Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho động cơ xăng

Để đảm bảo được an ninh nhiên liệu, tăng trưởng kinh tế và giảm thiểu ônhiễm môi trường, chúng ta, bao gồm cả những nước phát triển và đang phát triểnphải có chiến lược kết hợp sử dụng h

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Viện Cơ khí động lực – Bộ môn Động cơ đốt trong

-Báo cáo tổng quanBÁO CÁO TIỂU LUẬN TỔNG QUAN Đề tài: Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn Ethanol tới 100% cho động cơ xăng Nghiên cứu sinh: Nguyễn Khánh Tùng Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1.TS Phạm Hữu Tuyếnến 2 PGS.TS Phạm Văn Thể Hà Nội, 2014 Mục Lục 1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học 3

1.1 Sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học 3

1.1.1 Tính cấp thiết 3

1.2.1 Ưu, nhược điểm của nhiên liệu sinh học 5

1.2 Các loại nhiên liệu sinh học đã và đang nghiên cứu sử dụng cho phương tiện giao thông vận tải 7

1.2.1 Nhiên liệu lỏng 7

1.2.2 Khí sinh học (Biogas) 8

1.2.3 Nhiên liệu sinh học rắn 9

2 Nhiên liệu ethanol và xăng sinh học 9

2.1 Ethanol 9

2.1.1 Tính chất lý hóa của Ethanol 9

2.1.2 Phương pháp sản xuất ethanol 14

2.2 Xăng sinh học (xăng pha ethanol) 6

2.3 Tình hình sản xuất ethanol (và xăng sinh học) trên thế giới và ở Việt Nam 19

3 Tình hình nghiên cứu và sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên động cơ xăng 23

3.1 Tình hình nghiên cứu xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên động cơ xăng trên thế giới 23

3.1.1 Tình hình nghiên cứu xăng sinh học trên thế giới 23

3.1.2 Tình hình sử dụng xăng sinh học trên thế giới 313.1.2 Tình hình sử dụng xăng sinh học trên thế giới .34

3.2 Tình hình nghiên cứu xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên động cơ xăng tại Việt Nam .353.2 Tình hình nghiên cứu xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên động cơ xăng tại Việt Nam .38

3.2.1 Tình hình nghiên cứu xăng sinh học tại Việt Nam .353.2.1 Tình hình nghiên cứu xăng sinh học tại Việt Nam .38

3.2.2 Tình hình sử dụng xăng sinh học tại Việt Nam .353.2.2 Tình hình sử dụng xăng sinh học tại Việt Nam .39

4 Kết luận .364

Kết luận .40

Tài liệu tham khảo .37Tài liệu tham khảo

41

1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học

1.1 Sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học

1.1.1 Tính cấp thiết

Năng lượng và nhiên liệu có vai trò quan trọng hàng đầu cho sự phát triểnkinh tế - xã hội nói chung cũng như sự phát triển của các loại phương tiện vận tảinói riêng Với vai trò quan trọng như vậy, trong sự phát triển kinh tế - xã hội nhiênliệu cần phải phát triển trước một bước so với các ngành kinh tế khác Còn đối với

sự phát triển các loại phương tiện thì nhiên liệu chính là cơ sở để nghiên cứu vàphát triển các loại phương tiện ở hiện tại cũng như trong tương lai

Với sự tăng trưởng kinh tế, tăng dân số (nhất là các nước đang phát triển)dẫn đến tiêu thụ nhiên liệu ngày càng tăng Theo báo cáo nhu cầu tiêu thụ nhiênliệu trong vòng 50 năm tới so với năm 1995 sẽ tăng 50% đối với phương án tăngtrưởng kinh tế thấp và sẽ tăng 250% với tăng trưởng kinh tế cao Trong khi nguồnnhiên liệu hoá thạch (than, dầu khí vốn được coi là nguồn năng lượng chủ yếu ởhiện tại và trong tương lai 4  5 thập kỷ nữa) giờ đây đang cạn kiệt và trở nên đắt

đỏ Việc khai thác, sử dụng nhiên liệu hoá thạch còn gây ô nhiễm môi trường, làmtăng nguy cơ của hiệu ứng nhà kính, làm cho trái đất nóng dần lên; lượng khí gâyhiệu ứng nhà kính mà chủ yếu là CO2 đã tăng trên 30% so với thời kỳ tiền côngnghiệp (tăng từ 280 ppmV lên 360 ppmV và có nguy cơ tăng lên 500 ppmV trướcnăm 2100) gây ra hậu quả xấu cho nền kinh tế và xã hội toàn cầu Bên cạnh đó tìnhhình bất ổn tại các khu vực giàu dầu mỏ Iran, Iraq, Nigeria… khiến nguồn cungkhông đảm bảo liên tục gây lo ngại cho các nước “khát dầu” phục vụ cho nền kinh

tế phát triển

Để đảm bảo được an ninh nhiên liệu, tăng trưởng kinh tế và giảm thiểu ônhiễm môi trường, chúng ta, bao gồm cả những nước phát triển và đang phát triểnphải có chiến lược kết hợp sử dụng hợp lý các nguồn nhiên liệu dài hạn với chiếnlược phát triển sử dụng các nguồn nhiên liệu ít gây ô nhiễm môi trường như nhiênliệu sạch (nhiên liệu sinh học) càng sớm càng tốt Chính vì những lý do đó, nhiềuquốc gia và các hãng sản xuất ô tô lớn trên thế giới trong vài thập kỷ qua đã đầu tư

cho nghiên cứu và phát triển các loại phương tiện sử dụng các dạng nhiên liệu sạchthay thế, trong đó có nhiên liệu sinh học.

Phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế là các loại phương tiện có động cơchạy bằng các loại nhiên liệu khác không có nguồn gốc từ dầu mỏ (không chạybằng xăng hoặc dầu diesel) và các loại phương tiện sử dụng các công nghệ kháckhông liên quan đến dầu mỏ ( ví dụ như xe điện, xe điện hybrid, năng lượng mặttrời) Do tác động của các yếu tố như ảnh hưởng tới môi trường, sự tăng cao củagiá dầu nên việc phát triển các loại xe sử dụng nhiên liệu thay thế đang là một ưutiên của nhiều chính phủ và các nhà sản xuất ô tô trên toàn thế giới

Năm 2011 đã có hơn một tỷ ô tô được sử dụng trên toàn thế giới, trong đó cókhoảng 70 triệu chiếc xe sử dụng nhiên liệu thay thế Trong số đó xe sử dụng nhiênliệu linh hoạt (hỗn hợp xăng pha cồn ) chiếm số lượng lớn nhất với khoảng27.100.000 chiếc xe được sử dụng Sau đó là đến các loại xe sử dụng Khí hóa lỏngLPG với khoảng 17.500.000 chiếc xe; Khí đốt tự nhiên CNG với khoảng14.800.000 chiếc xe; Ethanol nguyên chất với khoảng 5.700.000 chiếc; xe Hybridvới 5.200.000 chiếc và cuối cùng là xe sử dụng điện (PEVs) với 530.000 chiếc xe

được sử dụng [5].

Qua biểu đồ, chúng ta thấy loại xe sử dụng nhiên liệu thay thế được sử dụng

là xe sử dụng nhiên liệu linh hoat Trong số 27.100.000 xe sử dụng nhiên liệu linhhoạt được sử dụng tính đến hết tháng 12 năm 2011 thì nước sử dụng nhiều nhất làBrazil với 16.300.000 chiếc, sau đó là Hoa Kỳ với gần 10 triệu chiếc, Canada với600.000 chiếc, châu Âu (chủ yếu là tại Thụy Điển) với 228.522 chiếc Ngoài ra tạiBrazil còn có hơn 1,5 triệu chiếc xe máy cũng sử dụng nhiên liệu linh hoạt Xe sửdụng nhiên liệu linh hoạt được sử dụng nhiều nhất do chúng có rất nhiều tiềm năng

và triển vọng để phát triển [6].

1.1.2 Ưu, nhược điểm của nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học (Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợpchất có nguồn gốc động thực vật Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo củađộng thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương, sắn,…),chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm trong công nghiệp (mùncưa, sản phẩm gỗ thải,…) [1]

Nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệutruyền thống như:

- Tính chất thân thiện với môi trường: chúng sinh ra ít hàm lượng khí gâyhiệu ứng nhà kính (CO2, CO, N2O,…) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loạinhiên liệu truyền thống

- Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuấtnông, lâm nghiệp và có thể tái sinh, giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóathạch (dầu mỏ, than đá,…)

- Nhiên liệu sinh học có thể sản xuất từ các thứ phẩm trong nông nghiệp nhưrơm, rạ, thân cây,… nếu tận dụng được những nguồn nguyên liệu thô này sẽ giúpgiảm giá thành nhiên liệu sinh học đồng thời tăng giá trị của cây nông nghiệp

Tuy nhiên nhiên liệu sinh học cũng có một số nhược điểm như:

- Phát triển nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ thực vật yêu cầu diện tíchcanh tác lớn dẫn đến việc cạnh tranh diện tích canh tác với các cây lương thực khác

do đó sẽ làm giá lương thực tăng cao, nếu phát triển không hợp lý có thể gây đe dọatới an ninh lương thực

- Phát triển nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ động thực vật còn gặp phảimột khó khăn nữa đó là phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, dịch bệnh nếuđiều kiện không thuận lợi thì quá trình sản xuất không thể diễn ra liên tục được

- Công nghệ để đầu tư cho sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến (chế tạonhiên liệu sinh học từ lignin cellulose – có trong rơm, cỏ, gỗ,…) có giá vốn cao

- Nhiên liệu sinh học khó cất giữ và bảo quản hơn so với nhiên liệu truyềnthống (dễ bị biến tính phân hủy theo thời gian)

1.2 Các loại nhiên liệu sinh học đã và đang được nghiên cứu sử dụng cho phương tiện giao thông vận tải

Hiện nay, đã và đang có nhiều loại nhiên liệu sinh học được nghiên cứu và sửdụng Các loại nhiên liệu sinh học đó bao gồm:

1.2.1 Nhiên liệu lỏng

+ Nhiên liệu Diesel sinh học (BioDiesel)

Diesel sinh học (BioDiesel): Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tínhchất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu

mỏ mà được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóaester Trên thực tế, để có thể dùng làm Biodiesel, các loại dầu và mỡ phải được tinhchế thành methyl hoặc ethyl ester Trong quá trình chuyển hóa nhiều loại dầu đượcchuyển hóa thành methyl ester nhờ phản ứng hóa học với Methanol (có các chấtxúc tác như Na (natri) hay KOH (potassium hydroxide) Sau đó, nước, glyxerin,methanol và một số chất cặn bã khác sẽ được tách trước khi Biodiesel trở thành loạinhiên liệu có chất lượng đủ tiêu chuẩn dùng cho động cơ diesel

+ Nhiên liệu sinh học gốc rượu (Ancol)

Nhiên liệu sinh học gốc rượu, còn gọi là ancol, trong hóa học là một hợp chấthữu cơ chứa nhóm -OH gắn vào một nguyên tử cácbon mà nó đến lượt mình lại gắnvới một nguyên tử hiđrô hay các bon khác Bao gồm các nhiên liệu chính sau đây:

Methanol (CH3OH): Methanol, cũng gọi là methyl alcohol, alcohol gỗ,naphtha gỗ hay rượu mạnh gỗ, là một hợp chất hóa học với công thức phân tửCH3OH (thường viết tắt MeOH) Đây là rượu đơn giản nhất, nhẹ, dễ bay hơi,không màu, dễ cháy chất lỏng với một mùi đặc trưng, rất giống, nhưng hơi ngọthơn ethanol, dễ bay hơi, dễ cháy, mùi gây chóng mặt, độc và gây ăn mòn, có thểhấp thụ qua da Methanol được làm từ than đá và khí tự nhiên, cũng có thể làm từnguồn nguyên liệu tái sinh như gỗ hoặc giấy thải dưới tác dụng của vi khuẩn

Ethanol (C2H5OH): là một ancol mạch thẳng, công thức hóa học của nó làC2H6O hay C2H5OH Một công thức thay thế khác là CH3-CH2-OH thể hiệncarbon ở nhóm metyl (CH3–) liên kết với carbon ở nhóm metylen (–CH2–), nhómnày lại liên kết với oxy của nhóm hydroxyl (–OH) Ethanol là chất lỏng, khôngmàu, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước, dễ bay hơi, sôi ở nhiệt

độ 78,39°C, hóa rắn ở -114,15°C, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa cómàu xanh da trời Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩmhữu cơ như tinh bột, cellulose, lignocellulose Ethanol nguyên chất ít được dùnglàm nhiên liệu, thông thường ethanol được pha với xăng để làm nhiên liệu cho

động cơ đốt trong Theo một số nghiên cứu thì khi pha 5÷10% ethanol vào xăng thìđộng cơ không phải thay đổi bất kỳ thông số kết cấu nào.

Butanol (C4H7OH): là một hợp chất hữu cơ có nhóm chức OH như ethanolnhưng số nhóm CH2 nhiều hơn gấp 3 lần nên thuộc loại rượu mạnh Tuy có cùngnhóm chức OH nhưng chứa cấu trúc mạch cacbon dài hơn và có nhiều nhánh nênButanol ít hoặc khó hòa vào nước so với ethanol Cũng giống như ethanol, Butanolthu được thông qua tổng hợp hóa học gọi là Butanol tổng hợp, được dùng chủ yếunhư một dung môi trong công nghiệp, còn nếu thu được bằng con đường sinh họcthì gọi là Butanol sinh học, được dùng như nhiên liệu

1.2.2 Khí sinh học (Biogas)

Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khácphát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí Thànhphần chính của Biogas là CH4 (50-60%) và CO2 (>30%) còn lại là các chất khácnhư hơi nước N2, O2, H2S, CO, … được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúctác nhờ nhiệt độ từ 20-40ºC, do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động

cơ đốt trong Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sửdụng tạo nên hỗn hợp nổ với không khí Khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết trongđộng cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc Hơi nước có hàm lượngnhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp

và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas

1.2.3 Nhiên liệu sinh học rắn

Nhiên liệu sinh học rắn đã được con người sử dụng từ rất lâu trong lịch sửnhân loại Đó là các loại gỗ cũng như phân thú khô Trước kia cũng như ngày nay,loại nhiên liệu này chủ yếu được sử dụng hàng ngày trong công việc nấu nướng haysưởi ấm Đối với phương tiện giao thông vận tải, nhiên liệu sinh học rắn được sửdụng trong thời kỳ phát triển của các động cơ mà quá trình cháy diễn ra ở bên ngoàinhư động cơ hơi nước Lúc đó, gỗ được sử dụng để đốt để lấy nhiệt cho các lò hơinước Tuy nhiên, ngày nay với sự phát triển của các phương tiện sử dụng động cơ

đốt trong thì loại nhiên liệu sinh học rắn này không còn được sử dụng trên các loạiphương tiện nữa.

2 Nhiên liệu ethanol và xăng sinh học

2.1 Ethanol

Ethanol còn được biết đến với tên rượu Ethylic hay rượu ngũ cốc hayethanol: là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rượu Methylic, dễcháy, không màu, là một trong các rượu thông thường có thành phần của đồ uốngchứa ethanol

Trong cách gọi thông thường, ethanol thường được gọi một cách đơn giản làrượu Công thức hóa học của nó là C2H5OH, hay CH3CH2OH, viết tóm tắt làC2H6O

2.1.1 Tính chất lý hóa của Ethanol

Tính chất của ethanol pha vào xăng được quy định trong quy chuẩn ViệtNam QCVN 1:2009/BKHCN ethanol thể hiện như ở trong Bảng 1.1 dưới đây:

Bảng 1.1 Quy chuẩn của ethanol nhiên liệu

1 Hàm lượng ethanol, % thể tích, không

4 Độ axit (tính theo axit axetic

CH3COOH), % khối lượng, không lớn

hơn

0,007

TCVN 7892 (ASTM D 1613)

5 Hàm lượng clorua vô cơ, mg/kg,

không lớn hơn

40 TCVN 7716 (ASTM D 4806)

(Phụ lục A)

Bảng 1.2 Tính chất của xăng không chì.

10% thể tích 0C , max 7050% thể tích 0C , max 12090% thể tích 0C , max 190

(ASTM D525)

7 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg, max 500

TCVN 6701:2000(ASTM D2622/ATSM D 5453

8 Áp suất hơi (Reid) ở 37,80C, kPa 43-75

TCVN 7023:2002(ASTM D4953) /ASTM D5191

9 Hàm lượng benzen, % thể tích, max 2,5

TCVN 6703:2000(ASTM D3606) /ASTM D4420

10 Hydrocacbon thơm, % thể tích, max 40 TCVN 7330:2003

14 Hàm lượng kim loại (Fe,Mn),mg/l, max 5 TCVN 7331:2003

(ASTM D3831)

tạp chất lơ lửng ASTM D 4176RON: Reseach Octane Number

MON: Motor Octane Number, chỉ áp dụng khi có yêu cầu

Ưu, nhược điểm của Ethanol so với xăng

Ưu điểm của ethanol so với xăng :

- Ethanol là chất bay hơi ở nhiệt độ khá thấp nhưng lại có tính háo nước rấtlớn, nó có thể tan vô hạn trong nước và trong nhiều chất hữu cơ, vô cơ khác

- Ethanol không có màu và có mùi thơm, ngọn lửa của nó không màu

- Vì ethanol là hợp chất Hydrocacbon có chứa nhiều oxy nên tỉ lệ không khícần để đốt là 9 (kgkk/kgnl) ít hơn nhiều so với xăng 14 (kgkk/kgnl)

- Chỉ số octan cao, tức là khả năng chống kích nổ tốt, do vậy cho phép tối ưuhóa việc thiết kế và vận hành động cơ (tỉ số nén lớn)

- Trong phân tử ethanol (C2H5OH) có sẵn oxy tức là phân tử ethanol tự cómột phần oxy để đốt cháy Hydro và Cacbon Điều này tránh được quá trình cháythiếu cục bộ oxy trong hỗn hợp Do đó làm cho quá trính đốt cháy nhiên liệu đượchoàn toàn hơn và giảm sự phát thải khí CO và HC

- Nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol cao dẫn đến hiệu ứng làm lạnh môi chất nạp

Do đó nạp được đầy hỗn hợp hơn vào trong xylanh của động cơ, kết hợp với nhiệttrị thể tích của hỗn hợp ethanol gần bằng của xăng, cho nên công xuất của động cơdùng ethanol có thể lớn hơn khi dùng xăng

Nhược điểm :

Do có oxy trong nhiên liệu ethanol (khoảng 35% trọng lượng) dẫn đến nhiệttrị của ethanol thấp hơn xăng Do vậy tiêu hao nhiên liệu tính trên cùng một quãngđường chạy xe nhiều hơn so với dùng xăng

- Nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol cao và nhiệt độ bay hơi khá cao (78 0C) làmcho khó khởi động lạnh xe

- Hiện tượng azeotrope (đẳng phí) của ethanol với các hydrocacbon nhẹtrong xăng làm cho sự hao hụt do bay hơi tăng

- Khó tách ethanol ra khỏi nước do hiện tượng đồng sôi của ethanol vớinước Hàm lượng nước trong ethanol lớn hơn 1% sẽ tạo ra sự phân lớp khi pha vàoxăng Nếu không bảo quản tốt thì một phần nhỏ ethanol bị oxy hóa thành acidaxetic gây ăn mòn động cơ

- Lượng aldehyt trong khí thải ra khỏi động cơ nhiều hơn khi động cơ dùngxăng

2.1.2 Phương pháp sản xuất ethanol

Ethanol nguyên chất có thể được sản xuất từ rất nhiều nguồn Với mỗi nguồnnguyên liệu khác nhau sẽ có các quy trình sản xuất tương ứng nhưng nhìn chung lại

có hai phương pháp phổ biến:

+ Hydrat hóa ethylen

Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nóđược sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hydathóa ethylen trên xúc tác axit, được trình bày theo phản ứng hóa học sau Cho etylenhợp nước ở 3000C áp suất 70 – 80 atm với xúc tác là axit photphoric:

H2C = CH2 +H2O → CH3CH2OH

+ Phương pháp lên men:

Mọi sự lên men các đường đến C6, trong đó chủ yếu là glucose và cenlulozođều chuyển thành ethanol và khí CO2

Với các loại ngũ cốc thì người ta tách tinh bột và cần có thuỷ phân bởi cácenzymes để thu được đường rồi mới lên men Ở Pháp ethanol được sản xuất từ củcải đường hay lúa mạch Sản phẩm phụ của công nghệ này là bã rượu hay bã ép củcải đường để làm thực ăn cho gia súc góp phần giảm giá thành ethanol Bã rượucòn có thể dùng để điều chế nhiên liệu pha vào dầu nặng

Công nghệ sản xuất ethanol có thể được tóm tắt như sau :

Đầu tiên là thuỷ phân tinh bột để thu được đường Tiếp sau là lên menđường Rồi chưng cất ethanol để thu được ethanol nguyên chất Có hai gia đoạnchưng cất: Giai đoạn đầu, thu được loại ethanol 96% Giai đoạn sau, khử nước để

có ethanol alhydrid (99,5% tối thiểu, theo khối lượng)

Ở Việt Nam và các nước chủ yếu sử dụng các loại nguyên liệu có nguồn gốcxenlulozo hoặc dạng tinh bột :

(C6H10O5)n +nH2O nC6H12O6

C6H12O6 2C2H5OH + CO2

Tuy nhiên sản xuất theo nguyên tắc chung như trên tỷ lệ ethanol chỉ nhỏ hơn10% thể tích trong dung dịch với nước và chất bã do vậy muốn khử hết nước để đạtđược ethanol nguyên chất (99% )có thể dùng phương pháp như chưng cất hoặcdùng chất phụ gia hoặc xúc tác để khử như CaCO3, canxiclorua khan, chưng cất bachất đồng thời như ethanol, nước và thêm chất benzen Tuy nhiên để có được

ethanol tuyệt đối là việc làm khá khó khăn và có thể dẫn tới chi phí để sản xuất raethanol tăng gây giảm hiệu quả kinh tế.

Dưới đây giới thiệu quy trình sản xuất ethanol từ ngô - một trong nhữngnguyên liệu được dùng phổ biến hiện nay: Hình 1.1 dưới đây giới thiệu sơ đồ sảnxuất ethanol từ xenluloza.[6]

Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza

2.2 Xăng sinh học (xăng pha ethanol)

Ethanol được pha vào trong xăng với các hàm lượng khác nhau Nếu động cơ

sử dụng nhiên liệu xăng pha ethanol với tỉ lệ dưới 5% (E5) thì hầu như không cầnthay đổi bất cứ chi tiết nào của động cơ mà vẫn không làm thay đổi nhiều đến độbền và đặc tính hoạt động Tùy từng tỉ lệ ethanol có trong xăng sẽ quy định tính

chất của nhiên liệu Bảng 1.3 dưới đây là bảng liệt kê một số tính chất của xăng phaethanol E5 được quy định sử dụng ở Việt Nam :[5] :

Bảng 1.3 Quy chuẩn xăng pha ethanol E5.

Hàm lượng ôxy, % khối lượng

xăng không chì và xăng E5

Ưu nhược điểm khi dùng xăng ethanol

Xăng ethanol có chứa ethanol là một loại nhiên liệu sinh học nên nó có đầy

đủ ưu nhược điểm chung của nhiên liệu sinh học Ngoài ra phải kể đến một số ưunhược điểm riêng sau:

Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol là 361 Btu/lb lớn hơn rất nhiều so với ẩn nhiệthóa hơi của xăng (140Btu/lb), vì vậy trong cùng một điều kiện xăng ethanol khibay hơi sẽ làm giảm nhiệt độ nhiều hơn so với xăng Sự giảm nhiệt độ này dẫn tớimật độ khí nạp lớn hơn, lượng khí nạp mới khi nạp vào động cơ sẽ lớn hơn

Ethanol có trị số octanee tương đối cao và nó có khả năng làm tăng đáng kểtrị số octanee của xăng khi chúng được trộn với nhau Hiệu quả của việc trộn nàyđạt giá trị cao nhất đối với chủng loại xăng cấp thấp Khi pha 25% ethanol vàoxăng gốc có trị số octane 40, trị số này sẽ tăng lên đến 30 điểm (đạt octane 70) Khảnăng này đồng nghĩa với việc:

Xăng cấp thấp có thể sử dụng làm nhiên liệu với trị số octane nào đó

Việc sử dụng các phụ gia chống kích nổ truyền thống gây ô nhiễm như tetraetyl chì có thể được loại bỏ Việc pha 10-15% ethanol vào xăng không chì làm tăngtrị số octane đến giá trị để cho phép nó có thể được sử dụng để đốt trong động cơnén cao mà trước đây không thể sử dụng cho nhiên liệu không chì

Xăng là hỗn hợp của các hydrocarbon chỉ chứa H và C, ethanol chứa H, C và

O Tỷ lệ A/F (Air/Fuel) cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu để tạo thành CO2

và H2O gọi là tỷ lệ hỗn hợp công tác A/F (stoichiometric ratio) Với xăng, tỷ lệ nàyvào khoảng 14,7:1 (theo khối lượng) Với nhiên liệu xăng/ethanol, không khí cầnthiết 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 yêucầu A/F từ 14:1 đến 14,1:1

Ethanol cháy nhanh hơn xăng sẽ cho phép đạt mômen hiệu quả và đồng nhấthơn Ethanol có giới hạn cháy rộng hơn do đó cho phép sử dụng hỗn hợp khôngkhí/nhiên liệu đậm hơn nhằm nâng cao công suất động cơ

Tính an toàn trong tồn trữ và vận chuyển của ethanol cao hơn so với xăngnhờ khả năng bay hơi thấp hơn và điểm bắt cháy lớn Điều này cũng cho thấyethanol có thể sử dụng một cách rất an toàn ở những nước có khí hậu nóng

Sự phân tách khi 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 cácthùng chứa tháo sản phẩm ra ở phía dưới đáy (hoặc gần đó), nên khi nhiên liệuđược sử dụng thì động cơ sẽ không chạy nếu có sự phân tách pha Các loại xăngthông thường (không 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 nướclớn đáng kể mà không xảy ra sự phân tách pha do khả năng hoà tan của nước trongethanol cao hơn Nhiên liệu xăng-ethanol thực tế có chức năng làm khô thùng chứanhờ sự hấp thụ nước của ethanol và cho phép sử dụng thẳng trong động cơ Tuynhiên nếu lượng nước quá cao, nước và phần lớn ethanol sẽ phân tách và lắngxuống 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, tuỳthuộc vào nhiệt độ Nếu sự phân tách pha xảy ra, nhiên liệu khi cấp vào động cơ sẽlàm động cơ không thể chạy được Tuy nhiên, đây cũng chính là nhược điểm củaxăng ethanol Vì khi cất trữ xăng ethanol trong thời gian dài sẽ có hiện tượngethanol hấp thụ nước từ môi trường dẫn tới việc hàm lượng nước trong nhiên liệucao hơn mức cho phép Điều này là không tốt cho động cơ.[4]

Vấn đề chính đối với động cơ sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol là sự ănmòn có thể xảy ra đối với các chi tiết tiếp xúc với ethanol Vì thế khi sử dụng nhiênliệu sinh học ethanol cần lưu ý đến khả năng chống ăn mòn đối với vật liệu của cácchi tiết tiếp xúc với nó

Nhiệt trị thấp của ethanol là 21,2MJ/lít, chỉ bằng 2/3 của nhiên liệu xăng(30,1MJ/lít) nên khi tỷ lệ ethanol lớn sẽ có ảnh hưởng đến công suất của động cơnếu giữ nguyên lượng nhiên liệu cung cấp Tuy nhiên, các nghiên cứu trên thế giới

đã chỉ ra rằng, với tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp xăng-ethanol đến 15% (E15) thì ảnhhưởng này là không đáng kể

Ethanol có thể tạo hơi trên bề mặt trong bình chứa, ngay cả ở nhiệt độthường nên nó có thể sẽ gây nổ và ảnh hưởng xấu tới khả năng dẫn động.Vì vậy khi

dùng nhiên liệu là ethanol cần lắp đặt các rào cản hơi trong hệ thống nhiên liệu xehơi và trong bộ khuyếch tán nhiên liệu.

2.3 Tình hình sản xuất ethanol (và xăng sinh học) trên thế giới và ở Việt Nam

Mặc dầu xăng-sinh-học đắt hơn xăng-cổ-sinh, mọi quốc gia trên thế giới đềudần dần chuyển hướng đến sử dụng xăng-sinh-học, vì lý do chính trị muốn ít tuỳthuộc vào Trung Đông, vì tuân thủ theo quy ước Kyoto giảm sa thải khí nhà kiếngg

và sức ép của giới môi sinh, đồng thời phát triển nông nghiệp tạo công ăn việc làmcho vùng thôn quê

Brazil: Bắt nguồn từ khủng hoảng dầu hoả 1972, Brazil có kế hoạch sản xuấtxăng-sinh-học, và hiện nay dẫn đầu thế giới về sản xuất và sử dụng xăng-ethanol vàdiesel-sinh-học Hiện tại (2006) Brazil đã có trên 325 nhà máy ethanol, và khoảng

60 nhà máy khác đang xây cất, để sản xuất xăng-ethanol từ mía (đường, nước mật,

bã mía), và bắp Để sản xuất diesel-sinh-học từ hạt cải-dầu và đậu nành, hiện có 10nhà máy, và 40 nhà máy khác đang xây cất

Năm 2005, Brazil sản xuất 16 tỷ lít ethanol, chiếm 1/3 sản xuất toàn cầu.Năm 2006, Brazil sản xuất được 17.8 tỷ lít ethanol, dự trù sẽ sản xuất 38 tỷ lít vàonăm 2013 Chính phủ Brazil mới đây ra chỉ tiêu 2% diesel-sinh-học cho 2008, và5% cho năm 2013

Ngày nay, diện tích trồng mía ở Brazil là 10.3 triệu ha, một nửa sản lượngmía dùng sản xuất xăng-ethanol, nửa kia dùng sản xuất đường Tiên đoán là Brazil

sẽ canh tác 30 triệu ha mía năm 2020 Vì lợi nhuận khổng lồ, các công ty tiếp tụcphá rừng Amazon để canh tác mía, bắp, đậu nành cho mục tiêu xăng-sinh-học vừatiêu thụ trong nước vừa xuất cảng Giá xăng-ethanol được bán bằng nửa giá xăngthường tại Brazil

Hoa Kỳ: Hoa kỳ sản xuất Ethanol từ hạt bắp, hạt sorgho và thân cây đường, và củ cải-đường Khoảng 17% sản lượng bắp sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳdùng để sản xuất ethanol Hoa Kỳ đặt chỉ tiêu sản xuất E10 để cung cấp 46% nhiênliệu cho xe hơi năm 2010, và 100% xe hơi vào 2012 hãng General Motor đangthực hiện dự án sản xuất E85 từ cellulose (thân bắp), và hiện có khoảng hơn 4 triệu

sorgho-xe hơi chạy bằng E85 hãng Coskata đang có 2 nhà máy lớn sản xuất xăng-ethanol.Hiện tại nông dân Hoa Kỳ chuyển hướng sản xuất lúa mì và bắp cho xăng-sinh-học, vì vậy số lượng xuất cảng hạt ngũ cốc giảm từ nhiều năm nay, làm giá nôngphẩm thế giới gia tăng Vì giá cả xăng-sinh-học còn cao hơn xăng thường, chínhphủ Mỹ phải trợ cấp, khoảng 1.9 USD cho mỗi gallon (=3.78 lít) xăng-sinh-học, trợcấp tổng cộng khoảng 7 tỷ USD/năm.

Canada: Chỉ tiêu cho năm 2010 là 45% toàn quốc tiêu thụ xăng E10

Tại châu Âu: Cộng-đồng Âu châu (EU) ra biểu quyết chung là mỗi quốc giaphải sản xuất cung cấp 5.75% xăng-sinh-học vào năm 2010, và 10% năm 2020 chonước mình

Đức là nước tiêu thụ nhiều nhất xăng-sinh-học trong cộng đồng Âu châu,khoảng 2.8 triệu tấn diesel-sinh-học, 0.71 triệu tấn dầu-thực-vật (tinh khiết) và 0.48triệu tấn ethanol Công ty sản xuất diesel-sinh-học lớn nhất là ADM OelmühleHamburg AG (của Hoa Kỳ), kế đến là MUW (Mitteldeutsche UmesterungswerkeGmbH & Co KG) và EOP Biodiesel AG Nguyên liệu chánh là củ cải-đường để sảnxuất ethanol, và dầu-cải và dừa-dầu (nhập cảng từ Mã Lai, Indonesia) cho diesel-sinh-học

Pháp là nước thứ hai tiêu thụ nhiều ethanol-sinh-học trong cộng đồng Âuchâu năm 2006, khoảng 1.07 triệu tấn ethanol và diesel-sinh-học Công ty Diestersản xuất diesel-sinh-học và Téréos sản xuất ethanol là 2 đại công ty của Pháp

Thuỵ Điển có chương trình chấm dứt hoàn toàn nhập cảng xăng cho xe hơivào năm 2020, thay vào đó là tự túc bằng xăng-sinh-học Hiện nay, 20% xe ở ThuỵĐiển chạy bằng xăng-sinh-học, nhất là xăng-ethanol Thuỵ Điển đang chế tạo xe-hơi-lai vừa chạy bằng ethanol vừa bằng điện Để khuyến khích sử dụng xăng-sinh-học, chính phủ Thuỵ Điển không đánh thuế lên xăng-sinh-học, trợ cấp xăng-sinh-học rẻ hơn 20% so với xăng cổ sinh, không phải trả tiền đậu xe ở thủ đô và một sốthành phố lớn, bảo hiểm xe cũng rẻ hơn

Vương quốc Anh: chỉ tiêu 5% xe giao thông sử dụng xăng-sinh-học năm

2010 Hiện tại các xe bus đều chạy xăng-sinh-học hãng Hàng Không Virgin (Anhquốc) bắt đầu sử dụng xăng-sinh-học cho máy bay liên lục địa

Các nước Âu châu nhập cảng dừa-dầu (oil palm) từ Mã Lai và Indonesia đểchế diesel-sinh-học

Tại châu Á: Các nước trong khu vực châu Á cũng là những nước sản xuấtmột lượng lớn Ethanol trên thế giới

Trung quốc: Năm 2005, Trung quốc sản xuất 920,000 tấn ethanol và khoảng200,000 tấn diesel-sinh-học Chỉ tiêu sản xuất 4 triệu tấn ethanol và 2 triệu tấndiesel-sinh-học vào năm 2010, và 300 triệu tấn ethanol vào 2020

Hiện tại sản xuất xăng E10 ở 5 tỉnh phía nam, cung cấp 16% nhiên liệu chotoàn xe hơi ở Trung quốc Trung quốc cũng trợ cấp khoảng 163 USD cho mỗi tấnxăng-ethanol (nhưng không trợ cấp diesel-sinh-học)

Vì giá cả nông phẩm gia tăng, và sợ thiếu thực phẩm, hiện nay Trung quốcchỉ cho phép canh tác khoai mì, sorgho-đường và một số hoa màu không quantrọng khác trên đất biên tế (nghèo), không thích ứng sản xuất nông phẩm như ởShangdong và Xinjiang Uygur

Hiện tại, Trung quốc có 2 nhà máy lớn là Longyan Zhuoyue New EnergyDevelopment (thiết lập năm 2001) và Xiamen Zhuoyue Biomass Energy Co (thiếtlập năm 2006), cả 2 đều ở tỉnh Fujian nam Trung quốc Ngoài ra còn khoảng hơn

100 nhà máy quốc doanh nhỏ ở Guizhou, Guangxi, Shandong, và Anhui, với khảnăng sản xuất từ 300 đến 600,000 tấn diesel-sinh-học/năm, biến chế từ dừa-dầu(nhập cảng từ Mã Lai), hay từ dầu-ăn-phế-thải, dầu hạt-cải (trồng ở thung lủngsông Hoàng Hà), dầu bông vải, dầu trẩu (Aleurites moluccana), hạt dầu-lai(jatropha, trồng vùng đồi núi ở Guizhou, Sichuan, và Yunnan trong chương trìnhxoá đói giảm nghèo) và các phế thải hữu cơ khác

Hàng năm, Trung quốc tiêu thụ khoảng 22 triệu tấn dầu ăn trong kỹ nghệthực phẩm, sa thải khoảng 4.5 triệu tấn dầu đã-sử-dụng (sau khi chiên xào rồi) đểchạy vào dây chuyền sản xuất diesel-sinh-học

Để tìm nguồn nguyên liệu khác, các nhà khoa học Trung quốc nghiên cứucho biết có 1553 loài cây rừng chứa nhiều dầu có khả năng khai thác sản xuấtdiesel-sinh-học, trong đó là Pistacia chinensis Bungo chứa 40% dầu trong thân mọctrên đồi núi Trung quốc cũng dự trù trồng 670,000 ha cây dầu-lai (jatropha) để sảnxuất diesel-sinh-học.

Ấn Độ: Chính phủ có chính sách sử dụng xăng-ethanol E5 hiện nay, sẽ tănglên E10 và E20 trong những năm tới Ần Độ gia tăng diện tích trồng cây dầu-lai đểsản xuất diesel-sinh-học, và diện tích canh tác mía cho xăng-ethanol

Mã Lai và Indonesia đã phá rừng canh tác thêm dừa-dầu (oil palm) để xuấtcảng dầu cho thị trường Âu châu, Hoa Kỳ và Trung quốc cho mục tiêu sản xuấtdiesel-sinh-học Hai quốc gia này dự trù cung cấp 20% nhu cầu dầu cho kỹ nghệdiesel-sinh-học của Âu châu vào 2009 Chẳng hạn, tại Tây Kalimantan thuộcIndonesia trong thập niên 1990s có nửa triệu ha cây dừa-dầu, nay (2006) diện tíchdừa dầu tăng lên hơn 3.2 triệu ha, và sẽ gia năng lên nữa trong tương lai Indonesia

có chương trình phá rừng để gia tăng diện tích dừa-dầu toàn quốc lên 20 triệu ha.Liên Hiệp Quốc đã cảnh cáo Indonesia về việc phá rừng quy mô này, và tiên đoánrằng 98% rừng Indonesia sẽ bị phá huỷ vào 2022 với đà phá rừng trồng dừa-dầuhiện nay

Thái Lan Từ năm 1985, Thái Lan đã bắt đầu nghiên cứu sản xuất học Uỷ ban Nhiên-liệu-sinh-học được thành lập năm 2001 để điều hành, và xăngE10 đã bắt đầu bán ở các trạm xăng từ 2003

xăng-sinh-3 Tình hình nghiên cứu và sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên động cơ xăng

3.1 Tình hình nghiên cứu và sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên thế giới

3.1.1 Tình hình nghiên cứu xăng sinh học trên thế giới

Hiện nay trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về sử dụng xăngsinh học ethanol Từ những nước phát triển đến những nước đang phát triển đều tập