CHƯƠNG 4 NĂNG LƯỢNG MỚI SỬ DỤNG TRÊN ÔTÔ
4.3. Nhiên liệu cồn
4.3.4. Phương án sử dụng nhiên liệu cồn trên ôtô
4.3.4.1. Đối với cồn nguyên chất
Sử dụng nhiên liệu cồn thuần túy Ethanol nguyên chất - 100% ethanol hoặc E100 thay thế xăng và diesel, khả năng này khó thực hiện vì:
- Cồn có tính ăn mịn kim loại và suất tiêu hao nhiên liệu tăng do nhiệt trị thấp của cồn thấp hơn nhiều so với xăng và diesel.
- Ethanol khơng tốt cho việc khởi động lạnh, vì nó khơng cháy nhanh như xăng. (Nó có chỉ số octan cao hơn). Etanol nguyên chất sẽ vô dụng làm nhiên liệu trong những tháng mùa đơng.
50 - Khơng có xe du lịch nào được thiết kế để sử dụng E100 (nhưng một số xe đua thì có) vì vậy nó có thể làm hỏng động cơ xe của bạn. Ngay cả xe Nhiên liệu linh hoạt (FFV) - có thể chạy bằng xăng hoặc ethanol - cũng chỉ có thể tiêu thụ tối đa E85.
- Ethanol 100% rất khó sản xuất. Về mặt kỹ thuật, nó có thể uống được như một loại đồ uống có cồn rất mạnh. Các quy định của Hoa Kỳ yêu cầu cồn nhiên liệu khơng được uống và pha lỗng đến 95,5%.
4.3.4.2. Đối với hỗn hợp diesel pha cồn
Sử dụng hỗn hợp trộn lẫn giữa diesel pha cồn Etanol thành hỗn hợp diesohol. Có thể trộn lẫn trực tiếp cồn và diesel hoặc cồn (và nước) được phun vào trên đường nạp cùng với khơng khí trước bộ tăng áp (turbo-charger), sau đó, hỗn hợp này hịa trộn với diesel trong buồng cháy. Lượng nhiên liệu cồn phun vào trong đường nạp có ý nghĩa rất quan trọng trong việc vận hành êm dịu của động cơ, đặc biệt khi lượng đáng kể cồn được phun vào. Trường hợp này có tính khả thi vì tăng cơng suất động cơ, đặc biệt giảm được mức độ ô nhiễm môi trường
4.3.4.3. Đối với hỗn hợp xăng pha cồn
Sử dụng xăng trộn lẫn Metanol pha thành hỗn hợp gasohol, đây là phương án có nhiều khả thi nhất. Theo truyền thống, sau khi sản xuất metanol hoặc etanol cơng nghiệp, nó đã được sử dụng để pha trộn nhiên liệu rượu để sản xuất gasohol. Tuy nhiên, sau quá trình lên men và chưng cất, nó có thể được pha trộn với xăng / xăng theo tỷ lệ riêng biệt. 10% etanol được pha trộn với 90% xăng được coi là hỗn hợp etanol mức độ thấp như E10, nó có thể được sử dụng cho các phương tiện thông thường. Hơn nữa, 85% etanol được pha trộn với 15% xăng được coi là hỗn hợp cấp cao, chẳng hạn như E85, nó có thể được sử dụng trong các phương tiện cơ giới được thiết kế đặc biệt như xe chạy bằng nhiên liệu linh hoạt.
51
Hình 4. 10: Xăng sinh học được sử dụng rỗng rãi
Có thể trộn lẫn trực tiếp cồn và xãng hoặc nhiên liệu cồn được lưu trữ trong một bình riêng. Nhiên liệu này được bơm lên van phân phối (điều khiển bằng chân không) tại họng nạp để phun vào trong dịng khí nạp. Hỗn hợp này sau đó được hịa trộn với xăng khi vào trong bộ chế hịa khí và được điều khiển bằng bướm ga. Loại hịa trộn này có thể tăng cơng suất của động cơ cao so với loại hòa trộn chung xăng và cồn thành một loạI nhiên liệu trước khi đưa vào trong bộ chế hịa khí.
Nhiên liệu cồn được sử dụng hiệu quả như một loại nhiên liệu vận chuyển lỏng thay thế bằng cách thay đổi các đặc tính của chúng bằng cách bổ sung một số chất phụ gia nhất định, phải tương thích về mặt vật lý và hóa học với nhiên liệu cồn cơ bản và có cùng hàm lượng năng lượng cụ thể hoặc cao hơn. Đặc biệt, cả Metanol và etanol đều có khả năng trộn lẫn kém trong xăng có chứa vết nước, nhưng hồn tồn có thể trộn lẫn với nước. Các cồn được pha trộn với xăng khi có nước, điều này có thể dẫn đến sự cố tách pha. Trong tình huống này để tránh vấn đề tách pha, một số chất phụ gia đã được thêm vào nhiên liệu rượu như các ankan cao hơn như 1-butanol, n-decanol, iso-propanol, các chất hoạt động bề mặt axit béo anion khác nhau và các chất hoạt động bề mặt không ion thương mại khác nhau. Ở đây, việc tránh phân tách pha sẽ mang lại lợi ích chính xác cho khả năng lái tổng thể, cũng như ăn mòn các thành
52 phần nhạy cảm với nước như nhôm. Trong động cơ đánh lửa bằng tia lửa, nhiên liệu cồn có thể chạy với tốc độ tuần hồn khí thải cao hơn nhiều và với tỷ số nén cao hơn.
4.3.4.4. Tình hình ơ tơ sử dụng nhiên liệu cồn trên thế giới.
Xăng E5, E10 được sử dụng rộng rãi tại Mỹ, Châu Âu và nhiều quốc gia phát triển khác từ nhiều năm trước. Một số nước đã bắt buộc sử dụng xăng sinh học như Úc, New Zealand, Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil…. Brazil là nước đi đầu với chương trình quốc gia ủng hộ xăng pha cồn từ năm 1975, sử dụng cồn sản xuất từ mía để phối trộn vào xăng thơng thường với tỷ lệ lên đến 20%. Mỹ sử dụng xăng pha cồn từ năm 1976, sau đợt khủng hoảng năng lượng năm 1973. Hiện nay, Mỹ đang sử dụng xăng sinh học E10. Cuối năm 2010, hơn 90% tổng lượng xăng bán ra ở Mỹ được pha trộn với ethanol, ngồi ra, nhiều ơtơ hạng sang đang sử dụng hoàn toàn nhiên liệu sinh học E100. Châu Âu đã quy định bắt buộc áp dụng E5, dự kiến đến năm 2020 áp dụng xăng E10.
Hình 4. 11: Lượng tiêu thụ xăng sinh học E10 tại Mỹ giai đoạn 2014-2025
Trung Quốc là quốc gia có lưu lượng phương tiện rất đơng, lượng khí thải từ ôtô, xe máy gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến khơng khí nước này. Chính vì vậy, Trung Quốc đặt mục tiêu
53 đưa xăng sinh học chiếm ít nhất 10% tổng lượng tiêu thụ vào năm 2020. Các tỉnh Hắc Long Giang, Cát Lâm, Liêu Ninh, An Huy, Hà Nam yêu cầu sử dụng 10% tổng lượng tiêu thụ bằng nhiên liệu sinh học.
Năm 2016, Ấn Độ cũng đưa xăng sinh học E10 vào sử dụng. Nước này đặt mục tiêu đưa xăng sinh học vào chiếm 20% tổng lượng tiêu thụ vào năm 2017.
Tại khu vực Đông Nam Á, Philippines, Thái Lan là các quốc gia đi đầu trong việc sử dụng xăng sinh học từ khoảng 10 năm trở lại đây. Nếu như Philippines đưa Luật Nhiên liệu sinh học vào năm 2006 quy định bắt buộc dùng xăng sinh học E5 từ năm 2009 và E10 từ năm 2011, thì Thái Lan cũng sử dụng xăng E5 từ năm 2005 và từ năm 2008 đã bắt đầu bán xăng E20 và E85, đến nay chủ yếu tiêu thụ xăng E10. Việc đưa xăng E5 sử dụng đại trà ở Việt Nam là phù hợp với lộ trình sử dụng nhiên liệu trên thế giới. Thậm chí, Việt Nam cịn hơi bị "tụt hậu" khi bây giờ mới triển khai đại trà xăng sinh học pha trộn ở cấp thấp nhất.
4.3.5. Quy trình sản xuất nhiên liệu cồn
4.3.5.1. Sản xuất Metanol
• Tổng hợp từ sinh khối:
Metanol có thể được tổng hợp cơng nghiệp từ sinh khối như thực vật, trái cây và chất thải động vật thông qua q trình chuyển hóa kỵ khí bởi nhiều vi khuẩn. Ngồi ra, metanol được hình thành như một sản phẩm phụ trong quá trình lên men etanol. Hơn nữa, chủ yếu ở Trung Quốc và Nam Phi, metanol có thể được sản xuất từ than vì phần lớn các mỏ than được tìm thấy ở cả hai quốc gia và trên toàn thế giới. Hầu hết các nhà cơng nghiệp thích tổng hợp Metanol từ sinh khối do đơn giản hóa quy trình, giảm chi phí và tiêu thụ năng lượng.
54
Hình 4. 12: Giản đồ của quy trình sản xuất metanol
• Metanol từ tổng hợp xúc tác:
Các phản ứng liên quan đến sản xuất metanol đã được biết đến từ lâu. Hỗn hợp CO 2 , CO và H 2 có thể phản ứng với nhau để tạo thành metanol và sản phẩm phụ là nước. Các phương trình cho thấy phép đo phân vị của các phản ứng này và entanpi phản ứng của chúng.
CO +2H2 ⇆ CH3OH ΔH298.15 K , 5MPa= - 90,7kJmol- 1 , E1 CO2+3H2⇆CH3OH+H2O ΔH298.15K, 5MPa=−90.7kJmol−1, E2
4.3.5.2. Sản xuất Etanol.
Lên men là phương pháp cơ bản để tổng hợp etanol được sử dụng trong các ngành cơng nghiệp. Mật mía là nguyên liệu quan trọng để sản xuất etanol, là sản phẩm phụ của ngành đường. Ngồi ra, trong q trình lên men tinh bột ngũ cốc (lúa mì và ngơ), khoai tây nghiền, nước ép trái cây, các phân đoạn lignocelluloses không đường của các loại cây trồng như cỏ và thực vật được sử dụng làm nguyên liệu. Nói chung, mật rỉ chứa tới 50% đường đơn có thể dễ dàng lên men thành etanol và nó là nguyên liệu lý tưởng để sản xuất etanol với tính sẵn có cao
55 và chi phí thấp. Tuy nhiên, khi ngun liệu thơ được chuyển đến nhà máy sản xuất etanol, nó sẽ được lưu trữ trong nhà kho và được điều hòa để tránh lên men sớm và nhiễm bẩn. Hơn nữa, một loại enzyme như nấm men siêu nhỏ đóng một vai trị quan trọng trong q trình lên men để chuyển đổi carbohydrate thành ethanol trong điều kiện khơng có oxy. Các phương trình có thể xảy ra trong q trình lên men bằng nấm men trong điều kiện khơng có Oxy được trình bày ở đây:
C12H22O11+H2O & rarr → 2C6H12O6, E3 2C6H12O6→2CH3CH2OH +2CO2, E 4
Hình 4. 13: Quy trình sản xuất Etanol
4.4. Nhiên liệu dầu thực vật – Biodiesel. 4.4.1. Giới thiệu. 4.4.1. Giới thiệu.
4.4.1.1. Q trình hình thành.
• Dầu thực vật (DTV):
DTV là loại dầu được chiết suất từ các hạt, các quả của cây cối. Thành phần hóa học của dầu thực vật gồm 95% các Triglyceride và 5% các axít béo tự do. Nói chung, các hạt quả của cây cối đều chứa dầu, nhưng từ DTV chỉ dùng để chỉ dầu của những cây có dầu với chiết suất
56 lớn. Dầu lấy từ hạt cây có dầu như: đậu phộng, nành, cải dầu, nho, bông, hướng dương . . . Dầu lấy từ quả cây có dầu như: Dừa, cọ . . . Trong đó, chú ý đến một vài cây có chiết suất lớn như: Dừa (60%), cọ (50%). DTV là loại nhiên liệu có thể thay thế cho Diesel. Khi chọn dầu làm nhiên liệu thay thế nên chọn loại dầu khơng có cạnh tranh thực phẩm với con người. DTV làm nhiên liệu cho động cơ Diesel có hai loại: Sản phẩm DTV điều chế trực tiếp từ các hạt, trái, cây lấy dầu và sản phẩm DTV đã qua Este hóa (Biodiesel).
• Biodiesel
Nhiên liệu Biodiesel được làm từ dầu thực vật, mỡ động vật còn mới hay đã qua sử dụng. Dầu mỡ tác dụng với cồn Metanol hoặc Etanol tạo ra Este. Các Este này chính là Biodiesel. Sản phẩm phụ của q trình này là Glycerin sử dụng trong ngành dược và mỹ phẩm.
Hình 4. 14: Nhiên liệu biodiesel sử dụng trên ô tô
4.4.1.2. Đặc điểm, tính chất dầu thực vật – Biodiesel.
• Dầu thực vật
- Thành phần hóa học của dầu thực vật: Thành phần hóa học DTV nói chung gồm
95% các Triglyceride và 5% các axid béo tự do. Triglyceride là các Triester tạo bởi phản ứng của các axit béo trên ba chức rượu của Glycerol. Trong phân tử của chúng có chứa các nguyên tố H, C, và O. Về thành phần hóa học, đối với DTV so với dầu Diesel: Chứa C ít hơn 10 – 12%, lượng chứa H ít hơn 5 – 13% cịn lượng O thì lớn hơn rất nhiều (dầu Diesel chỉ có vài phần ngàn O, cịn dầu thực vật có 9 – 11% O) cho nên
57 DTV là nhiên liệu có chứa nhiều Oxy. Chính vì điều này mà DTV có thể cháy hồn tồn với hệ số dư lượng khơng khí bé.
- Tính chất: Các tính chất của dầu thực vật được thể hiện qua bảng sau:
Bảng 4. 4: Các tính chất cơ bản của các dầu thực vật
Bảng 4. 5: Tính chất lý hóa cơ bản của các dầu thực vật
Sự khác biệt chủ yếu của dầu thực vật và diesel là độ nhớt và chỉ số Cetan.
- Độ nhớt dầu thực vật cao hơn so với diesel khoảng vài chục lần, độ nhớt ảnh hưởng lớn đến khả năng thông qua của dầu trong bầu lọc, chất lượng phun nhiên liệu và hòa trộn hỗn hợp.
58 • Biodiesel
Tính chất vật lý của Biodiesel tương tự như Diesel nhưng tốt hơn Diesel về mặt chất thải. Biodiesel khắc phục được những các nhược điểm của dầu thực vật như độ nhớt quá lớn (cao gấp 6 – 14 lần Diesel), chỉ số Cetan thấp . . .
Các loại Biodiesel đều có tỷ lệ % trọng lượng Oxy khá lớn, đây là điều mà dầu Diesel khơng có.
Bảng 4. 6: Tính chất cơ bản của các Biodiesel
Bảng 4. 7: Tính chất lý hóa cơ bản của các Biodiesel
4.4.1.3. Quy trình sản xuất dầu thực vật – Biodiesel.
• Các phương pháp xử lý dầu thực vật để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong:
Để sử dụng DTV làm nhiên liệu, cần áp dụng những phương pháp xử lý dầu để tính chất của nó gần giống với nhiên liệu Diesel. Theo quan điểm khai thác động cơ thì khác nhau cơ bản giữa DTV so với nhiên liệu Diesel chính là độ nhớt và chỉ số Cetan. Ảnh hưởng của độ nhớt và chỉ số Cetan của DTV làm cho hệ thống nhiên liệu và quá trình cháy hoạt động khơng
59 bình thường, làm chất lượng của quá trình phun và cháy kém hơn dẩn đến các chỉ tiêu kinh tế của động cơ sẽ giảm đi. Các giải pháp xử lý DTV làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong là các phương pháp làm giảm độ nhớt và tăng chỉ số Cetan của DTV. Ta có các phương pháp sau:
- Phương pháp sấy nóng DTV: Phương pháp này dựa trên đồ thị thay đổi của độ nhớt
theo nhiệt độ của DTV. Độ nhớt của dầu thực vật sẽ giảm khi nhiệt độ tăng lên. Tăng nhiệt độ lên quá cao làm thay đổi trạng thái nhiệt và ảnh hưởng xấu đến hệ thống cấp nhiên liệu. Mặt khác phương pháp này không cải thiện được trị số Cetan của DTV . . . do đó phương pháp này chỉ thích hợp để áp dụng đồng thời với các phương pháp khác.
- Phương pháp pha loãng DTV: Phương pháp pha loãng là một trong những phương
pháp đơn giản làm giảm độ nhớt và tăng chỉ số Cetan, có thể sử dụng nhiên liệu Diesel để làm mơi chất pha lỗng. Pha lỗng DTV bằng Diesel sẽ tạo ra một hỗn hợp nhiên liệu mới từ DTV. Đây là một hỗn hợp cơ học giữa nhiên liệu DTV và Diesel, hỗn hợp này đồng nhất và bền vững. Các chỉ số đặc tính của hỗn hợp DTV/Diesel tùy thuộc vào tỷ lệ thành phần giữa DTV và Diesel và các chỉ số này khơng đạt được tính chất như Diesel.
- Phương pháp Cracking: Quá trình Cracking DTV gần giống như Cracking dầu mỏ.
Nguyên tắc cơ bản là cắt ngắn mạch Hydrocacbon của DTV dưới tác dụng của nhiệt độ và chất xúc tác thích hợp. Sản phẩm thường gồm: Nhiên liệu khí, xăng, Diesel và một số sản phẩm phụ khác. Với các điều kiện khác nhau sẽ nhận được tỷ lệ nhiên liệu thành phẩm khác nhau. Cracking có thể thực hiện trong mơi trường khí Nitơ hoặc khơng khí. Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là tốn năng lượng để điều chế nhiên liệu. Sản phẩm thu được bao gồm nhiều thành phần nhiên liệu khác nhau và đặc biệt là khó thực hiện được ở quy mơ lớn.
- Phương pháp nhũ tương hóa dầu thực vật: Nhiên liệu ban đầu là DTV, rượu và chất
tạo sức căng bề mặt với thiết bị tạo nhũ có thể tạo ra nhũ tương DTV – rượu, trong đó các hạt rượu có kích thước hạt 150 nm được phân bố đều trong nhũ tương. Nhiên liệu nhũ tương có độ nhớt tương đương Diesel, tỷ lệ rượu càng lớn thì độ nhớt nhũ tương càng giảm. Tuy nhiên lúc đó dể tạo ra các hạt nhũ tương nhỏ, khả năng phân lớp nhũ
60 tương tăng lên làm nhũ tương kém đồng nhất do đó cần có biện pháp bảo quản nhũ tương. Nhiệt độ hóa hơi của rượu thấp nên một phần rượu bay hơi sẽ cản trở quá trình làm việc bình thường của hệ thống nhiên liệu.
- Phương pháp Este hóa DTV: là phương pháp được chú ý đến trong thời gian gần
đây, nguyên lý chuyển hóa cơ bản có thể miêu tả như là phản ứng của một phần tử Glyceride (axit béo khơng no, có độ nhớt cao) và ba nguyên tử rượu tạo thành Este