giáo trình tổng hợp diesel sinh hoc

Một dạng khí khác có cấu tạo hóa học chủ yếu là C1metan, ngòai ra còn một ít khí khác như CO2,CO,hình thành trong các hầm chứa rác thải, sau một thời gian chôn ủ, được vi sinh vật chuyển

Chương I: Nhiên liệu và các dạng nhiên liệu:

I.1.ĐỊNH NGHĨA NHIÊN LIỆU:

Cách đây vài thập niên, con người nhận thức về nhiên liệu rất đơn giản và

cho rằng: Nhiên liệu là một dạng vật liệu tồn tại ở thể khí, rắn hay lỏng, thông qua tác động của ngọai lực, tạo nên năng lượng nhằm cung cấp cho các nhu cầu trong đời sống của con người Thông thường chỉ là than, dầu mỏ, khí đốt, còn những

chất tạo ra năng lượng nguyên tử, được xếp vào dạng đặc biệt

Ngày nay, nhiên liệu hiểu theo nghĩa rộng là các dạng vật chất mà từ đó, con người có thể sử dụng để tạo ra năng lượng, phục vụ nhu cầu của mình Theo

đó, nhiên liệu bao gồm các dạng sau đây:

I.2.CÁC DẠNG NHIÊN LIỆU:

Phân chia các dạng nhiên liệu thường gặp khó khăn vì những quan niệm về nhiên liệu thường rất khác nhau Sự phân chia có lúc phụ thuộc vào xuất xứ.Chẵng hạn, người ta phân chia thành nhiên liệu hóa thạch để chỉ than, dầu mỏ, khí đốt

Có lúc phụ thuộc vào công nghệ tạo nên năng lượng: năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng nước, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng Cũng có lúc phụ thuộc cấu trúc, thành phần hóa học: nhiên liệu sinh học, để chỉ etanol, dầu thực vật, biogas…

Dù phân chia theo cách gì đi nữa, thì bản chất của nhiên liệu là vật chất.Các vật chất này hoặc phải chế biến hoặc phải thu gom, nghĩa là phải có tác động của công nghệ, mới trở thành năng lượng phục vụ con người Nếu ta thống nhất rằng nhiên liệu là vật chất, đồng nghĩa với việc chấp nhận vật chất tồn tại trong các trạng thái khác nhau Các trạng thái đó là các hạt cơ bản (tia), là trạng thái khí, rắn, hay lỏng

Trên cơ sở đó, chúng tôi tạm sắp xếp nhiên liệu theo trạng thái mà nó tồn tại trong tự nhiên, không phân biệt nguồn gốc, thành phần hóa học hay công nghệ.Từ trạng thái tồn tại của nó, sẽ có những công nghệ thích ứng để biến chúng thành dạng năng lượng kiểm sóat và điều khiển được để phục vụ nhu cầu của con người

I.2.1:Nhiên liệu dạng tia bức xạ:

Trong vũ trụ, có nhiều dạng tia bức xạ với bước sóng khác nhau Về bản chất, tia bức xạ cũng tồn tại ở dạng vật chất, nhưng có kích thước vô cùng nhỏ, thường gọi là những hạt cơ bản Sự chuyển động của các hạt cơ bản này tạo ra năng lượng Vì vậy, gọi nó là nhiên liệu không hòan tòan chính xác, vì bản thân nó

đã là nguồn năng lượng tự nhiên hình thành trong quá trình hình thành vũ trụ Bí mật của sự hình thành này đã và đang được các nhà khoa học nghiên cứu.Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chỉ là những giả thuyết Dù vậy, nếu đề cập đến bản chất năng lượng mà chúng tạo ra, cũng như phương cách sử dụng chúng, ta có thể xếp

chúng vào dạng nhiên liệu đặc biệt

Mặt trời là nguồn bức xạ vô tận của dãi thiên hà nói chung, của trái đất nói riêng Đối với những vùng quanh năm có mặt trời chiếu sáng (ban ngày) thì đó là một lợi thế không nhỏ Năng lượng mặt trời với cường độ lớn nhất vào khoảng 1 kW/m2, là một nguồn năng lượng sạch, không có sự phát xạ Vì năng lượng mặt trời chỉ hiện hữu vào ban ngày dưới những điều kiện thời tiết thuận lợi, việc tích trữ năng lượng là cần thiết để sử dụng liên tục Để biến năng lượng mặt trời thành dạng nhiên liệu có thể sử dụng thường xuyên, người ta phải thu và tích lũy nó trong một lọai pin đặc biệt, gọi là pin quang điện- nghĩa là chuyển quang năng thành điện năng Việc sử dụng dạng năng lượng này có thể chia làm 2 phương pháp:

-Sử dụng trực tiếp nhiệt năng bức xạ

-Tạo ra điện năng thông qua các pin quang điện

A/Sử dụng trực tiếp nhiệt năng bức xạ:

Các hệ thống thu nhận nhiệt năng mặt trời được sử dụng rộng rãi để đun nước trong gia đình Chúng có cấu trúc phẳng và thường lắp trên các mái nhà kèm theo các bộ tạo nước nóng cho nhu cầu gia đình

Các dạng ống chân không và mặt cong phản xạ được sử dụng để tạo ra các dòng nhiệt cao cho việc phát điện

Các thiết bị chưng cất dùng năng lượng mặt trời ở quy mô nhỏ được sử dụng cho mục đích khử muối ở một vài vùng không có nguồn nước ngọt

Các máy sấy dùng năng lượng mặt trời ở nhiều dạng khác nhau được sử dụng trong nông nghiệp ở quá trình thu hoạch

Việc phát điện nhiệt mặt trời đang hoạt động ở một vài dự án về hoa tiêu,

sử dụng tính tập trung của bề lõm parabol, máy phát dạng đĩa hoặc thiết bị định nhật để tạo dòng nhiệt cao phục vụ việc chạy turbin máy phát điện, bếp mặt trời được sử dụng giới hạn ở một vài ứng dụng trong vùng biệt lập như các trạm quan trắc trên núi, các đòan thám hiểm khi leo núi

B/Hiệu ứng quang điện

Việc phát điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện của các vật liệu bán dẫn được phát triển để cung cấp điện cho những vùng hẻo lánh cũng như cho các con tàu vũ trụ Do tính chất sạch với tự nhiên của nó với môi trường, việc sản xuất

và ứng dụng của pin mặt trời đã được mở rộng trong những năm gần đây

Ứng dụng phổ biến nhất là hệ thống nhà mặt trời (SHS) với những tấm pin mặt trời được đặt trên mái, tiếp theo là việc lắp đặt các phương tiện công cộng như tín hiệu chỉ đường và thông tin khẩn cấp

I.2.2:Nhiên liệu dạng khí:

A/Khí thiên nhiên & khí đồng hành: Nhiên liệu dạng khí gồm các lọai khí

thiên nhiên trong các mỏ khí, trong mỏ dầu với thành phần hóa học gồm các dãy hydrocacbon có mạch ngắn từ C1 đến C4 Trong thành phần của các lọai khí này còn có một lượng hydrocacbon có mạch cacbon dài hơn như C5-C6 bị lôi cuốn theo trong quá trình khai thác Các lọai khí này theo nguồn gốc hình thành, được gọi chung là khí tự nhiên hay khí đồng hành

Một dạng khí khác có cấu tạo hóa học chủ yếu là C1(metan), ngòai ra còn một ít khí khác như CO2,CO,hình thành trong các hầm chứa rác thải, sau một thời gian chôn ủ, được vi sinh vật chuyển hóa thành khí, thường gọi là khí sinh học (biogas).Biogas có thể dùng trực tiếp để đun nấu như khí tự nhiên.

B/Khí CO 2 công nghiệp:

Trong quá trình họat động của mình, con nguời sử dụng than đá để sản xuất điện, thép, ximăng, giấy… và tạo ra một lượng lớn khí CO2 Đây chính là thủ phạm của hiệu ứng nhà kính, làm cho trái đất nóng dần lên Để giảm thiểu khí

CO2, người ta đã phải dùng rất nhiều biện pháp, trong đó có việc bảo vệ rừng, tăng diện tích thảm thực vật…nhưng vẫn chưa hiệu quả Các nghiên cứu gần đây cho thấy, có thể dùng phản ứng hóa học với những hệ xúc tác khác nhau để chuyển

CO2 trở lại thành hydrocacbon dạng khí hoặc dạng lỏng Tuy nhiên các kết quả trên vẫn đang trong giai đọan nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

C/Khí Hydro và Oxy là một dạng nhiên liệu đặc biệt: Hydro và Oxy là 2

lọai khí tự nhiên tồn tại song song với trái đất Hai lọai khí này có trong bầu khí quyển Khi kết hợp với nhau trong một điều kiện nhất định, chúng cháy rất mãnh liệt và tỏa ra nhiệt lượng cao nên ngày càng được chútrọng nghiên cứu ứng dụng

Có thể nói rằng đây là dạng nhiên liệu của nữa cuối thế kỷ 21 và đầu thế kỷ

22, tuy nhiên việc tạo ra nguồn hydro sạch rất khó khăn và cũng rất nguy hiểm vì bản thân hydro có thể tham gia vào phản ứng nhiệt hạch và được sử dụng làm vũ

khì hủy diệt dưới tên gọi “bom hydro”.

Đ/Gió cũng là một dạng nhiên liệu ở thể khí tự nhiên: Ngày xưa, lòai người

lợi dụng để sử dụng làm các cối xay gió để xay bột, kéo thuyền buồm vượt biển Lịch sử của việc sử dụng năng lượng gió đã có cách đây nhiều thế kỷ Nhiều loại cối xay gió khác nhau đã được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng nông nghiệp Nâng nước bằng bơm dẫn động bằng các cối xay gió tốc độ thấp vẫn còn hữu dụng ở các vùng xa, nơi mà việc sử dụng nguồn điện là không thực tế Để đối phó với các vấn đề môi trường, các công nghệ sản xuất điện bằng turbin gió đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong 2 thập kỷ qua Ngày nay, khi công nghệ phát triển, người ta lợi dụng sức gió để chạy các turbin phát điện, tạo ra nguồn năng lượng sạch Do điện năng sinh ra bởi cối xay gió tỉ lệ với lập phương vận tốc gió nên ta chỉ sử dụng phương pháp này ở những nơi có vận tốc gió trung bình hàng năm không nhỏ hơn 5m/s Giá thành của một thiết bị sản xuất điện khá lý tưởng khi vận tốc gió lớn hơn 6m/s Nếu sử dụng các turbin hiện đại, ta thường chọn các loại 2 hay 3 cánh để có tính năng vận hành cao Do điện năng tỉ lệ với bình phương chiều dài lưỡi nên turbin có đường kính càng lớn, chi phí sản xuất càng nhỏ

I.2.3: Nhiên liệu dạng rắn:

Nhiên liệu rắn có các dạng: Than, cặn dầu mỏ, mỡ động vật, các chất có tính phóng xạ, biomas

I.2.3.1 Các lọai than:

-Than antraxít, có hàm lượng cac bon trên 95%

-Than đá, có hàm lượng cac bon từ 75-90%

-Than nâu, có hàm lượng cac bon từ 65-70%

-Than bùn, có hàm lượng cac bon từ 55-60%

Mỗi loại than trên đây thể hiện một giai đoạn biến đổi của di tích thực vật Than bùn là giai đoạn đầu trong quá trình hình thành than mỏ Do đó, than bùn từng được xem là một loại than đá đang hình thành Trên cơ sở này, người ta đã thử nghiệm bằng cách ép than bùn ở áp suất cao, và sản phẩm thu được gần giống với loại than đá Trước đây, đã có một số công ty chất đốt trên thế giới cũng đưa vào sản xuất loại than đá nói trên Từ than bùn đến than anthraxit rõ ràng có sự thay đổi thành phần hóa học một cách rõ ràng và được thể hiện qua các giá trị điển hình sau đây:

Bảng 1/1:Thành phần Hóa học của các lọai than

Sự biến đổi từ thực vật đến antharxit được chia thành 2 giai đoạn :

-Giai đoạn sinh hóa: là giai đoạn trong đó có sự biến đổi từ thực vật sang than

bùn Giai đoạn này xảy ra nơi các đầm lầy Thời gian hình thành từ hàng trăm đến hàng nghìn năm và hiện nay vẫn còn tiếp tục ở nhiều nơi Vị trí hình thành của than bùn là ở gần mặt đất

-Giai đoạn địa hóa : gồm một loạt các biến cố liên tiếp liên quan đến các tác động

địa chất Than bùn lần lượt bị chôn vùi và bị nén ép dưới các lớp đá trầm tích khác Chất bốc tiếp tục thoát ra, đồng thời tỉ lệ cacbon càng gia tăng theo thời gian Than bùn lần lượt biến thành than nâu, từ than nâu sang than đá, rồi từ than

đá sang than anthraxit Hình sau là một trong những thí dụ của sự biến đổi đó

Hình I/1:Sự biến đổi trầm tích và hình than các dạng than:

Than bùn

Đầm lầy

Than Anthraxit

Thông thường, khi các lớp đá bị uốn nếp, chất bốc trong than càng lúc càng

bị mất đi và tỉ lệ cacbon càng tập trung cao Do chất bốc thấp, anthraxit khó bốc cháy và khi đốt hầu như không có khói Ngược lại, than bùn hoặc than nâu bốc cháy dễ dàng và tỏa ra nhiều khói

I.2.3.2.Cặn dầu mỏ:Trong tự nhiên không có dạng nhiên liệu này.Nó chỉ

xuất hiện sau quá trình chế biến dầu mỏ Đây là phần cặn, có thành phần hóa học gồm các dãy hyrocacbon mạch dài hay polyme của các hydrocacbon thơm, hình thành qua quá trình chưng cất các phân đọan từ nhẹ đến nặng, phần còn lại cuối cùng gọi là cặn hay còn gọi là nhựa đường, nhựa ASPHANTEN Khi nhiệt độ cao, chúng hóa lỏng và có thể đốt cháy

I.2.3.3.Các lọai mỡ động thực vật: Dạng nhiên liệu này có nguồn gốc sinh

học và sẽ là một trong những chủ đề chính được đề cập đến trong các phần tiếp theo.Thông thường, các lọai mỡ của động vật như mỡ bò, heo, cừu… hay mỡ các lọai cá là các axit béo tồn tại dưới dạng triglyxerit như dầu thực vật nhưng có dãy hydrocacbon dài hơn, nhiệt đông đặc thấp hơn, nên ở nhiệt độ thường, nó đông lại thành vật thể rắn Một số nhựa thực vật có dãy hydrocacbon dài, có nhiệt độ nóng

chảy cao, nên tồn tại ở dạng rắn như nhựa thông (colophan), nhựa cao su (latex)…

I.2.3.4.Các chất phóng xạ: Một số quặng như uranium, thorium, có tính

phóng xạ mạnh, được sử dụng thông qua phản ứng phân rã hạt nhân, gọi là phản ứng hạt nhân, để tạo ra nguồn năng lượng mạnh Một số nguyên tố kim lọai khác cũng có tính phóng xạ, nhưng năng lượng tạo thành khi phân rã không lớn, thường được dùng cho các mục đích khác Năng lượng hạt nhân là dạng nhiên liệu đặc biệt nên việc sử dụng nó đòi hỏi phải có kỷ thuật cao.Trong tương lai 30-40 năm tới, đây là giải pháp năng lượng có tính khả thi nhất, nhưng cũng nguy hiểm nhất

mà con người phải đối mặt với nó

I.2.3.5.Biomas: Đây là dạng nhiên liệu cổ xưa của lòai người, nhưng vẫn

tồn tại cho đến ngày nay Gỗ, tre, nứa, rơm, rạ, lá cây, cành…là những chất được hình thành qua con đường sinh tổng hợp ( mà ta sẽ xem xét ở phần tiếp theo), khi

đã phơi khô, sẽ dễ dàng bốc cháy khi có ngọai lực tác động để tạo ra nhiệt Hoặc được đốt trong điều kiện thiếu khong khí (đối với lọai thân cây to) để tạo thành than củi Bản chất của dạng nhiên liệu này là các hợp chất hữu cơ mà thành phần chủ yếu là xenllulozơ

Ngày nay, nhiều công trình nghiên cứu sử dụng biomas làm nhiên liệu, như

ép viên ( có phụ gia), nhiệt phân để nhận hydrocacbon như của dầu mỏ…đang được tiến hành ở các nước có nền khoa học phát triển

I.2.4:Nhiên liệu dạng lỏng:

Nhiên liệu dạng lỏng bao gồm dầu mỏ, nước, các chất có nguồn gốc sinh học như dầu thựcvật, cồn…:

I.2.4.1.Dầu mỏ: Khác với sự hình thành các mỏ than, trong thành

phần của dầu, có một lượng lớn hydro, nằm trong công thức chung là CnH2n+2+

(cácbon chiếm 83,5-87%, còn hydro chiếm từ 11,5-14%, chính hàm lượng H cao

so với cacbon giải thích trạng thái lỏng của dầu mỏ.) Quá trình hydro hoá bỡi

nguồn hydro ở đâu đó trong lòng đất đã làm cho sự hình thành dầu và khí khác với

-Nhóm hydrocarbon parafin (còn gọi là nhóm hydrocarbon alkan hay hydrocarbon no), có công thức tổng quát CnH2n+2 Trong đó, n là số carbon trong mạch phân tử Khi n nhỏ(n=1,2,3,4), hydrocarbon có dạng khí Khi n từ 5 đến 17, hydrocarbon tồn tại ở dạng lỏng Khi n có trị số từ 18 trở lên, hydrocarbon tồn tại

ở dạng rắn Như vậy, trong dầu mỏ tồn tại đồng thời cả ba dạng hydrocarbon nói trên Nếu nhóm hydrocarbon này liên kết thành mạch thẳng gọi là normal, nếu có mạch nhánh, gọi là iso parafin

-Nhóm hydrocarbon naphten (còn gọi là hydrocarbon vòng no), có công thức tổng quát CnH2n Nhóm hydrocarbon này thường là vòng năm, sáu và các đồng đẵng iso của chúng

-Nhóm hydrocarbon aromat (hydrocarbon thơm) có công thức tổng quát là CnH2n-6.Tiêu biểu cho nhóm này là benzen, toluen, xilen…

-Các thành phần khác như lưu huỳnh, photpho, kim loại vi lượng, muối cũng tồn tại trong dầu mỏ

Khi chưng cất dầu mỏ theo từng phân đọan, ta được các phân đọan có nhiệt

độ sôi ban đầu (initial boiling point-IBP) khỏang từ 40-50oC, tới nhiệt độ sôi cuối (final boiling point-FBP) khỏang 190-200oC, tách từ các tháp chưng cất dầu thô, đều được gọi là phân đọan xăng thô (hay naphta) và được dùng pha trộn cùng các lọai xăng khác như xăng cracking, xăng reforming, xăng alkylat…thành xăng thương phẩm Các lọai xăng dùng cho động cơ họat động theo cơ chế đốt cháy

-Từ 200 oC đến 360oC: ở áp suất thường, gọi phân đọan diesel (DO).Dầu diesel dùng dể chạy máy có động cơ họat động theo cơ chế nén-cháy (tự bốc cháy)

-Trên 360oC ỏ áp suất thường: gọi là phân đọan mazut (fuel oils-FO) dùng cho việc đốt trong các lọai lò hơi, lò nung, lò gang thép…

I.2.4.2.Nước:

Cho đến ngày nay, người ta chưa biết được nước sinh ra lúc nào nhưng nó đang chiếm ¾ diện tích bề mặt trái đất Khi nghiên cứu các tảng băng ở nam cực, các nhà khoa học đã xác định nó đã tồn tại hàng triệu năm về trước Những khám phá mới nhất về sao hoả, cho thấy ở đó cũng có dấu hiệu của nước Nước đóng vai trò quan trọng trong đời sống và trong kỷ thuật:

a/Trong đời sống: Lượng nước trong cơ thể sống có thể lên đến 90%, cho

thấy, nếu không có nước, các cơ thể sống không tồn tại Nước giúp vận chuyển dinh dưỡng, giúp thải các chất độc trong cơ thể…Nước còn là môi trường , là tác

nhân của các phản ứng sinh hoá mà không một cơ thể sống nào lại không có Nó làm tăng cường các quá trình sinh học như hô hấp, nẩy mầm, lên men…

b/Trong kỷ thuật: Nước là tác nhân quan trọng để tạo ra nhiều chất, là chất

làm lạnh, cung cấp nhiệt cho các động cơ Nó là nguyên liệu có thể tái tạo của một

số phản ứng hoá học Trong kỷ thuật hạt nhân, “nước nặng”- là một dạng của nước, đóng vai trò làm chậm lại phản ứng phân rã của nguyên tử trong các lò phản ứng hạt nhân

c/Nước cũng là dạng nhiên liệu đặc biệt:

Sản xuất điện từ thế năng của nước (thủy điện) chiếm khoảng 7% lượng điện sản xuất trên thế giới Chi phí xây dựng một nhà máy thủy điện và cơ sở hạ tầng liên quan là khá lớn, tuy nhiên, chi phí chung có thể giảm xuống nhờ vào thời gian phục vụ lâu dài của nó Trong khi điện sinh ra từ chất đốt gây ra những hiệu ứng ngược lại lên môi trường thì thủy điện lại có lợi hơn do thải ra ít khí CO2.Việc sản xuất thủy điện quy mô nhỏ thường có lợi ở những vùng nông thôn để cung cấp cho mạng điện địa phương Ở các nước phát triển, việc thực hiện các phương tiện này thường có sự trợ cấp của chính phủ hoặc các hỗ trợ tài chính và kỹ thuật của các tổ chức quốc tế Để cung cấp lưu lượng ổn định và cột áp hiệu quả, người ta xây dựng các cấu trúc hạ tầng như đập chứa và ống dẫn để phân phối nước có thế năng lớn đi vào các turbin Turbin vận hành tạo ra dòng điện

I.2.4.3.Các chất có nguồn gốc sinh học:

Các chất có nguồn gốc sinh học ở dạng lỏng rất phong phú như tinh dầu,

dầu béo Tuy nhiên để sử dụng làm nhiên liệu chi có dầu béo (tinh dầu là một hỗn hợp của nhiều chất, có thể đốt cháy nhưng vì giá trị sử dụng của nó rất cao nên người ta không dùng nó làm nhiên liệu, cồn có thể dùng làm nhiên liệu nhưng chỉ

có được khi lên men đường hay tinh bột-những sản phẩm của thực vật).

Sự hình thành tinh dầu,dầu béo, đường và tinh bột, cũng như các hợp chất

tự nhiên khác trong thảm thực vật là một bí ẩn của thiên nhiên Ngày nay, nhiều công trình nghiên cứu sinh hoá đã dần dần vén bức màn bí mật về sự hình thành các hợp chất hữu cơ trong cây, mà tinh dầu,dầu béo, đường và tinh bột chỉ là một

số trong những chất đó

Sinh tổng hợp trong thực vật, tùy theo công dụng của sản phẩm đối với chính bản thân thực vật, được chia ra làm hai loại biến dưỡng: nhất cấp và thứ cấp Biến dưỡng nhất cấp tạo ra những chất tối cần thiết cho sự phát triển của cây như carbohidrat, nucleosid, axit amin; trong khi sự biến dưỡng thứ cấp cung cấp các nhóm hợp chất như terpenoid, steroid, alkalioid, mà vai trò của chúng với cây cho đến nay vẫn chưa xác định rõ ràng Để xem xét các hợp chất hữu cơ có trong thảm thực vật, chúng ta khảo sát sự biến hoá các chất dinh dưỡng trong thực vật qua con đường sinh tổng hợp của chúng:

Sơ đồ biến dưỡng của các hợp chất hữu cơ trong cây có thể tạm biễu diễn tại hình I/2 như sau:

Hình I/2: Sơ đồ biến dưỡng các hợp chất hữu cơ trong thực vật

CO2 H O 2

hv GLUCOZ CARBOHYDRAT POLYSACARID

NUCLEOSID RNADNA

+ +

CO 2 _ OP

HO OH OH

S COENZIM A

PROTEIN ENZIM ALCALOID

TERPENOID STEROID CAROTENOID POLYPHENOL

O

OH

OH 2

acidmevalonic

FATTY-ACID HC C-P

PROSTAGLANDIN TRICARBOXYLIC ACID

Quá trình quang hợp là một quá trình rất phức tạp, được xúc tác bằng các sắc tố xanh chlorophyl và các enzym khác nhau với năng lượng của ánh sáng mặt trời.Từ monosacarid, thực vật tổng hợp tiếp saccarozơ, tinh bột, xenlulozơ

Để tổng hợp saccarozơ, fructzơ-6-photphat sinh ra trong quá trình quang

hợp , với xúc tác là enzim izomeraza, có thể chuyển thành glucozơ-6-photphat Sau đó lại chuyển tiếp thành glucozơ -1-photphat nhờ enzim photphogluco- mutaza Sản phẩm này tác dụng với uridin triphotphat(UTP) cho UTP-glucozơ

UTP-glucozơ lại kết hợp với glucozơ-1-photphat sinh ra saccarozơ photphat và cuối cùng là saccarozơ Các polysaccarit khác cũng được tổng hợp nhờ sự trung gian của glucozơ-1-photphat

I.2.4.3.2:Sự hình thành terpenoid:

Khi cây cối hấp thụ CO2 , con đường quang hợp tạo nên sản phẩm đầu tiên

là axít 3 – photphoglyxeric (3 – PGA) rồi đồng phân hoá, oxi hoá và khử đến sản phẩm axít purivic:

I.2.4.3.3:Sự hình thành dầu béo:

Dầu béo thực vật là một nhóm hợp chất hữu cơ rất đa dạng và phong phú trong thảm thực vật Hầu hết thực vật đều có dầu béo tồn tại trong thân, lá , rể, củ, hạt, hay trong hoa với những thành phần và hàm lượng rất khác nhau Các nhà thực vật học đã xác định có đến ¾ thực vật sinh trưởng trên trái đất có tồn trử chất béo Nguồn chất béo này có trong những cây họ đậu ngắn ngày như lạc, vừng, đậu tương, đậu đen, đậu xanh…hay trong những cây lâu năm như dừa, cọ lai, trẩu, sở…Dầu béo còn tồn tại trong cây ăn quả, dưới dạng hạt như trong hạt mít, chôm chôm, mãng cầu, xoài, sầu riêng…hay dưới dạng vỏ lụa như cám gạo, hạt điều…

Nói tóm lại, dầu béo tồn tại trong thực vật dưới nhiều hình thức và rất phong phú Ngày nay, khi loài người đứng trước cuộc khủng hoảng năng lượng và đối mặt với những thảm hoạ môi trường, thì dầu béo thực vật cũng như toàn bộ thực vật được xem như là một trong những cứu cánh của thế kỷ 21 Cũng vì vậy,

những khái niệm về hoá học xanh, biomas, biorefinery…xuất hiện ngày càng

nhiều trong những công trình nghiên cứu, ứng dụng Cuối cùng thì con người cũng hiểu những giá trị mà thiên nhiên ban tặng cho mình có tầm quan trọng như thế nào trong đời sống và sự tồn vinh của cả hành tinh

Vai trò của chất béo trong các tổ chức sinh vật mang nhiều tính chất và ý nghĩa khác nhau Chất béo là chất có chứa nhiệt lượng lớn: 1 g chất béo sinh ra 9,4 calo, trong khi chất đạm chỉ cho 5 calo, còn đường bột chỉ cho 3,7-4,2 calo Những nghiên cứu gần đây cho thấy tác dụng sinh lý của chất béo hết sức to lớn đối với sự phát triển cũng như tái sinh năng lượng của các tổ chức sinh vật Tuy còn nhiều cơ chế tác dụng sinh lý của chất béo chưa được xác định rõ ràng, song

có thể khẳng định là chất béo và dẫn xuất của nó có những tác dụng đặc thù rất quan trọng liên quan tới đặc điểm sinh lý và quá trình phát triển của động thực vật,

và trên thực tế chúng trở thành những vật chất không thể thiếu được trong đời sống của loài người Ngày nay, khoa học đã chứng minh rằng, các axít béo là tiền chất để hình thành các hợp chất chi phương, các prostaglandin, polyphenol trong

cơ thể động thực vật

I.2.4.3.4:Con đường tạo nên nhiên liệu từ biomass:

Tóm lại, các chất có nguồn gốc sinh học có thể sử dụng để tạo ra năng lượng là:

1-Đường, tinh bột, các hợp chất xenlulozơ, qua phản ứng lên men, có thể tạo ra cồn Cồn được làm khan ( sau khi lọai bớt nước gọi là etanol, với hàm lượng C2H5OH trên 97%) để phối trộn với xăng, gọi là gasohol hay còn gọi là xăng sinh học ( biofuel)

2-Dầu béo được tách ra khỏi cấu trúc triglyxerit bằng phản ứng este hóa để tạo thành metyl este hay etyl este của dầu béo, và sử dụng như nhiên liệu diesel, gọi là diesel sinh học (biodiesel)

3-Những bộ phận khác của thực vật như cành, mảnh vụn,lá được phơi khô, xay nhỏ, thêm phụ gia và ép viên để sử dụng như than củi Hiện cũng đang có những nghiên cứu chuyển các hợp chất xellulozo của chúng thành những hợp chất xellulozo có mạch ngắn hơn, lên men vi sinh để tạo thành cồn, sử dụng như biofuel

4-Các phế thải có nguồn gốc sinh học, được chôn ủ trong các hầm yếm khí

sẽ tạo nên khí metan, được sử dụng dưới dạng biogaz

Năng lượng có nguồn gốc sinh học của Việt nam hiện đang tồn tại ở bốn dạng khác nhau:

1 Sử dụng trực tiếp: Than, củi, rơm, rạ dùng làm chất đốt ở vùng nông thôn, vùng sâu xa

2 Rơm, rạ, chất thải chăn nuôi được chôn ủ để hình thành khí biogas( chủ yếu các hộ nông dân ở nông thôn, các trang trại và khu dân cư tập trung)

3 Bioetanol đi từ sắn, mía, ngô

4 Biodiesel đi từ hạt có dầu, mỡ cá, mỡ động vật

Trong các dạng trên thì dạng 1 phổ biến Hàng năm, một số lượng lớn gỗ được sử dụng cho sản xuất than; rơm rạ cành nhánh, gỗ nhỏ làm chất đốt Bioetanol đã được sản xuất công nghiệp và đang thử nghiệm loại E5 tại một số nơi Biodiesel chưa trở thành công nghiệp và đang ở giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm là chính Mặc dù đề án “Nhiên liệu sinh học của Chính phủ” đã ra đời, nhưng cho đến nay, năng lượng đi từ sinh khối vẫn chưa góp phần đáng kể vào tiến trình bảo đảm an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường

Theo báo cáo của một số đơn vị thì nguồn sinh khối của Việt nam không phải là nhỏ Các bảng thống kê sau chỉ rõ điều đó:

Nguồn sinh khối Tiềm năng

Bảng1/3 Sinh khối từ nông nghiệp

Có thể kết luận rằng, tiềm năng các nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam khá dồi dào Trong đó năng lượng địa nhiệt có thể khai thác 200MW vào năm

2020 Nguồn năng lượng mặt trời với số giờ nắng bình quân là 2.000-2.500 giờ/năm, tổng bức xạ nhiệt bình quân khoảng 150kcal/cm2/năm, tương đương với khoảng 43,9 tỷ tấn dầu mỗi năm (con số ước lượng trên lý thuyết) Năng lượng gió của Việt Nam cũng hết sức dồi dào, cường độ năng lượng gió hiện nay tại các vùng hải đảo khoảng 1.400kWh/m2 mỗi năm Cường độ năng lượng khoảng 500-1.000kWh/m2 mỗi năm tại các vùng Duyên hải Trung bộ, Tây Nguyên và Nam

Bộ, tại các vùng khác dưới 500kWh/m2 mỗi năm Ngoài ra Việt Nam còn tiềm năng sinh khối từ gỗ, chất thải nông nghiệp (tương đương 43-46 triệu tấn dầu/năm; Biogas và Uranium (quặng U308 là 218.167 tấn, xếp hạng trung bình trên thế giới)

I.3.Năng lượng tái tạo:

Ngoài nhiên liệu có nguồn gốc sinh học như: cồn (Biofuel), dầu diesel (Bio diesel), khí ủ chất thải (Biogas), còn có các dạng năng lượng tái tạo từ gió ( Wind Power), năng lượng mặt trời (Solar Power), năng lượng sóng (Wave Power), năng lượng địa nhiệt (Geothermoelectric) và năng lượng từ nước (Hydroelectric).

Đây là những nguồn năng lượng mà Việt nam được thiên nhiên ban tặng một cách hào phóng Biến tiềm năng của nguồn năng lượng này thành hiện thực, không chỉ là nhiệm vụ của các nhà khoa học mà còn là trách nhiệm của các cơ

quan đề ra chủ trương và chính sách của Nhà nước, của các cơ quan quản lý Nhà nước, của các doanh nghiệp trong lĩnh vực nhiên liệu và năng lượng

Việc lựa chọn các dạng năng lượng tái tạo để đầu tư, cần phải được nghiên cứu kỷ lưỡng về tất cả các mặt, trong đó vấn đề môi trường và kinh tế cần được đặt lên trên hết Nhìn chung, năng lượng tái tạo đều là dạng năng lượng sạch so với năng lượng đi từ dầu mỏ, tuy nhiên, những mặt trái của nó cũng không phải là không có Tùy đặc điểm của từng nước, tùy trình độ dân trí và đặc điểm địa lý của từng nước mà sự ảnh hưởng của nó sẽ là lớn hay nhỏ Chọn được một hướng đi

có triển vọng cho tương lai là việc khó nhưng không thể không làm

I.3.1: Tình hình nghiên cứu và ứng dụng các dạng năng lượng tái tạo trên thế giới và ở Việt nam:

Theo dự báo của các nhà khoa học , bắt đầu từ 2050, nguồn năng lượng chủ yếu sẽ là mặt trời, gió và địa nhiệt, chiếm trên 43% Trong khi đó, năng lượng đi từ nguyên liệu hóa thạch chỉ còn khoảng 25%, năng lượng hạt nhân chiếm 15%, năng lượng từ biomass 12%, năng lượng từ thủy điện 5%

Phân tích cơ cấu năng lượng trên đây, cho phép chúng ta lý giải và tìm cơ sở thực tế cho công tác qui hoạch nghiên cứu sản xuất năng lượng xanh

Hội nghị năng lượng toàn cầu tổ chức ở Bonn – Đức (năm 2004) đã thống nhất đề ra mục tiêu phấn đấu đến năm 2020 đạt 20% tổng sản lượng điện toàn cầu bằng năng lượng tái tạo Các nguồn tái tạo được chính là năng lượng mặt trời, thế

năng của nước, động năng của gió, sinh khối (biomass) v.v… Các dạng năng

lượng này đã được sử dụng từ buổi sơ khai của nền văn minh, trước khi các nguồn năng lượng hóa thạch được khai thác Tuy nhiên mối quan tâm đến môi trường gần đây mới đẩy mạnh các ứng dụng có hiệu quả của chúng Các dạng năng lượng tái tạo điển hình bao gồm :

I.3.2 Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời với cường độ lớn nhất vào khoảng 1 kW/m2 là một nguồn năng lượng sạch, không có sự phát xạ Vì năng lượng mặt trời chỉ hiện hữu vào ban ngày dưới những điều kiện thời tiết thuận lợi, việc tích trữ năng lượng là cần thiết để sử dụng liên tục Vì nó có mật độ năng lượng bé nên việc thu nhận cần phải có một vùng diện tích lớn Việc sử dụng nó có thể chia làm 2 phương pháp: (1) Sử dụng trực tiếp nhiệt năng bức xạ và (2) Tạo ra điện năng thông qua các pin quang điện

I.3.3 Sử dụng trực tiếp nhiệt năng bức xạ

Các hệ thống thu nhận nhiệt năng mặt trời được sử dụng rộng rãi để đun nước trong gia đình Chúng có cấu trúc phẳng và thường lắp trên các mái các bộ tạo nước nóng cho nhu cầu gia đình Các dạng ống chân không và mặt cong phản

xạ được sử dụng để tạo ra các dòng nhiệt cao cho việc phát điện Hiện nay, các sản phẩm dạng này đã được một số doanh nghiệp sản xuất và bán khá nhiều trên thị trường

Các thiết bị chưng cất dùng năng lượng mặt trời ở quy mô nhỏ được sử dụng cho mục đích khử muối ở một vài vùng không có nguồn nước ngọt Các máy sấy dùng năng lượng mặt trời ở nhiều dạng khác nhau được sử dụng trong nông

nghiệp ở quá trình thu hoạch Việc phát điện nhiệt mặt trời đang hoạt động ở một

vài dự án về hoa tiêu, sử dụng tính tập trung của bề lõm parabol, máy phát dạng đĩa hoặc thiết bị định nhật để tạo dòng nhiệt cao phục vụ việc chạy turbin máy phát điện, bếp mặt trời được sử dụng giới hạn ở một vài ứng dụng trong vùng biệt lập như khi leo núi

I.3.4 Hiệu ứng quang điện

Việc phát điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện của các vật liệu bán dẫn được phát triển khởi điểm để cung cấp điện cho những vùng hẻo lánh cũng như cho các con tàu vũ trụ Do tính chất sạch với tự nhiên của nó với môi trường, việc sản xuất và ứng dụng của pin mặt trời đã được mở rộng một cách rõ ràng trong những năm gần đây Ứng dụng phổ biến nhất là hệ thống nhà mặt trời (SHS) với những tấm pin mặt trời được đặt trên mái, tiếp theo là việc lắp đặt các phương tiện công cộng như tín hiệu chỉ đường và thông tin khẩn cấp.Một số quốc gia đã có những chương trình lớn về điện mặt trời, như Mỹ có chương trình một triệu mái nhà mặt trời, Nhật có chương trình 150.000 mái nhà mặt trời, Châu Âu

có chương trình 600.000 mái nhà mặt trời

Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới, số giờ nắng trung bình khoảng 2.500 giờ/năm với tổng năng lượng bức xạ mặt trời trung bình khoảng 150kCal/cm2/năm, tiềm năng lý thuyết được đánh giá khoảng 43,9 tỷ tấn dầu tương đương (TOE)/năm Việt nam cũng đã có nhiều mô hình về ngôi nhà sinh thái, làng sinh thái… Điện mặt trời đã có mặt ở Hải đảo, vùng sâu, xa khắp cả nước Việt Nam có nguồn năng lượng mặt trời khá dồi dào, đặc biệt ở khu vực phía Nam Mức độ bức xạ nhiệt ở khu vực này dao động từ khoảng 3-4,5 kWh/m2/ngày vào mùa đông, tới 4,5-6,5 kWh/m2/ngày vào mùa hè Năng lượng mặt trời được coi là có tiềm năng lớn trong việc cung cấp điện cho những khu vực vùng sâu, vùng xa, nơi chưa có lưới điện quốc gia Theo con số thống kê chưa đầy

2.000-đủ hiện có khoảng 3.000 hệ thống pin mặt trời, với công suất từ 500Wp đến 1.500Wp (Wp – công suất tối đa của một đơn vị pin mặt trời vào thời điểm buổi trưa của ngày nắng) đã được lắp đặt tại các bệnh viện, trường học, các trạm phát điện phục vụ cho đường dây cáp quang và các hộ gia đình (tổng lượng pin mặt trời

đã triển khai chưa vượt quá 1 MWp) Phần lớn các trạm phát điện này nằm trong các dự án do các tổ chức quốc tế hỗ trợ (SELF, Quỹ Rockeffeler, tổ chức CASE của Australia, bang North Rhine Westphalia của Đức ).Chương trình nghiên cứu phát điện bằng nhiệt mặt trời cũng đã được Bộ KHCN Việt nam phê duyệt và cấp kinh phí

I.3.5 Năng lượng nước

Sản xuất điện từ thế năng của nước (thủy điện) chiếm khoảng 7% lượng điện sản xuất trên thế giới Chi phí xây dựng một nhà máy thủy điện và cơ sở hạ tầng

liên quan là khá lớn, tuy nhiên, chi phí chung có thể giảm xuống nhờ vào thời gian phục vụ lâu dài của nó.

Thủy điện đã có ở Việt nam từ khá lâu và hiện nay, rất nhiều nhà máy thủy điện vừa và nhỏ đã và đang được xây dựng Tuy nhiên, việc xây dựng các đập thủy điện lớn cũng như việc xây dựng nhiều trạm thủy điện đã gây ra những sự thay đổi về môi trường, gây ra nạn lụt cục bộ nhiều nơi, tàn phá rừng và thu hẹp môi trường tự nhiên Ủy ban sông Mê công của các nước thành viên cũng đã khuyến cáo việc xây dựng các đập thủy điện lớn sẽ gây tác động cho khu vực hạ nguồn

Sản xuất thủy điện quy mô nhỏ thường có lợi ở những vùng nông thôn để cung cấp cho mạng điện địa phương Ở các nước phát triển, việc thực hiện các phương tiện này thường có sự trợ cấp của chính phủ (hoặc các hỗ trợ tài chính và

kỹ thuật quốc tế) Để cung cấp lưu lượng ổn định và cột áp hiệu quả, người ta cung cấp các cấu trúc hạ tầng như đập chứa và ống dẫn để phân phối nước có thế năng lớn đi vào các turbin Thủy điện nhỏ là dạng trạm thủy điện có công suất từ

200 W đến 10.000 KW

Với một hệ thống sông suối nhỏ dày đặc, Việt Nam thực sự rất có tiềm năng

về dạng năng lượng này Hiện nay đã có khoảng 120.000 trạm thủy điện nhỏ, chủ yếu do tư nhân đầu tư, với tổng công suất ước tính khoảng 20MW, cung cấp 65 -

120 triệu kWh điện hàng năm cho hơn 130.000 hộ gia đình ở các khu vực miền núi và vùng cao tại Việt Nam

I.3.6 Năng lượng gió

Lịch sử của việc sử dụng năng lượng gió đã có cách đây nhiều thế kỷ Nhiều loại cối xay gió khác nhau đã được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng nông nghiệp Nâng nước bằng bơm dẫn động bằng các cối xay gió tốc độ thấp vẫn còn hữu dụng ở các vùng xa, nơi mà việc sử dụng nguồn điện là không thực tế Để đối phó với các vấn đề môi trường, các công nghệ sản xuất điện bằng turbin gió đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong 2 thập kỷ qua Do điện năng sinh ra bởi cối xay gió tỉ lệ với lập phương vận tốc gió nên ta chỉ sử dụng phương pháp này ở những nơi có vận tốc gió trung bình hàng năm không nhỏ hơn 5m/s Giá thành của một thiết bị sản xuất điện khá lý tưởng khi vận tốc gió lớn hơn 6m/s Nếu sử dụng các turbin hiện đại, ta thường chọn các loại 2 hay 3 cánh để có tính năng vận hành cao

Do điện năng tỉ lệ với bình phương chiều dài lưỡi nên turbin có đường kính càng lớn, chi phí sản xuất càng nhỏ Trong năm 2005, đã có 58.982 MW công suất tổng các quạt gió được lắp đặt trên toàn thế giới Hiệp Hội năng lượng gió thế giới dự tính năm 2010 sẽ có 120.000 MW được lắp đặt trên toàn thế giới Hiện tại năng lượng gió mới đóng góp 1% trong tổng sản lượng điện trên toàn thế giới, nhưng với một số nước và một số khu vực thì năng lượng gió đã chiếm tới 20% hoặc hơn thế nữa trong tổng sản lượng điện quốc gia Với những nước này thì trong tương lai không xa năng lượng gió sẽ trở thành “trụ cột” trong hệ thống điện quốc gia

Theo các số liệu khảo sát ban đầu, tiềm năng của năng lượng gió đo được tại các khu vực khác nhau của Việt Nam như sau: tại hải đảo là 860 - 1.410 kWh/m2/năm; khu vực duyên hải (Kỳ Anh, Cửa Tùng, Bình Định, Tuy Hòa, Cam Ranh, Vũng Tàu): 800 - 1.000 kWh/m2/năm; một số khu vực trong nội địa: 500 -

800 kWh/m2/năm Vừa qua đã có một trạm phát điện bằng năng lượng gió được xây dựng ở đảo Bạch Long Vĩ (từ nguồn ODA của Tây Ban Nha) Tại Bình Định hiện cũng đang tiến hành xây dựng một nhà máy điện chạy bằng sức gió Dự kiến giai đoạn đầu của dự án sẽ hoàn thành vào cuối năm nay với công suất 15 MW Giai đoạn hai của dự án sẽ nâng công suất lên 35 MW và giai đoạn ba là 50 MW Đây được coi là dự án về điện chạy bằng sức gió lớn nhất tại Việt Nam hiện nay

Tuy nhiên, mặt trái của năng lượng gió cũng cần phải tính đến Tại Châu

Âu, nhiều cánh đồng hoa quả tươi tốt, sau khi được biến thành cánh đồng điện gió, cây cỏ trở nên xơ xác, hoang tàn Sự thay đổi này do sự hoạt động của các turbin gây ra Ở Việt nam, khu vực miền Trung và duyên hải thường có bão lớn, mỗi năm khoảng 10-15 cơn bão và áp thấp nhiệt đới, gây nhiều thiệt hại cho nền kinh

tế Vì vậy, cần phải tính toán các trạm điện gió sao cho an toàn và hiệu quả, không nên chạy theo phong trào Những vùng trồng lúa hay hoa màu bạt ngàn của đồng bằng Bắc bộ hay Nam bộ, mới nhìn có vẻ rất có ưu thế cho điện gió, nhưng cái giá phải trả vài năm sau đó sẽ là vô cùng to lớn

I.3.7 Năng lượng địa nhiệt:

Địa nhiệt được coi là nguồn năng lượng tái tạo và sạch đã được sử dụng phổ biến trên thế giới, song tại Việt Nam, nguồn năng lượng này đang bị bỏ quên, chưa được tận dụng và khai thác một cách có hệ thống Trên thế giới có ít nhất 24 quốc gia đã khai thác nguồn năng lượng địa nhiệt, dẫn đầu là Mỹ, tiếp đến là Philipin và các nước Bắc và Trung Âu Các nước như Pháp, Thuỵ điển, Áo, Hà lan, Nhật bản cũng đã có đầu tư rất lớn để khai thác địa nhiệt Hơn 10 năm lại đây Trung quốc đã rất quan tâm đến hệ thống điều hoà không khí bằng địa nhiệt, việc phát triển mạnh mẽ của hệ thống này sẽ góp phần vào việc giảm tải nhu cầu nguồn năng lượng của Trung quốc

Ở Việt Nam, theo ước tính của Viện Địa Chất, tiêu thụ cho điều hòa không khí đạt 2,5 tỷ kWh Nếu khai thác địa nhiệt bằng công nghệ bơm nhiệt đất, ít nhất

sẽ tiết kiệm được 1/3 lượng điện trên Nếu giá điện là 2.000 đồng một kWh, mỗi năm sẽ tiết kiệm được 1.600 tỷ đồng Tuy nhiên, chỉ duy nhất tại Trung tâm Hội nghị Quốc gia Mỹ Đình đang sử dụng một phần rất nhỏ nguồn địa nhiệt để làm lạnh Việc sử dụng địa nhiệt còn giảm phát thải ít nhất 250.000 tấn CO2 mỗi năm

Hơn nữa, địa nhiệt không chỉ được sử dụng vào mục đích trung hòa nhiệt, đáp ứng nhu cầu nghỉ dưỡng mà còn có thể dùng cho mục đích phát điện Việt Nam có hơn 300 nguồn nước khoáng nóng có nhiệt độ bề mặt từ 30 oC đến

105 oC, tập trung nhiều tại Tây Bắc, Trung Bộ Dự báo đến năm 2020 có thể phát triển khoảng 200 MW

I.4 Tương lai của năng lượng:

Nếu xem năm 1990 là mốc cho sự phát triển mạnh mẻ của năng lượng tái tạo, thì chúng ta có thể thấy rằng, gần 20 năm qua, cơ cấu năng lượng chung của thế giới vẫn dựa trên nguyên liệu hóa thạch là chính Các nước tiên tiến đang phấn đấu nâng tỷ lệ năng lượng tái tạo từ 20-30% trong vòng vài chục năm tới.Thậm chí, Cộng hòa liên bang Đức dự kiến đến 2050 có thể đạt 85% năng lượng tái tạo Trong khi đó, Việt nam đang phấn đấu nâng tỷ lệ năng lượng tái tạo lên 3-5% trong kế hoạch 2011-2015.

Nếu cho rằng các dự báo của PB&IEA nêu trên vẫn có giá trị thì đến năm

2050, năng lượng hóa thạch vẫn chiếm đến 25%, năng lượng hạt nhân và thủy điện chiếm 25%, phần còn lại là năng lượng tái tạo từ biomas, gió, mặt trời đến địa nhiệt Những hạn chế của năng lượng địa nhiệt, gió, mặt trời và cả của sinh khối, không cho phép con người vươn tới các hệ mặt trời khác Chỉ quanh quẫn trong quĩ đạo của trái đất để rồi một ngày nào đó bị diệt vong là điều mà loài người không cam chịu

Năng lượng nào có thể giúp con người đi tìm những miền đất mới trong vũ trụ? Đó là năng lượng của các hạt cơ bản và năng lượng hydro Để có năng lượng của các hạt cơ bản cần phải xây dựng những cỗ máy gia tốc lớn với khoản kinh phí khổng lồ mà những nước như Việt nam khó lòng có được Còn với năng lượng hydro, có vẻ như thiên nhiên đã chuẩn bị sẵn cho loài người ưu đãi này, để đến một lúc nào đó, con người có thể sử dụng hydro cho những chuyến đi xa của mình

Trên thế giới đã bắt đầu có những ứng dụng dân sự trên cơ sở hydro, nhưng điều đó cũng chỉ mới là những thử nghiệm mang tính đột phá, vì giá thành của nó còn quá cao Sản xuất hydro, lưu giữ và phân phối hydro dạng lỏng và dạng khí vẫn còn là những thách đố lớn với khoa học và công nghệ

Hiện nay, các nghiên cứu về năng lượng hydro đang được đầu tư mạnh mẻ

Viễn cảnh của một nền kinh tế hydro đang bắt đầu hình thành Đây là một nền

kinh tế mà ô nhiễm bằng không và sản phẩm thải của việc tạo ra năng lượng lại là nước- nguồn tạo nên hydro- nguồn sống trên hành tinh chúng ta

Nhưng trước khi hình thành nền kinh tế hydro, loài người cần phải trải qua

một giai đoạn quá độ chuyển từ nền kinh tế dầu mỏ sang nền kinh tế cacbon thấp

Giai đoạn quá độ này là cần thiết và bắt buộc vì để có một nền kinh tế dầu mỏ phồn thịnh và phát triển, trái đất đã phải trải qua gần 70 triệu năm chuẩn bị nguồn nguyên liệu này Nền kinh tế hydro chỉ có thể trở thành hiện thực trong thế kỷ 22

Từ nay đến đó, để giảm ô nhiễm môi trường, để đối phó với khủng hoảng năng lượng, năng lượng tái tạo đi từ sinh khối sẽ là một bộ phận quan trọng trong bức tranh năng lượng toàn cầu Tỷ lệ của nó bao nhiêu, phụ thuộc và kết quả sáng tạo của khoa học và công nghệ

Chương II: Vai trò của nhiên liệu có nguồn gốc sinh học:

II.1: CƠ CẤU NHIÊN LIỆU VÀ NHU CẦU NĂNG LƯỢNG

TRONG THẾ KỶ 21:

II.1.1: Cơ cấu nhiên liệu:

Bước sang thế kỷ 21, con người phải đối mặt với 10 vấn đề có tính chất tòan cầu trong vòng 50 năm tới, đó là:

Năng lượng và môi

trưòng là 2 trong số 10

nhiệm vụ quan trọng trong

thế kỷ 21, mà con ngưới

phải giải quyết Sự thiếu hụt

năng lượng đã nẩy sinh

nhiều cuộc chiến tranh ngay

từ thế kỷ 20

Bước sang những

năm đầu thế kỷ 21, điều đó

càng bộc lộ rõ, khi giá dầu

leo thang, làm cho nhiều

nền kinh tế phải chao đảo

Bên cạnh đó, ô nhiễm môi

trường đang trở thành vấn

đề sinh tồn của toàn cầu mà

nguyên nhân chính lại là

khí thải của nhiên liệu đi từ

dầu mỏ Rõ ràng đây là bài

toán nan giải mà con người

phải đối mặt với nó Cương

lĩnh KYOTO buộc các nước

công nghiệp phải cắt giảm

Hình II /1

Cơ cấu nhiên liệu trong thế kỷ 20

(Nguồn: BP& IFA)

khí thải, trong khi đó, việc

cắt giảm khí thải kéo theo

nhiều vấn đề kinh tế, xã hội,

mà các nước phát triển chưa

giải quyết được Nếu thế ở

kỷ 20, nguồn năng lượng

chủ yếu dựa trên than đá và

dầu mỏ thì ở thế kỷ 21

nguồn năng lượng sẽ dựa

vào những nguyên liệu nào?

Có thể là năng lượng hạt

nhân, năng lượng mặt trời,

năng lượng gió, sóng biển

hay là nguồn nhiệt trong

lòng đất Tất cả nguồn năng

lượng đó hiện đang được

nghiên cứu ứng dụng nhưng

giá thành của nó còn cao

nên việc áp dụng đại trà còn

Cơ cấu nhiên liệu vào giữa thế kỷ 21

(Nguồn: BP& IFA)

đang phụ thuộc chủ yếu vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, nhưng đến giữa thế kỷ

21, tỷ trọng này sẽ thay đổi, cơ cấu nhiên liệu lúc đó sẽ như hình II./2 Dự báo nguồn nhiên liệu từ năng lượng mặt trời, gió, địa nhiệt sẽ chiếm khỏang 48 % trong tổng nhu cầu nhiên liệu của thế giới trong vòng 50 năm tới.Trong khi đó khí thiên nhiên vẫn chiếm khỏang 12 %, than và dầu mỏ chiếm 10%, năng lượng từ hydro chiếm khỏang 5%, năng lượng nguyên tử khỏang 15%, 12 % còn lại sẽ là năng lượng có nguồn gốc sinh học (biomass)

II.1.2: Nhu cầu năng lượng:

Giá dầu mỏ trên thị trường thế giới một lần nữa lại gia tăng rất đáng kể Chỉ trong vòng hai năm 2005 và 2006, giá dầu thô trên thị trường thế giới đã nhiều lần được điều chỉnh theo hướng bất lợi cho người tiêu dùng Trong khoảng từ tháng 5.2005 cho đến tháng 3.2006, giá dầu thô trên sàn giao dịch New York và London

luôn dao động ở mức cao, từ 64 USD/thùng cho đến hơn 70 USD/thùng Vào ngày 18.4.2006, giá dầu đạt mức 72 USD/thùng, ngày 21.4.2006 giá dầu lên đến 74,1 USD/thùng, và ngày 19.7.2006 giá dầu vượt mức 78 USD/thùng (do ảnh hưởng

của của chiến dịch quân sự của Israel vào Nam Liban) Trong các tháng 8,9,10 của năm 2007, giá dầu đã vượt ngưỡng 100 USD thùng và chưa thấy có dấu hiệu giảm

Theo số liệu của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, từ năm 1973 đến năm 2000,

sự phân chia các nguồn nhiên liệu đã chỉ ra rằng, gần 80% các nguồn năng lượng trên thế giới phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch

Xét đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong các ngành sản xuất năng lượng thì hiệu suất nhiệt trung bình của một nhà máy điện trên thế giới vẫn chỉ là 33%, tức là 2/3 năng lượng có sẵn đã bị tổn thất dưới dạng nhiệt dư thừa Các hệ thống nhiệt điện cải tiến nhất hiện nay cho hiệu suất chuyển đổi hơn 40%

Trong các ngành công nghiệp, khoảng 60% năng lượng được tiêu thụ trong các ngành sản xuất nguyên liệu như nhà máy thép, hóa chất, gốm và nhà máy bột giấy và giấy

Ví dụ, để sản xuất 1 tấn thép cần 600 kg tài nguyên hóa thạch, còn để cho

ra 1 tấn chất dẻo, ta đã sử dụng 2 tấn tài nguyên hóa thạch, một nửa cho nguyên liệu thô, một nửa để cung cấp năng lượng

Như vậy, hơn một nữa nguyên liệu được dùng cho sản xuất năng lượng và phần còn lại được sử dụng để chuyển đổi tài nguyên tự nhiên thành nguyên liệu

Tính gộp tất cả các nhu cầu, năng thiếu hụt (hay năng lượng thay thế trong năm 2030 sẽ bằng tổng năng lượng do than và dầu mỏ cung cấp trong năm 2000

Nếu qui đổi nhu cầu năng lượng tòan thế giới từ năm 1900 đến năm 2060 ra Exajoule, ta có biểu đồ trên hình II/3:

Hình II/3:Nhu cầu năng lượng thế giới đến năm 2060 qui đổi ra Exajoule:.

Nếu qui đổi năng lượng thành thùng dầu (1 barrel = 150lít) theo ngày, ta sẽ thấy mức thiếu hụt rất rõ trong thế kỷ 21

World Energy (Exajoule Equivalent)

Source: John F Bookout (President of Shell U.S.A),

“Two Centuries of Fossil Fuel Energy”

International Geological Congress, Washington DC; July 10, 1985

Episodes, vol 12, 257-262 (1989).

II.2 MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA VÀ SỰ CẦN THIẾT

CỦA NHIÊN LIỆU SINH HỌC

Một nguồn năng lượng mới từ Biomas đang được chú ý và có nhiều triển vọng vì tính hiện thực cũng như khả năng tái sinh và phù hợp với sinh thái của nó

Quá trình phân hủy tự nhiên của thế giới vi sinh vật kèm theo sự hình thành một lượng lớn khí metan (CH4), hay ứng dụng tòan bộ cấu trúc xenllulose trong thực vật cho mục đích làm nguyên liệu cũng là những ý tưởng hay đang được nghiên cứu

Etanol đi từ mía đường, tinh bột, xenllulozơ cũng sẽ là một dạng nhiên liệu

sinh học có triển vọng, được gọi là xăng sinh học (biofuel)

Dầu, mỡ động thực vật cũng là một dạng nguyên liệu để tạo ra không chỉ các hợp chất hữu cơ cơ bản mà còn tạo ra nhiên liệu cho các động cơ đốt trong tương

tự dầu DO hay FO của dầu mỏ, được gọi là Biodiesel sinh học (biodiesel)

II.2.1: Mục đích và ý nghĩa của nhiên liệu sinh học:

Sử dụng nhiên liệu sinh học đang được nhiều nước trên thế giới quan tâm, không chỉ vì nhu cầu năng lượng mà còn bỡi giá trị bảo vệ môi trường và tác dụng chống đói giảm nghèo của chương trình này

Sử dụng nhiên liệu sinh học được xem là chính sách kinh tế “Một mũi tên trúng ba đích” như một số nhà khoa học đã đề xuất Đó là lợi ích về năng lượng,

lợi ích về môi trường, lợi ích trong việc thúc đẩy kinh tế nông nghiệp phát triển, góp phần chống đói nghèo

II.2.2: Vai trò và sự cần thiết của nhiên liệu sinh học:

II.2.2.1: Vấn đề môi trường:

Ủy ban liên Chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) của Liên hợp quốc đã cảnh báo sự nóng dần lên đến mức báo động của khí hậu trái đất Nồng độ khí nhà kính (chủ yếu là CO2 do đốt quá nhiều nhiên liệu hoá thạch) đã tăng lên 30% so với thời kỳ tiền công nghiệp (từ 280 ppmV lên 360 ppmV) làm cho nhiệt độ không khí trên trái đất tăng 0,6 – 0,8ºC, mực nước biển dâng cao 15 ∼ 20 cm Hiện tượng nóng lên của khí hậu trái đất là một trong những thách thức lớn nhất của toàn cầu trong thế kỷ XXI Nếu không tích cực hành động, lượng khí nhà kính có nguy cơ tăng lên 500 ppmV vào cuối thế kỷ này, nhiệt độ trái đất có thể tăng 2 ∼ 3ºC Thiên tai, bão, hạn hán, lũ lụt sẽ kéo dài ở quy mô rộng, thiếu nước sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp, thiếu lương thực, xuất hiện các bệnh hiểm nghèo mà các nước nghèo khó có khả năng phòng chống Một số nhà khí tượng học còn cảnh báo nếu để nhiệt độ trái đất tăng lên 2 ∼ 3ºC thì hệ sinh thái sẽ mất cân bằng, không thể điều chỉnh được, đó thực sự sẽ là quả "bom khí hậu"

Ô nhiễm môi trường ở nước ta đang là vấn đề "nóng" Ô nhiễm không khí ở các khu công nghiệp và đô thị tăng 2 ∼ 3 lần, ở các nút giao thông tăng 2 ∼ 5 lần

so với quy định Cái giá mà chúng ta phải trả khi để ô nhiễm ngày một tăng có khi lớn hơn những lợi ích trước mắt đem lại.Vì thế, đảm bảo an ninh nhiên liệu lâu dài

và bảo vệ môi trường trái đất - ngôi nhà chung của nhân loại là trách nhiệm chung của các quốc gia không phân biệt giàu nghèo, không phân biệt về thể chế kinh tế, chính trị Nước ta mới ở giai đoạn đầu của công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hóa, cần có biện pháp hạn chế ô nhiễm bằng việc ứng dụng công nghệ sản xuất sạch, sử dụng nhiên liệu thân thiện môi trường

II.2.2.2: Nhiên liệu có nguồn gốc sinh học-Nhiên liệu tương lai:

Tất cả các dạng nhiên liệu đều cần thiết và có vị trí tương xứng trong từng giai đoạn Dầu mỏ đã có đóng góp to lớn trong hơn một thế kỷ qua kể từ khi E.Drake lần đầu tiên tìm ra nó ở Pennsylvania (Mỹ) vào năm 1859 và hiện nay vẫn

là dạng nhiên liệu chủ yếu Xăng dầu và các sản phẩm hoá dầu đã đem lại văn minh cho nhân loại Nhưng nếu vẫn hoạch định chính sách và vận hành nền kinh

tế chủ yếu dựa vào dầu mỏ trong khi đã có cảnh báo dạng nhiên liệu này sẽ cạn dần vào nửa cuối thế kỷ XXI, chúng ta sẽ gặp nhiều khó khăn và ảnh hưởng đến

sự phát triển kinh tế vì đó là mẫu hình phát triển không bền vững về an ninh năng lượng và môi trường sinh thái trong tương lai

Do đó, nhiều quốc gia và các tập đoàn năng lượng trên thế giới trong vài thập kỷ qua đã có chiến lược kết hợp sử dụng tiết kiệm hiệu quả dầu mỏ, đồng thời đầu tư cho nghiên cứu sử dụng các dạng nhiên liệu sạch thay thế một phần xăng

dầu đi từ dầu mỏ, trong đó có nhiên liệu sinh học (xăng pha cồn và diesel từ dầu béo)

• Xăng sinh học (biofuel):

Xăng sinh học là cồn được làm khan nước, có nồng độ etanol trên 99 % Trong quá trình sản xuất cồn thực phẩm, nồng độ etanol biến thiên từ 45-96% Việc nâng hàm lượng etanol từ 96% lên trên 99% là một công đọan rất khó khăn

vì ở nồng độ 96%, cồn với nước còn lại tạo thành hệ đẵng phí, nên việc tách nước không đơn giản

Brazil là nước dẫn đầu thế thế giới trong lĩnh vực xăng sinh học Do có chiến lược phát triển và sử dụng cồn làm nhiên liệu nên hàng năm Brazil tiết kiệm được trên 2 tỷ USD chi cho việc nhập khẩu dầu Ngành công nghiệp mía-đường-cồn của Brazil hàng năm có doanh thu khỏang 8,3 tỷ USD, giải quyết việc làm cho hơn 1 triệu lao động

Mỹ cũng là nước sớm sử dụng cồn làm nhiên liệu Năm 2004, Mỹ đã sản xuất trên 13 triệu mét khối cồn phục vụ cho nhiên liệu

Ở khu vực Đông Nam Á, Thailan cũng là nước sớm sử dụng cồn làm niên liệu Năm 2004, nước này sản xuất khỏang 300.000 mét khối cồn cho mục đích nhiên liệu.Dự kiến đến năm 2015 sẽ sản xuất trên 2,5 triệu mét khối cồn

Trung quốc đã xây dựng nhà máy sản xuất cồn lớn nhất thế giới với công suất 600.000 tấn/năm ở Cát lam, tăng sản lượng cồn trên cả nước lên trên 3,5 triệu mét khối / năm Từ năm 2002, Trung quốc đã sử dụng xăng pha cồn khan với hàm lương 10 % (E 10) trên 5 thành phố đông dân Dự kiến đến năm 2006 sẽ thực hiện

ở 27 thành phố đông dân khác

Từ 1/1/2003, Ấn độ đã thực hiện giai đọan một của chương trình nhiên liệu

có nguồn gốc sinh học là pha 5% (E 5) ở 9 bang và 4 tiểu vùng Giai đọan 2 và 3

sẽ tăng hàm lượng cồn khan trong xăng lên 10%

Năm 2003, tòan thế giới sản xuất trên 38,5 triệu mét khối cồn, trong đó 70

% dùng cho nhiên liệu Dự báo đến 2012 sẽ là 80 triệu mét khối

• Diesel sinh học ( biodiesel):

Biodiesel được tổng hợp từ dầu mỡ động thực vật qua phản ứng transester với các alcol mạch thẳng và ngắn, sản phẩm này thường sử dụng pha 5% đến 20% vào nhiên liệu diesel (B-5, B-20)

Biodiesel được đánh giá là một lọai nhiên liệu sinh học - nhiên liệu sạch, có thể dùng cho bất kỳ loại động cơ dầu hiện hành nào mà không cần phải thay đổi cấu tạo của động cơ đó Pha trộn một phần Biodiesel với dầu DO, có tác dụng làm giảm đáng kể các loại khí thải độc hại Vì vậy, biodiesel được coi là sản phẩm bảo

vệ môi trường Biodiesel là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo được và chúng ta hoàn toàn có thể chủ động về nguồn nguyên liệu

Những cây cho dầu có thể là thân thảo, có thể là thân gỗ được trồng ở nhiều địa hình khác nhau, không kén chọn, có thể phủ xanh đất trống đồi trọc, chống xói mòn và bạc màu đất, tạo ra một lượng oxy lớn và hấp thụ một lượng CO2 đáng kể, làm trong sạch bầu khí quyển Trong chu kỳ sống của mình, thời gian cây xanh hấp thụ CO và giải phóng oxy nhiều hơn thời gian sản sinh ra CO

Biodiesel cháy sạch hơn 75% so với nhiên liệu diesel thông thường Biodiesel làm giảm đến 90% hàm lượng hydrocacbon không cháy; giảm đến 50% CO trong khí thải.Thành phần khí thải SO2 bị loại bỏ hoàn toàn khi động cơ sử dụng biodieselKhả năng phá hủy tầng ôzon của khí thải biodiesel thấp hơn đến 50% so với nhiên liệu diesel thông thường.Biodiesel bôi trơn tốt hơn diesel: chỉ cần hòa trộn 1% biodiesel vào dầu diesel đã có thể tăng khả năng bôi trơn động cơ từ 40 ~ 60%.

Khí thải biodiesel không bẩn, không gây kích thích mắt (có mùi khoai tây chiên)

Biodiesel đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới vì những ưu điểm vượt bậc nêu trên Đặc biệt trong tình hình giá thành các sản phẩm hóa dầu ngày một tăng cao và hiện trạng ô nhiễm tầng ôzon ngày càng nghiêm trọng thì việc sản xuất và

sử dụng biodiesel hòa trộn với diesel hoặc thay thế dần diesel là chính sách đảm bảo an toàn năng lượng của những quốc gia phát triển như Mỹ, Nhật, Liên minh châu Âu

II.3: ĐẠI CƯƠNG VỀ CÁC DẠNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC.

II.3.1: Biomass

Đây là nguồn năng lượng rất truyền thống Từ cổ xưa những nguồn sinh thể được sử dụng đốt trực tiếp nhưng ngày nay các sinh thể thực vật, động vật được thực hiện chuyển hoá hoá học, chuyển hoá sinh học để tạo ra các nhiên liệu như: biodiesel, bioethanol, biogas, .trong nhóm nguồn năng lượng từ biomass nhiều quốc gia đang tập trung vào các hướng: tái tạo hiệu quả cao biomass, tận thu tối đa biomass phế thải (nhằm tạo nguồn nguyên liệu rẻ tiền), nghiên cứu và phát triển công nghệ phù hợp để chuyển hoá biomass thành nhiên liệu

Ngọai trừ 2 nguồn biomass là xăng sinh học và biodiesel sinh học (sẽ được đề cập ở phần sau) các dạng biomass khác bao gồm:

A/ Than củi: Đây là một dạng năng lượng truyền thống, có từ lâu đời Người

ta sản xuất than củi bằng cách đốn những cây và cành có đường kính nhỏ từ 15-30 cm, chất vào lò, đốt và bịt tất cả các đường thông khí (yếm khí) Củi cháy từ từ, cho đến khi than hóa tòan bộ Sản phẩm sử dụng trong đun nấu

B/ Viên đốt: Viên đốt là một dạng than hiện đại, được chế biến bằng cách xay

vụn các lọai cành nhánh, sấy khô và phối trộn với một số chất bắt cháy như diêm sinh và các chất kết dính, rồi ép thành viên, đóng gói Lọai này thường được sử dụng cho đốt lò sưởi, đun nước nóng ở vùng ngọai ô các thành phố của châu âu

c/ Chuyển hóa thành chất lỏng: Một số nghiên cứu cho thấy có thể dùng phản

ứng nhiệt phân có hoặc không có xúc tác cho việc chuyển hóa các lọai cành nhánh đã xay nhỏ nói trên, trong những điều kiện nhất định để tạo thành các hợp chất hydrocacbon dạng lỏng như dầu hỏa Tuy nhiên do phải tiêu tốn nhiều năng lượng nên các nghiên cứu này chưa thể đưa vào áp dụng

C/ Khí hóa bằng vi sinh: Khí hóa bằng vi sinh được thực hiện bằng cách ủ các

lọai cành nhỏ, lá, thân cỏ, các lọai rau, thảo mộc phế thải với các lọai phân chuồng của gia súc như trâu, bò, heo… trong những hầm kín Sau một thời gian, qua tác dụng của vi sinh, các thành phần xenlulozơ bị phân hủy thành khí metan, CO2 Các lọai khí này được dẫn theo đường ống ra ngòai vào các bếp gaz và đốt cháy như gaz của khí dầu mỏ Dạng năng lượng này không chỉ có lợi về mặt kinh tế mà còn có lợi về mặt môi trường Phần thải cuối cùng là một lọai phân sinh học rất tốt cho đất

II.3.2: Xăng sinh học (biofuel)

Xăng sinh học thực chất là cồn ( ethanol) có hàm lượng ethanol lớn hơn 99,5% trộn với xăng của công nghiệp hóa dầu theo các tỷ lệ khác nhau:

- Từ E 20 ( ethanol 20%, xăng 80%)

- Đến E 85 (ethanol 85%, xăng 15%)

Khi nồng độ cồn trong xăng cao, cần thiết phải có sự chuyển đổi động cơ Trường hợp phối trộn dưới 20%, vẫn có thể sử dụng động cơ của xe, không phải chuyển đổi

II.3.2.1: Nguyên liệu cho sản xuất cồn:

A/ Mía& Công nghiệp đường:

Nguyên liệu cho sản xuất cồn là

mía và phế thải của ngành công nghiệp

mía đường

Nguồn sản xuất ethanol chính ở

Brazil là mía và các chế phẩm từ mía

Barazil là quốc gia có diện tích canh

tác mía tương đối rộng, bởi vậy nguồn

nguyên liệu đầu vào rất phong phú

Sản xuất và tiêu thụ mía

Tại Brazil hiện nay có rất nhiều cơ sở sản xuất mía và Ethanol như HTX trồng mía Cocamar, một trang trại khổng lồ có hẳn một nhà máy chưng cất Ethanol riêng có tên là Sao Tome Theo ông Celsodos Santos - Giám đốc của Sao Tome thì triển vọng ngành công nghiệp sản xuất ethanol của Brazil nói riêng và ở châu Mỹ nói chung rất sáng sủa, kể cả đầu vào lẫn đầu ra, tránh được tình trạng lệ thuộc vào dầu, khí và các loại nhiên liệu hóa thạch, nhất là than, hạn chế tình trạng

ô nhiễm môi trường và tạo thêm nhiều công ăn việc làm cho người lao động Tại nhà máy Sao Tome hiện nay có tới hàng nghìn công nhân, đặc biệt là trong khoảng thời gian thu hoạch từ tháng 3 đến tháng 11 hàng năm với công suất mỗi ngày sản xuất được 350.000 lít ethanol Nguồn phế thải mía được tận dụng tối đa để đốt cháy tạo hơi chạy tuabin phát điện cung cấp điện năng ngay cho nhu cầu tiêu dùng

của nhà máy, nguồn điện dư thừa cấp cho các hộ gia đình ở Sao Tome dùng trong sinh hoạt.

B/ Nguồn nguyên liệu từ Ngô:

Từ ngô, có thể chuyển hóa

thành ethanol với giá có thể chấp

nhận được.Theo kết quả nghiên cứu

của tạp chí Science số ra tháng

1/2006, các nhà khoa học Berkeley

cho thấy sản xuất ethanol từ ngô sử

dụng ít dầu thô hơn sản xuất sản

xuất xăng, mặc dù họ vẫn chưa chắc

chắn lắm về khả năng phát thải khí

nhà kính và các ảnh hưởng môi

trường khác như xói mòn đẩt

Nhà máy SX ethanol từ ngô

Tuy nhiên, nghiên cứu cho thấy rằng, ít nhất, ethanol là một chất thay thế xăng

và vì vậy mà có thể giảm sự phục thuộc vào dầu nhập khẩu Nghiên cứu đã làm dịu bớt những chỉ trích cho rằng ethanol chỉ được ngành công nghiệp trang trại ủng hộ mạnh mẽ Dan Kammen, một trong những tác giả chính của nghiên cứu cho rằng: Sử dụng các nguồn khác nhau để trồng ngô để sản xuất ethanol, và sử dụng nhiên liệu này cho ô tô sẽ tốt hơn là sử dụng trực tiếp xăng hoặc nhiên liệu hoá thạch Những người cho rằng ethanol không tốt là hoàn toàn sai, nhưng việc sản xuất được cũng chưa đạt được kết quả lớn – chúng ta sẽ không từ bỏ và xây dựng lại một kinh tế theo hướng ethanol sản xuất từ ngô

Kammen cho biết: Tuy chưa giám chắc, kết quả nghiên cứu cũng cho thấy ethanol sản xuất từ ngô phát thải khí nhà kính có thể thấp hơn 10-15% so với xăng, nhưng sự chuyển đổi này sẽ có ý nghĩa nếu ethanol không phải sản xuất từ ngô mà sản xuất từ xenluloza của gỗ và thực vật có sợi

C/ Sản xuất ethanol từ sợi lingo-cellulosis:

Các nghiên cứu gần đây cho thấy,có thể sản xuất ethanol từ các phế phẩm nông, lâm nghiệp như rơm rạ trấu, cành khô…Theo nghiên cứu, công nghệ xenluloza là công nghệ “sử dụng vi khuẩn chuyển đổi phần cứng và xơ của thực vật - xenluloza và lignin- thành tinh bột, chất có thể lên men bởi vi khuẩn để sản xuất ethanol” Rõ ràng là bất kỳ chất nào từ rác nông nghiệp đến cây trồng hay cây trồng bằng kỹ thuật sinh học cũng có thể là nguồn xơ sợi thực vật Hiện nay, hàng triệu tấn vật liệu thải xơ sợi không được sử dụng ở Hoa Kỳ

Theo Alex Farrel, đồng tác giả của nghiên cứu, phó giáo sư về năng lượng

và tài nguyên, đại học Califonia, Berkeley: “Nếu sản xuất đúng theo công nghệ xenluloza, ehtanol thực sự là nhiên liệu tốt đối với Hoa Kỳ Hiện nay, công nghệ xenluloza rất đắt Khi có sự thay đổi và công nghệ phát triển nhanh chóng, trong vòng 5 năm tới công nghệ xenluloza sẽ đi vào thị trường thương mại”

C/Sản xuất ethanol từ rác thải:

Hãng sản xuất ô tô General Motors (Mỹ) đã liên kết với Hãng Coskata đóng tại bang Illinois để sản xuất ethanol từ rác thải với giá chưa đến 1 USD/ gallon (khoảng 3,78 lít ở Mỹ) Theo Báo Detroit Free Press, quy trình sản xuất được xây dựng trên cơ sở khí tổng hợp (gọi là syngas), là hợp chất carbon monoxide và hydrogen được tạo ra khi cây, củi hoặc các vật liệu chứa carbon khác

bị phân hủy dưới nhiệt độ cao Công nghệ này đã được sử dụng từ lâu, vì thế

"điểm nhấn" của quy trình chính là việc sử dụng vi khuẩn Cụ thể là có 5 loại vi khuẩn mà đại diện Coskata gọi là "giống thuần chủng", có thể tự nhiên sản sinh ethanol từ syngas Các vi khuẩn này được nuôi trong một loạt ống hút mỏng như sợi tóc được làm từ một loại vải lọc Syngas được dẫn qua ống hút trong khi nước được bơm dọc theo ống ở bên ngoài

Vi khuẩn được cho tiếp xúc với cả syngas lẫn nước và biến chúng thành ethanol

II.3.3: Diesel sinh học (biodiesel):

Diesel sinh học là dạng este của các lọai dầu thực vật, mỡ động vật, pha với dầu diesel để làm nhiên liệu

Để có thể chuyển hóa các lọai dầu thực vật, mỡ động vật thành biodiesel, cần phải tiến hành phản ứng transeste hóa và lọai glyxerin ra khỏi hỗn hợp

Biodiesel phải đáp ứng các tiêu chuẩn kỷ thuật nhất định mới sử dụng được

Biodiesel là metyl hay etyl este của các axít béo nằm trong thành phần

triglixerit của dầu thực vật hay mỡ động vật, được tạo thành thông qua phản ứng

Transesterification Sản phẩm của phản ứng này là gricerin và este, theo công thức

sau:

RRR

123

EtOH(MeOH)CAT

321

RRR

OOO

CC

CO

O2

H

OHC

2

H C

C

HH

Et-OEt-O

Trong thực tế, hầu hết các axít béo của dầu thực vật hay mỡ động vật đều

có công thức của axit carboxylic với dãy carbon từ C14- C20 Tùy thuộc vào tính chất của từng lọai dầu, trong dãy carbon có thể có 1,2 hay 3 nối đôi, thường nằm ở

vị trí cácbon 9,12,hay 15

Do cấu tạo hóa học của các axít béo, nên khả năng tự cháy của nó rất kém,

vì vậy để dùng làm nhiên liệu, người ta phải chuyển axít béo sang dạng este (có nhiệt chớp cháy thấp hơn axít béo) Khi sử dụng este của axít béo làm nhiên liệu cho động cơ diesel, người ta gọi nó là biodiesel, để chỉ dạng nhiên liệu này được hình thành từ con đường sinh tổng hợp của thực vật( hay động vật) Người ta cũng thường gọi đây là dạng nhiên liệu có thể tái sinh, không có nghĩa là nó không mất

đi, mà chủ yếu là nó có thể được tái tạo nhanh chóng bằng con đường sinh tổng hợp của thực vật hay động vật

Chương III:

Đặc tính kỷ thuật của xăng và diesel dầu mỏ:

III 1.NHIÊN LIỆU XĂNGIII.1.1 QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ XĂNG.

III.1.1.1: Quá trình cháy trong động cơ xăng:

Động cơ xăng là lọai động cơ đốt trong họat động theo nguyên lý “bộ chế hòa khí”.Nhiên liệu dùng cho lọai động cơ này là xăng Đặc điểm cơ bản của lọai động cơ này là có một bình xăng phụ, hay còn gọi là “bình xăng con, hay bộ chế hòa khí” để chuẩn bị hơi xăng đốt trong xylanh.

Qúa trình cháy diễn ra như sau: xăng từ bình chứa, theo ống dẫn được bơm vào bình xăng con và đi vào vòi phun.Không khí được đưa vào vòi phun, cuốn theo xăng Do chênh lệch áp suất ở vòi phun cũng như tính bay hơi mạnh của xăng, xăng sẽ tạo với không khí một hỗn hợp phân phối đều trong xylanh và bị xylanh nén đến một thời điểm bugi đánh lửa họat động Tại thời điểm đó, hỗn hợp xăng-không khí bắt cháy, đẩy piston chuyển động, khí đã cháy theo ống xả ra ngòai, máy bắt đầu họat động Quá trình cháy xẩy ra rất nhanh, bắt đầu từ bugi, lan tỏa ra tòan bộ thể tích xylanh, làm cho piston chuyển động để khí đã cháy thóat

ra theo ống xả mới hết một chu kỳ cháy Tốc độ lan truyền của mặt cầu lửa từ bugi sang tòan bộ xylanh khỏang 20-25 m/giây, làm cho áp suất hơi trong xylanh luôn

ổn định ở một thông số nhất định, piston chuyển động đều đặn làm cho quá trình

hút, xả diễn ra cân bằng, liên tục Quá trình tăng gas là quá trình tăng thể tích không khí và hơi xăng, làm cho mặt cầu lửa cháy mãnh liệt hơn, piston chuyển động nhanh hơn, cuốn theo các bộ phận cơ học khác họat động theo những tốc độ

mà người điều khiển mong muốn

Mỗi một động cơ đốt trong họat động theo nguyên lý này, có thể tích xylanh, piston, bộ chế hòa khí và các bộ phận gắn kết khác phải phù hợp nhau, trong đó, thể tích xylanh quyết định các thông số liên quan cũng như vận tốc tối đa

mà động cơ có thể đạt được

III.1.1.2: Hiện tượng cháy không bình thường:

Động cơ họat động như mô tả ở trên và không có các hiện tượng bất thường xẩy ra, người ta gọi đó là cháy bình thường Để có được hiện tượng cháy bình thường, các thông số kỷ thuật của động cơ phải bảo đảm chất lượng khi xuất xưởng, cũng như chất lượng xăng phải phù hợp với tiêu chuẩn đã được khuyến cáo

Trong thực tế, vì một nguyên nhân nào đó, người ta thấy có hiện tượng cháy không bình thường xẩy ra, với những hiện tượng như sau:

-Máy nổ kèm theo hiện tượng rung, giật và nóng hơn bình thường.-Có tiếng va chạm ở xylanh

-Có nhiều khói đen…

Những hiện tượng như vậy, có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau, nhưng điều cần chú ý đầu tiên là hiện tượng cháy không bình thường Hiện tượng này

được các nhà nghiên cứu về nhiên liệu gọi là hiện tượng “cháy kích nổ”.

Cháy kích nổ xẩy ra có thể do cấu tạo động cơ (thể tích xylanh, khả năng trược của piston, góc đánh lửa của bugi đặt sai, hỗn hợp xăng khí không phù hợp, nhiên liệu có vấn đề như nước, các tạp chất…)

Quá trình cháy trong trường hợp này được giải thích như sau: Tại một điểm nào đó trong xylanh, mặc dù mặt cầu lửa chưa kịp lan tới, hơi nhiên liệu đã bốc cháy và tốc độ lan truyền không phải là 20m/giây mà là 1500-2500 m/giây, đồng thời áp suất trong xylanh tăng vọt lên đến 160 KG/cm2 Chính sự tăng áp suất đột ngột đó tạo ra các sóng hơi xung động va đập vào thành xylanh, phát ra tiếng kêu lách cách, máy rung, giật và nóng

Hiện tượng cháy kích nổ trong động cơ sẽ phá vỡ chế độ làm việc bình thường, làm giảm công suất máy, tiêu hao nhiên liệu do cháy không hết, tạo ra nhiều muội than làm mài mòn các chi tiết máy, thậm chí gây nứt rạn piston, xéc măng,…

III.1.2 CÁC ĐẶC TÍNH VÀ CHỈ TIÊU KỶ THUẬT CỦA XĂNG.

III.1.2.1 Tính cháy và chỉ tiêu kỷ thuật:

III.1.2.1.1.Chỉ số OCTAN (CSOT) và phương pháp xác định chỉ số octan:

Qua thực nghiệm, người ta thấy rằng hiện tượng cháy kích nổ của động cơ xăng có quan hệ chặt chẻ với thành phần hoá học của xăng.So sánh các nhóm

hydrocacbon, cho thấy nhóm n-parafin dễ bị cháy kích nổ nhất, ngược lại nhóm isoparafin và hydrocacbon thơm khó bị kích nổ hơn Để đánh giá khả năng cháy kích nổ của một nhóm hydrocacbon hoặc một loại xăng nào đó, người ta đã phát minh ra một phương pháp thực nghiệm dựa trên sự so sánh quá trình cháy của các các loại nhiên liệu cụ thể với một loại nhiên liệu tiêu chuẩn, từ đó xác định một chỉ tiêu chất lượng có tên là chỉ số OCTAN Chỉ số octan của một loại xăng càng cao càng khó bị kích nổ khi cháy trong động cơ, nghĩa là xăng đó có tính chống kích

nổ tốt Ngược lại CSOT càng thấp, càng dễ bị cháy kích nổ hay là loại xăng đó có tính chống kích nổ kém

a/Nhiên liệu chuẩn để đánh giá chỉ số octan:

Nhiên liệu chuẩn để đánh giá chỉ số octan bao gồm hai hợp chất:

-Hợp phần n-heptan (n-C7H14) là một hydrocacbon có công thức cấu tạo mạch thẳng:

CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3

n- Heptan có tính chống kích nổ kém, qui ước có CSOT bằng không (0)-Hợp phần iso-octan (2, 2, 4-trimetyl pentan) có công thức cấu tạo mạch nhánh:

CH -C -CH -CH -CH

CH

CH 3

3

3

2 CH

Iso-octan có tính chống kích nổ tốt, được qui ước CSOT là 100

Khi pha hai hợp phần này với nhau theo tỷ lệ thể tích nhất định sẽ suy ra CSOT của hỗn hợp đó

Ví dụ nhiên liệu có 30% n-heptan và 70% iso-octan có CSOT là 70

b/Cơ sở phương xác định CSOT của xăng:

Để xác định CSOT của một loại xăng nào đó, người ta cho nhiên liệu vào một động cơ chuyên dùng để xác định chỉ số octan Động cơ này xác định hiện tượng cháy kích nổ theo những điều kiện nhất định của thiết bị và so sánh với các hiện tượng cháy kích nổ khác của các hỗn hợp nhiên liệu chuẩn đã chạy trước đó,

từ đó suy ra mẫu xăng có hiện tượng cháy kích nổ như mẫu chuẩn nào, thì xác định chỉ số octan theo mẫu chuẩn đó

Ví dụ, xăng thử nghiệm chạy trong động cơ xác định chỉ số octan có hiện tượng cháy nổ giống như nhiên liệu chuẩn có 20% n-heptan và 80% iso-octan thì xăng đem thử có CSOT là 80 (cần chú ý khi nói xăng có CSOT 80 không có nghĩa

là trong xăng có 80% iso-octan, mà chỉ là hiện tượng cháy nổ tương ứng mẫu chuẩn với 80% iso-octan)

Trong thực tế có 3 loại chỉ số octan giống nhau về bản chất nhưng khác nhau ở mục đích sử dụng:

+CSOT xác định theo phương pháp mô tơ: (Motor Octan Number MON) là loại xăng chuyên dùng cho các động cơ chạy trên xa lộ với tốc độ cao nhưng đều đặn, hoặc xe chở hàng tải trọng lớn.

+CSOT xác định theo phương pháp nghiên cứu (Research Octan RON) là loại xăng cho xe chạy trong thành phố, tốc độ thấp, hay tăng giảm đột ngột

Number-+CSOT thông dụng (Popullar Octan Number-PON) là trung bình cộng giữa RON và MON

Trong thực tế, cùng một loại xăng, nhưng khi xác định chỉ số octan theo RON thì cao hơn so với theo MON Hiệu số giữa RON và MON được xem là độ nhạy cảm của xăng, biểu thị cho sự thay đổi tính chất của xăng khi động cơ hoạt động tại hai điều kiện khác nhau như đã nói ở trên

III.1.2.2.2.Quan hệ giữa trị số octan của xăng và tỷ số nén của động cơ:

Việc lựa chọn chỉ số octan (CSOT) của xăng phụ thuộc vào tỷ số nén của động cơ Động cơ có tỷ số nén cao là động cơ tạo ra công suất lớn, đòi hỏi lọai xăng phải có CSOT cao Nếu dùng lọai xăng có CSOT thấp sẽ gây ra hiện tượng cháy kích nổ Nhưng nếu dùng lọai xăng có CSOT cao hơn yêu cầu của động cơ cũng không tốt vì như vậy sẽ lãng phí, động cơ làm việc không ổn định, đễ nóng máy Như vậy, cách tốt nhất để duy trì hiện tượng cháy bình thường là sử dụng xăng có CSOT phù hợp với động cơ Bảng II/1 sau đây sẽ giới thiệu qui định tương quan giữa tỷ số nén và CSOT của một số nước:

Bảng 3/1:Tương quan giữa tỷ số nén và CSOT:

Tỷ số nén của động cơ Chỉ số octan của nhiên liệu

-Qua hai bảng trên, có thể thấy tầm quan trọng của việc lựa chọn lọai xăng phù hợp với động cơ Ở Việt nam, người dân không được hướng dẫn kỷ nên thường dùng rất tùy tiện, dù đó là lọai xăng có chỉ số octan cao hay thấp, chỉ phụ thuộc vào giá xăng mà không quan tâm đến động cơ.

III.1.2.2.Tính bay hơi của xăng và các chỉ tiêu kỷ thuật:

III.1.2.2.1: Tính bay hơi của xăng:

Tính bay hơi của xăng ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển trên đường ống

và cháy nổ trong động cơ

Nếu xăng bay hơi quá nhanh, sẽ bị hóa hơi ngay trên đường ống dẫn, gây hiện tượng nút hơi (hay còn gọi nghẽn khí), làm cho xăng phun ra lẫn bọt, không

đủ cung cấp cho động cơ,dẫn đến tình trạng nổ không đều hay bị tắt máy Trong vận chuyển, khi bơm hút, bảo quản sẽ bị hao hụt tự nhiên

Nếu xăng bay hơi kém, gây nên hiện tượng khó khởi động máy, khó điều chỉnh máy, gây lãng phí do cháy không hết, tạo muội than làm bẩn máy, làm lõang dầu máy và hiện tượng mài mòn các chi tiết máy tăng cao

Do vậy, tính bay hơi của xăng được đánh giá rất quan trọng và có những chỉ tiêu phẩm chất bắt buộc phải tuân thủ

III.1.2.2.2: Chỉ tiêu kỷ thuật đánh giá tính bay hơi:

Các chỉ tiêu kỷ thuật sau đây dùng để đánh giá phẩm chất bay hơi của xăng thương phẩm:

III.1.2.2.2.1: Thành phần điểm sôi:

Chỉ tiêu này được xác định trong dụng cụ chưng cất đã tiêu chuẩn hóa Cá điểm sôi bắt đầu lấy:

- Điểm sôi đầu ( tSĐ)

- Điểm sôi 10% thể tích: Điểm sôi đầu và điểm sôi 10% TT đặc trưng cho tính khởi động máy, khả năng gây nghẽn hơi và hao hụt tự nhiên Điểm sôi đầu thấp hơn qui định càng nhiều thì khả năng xăng bị hao hụt càng lớn, sẽ sinh nghẽn khí Điểm sôi 10% cao hơn qui định càng nhiều, khả năng khó khởi động máy càng tăng Như vậy, nếu biết rõ điểm sôi đầu

và điểm sôi 10%, có thể đánh giá chất lượng xăng tốt cho động cơ hay không

- Điểm sôi 50% thể tích: Điểm sôi này cho ta biết khả năng thay đổi tốc

độ của máy Nếu điểm sôi này vượt quá qui định,khi tăng tốc, sẽ xẩy ra hiện tượng cháy không kịp, làm cho việc điều khiển máy gặp khó khăn

- Điểm sôi 90% thể tích

- Điểm sôi cuối (tSC)

III1.2.2.2.2: Áp suất hơi bảo hòa Reid:

Tiêu chuẩn xác định ASTM D 323

Là áp suất hơi xăng ở trạng thái cân bằng với thể lỏng trong bơm Reid được

đo tại nhiệt độ xác định là 37,8oC (Hay 100oF) Áp suất hơi bão hoà Reid là một trong các chỉ tiêu về tính bay hơi của các loại xăng Dựa vào chỉ tiêu này để đánh

giá tính khởi động, khả năng tạo nút hơi, hao hụt do bay hơi và mức độ nguy hiểm

do cháy nổ Áp suất hơi bão hoà Reid càng cao thì khả năng bay hơi càng mạnh

Áp suất hơi bão hoà reid được biểu diễn bằng nhiều đơn vị đo áp suất khác nhau như Psi, Bar, Kpa, mmHg…

III.1.2.2.2.3: Khối lượng riêng và tỷ trọng:

Tiêu chuẩn xác định ASTM D 1298

Khối lượng riêng ( Density) đo bằng g/cm3 hay kg/m3 là khối lượng của một đơn vị thể tích

Tỷ trọng (Relative Density) là tỷ số khối lượng riêng của một chất ở nhiệt

độ nào đó, so với khối lượng riêng của nước ỏ 4oC Ký hiệu dt/4 trong đó toC là nhiệt độ tại đó xác định tỷ trọng

III.1.2.2.2.4:Độ API ( o API-API gravity)

Tiêu chuẩn xác định ASTM D 287

Độ API là một chỉ tiêu đánh giá tỷ trọng của dầu thô và các sản phẩm của chúng theo tiêu chuẩn của Viện dầu mỏ Hoa kỳ ( American Petroleum Institute)

Tỷ trọng hay oAPI biểu hiện tính bay hơi của một sản phẩm dầu mỏ Tỷ trọng càng thấp ( oAPI càng cao) chứng tỏ sản phẩm càng nhe, càng dễ bay hơi

III.1.2.3.Tính chống nổ và các chỉ tiêu kỷ thuật:

Tính cháy của xăng trong động cơ làm việc theo nguyên lý bộ chế hòa khí

đã được giới thiệu ở phần III.1.1 Ở phần III.1.2 đã giới thiệu về CSOT-một trong những đại lượng quan trọng của tính chất chống cháy nổ của xăng, cũng như chỉ tiêu kỷ thuật của CSOT

Để tăng CSOT, người ta còn pha vào xăng những phụ gia đặc biệt như hợp chất chứa oxy và dung dịch chì.Các chỉ tiêu kỷ thuật của các phụ gia này bao gồm:

III.1.2.3.1:Hàm lượng Chì:

Trong quá trình cháy của hơi xăng trong buồng đốt có sự tạo thành và tích

tụ các hợp chất peoxít Những chất peoxít này là nguyên nhân dẫn tới kích nổ khi nồng độ của chúng đạt tới một giới hạn nào đó Để tránh tình trạng này, người ta

thường pha vào xăng một số chất để ngăn chặn như tetraetyl chì [Pb(C2H5)4] và

brommua etan (Br C2H5) hay dibromua etan (BrC2H5Br) Tác dụng của tetraetyl chì (TEC) là phá huỷ các hợp chất peoxít và ngăn cản sự tích lỹ chúng trong động

cơ Các chất như Bromua etan hay dibromua etan được gọi là chất lôi kéo vì chúng giúp cho muội chì sau quá trình cháy không đọng lại trong xilanh mà theo khói xả

Có thể thay thế chì bằng các hợp chất chứa oxy khác như metanol, ethanol, axeton metyl ter butyl ete (MTBE) hay metyl ter amyl ete (MTAE) tuy nhiên việc sử dụng các hợp chất trên có hạn chế vì nhiệt lượng cháy của chúng thấp, áp suất hơi bão hoà quá cao, dễ tách lớp

III.1.3: XĂNG ĐẶC BIỆT

Xăng đặc biệt là những loại xăng chuyên dùng cho máy bay Mặc dù động

cơ của các loại máy bay này giống với động cơ đốt trong của ô tô nhưng điều kiện làm việc của nó khác nên phải có chất lượng phù hợp cho chúng

III 2.NHIÊN LIỆU DIESEL.

Động cơ điesel còn gọi là động cơ nén cháy, là một loại động cơ đốt trong được sử dụng khá phổ biến cho các loại xe ô tô, tàu thủy, xe lửa, máy phát điện, máy bơm có nguyên lý hoạt động hoàn toàn khác với động cơ cơ đốt trong có bộ phận chế hoà khí, mà hiện tượng kích nổ được thực hiện bằng tia lửa điện của bugi phát ra Sự cháy của hỗn hợp khí trong buồng đốt của động cơ diesel là sự tự cháy

Để hiểu được mối quan hệ giữa sự hoạt động của động cơ diesel với chất lượng nhiên liệu diesel, cần hiểu rõ bản chất sự cháy trong buồng đốt của động cơ diesel:

III.2.1.QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL:

Trong quá trình vận hành động cơ diesel có thể quan sát thấy trong những điều kiện cụ thể, hai hiện tượng cháy hoàn toàn trái ngược: Hiện tượng cháy bình thường và không bình thường:

Trong xylanh của động cơ diesel, piston nén không phải hỗn hợp không khí

và hơi nhiên liệu, mà chỉ nén không khí cho tới khi đạt được nhiệt độ cần thiết Lúc này, nhiên liệu được một thiết bị phun tạo thành sương, phun trực tiếp vào buồng đốt, gặp không khí nóng, nhiên liệu ở dạng sương nóng dần lên đến một nhiệt độ nhất định, tự bùng cháy Nhiệt độ đó được gọi là nhiệt chớp cháy (flash poin) Khi hơi nhiên liệu điesel tự bùng cháy, động cơ bắt đầu làm việc theo đúng những chu kỳ của động cơ đốt trong Để thực hiện chu kỳ làm việc bình thường thì nhiệt độ không khí trong buồng đốt ở thời điểm trước khi phun nhiên liệu, phải cao hơn nhiệt chớp cháy của nhiên liệu, có như vậy, nhiên liệu mới có khả năng tự bốc cháy và động cơ mới có thể hoạt động

Thực tế cho thấy hiện tượng tự cháy của nhiên liệu không xẩy ra tức thì ngay sau khi bắt đầu phun nhiên liệu vào buồng đốt mà có một khoảng thời gian giữa lúc bắt đầu phun và lúc bắt đầu cháy Trong khoảng thời gian ngắn ngủi đó kịp xẩy ra sự oxy hoá các thành phần trong nhiên liệu dưới dạng hơi sương

Khoảng thời gian đó gọi là thời gian cháy trễ hay thời gian cảm ứng Kết thúc thời

gian đó, sự cháy trong buồng đốt mới bắt đầu.Nếu nhiên liệu có thành phần hoá học và nhiệt chớp cháy phù hợp, hơi trong buồng đốt không tích tụ nhiều, hiện tượng cháy xẩy ra bình thường, áp suất và nhiệt độ trong buồng đốt tăng lên đều

đặn đúng với thiết kế kỷ thuật của động cơ, không có biểu hiện bất thường, trường hợp này gọi là cháy bình thường.Nếu nhiên liệu khó tự cháy, thời gian cảm ứng kéo dài, làm cho hơi nhiên liệu tích tụ trong buồng đốt, khi sự cháy bắt đầu, nhiệt

độ, áp suất tăng đột ngột, gây chấn động xilanh, hơi nhiên liệu không cháy hết, khói đen xả ra, có nhiều tiếng nổ Đó gọi là cháy không bình thường, hay còn gọi

là cháy kích nổ Cháy kích nổ trong động cơ , tức là tại một điểm nào đó trong xylanh, dù mặt cầu lửa chưa lan tới, hơi nhiên liệu đã bốc cháy đột ngột với tốc độ cháy lan truyền nhanh gấp trăm lần cháy bình thường (1500-2500 m/giây), áp suất trong xylanh tăng vọt lên đến160KG/cm2 Cháy kích nổ trong động cơ phá vỡ chế

độ làm việc bình thường,làm giảm công suất máy, tiêu hao nhiên liệu do cháy không hết, mài mòn các chi tiết máy, nứt rạn piston, secmăng…, tạo ra nhiều muội than làm bẩn xilanh, nghẹt ống pô… Để tránh tình trạng cháy kích nổ, phải đáp ứng 2 điều kiện:

-Động cơ và điều kiện làm việc của nó phải bảo đảm

-Nhiên liệu phải phù hợp và bảo đảm các chỉ tiêu kỷ thuật cho phép

III.2.2 CÁC ĐẶC TÍNH VÀ CHỈ TIÊU KỶ THUẬT CỦA DIESEL.

III.2.2.1 Tính cháy và chỉ tiêu kỷ thuật:

Tính cháy là đặc trưng của nhiên liệu.Quá trình tự cháy của nhiên liệu xăng

và nhiên liệu diesel khác nhau như đã trình bày ở trên.Tương ứng với mỗi loại nhiên liệu, có các chỉ số đặc trưng của nó, ví dụ đối với xăng, chỉ số octan (CSOT)

là chỉ số tiên quyết để đánh giá chất lượng xăng, còn với dầu diesel, chỉ số cetan (CSCT) là chỉ số tiên quyết đánh giá chất lượng dầu diesel

III.2.2.1.1.Chỉ số cetan và phương pháp xác định chỉ số cetan (CSCT)

CSCT của một loại nhiên liệu diesel được xác định trên máy đo dựa trên so sánh sự bén cháy trùng lặp của hỗn hợp chuẩn với mẫu cần xác định (giống như trường hợp đo CSOT đã trình bày ở trên)

a/Nhiên liệu chuẩn:

Nhiên liệu chuẩn để xác định chỉ số Cetan là hỗn hợp của n-cetan và metylnaphtalen

α n-cetan là một chất dễ tự cháy, có công thức cấu tạo mạch thẳng

CSCT được xác định tương tự như CSOT của xăng bằng các cho mẫu nhiên liệu vào thiết bị xác định các điều kiện của trạng thái tự cháy rồi so sánh với mẫu nhiên liệu chuẩn (hỗn hợp n-cetan với α-metyl naphtalen theo tỷ lệ khác nhau)

Dầu diesel có cấu tạo thành phần hoá học gồm hỗn hợp của nhiều nhóm hydrocacbon của các phân đoạn trong quá trình chưng cất dầu mỏ, bao gồm phân đoạn gas oil nhẹ, trung bình và nặng, do đó, CSCT của các phân đoạn này cũng khác nhau: Khi có cùng số nguyên tử cacbon, nhóm parafin có CSCT cao nhất, tiếp theo là naphten, iso-parafin, và cuối cùng là hydrocacbon thơm Trong cùng một dãy hydrocacbon, mạch cacbon càng dài thì CSCT càng lớn

2 Naphten

DecalenMetyldipropyldecalyl metan C

10H20

C10H17C8H17

4821

3 Hydrocacbon thơm

-Metylnaphtalen-Octylnaphtalen

C10H7CH3

C10H7C8H17

018

c/Xác đ ịnh CSCT bằng phương pháp tính toán gián tiếp:

Khi không có điều kiện xác định CSCT bằng thiết bị đo, có thể xác địnhgián tiếp qua điểm sôi 50% V và 0API theo công thức theo ASTM-D 976:

CSCT= 454,74-1641,416D +774,74D 2 -0,554B +97,803(logB) 2 (1)

Trong đó:

+D: tỷ trọng của nhiên liệu diesel d15/15

+B: Điểm sôi 50%V đo bằng oC

hay:

CSCT = 420,34 +0,016G 2 + 0,192G logM+65,01(logM) 2 -0,0001809M 2 (2)

Trong đó:

+G: Độ 0API

+M: Điểm sôi 50% V đo bằng oF

Người ta cũng dùng biểu đồ quan hệ giữa oAPI với điểm sôi 50%V để xác định CSCT

III.2.2.1.2.Quan hệ giữaCSCT của diesel với số vòng quay của động cơ:

Như trên đã thấy, tùy thuộc vào thành phần hoá học, các loại nhiên liệu diesel có CSCT khác nhau, nghĩa là có khả năng tự cháy khác nhau Muốn động

cơ diesel hoạt động bình thường, bảo đảm công suất, đòi hỏi nhiên liệu diesel phải

có CSCT phù hợp với số vòng quay của động cơ.Mối quan hệ đó thể hiện trong bảng sau:

>50Nhóm động cơ có số vòng quay <500 vòng phút thường sử dụng cho tàu thủy, các nhà máy phát điện nên nhiên liệu khá nặng, nhiều khi người ta pha thêm nhiên liệu đốt lò, gọi là dầu FO

Nhóm động cơ có số vòng quay trung bình 500-1000 vòng /phút thường là đầu máy kéo xe lửa, các loại xe thi công cầu đường, san ủi…Dầu diesel cho loại này có nhiệt độ sôi, độ nhớt thấp hơn hơn loại dầu nói trên

Nhóm động cơ có số vòng quay trung bình >1000 vòng /phút thường là các động xe ôtô, các loại tractor,máy phát điện nhỏ, máy ghe, xuồng…Dầu điesel cho loại này có nhiệt độ sôi và độ nhớt vừa phải

III.2.2.2.Tính bay hơi và các chỉ tiêu kỷ thuật:

Các động cơ đốt trong hoạt động được nhờ khả năng cháy của nhiên liệu, tuy nhiên, để cho phản ứng cháy xẩy ra, cần phải có không khí Muốn có hỗn hợp cháy , nhiên liệu phải được tạo thành hơi Đối với xăng, đặc tính bay hơi là rõ, vì các hợp chất hydrocacbon thường có thành phần nhẹ Đối với nhiên liệu diesel, bao gồm các phân đoạn hydrocacbon nặng hơn, nên tính bay hơi ảnh hưởng rất lớn đến sự tạo thành hỗn hợp nhiên liệu và không khí Khi quá trình tạo hỗn hợp cháy diễn ra đều đặn, động cơ sẽ hoạt động ổn định và ngược lại, động cơ sẽ bị trục trặc Để đánh giá độ bay hơi của diesel, cũng như của xăng, người ta xác định nhiệt độ sôi, tỷ trọng và một chỉ tiêu cảm quan có liên quan đến tỷ trọng là màu sắc nhiên liệu Đối với diesel, người ta không sử dụng đại lượng áp suất hơi bảo hoà vì trong thành phần của nó không có các phân đoạn hydrocscbon nhẹ như của xăng

III.2.2.2.1: Thành phần điểm sôi:

Thành phần điểm sôi được xác định theo tiêu chuẩn Việt nam TCVN

2698-1995 và tiêu chuẩn quốc tế ASTM D 86 Chỉ tiêu chất lượng này được xác định trong dụng cụ chưng cất đã tiêu chuẩn hoá và xác định thành phần điểm sôi ở ba thời điểm : 10% V; 50%V; 90%V Không phải ngẫu nhiên mà người ta chọn 3 thời điểm trên Tổng hợp kết quả của nhiều công trình nghiên cứu khoa học, người

ta nhận thấy:

a/Điểm sôi 10%V biểu thị cho thành phần nhẹ trong nhiên liệu diesel Nhiệt

độ sôi 10%V không được thấp hơn 200oC Nếu khi chưng cất, dưới 200oC đã cho 10% V, có nghĩa là trong thành phần nhiên liệu diesel đó có một lượng lớn các

hydrocacbon nhẹ, khi cháy sẽ tăng nhanh áp suất, dễ dẫn tới kích nổ, động cơ phải làm việc trong môi trường “cứng” Ngoài ra, nếu phần nhẹ nhiều, khả năng phun sương không đều, làm cho hỗn hợp cháy không đồng nhất, khi cháy sẽ tạo ra nhiều khói đen, tăng lượng cốc, bẩn máy và làm giảm độ nhớt của dầu nhờn, dẫn đến sự ảnh hưởng chất lượng làm việc của động cơ cũng như tuổi thọ của nó.

b/Điểm sôi 50%V ảnh hưởng đến khả năng khởi động máy Nếu nhiệt độ sôi 50%V của nhiên liệu diesel không vượt quá 280oC, động cơ sẽ khởi động dễ dàng

c/Điểm sôi 90%V biểu hiện cho khả năng cháy hoàn toàn của hơi nhiên liệu.Nhiệt độ của điểm này giới hạn ở 370oC

Những chỉ tiêu về điểm sôi còn cho biết mức tiêu hao nhiên liệu của động

cơ hay những tác động cơ lý khác như độ mài mòn xécmăng và xylanh, hay mức

độ ô nhiễm qua hàm lượng khói xả…

Một số ví dụ:

+Mức độ tiêu hao nhiên liệu: Nếu nhiên liệu có điểm sôi 300oC cất được 93%V thì mức độ tiêu hao nhiên liệu là 100% Nếu ở nhiệt độ trên, chỉ cất được 80%V thì tiêu hao nhiên liệu của động cơ là 117% Còn nếu chỉ cất được 20%V thì tiêu hao nhiên liệu là 131%

+Độ mài mòn: Nếu nhiên liệu cất được 50% ở nhiệt độ 230oC thì sau một thời gian làm việc nhất định, khe hở miệng xecmăng là 0,6mm Cũng lượng trên nhưng nhiệt độ là 300oC thì khe hở miệng xécmăng là 0,8mm, còn cất được lượng trên nhưng nhiệt độ là 350oC thì khe hở miệng xécmăng là 1,2mm

+Nồng độ ô nhiễm của khói xả: Nhiên liệu có nhiệt độ sôi 300oC, cất được 95%V, có lượng khói xả là 43 đơn vị, nếu chỉ cất được 75%V, có lượng khói xả là

63 đơn vị, còn chỉ cất được 20%V thì lượng khói xả là 85 đơn vị

III.2.2.2.2:Khối lượng riêng và tỷ trọng(Density&Relative Density)

Khối lượng riêng (density) đo bằng g/cm3 hay Kg/cm3 là khối lượng của một đơn vị thể tích

Tỷ trọng(Relative Density) là tỷ số khối lượng riêng của một chất ở nhiệt độ

nào đó, so với khối lượng riêng của nước ở 4 oC, ký hiệu dt/4, trong đó toC là nhiệt

độ tại đó xác định tỷ trọng

Thông thường dùng tỷ trọng tiêu chuẩn ở 20oC ký hiệu d20/4 hoặc tỷ trọng tiêu chuẩn ở 150C ký hiệu d15/4

Ở Anh, Mỹ dùng độ F, trong đó 60oF tương đương 15,6oC và ký hiệu

d60F/60F Người ta qui định phương pháp xác định tỷ trọng theo một cách thức nào

đó, gọi là tiêu chuẩn Có nhiều tiêu chuẩn:

+TCVN: Gọi là tiêu chuẩn Việt nam

+ASTM: American Standar Methode

+DIN: German Index Norm

+ISO: International Standart Organization

Đối với tỷ trọng, các tiêu chuẩn cụ thể sau:

+TCVN 3893-84 tương ứng với ASTM D 1298 xác định tỷ trọng bằng phù kế (aerometer)

+TCVN 2691-78 tương ứng ASTM D 941, ASTM D 1217 xác định

tỷ trọng bằng bình đo tỷ trọng mao quản (pycnometer) với các dạng mao quản khác nhau

+ASTM D 1480 xác định tỷ trọng bằng bình đo tỷ trọng mao quản, dùng cho chất lỏng nhớt

+ASTM D 4052 xác định tỷ trọng chất lỏng bằng máy đo tỷ trọng hiện số

Để chuyển tỷ trọng ở các nhiệt độ khác nhau về tỷ trọng tiêu chuẩn, người

ta sử dụng bảng chuyển đổi tính sẵn hay dùng công thức:

D 20/4 = d t/4 +γ (t-20)

Trong đó: t-Nhiệt độ bất kỳγ-Hệ số điều chỉnh tỷ trọng

Độ API ( 0 API- hay API gravity) là chỉ tiêu đánh giá tỷ trọng của dầu thô và

các sản phẩm của chúng theo tiêu chuẩn của Viện dầu mỏ Hoa Kỳ (American Petroleum Institute):

III.2.2.2.3:Màu sắc của nhiên liệu diesel

Các sản phẩm dầu mỏ (cũng như dầu thực vật) thường được xác định màu sắc để trên cơ sở đó xem xét sản phẩm còn giữ được chất lượng hay không Nguyên tắc xác định màu sắc là so sánh màu của sản phẩm với màu chuẩn bằng mắt thường hay máy so màu Trên thực tế có hai thang màu chuẩn dành cho hai tiêu chuẩn xác định khác nhau:

-TCVN 4354-86 và ASTM D 156 là tiêu chuẩn xác định màu theo thang chuẩn màu Saybolt (Saybolt color scale) có màu sẫm nhất là 16 cho tới màu dầu sáng nhất là +30 Tiêu chuẩn ASTM D 156 thường dùng đối với các sản phẩm dầu sáng màu như dầu hoả

-ASTM D 1500 là tiêu chuẩn xác định màu theo thang chuẩn màu ASTM (ASTM color scale), hai mức liền nhau hơn kém nhau 0,5 đơn vị Có 16 chuẩn màu được đánh số từ 0,5 cho tới 8,0, biểu thị màu từ sáng tới tối dần Tiêu chuẩn ASTM D 1500 dùng đối với các sản phẩm dầu nặng như nhiên liệu diesel, dầu nhờn

III.2.2.3 Tính lưu chuyển của diesel và các chỉ tiêu kỷ thuật:

Một trong những chỉ tiêu chất lượng quan trọng của nhiên liệu diesel là sự lưu chuyển dễ dàng trong hệ thống cung cấp và nạp nhiên liệu vào buồng đốt của động cơ Tính chất này đặc biệt quan trọng khi động cơ diesel làm việc ở các khu

vực có nhiệt độ môi trường thấp Chất lượng này được đánh giá qua chỉ tiêu độ nhớt và nhiệt đông đặc.

III.2.2.3.1: Độ nhớt động học(Kinematic Viscosity)

Có nhiều loại độ nhớt, thông thường sử dụng độ nhớt động học để đánh giá tính lưu chuyển của nhiên liệu diesel.Cơ sở của phương pháp xác định độ nhớt động học là đo thời gian chảy của một lượng thể lỏng xác định qua một ống mao quản của ống đo độ nhớt, độ nhớt động học được tính theo công thức:

ν = C tTrong đó:ν -Độ nhớt động học (mm2/sec)

C Hằng số của ống đo độ nhớtT: Thời gian thể lỏng chảy qua mao quản(sec)Như vậy, thứ nguyên của độ nhớt động học là mm2/sec được gọi là centi Stock (viết tắt cSt)

1cSt = 1/100 StChỉ tiêu độ nhớt biểu hiện cho tính lưu chuyển của thể lỏng, được đánh giá đối bvới nhiên liệu diesel, nhiên liệu phản lực, dầu nhờn ở những nhiệt độ thích hợp Có thể xem xét các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhớt động học của nhiên liệu diesel:

a/Cấu trúc phân tử của thể lỏng:

Phân tử có cấu trúc càng cồng kềnh, nhiều nhánh, nhiều mạch thì độ nhớt càng lớn Trong các hydrocarbon , n-paraphine có độ nhớt thấp nhất, kế đến hydrocarbon naphten, hydrocarbon thơm Các hydrocarbon iso paraphin có độ nhớt lớn nhất, độ phân nhánh càng cao thì độ nhớt càng lớn

b/Nhiệt độ:

Nhiệt độ tăng thì độ nhớt của thể lỏng giảm và ngược lại Đặc biệt, độ nhớt thay đổi nhanh trong phạm vi nhiệt độ dưới 0oC Nhiệt độ có ảnh hưởng khác nhau đối với các nhóm hydrocarbon Độ nhớt động học của hydrocarbon n-paraphin ít thay đổi theo nhiệt độ, ngược lại các hydrocarbon thơm có độ nhớt thay đổi nhiều

Đối với dầu diesel, độ nhớt động học phải phù hợp Nếu độ nhớt động học cao, tính lưu chuyển bị hạn chế, nhiên liệu khó vận chuyển và nạp vào buồng đốt, nhất là khi động cơ làm việc trong môi trường nhiệt độ thấp Nếu độ nhớt quá thấp

sẽ làm giảm hệ số nạp liệu và tăng sự mài mòn của bơm Do đó, khi xác định dầu diesel cho một loại động cơ nào cần phải xem xét điều kiện khí hậu của nơi động

cơ đó làm việc, độ nhớt của nhiên liệu cần cung cấp để bảo đảm an toàn cho động cơ

III.2.2.3.2:Nhiệt đông đặc của nhiên liệu diesel:

Đây là một chỉ tiêu rất quan trọng của các nước có mùa đông khắc nghiệt, như Châu Âu, Mỹ, Nhật Trung quốc, Canada là những nước mà mùa đông , nhiệt

độ thường xuống thấp Ở những nước này, người ta thường phân biệt hai loại dầu diesel: dầu cho mùa hè và dầu cho mùa đông Những loại dầu diesel cho vùng Bắc cực hay Nam cực, nhiều khi có nhiệt đông đặc dưới -45oC

III.2.2.4 Tính ăn mòn của nhiên liệu diesel và các chỉ tiêu kỷ thuật::

Cũng như xăng, trong dầu diesel có một lượng chất mang tính ăn mòn kim loại, yêu cầu lượng tạp chất này không được vượt quá giới hạn cho phép, để tính

ăn mòn kim loại của nhiên liệu không ảnh hưởng đến nhiên liệu.Tính ăn mòn kim loại của nhiên liệu diesel được đánh giá bằng các chỉ tiêu chất lượng sau đây:

III.2.2.4.1:Kiểm nghiệm ăn mòn mảnh đồng(Copper Strip Corrosion)

Tiêu chuẩn xác định :TCVN 2694-1995, ASTM-D130Kiểm nghiệm này nhằm phát hiện sự có mặt của các hợp chất lưu huỳnh hoạt động( lưu huỳnh tự do, sunfua, mercaptan) có mặt trong dầu diesel, dựa vào sự thay đổi màu sắc của mảnh đồng tiêu chuẩn sau khi ngâm vào mẫu dầu sau 3 giờ ở nhiệt độ 50oC, rồi so sánh với màu sắc của mảnh đồng mẫu.Có 4 cấp độ màu sắc chuẩn:

-Cấp số 1 có 2 mức 1a và 1b

-Cấp số 2 có 5 mức: 2a, 2b, 2c, 2d, 2e

-Cấp số 3 cò mức: 3a và 3b

-Cấp số 4 có 3 mức: 4a, 4b, 4c

III.2.2.4.2:Hàm lượng lưu huỳnh tổng(Total sulfur)

Tiêu chuẩn xác định: ASTM D129, ASTM D 2622-Tiêu chuẩn ASTM D129 dùng xác định lưu huỳnh tổng số(% khối lượng) bằng cách thiêu đốt mẫu phân tích trong bom khí oxy có thể tích không nhỏ hơn

300 ml và ở áp suất cao.Các hợp chất lưu huỳnh cháy trong điều kiện này hình thành SO3, được chuyển thành thể muối kết tủa bari sunfat (Ba SO4) Lượng muối này được định lượng theo phương pháp phân tích khối lượng

-Tiêu chuẩn ASTM D2262: xác định hàm lượng lưu huỳnh tổng số của các sản phẩm dầu lỏng hoặc rắn có thể chuyển thành dạng lỏng bằng cách gia nhiệt vừa phải hoặc hoà tan trong dung môi hữu cơ Mẫu được đặt trong chùm tia X và

đo cường độ vạch phổ lưu huỳnh So sánh với chường độ của các mẫu có hàm lượng lưu huỳnh đã chuẩn bị trước, từ đó tính ra hàm lượng lưu huỳnh trong mẫu cần phân tích Hàm lượng lưu huỳnh trong dầu diesel phải nhỏ hơn từ 0,5-1% khối lượng Khi hàm lượng lưu huỳnh tăng từ 0,12 lên 0,57, mức ăn mòn xec măng và piston tăng lên 5,5 lần, ăn mòn xi lanh tăng 3,5 lần, vì vậy, xu hướng giảm hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu có ý nghĩa lớn trong việc bảo vệ, kéo dài tuổi thọ động cơ, bảo vệ môi trường

III.2.2.4.3: Độ axít (Total Acid Number-TAN )

Tiêu chuẩn xác định: TCVN2695-1995 ASTM D 974 TCVN6325-1997 ASTM D 664

Để đánh giá tính ăn mòn của nhiên liệu diesel, cần xác định độ axít hay tổng axít, biểu thị bằng lượng kali hydroxyt (KOH) đủ trung hòa lượng axit có trong 1gam nhiên liệu (đơn vị đo mg KOH/g ) cũng có thể sử dụng đơn vị mg KOH/100ml nhiên liệu