa học và tính chất vật lý của nhiên liệu Các chất gây ô nhiễm và các thành phần nhỏ khác do sự phản ứng không hoàn toàn, là những vấn đề chính ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của Diesel sinh học (ví dụ: glycerol, mono, di/triglycerid, rượu, chất xúc tác, và FFA có trong dầu Diesel sinh học)

Hơn nữa, thành phần Diesel sinh học có thể bị thay đổi trong quá trình bảo quản và xử lý Diesel sinh học có thể hấp thụ nước hoặc trải qua quá trình oxy hóa trong quá trình bảo quản Vì vậy, tầm quan trọng của các thông số này và các phương pháp phân tích hoặc thử nghiệm trên động cơ của chúng đều được đề cập trong các tiêu chuẩn Mỗi quốc gia có các phương pháp và tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng nhiên liệu riêng để xác định các đặc tính của nhiên liệu Ở đây các phương pháp và giới hạn tiêu chuẩn được mô tả có tham chiếu đến các tiêu chuẩn ASTM/EN/IS

Cũng giống như nhiên liệu Diesel truyền thống, ta có một số yêu cầu về chất lượng của dầu Diesel sinh học, bao gồm:

 Có khả năng tạo ra hỗn hợp cháy tốt

 Có khả năng tự bốc cháy ở nhiệt độ thích hợp

 Ít ăn mòn và có khả năng bảo vệ động cơ

 An toàn cháy nổ vào không gây ô nhiễm

Mỗi yêu cầu lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố về đặc tính của nhiên liệu sẽ được nói rõ hơn ở phần sau

4.2.1 Khả năng tạo ra hỗn hợp cháy tốt

Diesel sinh học không chứa bất kỳ thành phần dễ bay hơi nào, do đó nó bay hơi ở nhiệt độ cao hơn Các thành phần Diesel sinh học có điểm sôi trong một phạm vi khá nhỏ, thường dao động trong khoảng 330–360°C, trong khí với dầu Diesel thông thường thì con số này có thể từ 160-400°C

Mật độ nhiên liệu là khối lượng của các chất trên một đơn vị thể tích, được xem như một đại lượng đặc trưng cho độ nặng nhẹ của nhiên liệu Mật độ nhiên liệu được đánh giá theo tiêu chuẩn ASTM D4052 So với Diesel thông thường, mật độ nhiên liệu của Diesel sinh học cao hơn một chút

 Độ nhớt động học Độ nhớt động học về cơ bản là thước đó lực cản chống lại dòng chảy của chất lỏng dưới tác dụng của trọng lực Độ nhớt động học là thông số thiết kế cơ bản cho kim phun nhiên liệu được sử dụng trong động cơ Diesel Độ nhớt của nhiên liệu có ảnh hưởng đến kích thước giọt nhiên liệu và đặc tính phun Nó tỷ lệ nghịch với nhiệt độ cũng như tăng theo chiều dài chuỗi phản ứng và mức độ bão hòa

Thông số kỹ thuật Diesel sinh học đảm bảo rằng ở giới hạn độ nhớt trên, nhiên liệu sẽ dễ dàng chảy khi khởi động nguội Độ nhớt của nhiên liệu cao hơn dẫn đến khả năng nguyên tử hóa kém, quá trình đốt cháy không hoàn toàn và làm tăng cặn carbon Hơn nữa, nhiên liệu có độ nhớt cao hơn cũng cần công suất bơm cao hơn Ngược lại, nhiên liệu có độ nhớt thấp hơn dễ bị rò rỉ qua pít tông thông qua khe hở giữa pít tông và xi lanh trong quá trình nén nhiên liệu

4.2.2 Khả năng tự bốc cháy phù hợp

Trị số cetan là mô ̣t đa ̣i lượng quy ước đă ̣c trưng cho khả năng tự bốc cháy của nhiên liê ̣u Diesel Nó được đo bằng phần trăm thể tích n-xetan có trong hỗn hợp của nó với các metylnaphtalen và có khả năng tự bốc cháy tương đương khả năng tự bốc cháy của nhiên

83 liệu thí nghiệm ở điều kiện tiêu chuẩn Trong hỗn hợp này thì n-xetan có khả năng tự bốc cháy tốt nên tri ̣ số của nó được quy ước bằng 100, còn với metylnaphtalen có khả năng tự bốc cháy kém nên được quy ước bằng 0

Số cetane trong nhiên liệu cao hơn sẽ có đặc tính đánh lửa tốt hơn Nó ảnh hưởng đến các thông số động cơ như quá trình đốt cháy, độ ổn định, khả năng lái, khói, tiếng ồn và khí thải Trị số cetane của Diesel sinh học cao hơn Diesel Trong thực tế, ta cần có chỉ số cetan thích hợp để động cơ hoạt động tốt Trị số cetane cao đảm bảo đặc tính khởi động nguội tốt và giảm thiểu sự hình thành khói trắng, tuy nhiên trị số xetan cao quá hoặc thấp quá đều gây nên những vấn đề không tốt cho động cơ Trị số cetane của dầu Diesel sinh học phụ thuộc vào nguyên liệu được sử dụng để sản xuất dầu Diesel sinh học

4.2.3 Ít ăn mòn và có khả năng bảo vệ động cơ

Lưu huỳnh trong dầu Diesel sinh học được đo bằng phương pháp thử nghiệm ASTM D5453 Các hợp chất của lưu huỳnh có trong nhiên liệu Diesel sinh học đa phần là các chất độc hại, nó làm tăng độ mài mòn giữa các vòng piston và ống lót xi lanh, tăng cặn lắng trong buồng đốt, tăng lượng khí thải dạng hạt và giảm hiệu suất của các thiết bị xử lý khí sau quá trình thải Vì vậy, để giảm lượng khí thải thì việc khống chế hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu ở mức thấp nhất có thể là điều tiên quyết

 Độ ăn mòn lá đồng

Sự ăn mòn lá đồng của dầu Diesel sinh học được đánh giá theo phương pháp thử nghiệm ASTM D130 Các đường dẫn nhiên liệu của hệ thống phun có thể được làm bằng đồng Trong khi đó, Diesel sinh học có thể chứa cồn và axit nếu không được tinh chế tốt

Vì vậy việc đánh giá khả năng ăn mòn của nhiên liệu là cần thiết

Một dải đồng được đánh bóng được nhúng vào mẫu dầu Diesel sinh học và đun nóng trong một khoảng thời gian xác định ở nhiệt độ xác định Dải đồng được lấy ra, rửa sạch và sau đó so sánh với các tiêu chuẩn ăn mòn được chứng nhận của ASTM Sự hiện diện của axit hoặc các hợp chất chứa lưu huỳnh có thể làm hoen ố dải đồng, dẫn đến sự ăn mòn của dải đồng

Hàm lượng tro là lượng tro còn sót lại sau khi đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu Diesel sinh học, được đo bằng phần trăm khối lượng của tro trong khối lượng của mẫu ban đầu và đánh giá theo tiêu chuẩn ASTM D 874 Nhìn chung, hàm lượng tro nên ở mức càng thấp càng tốt do nó có thể gây ra các vấn đề như làm tắc bộ lọc dầu và tạo cặn trong động cơ

Trị số axit có thể cho biết mức độ xuống cấp của chất bôi trơn trong khi nhiên liệu đang được sử dụng Nó là thước đo đánh giá hàm lượng các chất vô cơ và axit tổng cộng của nhiên liệu Nó giúp đánh giá mức độ ăn mòn của các chi tiết kim loại khi tiếp xúc với nhiên liệu

Trong quá trình phun nhiên liệu, lượng nhiên liệu thoát ra từ kim phun nhiều hơn lượng nhiên liệu được phun vào buồng đốt của động cơ Nhiệt độ của nhiên liệu đường hồi có thể đạt trên 60oC và do đó làm tăng tốc độ phân hủy Diesel sinh học Trị số axit cao dẫn đến ăn mòn các bộ phận của động cơ, hình thành cặn bám trong hệ thống nhiên liệu và ảnh hưởng đến tuổi thọ của bơm nhiên liệu

4.2.4 An toàn cháy nổ và không gây ô nhiễm môi trường

Nguyên liệu và quy trình sản xuất

4.3.1 Nguyên liệu trong sản xuất Diesel sinh học

Nguyên liệu thô chính được sử dụng để sản xuất dầu Diesel sinh học là dầu thực vật, mỡ động vật và mỡ tái chế Những vật liệu này chứa chất béo trung tính, axit béo tự do và các chất gây ô nhiễm khác tùy thuộc vào mức độ tiền xử lý mà chúng đã nhận được trước khi được vận chuyển đến nhà máy Hầu hết các quy trình sản xuất dầu Diesel sinh học đều sử dụng chất xúc tác để bắt đầu phản ứng este hóa Chất xúc tác là cần thiết vì rượu ít tan trong dầu Các chất xúc tác thúc đẩy sự gia tăng độ hòa tan để cho phép phản ứng tiến hành ở tốc độ hợp lý Các chất xúc tác phổ biến nhất được sử dụng là các bazơ khoáng mạnh như natri hydroxit và kali hydroxit Sau phản ứng, chất xúc tác bazơ phải được trung hòa bằng axit khoáng mạnh

Việc lựa chọn chất béo hoặc dầu được sử dụng trong sản xuất dầu Diesel sinh học vừa là một quyết định liên quan đến hóa học vừa là một quyết định kinh tế Đối với quá trình hóa học, sự khác biệt lớn nhất giữa việc lựa chọn chất béo và dầu là lượng axit béo tự do có liên quan đến chất béo trung tính Các chất gây ô nhiễm khác, chẳng hạn như các chất có màu và mùi có thể làm giảm giá trị của glycerin được tạo ra và làm giảm sự chấp nhận của công chúng đối với nhiên liệu nếu màu và mùi vẫn tồn tại trong nhiên liệu Hầu hết các loại dầu thực vật có tỷ lệ axit béo tự do thấp Dầu thực vật thô chứa một số axit béo tự do và phospholipid Các phospholipid được loại bỏ trong bước "khử keo" và các axit béo tự do được loại bỏ trong bước "tinh chế" Dầu có thể được mua ở dạng thô, đã

87 khử gôm hoặc đã tinh chế Việc lựa chọn loại dầu ảnh hưởng đến công nghệ sản xuất cần thiết Mỡ động vật và mỡ tái chế (màu vàng) có hàm lượng axit béo tự do cao hơn nhiều Dầu mỡ màu vàng được giới hạn ở 15% axit béo tự do và là mặt hàng được buôn bán thường được chế biến thành thức ăn cho động vật và vật nuôi Có rất nhiều lựa chọn để lựa chọn chất béo trung tính Trong số các nguồn dầu thực vật có đậu nành, cọ và cải dầu

Mỡ động vật là sản phẩm của hoạt động chế biến phụ phẩm Chúng bao gồm thịt bò, mỡ lợn, mỡ gia cầm và dầu cá Mỡ màu vàng có thể là hỗn hợp của nguồn thực vật và động vật Có những nguồn chất béo trung tính ít được mong muốn hơn nhưng cũng rẻ hơn như mỡ nâu và xà phòng Hàm lượng axit béo tự do ảnh hưởng đến loại quy trình Diesel sinh học được sử dụng và sản lượng nhiên liệu từ quy trình đó Các chất gây ô nhiễm khác hiện diện có thể ảnh hưởng đến mức độ chuẩn bị nguyên liệu cần thiết để sử dụng một phản ứng hóa học nhất định

Rượu nguyên chất được sử dụng phổ biến nhất trong sản xuất Diesel sinh học là metanol Bên cạnh đó các loại rượu khác như ethanol, isopropanol và butyl cũng có thể được sử dụng Yếu tố chất lượng quan trọng của rượu nguyên chất là hàm lượng nước Nước cản trở các phản ứng chuyển hóa este và có thể dẫn đến hiệu suất kém và hàm lượng xà phòng, axit béo tự do và chất béo trung tính cao trong thành phẩm cuối cùng Thật không may, tất cả các loại rượu bậc thấp đều hút ẩm và có khả năng hút nước từ không khí Nhiều loại rượu đã được sử dụng để sản xuất dầu Diesel sinh học Miễn là các este của sản phẩm đáp ứng tiêu chuẩn ASTM6751 thì sẽ không tạo ra bất kỳ sự khác biệt hóa học nào về loại rượu được sử dụng trong quy trình

Các vấn đề khác như giá rượu, lượng cồn cần thiết cho phản ứng, sự dễ dàng thu hồi và tái chế của rượu, thuế nhiên liệu và các vấn đề nóng lên toàn cầu ảnh hưởng đến việc lựa chọn rượu Một số loại rượu cũng yêu cầu sửa đổi kỹ thuật một chút trong quy trình sản xuất như nhiệt độ vận hành cao hơn, thời gian trộn lâu hơn hoặc chậm hơn hoặc tốc độ trộn thấp hơn

 Chất xúc tác và chất trung hòa

Chất xúc tác có thể là vật liệu bazơ, axit hoặc enzyme Các vật liệu xúc tác được sử dụng phổ biến nhất để chuyển đổi chất béo trung tính thành dầu Diesel sinh học là natri

88 hydroxit, kali hydroxit và natri methoxide Hầu hết các hệ thống xúc tác bazơ đều sử dụng dầu thực vật làm nguyên liệu Nếu dầu thực vật ở dạng thô, nó chứa một lượng nhỏ (48 16

Trong khi đó phương tiện được sử dụng trong các cuộc thử nghiệm đã tuân thủ tiêu chuẩn khí thải Euro4 với thiết lập ban đầu từ nhà sản xuất đối với nhiên liệu Diesel Các thông số của xe được đề cập trong bảng…

Bảng 4.2 Các thông số kỹ thuật của xe trong thử nghiệm [26]

Danh mục Thông số kỹ thuật

Dung tích động cơ (cc) 2755

Công suất tối đa (HP/rpm) 174/3400

Mô-men xoắn tối đa (Nm/rpm) 450/1600-2400

Hệ thống phân phối khí 16 van DOHC thẳng hàng

Hệ thống nạp Bộ tăng áp biến thiên (Turbocharger) với bộ làm mát khí nạp

Hệ thống cung cấp nhiên liệu Hệ thống phun common rail

Xử lý khí xả Bộ lọc hạt Oxidation Catalyst

Tiêu chuẩn khí thải Euro4

Kết quả kiểm tra phát thải cho các chu trình đô thị (Urban Cycle) và ngoài đô thị (Extra Urban Cycle) được thể hiện trong Hình 4.3 Lượng khí thải carbon monoxide (CO) cho dầu Diesel sinh học thấp hơn so với lượng phát thải của nhiên liệu Diesel trong chu trình đô thị, trong khi với chu trình ngoài đô thị thì lượng phát thải là tương đương nhau Chu trình đô thị bao gồm khởi động nguội, tốc độ động cơ thấp kết hợp nhiều lần tăng tốc và giảm tốc Nó thải ra lượng khí thải CO cao hơn so với chu trình ngoài đô thị với ít sự tăng tốc hay giảm tốc hơn Ta có thể dự đoán rằng lượng khí thải CO thấp hơn đối với B30, B50 và B100 là do hàm lượng oxy của chúng, giúp thúc đẩy quá trình phối trộn tốt hơn, dẫn đến đốt cháy hoàn toàn Ngoài ra, dầu Diesel sinh học còn có chỉ số cetane cao hơn nhiên liệu Diesel, khiến thời gian đánh lửa ngắn hơn, thúc đẩy hiệu suất đốt cháy tốt hơn, từ đó dẫn đến lượng khí thải CO thấp hơn Tuy nhiên, trong các thử nghiệm này, việc tăng hàm lượng oxy trong dầu Diesel sinh học không dẫn đến quá sự khác biệt về lượng phát thải CO, như trong hình 4.3a Hơn nữa, lượng khí thải CO cao nhất (trừ B0) cho các chu trình đô thị và ngoại đô thị lần lượt được ghi nhận với B50 và B100 Trong nghiên cứu này, chiếc xe được thử nghiệm đã lắp đặt chất xúc tác oxy hóa Diesel (DOC) trên ống xả để ngăn chặn lượng khí thải CO và HC Do đó, lượng khí thải CO thấp hơn

96 một phần là do vai trò quan trọng của DOC Nhiên liệu Diesel sinh học có hàm lượng oxy cao kết hợp với DOC sẽ có lượng phát thải CO thấp, nhưng điều này có thể dẫn đến nhiệt độ bốc cháy thấp hơn khi tỷ lệ Diesel sinh học tăng, dẫn đến giảm hiệu suất chuyển đổi CO của DOC Nhiệt độ đánh lửa thấp hơn, cho thấy khả năng DOC chuyển đổi lượng khí thải

CO bằng quá trình oxy hóa là do lượng chất xúc tác giảm khi lượng oxy trong dầu Diesel sinh học tăng lên Điều này cũng có thể giải thích lượng khí thải CO2 của B30 thấp hơn so với B50 và B100

Hình 4.3 Lượng khí thải giữa dầu Diesel và các hỗn hợp Diesel sinh học

Như ta đã biết, sự hình thành HC bị ảnh hưởng bởi các đặc tính của nhiên liệu như hàm lượng oxy, độ bay hơi, độ nhớt và trị số cetane Lượng phát thải HC của B30 và B100 thấp hơn so với lượng phát thải của nhiên liệu Diesel trong cả chu trình đô thị và ngoại thành, trong khi lượng phát thải HC của B50 tương đương với lượng phát thải của nhiên liệu Diesel, như trong Hình 4.3b Trong số các loại nhiên liệu Diesel sinh học, B30 có lượng phát thải HC thấp nhất trong chu trình đô thị Điều này có thể là do kích thước giọt của B30 nhỏ hơn so với B50 và B100 Kích thước giọt có thể ảnh hưởng đến sự bay hơi của nhiên liệu trong quá trình đốt và ảnh hưởng đến tốc độ đốt Kích thước giọt nhỏ hơn sẽ thúc đẩy quá trình đốt cháy nhanh hơn, do đó, kích thước giọt nhỏ nhất của B30 sẽ dẫn đến quá trình đốt cháy cao hơn, dẫn đến lượng phát thải HC thấp hơn so với B50 và B100

Hơn nữa, dầu Diesel sinh học có hàm lượng oxy cao cũng sẽ thúc đẩy các phản ứng tỏa nhiệt trong quá trình đốt cháy bên cạnh thời gian cháy ngắn hơn do số cetane cao Ở đây, lượng phát thải HC của B100 thấp hơn so với B50 có thể là do hàm lượng oxy cao hơn bù đắp cho kích thước giọt B100 lớn hơn so với B50 cho cả chu kỳ đô thị và ngoại thành Nhìn chung, lượng phát thải HC đối với cả nhiên liệu Diesel và Diesel sinh học đều rất thấp đối với cả chu trình đô thị và ngoại ô do hiệu quả của DOC trong việc ngăn chặn lượng khí thải HC ở ống xả

Hình 4.3c cho thấy phát thải NOX cho chu trình đô thị tăng khi tỷ lệ Diesel sinh học tăng Trong đó, B100 phát thải NOX cao nhất, cao hơn nhiên liệu Diesel khoảng 58% Mức tăng phát thải NOX đối với B100 cho chu trình ngoài đô thị cũng cao hơn 56% so với nhiên liệu Diesel Kết quả này tương tự với nhiều nghiên cứu trước đây, cho thấy nhiên liệu Diesel sinh học nguyên chất có hàm lượng NOX cao nhất so với nhiên liệu Diesel và nhiên liệu paraffinic hydro hóa Hỗn hợp Diesel sinh học B30 và B50 cũng làm tăng lượng khí thải cho chu trình đô thị theo tỷ lệ Diesel sinh học tăng lên Tuy nhiên, các hỗn hợp này có lượng phát thải NOX thấp hơn cho chu trình ngoài đô thị Việc tăng tỷ lệ pha trộn dầu Diesel sinh học cũng không có tác động đáng kể đến lượng khí thải NOX trong chu trình ngoài đô thị Lượng phát thải NOX cao hơn với dầu Diesel sinh học có thể được coi là do số cetane và hàm lượng oxy cao hơn, thúc đẩy quá trình đốt cháy hoàn toàn và nhiệt độ đốt cháy cao hơn, dẫn đến sự gia tăng hình thành NOX Đối với chu trình đô thị, số cetane và hàm lượng oxy cao đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành NOX Do đó, việc tăng tỷ lệ Diesel sinh học sẽ dẫn đến tăng lượng phát thải NOX Tuy nhiên, kết quả khác nhau về phát thải

NOX đối với nhiên liệu Diesel, B30 và B50 cho cả chu trình trong đô thị và ngoài đô thị có thể là do sự gia tăng chuyển động của dòng khí trong xi lanh khi tốc độ tăng trong chu trình ngoài đô thị, khiến quá trình trộn nhanh hơn và đánh lửa ngắn hơn, dẫn đến giảm nhiệt độ trong xi lanh Hơn nữa, việc tuần hoàn khí thải (EGR) cũng có thể dẫn đến giảm NOX đáng kể trong chu trình ngoài đô thị vì quá trình đánh lửa có thể bị chậm lại, dẫn đến nhiệt độ ngọn lửa đoạn nhiệt thấp hơn

Lượng phát thải hạt (PM) của dầu Diesel sinh học thấp hơn so với nhiên liệu Diesel Hơn nữa, lượng khí thải PM đã giảm đáng kể khi tỷ lệ dầu Diesel sinh học tăng lên cho cả chu kỳ đô thị và ngoại thành, như trong Hình 4.3d Đối với chu trình đô thị, B30, B50 và

B100 cho thấy lượng phát thải PM thấp hơn lần lượt là 35%, 53% và 83% so với nhiên liệu Diesel, trong khi đối với chu trình ngoài đô thị, mức giảm lần lượt là 26%, 37% và 78%

Sự giảm đáng kể về PM của dầu Diesel sinh học có thể được coi là do số cetane của dầu Diesel sinh học cao dẫn đến độ trễ đánh lửa ngắn hơn làm giảm thời gian cháy khuếch tán Ngoài ra, hàm lượng oxy trong dầu Diesel sinh học có thể oxy hóa các sản phẩm hydrocarbon trong quá trình đốt cháy, dẫn đến đốt cháy hoàn toàn Do đó, tỷ lệ dầu Diesel sinh học tăng lên làm tăng hàm lượng oxy và số cetan, dẫn đến lượng phát thải PM cho cả chu trình đô thị và ngoại thành đều giảm Ở đây, quá trình đốt cháy ở nhiệt độ cao hơn trong chu trình ngoài đô thị có thể dẫn đến quá trình oxy hóa hạt nhiều hơn so với chu trình đô thị Hơn nữa, điều kiện nhiệt độ động cơ lạnh khi bắt đầu chu trình đô thị với nhiều hoạt động tăng tốc sẽ dẫn đến lượng phát thải PM cao hơn cho chu trình đô thị Đối với CO2, lượng khí thải carbon dioxide (CO2) và nước sản phẩm mong muốn của bất kỳ sản phẩm đốt hydrocarbon nào Vì vậy, lượng khí thải CO2 ít được quan tâm nhất trong số tất cả các loại khí thải vì chúng gây ra ít thiệt hại hơn và có thể được giảm thiểu bằng cách tăng sản lượng cây trồng Diesel sinh học

 Công suất và mô-men xoắn

Phép đo công suất và mô-men xoắn được thực hiện trên hệ thống truyền lực ở tỷ số truyền 1:1 Thời gian tăng tốc và tốc độ được ghi lại trong quá trình thử nghiệm công suất

Những tiềm năng và thách thức

Hiện nay, những tiến bộ đáng kể đã đạt được trong việc sản xuất và sử dụng dầu Diesel sinh học trên toàn thế giới Quá trình sản xuất dầu Diesel sinh học, lượng khí thải, chất lượng và sản phẩm phụ đã được trình bày ở các phần trên Vì vậy, phần này tập trung vào bối cảnh của dầu Diesel sinh học trên toàn thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Đồng thời, ta sẽ nêu ra các cơ hội và thách thức trong tương lai về việc sử dụng dầu Diesel sinh học làm nhiên liệu thay thế trên động cơ ô tô

Theo báo cáo, nhu cầu toàn cầu về nhiên liệu sinh học dự kiến sẽ tăng thêm 41 tỷ lít, (tương đương 28%) trong giai đoạn 2021-2026 [25] Các chính sách của chính phủ đóng vai trò tiên quyết trong việc phát triển nguồn nhiên liệu này Tuy nhiên các yếu tố khác như nhu cầu nhiên liệu vận tải nói chung, chi phí và thiết kế sẽ ảnh hưởng đến nơi diễn ra tăng trưởng và loại nhiên liệu nào tăng trưởng nhanh nhất Sự kết hợp của những ảnh hưởng này đã đẩy sản lượng nhiên liệu sinh học của Châu Á vượt qua Châu Âu Ngược lại, ác chính sách ở Hoa Kỳ và Châu Âu giúp nhu cầu về dầu Diesel tái tạo (còn được gọi là dầu thực vật hydro hóa [HVO] ở Châu Âu) tăng gần gấp ba

Các yếu tố này đều có thể bù trừ cho nhau Ví dụ, một số chính phủ đã ứng phó với mức giá nguyên liệu cao hiện nay bằng cách nới lỏng hoặc trì hoãn các quy định về pha

101 trộn nhiên liệu sinh học, từ đó làm giảm nhu cầu Tuy nhiên, trong trung hạn, các cuộc thảo luận chính sách lớn ở Hoa Kỳ, Châu Âu, Ấn Độ và Trung Quốc hứa hẹn sẽ làm tăng trưởng nhu cầu nhiên liệu sinh học

Năm 2022, nhiên liệu sinh học chiếm hơn 3,5% nhu cầu năng lượng vận tải toàn cầu, chủ yếu dành cho vận tải đường bộ Việc sử dụng nhiên liệu sinh học đã tăng trưởng ở mức gần 6%/năm trong 5 năm qua, ngoại trừ năm 2020 khi mức sử dụng giảm do ảnh hưởng của đại dịch Covid-19 Theo các mục tiêu NZE (Net Zero Emission), sự đóng góp của nhiên liệu sinh học vào vận tải sẽ tăng hơn gấp đôi lên 9% vào năm 2030 [25]

Hình 4.6 Nhu cầu nhiên liệu sinh học theo NZE trong những năm 2016 –

Nhìn chung, hơn 80 quốc gia có chính sách hỗ trợ cho nhu cầu nhiên liệu sinh học Ước tính, nhiên liệu sinh học đã giảm bớt được 4% lượng dầu sử dụng trong vận tải đường bộ toàn cầu (2 triệu thùng dầu) vào năm 2022 Hoa Kỳ, Brazil, Châu Âu và Indonesia vẫn là những thị trường thống trị, chiếm 85% tổng nhu cầu Gần 60% nhu cầu nhiên liệu sinh học là ở các nền kinh tế phát triển và 40% ở các nền kinh tế mới nổi Nó dự kiến sẽ tăng 11% đến năm 2024, với 2/3 mức tăng trưởng diễn ra ở các nền kinh tế đang phát triển

Trong thời gian tới, các chuyên gia tính toán rằng nhu cầu nhiên liệu sinh học sẽ tăng 11% vào năm 2024 do được hỗ trợ bởi các chính sách hiện hành hướng tới mục tiêu an ninh năng lượng

Những thách thức chính của việc triển khai nhiên liệu sinh học đến từ thực tế là việc sử dụng nhiên liệu sinh học sẽ không chỉ ảnh hưởng đến môi trường mà còn ảnh hưởng đến điều kiện kinh tế xã hội của các quốc gia cụ thể Hai trong số những vấn đề quan trọng nhất là quy trình sản xuất dầu Diesel sinh học và vấn đề nan giải 'thực phẩm và nhiên liệu' Nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng sinh học nói chung và Diesel sinh học nói riêng có thể gây ảnh hưởng đến hệ thống nông nghiệp và giá lương thực Đa phần nông dân chọn trồng một số loại cây trồng dựa trên lợi ích kinh tế của chúng Khi lợi nhuận từ việc canh tác các loại cây cung cấp năng lượng sinh khối vượt quá lợi nhuận từ sản xuất lương thực, họ sẽ chuyển từ trồng lương thực sang trồng cây năng lượng, dẫn đến giá nông sản tăng và kéo theo đó là giá lương thực thực phẩm tăng theo

Người ta tin rằng mối liên hệ giữa giá lương thực và năng lượng thông qua chính sách nhiên liệu sinh học đã gây ra cuộc khủng hoảng giá lương thực năm 2006 Việc sử dụng các loại dầu ăn khác nhau (nguyên liệu thế hệ đầu tiên) trong sản xuất dầu Diesel sinh học đã gây ra tranh cãi về thực phẩm và nhiên liệu Cụ thể, trong nhiều năm, một số loại dầu ăn đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất dầu Diesel sinh học do tính sẵn có và giá thành thấp Các loại cây trồng được trồng để sử dụng làm dinh dưỡng cho con người và dầu ăn đã được chuyển đổi thành nhiên liệu bất chấp tình trạng đói kém trên thế giới phần lớn nguyên liệu để sản xuất dầu Diesel sinh học được trồng ở những khu vực này

Rào cản phổ biến thứ hai đối với việc triển khai nhiên liệu sinh học trong các lĩnh vực khác nhau liên quan đến tác động môi trường, chủ yếu là khan hiếm nước, đầu tư năng lượng, phát thải NOX và tàn phá đa dạng sinh học Mặc dù nhiên liệu sinh học được chứng minh là làm giảm lượng khí thải CO2 ở một mức độ nào đó nhưng các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới vẫn chưa có bức tranh rõ ràng về tính bền vững của nhiên liệu sinh học Bất chấp những thách thức chung đó, nhiên liệu sinh học vẫn có những cơ hội đáng kể để giảm lượng phát thải khí nhà kính trên thế giới Tuy nhiên, việc ứng dụng và triển khai nhiên liệu sinh học vẫn còn những ưu điểm và hạn chế khác trong lĩnh vực công nghiệp và ô tô

4.5.2 Tại Việt Nam Đối với các quốc gia thiếu năng lượng, nhiên liệu sinh học giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu và cải thiện cán cân thương mại và cán cân thanh toán Việc sản xuất nhiên liệu sinh học từ nguồn tài nguyên nông nghiệp ở Việt Nam đòi hỏi nguồn nguyên liệu bền vững và phát triển công nghệ mới Mặc dù nhiên liệu sinh học có những đóng góp tiềm ẩn cho sự phát triển bền vững ở Việt Nam nhưng chúng phải đối mặt với những thách thức trong việc kết nối với an ninh lương thực, yêu cầu và nguồn cung đất đai, chính sách, kiến thức, tiêu chuẩn, nhận thức, sự tham gia và đầu tư Vì vậy, trong ngắn hạn, xăng dầu vẫn sẽ là nhiên liệu sử dụng chủ yếu ở Việt Nam

Theo phân tích SWOT, mặc dù nhiên liệu sinh học trong giai đoạn hiện nay có những điểm yếu và thách thức nhưng những điểm mạnh và cơ hội thúc đẩy sự phát triển của nhiên liệu sinh học vẫn là khá cao

Việt Nam là một nước nông nghiệp có khí hậu nhiệt đới, có nguồn tài nguyên phong phú như cây năng lượng, tàn dư cây trồng nông nghiệp, tài nguyên rừng phù hợp cho phát triển nhiên liệu sinh học Các phế phẩm nông nghiệp, vật liệu hữu cơ được tạo ra dưới dạng phụ phẩm trong quá trình thu hoạch và chế biến cây nông nghiệp có thể được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học

Việc nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam bắt đầu từ hơn 10 năm trước Trong những năm gần đây, các hoạt động R&D đã được triển khai với các dự án thí điểm sản xuất dầu Diesel sinh học từ cây phi lương thực Năm 2009, tổng ngân sách nhà nước đã được phê duyệt và cấp cho các cá nhân, tổ chức chịu trách nhiệm thực hiện các nghiên cứu phát triển Diesel sinh học là 43.376 triệu đồng trong giai đoạn 2009-2011 [27]

Từ năm 2009, Diesel sinh học và các loại nhiên liệu sinh học khác đã được bán tại 6 tỉnh, thành phố lớn của Việt Nam gồm Hồ Chí Minh, Hà Nội, Cần Thơ, Đà Nẵng, Vũng Tàu và Nha Trang Tuy nhiên, người tiêu dùng ở thành thị vẫn có xu hướng tiếp tục sử dụng xăng dầu truyền thống thay cho các nguồn nhiên liệu mới này Có nhiều nguyên do có thể lý giải cho hiện tượng này Thứ nhất người tiêu dùng vẫn ưu tiên sử dụng nguồn năng lượng kinh tế hơn thay vì một nguồn năng lượng sạch hơn Phần lớn người dùng

KHÍ SINH HỌC (BIOGAS)

Giới thiệu về Biogas

Nông nghiệp là hoạt động kinh tế chính của hơn 2/3 dân số thế giới bên cạnh việc cung cấp lương thực cho toàn nhân loại Ngoài ra, các hộ sản xuất nhỏ và các lĩnh vực liên quan tới nông nghiệp là hoạt động kinh tế chính của nhiều nước đang phát triển, trực tiếp hoặc gián tiếp chiếm khoảng 82% dân số thế giới Tiếp cận các dịch vụ năng lượng hiện đại là một thách thức đối với hầu hết các nước đang phát triển, ví dụ, chỉ riêng ở Ấn Độ, khoảng 836 triệu người không được tiếp cận với năng lượng hiện đại vào năm 2012 Phát triển và áp dụng các công nghệ giúp bảo tồn tài nguyên và thu nhập trong nông nghiệp là những công cụ có giá trị nhất và chiến lược bền vững trong sản xuất lương thực và năng lượng Than, dầu và khí đốt là nhiên liệu hóa thạch đóng góp khoảng 60% vào điện năng toàn cầu, mặc dù các nguồn tái tạo đã tăng thị phần từ 26% lên 28% trong quý đầu tiên của năm 2020, trong đó năng lượng tái tạo thay đổi tăng từ 8% lên 9% trong quý 1 năm 2020 cùng thời kỳ Mức tăng trưởng trung bình hàng năm của việc đóng góp năng lượng tái tạo vào sản xuất điện toàn cầu đã tăng ở mức 2% so với mức tăng trưởng trung bình về nhu cầu điện là 1,8% bắt đầu từ năm 1990 Trong số mức tăng trưởng về sản xuất nguồn tái tạo, khí sinh học được ghi nhận là nhanh thứ ba hàng năm Tăng trưởng công suất toàn cầu ở mức 11,5% sau điện mặt trời với 36,5%, tiếp theo là gió ở mức 23,0% Là một chỉ số cho thấy vai trò quan trọng của sinh khối trong sản xuất điện toàn cầu, nhiên liệu sinh học đã tăng trưởng với tốc độ trung bình hàng năm là 9,7% kể từ năm 1990 Điều này cho thấy vai trò quan trọng của khí sinh học trong quá trình chuyển đổi năng lượng và do đó cần phải thúc đẩy sản xuất và tiêu thụ nó [28]

Khí sinh học, sinh khối và nhiên liệu sinh học đều là những nguồn năng lượng tái tạo tồn tại trong các giai đoạn chuyển đổi khác nhau Khí sinh học có thể được tạo ra từ các sinh khối khác nhau như phân gia cầm, chất thải cây trồng nông nghiệp và phân gia súc bằng cách phân hủy kỵ khí được kiểm soát Khí sinh học được sản xuất có thể được xử lý thêm và cô đặc để tạo ra khí metan sinh học có thể được bơm vào đường ống khí đốt tự nhiên Khí sinh học là sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất của vi sinh vật có thể được sử dụng ở dạng thô để sản xuất điện hoặc có thể được nâng cấp thành biomethane và sản xuất các hóa chất có giá trị gia tăng cho ứng dụng năng lượng và quy trình công nghiệp

Với nguồn gốc dồi dào và có thể tái tạo đó, tiềm năng sản xuất khí sinh học ở châu Âu lớn đến mức có thể thay thế 12 đến 20% lượng tiêu thụ khí đốt tự nhiên Khí sinh học có giá trị sử dụng hơn hơn khí đốt tự nhiên vì nó có thể tái tạo liên tục Nguồn tài nguyên hóa thạch như dầu, khí đốt và than đá không phải là vô hạn Các vấn đề môi trường do chất thải và nước thải gây ra cần phải được khắc phục và phòng tránh trong tương lai Một cách hiệu quả để tránh những vấn đề này là khí sinh học, được tạo ra từ quá trình lên men phân động vật, chất thải của con người hoặc chất thải nông nghiệp, rất giàu khí mêtan và có đặc tính giống như khí tự nhiên Việc sử dụng khí sinh học làm nhiên liệu sạch sẽ giải quyết các mối quan tâm hiện nay liên quan đến kinh tế, sinh thái và năng lượng:

- Nguồn năng lượng tái tạo trong khi trữ lượng hóa thạch đang cạn kiệt

- Giảm sự phụ thuộc năng lượng vào năng lượng hóa thạch

- Hạn chế ô nhiễm khí quyển liên quan đến khí thải

- Giảm mùi khó chịu và tiếng ồn

- Giảm hiệu ứng nhà kính

Hình 5.1 Tiềm năng tạo khí sinh học từ các chất thải sinh khối khác nhau [29]

Từ Hình 5.1 ta có thể thấy sản lượng của biogas là rất lớn, tới từ nhiều nguồn khác nhau và nếu ta tận dụng tốt nguồn tài nguyên này thì đó sẽ là một trong những bước ngoặt trong lĩnh vực nhiên liệu, môi trường Việc tạo ra khí sinh học được kiểm soát bằng vi sinh vật là một phần quan trọng của chu trình carbon toàn cầu, nơi chúng ta có quá trình phân hủy sinh học kỵ khí tự nhiên ước tính tạo ra 590–800 triệu tấn khí metan vào bầu khí quyển toàn cầu từ đó có thể giảm thiểu được sự gia tăng hiệu ứng nhà kính

Nhiên liệu khí sinh học thường gây ô nhiễm thấp cho bầu khí quyển và do chúng có nguồn gốc từ các nguồn năng lượng tái tạo nên chúng có tiềm năng sử dụng lớn trong tương lai Nên phát triển xe sử dụng biogas là cách rất tốt để có thể tận dụng được nguồn nhiên liệu này cũng như giảm đc khí thải cho môi trường.

Đặc tính nhiên liệu của biogas

Trong quá trình phân hủy kỵ khí (tức là tiêu hóa trong điều kiện không có oxy), chất hữu cơ bị phân hủy theo nhiều bước bởi các loại vi sinh vật khác nhau Sản phẩm cuối cùng là khí chứa chủ yếu là metan và carbon dioxide, được gọi là khí sinh học Phần bùn hoặc chất rắn bao gồm phần còn lại của chất nền đã được xử lý, được gọi là chất tiêu hóa Khí sinh học có thể được sản xuất từ hầu hết các loại nguyên liệu thô hữu cơ, ngoại trừ lignin không bị phân hủy yếm khí Thành phần cơ chất sẽ ảnh hưởng đến sản lượng khí sinh học và hàm lượng khí mê-tan trong đó Khí sinh học ở những bãi rác được tạo ra trong quá trình phân hủy kỵ khí các vật liệu hữu cơ trong bãi chôn lấp và rất giống với khí sinh học Hàm lượng mêtan của nó thường thấp hơn so với khí sinh học và khí đó thường chứa nitơ từ không khí thấm vào khí bãi rác trong quá trình thu hồi Khí sinh học từ các trang trại chứa một lượng lớn khí vi lượng

Bảng 5.1 Thành phần của biogas [30]

Có nhiều công nghệ khác nhau để sản xuất khí sinh học, ví dụ: một giai đoạn, hai giai đoạn và tiêu hóa khô Chất nền, công nghệ sản xuất và thu gom khí, tất cả đều ảnh hưởng đến thành phần của khí (Bảng 5.1)

Có nhiều công nghệ khác nhau để sản xuất khí sinh học, ví dụ như một giai đoạn, hai giai đoạn,… Chất nền, công nghệ sản xuất và thu gom khí đều ảnh hưởng đến thành phần của khí

Bảng 5.2 Thành phần của biogas với công nghệ của các nước khác nhau [30]

Thành Phần Pháp Đức Thụy Điển Áo Hà Lan

S (mg/Nm3