3.1 Khái niệm nhiên liệu sinh học (NLSH) và tình hình sản xuất, sử dụng hiện nay trên thế giới
NLSH là khái niệm chung chỉ tất cả những dạng NL có nguồn gốc sinh học, có thể tạm chia làm mấy nhóm sau:
- Xăng sinh học - xăng pha cồn etanol
- Điêzen sinh học - điêzen pha cồn etanol hoặc dầu thực vật như dầu dừa, cọ, dầu hạt cải...
- Sinh khối - rơm rạ, củi, bã mía, trấu,...
- Khí sinh học - những loại hỗn hợp khí tạo thành do sự phân hủy yếm khí trong nông, lâm nghiệp, chăn nuôi, xử lý chất thải...
Trong đó, hai dạng NLSH được sản xuất, sử dụng ở quy mô công nghiệp là xăng sinh học và diesel sinh học, ở đây chúng ta cũng quan tâm chủ yếu đến hai dạng này
3.1.1 Điêzen sinh học 3.1.1.1 Khái niệm
Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Diesel sinh học nói riêng, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại năng lượng tái tạo. Nhìn theo phương diện hóa học thì diesel sinh học là methyl este của những axít béo.
3.1.1.2 Sản xuất
Để sản xuất diesel sinh học, người ta pha khoảng 10% metanol vào dầu thực vật và dùng nhiều chất xúc tác khác nhau (đặc biệt là hidroxit natri, hidroxit kali và các ancolat). Ở áp suất thông thường và nhiệt độ vào khoảng 60°C liên kết este của glyxerin trong dầu thực vật bị phá hủy và các axít béo sẽ được este hóa với mêtanol. Chất glyxêrin hình thành phải được tách ra khỏi dầu diesel sinh học sau đấy.
Thông qua việc chuyển đổi este này dầu diesel sinh học có độ nhớt ít hơn dầu thực vật rất nhiều và có thể được dùng làm nhiên liệu thay thế cho dầu diesel mà không cần phải cải biến động cơ để phù hợp.
Chữ đầu tự dùng cho tất cả các methyl este từ dầu thực vật theo DIN EN 14214 là PME (có giá trị toàn Châu Âu từ 2004).
Tùy theo loại của nguyên liệu cơ bản người ta còn chia ra thành:
- RME: Methyl este của cây cải dầu (Brassica napus) theo DIN EN 14214 (có giá trị toàn Châu Âu từ 2004).
- SME: Methyl este của cây đậu nành hay dầu cây hướng dương - PME: Methyl este của cây dầu dừa hay dầu hạt cau.
Bên cạnh đó còn có mêthyl este từ mỡ nhưng chỉ có những sản phẩm hoàn toàn từ dầu thực vật (PME và đặc biệt là RME) là được dùng trong các loại xe diesel hiện đại, khi được các nhà sản xuất cho phép.
* Sản xuất diesel sinh học từ cây cải dầu
Với điều kiện ở Châu Âu thì cây cải dầu (Brassica napus) với lượng dầu từ 40% đến 50% là cây thích hợp để dùng làm nguyên liệu sản xuất diesel sinh học. Dầu được ép ra từ cây cải dầu, phần còn lại được dùng trong công nghiệp sản xuất thức ăn cho gia súc. Trong một phản ứng hóa học đơn giản giữa dầu cải và mêtanol có sự hiện diện của một chất xúc tác, glyxêrin và mêtanol trao đổi vị trí cho nhau, tạo thành methyl este của axít béo và glyxêrin
* Ưu và nhược điểm đối với môi trường
Quy trình sản xuất không có chất thải vì tất cả các sản phẩm phụ đều có thể được tiếp tục sử dụng. Bã cây cải dầu được dùng làm thức ăn gia súc và glyxêrin có thể được tiếp tục dùng trong công nghiệp hóa (thí dụ như trong mỹ phẩm).
Thế nhưng cây cải dầu phải được trồng luân canh, tức là chỉ có thể trồng cây cải dầu trên cùng một cánh đồng từ 3 đến 5 năm một lần. Vì nguyên nhân này mà việc tiếp tục tăng sản xuất cải dầu là một việc khó khăn.
3.1.1.2 Nhà máy sản xuất diesel sinh học tại Zistersdorf (Áo) 3.1.1.3. Tiềm năng thị trường của diesel sinh học
Diesel sinh học được tạo thành từ một phản ứng hóa học rất đơn giản. Diesel sinh học có nhiều ưu điểm: đối với môi trường so với diesel thông thường: Diesel sinh học từ cây cải dầu phát sinh khí thải ít hơn rất nhiều so với nhiên liệu hóa thạch. Bụi trong khí thải được giảm một nửa, các hợp chất hyđrocacbon được giảm thiểu đến 40%. Diesel sinh học gần như không chứa đựng lưu huỳnh, không độc và có thể được dễ dàng phân hủy bằng sinh học. Diesel sinh học hiện nay được coi là một trong những nhiên liệu thân thiện với môi trường nhất trên thị trường. Mặc dầu hiện nay có thể mua diesel sinh học tại rất nhiều trạm xăng (riêng tại Đức là 1.900 trạm) nhưng diesel sinh học chưa được người tiêu dùng sử dụng nhiều do có nhiều nguyên nhân: Nhiều người tiêu dùng không tin tưởng vào loại nhiên liệu mới này vì không tưởng tượng được là có thể lái xe dùng một nhiên liệu hoàn toàn từ thực vật. Một vấn đề khác là rất nhiều người không biết chắc chắn là liệu ô tô của họ có thể sử dụng được diesel sinh học hay không.
Thiếu thông tin cho người tiêu dùng và các câu hỏi về hư hỏng sau này do diesel sinh học gây ra có thể là những vấn đề lớn nhất cho việc chấp nhận rộng rãi việc dùng diesel sinh học.
Tại châu Âu đã nhiều lần có ý kiến cho là nên pha thêm vào nhiên liệu diesel thông thường khoảng từ 3% đến 5% diesel sinh học vì phần diesel sinh
học này được coi là không có hại ngay cả cho những xe cơ giới chưa được trang bị thích hợp.
Ở Pháp việc này đã được thực hiện từ lâu: diesel thông thường được pha trộn thêm lượng diesel sinh học mà nông nghiệp nước Pháp có khả năng sản xuất. Tại Pháp chất lượng diesel thông thường có thành phần diesel sinh học là 5%, tránh được các nhược điểm kỹ thuật.
Từ đầu năm 2004 các trạm xăng ARAL và Shell ở Đức đã bắt đầu thực hiện chỉ thị 2003/30/EC của EU mà theo đó từ ngày 31 tháng 12 năm 2005 ít nhất là 2% và cho đến 31 tháng 12 năm 2010 ít nhất là 5,75% các nhiên liệu dùng để chuyên chở phải có nguồn gốc tái tạo.
Tại Áo một phần của chỉ thị của EU đã được thực hiện sớm hơn và từ ngày 1 tháng 11 năm 2005 chỉ còn có dầu diesel với 5% có nguồn gốc sinh học là được phép bán.
Braxin, nơi mà ethanol sinh học được sử dụng riêng hoặc được pha vào xăng với tỷ lệ khoảng 26%. Hàm lượng năng lượng của nó bằng khoảng 65% năng lượng của xăng. ở Braxin, etanol sinh học có thể cạnh tranh với xăng từ dầu thô với giá dưới 30 đôla/ thùng mà không cần hỗ trợ về thuế. Sản lượng etanol ở đây đạt 10 triệu tấn/ năm. Tỷ lệ kết hợp tốt nhất trong sản xuất của các nhà máy đường mía + etanol là: 50% etanol/ 50% đường, nó cho phép giảm giá mỗi tấn sản phẩm đường khoảng 10%. Một số nhà máy chưng cất etanol được xây dựng vào thập niên 1980 giờ đây đã được chuyển đổi để sản xuất cả đường và etanol. Kinh nghiệm của Braxin đã tác động mạnh vào sự phát triển của ngành mía đường trên toàn thế giới.
Ở Mỹ, etanol sinh học được sản xuất từ ngô và được sử dụng ở dạng khan, thường được pha với tỷ lệ 10% trong một loại xăng đặc biệt. Nhờ giảm chi phí sản xuất và giảm thuế nên etanol có thể cạnh tranh với xăng sản xuất từ dầu thô với giá dưới 25 đôla/thùng. Trong năm 2003, Mỹ đã có kế hoạch hỗ trợ thêm 1 tỷ đôla mỗi năm để tăng sản lượng etanol sinh học lên hơn 10 triệu tấn/năm.
Nhiều quốc gia khác, bao gồm Ôxtrâylia, Thái Lan, Trung Quốc đã bắt đầu hoặc thông báo các chương trình nhiên liệu sinh học. Trong Liên minh châu Âu, Pháp bắt đầu sản xuất etanol sinh học vào năm 1994 từ củ cải đường và lúa mỳ, etanol được chuyển thành ETBE rồi được pha vào xăng với tỷ lệ 15%. Hiện nay, Đức, Thổ Nhĩ Kỳ, Ý, Hà Lan và Thụy Điển đang hỗ trợ các chương trình nhiên liệu sinh học bằng cách giảm thuế ở các mức khác nhau.
Nước Anh đã tụt hậu trong cuộc chạy đua nhiên liệu sinh học, nhưng sự tăng giá dầu thô hiện nay đã tạo cơ hội cho ngành nhiên liệu sinh học ở Anh phát triển dựa vào các cây trồng trong nước.
Để đáp ứng mục tiêu năm 2020 của Liên minh châu Âu về các cây trồng trong nước như củ cải đường, lúa mỳ, và hạt cải dầu, nước Anh sẽ cần tăng gấp đôi sản lượng củ cải đường, và tăng 25% sản lượng lúa mỳ. Khoảng 625.000 hécta đất sẽ cần cho etanol và 1 triệu hecta nữa cho RME: tất cả các diện tích bỏ hoang (500.000 hécta) sẽ phải được trồng trọt trở lại vào năm 2009.
Giá dầu hiện nay khoảng 50 đôla/ thùng, với mức giảm thuế khoảng 0,20 bảng Anh/lít thì diesel sinh học sẽ trở nên có sức cạnh tranh. Hiện nay, khả năng phát triển của nhiên liệu etanol vẫn phụ thuộc nhiều vào giá nguyên liệu củ cải đường và lúa mì. Nhưng hy vọng, một ngày gần đây chúng ta có thể đổ đầy xe ô tô của mình bằng xăng chứa nhiên liệu sinh học sản xuất từ củ cải đường.
3.1.1.4. Các vấn đề khi chuyển sang dùng diesel sinh học
Khi muốn chuyển sang sử dụng diesel sinh học thì chính sách thông tin của nhà sản xuất xe có thể trở thành một vấn đề lớn. Thường thì chỉ sau khi tốn nhiều thời gian kiên trì đặt câu hỏi người ta mới nhận được thông tin về việc là liệu một kiểu xe nhất định đã được cho phép dùng diesel sinh học hay không và mặc dù là diesel sinh học đã có trên thị trường từ 10 năm nay nhưng phần lớn các ô tô được sản xuất hằng loạt đều không thích nghi với diesel sinh học.
Khi dùng nhiên liệu diesel sinh học cho một xe cơ giới không thích nghi với PME, diesel sinh học sẽ phá hủy các ống dẫn nhiên liệu và các vòng đệm bằng cao su. Nguyên nhân là do diesel sinh học có tính chất hóa học của một chất làm mềm , chất cũng có trong các ống dẫn nhiên liệu và vòng đệm bằng cao su. Diesel sinh học sẽ thay thế các chất làm mềm trong các ống và vòng đệm này, vật liệu lúc đầu sẽ phồng lên, lúc này nếu dùng dầu diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ thì dầu diesel này sẽ rửa sạch diesel sinh học. Không có chất làm mềm vật liệu sẽ cứng và bị thẩm thấu nước.
Một vấn đề khác là việc nhiên liệu đi vào nhớt của động cơ tại các động cơ diesel có bộ phun nhiên liệu trực tiếp. Vấn đề này thường xảy ra trong thời gian vận hành có những thời gian chạy không tải lâu dài. Lượng nhiên liệu phun càng ít thì lượng phân tán của miệng phun càng giảm và vì thế có xu hướng hình thành những giọt nhiên liệu không cháy bám vào thành của xilanh nhiều hơn và sau đó đi vào hệ thống tuần hoàn bôi trơn. Tại đây độ bền hóa học kém của RME là một nhược điểm: RME bị phân hủy dần trong hệ tuần hoàn bôi trơn vì nhiệt độ cao tại đây, dẫn đến các chất cặn thể rắn hay ở dạng keo. Vấn đề này và tính bôi trơn kém đi của nhớt động cơ khi có nồng độ nhiên liệu cao có thể dẫn đến việc động cơ bị hao mòn nhiều hơn, vì thế mà người ta khuyên là khi vận hành bằng PME nên rút ngắn thời kỳ thay nhớt.
Một ưu điểm của PME có thể lại trở thành nhược điểm khi được sử dụng thực tế ở các loại xe cơ giới: dễ bị phân hủy bằng sinh học và đi cùng là không bền lâu. Oxi-hóa và nước tích tụ sẽ làm xấu đi các tính chất của PME sau một thời gian tồn trữ. Vì thế mà PME thường ít được khuyên dùng cho các xe ít được vận hành.
Ngoài ra thì vì việc đốt cháy khác nhau nên các động cơ mới không được chứng nhận là thích nghi với PME có thể có vấn đề với các bộ phận điện tử của động cơ, những thiết bị mà đã được điều chỉnh để dùng với diesel thông thường. Đặc biệt là những xe cơ giới được trang bị bộ lọc mụi than trong khí thải thường
hay có vấn đề vì những hệ thống này đã được điều chỉnh trước để tăng lượng nhiên liệu phun sau mỗi 500 đến 1.000 km nhằm đốt các hạt muội than trong bộ lọc. Điều tốt và có lý nếu dùng diesel thông thường này lại trở thành điều xấu khi dùng diesel sinh học: nếu sử dụng diesel sinh học thì việc tăng lượng nhiên liệu phun sẽ làm loãng nhớt động cơ. Nếu sử dụng thuần túy diesel sinh học thì việc đốt các hạt muội than trong bộ lọc trở thành không cần thiết nữa. Vì thế trong tương lai sẽ có những thiết bị cảm biến nhiên liệu dùng để nhận biết chất lượng của nhiên liệu. Lượng và thời điểm phun nhiên liệu đều có thể được tối ưu hóa.
Kinh nghiệm trong lãnh vực xe chuyên chở cho thấy là việc sử dụng diesel sinh học nhiều năm có thể dẫn đến hư hỏng bơm nhiên liệu, đặc biệt là ở những động cơ có bộ phận bơm–phun nhiên liệu trực tiếp. Xe này tuy đã được cho phép vận hành với diesel sinh học nhưng nhà sản xuất bộ phận bơm phun (Bosch AG) thì lại không cho phép công khai dùng với RME. Người ta nói là vì phân tử RME có độ lớn khác với diesel thông thường và các phân tử RME trong các kênh dẫn tinh vi không có khả năng bôi trơn đầy đủ ở áp suất cao và vì thế là nguyên nhân dẫn đến hao mòn nhanh hơn.
3.1.2 Xăng sinh học
Nguyên liệu để sản xuất xăng sinh học, chính là cồn công nghiệp tinh khiết 100% (hay còn gọi là ethanol) và một phần xăng. Các nhà khoa học đã chứng minh được rằng, khi pha một lượng cồn nhất định vào xăng với tỉ lệ 10%, hay 20% và thậm chí cao hơn thì các động cơ vẫn hoạt động tốt.
Để sản xuất được xăng sinh học đủ tiêu chuẩn, thì nhất thiết phải có loại cồn 100% (cồn tuyệt đối), chứ không thể dùng cồn 95,5% (còn chứa nước). Nếu dùng loại cồn còn chứa nước pha vào xăng, có thể động cơ sẽ không hoạt động do hỗn hợp cồn - nước sẽ tạo ra một hỗn hợp khác cháy ở nhiệt độ cao. Nhưng việc sản xuất cồn tinh khiết 100% ở qui mô công nghiệp trong điều kiện của Việt Nam không phải là chuyện đơn giản.
Đây là dạng NLSH đang được sản xuất, sử dụng với khối lượng rất khổng lồ, năm 2004 sản lượng cồn trên thế giới khoảng 40 tỷ lít trong đó có đến 60 - 65% được dùng làm NL. Lượng cồn sản xuất tập trung chủ yếu ở một số khu vực như sau:
.1.2 Sản lượng các quốc gia
Xăng sinh học hiện đang được sử dụng với quy mô lớn ở Braxin, Mỹ, Canađa và gần đây là Trung Quốc.
Braxin là quốc gia đầu tiên trên thế giới có công đưa NLSH trở thành dạng NL phổ biến như ngày nay. Vào đầu những năm 1970, giá dầu mỏ tăng đột biến đã khiến cho các nhà khoa học Braxin nghĩ đến việc tận dụng thế mạnh về ngành mía đường của mình để sản xuất etanol làm NL thay thế một phần cho NL truyền thống, nhằm giảm đi sự lệ thuộc vào nguồn dầu mỏ nhập khẩu.
Trải qua hơn 30 năm phát triển, ngày nay ngành công nghiệp sản xuất cồn và NLSH của Braxin đã trở thành ngành kinh tế trọng yếu của đất nước với doanh thu hàng năm lên tới gần 10 tỷ USD. Hiện có khoảng 4,2 triệu xe ô tô chạy hoàn toàn bằng cồn khan và 7,2 triệu xe khác sử dụng NL hỗn hợp - xăng
Khu vực, quốc gia Sản lượng (tỷ lít / năm)
Braxin 14 Mỹ 10 Trung Quốc 3 LB Nga 2.5 Ấn Độ 2 Tây Âu 2
pha 22 - 24% cồn. Cả nước có tới 25.000 trạm cung cấp các dạng NLSH ở khắp nơi trong cả nước.
Mỹ sản xuất và sử dụng NLSH với quan điểm hoàn toàn khác với Braxin, xuất phát từ nhu cầu giải quyết tạm thời việc thiếu thị trường tiêu thụ ngô. Năm 1978, Tổng thống J.Carter là người đầu tiên đưa ra chương trình giảm thuế cho các nhà sản xuất cồn NL. Chính sách này đảm bảo tiêu thụ được lượng ngô thừa