3. Nội dung và phương phỏp nghiờn cứu
2.2.2 Đặc điểm nhiờn liệu biodiesel dầu cọ
Nhiờn liệu biodiesel dầu cọ được sản xuất từ tinh dầu (trilyceride) chiết xuất từ quả hoặc thõn cõy cọ dầu. Cú thể túm tắt phản ứng xỳc tỏc tạo nhiờn liệu (methyl este) của nhiờn liệu này như sau :
Tryglyceride + 3CH3OH 3CH3CO2R* + Glycerol
Ở đõy, 3 phần tử methyl este 3CH3CO2R* cú cỏc chuỗi liờn kết mạch thẳng R*
khỏc nhau của cỏc nguyờn tử cỏc bon (C) và nguyờn tử hydro (H). Glycerol (CH2OH-CHOH-CH2OH) sẽ được lọc tỏch ra khỏi methyl este.
Theo cỏc nhà sản suất nhiờn liệu biodiesel, chi phớ sản xuất biodiesel từ cọ dầu rẻ hơn so với cỏc sản xuất từ cỏc nguồn nguyờn liệu khỏc. Canh tỏc cọ dầu chiếm diện tớch trồng trọt ớt hơn so với đậu tương. Trờn một hecta cọ dầu cho 6000 lớt dầu, với đậu tương chỉ là 446 lớt. Vỡ vậy, nguồn nguyờn liệu dồi dào sẽ là một thế mạnh rất lớn của việc sản xuất biodiesel cọ dầu. Quỏ trỡnh chuyển húa dầu cọ với metanol tạo ra metyl este dầu cọ (biodiesel dầu cọ) nhờ sử dụng xỳc tỏc Na2CO3 cú năng xuất cao và khụng cú tạp chất độc hại trong nhiờn liệu. Cỏc tớnh chất của nhiờn liệu cũng tương tự như cỏc biodiesel sản xuất từ cỏc nguồn khỏc.
2.2.3 Ưu nhược điểm của nhiờn liệu biodiesel so với nhiờn liệu diesel húa thạch
a) Về đặc tớnh kinh tế kỹ thuật
* Ưu điểm
Ưu điểm lớn của dầu biodiesel là nú cú thể sử dụng trong cỏc động cơ diesel bỡnh thường mà khụng cần cải tạo lớn. Biodiesel hũa trộn tốt với nhiờn liệu diesel và sự trộn này giữ được lõu. Trong cỏc hỗn hợp cú hàm lượng biodiesel dưới 10% cú thể dựng thay thế trực tiếp nhiờn liệu diesel trong hầu hết cỏc động cơ mà khụng cần điều chỉnh động cơ hoặc hệ thụng nhiờn.
Biodiesel cú chỉ số cetane cao hơn so với diesel khoỏng. Đõy là chỉ số chỉ đơn vị đo khả năng tự bốc chỏy của nhiờn liệu diesel, trị số này cú ý nghĩa quan trọng trong sự bốc chỏy của nhiờn liệu diesel là dễ hay khú, nếu càng cao thỡ khả năng bắt lửa và chỏy càng tốt, động cơ chạy đều hơn ớt rung giật hơn. Đối với Diesel khoỏng thỡ trị số này từ 50 tới 54. Do biodiesel là cỏc alkyl mạch thẳng do vậy khả năng bẻ góy cỏc liờn kết trong phõn tử dễ hơn cần năng lượng nhỏ hơn so với diesel khoỏng nờn cú trị số cetan cao hơn diesel khoỏng vào khoảng 56 tới 58. Như vậy đõy là loại nhiờn liệu cú khả năng đỏp ứng được cho những động cơ cao tốc, đũi hỏi chất lượng
nhiờn liệu tốt, khả năng tự bốc chỏy cao mà khụng cần phải cho thờm phụ gia làm tăng chỉ số cetan.
Biodiesel cú thể trộn với diesel theo bất kỡ tỉ lệ nào. Giảm sự tiờu dựng cỏc sản phẩm dầu mỏ. Biodiesel ớt cú khả năng gõy chỏy nổ hơn so với diesel. Khả năng bụi trơn cao nờn làm giảm sự mài mũn của cỏc chi tiết trong hệ thống nhiờn liệu cũng như cỏc chi tiết khỏc trong động cơ hơn diesel khoỏng. Khả năng bụi trơn của nhiờn liệu được đặc trưng bởi trị số HFRR, núi chung giỏ trị HFRR 500 khi khụng cú phụ gia, nhưng giới hạn đặc trưng của diesel là 450. Do vậy diesel khoỏng yờu cầu phải cú phụ gia để tăng cường khả năng bụi trơn cho động cơ. Trong khi đú HFRR của biodiesel vào khoảng 200. Như vậy biodiesel cũn như một phụ gia tốt cho nhiờn liệu diesel khoỏng khi cho chỳng hũa trộn vào nhau theo một tỷ lệ thớch hợp. Chớnh vỡ vậy khi động cơ sử dụng biodiesel thỡ động cơ hoạt động ờm hơn.
Biodiesel an toàn trong quỏ trỡnh bảo quản và vận chuyển nhưng cần chỳ ý một số điểm như nhiệt độ, ỏp suất…Do biodiesel cú nhiệt độ chớp chỏy cao trờn 1100C cao hơn nhiều so với diesel khoỏng (vào khoảng 600C), vỡ vậy tớnh chất nguy hiểm của nú thấp hơn trong quỏ trỡnh bảo quản và vận chuyển.
Do cú tớnh năng tượng tự như dầu diesel nờn nhỡn chung khi sử dụng khụng cần cải thiện bất kỡ chi tiết nào của động cơ (riờng đối với cỏc hệ thống ống dẫn, bồn chứa làm bằng nhựa ta phải thay bằng vật liệu kim loại).
Sử dụng nhiờn liệu biodiesel ngoài vấn đề giải quyết ụ nhiễm mụi trường nú cũn thỳc đẩy ngành nụng nghiệp phỏt triển, tận dụng tiềm năng sẵn cú của ngành nụng nghiệp như dầu phế thải, mỡ động vật, cỏc loại dầu khỏc ớt cú giỏ trị sử dụng trong thực phẩm. Đồng thời đa dạng hoỏ nền nụng nghiệp và tăng thu nhập ở vựng miền nụng thụn. Hạn chế nhập khẩu nhiờn liệu diesel, gúp phần tiết kiệm cho quốc gia một khoảng ngoại tệ lớn.
* Nhược điểm
Khi dựng nhiờn liệu biodiesel cho một xe cơ giới khụng thớch nghi với diesel sinh học, nú sẽ phỏ hủy cỏc ống dẫn nhiờn liệu và cỏc vũng đệm bằng cao su.
Một vấn đề khỏc là việc nhiờn liệu đi vào dầu động cơ tại cỏc động cơ diesel cú bộ phun nhiờn liệu trực tiếp. Vấn đề này thường xảy ra trong thời gian vận hành khi động cơ được vận hành cú những thời gian chạy khụng tải lõu dài. Lượng nhiờn liệu phun càng ớt thỡ chất lượng phõn tỏn của miệng phun càng giảm và vỡ thế cú xu hướng hỡnh thành những giọt nhiờn liệu khụng chỏy bỏm vào thành của xi lanh nhiều hơn và sau đú là đi vào hệ thống tuần hoàn bụi trơn. Tại đõy độ bền húa học
kộm của biodiesel là một nhược điểm: biodiesel bị phõn hủy dần trong hệ tuần hoàn bụi trơn vỡ nhiệt độ cao tại đõy, dẫn đến cỏc chất cặn thể rắn hay ở dạng keo. Vấn đề này và tớnh bụi trơn kộm đi của dầu động cơ khi cú nồng độ nhiờn liệu cao cú thể dẫn đến việc động cơ bị hao mũn nhiều hơn, vỡ thế mà khi vận hành bằng biodiesel ta nờn rỳt ngắn thời kỳ thay dầu.
Một ưu điểm của biodiesel cú thể lại trở thành nhược điểm khi được sử dụng thực tế ở cỏc loại xe cơ giới: Dễ bị phõn hủy bằng sinh học và kốm theo đú là khụng bền lõu. ễxy húa và nước tớch tụ sẽ làm xấu đi cỏc tớnh chất của biodiesel sau một thời gian tồn trữ. Vỡ thế mà biodiesel thường ớt được khuyờn dựng cho cỏc xe ớt được vận hành.
Ngoài ra vỡ cỏc động cơ diesel hiện hành được thiết kế để làm việc thớch hợp và tối ưu với nhiờn liệu diesel truyền thống (diesel gốc húa thạch) trong khi đặc điểm chỏy của biodiesel cú khỏc với diesel húa thạch nờn cỏc động cơ diesel hiện hành khụng được chứng nhận là thớch nghi với biodiesel. Khi sử dụng, cú thể cú vấn đề với cỏc bộ phận điện tử của động cơ, những thiết bị mà đó được điều chỉnh để dựng với diesel thụng thường. Đặc biệt là những xe cơ giới được trang bị bộ lọc muội than trong khớ thải thường hay cú vấn đề vỡ những hệ thống này đó được điều chỉnh trước để tăng lượng nhiờn liệu phun sau mỗi 500 đến 1.000 km nhằm đốt cỏc hạt muội than trong bộ lọc.
Kinh nghiệm trong lĩnh vực giao thụng vận tải cho thấy là việc sử dụng biodiesel nhiều năm cú thể dẫn đến hư hỏng bơm nhiờn liệu, đặc biệt là ở những động cơ cú bộ phận bơm, phun nhiờn liệu trực tiếp vỡ tronh nhiờn liệu cú hàm lượng ụ xy cao và nhiờn liệu thường hỳt nước nờn cú một hàm lượng nước nhất định gõy an mũn cỏc vật liệu tiếp xỳc.
Biodiesel cú nhiệt độ đụng đặc cao hơn diesel gõy khú khăn cho cỏc nước cú nhiệt độ vào mựa đụng thấp. Tuy nhiờn đối với cỏc nước nhiệt đới, như Việt Nam chẳng hạn thỡ ảnh hưởng này khụng đỏng kể.
Khụng chỉ cú vậy, bio disel cú nhiệt trị thấp hơn so với diesel và trở ngại lớn nhất của việc thương mại biodiesel trước đõy là chi phớ sản suất cao. Do đú làm cho giỏ thành biodiesel khỏ cao, nhưng với sự leo thang giỏ cả nhiờu liệu như hiện nay thỡ vấn đề này khụng cũn là rào cản nữa.
Hiện nay biodiesel thường được sản xuất chủ yếu là theo mẻ. Đõy là điều bất lợi vỡ năng suất thấp, khú ổn định được chất lượng sản phẩm cũng như cỏc điều kiện của quỏ trỡnh phản ứng. Một phương phỏp cú thể trỏnh hoặc giảm thiểu khú khăn
này là sử dụng quỏ trỡnh sản xuất liờn tục. Ngoài ra do nguồn nguyờn liệu chủ yếu lấy từ nụng nghiệp nờn phụ thuộc nhiều vào sản lượng cũng như chất lượng nguồn. Vỡ thế mà phải mất thời gian cho việc quy hoạch đất đai cho cỏc loại cõy lấy dầu, cỏc vựng chăn nuụi. Về mặt năng suất thỡ cỏc cõy lấy dầu của nước ta vẫn cũn thấp hơn nhiều so với thế giới và mang tớnh thời vụ. Việc sử dụng phõn bún húa học, thuốc trừ sõu trờn một diện tớch đất trồng lớn cũng sẽ gõy ra ụ nhiễm mụi trường, ảnh hưởng đến sinh thỏi.
b) Về mặt phỏt thải
Bờn cạnh những ảnh hưởng về mặt kỹ thuật so với nhiờn liệu diesel gốc húa thạch thỡ biodiesel cũn cú những ảnh hưởng về mặt phỏt thải.
*Ưu điểm
+ Giảm lượng phỏt thải khớ CO2, lượng phỏt thải CO2 đối với dầu diesel khoỏng vào khoảng 10.5% trong khi đú đối với dầu thực vật được sản xuất từ hướng dương là 10.25% và đối với dầu của cõy đậu tương là 10.2%, vỡ thế mà giảm được lượng khớ thải gõy ra hiệu ứng nhà kớnh .
+ Khụng cú hoặc chứa rất ớt cỏc hợp chất của lưu huỳnh (<0,001% so với đến 0,5% trong dầu diesel). Điều này đó làm giảm sự ăn mũn cỏc chi tiết trong động cơ, và làm giảm lượng phỏt thải độc hại SOx ra ngoài mụi trường sống của chỳng ta.
+ Trong thành phần húa học của biodiesel khụng chứa hidrocacbon thơm nờn khụng gõy ung thư.
+ Hàm lượng phỏt thải CO của biodiesel được sản xuất từ dầu hạt cải, dầu hướng dương và dầu hạt dầu ngụ lần lượt là 4000, 3850, 3800 (ppm) cao hơn so với của diesel khoỏng là 2225 (ppm) .
+ Cú khả năng tự phõn huỷ và khụng độc (phõn huỷ nhanh hơn diesel 4 lần, phõn huỷ từ 85á 88% trong nước sau 28 ngày).
+ Theo nghiờn cứu và thực nghiệm thỡ nhiờn liệu biodiesel cú quỏ trỡnh chỏy sạch hơn diesel khoỏng. Do hàm lượng ụ xy trong biodiesel nhiều hơn so với diesel khoỏng nú chiếm khoảng 11% về khối lượng, nờn biodiesel cú thể chỏy với hệ số dư lượng khụng khớ nhỏ, và quỏ trỡnh chỏy xảy ra sạch hơn. Đối với nhiờn liệu biodiesel thỡ sự tạo đúng cặn và tạo muội trong buồng chỏy cũng như trong hệ thống thải là giảm đỏng kể.
*Nhược điểm
Tuy nhiờn nếu quỏ trỡnh sản xuất biodiesel khụng đảm bảo như khi thực hiện rửa biodiesel khụng sạch thỡ khi sử dụng vẫn gõy ra cỏc vấn đề về ụ nhiễm: Do vẫn cũn xà phũng, kiềm dư, methanol, glyxerin tự do…cũng là cỏc chất gõy ụ nhiễm. Bảng 2.2 là vớ dụ về một số đặc tớnh chọn lọc của diesel và biodiesel.
Bảng 2.2: Vớ dụ một số đặc tớnh chọn lọc của diesel và biodiesel
Khớ thải Đơn vị Diesel truyền
thống Biodiesel từ dầu nành Biodiesel từ dầu thải NOx g 0.944 1.156 1.156 CO g 0.23 0.136 0.156 Hydrocacbon g 0.0835 0.0040 0.0038
c) Một số thụng số so sỏnh giữa hai loại nhiờn liệu diesel và biodiesel
- Hàm lượng lưu huỳnh của biodiesel chỉ bằng 20-50% so với diesel.
- Khối lượng riờng của biodiesel cao hơn, nhiệt chỏy thấp hơn, độ nhớt cao hơn 1.3 đến 2.1 lần so với nhiờn liệu diesel.
- Nhiệt độ chỏy của biodiesel trong khoảng 423 K, trong khi của diesel là vào khoảng 337 K.
- Nhiệt độ đụng đặc của biodiesel thấp hơn diesel 274 đến 298 K tựy thuộc vào từng loại nguyờn liệu.
- Nhiờn liệu biodiesel gõy ra lượng muội than bỏm vào vũi phun cao hơn so với diesel.
- Chứa cỏc mạch hydrocarbon chưa bóo hũa nờn dễ bị oxy húa thành cỏc hợp chất khỏc, làm cho quỏ trỡnh bảo quản nhiờn liệu biodiesel khụng được lõu
- Một vài tớnh chất của biodiesel cần được cải thiện để cú thể sử dụng được ở dạng nguyờn chất khụng cần phối trộn với cỏc loại nhiờn liệu khỏc như là: tăng giỏ trị nhiệt chỏy, giảm thiểu phỏt thải cỏc khớ NOx, và tăng khả năng chống oxy húa để ngăn chặn nhiờn liệu khụng bị hư hỏng. Hiện nay biodiesel được sử dụng thớch hợp khi pha trộn với diesel theo tỷ lệ thể tớch 20 biodiesel: 80 diesel, hỗn hợp này được gọi là B20.
2.3 Tỡnh hỡnh sử dụng nhiờn liệu biodiesel trờn thế giới và tại Việt Nam 2.3.1 Trờn thế giới 2.3.1 Trờn thế giới
Do việc sử dụng nhiờn liệu diesel dầu mỏ là phổ biến nờn trong một thời gian dài tại một số nước, dầu thực vật khụng được sử dụng làm nhiờn liệu trực tiếp cho cỏc động cơ đốt trong.
Trong những năm 1920, 1930 và sau đú là những năm chiến tranh thế giới lần thứ II xảy ra, cỏc nước như Bỉ, Phỏp, Anh, Bồ Đào Nha, Đức, Brazil, Argentina, Nhật, Trung Quốc đó giỏn tiếp kiểm tra và sử dụng dầu thực vật như là nhiờn liệu diesel. Nhiều nhà mỏy biodiesel đó được xõy dựng ở cỏc nước.
Ngày 31/8/1937, tại trường Đại học Brussel (Bỉ), G.Chavanne đó sớm nhận được bằng sỏng chế (bằng sỏng chế Bỉ -422,877) về việc lần đầu tiờn cho dầu thực vật phản ứng với ethanol, metanol và đú chớnh là biodiesel hiện nay. Phản ứng tạo biodiesel khụng cú gỡ phức tạp và loại nhiờn liệu này cú những ưu điểm như: thõn thiện với mụi trường do khớ thải ớt hơn khi sử dụng diesel thụng thường, lượng carbon dioxide bốc ra giảm được 60%, bụi giảm khoảng 50%, cỏc hợp chất hydrocacbon được giảm thiểu đến 40%, đặc biệt nú hầu như khụng chứa lưu huỳnh, khụng độc (LD50 tới 50mL/kg) và dễ dàng phõn huỷ sinh học. Qua việc chuyển đổi ester này, dầu biodiesel cú độ nhớt thấp hơn dầu thực vật và cú thể dựng làm nhiờn liệu thay thế cho dầu diesel.
Gần đõy, năm 1977 tại Brazil, cỏc nhà khoa học đó sử dụng ethanol trong sản xuất biodiesel và cú bằng sỏng chế theo những quy chuẩn quốc tế dựng cho xe, mỏy (Robert Rapier, 2006). Hiện nay cụng ty Tecbio (Mỹ) đang làm việc với hóng Boeing và NASA để được chấp nhận loại dầu lửa sinh học tương đương với cỏc sản phẩm được sản xuất bởi cỏc nhà khoa học Brazil (Michael Briggs- 2004). Việc sử dụng ethanol thay vỡ methanol trong sản xuất biodiesel cũng cú thể gõy nờn nạn thiếu lương thực khi nhiều lương thực được sử dụng để sản xuất ethanol mà chưa tỡm ra loại vi sinh vật lờn men ethanol từ cỏc nguyờn liệu khỏc.
Những nghiờn cứu sử dụng dầu hướng dương để tạo ra nhiờn liệu diesel tiờu chuẩn đó được thực hiện tại Nam Phi từ năm 1979 và năm 1983, quy trỡnh sản xuất đó được hoàn thiện.
Trong suốt những năm 90 của thế kỷ 20, nhiều nước Chõu Âu như cộng hũa Sộc, Đức, Thuỵ Điển, Phỏp đó cú nhiều cơ sở sản xuất biodiesel từ dầu hạt cải dầu để pha trộn vào dầu diesel tới 30% cho cỏc phương tiện vận tải.
Cỏc hóng ụtụ nổi tiếng như Renault, Peugeot và cỏc động cơ của cỏc phương tiện vận chuyển hàng hoỏ khỏc sử dụng biodiesel tới 50%.
Tại cỏc nước Chõu Âu, cõy cải dầu với hàm lượng dầu cao (40% đến 50%) được xem là cõy thớch hợp cho việc sử dụng làm nguyờn liệu sản xuất biodiesel. Dầu được ộp ra từ cõy cải dầu, phần cũn lại được dựng trong cụng nghiệp sản xuất thức ăn cho gia sỳc. Trong một phản ứng húa học đơn giản giữa dầu cải và metanol cú sự hiện diện của một chất xỳc tỏc, glyxờrin và methanol trao đổi vị trớ cho nhau, tạo thành methyl este của axớt bộo và glyxờrin. Thế nhưng cõy cải dầu phải được trồng luõn canh, tức là chỉ cú thể trồng cõy cải dầu trờn cựng một cỏnh đồng từ 3 đến 5 năm một lần. Vỡ nguyờn nhõn này mà việc tiếp tục tăng sản xuất cải dầu là một việc khú khăn.
Năm 2006, ở Đức trồng 1,2 triệu ha cải dầu và sản xuất được khoảng 2 triệu tấn. Trong tương lai sẽ cũn cú nhiờn liệu sinh khối lỏng (liquid biomass) thay vỡ dầu thực vật, lỳc đú sẽ sử dụng toàn bộ khối lượng của cõy như là nguồn cung cấp năng lượng. Những thử nghiệm đầu tiờn với nhiờn liệu sinh tổng hợp này đó được tiến hành từ thỏng 4/2003 ở Đức. Loại nhiờn liệu này được sản xuất từ gỗ và cỏc loại