Phân tích các khả năng giảm thiểu ô nhiễm của các loại nhiên liệu thay thế xu hướng ứng dụng của các loại nhiên liệu thay thế

Những hiệu quả và giá trị của dầu mỏ và động cơ đốt trong mang lại đã làm giấy lên một cuộc cách mạng muốn chiếm ưu thế và chủ động về nguồn dầu mỏ đặc biệt là các nước phát triển như Mỹ

Đề bài: Phân tích các khả năng giảm thiểu ô nhiễm của các loại nhiên liệu thay thế Xu hướng ứng dụng của các loại nhiên liệu thay thế

1 An ninh năng lượng và ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ đốt trong

1.1 An ninh năng lượng hiện nay

Con người đã biết chưng cất dầu mỏ để lấy dầu hỏa sử dụng làm chất đốt ngay từ những năm 1849 – 1850 Vào thời gian đó các loại dầu mỏ truyền thống của động cơ đốt trong như xăng và dầu diezel chưa hề được dùng đến Cho đến khi Rudolf Diesel phát mình ra động cơ chạy bằng dầu Diezel vào năm 1895 đã đánh dấu một cột mốc quan trọng trong lịch sử phát triển ngành động cơ đốt trong và cũng từ đó khí than đá bắt đầu được sử dụng ngày càng nhiều bởi những hiệu quả về kinh tế khi con người sử dụng động

cơ đốt trong Những hiệu quả và giá trị của dầu mỏ và động cơ đốt trong mang lại đã làm giấy lên một cuộc cách mạng muốn chiếm ưu thế và chủ động về nguồn dầu mỏ đặc biệt

là các nước phát triển như Mỹ, Nga, Anh …; Cuộc khủng hoảng năng lượng vào thập kỷ

70 của thế kỷ 20 đã một lần nữa khẳng định tầm quan trọng chiến lược dầu mỏ đối với mỗi quốc gia và cho toàn thế giới

Đi đôi với việc tốc độ phát triển của nền kinh tế thế giới thì nhu cầu sử dụng năng lượng cũng không ngừng tăng lên đặc biệt là nhu cầu về năng lượng dầu mỏ Trong khi

đó, trữ lượng của nguồn năng lượng dầu mỏ ngày một giảm đi theo thời gian và theo ước tính của các nhà nghiên cứu nguồn năng lượng này sẽ cạn kiệt trong vòng 40÷50 tới [2]

Hình 1.1.Trữ lượng dầu mỏ và số năm có thể khai thác thêm tính từ năm 2008

Hình 1.2 Nhu cầu sử dụng nhiên liệu hóa thạch đến năm 2025

1.2 Ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong

Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và có ảnh hưởng xấu đến con người và các sinh vật Hàng năm con người khai thác và sử dụng hàng tỷ tấn than đá, dầu mỏ, khí đốt Đồng thời cũng thải vào môi trường một khối lượng lớn các chất thải khác nhau như: chất thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy và xí nghiệp làm cho hàm lượng các loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng Do đó, ô nhiễm môi trường từ lâu đã trở thành vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ không riêng một quốc gia nào và cần được giải quyết xử lý cấp bách để tránh tình trạng ngày một xấu đi

Theo định nghĩa của các nhà khoa học “Ô nhiễm không khí là sự có mặt một chất lạ hoặc một sự biến đổi quan trọng trong thành phần không khí, làm cho không khí không sạch hoặc gây

sự toả mùi, có mùi khó chịu, giảm tầm nhìn xa (do bụi)”

Sau đây là số liệu thống kê hàng năm khối lượng các chất thải có: 20 tỷ tấn cacbon điôxít, 1,53 triệu tấn SiO2, Hơn 1 triệu tấn niken, 700 triệu tấn bụi, 1,5 triệu tấn asen, 900 tấn coban, 600.000 tấn kẽm (Zn), thuỷ ngân (Hg), hơi chì (Pb) và các chất độc hại khác Ô nhiễm môi trường không khí tạo nên sự ngột ngạt và "sương mù", gây nhiều bệnh tật ở người

Nó còn tạo ra mưa axít làm huỷ diệt rừng và các cánh đồng Điều đáng lo ngại nhất là con người thải vào không khí các loại khí độc như: CO2, NOX, CH4, CFC gây hiệu ứng nhà

kính Theo nghiên cứu, chất khí quan trọng gây hiệu ứng nhà kính là CO2, nó đóng góp

50% vào việc gây hiệu ứng nhà kính, CH4 là 13%, ozon tầng đối lưu là 7%, nitơ 5%, CFC

là 22%, hơi nước ở tầng bình lưu là 3%

Nếu như chúng ta không ngăn chặn được hiện tượng hiệu ứng nhà kính thì trong vòng 30 năm tới mặt nước biển sẽ dâng lên từ 1,5 – 3,5 m (Stepplan Keckes) Nhiệt độ trung bình của Trái Đất sẽ tăng khoảng 3,60°C (G.I.Plass), và mỗi thập kỷ sẽ tăng 0,30°C

Theo các tài liệu khí hậu quốc tế, trong vòng hơn 130 năm qua nhiệt độ Trái Đất tăng 0,40°C Tại hội nghị khí hậu tại Châu Âu được tổ chức gần đây, các nhà khí hậu học trên thế giới đã đưa ra dự báo rằng đến năm 2050 nhiệt độ của Trái Đất sẽ tăng thêm 1,5 – 4,50°C nếu con người không có biện pháp hữu hiệu để khắc phục hiện tượng hiệu ứng nhà kính

Một hậu quả nữa của ô nhiễm khí quyển là hiện tượng thủng tầng ôzôn gây hậu quả xấu cho sức khoẻ của con người và các sinh vật sống trên mặt đất Có hai nguồn gây ra ô nhiễm không khí do thiên nhiên là: cháy rừng, núi lửa, bão cát…; và do nhân tạo: quá trình đốt nhiên liệu (trong đó động cơ đốt trong chiếm một tỉ lệ cao), bốc hơi rò rỉ và thất thoát

Với những lý do về sự cạn kiệt và ô nhiễm khí thải do nhiên liệu truyền thống gây ra thì việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới có khả năng thay thế để giảm sức ép cho năng lượng dầu mỏ rất và cải thiện chất lượng khí thải rất được các nhà nghiên cứu quan tâm

2 Một số nhiên liệu mới thay thế nhiên liệu truyền thống

2.1 Ethanol

2.1.1 Đặc tính lý hóa của ethanol

Cồn (Ethanol) có công thức phân tử là C2H5OH và có công thức cấu tạo như hình 2.1 và cấu trúc phân tử như hình 2.2

Hình 2.1 Công thức cấu tạo của Cồn Hình 2.2 Cấu trúc phân tử của Cồn

Hỗn hợp xăng-Ethanol được kí hiệu bằng chữ E đầu và số đứng sau là phần trăm Ethanol trong hỗn hợp, ví dụ: E20 là hỗn hợp với 80% xăng và 20% Ethanol

Ethanol có công thức phân tử là C2H5OH (CH3CH2(OH)) Sở dĩ ethanol có thể sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế cho xăng truyền thống vì bản thân ethanol có các đặc tính lý hóa gần tương đồng với xăng (bảng 2.1)

Bảng 2.1 Đặc tính lý hóa của ethanol

Đặc tính lý hóa Diesel Xăng Ethanol 95% Methanol

95%

Khối lượng không khí cần thiết để đốt

cháy lượng nhiên liệu (g không khí/g

nhiên liệu)

Lượng nhiên liệu cần thiết ứng với 1

đơn vị không khí (g không khí/ g nhiên

liệu)

Thành phần hóa học % H

% C

% O

2.1.2 Nhiệt trị

Nhiệt trị thấp của xăng cao hơn Ethanol 1,59 lần, điều này làm cho động cơ sử dụng Ethanol tiêu hao nhiên liệu hơn so với sử dụng xăng

Nhiệt trị của hỗn hợp xăng- Ethanol phụ thuộc vào tỷ lệ Ethanol trong hỗn hợp Công thức tính nhiệt trị hỗn hợp xăng- Ethanol như sau:

QH = 26805.k + (1-k).42690 (KJ/Kg)

Trong đó: k là tỷ lệ Ethanol trong hỗn hợp

2.1.3 Tính bay hơi

Tính bay hơi của nhiên liệu ảnh hưởng lớn đến tính năng hoạt động của động cơ Tính bay hơi của Ethanol ở nhiệt độ thấp kém hơn xăng, tính năng này ảnh hưởng lớn đến khả năng khởi động của động cơ, chế độ khởi động lạnh rất khó khăn Tính bay hơi hết của Ethanol cao hơn xăng, ở nhiệt độ 78oC Ethanol bay hơi hết, còn đối với xăng để bay hơi hết nhiệt độ phải lớn hơn 190oC Động cơ xăng dùng hỗn hợp xăng- Ethanol với tỷ lệ Ethanol thấp sẽ ảnh hưởng đến khả năng khởi động lạnh của động cơ Khỉ tỷ lệ Ethanol trong hỗn hợp Ethanol cao 80% và 90% nhiệt độ bắt đầu bay hơi của hỗn hợp

xăng-Ethanol này là 50oC đến 60oC, điều này gây khó khăn cho động cơ khi khởi động lạnh Khi nhiệt độ tăng đến 78oC hỗn hợp xăng-Ethanol có tỷ lệ Ethanol thấp

2.1.4 Trị số Octance

Ethanol có trị số RON 106 do vậy tỷ số nén của động cơ sử dụng Ethanol đạt giới hạn cao hơn so với xăng Hỗn hợp xăng- Ethanol có trị số Octane cao hơn xăng thông thường và trị số này phụ thuộc vào tỷ lệ Ethanol trong hỗn hợp.Như vậy, sử dụng hỗn hợp xăng- Ethanol đảm bảo được vấn đề chống kích nổ cho động cơ đánh lửa cưỡng bức

2.1.5 Khả năng thay thế của ethanol cho nhiên liệu truyền thống

Trong Ethanol có chứa cả Oxy (trong dầu mỏ hầu như không có chứa Oxy) mà tỷ lệ

% của O2 sẽ giảm khi số lượng nguyên tử C cảng tăng.Tức là nhiên liệu chứa O2 thì làm nhiệt trị giảm nhưng mà lượng không khí lý thuyết đốt cháy nhiện liệu ít đi so với lượng không khí lý thuyết khi dùng nhiên liệu dầu mỏ.Cho nên tỷ lệ % O2 càng nhiều thì lượng không khí lý thuyết cảng nhỏ.Điều này dẫn đến nhiệt trị hỗn hợp của Ethanol với không khí gần bằng nhiệt trị hỗn hợp của dầu mỏ với không khí.Nhiệt trị hỗn hợp là rất quan trọng khi xét đến việc sử dụng Ethanol làm nhiên liệu đốt trong.Đặc điểm này nó đảm bảo khi dùng Ethanol cho động cơ đốt trong

2.1.6 Khả năng thay thế của ethanol cho xăng

Nhiệt trị khối lượng của Ethanol nhỏ hơn xăng và dầu diesel khoảng 1,64 lần Nhưng nhiệt trị của hỗn hợp Ethanol + xăng + không khí chỉ nhỏ hơn nhiệt trị của hỗn hợp xăng + không khí khoảng 5% (do lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1 kg Ethanol

ít hơn xăng khoảng 38%) Vậy xét khi hệ số dư lượng không khí như nhau thì khi dùng Ethanol làm nhiên liệu động cơ giảm công suất rất ít

Chỉ số RON của Ethanol là 106, lớn hơn xăng A92, A95 rất nhiều Trước đây người ta dùng xăng pha chì để tăng tính chống kích nổ cho động cơ, nhưng công nghệ này gây độc hại rất lớn đối với môi trường Thực nghiệm cho thấy, cứ pha thêm mỗi 7% Ethanol vào xăng thì tăng tỷ số RON lên 1,2 đơn vị Như vậy khả năng chống kích nổ khi sử dụng hỗn hợp xăng-Ethanol là một ưu điểm nổi bật khi sử dụng hỗn hợp này

Tuy nhiên nếu sử dụng Ethanol pha trực tiếp vào xăng thì khi tồn trữ lâu ngày sẽ sinh ra hiện tượng đóng nhựa trong bồn xăng, do vậy khi sử dụng hỗn hợp này trên xe máy cần

có những cải tiến phù hợp đối với hệ thống nhiên liệu

2.1.7 Khả năng thay thế của ethanol cho diezel

Vấn đề dùng Ethanol trên động cơ diesel chưa được quan tâm nhiều so với trên động

cơ xăng.Chỉ số cetan (khả năng bốc cháy của nhiên liệu) và độ nhớt của Ethanol rất thấp, không thể đốt cháy Ethanol bằng phương pháp tự bốc cháy trong động cơ diesel.Nhưng nếu xét về tính kinh tế nhiên liệu, động cơ diesel cao hơn động cơ xăng Mặt khác, dùng Ethanol thay dầu diesel sẽ góp phần làm ô nhiễm môi trường do thành phần khí thải như

HC, CO, độ khói đen đều thấp hơn so với dùng dầu diesel

Hiện người ta đã thử nghiệm và sử dụng Ethanol trên động cơ chạy diesel bằng các phương án như:

-Kết hợp Ethanol với dầu thực vật bằng cách tạo este dầu thưc vật để cho loại nhiên liệu này có tính chất lý hóa gần như dầu diesel

-Dùng chất phụ gia procetane để làm cho chỉ số cetan của nó xấp xỉ của dầu diesel

-Công nghệ hơi đặc biệt để đốt cháy dễ dàng Ethanol trong buồng cháy động cơ diesel

2.2 Biogas

Biogas là nguồn năng lượng tái sinh Nó được dung để chỉ khí sinh học được sản xuất từ sự phân hủy cá chất hữu cơ như các chất thải có nguồn gốc từ động vật và thực vật biogas có thành phần cơ bản là methane và khí cacbonic

Thành phần khí biogas thay đổi theo nguồn gốc quá trình phân hủy khí Biogas từ bãi chôn lấp rác có thành phần methane khoảng 50%.Với công nghệ xử lí rác hiện đại, thành phần biogas có thể đạt 55-57% CH4

Bảng 2.2 Các thành phần của Biogas

2.3 Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ( Liquefied Petroleum Gas )

LPG là khí thu được từ quá trình chế biến dầu được hóa lỏng Thành phần hóa học chủ yếu của khí hóa lỏng LPG hỗn hợp gồm Propane C3H8 và Butane C4H10 được nén theo

tỷ lệ % Propane / %Butane

Trong thực tế, thành phần hỗn hợp các chất có trong khí hóa lỏng LPG không thống nhất Tùy theo tiêu chuẩn của các nước, của các khu vực mà tỉ lệ thành phần trong LPG khác nhau, có khi tỉ lệ giữa Propane và Butane là 50/50 hay 30/70 hoặc có thể lên đến 95/5 như tiêu chuẩn của HD-5 của Mỹ

Ngoài ra, tùy thuộc vào phương pháp chế biến mà trong thành phần của nó còn có thể có mặt một lượng nhỏ olefin nhu propylen, butylen.LPG được phát hiện và sử dụng từ những năm đầu thế kỷ 19, đến những năm 50 của thế kỷ 20 Ngày nay, LPG được sử dụng thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống như than, củi điện… Việc sử dụng sản phẩm này mang đến nhiều ưu điểm thiết thực như chất lượng sản phẩm đồng đều, tiện lợi

và tiết kiệm

Do thành phần chủ yếu của LPG là Propane và Butane nên tính chất của LPG chính

là tính chất của Propane và Butane LPG có dạng lỏng không màu (trong suốt), không mùi (nhưng được tạo mùi để dễ phát hiện khi có sự cố rò rỉ), nhiệt lượng rất lớn, nhiệt độ ngọn lửa cao (1.890 đến 1.9350C), tỉ trọng nhẹ hơn nước: 0.53 đến 0.58kg/lít

Bảng 2.3 Thành phần các chất chủ yếu có trong LPG

2.4 Khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên được phát hiện từ rất sớm và được khai thác từ các hầm túi khí nằm sâu trong lòng đất vào đầu thế kỷ 19.Chúng là nguồn năng lượng sạch có trữ lượng lớn được cung

cấp ổn định và hiệu quả kinh tế cao.Này nay, khí thiên nhiên đã và đang nghiên cứu ứng dụng làm nguồn nhiên liệu trong động cơ đốt trong

Khí thiên nhiên dung làm nhiên liệu cho động cơ 4 kỳ dưới dạng thể khí như động cơ dung nhiên liệu LPG hoặc kế hợp với xăng 10% đến 20% nhằm nâng cao hiệu quả quá trình cháy và giảm thành phần khí ô nhiễm phát ra từ động cơ Giữa khí thiên nhiên và xăng có một số điểm khác biệt về nhiệt độ bốc cháy, nhiệt độ đoạn nhiệt, chỉ số octan, độ nhớt, khả năng dự trữ trên oto dung CNG cần thay đổi một số bộ phận như bình chưa nhiên liệu, khung gầm, vật liệu chế tạo chi tiết động cơ

Trong mọi trường hợp, mức độ phát HC gần với giá trị cho phép của luật bảo vệ môi trường, mức độ phát CO, NOx và bồ hóng rất thấp nếu động cơ làm việc với =1 và có lắp bộ xúc tác 3 chức năng Nồng độ này sẽ cao hơn giới hạn cho phép nếu dung hỗn hợp nghèo

Động cơ dung CNG phát thải nhiều khí methane (khoảng 90%) nhưng ít CO2 so với nhiên liệu lỏng.Trong khí thải CNG, các chất khí CH4, CO2, N2O (gây hiệu ừng nhà kính) thấp hơn 20% so với động cơ xăng và 5% đối với động cơ dầu diesel

Ưu điểm của động cơ dung CNG là giảm thiểu lượng ô nhiễm Khi so sánh với ô tô cùng loại dung xăng, chất ô nhiễm của loại ô tô này có thể giảm 93% lượng CO thải ra, 33% lượng OxitNitrogen và 50% lượng HydroCacbon

2.5 Biodiezel

Biodiesel còn được gọi Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật Biodiesel, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại năng lượng sạch Mặt khác chúng không độc và dể phân giải trong tự nhiên

-Bản chất của Biodiesel là sản phẩm Ester hóa giữa methanol hoặc ethanol và acid béo tự

do trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật

-Tùy thuộc vào loại dầu và loại rượu sử dụng mà alkyl Ester có tên khác nhau:

*Nếu đi từ dầu cây đậu nành (soybean) và Methanol thì ta thu được SME (soy methyl Esters) Đây là loại Esters thông dụng nhất được sử dụng tại Mỹ

*Nếu đi từ dầu cây cải dầu (rapeseed) và Methanol thì ta thu được RME (rapeseed methyl Esters) Đây là loại Esters thông dụng nhất được sửdụng ở châu Âu

-Theo tiêu chuẩn ASTM thì Biodiesel được định nghĩa: “là các mono alkyl Ester của các acid mạch dài có nguồn gốc từ các lipit có thể tái tạo lại như:dầu thực vật, mỡ động vật, được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel”

-Biodiesel bắt đầu được sản xuất khoảng giữa năm 1800, trong thời điểm đó người

ta chuyển hóa dầu thực vật để thu Glycerol ứng dụng làm xà phòng và thu được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl Ester gọi chung là Biodiessel

Ưu nhược điểm của nhiên liệu Biodiesel

Ngoại trừ năng lượng thuỷ điện và năng lượng hạt nhân, phần lớn năng lượng trên thế giới đều tiêu tốn nguồn dầu mỏ, than đá và khí tự nhiên.Tất cả các nguồn này đều có hạn và với tốc độ sử dụng chúng như hiện nay thì sẽ bị cạn kiệt hoàn toàn vào cuối thế kỷ

21 Sự cạn kiệt của nguồn dầu mỏ thế giới và sự quan tâm về môi trường ngày càng tăng

đã dẫn đến sự nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng có nguồn gốc dầu mỏ Biodiesel là một sự thay thế đầy tiềm năng cho diesel dựa vào những tính chất tương tự và những ưu điểm vượt trội của nó

- Sử dụng nhiên liệu Biodiesel ngoài vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trường nó còn thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành nông nghiệp như dầu phế thải, mỡ động vật, các loại dầu khác ít có giá trị sử dụng trong thực phẩm

- Đồng thời đa dạng hoá nền nông nghiệp và tăng thu nhập ở vùng miền nông thôn

- Hạn chế nhập khẩu nhiên liệu Diesel, góp phần tiết kiệm cho quốc gia một khoảng ngoại tệ lớn

- Biodiesel có nhiệt độ đông đặc cao hơn Diesel một ít gây khó khăn cho các nước

có nhiệt độ vào mùa đông thấp Tuy nhiên đối với các nước nhiệt đới, như Việt Nam chẳng hạn thì ảnh hưởng này không đáng kể

- Biodisel có nhiệt trị thấp hơn so với diesel

- Do có tính năng tượng tự như dầu Diesel nên nhìn chung khi sử dụng không cần cải thiện bất kì chi tiết nào của động cơ (riêng đối với các hệ thống ống dẫn, bồn chứa làm bằng nhựa ta phải thay bằng vật liệu kim loại)

- Biodisel rất linh động có thể trộn với diesel theo bất kì tỉ lệ nào

- Biodiesel có điểm chớp cháy cao hơn diesel, đốt cháy hoàn toàn, an toàn trong bồn chứa và sử dụng