h. Hệ thống thu hồi hơi nhiên liệu
1.4.4. Sử dụng các nguồn năng lượng sạch
Ngoài các năng lượng xăng và diezel truyền thống, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng các loại năng lượng mới thân thiện hơn với mơi trường. Ví dụ như năng lượng điện, các loại khí thiên nhiên CNG, khí thiên nhiên hóa lỏng LPG, mêtanol, êtanol, hydrogen, diesel sinh học, pin nhiên liệu…
1.4.4.1. Sử dụng năng lượng điện
Các loại phương tiện vận tải sử dụng năng lượng điện sẽ khơng phát ra các loại khí thải gây ơ nhiễm mơi trường khơng khí. Hiện có hai loại phương tiện sử dụng năng lượng điện.
- Loại sử dụng điện lưới: Tàu điện bánh sắt, tàu điện bánh hơi, đầu máy điện.
- Loại không sử dụng điện lưới: ô tô xe máy chạy điện ắc quy, ô tô lai (hybrit) Các loại phương tiện sử dụng điện lưới có nhiều ưu việt về bảo vệ mơi trường khơng khí nhưng chỉ sử dụng được trên những tuyến cố định. Loại khơng sử dụng điện lưới có tính cơ động cao hơn, tuy nhiên về kết cấu hiện đang nghiên cứu để hoàn thiện.
Ơ tơ, xe máy chạy điện ắc quy được coi là phương tiện giao thơng có nhiều triển vọng trong tương lai. Trở ngại hiện tại để phát triển loại phương tiện này là công nghệ chế tạo ắc quy và giá thành của nó. Loại ắc quy axit truyền thống có kích thước và trọng lượng lớn nhưng dung lượng lại nhỏ. Điều đó dẫn đến trọng lượng bản thân phương tiện lớn, sức chở nhỏ và quãng đường đi được ngắn. Gần đây các nhà chế tạo đã nghiên cứu và sản xuất thành công một số loại ắc quy có trọng lượng nhỏ và dung lượng lớn như ắc quy Niken- Cadimi, Niken-sắt và đặc biệt là ắc quy nhiên liệu. Nguyên liệu đầu vào của ắc quy nhiên liệu là oxy và hydro, nguồn cung cấp oxy ở đây là khơng khí, cịn hydro được điều chế từ khí thiên nhiên, than, mêtan…và được nén vào bình chứa đặt trên xe. Ắc quy nhiên liệu thải ra nhiệt và nước nên không gây ô nhiễm môi trường. Hiện tại giá các loại ắc quy trên
35
còn quá cao, thiếu trạm nạp điện hoặc cấp hydro, do vậy số lượng ô tô chạy điện ắc quy được sử dụng chưa nhiều.
Sơ đồ ô tô chạy điện ắc quy đơn giản được trình bày trên hình 1.26.
Ơtơ hybrit được hiểu là loại ơ tơ có trang bị đồng thời từ hai nguồn động lực trở lên. Các nguồn động lực có thể làm việc đồng thời hoặc bổ trợ nhau để phát huy các ưu điểm của từng nguồn tùy theo điều kiện khai thác cũng như đáp ứng quy định về bảo vệ mơi trường. Ngày nay, trước các địi hỏi ngày càng cao về tiêu chuẩn khí thải, ơ tơ hybrit đang là một hướng nghiên cứu, chế tạo của nhiều hãng ơ tơ trên thế giới.
Ơtơ hybrit có thể có một số loại kết nối các nguồn động lực sau: Động cơ đốt trong – bánh đà tích năng; động cơ đốt trong – máy nén khí (dùng tuốc bin khí dẫn động bánh xe); động cơ đốt trong – động cơ điện. Trong các phương án kết nối trên thì phương án động cơ đốt trong – động cơ điện có ưu điểm nổi trội về hạn chế chất ô nhiễm và dễ áp dụng tự động hóa điều khiển; do vậy nó được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn.
Trên hình 1.27 trình bày sơ đồ kết nối các nguồn động lực động cơ đốt trong -máy phát -ắc quy -động cơ điện của một số loại ô tô hybrit.
Loại ô tô hybrit động cơ đốt trong – động cơ điện không chỉ khắc phục được nhược điểm gây ô nhiễm môi trường của động cơ đốt trong mà cả nhược điểm của ô tô chạy điện ắc quy như quãng đường chạy ngắn, khả năng tăng tốc kém, cần có các trạm nạp. Do vậy loại ô tô này được nhiều hãng sản xuất ô tô lớn như Honda, Toyota, Ford, Chrysler…chế tạo và đã được thị trường chấp nhận.
1.4.4.2. Sử dụng năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là loại năng lượng sạch nhất không chỉ đối với các phương tiện giao thơng vận tải mà cịn đối với nhiều lĩnh vực khác. Để dùng phương tiện vận tải cần có hệ thống thu năng lượng và tích trữ năng lượng. Hệ thống đó được gọi là pin mặt trời.
Trở ngại để sử dụng rộng rãi phương tiện vận tải chạy bằng năng lượng mặt trời là kích thước của hệ thống thu năng lượng lớn, hiệu suất sử dụng thấp và khơng ổn định vì nó phụ thuộc vào thời tiết. Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời để chạy xe là một hướng tốt trong tương lai, nhưng hiện tại thì chưa cạnh tranh được với các nguồn năng lượng khác.
1.4.4.3. Diezel sinh học- Biodiesel
Là một dạng nhiên liệu sinh học được sản xuất nhờ phản ứng của dầu thực vật hay mỡ động vật với mêtanol hoặc êtanol và axit béo tự do trong dầu hoặc mỡ (metyl, etyl este của các axit béo). Đây là một dạng nhiên liệu có độ nhớt thấp và có các lý tính tương tự như dầu diezel. Nó có thể được dùng ở dạng nguyên chất hoặc pha với diezel có nguồn gốc từ dầu mỏ. Diezel sinh học khơng chứa sulfua, nếu đưa vào sử dụng thì chúng khơng độc và dễ phân hủy trong tự nhiên. Người ta tính tốn được rằng cứ 100kg dầu mỡ + 10kg metanol 100kg diezel sinh học + 10kg glycerol.
Phương trình chuyển hóa biodiesel cơ bản như sau:
36
Palmitic: R -(CH2)14 – CH3 Stearic: R -(CH2)16 – CH3
Oleic: R -(CH2)7CHCH(CH2)7CH3
Để thực hiện phản ứng chuyển hóa cần có chất xúc tác như NaOH hoặc KOH đóng vai trị phản ứng với mêtanol trước để tạo ra tiền chất Alkoxide cho phản ứng:
CH3OH+NaOH CH3O-Na + H2O.
Trong mơi trường có nước, Alkoxide sẽ phân ly tạo CH3O- và Na+. CH3O- sẽ tiếp tục thực hiện phản ứng tiếp theo tạo ra Triglyceride amion
Diglyceride và CH3O- tiếp tục cho các phản ứng dây chuyển tiếp theo để tạo ra
monoglyceride, methyl ester và cuối cùng tạo glycerol methyl ester.
Như vậy trong quá trình này cứ 1 phân tử Triglyceride tác dụng với 3 phân tử CH3OH tạo ra 1 phân tử glycerol và 3 phân tử methyl ester.
Tại Việt Nam, Viện Khoa học vật liệu ứng dụng đã nghiên cứu chế tạo biodiezel từ đậu nành, dầu hạt cao su, dầu mè…Và kết quả thực nghiệm trên động cơ máy phát điện và ô tô chạy bằng dầu diezel đều cho kết quả khả quan, hàm lượng các chất thải đều trong khuôn khổ cho phép đồng thời chế độ làm việc và cấu tạo của động cơ không bị ảnh hưởng.
Diezel sinh học có nhược điểm là nó làm mềm và lão hóa một số chất đàn hồi và các hợp chất cao su tự nhiên theo thời gian. Nếu dùng với hàm lượng cao có thể ảnh hưởng đến một số bộ phận của hệ thống nhiên liệu (chủ yếu là các loại gioăng, đệm) được chế tạo bằng các chất đàn hồi mà khơng phù hợp với diezel sinh học, ví dụ như cao su butin hoặc cao su tự nhiên. Diezel sinh học dù là hỗn hợp hay được sử dụng nguyên chất đều có thể làm giảm lượng khí thải CO, độ khói và khí thải HC. Nhưng một số nghiên cứu lại chỉ ra rằng khí thải NOx tăng khi dùng diezel sinh học. Giá thành cao hiện đang là cản trở chính để diezel sinh học có thể trở thành nhiên liệu thay thế hấp dẫn.
1.4.4.4. Khí thiên nhiên NGV
Thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là mêtan (chiếm 85-89%). Đây là một nguồn nhiên liệu sạch rẻ và sẵn có ở nhiều nơi trên thế giới. Khí thiên nhiên là nguồn năng lượng có sản lượng lớn (bằng khoảng 60% sản lượng dầu thơ), trữ lượng khí thiên nhiên xấp xỉ trữ lượng dầu thô và phân bố tương đối đồng đều trên trái đất nên đảm bảo việc cung cấp và tiện lợi hơn dầu thơ. Hiện nay khí thiên nhiên được sử dụng chủ yếu trong sinh hoạt và cơng nghiệp, cịn trong giao thơng vận tải thì chưa nhiều.
Thành phần của khí thiên nhiên ở một số vùng khác nhau được thể hiện trên bảng 1.8.
37
Mêtan Etan Propan Butan C+5 Nitơ H2S CO2
Pháp 69,0 3,0 0,9 0,5 0,5 1,5 15,3 9,3 Algieria 83,7 6,8 2,1 0,8 0,4 5,8 - 0,2 Đông âu 85,3 5,8 5,3 2,1 0,2 0,9 - 0,4 Irac 56,9 21,2 6,0 3,7 1,6 - 3,5 7,1 Mỹ 86,5 8,0 1,9 0,3 0,2 2,6 - 0,5 Indonesia 56,7 8,5 14,5 5,1 0,8 1,3 - 4,1
Vì thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là mêtan nên phương tiện chạy bằng NGV tạo ra khí thải HC khơng mêtan ít hơn so với phương tiện chạy xăng. Ngoài ra hệ thống nhiên liệu của phương tiện chạy NGV kín do vậy khơng có hiện tượng nhiên liệu tự bay hơi. Trong khí xả nồng độ VOC và CO cũng giảm đi. Nồng độ NOx trong khí thải thay đổi khơng đáng kể so với xăng trừ trường hợp sử dụng hệ thống kiểm sốt khí thải.
So với phương tiện chạy diezel, NGV có nồng độ NOx trong khí xả thấp hơn một chút và PM thì thấp hơn nhiều, trừ trường hợp phương tiện chạy bằng diezel có hàm lượng sulfua cực thấp và có bộ lọc PM.
Với hiệu suất năng lượng tương đương, khí xả hiệu ứng nhà kính (GHG) thải ra từ phương tiện sử dụng NGV thấp hơn xăng khoảng 15-20% vì NGV có hàm lượng cacbon tính trên một đơn vị năng lượng thấp hơn xăng. NGV có lượng GHG tương đương với xe chạy diezel.
Những cản trở cho việc sử dụng NGV rộng rãi là giá thành cải tạo động cơ cao, thiếu hạ tầng vận chuyển và kho chứa, mất không gian chứa hàng, thời gian nạp nhiên liệu tăng và quãng đường xe chạy ngắn.
1.4.4.5. Khí thiên nhiên hóa lỏng (LPG)
Khí thiên nhiên hóa lỏng gần đây được sử dụng cho phương tiện vận tải ở nhiều nước thuộc các châu lục khác nhau: Mỹ khoảng 200.000 xe, Nhật khoảng 400.000 xe, Italia khoảng 1,7 triệu xe, Hà Lan khoảng 750.000 xe, Thái Lan khoảng 200.000 xe, Ôxtrâylia khoảng 400.000 xe, Hàn Quốc khoảng 300.000 xe,…Sở dĩ khí thiên nhiên hóa lỏng (LPG) được sử dụng rộng rãi cho ơ tơ vì nó có trữ lượng lớn, khả năng hịa trộn với khơng khí tốt hơn và cháy sạch hơn so với xăng và dầu diezel. Do vậy lượng khí ơ nhiễm như CO, HC, NOx,…giảm nhiều.
Thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên hóa lỏng có 50% C3H8 (propan) và C4H10 (Butan). Đó là khí thơ từ mỏ dầu hoặc mỏ khí được nén hóa lỏng ở nhiệt độ thấp (-300
C). Áp suất tuyệt đối của LPG trong bình chứa khoảng 12,5 kg/cm2
ở 500C và 5,5 kg/cm2 ở 150C. Nhiệt độ bắt cháy khoảng 5100C, nhiệt trị thấp 48 MJ/kg.
38
Khí thiên nhiên hóa lỏng sử dụng được cho cả động cơ xăng và động cơ diezel. Khi chuyển động cơ diezel sang chạy LPG thì cần thêm bình chứa khí áp lực cao và hệ thống van giảm áp. Do LPG có trị số Xêtan nhỏ hơn dầu diezel nên tự bốc cháy ở nhiệt độ thấp hơn và do vậy lượng NOx tạo ra cũng ít hơn. Vì khí hỗn hợp được cháy sạch hơn nên lượng CO, HC, muội than và độ khói cũng giảm hơn.
Khi chuyển động cơ xăng sang chạy LPG cũng cần cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu.
Thường khi chuyển sang chạy LPG thì độ độc hại của khí xả giảm nhưng cơng suất động cơ cũng giảm từ 10÷15%. Để bù lại cần tăng tỷ số nén.
Có thể sử dụng phương án dùng xăng và LPG song song (hình 1.28)
Để chạy LPG, mạch xăng được khóa hồn tồn (đóng khóa xăng), chuyển cơng tắc sang vị trí LPG, LPG lỏng cao áp (7 kg/cm2) từ bình chứa qua van an tồn đến bộ giảm áp hóa hơi, chuyển thành dạng hơi ở áp suất 0,6 kg/cm2
và đi đến bộ trộn. Khi động cơ làm việc, khơng khí được hút vào trong bộ trộn kết hợp với LPG tạo thành hỗn hợp khí - LPG ở tỷ lệ phù hợp.
Khi chạy xăng, mở khóa xăng và chuyển cơng tắc sang vị trí chạy xăng. Lúc này toàn bộ hệ thống LPG và hệ thống xăng hoạt động giống như nguyên thủy.
Nếu so sánh mức độ phát thải của xăng không pha chì, diezel và khí ga hóa lỏng, có thể thấy tất cả các loại nhiên liệu trên khi cháy đều tạo ra CO, NOx, HC,…Riêng LPG không tạo ra SO2 và các hợp chất thơm.
Các nghiên cứu bằng thực nghiệm đã chỉ ra rằng nếu dùng khí ga hóa lỏng để chạy xe ô tô thay xăng trong điều kiện khai thác bình thường thì:
- Lượng CO phát thải giảm đáng kể (có thể giảm đến 10 lần) do tỷ số H/C của LPG cao hơn xăng và do hỗn hợp được hòa trộn đồng đều hơn.
- Lượng phát sinh HC thấp (có thể giảm đến 7 lần) do LPG bay hơi dễ, khơng có màng nhiên liệu lỏng trên đường nạp, trên thành buồng cháy.
- Lượng NOx phát thải cũng giảm nhiều (có thể giảm đến 10 lần) chủ yếu do nhiệt độ màng lửa nhiên liệu khí thấp hơn nhiệt độ màng lửa xăng.
Các nhà khoa học New Zealand đã đưa ra thông báo nếu dùng 100.000 xe con, 2000 xe khách và 10.000 xe tải chạy LPG trong vòng 5 năm thì lượng khí nhà kính CO2 giảm 340.000 tấn, chất thải cứng giảm 500 tấn.
Thực tế cho thấy các xe ô tô chạy LPG hoặc CNG rất dễ dàng đạt tiêu chuẩn phát thải của Châu Âu – tiêu chuẩn khắt khe nhất. Ở Việt Nam, tính đến cuối năm 2005 mới có khoảng 200 xe ô tô con dùng LPG đang chạy thí điểm. Để có thể tăng nhanh số lượng cần có những biện pháp hỗ trợ đồng bộ khác.
39
1.4.4.6. Mêtanol
Nhiên liệu mêtanol được sản xuất từ khí tự nhiên hoặc từ xenlulơ. Nó là loại chất lỏng dễ chứa và vận hành an tồn hơn so với khí tự nhiên. Mêtanol có khả năng cháy cao, nhệt độ cháy thấp (giảm lượng khí thải NOx), do vậy lượng khí thải độc hại ít hơn xăng và diezel. Ngồi ra lượng thải VOC và khí nhà kính GHG cũng nhỏ hơn so với phương tiện chạy xăng.
Nhiên liệu mêtanol thông dụng nhất là M85 (85%mê tan và 15% xăng). Cản trở cơ bản của việc dùng mêtanol là giá thành cao và khơng ổn định. Ít có khả năng cạnh tranh được với xăng dầu trừ khi nguồn dầu mỏ bị cạn kiệt.
1.4.4.7. Êtanol
Êtanol được sản xuất chủ yếu từ ngũ cốc hoặc từ đường mía. Nó được pha với xăng theo tỷ lệ nhất định gọi là “khí cồn”, cịn nếu dùng ngun chất thì cần có động cơ chun dụng.
Xe chạy bằng “khí cồn” thì lượng VOC và CO giảm, nhưng NOx và GHG có tăng
chút ít so với xe chạy xăng.
Do êtanol được sản xuất từ ngũ cốc và đường nên phải đối đầu với chiến lược lương thực của mỗi quốc gia vì vậy nó chưa được sử dụng làm nhiên liệu trừ khi chính phủ có sự hỗ trợ bằng chính sách.
Ở Brazin việc sử dụng êtanol để chạy xe đã thành công và thu hút được sự chú ý của thế giới.