Sau khi tổng hợp được ethanol theo tiêu chuẩn quy định, có thể pha trộn với xăng, dầu mỏ để tạo xăng sinh học. Tỉ lệ pha trộn các loại nhiên liệu ethanol – xăng (E5, E10, E20, E30...) ở đây E là chỉ ethanol, chỉ số tiếp theo chỉ phần trăm ethanol (E5: xăng có pha 5% ethanol). Với nồng độ ethanol nhỏ hơn hoặc bằng 10% thì không phải thay đổi cơ cấu động cơ. Nhưng nếu nồng độ ethanol lớn hơn 10% thì phải thiết kế lại động cơ khi sử dụng nhiên liệu này.
Theo các nhà khoa học, về mặt nhiệt lượng thì 1,5 lít ethanol có thể thay thế cho một lít xăng. Nếu pha 10 – 15% ethanol vào xăng thì công suất, hiệu suất và độ mài mòn động cơ hầu như không đổi.
Bảng 1.7 cho thấy khi thay đổi tỷ lệ phối trộn ethanol – xăng thì áp suất hơi bão hòa (RVP); trị số octan, nhiệt trị của nhiên liệu thay đổi. Khi tăng hàm lượng ethanol thì áp suất hơi bão hòa (RVP) tăng và đạt giá trị lớn nhất ở E10 và sau đó thì giảm, trị số octan tăng, nhiệt trị của nhiên liệu giảm vì nhiệt trị của ethanol thấp hơn xăng.
Bảng 1.7. So sánh tính chất lý hóa của các nhiên liệu khác nhau
Đặc tính Nhiên Liệu
E0 E5 E10 E20 E30
Trọng lượng riêng (kg/l,
15,50C) 0,7575 0,7591 0,7608 0,7645 0,7682
Chỉ số octan (RON) 95,4 96,7 98,1 100,7 102,4 RVP (kPa, ở 37,80C) 53,7 59,3 59,6 58,3 56,8 Hàm lượng lưu huỳnh (%) 0,0061 0,0059 0,0055 0,0049 0,0045 Hàm lượng chất keo rửa trôi
(mg/100ml) 0,2 0,2 0,2 0,6 0,2
Hàm lượng chất keo không
rửa trôi (mg/100ml) 18,8 18,6 17,4 15 14,4
Hàm lượng chì (g/l) <0,0025 <0,0025 <0,0025 <0,0025 <0,0025
10% thể tích 54,5 49,7 54,8 52,8 54,8 50% thể tích 94,4 88,0 72,4 70,3 72,4 90% thể tích 167,3 167,7 159,3 163 159,3 Điểm kết thúc 197,0 202,5 198,3 198,6 198,3 Nhiệt trị (cal/g) 10176 9692 9511 9316 8680 Cac bon (wt%) 86,6 87,7 86,7 87,6 86 Hydrogen (wt%) 13,3 12,2 13,9 12,3 13,9 Hàm lượng cặn (vol%) 1,7 1,5 1,5 1,5 1,5 Màu sắc Vàng Vàng Vàng Vàng Vàng
Ethanol là loại nhiên liệu được đánh giá là sạch hơn nhiều so với xăng có nguồn gốc từ dầu mỏ, khi sử dụng xăng ethanol sẽ có những ưu điểm nổi bật sau:
- Đây là nhiên liệu có nguồn gốc từ thực vật nên có thể tái tạo được.
- Vì có nguồn gốc sinh học nên quá trình sản xuất và sử dụng (đốt cháy) nhiên liệu này không làm tăng hiệu ứng nhà kính, không thải ra các chất thải độc hại cho môi trường.
- Bản thân xăng ethanol là xăng có trị số octan cao và không phải dùng đến các phụ gia độc hại để tăng chỉ tiêu này.
- Xăng ethanol có thể sử dụng tương thích trong các động cơ cũ nên không phải thiết kế lại động cơ.
- Xăng ethanol có khả năng phân hủy sinh học nên không gây độc hại cho môi trường.
- Chính hàm lượng oxy trong xăng ethanol cao đã giảm được đáng kể lượng lượng khí thải CO từ 25% - 35% (do quá trình cháy kiệt hơn của CO tạo thành khí ít độc hại hơn là CO2, giảm phát thải NOx tới 20%, (theo nghiên cứu của Viện US EPA của Mỹ).
Tuy nhiên, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng xăng pha cồn như hỗn hợp rất háo nước, trong khi đó Việt Nam có độ ẩm rất cao, các bể chứa thường được chôn sâu dưới đất nên rễ hấp thụ hơi nước, làm xăng bị lẫn một lượng nước nhất định. Trong quá trình tồn chứa, nước sẽ tách thành pha riêng gây ăn mòn đáy bồn và làm giảm chất lượng của xăng. Chính vì lý do đó mà cần phải có các nghiên cứu cơ bản về vấn đề chống tách pha trong xăng ethanol.
1.4 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI
1.4.1 Tình hình phát triển nhiên liệu biodiesel
Theo thống kê tại hội nghị khoa học toàn quốc năm 2008, sản lượng dầu thực vật của thế giới đạt khoảng 141 tỷ lít. Trung bình sản lượng dầu thực vật tăng khoảng 5,2% mỗi năm. Năm 2008, 80% dầu thực vật được sử dụng trong lĩnh vực thực phẩm. Đến năm 2010 Châu Âu sản xuất được 9,2 tỷ lít trên tổng cộng 17,61 tỷ lít của toàn thế giới (chiếm 52,2%). Sản lượng biodiesel sản xuất ở các khu vực trên thế giới được phân bố theo hình 1.6.
3.60% 0.32% 0.57% 52.20% 20.50% 12.01% 10.80% Bắc Mỹ Châu Âu Châu Đại dương Các nước khác Châu Phi Trung/Nam Mỹ Châu Á - TBD
Hình 1.6. Sản lượng biodiesel sản xuất được phân bố tại các khu vực trên thế giới năm 2010
Năm 2010 lượng biodiesel tiêu thụ trên toàn thế giới khoảng 16,31 trong đó tập chung chủ yếu vào khu vực Châu Âu với khoảng 66,3% theo hình 1.7.
3.80% 0.35% 0.00% 66.33% 13.51% 9.20% 6.80% Bắc Mỹ Châu Âu Châu Đại dương Các nước khác Châu Phi Trung/Nam Mỹ Châu Á - TBD
Ta nhận thấy phần lớn lượng nhiên liệu nhiên liệu biodiesel được sản xuất và tiêu thụ tại khu vực Châu Âu (chủ yếu là Tây Âu), hiện nay các nước tại khu vực Trung – Nam Mỹ đang phát triển rất nhanh đặc biệt là Brazin và Mỹ.
Ở Mỹ, ngành công nghiệp biodiesel tăng trưởng rất mạnh, theo Hội Nhiên liệu sinh học Mỹ, với sự ủng hộ của chính phủ, lượng sản phẩm này bán ra với gần 2 tỷ galon mỗi năm. Với mức độ thâm nhập thị trường như vậy, biodiesel có thể xe buýt, xe tải nặng, các loại phương tiện cho ngành đường sắt, nông nghiệp, xây dựng, thậm chí hệ thống sưởi trong gia đình và máy phát điện.
Ở Pháp, trên 50% số người có xe với động cơ diesel đã sử dụng nhiên liệu biodiesel. Đã có hơn 4000 phương tiện sử dụng nhiên liệu có pha 30% biodiesel, các phương tiện này đã chạy hơn 200 triệu km mà không hề có một hỏng hóc nào liên quan đến nhiên liệu.
Ở Đức năm 1991 bắt đầu đưa ra chương trình phát triển biodiesel, đến năm 1995 đã có 13 nhà máy sản xuất biodiesel với tổng công suất là 1 triệu tấn/năm. Tháng 1/2005 CHLB Đức đã ban hành sắc lệnh bắt buộc phải pha 5% biodiesel vào dầu DO.
Tại châu Á, điển hình là Thái Lan, Bộ Năng lượng đã đưa ra mục tiêu sử dụng dầu diesel pha thêm 5% biodiesel vào năm 2011 và pha 10% vào năm 2012 trong phạm vi toàn quốc.
Hiện nay trước tình trạng đang cạn kiệt nguồn nhiên liệu diesel từ dầu mỏ và vấn đề ô nhiễm môi trường trên toàn thế giới, các nước trên thế giới đã và đang quan tâm đến việc phát triển nhiên liệu sinh học biodiesel nhằm thay thế dần cho nhiên liệu diesel khoáng.
1.4.2 Tình hình phát triển nhiên liệu xăng ethanol
Hiện nay, trên thế giới Mỹ và Brazil là hai quốc gia có lượng sản xuất và tiêu thụ nhiên liệu ethanol lớn nhất thế giới. Năm 2010, Mỹ có sản lượng Ethanol lớn nhất thế giới khoảng 42,86 tỷ lít, Tiếp theo là Brazil với 26,09 tỷ lít và trung quốc với 7,19 tỷ lít, trên tổng cộng 91,66 tỷ lít của toàn thế giới. Tại Mỹ, ethanol được sản xuất phần lớn từ cây ngô, còn tại Brazil cây mía được trồng trên quy mô công nghiệp để sản xuất cồn ethanol như hình 1.8.
Hình1.8. Những cánh đồng mía lớn để sản xuất nhiên liệu sinh học ethanol ở quy mô công nghiệp tại Brazil.
Tỷ trong ethanol được sản xuất và tiêu thụ theo theo các khu vực được thống kê năm 2010 như hình 1.9.
0.34% 0.78% 50.32% 11.70% 30.40% 6.40% 0.06% Bắc Mỹ Châu Âu
Châu Đại dương Các nước khác Châu Phi Trung/Nam Mỹ Châu Á - TBD
Hình 1.9. Tỷ trọng ethanol sản xuất của thế giới theo khu vực năm 2010
Ethanol phần lớn được sản suất tại các nước Bắc Mỹ đặc biệt là Mỹ và các nước Nam Mỹ chủ yếu là Brazin. Các nước tại khu vực Châu á cũng đang phát triển rất mạnh chiếm 11,7% năm 2010. Rất nhiều nước trên thế giới đã bán xăng E5 – E25, thậm chí là E85, E100 cho các xe FFV (Flexible Fuel Vehicles). Năm 2010 thế giới tiêu thụ hết 73,74 lít ethanol, lượng ethanol tiêu thụ phân bố theo khu vực như hình 1.10. 0.41% 0.12% 59.77% 3.90% 29.40% 6.40% 0.00% Bắc Mỹ Châu Âu Châu Đại dương Các nước khác Châu Phi Trung/Nam Mỹ Châu Á - TBD
Brazin sản xuất mỗi năm khoảng 14 tỷ lít cồn từ cây mía và tạo việc làm cho hàng triệu người, tiết kiệm được trên 60 tỷ USD tiền nhập xăng dầu trong 3 thập kỷ qua. Số tiền này lớn gấp 10 lần chi cho chương trình trên và gấp 50 lần số tiền trợ cấp ban đầu. Năm 2005 có 70% số ô tô đã sử dụng nhiên liệu sinh học. Hiện nay, toàn bộ số xăng chạy ô tô của Brazin đều pha 20 – 25% ethanol sinh học. Brazin có thể sản xuất lượng ethanol thay thế 10% nhu cầu xăng dầu của thế giới trong vòng 20 năm tới với lượng xuất khẩu khoảng 200 tỷ lít so với mức 30 tỷ lít hiện nay. Luật pháp Brazin quy định tất cả các loại xe sử dụng xăng có pha 22% ethanol và nước này đã có 20% số xe chỉ sử dụng ethanol 100%. Từ nay đến năm 2015 dự định sẽ đưa vào hoạt động hơn 70 nhà máy chuyên sản xuất ethanol.
Trong khối EU nhiên liệu sinh học là một ưu tiên trong chính sách môi trường và giao thông theo ước tính của các nhà kinh tế sử dụng nhiên liệu sinh học, hàng năm có thể tiết kiệm được 120 triệu thùng dầu thô. EU đạt mục tiêu đến năm 2020 sản xuất điện năng từ gốc các nguồn năng lượng tái sinh và còn quy định các nước thành viên phải sử dụng ít nhất 10% nhiên liệu sinh học từ nay đến năm 2020.
Mỹ đề ra đến năm 2020 sử dụng 20% nguồn nhiên liệu sinh học trong giao thông.
Indonesia trợ cấp khoảng 7 tỷ cho năng lượng. Nước này đạt mục tiêu đến năm 2010 nhiên liệu sinh học đáp ứng 10% nhu cầu cho ngành điện và giao thông.
Tại Trung Quốc các tỉnh Hà Nam, An Huy, Cát Lâm, Hắc Long Giang... đã sản xuất ethanol từ lương thực tồn kho với sản lượng là 1,02 triệu tấn/năm. Nước này đang nghiêm cứu công nghệ sản xuất ethanol từ xenlulozơ và hiện đã có cơ sở đạt 600 tấn/năm. Theo kế hoạch đến năm 2020 sản lượng nhiên liệu sinh học của Trung Quốc đạt 19 triệu tấn trong đó ethanol đạt 10 triệu tấn.
Malaysia hiện có 3 nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học với công suất 276.000 tấn/năm. Chính phủ nước này đặt mục tiêu xuất khẩu 1 triệu tấn dầu diesel sinh học vào năm 2007 – 2008.
Thái Lan, năm 2007 đã có 79,2 triệu gallon ethanol được sử dụng đứng thứ 6 thế giới. Trong đó nhiên liệu E10 được sử dụng rộng rãi. Năm 2008 bắt đầu đưa vào sử dụng E20 và E85.
Thế giới đang đứng trước tình trạng cạn kiệt nguồn năng lượng phục vụ cho nhu cầu sản xuất và sinh hoạt hàng ngày của con người đặc biệt là chúng ta đang chịu ảnh hưởng trực tiếp của môi trường. Nhiên liệu sinh học lại có khả năng khắc phục được các vấn đề đó, do vậy các nước trên thế giới đang đẩy mạnh việc phát triển, sử dụng nhiên liệu sinh học để giảm bớt sự phụ thuộc vào nhiên liệu khoáng truyền thống, đảm bảo an ninh năng lượng trong mỗi quốc gia.
CHƯƠNG 2
THỰC TRẠNG PHÁT TRIỂN VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TẠI VIỆT NAM
2.1. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU ETHANOL Ở VIỆT NAM
2.1.1. Thực trạng nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol tại Việt Nam
Việt Nam có một tiềm năng nguồn nhiên liệu sinh khối đáng kể, là những sản phẩm thừa trong quá trình chế biến nông, lâm sản như rơm rạ, vỏ trấu, cỏ, lá mùn cưa, bã mía và một số chất thải nông nghiệp khác. Nguồn nhiên liệu sinh khối từ gỗ khoảng 75 – 80 triệu tấn/năm, tương đương 26 – 28 triệu tấn dầu/năm. Năng lượng sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp chiếm khoảng 30 triệu tấn/năm tương đương với 10 triệu tấn dầu/năm trong đó đáng kể là các nguyên liệu trấu, rơm rạ, bã mía, mùn cưa. Nguồn nguyên liệu sinh khối từ vỏ trấu là đáng kể nhất ở Việt Nam khoảng 5 – 7 triệu tấn/năm trong đó đồng bằng sông Cửu Long có khoảng 4,5 – 5 triệu tấn/năm.
Một loại phụ phẩm thứ hai có thể được tận dụng là vỏ cà phê. Trong một thời gian ngắn, Việt Nam đã vươn thành một quốc gia xuất khẩu cà phê hàng đầu thế giới, chỉ sau Brazin. Trong tiến trình trích hạt cà phê để xuất khẩu đã để lại rất nhiều vỏ, nếu bỏ đi thì lãng phí và gây ô nhiễm. Theo ước tính của giới chuyên gia hàng năm ngành cà phê phải bỏ đi khoảng 400 nghìn tấn vỏ. Loại vỏ này có thời gian phân hủy lâu hơn các loại khác, gây ô nhiễm môi trường.
Tất cả các loại phế phẩm, phụ phẩm đó đều có thể dùng làm nguyên liệu để sản xuất ethanol, tạo ra một lượng nhiên liệu sinh học lớn đáp ứng được một phần nhu cầu sử dụng năng lượng của địa phương. Mặt khác nó còn góp phần vào công cuộc phát triển kinh tế của đất nước và môi cải thiện trường sống.
Hình 2.1. Phần vỏ chiếm từ 40 đến 45% hạt cà phê là nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất nhiên liệu sinh học
Theo các nhà khoa học vỏ hạt cà phê thuộc loại chất hữu cơ, hoàn toàn có thể lên men để chuyển hóa thành cồn ethanol. Đây loại phế phẩm nổi bật trong các ngành xuất khấu lớn của nước ta.
Ở Việt Nam, sắn là cây lương thực quan trọng có sản lượng đứng thứ ba sau lúa và ngô. Trong những năm gần đây cây sắn đã chuyển đổi vai trò từ cây lương thực thành cây công nghiệp với tốc độ cao và năng suất tăng lên đáng kể. Năm 2011, diện tích sắn cả nước đạt 560 ngàn ha, năng suất bình quân 17,63 tấn/ha, sản lượng 9,87 triệu tấn (Tổng cục Thống kê, 2013). Trong đó diện tích và sản lượng sắn được phân bố chủ yếu ở các vùng như sau:
Vùng Bắc Trung Bộ và Duyên hải miền Trung có diện tích sắn năm 2011
ước đạt 168.600 ha (chiếm 30,10 % diện tích sắn cả nước), năng suất đạt 17,66 tấn/ha và sản lượng đạt 2.977.900 tấn củ tươi (chiếm 30,15 % sản lượng sắn cả nước). Diện tích sắn nhiều nhất là các tỉnh Bình Thuận, Nghệ An, Quãng Ngãi, Phú Yên.
Vùng Tây Nguyên có diện tích sắn năm 2011 đạt 154.600 ha (chiếm 27,60
% diện tích sắn cả nước), năng suất 16,70 tấn/ha, sản lượng 2.582.200 tấn củ tươi (chiếm 26,15 % sản lượng sắn toàn quốc). Sắn trồng nhiều ở các tỉnh Gia Lai, Kon Tum, Đắk Lắk và Đắk Nông.
Vùng trung du miền núi phía Bắc diện tích sắn năm 2011 đạt 117.200 ha
(chiếm 20,92 % diện tích sắn toàn quốc), năng suất đạt 12,36 tấn/ha, sản lượng 1.448.900 tấn củ tươi (chiếm 14,67 % sản lượng sắn toàn quốc). Sắn trồng nhiều nhất ở các tỉnh Sơn La, Yên Bái và Hòa Bình.
Vùng Đông Nam Bộ diện tích sắn năm 2011 đạt 99.000 ha (chiếm 17,68 %
diện tích trồng sắn toàn quốc), năng suất sắn 25,34 tấn/ha cao nhất nước, sản lượng ước đạt 2.536.500 tấn củ tươi (chiếm 25,68 % sản lượng sắn toàn quốc). Sắn trồng nhiều ở Tây Ninh, Bình Phước, Đồng Nai, Bà Rịa – Vũng Tàu và Bình Dương.
Như vậy, sắn là nguyên liệu khá dồi dào được phân bố trên tất cả các vùng trong cả nước, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển nhiên liệu sinh học ở nước ta. Vì vậy cần có những quy hoạch vùng nguyên liệu sắn cụ thể cho việc sản xuất ethanol và những định hướng giúp bà con nông dân phát triển vùng sắn nguyên liệu cung cấp ổn định cho các nhà máy sản xuất ethanol và mang lại giá trị kinh tế lớn cho bà con nông dân.
Hình 2.2. Cây sắn là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất xăng sinh học tại Việt Nam
Hiện nay, các nhà máy NLSH hầu hết được xây dựng tại các vùng có nguyên liệu sắn lát khô dồi dào. Tuy nhiên, khi các nhà máy đi vào hoạt động ổn định sẽ cần một lượng sắn lát khô nguyên liệu khoảng 1,47 triệu tấn. Hiện nay sắn lát khô đang được xuất khẩu với số lượng khá lớn (ước khoảng hơn 1 triệu