Hydro chỉ chiếm có 10% khối lượng của nước và có thể tách riêng rẽ với O2 sau khi điện phân. Tuy nhiên, để sản xuất đủ lượng hydro cần thiết thì cần một nguồn điện
rất lớn. Hơn nữa, những vật liệu làm điện cực rất đắt, vì vậy nó kéo theo giá thành để sản sinh hydro cũng tăng lên. Tuy nhiên đó chỉ là những đầu tư ban đầu, chúng ta có thể sử dụng những nguồn năng lượng khác để điện phân như dùng sức nước (thuỷ điện, thuỷ triều) hay sứcgió, năng lượng mặt trời .
b) Từ các phản ứng hoá học.
Trong các phản ứng này thì nguyên liệu gốc để chế tạo hydro là khí thiên nhiên, khí dầu mỏ, dầu mỏ hay khí sinh học. Những phản ứng này cần phải trải qua hai bước, ví dụ như khí thiên nhiên (có 95% là methan):
- Chuyển từ khí thiên nhiên sang khí đốt tổng hợp (syngas) CH4 + H2O → CO + 3H2
- Phản ứng CO khử nước thành hydro CO + H2O → CO2 + H2
c) Sự khí hố
Q trình khí hóa là q trình chuyển đổi nhiên liệu (dầu nặng, than đá và nhiên liệu sinh khối) để tạo thành hydro bằng cách ơxy hố nhiên liệu (Underground coal gasification). Những nhiên liệu này cần một lượng ơxy đủ để hồn thành quá trình cháy ngay dưới lịng đất, kết quả sẽ tạo ra khí CO và H2.
Cũng tạo ra sản phẩm trong quá trình điện phân nước, Yull Brown đã nghiên cứu sử dụng cả hai sản phẩm của quá trình điện phân là H2 và O2 để làm chất đốt. Với tỷ lệ về thể tích của khí H2:O2 là 2:1, q trình cháy được cải thiện nhờ có khí O2 bổ sung thêm vào hỗn hợp. Với tỉ lệ như vậy thì hỗn hợp khí này cịn gọi là khí HHO hoặc khí Brown (Brown’s gas).
1.3. Xăng sinh học
Xăng sinh học là hỗn hợp giữa xăng và cồn sinh học, phổ biến nhất hiện nay là hỗn hợp xăng và ethanol. Xăng ethanol có một số đặc điểm đáng chú ý như sau:
- Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol (20,06 kcal/kg) cao hơn rất nhiều so với ẩn nhiệt hóa hơi của xăng (7,78 kcal/kg). Trong cùng một điều kiện, xăng sinh học khi bay hơi sẽ làm giảm nhiệt độ nhiều hơn so với xăng. Sự giảm nhiệt độ này dẫn tới mật độ khí nạp lớn hơn, lượng khí nạp mới khi nạp vào động cơ sẽ lớn hơn.
- Ethanol có chỉ số octan cao nên khi pha vào xăng giúp tăng chỉ số octan của hỗn hợp, qua đó có thể tăng tỷ số nén của động cơ.
- Trong phân tử ethanol có chứa oxy nên tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu (A/F) của hỗn hợp xăng-ethanol thấp hơn giá trị A/F của xăng thường. Chẳng hạn, nhiên liệu chứa 10% ethanol yêu cầu tỷ lệ A/F khoảng 14,1:1 trong khi tỷ lệ A/F của xăng gốc là 14,7:1.
- Ethanol có tốc độ cháy nhanh hơn và giới hạn cháy rộng hơn xăng.
- Tính an tồn trong tồn trữ và vận chuyển của ethanol cao hơn so với xăng nhờ khả năngbay hơi thấp hơn và điểm bắt cháy lớn.
- Có sự phân tách pha khi hàm lượng nước trong xăng quá cao. Nhiên liệu xăng sinh học hấp thụ nước đáng kể mà không xảy ra sự phân tách pha do khả năng hoà tan của nước trong ethanol cao, nhưng nếu lượng nước quá cao thì nước và phần lớn ethanol sẽ phân tách rồi lắng xuống dưới thùng nhiên liệu. Lượng nước có thể được hấp thụ trong nhiên liệu xăng sinh học mà không xảy ra sự phân tách pha trong thay đổi từ 0,3-0,5% thể tích, tuỳ thuộc vào nhiệt độ.
- Nhiệt trị của ethanol (21,2 MJ/lít) thấp hơn nhiều so với xăng (30,1 MJ/lít) nên khi pha ethanol với tỷ lệ lớn sẽ gâyảnh hưởng đến công suất của động cơ.
- Lượng phát thải các chất độc hại giảm đáng kể khi sử dụng NLSH. Ngoài ra, NLSH phân huỷ sinh học nhanh, ít gây ơ nhiễm nguồn nước và đất.
1.3.1. Chỉ tiêu chất lượng của ethanol dùng để pha vào xăng
Để có thể pha vào xăng RON92, ethanol cần đạt được các chỉ tiêu nhất định. Bảng 1.2 đưa ra chất lượng của ethanol dùng để pha vào xăng.
Bảng 1.2. Các chỉ tiêu chất lượng của ethanol dùng để pha với xăng [5]
TT Tên chỉ tiêu Giới hạn
1 Ethanol, % thể tích, min >92,1
2 Methanol, % thể tích, max <0,5
3 Hàm lượng nhựa đã rửa qua dung mơi, mg/100ml, max <5,0
4 Hàm lượng nước, % thể tích, max <1,0
5 Hàm lượng chất biến tính (xăng, naphta), % thể tích, min-max 1,96-5,0
6 Hàm lượng clorua vô cơ, mg/l, max 32
7 Hàm lượng đồng, mg/kg, max <0,1
8 Độ axit (axit acetic), mg/l, max <0,007
9 Độ pH, min – max 6,5– 9,0
10 Lưu huỳnh, mg/kg, max <30
11 Sulfat, mg/kg, max <4
12 Khối lượng riêng ở 15oC, kg/m3 Báo cáo
13 Ngoại quan Trong
Các chỉ tiêu của ethanol biến tính được xác định theo phương pháp TCVN 7864 (ASTM D 5501), TCVN 7894 (EN 14110), TCVN 7893 (ASTM E 1064), TCVN 7892 (ASTM D 1613), TCVN 7716 (ASTM D 4806)….
1.3.2. Chỉ tiêu chất lượng của xăng sinh học
Ở Việt Nam, ethanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng khơng chì được quy định trong quy chuẩn Việt Nam QCVN 1: 2009/BKHCN thể hiện ở bảng 1.3.
Bảng 1.3. Quy chuẩn về ethanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng khơng chì [4]
Tên chỉ tiêu Mức Phương pháp thử
1. Hàm lượng ethanol, % thể tích, khơng dưới 92,1 TCVN 7864 (ASTM D 5501) 2. Hàm lượng methanol, % thể tích, khơng trên 0,5 TCVN 7894 (EN 14110) 3. Hàm lượng nước, % thể tích, khơng trên 1,0 TCVN 7893 (ASTM E 1064) 4. Độ axit (tính theo axit axetic CH3COOH), %
khối lượng, khơng trên 0,007 TCVN 7892 (ASTM D 1613) 5. Hàm lượng clorua vô cơ, mg/kg, không trên 40 TCVN 7716 (ASTMD 4806)
Ethanol pha xăng ngày nay đã được tiêu chuẩn hóa về chất lượng, tùy theo quốc gia quy định. Bảng 1.4 là tiêu chuẩn ethanol nhiên liệu của Mỹ năm 2003 và bảng 1.5 thể hiện tiêu chuẩn tương ứng của Ấn Độ.
Bảng 1.4. Tiêu chuẩn ethanol nhiên liệu của Mỹ năm 2003 [12]
TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Giới hạn
1 Tỷ trọng tại 15,6oC, max g/ml 0,796 2 Nồng độ ethanol ở 15,6oC, min % tt 99,5
3 Tính kiềm - Khơng có
4 Axit qui về axit acetic, max % kl 0,006 5 Lượng chất rắn saukhi bốc hơi nguyênliệu, max % kl 0,005 6 Lượng aldehyde qui về CH3COOC2H5 g/100ml 0,10
7 Chì (Pb), max g/100ml Khơng có
8 Methyl alcohol ppm Yêu cầu môi trường
9 Ketones, isopropyl, teratiary butyl ppm Yêu cầu môi trường 10 Các hợp chất chứa lưu huỳnh % tt Khơng có
Bảng 1.5 : Tiêu chuẩn ethanol nhiên liệu của Ấn Độ [12]
TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Giới hạn
1 Tỷ trọng tại 15,6oC, max g/ml 0,7961
2 Nồng độ ethanol ở 15,6oC, min % tt 99,5
3 Tính kiềm - Khơng có
4 Axit qui về axit acetic, max mg/l 30
5 Lượng chất rắn sau bốc hơi nguyên liệu, max % kl 0,005 6 Lượng aldehyde qui về CH3COOC2H5, max mg/l 60
7 Đồng (Cu), max mg/kg 0,1
8 Methyl alcohol, max mg/kg 300
9 Khả năng dẫn điện, max μS/m 300
Khi pha ethanol vào xăng với các tỷ lệ khác nhau sẽ cho các loại nhiên liệu xăng sinh học có tính chất lý hóa khác nhau. Bảng 1.6 đưa ra một số tính chất lý hóa của một số loại xăng sinh học điển hình.
Bảng 1.6. Tính chất lý hóa của xăng pha ethanol [4]
So sánh thuộc tính của xăng pha cồn và xăng nguyên chất
Đặc tính Nhiên liệu
E0 E5 E10 E20 E30
Trọng lượng riêng (kg/l ở
15,5oC) 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 37,8oC) 53,7 59,3 59,6 58,3 56,8 Hàm lượng lưu huỳnh (% kl) 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 <0,025 <0,0025 <0,0025 IBP 35,5 36,5 39,5 36,7 39,5 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 Cacbon (% kl) 86,60 87,70 86,7 87,6 86 Hydrogen (% kl) 13,30 12,20 13,90 12,3 13,9 Hàm lượng cặn (% tt) 1,7 1,5 1,5 1,5 1,5 Màu sắc Vàng Vàng Vàng Vàng Vàng
1.3.3. Ảnh hưởng của xăng pha cồn đến động cơ.
1.3.3.1. Một số tính chất cơ bản xăng pha cồn.
a) Độ bay hơi của xăng và ethanol
Xăng có ẩn nhiệt hóa hơi là khoảng 140 Btu/lb; ethanol là 361 Btu/lb. Trong động cơ, sự bay hơi của hỗn hợp xăng/khơng khí dẫn tới sự giảm nhiệt độ vào khoảng 40oF (4,4oC). Dưới cùng một điều kiện, sự giảm nhiệt độ đối với ethanol lớn hơn hai lần so với xăng. Sự giảm nhiệt độ này dẫn tới một “mật độ khối lượng” nhiên liệu ethanol vào động cơ lớn hơn đáng kể so với xăng. Nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol cao dẫn đến hiệu ứng làm lạnh mơi chất nạp. Do đó nạp được đầy hỗn hợp hơn vào trong xilanh của động cơ, kết hợp vớinhiệt trị thế tích của hỗn hợp của ethanol gần bằng của xăng, cho nên công suất của động cơ dùng ethanol có thể lớn hơn khi dùng xăng. Điều này dẫn tới sự tăng hiệu quả về nhiên liệu của ethanol so với xăng.
b) Ảnh hưởng của ethanol lên độ bay hơi củanhiên liệu
Ethanol có điểm sơi cố định và do đó có độ bay hơi cố định (78,4oC), trong khi độ bay hơi của xăng phụ thuộc vào thành phần hydrocacbon của nó. Khi thêm ethanol vào xăng, nhiệt độ sơi của hỗn hợp sẽ giảm xuống thấp hơn nhiệt độ sôi của hydrocacbon. Nhiệt độ sôi của các hợp chất thơm giảm xuống nhẹ hơn so với các hydrocacbon no. Theo số liệu, hỗn hợp ethanol/xăng (10% ethanol) có nhiệt độ thấp hơn đáng kể cho giai đoạn sôi đầu, đây là giai đoạn ảnh hưởng chủ yếu đến 50% sôi đầu. Nếu hàm lượng ethanol trong hỗn hợp tăng lên trên 10%, thể tích nhiên liệu bay hơi dưới 93oC sẽ tăng lên, và đường cong chưng luyện cho hỗn hợp này thấp hơn đường cong của hỗn hợp 10%. Nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol cao và nhiệt độ bay hơi khá cao (78oC) làm cho khó khởi động lạnh xe.
Hình 1.6. Đồ thị đường cong chưng cất
Một thông số quan trọng khác của xăng là áp suất hơi (RVP), thơng số nàybị ảnh hưởng do sự có mặt của ethanol trong nhiên liệu. RVP của ethanol thấp hơn RVP của xăng nhiều. Tuy nhiên, ethanol được đưa vào xăng sẽ tạo một dung dịch không lý tưởng, khơng tn theo quan hệ tuyến tính. Hàm lượng ethanol thấp trong xăng sẽ gây ra sự tăng RVP. Áp suất hơi tăng đến giá trị cực đại khi hàm lượng ethanol trong nhiên liệu khoảng 10% thể tích và bắt đầu giảm khi tiếp tục tăng hàm lượng ethanol. Như vậy, hỗn hợp nhiên liệu có hàm lượng ethanol lớn hơn 10% sẽ có sự tăng nhẹ hơn về RVP. Theo các nghiên cứu, khi thêm ethanol, xăng có áp suất hơi bản thân thấp sẽ có độ tăng áp suất hơi cao hơn so với xăng có áp suất hơi cao.
oC
Hình 1.7. Áp suất hơi bão hịa tại 37,8oC
c) Trị số Octan
Khi tỷ số nén trong một động cơ càng lớn có nghĩa là năng lượng sinh ra sau mỗi chu trình tăng lên và hiệu quả đạt được lớn hơn, khả năng của một nhiên liệu chống lại sự kích nổ sớm là chất lượng cần phải có. Trị số octan của nhiên liệu dựa trên giá trị của một hydrocacbon là octan với giá trị 100, n-heptane có giá trị octan bằng 0. Trị số octan của một nhiên liệu dựa trên phần trăm thể tích của hỗn hợp iso-octane và n- heptane cho phép chúng phù hợp với đặc tính cháy sớm. Thực tế, các thử nghiệm này được thực hiện trong một động cơ thử đặc biệt với các chế độ nén thay đổi. Như đã đề cập, ethanol có giá trị chống kích nổ hay trị số octan tương đối cao và nó có khả năng làm tăng đáng kể trị số octan của xăng khi chúng được trộn với nhau. Hiệu quả của việc trộn này đạt giá trị cao nhất đối với chủng loại xăng cấp thấp. Khi pha 25% ethanol vào xăng gốc có trị số octan 40, trị số này sẽ tăng lên đến 30 đơn vị (đạt octan 70). Khả năng tăng trị số octan có nghĩa là: thứ nhất, xăng cấp thấp có thể sử dụng làm nhiên liệu với trị số octan nào đó, và và thứ hai, việc sử dụng các phụ gia chống kích nổ truyền thống gây ơ nhiễm như tetra etyl chì có thể được loại bỏ. Việc pha 10-15% ethanol vào xăng khơng chì làm tăng trị số octan đến giá trị để cho phép nó có thể được sử dụng để đốt trong động cơ tỷ số nén cao mà trước đây không thể sử dụng cho nhiên
liệu khơng chì. Việc sử dụng ethanol khơng phải là mới do ethanol đã từng được sử dụng làm phụ gia tăng trị số octan.
Hình 1.8. Sự tăng trị số octan khi tăng tỉ lệ ethanol
d) Hiệu ứng làm nghèo của ethanol
Xăng là hỗn hợp của các hydrocacbon chỉ chứa H và C, ethanol chứa H, C và O. Tỷ lệ A/F cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu để tạo thành CO2 và nước gọi làtỷ lệ hỗn hợp khí chuẩnA/F (stoichiometric ratio). Với xăng, tỷ lệ này vào khoảng 14,7:1 (theo khối lượng). Với nhiên liệu xăng/ethanol, khơng khí cần thiết để sự cháy triệt để cần ít hơn do trong bản thân ethanol đã có oxy và do một số hydrocacbon được thay thế. Lấy ví dụ, một nhiên liệu chứa 10% ethanol chỉ yêu cầu A/F từ 14:1 đến 14,1:1. Hiệu ứng nhiên liệu dạng này thay đổi trên một động cơ gọi là “hiệu ứng làm nghèo”.
e) Phân tách pha do sự có mặt của nước
Sự phân tách pha xảy ra khi hàm lượng nước trong xăng quá cao. Nước có tỷ trọng lớn hơn xăng nên lắng xuống phía dưới khi phân tách. Do hầu hết các thùng chứa tháo sản phẩm ra ở phía dưới đáy (hoặc gần đó), nên khi nhiên liệu được sử dụng thì động cơ sẽ khơng chạy nếu có sự phân tách pha.
Các loại xăng thơng thường (khơng chứa oxy) chỉ có thể hấp thụ một lượng nhỏ nước trước khi sự phân tách pha xảy ra. Nhiên liệu xăng/ethanol có thể hấp thụ một lượng nước lớn đáng kể mà không xảy ra sự phân tách pha do khả năng hoà tan của
% ethanol trong xăng
Sự tha y đổi c hỉ số R O N tr ong G as oh ol
nước trong ethanol cao hơn. Nhiên liệu xăng-ethanol thực tế có chức năng làm khơ thùng chứa nhờ sự hấp thụ nước của ethanol và cho phép sử dụng trực tiếp trong động cơ. Tuy nhiên nếu lượng nước quá cao, nước và phần lớn ethanol sẽ phân tách và lắng xuống phía dưới nhiên liệu. Lượng nước có thể được hấp thụ trong nhiên liệu xăng/ethanol mà không xảy ra sự phân tách pha trong thay đổi từ 0,3-0,5% thể tích, tuỳ thuộc vào nhiệt độ. Nếu sự phần tách pha xảy ra, nhiên liệu khi cấp vào động cơ sẽ làm động cơ không thể chạy được.
Ethanol là hồn tồn có thể trộn lẫn với nước trong tất cả các tỷ lệ, trong khi xăng và nước là không thể trộn lẫn [10]. Điều này có thể gây ra nhiên liệu pha trộn để chứa nước, và kết quả hơn nữa trong các vấn đề ăn mòn trên các thành phần cơ khí, đặc biệt là cho các thành phần làm bằng đồng, đồng thau hoặc nhôm. Để giảm bớt vấn đề về cung cấp nhiên liệu hệ thống, vật liệu như đã đề cập ở trên cần phải tránh [10]. Ethanol có thể phản ứng với cao su và tạo ra ách tắc trong các đường ống nhiên liệu. Vì vậy, được khuyên nên sử dụng cao su fluorocarbon như thay thế cao su [10]. Trên quá trình đốt cháy, nhiệt độ đánh lửa và điểm chớp cháy của ancol là cao hơn so với xăng, làm cho nó an tồn hơn cho giao thơng vận tải và lưu trữ.
1.3.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của xăng pha ethanol tại phịng thí nghiệm động cơ đốt trong AVL – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội[2].
Nhiên liệu dùng trong quá trình thử nghiệm bao gồm: - Xăng MOGAS 92 có bán trên thị trường Việt Nam.