Tổng quan về nhiên liệu sinh học

Như chúng ta đã biết, trên thế giới hiện nay nhu cầu sử dụng tới nguồn năng lượng ngày càng lớn. Năng lượng cần thiết cho tất cả các ngành, các lĩnh vực trong đời sống của xã hội. Cùng với sự phát triển ngày càng lớn mạnh của các ngành công nghiệp đòi hỏi phải một nguồn năng lượng khổng lồ để đáp ứng cho nhu cầu đó. Vậy nguồn năng lượng đó lấy từ đâu ra trong khi ngày nay con người vẫn phụ thuộc chủ yếu vào nguồn năng lượng hóa thạch, một nguồn năng lượng đã ngày càng cạn kiệt trước nhu cầu khai thác quá lớn của con người. Theo thống kê hiện nay nguồn năng lượng hóa thạch cung cấp tới 85% tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu. Bên cạnh đó, việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch đã tạo ra một lượng lớn các loại khí phác thải gây ra hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu, gây ra những ảnh hưởng tiêu cực tối môi trường sống của con người trên toàn thế giới. Hơn 150 năm qua, ước chừng 245 tỷ tấn carbon dưới dạng carbon dioxide đã được thải ra không khí bằng việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch. Lượng khí này là nguyên nhân chủ yếu gây lên sự nóng lên của trái đất chúng ta. Vì vậy yêu cầu đặt ra đối với con người là phải tìm ra những nguồn năng lượng thay thế những nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, một mặt chúng phải thể hiện là một những loại nhiên liệu thân thiện với môi trường sống con người. Hiện nay, việc nghiên cứu, thăm dò tập trung chủ yếu vào ba lĩnh vực: năng lượng có nguồn gốc từ bức xạ mặt trời, năng lượng địa nhiệt và năng lượng hạt nhân. Trong đó thủy điện, năng lượng mặt trời (sử dụng dưới dạng nhiệt và điện), năng lượng gió (sử dụng trực tiếp sức gió và dưới dạng phong điện), năng lượng từ sinh vật (bao gồm các loại củi, gỗ và khí khi phân hủy các chất hữu cơ, gọi chung là nhiên liệu sinh học biofuel) được coi là các dạng năng lượng có thể tái tạo. Hiện nay việc khai thác sử dụng các nguồn năng lượng như năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân, đang là một thách thức lớn với một nước đang phát triển như Việt Nam do yêu cầu cao về khoa học công nghệ ,và một nguồn vốn rất lớn…Do vậy việc nghiên cứu khai thác ứng dụng nguồn nhiên liệu sinh học đang là một ưu tiên lớn của các nhà khoa học nước ta. Thấy rõ tầm quan trọng của nguồn nhiên liệu sinh học đối với cuộc sống như vậy, trong bài khóa luận này em xin trình bày những hiểu biết của mình về nhiên liệu sinh học. Đưa ra những cái nhìn tổng quát về nguồn nhiên liệu này, đánh giá những xu thế phát triển của thế giới cũng như ở Việt Nam hiện nay. Đi sâu tập trung tìm hiểu về một số phương pháp chính ở Việt Nam hiện nay để nghiên cứu sản xuất ứng dụng nguồn nhiên liệu sinh học vào trong cuộc sống. Để hoàn thành bài khóa luận này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Hóa.

MỤC LỤC

Mở đầu………

I. Vài nét tổng quát về một số nguồn năng lượng………

I.1 Nguồn năng lượng hóa thạch………

1.1.1 Than đá………

1.1.2 Dầu mỏ và khí thiên nhiên………

1.2 Nguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo………

1.3 Thực trạng về nhu cầu năng lượng………

1.4 Tính cấp thiết việc phát triển nguồn năng lượng sinh học ở Việt Nam II. Nhiên liệu sinh học (biofuel)………

II.1 Định nghĩa và phân loại………

II.2 Ưu nhược điểm của nhiên liệu sinh học………

II.3 Ứng dụng của nhiên liệu sinh học………

III. Một số phương pháp sản xuất nhiên liệu sinh học………

III.1.Sản xuất etanol ………

III.2.Sản xuất metanol………

III.3.Sản xuất diezel sinh học………

III.4.Sản xuất dimetyl ete………

Kết luận………

Tài liệu tham khảo………

Lời mở đầu

Như chúng ta đã biết, trên thế giới hiện nay nhu cầu sử dụng tới nguồn nănglượng ngày càng lớn Năng lượng cần thiết cho tất cả các ngành, các lĩnh vực trongđời sống của xã hội Cùng với sự phát triển ngày càng lớn mạnh của các ngànhcông nghiệp đòi hỏi phải một nguồn năng lượng khổng lồ để đáp ứng cho nhu cầu

đó Vậy nguồn năng lượng đó lấy từ đâu ra trong khi ngày nay con người vẫn phụthuộc chủ yếu vào nguồn năng lượng hóa thạch, một nguồn năng lượng đã ngàycàng cạn kiệt trước nhu cầu khai thác quá lớn của con người

Theo thống kê hiện nay nguồn năng lượng hóa thạch cung cấp tới 85% tổngnăng lượng tiêu thụ toàn cầu Bên cạnh đó, việc sử dụng nguồn năng lượng hóathạch đã tạo ra một lượng lớn các loại khí phác thải gây ra hiện tượng biến đổi khíhậu toàn cầu, gây ra những ảnh hưởng tiêu cực tối môi trường sống của con ngườitrên toàn thế giới Hơn 150 năm qua, ước chừng 245 tỷ tấn carbon dưới dạngcarbon dioxide đã được thải ra không khí bằng việc đốt cháy các nhiên liệu hóathạch Lượng khí này là nguyên nhân chủ yếu gây lên sự nóng lên của trái đấtchúng ta Vì vậy yêu cầu đặt ra đối với con người là phải tìm ra những nguồn nănglượng thay thế những nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, một mặtchúng phải thể hiện là một những loại nhiên liệu thân thiện với môi trường sốngcon người Hiện nay, việc nghiên cứu, thăm dò tập trung chủ yếu vào ba lĩnh vực:năng lượng có nguồn gốc từ bức xạ mặt trời, năng lượng địa nhiệt và năng lượnghạt nhân Trong đó thủy điện, năng lượng mặt trời (sử dụng dưới dạng nhiệt vàđiện), năng lượng gió (sử dụng trực tiếp sức gió và dưới dạng phong điện), nănglượng từ sinh vật (bao gồm các loại củi, gỗ và khí khi phân hủy các chất hữu cơ,

gọi chung là nhiên liệu sinh học - biofuel) được coi là các dạng năng lượng có thểtái tạo.

Hiện nay việc khai thác sử dụng các nguồn năng lượng như năng lượng mặttrời, năng lượng hạt nhân, đang là một thách thức lớn với một nước đang phát triểnnhư Việt Nam do yêu cầu cao về khoa học công nghệ ,và một nguồn vốn rất lớn…

Do vậy việc nghiên cứu khai thác ứng dụng nguồn nhiên liệu sinh học đang là một

ưu tiên lớn của các nhà khoa học nước ta

Thấy rõ tầm quan trọng của nguồn nhiên liệu sinh học đối với cuộc sống nhưvậy, trong bài khóa luận này em xin trình bày những hiểu biết của mình về nhiênliệu sinh học Đưa ra những cái nhìn tổng quát về nguồn nhiên liệu này, đánh giánhững xu thế phát triển của thế giới cũng như ở Việt Nam hiện nay Đi sâu tậptrung tìm hiểu về một số phương pháp chính ở Việt Nam hiện nay để nghiên cứusản xuất ứng dụng nguồn nhiên liệu sinh học vào trong cuộc sống

Để hoàn thành bài khóa luận này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡhướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Hóa

I VÀI NÉT TỔNG QUÁT VỀ MỘT SỐ NGUỒN NĂNG LƯỢNG

1.1 Nguồn năng lượng hóa thạch

Nguồn năng lượng hóa thạch là các nguồn năng lượng được tạo ra từ cácnguồn nhiên liệu hóa thạch khai thác trực tiếp từ vỏ trái đất, nguồn nhiêu liệu nàyđược hình thành cùng với sự hình thành của vỏ trái đất (than đá, dầu mỏ, khíđốt…) Do vậy chúng được xếp vào nguồn nhiêu liệu không tái tạo Đây là nguồnnhiêu liệu cung cấp năng lượng chủ yếu cho nhu cầu của thế giới chiếm tới 85%tổng nhu cầu nhiên liệu của toàn cầu

1.1.1 Than đá

Theo khảo sát trữ lượng than đá thế giới được đánh giá là 23.000 tỷ tấn,trong đó khoảng 30% tập trung ở Liên Xô (cũ), Mỹ và Trung Quốc Các nước cótrữ lượng than đá lớn hơn 20 tỉ tấn là: Liên Xô (4.122 tỉ tấn), Mỹ (1.100 tỉ tấn),Trung Quốc (1.011 tỉ tấn), Đức (70 tỉ tấn), Canađa (61 tỉ tấn), Ba Lan (46 tỉ tấn),Nam Phi (26 tỉ tấn), Nhật Bản (20 tỉ tấn) Với nhịp độ khai thác hiện nay thì việckhai thác than đá có thể tiếp tục chừng 250 năm nữa

Ở Việt Nam trữ lượng than đá vào khoảng 3,8 tỉ tấn tập trung chủ yếu ởQuảng Ninh và các tỉnh đồng bằng sông Hồng…với sản lượng khai thác hiện nay

từ 15 đến 20 triệu tấn mỗi năm Là một nước xuất khẩu than, nhưng Việt Namđang đứng trước nguy cơ phải nhập than trong một vài thập kỉ tới

Từ đầu thế kỷ XX, cơ cấu thành phần nhiên liệu sử dụng có sự thay đổi lớn

Tỷ lệ dùng than đá, dầu mỏ và khí đốt tăng cao

Song đối với từng khu vực và từng quốc gia, cơ cấu năng lượng sử dụng phụthuộc vào trình độ phát triển của nền kinh tế - xã hội của mỗi nước.,

Tuy nhiên trong thời gian qua, xu hướng sử dụng năng lượng từ than đá có

sự giảm sút rõ rệt vì dầu mỏ và khí đốt được khai thác ngày càng nhiều nên giá thành hạ Gần đây, một xu hướng mới lại xuất hiện ở nhiều nước, trước tình hình nguồn dầu mỏ và khí đốt thiếu hụt, giá tăng nhanh Người ta đang quay trở lại sử dụng than đá, đồng thời cải tiến kỹ thuật đốt than để dễ diều khiển quá trình cháy

và giảm thiểu ô nhiễm môi trường

1.1.2 Dầu mỏ và khí thiên nhiên

Trữ lượng dầu mỏ toàn cầu khoảng 74,9 tỉ tấn và với mức độ khai thác nhưhiện nay thì trong khoảng 30 đến 40 năm nữa lượng dầu mỏ sẽ cạn dần

Trữ lượng khí đốt thiên nhiên là vào khoảng 72,9 ngàn m3, khí thiên nhiêncũng là nguồn nhiêu liệu quan trọng chỉ đứng sau dầu mỏ nên nguồn nhiên liệu nàycũng đang được khai thác với sản lượng lớn cũng đang đứng trước nguy cơ cạnkiệt

Sản lượng khai thác dầu mỏ và khí thiên nhiên ước chừng đạt khoảng 16triệu tấn một năm Nói chung sản xuất dầu mỏ và khí thiên nhiên của Việt Namvẫn còn tiềm năng lớn Song nó vẫn chưa phát triển kịp so với tốc tộc gia tăng nhucầu tiêu thụ năng lượng của nền kinh tế

1.2 Năng lượng mới và năng lượng tái tạo

Các nguồn năng lượng mới là các nguồn năng lượng mới được nghiên cứu

và ứng dụng trong những thập kỉ gần đây Chủ yếu là các nguồn năng lượng nhưnăng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, thủy điện…Hiện nay tỉtrọng đóng góp của các nguồn năng lượng này cho nhu cầu năng lượng toàn cầu

khoảng 15% Tuy nhiên một khó khăn mà chúng ta đang gặp phải trong quá trìnhkhai thác các nguồn năng lượng này là cần một nền tảng khoa học công nghệ cao,yêu cầu đầu tư lớn, do đó nó mới chỉ phát triển ở những nước có nền khoa họccông nghệ phát triển, vì vậy việc khai thác các nguồn năng lượng này ở nhữngnước đang phát triển như Việt Nam là rất khó khăn Mặt khác những thảm họa xảy

ra đối với các nhà máy điện sử dụng năng lượng hạt nhân đang đặt ra những tranhcãi xung quanh việc có nên tiếp tục sử dụng nguồn năng lượng này hay không?

Bên cạnh đó một trong những nguồn năng lượng mới đang thu hút được rấtnhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới đó là nguồn nhiêu liệu sinhhọc – biofuel ( bao gồm các nguồn năng lượng bắt nguồn từ sinh vật) và có thể táitạo được Đây là một nguồn năng lượng có nhiều lợi ngoài những lợi ích kinh tế thìchúng được coi là những nguồn năng lượng xanh, thân thiện với môi trường

1.3 Thực trạng và nhu cầu về năng lượng

Dân số thế giới sẽ tăng từ con số hiện tại, khoảng 7 tỉ người lên tới 9 tỉ ngườivào năm 2050 Mức độ phồn thịnh trung bình toàn cầu sẽ ngày càng cao hơn Càngnhiều người và mức sống càng cao hơn có nghĩa là sẽ không tránh khỏi sử dụngnăng lượng nhiều hơn Các nước đang phát triển hiện đang cần nhiều năng lượnghơn bao giờ hết để đáp ứng yêu cầu tăng cao mức sống Theo một số kịch bản, thìvào năm 2050 mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu sẽ tăng gấp đôi, nhưng điều này

15-20% còn lại Trong đó, thực tế năng lượng tái tạo (thủy điện, gió và sinh họctruyền thống như gỗ, chất thải nông nghiệp) chỉ chiếm 10%.

Tỷ lệ tăng sử dụng năng lượng trung bình hàng năm trên thế giới hiện nay làkhoảng 1,5 - 2,0% Điều này có nghĩa là khối lượng dầu mỏ khai thác phải tăng lênthêm hàng ngày là 1,5 triệu thùng Ngành dầu mỏ toàn cầu sẽ phải hoạt động hếtcông suất, đồng thời phải luôn tìm kiếm cơ hội đầu tư thêm và việc mở mỏ mới để

bù đắp lại các thất thoát tự nhiên ở các khai trường (tổng mức thất thoát như vậyđôi khi lên tới 4 - 5%/ năm, tương ứng khối lượng dầu khai thác 3,5 triệu thùng/ngày) Trong 5 năm tới ngành dầu mỏ toàn cầu sẽ phải tăng thêm công suất tươngứng với mức khai thác 28,5 triệu thùng/ ngày

Vào thời điểm hiện nay, ngành năng lượng thế giới đang đứng trước banhiệm vụ:

* Tăng sản lượng năng lượng hóa thạch và các loại năng lượng khác Vàonăm 2050, nhu cầu năng lượng sẽ tương đương 400 thùng dầu/ ngày (một nửa số

đó là năng lượng hóa thạch)

* Phải quan tâm phát triển đồng thời các nguồn năng lượng

* Giảm thải tác hại gây ô nhiễm môi trường do khai thác và sử dụng nănglượng hóa thạch, đồng thời giảm tác nhân gây tăng hiệu ứng nhà kính để bảo vệmôi trường

Trữ lượng dầu mỏ thế giới còn khoảng 1.200 tỷ thùng, khai thác với tốc độhiện tại còn độ khoảng 30-35 năm nữa Trữ lượng than đá còn khá lớn (tuy ngàycàng khó khai thác) nhưng cũng còn khai thác được 250 năm nữa Nguy cơ thế giới

sẽ thiếu năng lượng đang trở thành sự thật hiển nhiên Năng lượng hạt nhân, nănglượng tái tạo (thủy điện, sinh học) sẽ đóng vai trò ngày càng lớn Năng lượng táitạo nguồn gốc sinh học có một ý nghĩa nhất định nhưng chúng ta không thể đốtcháy giai đoạn Cần phải có thời gian phát triển, thời gian đó có thể là 10 - 20 nămnữa.

1.4 Tính cấp thiết việc phát triển nguồn năng lượng sinh học ở Việt Nam

Để đạt mục tiêu đến năm 2020 nước ta cơ bản trở thành nước công nghiệpthì việc thiết yếu đầu tiên chúng ta phải nghĩ đến là việc cung cấp đủ nguồn nănglượng cho quá trình phát triển kinh tế cũng như nhu cầu sử dụng của người dân.Bên cạnh các nguồn năng lượng truyền thống là các nguồn năng lượng hóa thạchthì chính phủ đang đưa ra những chính sách nhằm khuyến khích phát triển tìm ranhiều nguồn nhiên liệu mới phục vụ cho nhu cầu của nền kinh tế

Theo đánh giá của ngành năng lượng Việt Nam thì Việt Nam đang đứngtrước nhiều thách thức trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đó là:

Thứ nhất, để đạt được chỉ tiêu tăng trưởng kinh tế, từ nay tới năm 2020,

cung cấp năng lượng của Việt Nam sẽ cần phải tăng nhanh hơn GDP là 30%, trong

đó điện phải tăng nhanh hơn 70% Để đạt được tốc độ tăng trưởng đó, cung cấpnăng lượng phải có hiệu quả - từ năm 2010 phải tiết kiệm được 2788 MW, tức làmột nửa công suất lắp đặt hiện nay và điều này có thể thực hiện thông qua cácchương trình giảm tổn thất và quản lý cầu Năng lượng phải được phân bố đều hơn,hiện 80% dân số ở vùng nông thôn và mức tiêu thụ của họ chỉ chiếm 14% lượngđiện được cung ứng

Thứ hai, mặc dù Việt Nam còn giàu tài nguyên thiên nhiên, nhưng các

nguồn tài chính vẫn là là hạn chế về trữ lượng, đòi hỏi phải lập kế hoạch sử dụngmột cách thận trọng trong lĩnh vực năng lượng

Thứ ba, Việt Nam phải đầu tư khoảng từ 5,3 - 5,5% GDP (gấp đôi mức các

nước láng giềng Đông Nam Á khác) vào cơ sở hạ tầng thiết yếu cho năng lượng.Hơn nữa, mức và cơ cấu giá năng lượng phải được thay đổi để giải tỏa bớt nhữngsức ép tài chính ngắn hạn và đảm bảo hiệu quả lâu dài trong các quyết định đầu tư

và sử dụng tài nguyên

Thứ tư, thu hút đầu tư nước ngoài đòi hỏi phải tạo ra được môi trường kinh

doanh thuận lợi, bao gồm cả khuôn khổ pháp lý có tính hỗ trợ

Hiện nay việc đầu tư để phát triển nguồn năng lượng mới cần sự đầu tư lớn

về khoa học công nghệ và nguồn vốn lớn vẫn là một khó khăn mà một nước đangphát triển như nước ta gặp phải, vì vậy việc hướng sự quan tâm của mình sangnhững nguồn năng lượng tiềm năng như nhiên liệu sinh học để có thể đáp ứng mộtphần nhiên liệu cho quá trình phát triển của đất nước

Để giúp ngành năng lượng Việt Nam giải quyết tốt những mục tiêu của mìnhđặt ra nhà nước đã có những chính sách cụ thể để khuyến khích hỗ trợ sự phát triển

đó Trong đó phải kể đến quyết định của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt đề ánphát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015 và tầm nhìn đến năm 2025 nhằm mục

tiêu:“phát triển nhiên liệu sinh học , một dạng năng lượng mới, tái tạo được để

thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường”.

- Mục tiêu tổng quát của đề án là nhằm phát triển NLSH thay thế một phầnnhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ

môi trường Đề án cũng đã đưa ra các mục tiêu cụ thể cho từng giai đoạn, cácnhiệm vụ chủ yếu và các giải pháp chính thực hiện đề án

- Mục tiêu cụ thể: Đến năm 2010, xây dựng và phát triển được các mô hìnhsản xuất thử nghiệm và sử dụng nhiên liệu sinh học quy mô 100 nghìn tấn E5 và 50nghìn tấn B5/năm bảo đảm đáp ứng 0,4% nhu cầu xăng dầu của cả nước Đến năm

2015, sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn (pha được 5 triệu tấnE5, B5), đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước Đến năm 2025, Sản lượngethanol và dầu thực vật đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của

cả nước

- Các nhiệm vụ chủ yếu: Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ D), triển khai sản xuất thử sản phẩm (P) phục vụ phát triển nhiên liệu sinh học;Hình thành và phát triển ngành công nghiệp sản xuất NLSH; Xây dựng tiềm lựcphục vụ phát triển nhiên liệu sinh học và Hợp tác quốc tế trong lĩnh vực NLSH

(R Các giải pháp thực hiện: Đẩy mạnh việc triển khai ứng dụng các kết quảnghiên cứu vào thực tiễn sản xuất, khuyến khích thực hiện chuyển giao công nghệ

và tạo lập môi trường đầu tư phát triển sản xuất nhiên liệu sinh học; Tăng cườngđầu tư và đa dạng hoá các nguồn vốn để thực hiện có hiệu quả các nội dung của Đềán; Tăng cường xây dựng cơ sở vật chất kỹ thuật và đào tạo nguồn nhân lực phục

vụ nhu cầu phát triển nhiên liệu sinh học; Hoàn thiện hệ thống cơ chế, chính sách,văn bản quy phạm pháp luật để phát triển nhiên liệu sinh học; Mở rộng và tăngcường hợp tác quốc tế để học hỏi kinh nghiệm về phát triển nhiên liệu sinh học; vàNâng cao nhận thức cộng đồng về phát triển nhiên liệu sinh học

II.NHIÊN LIỆU SINH HỌC (BIOFUEL)

2.1 Định nghĩa và phân loại

Nhiên liệu sinh học (biofuel) là loại nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh khối

-có thể là từ các sinh vật sống hoặc sản phẩm phụ từ quá trình chuyển hóa củachúng (ví dụ như phân gia súc) Chúng thuộc loại năng lượng tái tạo (hoàn nguyên)hoàn toàn khác với các loại năng lượng khác như hóa thạch, hạt nhân

Biofuel có đặc điểm là khi bị đốt cháy sẽ giải phóng ra năng lượng hóa họctiềm ẩn trong nó Nghiên cứu tìm ra các phương pháp hiệu quả hơn để biến đổi cácvật liệu nguồn gốc sinh học thành điện năng thông qua pin nhiên liệu đang là lĩnhvực hết sức khả quan hiện nay

Theo bảng phân loại của Wikipedia, biofuel được chia thành ba loại:

- Dạng rắn (sinh khối rắn dễ cháy): củi, gỗ và than bùn.

- Dạng lỏng : Các chế phẩm dạng lỏng nhận được trong quá trình chế biến vật liệu

nguồn gốc sinh học như:

mía, ngô đang được sử dụng làm nhiên liệu hoặc phụ gia pha xăng tại Braxin, Mỹ

và một vài nước khác; biometanol (hiện đang được sản xuất chủ yếu từ khí tự

nhiên, song có thể đi từ sinh khối)

động cơ diezel Ví dụ: Dầu thực vật sử dụng trực tiếp (SVO) làm nhiên liệu; Biodiezel (diezel sinh học) - sản phẩm chuyển hóa este từ mỡ động vật hoặc dầu

thực vật; Phenol và các loại dung môi, dầu nhựa thu được trong quá trình nhiệtphân gỗ,…

- Dạng khí: Các loại khí nguồn gốc sinh học cũng đã được sử dụng và ngày càng

phổ biến như: Metan thu được từ quá trình phân hủy tự nhiên các loại phân, chất thải nông nghiệp hoặc rác thải - biogas; Hyđrô thu được nhờ cracking

hyđrocacbon, khí hóa các hợp chất chứa cacbon (kể cả sinh khối) hoặc phân lynước bằng dòng điện hay thông qua quá trình quang hóa dưới tác dụng của một số

vi sinh vật; Các sản phẩm khí khác từ quá trình nhiệt phân và khí hóa sinh khối

(các loại khí cháy thu được trong quá trình nhiệt phân gỗ)

2.2.Ưu điểm nhược điểm của nhiên liệu sinh học

- Ưu điểm:

+ Giảm thiểu ô nhiễm môi trường vì nguyên liệu sử dụng để sản xuất nhiênliệu sinh học là cồn và dầu mỡ động thực vật, không chứa các hợp chất thơm, hàmlượng lưu huỳnh cực thấp, không chứa chất độc hại Nhiên liệu sinh học khi thảivào đất bị phân hủy sinh học cao gấp 4 lần so với nhiên liệu dầu mỏ và do đó giảmđược rất nhiều tình trạng ô nhiễm

+ Nguồn nguyên liệu đầu vào cho quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học có thểsản xuất từ các phế phẩm hoặc sản phẩm của nông nghiệp, do vậy nó khuyến khíchnông nghiệp phát triển

+ Chi phí đầu tư nghiên cứu và khả năng ứng dụng tốt Do chi phí đầu tư thấp

vì vậy rất nhiều quốc gia đang triển khai nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế.Đồng thời nó có tính ứng dụng cao do việc triển khai ứng dụng thực tế đơn giản,

và hiệu quả kinh tế có thể đánh giá dễ dàng

- Nhược điểm:

+ Nhiên liệu sinh học còn chưa phù hợp với các loại động cơ hiện nay, nên

việc triển khai ứng dụng còn nhiều khó khăn Để có thể thích ứng nguồn nhiên liệunày cho các loại động cơ hiện nay đòi hỏi những nghiên cứu cải tiến các dạng động

cơ truyền thống

+ Việc triển khai thương mại hóa nguồn nhiên liệu này chưa được đầu tư quantâm đúng mức nên việc đưa vào sử dụng rộng rãi nguồn nhiên liệu này còn nhiềuhạn chế

+ Nguồn nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ các sản phẩm nông nghiệp nênphải chịu sức ép từ vấn đề an ninh lương thực

2.3.Ứng dụng của nhiên liệu sinh học

Ngày nay nguồn nhiên liệu sinh học có thể sử dụng thay thế một phần chocác nguồn năng lượng hóa thạch, có thể dùng để chạy các loại động cơ truyềnthống Có thể sử dụng nguồn nhiên liệu này để pha trộn với các nguồn nhiên liệuhóa thạch nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch

Bên cạnh đó với các ứng dụng trong các ngành công nghiệp như là một sảnphẩm phụ gia càng thúc đẩy việc nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh học

Sử dụng năng lượng sinh học đang là xu hướng toàn cầu Hiện nay cókhoảng 50 nước ở khắp các châu lục khai thác và sử dụng NLSH ở các mức độkhác nhau:

- Mỹ hiện là quốc gia sản xuất ethanol lớn nhất thế giới (năm 2006 đạt gần 19 tỷ lít,trong đó 15 tỷ lít dùng làm nhiên liệu - chiếm khoảng 3% thị trường xăng) Năm

2012 sẽ cung cấp trên 28 tỷ lít ethanol và diesel sinh học, chiếm 3,5% lượng xăngdầu sử dụng

- Trung Quốc mỗi ngày sử dụng 2,4-2,5 triệu thùng dầu mỏ, trong số đó có tới 50%phải nhập khẩu Để đối phó với sự thiếu hụt năng lượng, một mặt Trung Quốc đầu

tư lớn ra ngoài lãnh thổ để khai thác dầu mỏ, mặt khác tập trung khai thác, sử dụngnăng lượng tái tạo, đầu tư để nhiều cơ sở khoa học nghiên cứu về NLSH Đầu năm

2003, xăng E10 (10% ethanol và 90% xăng) đã chính thức được sử dụng ở 5 thànhphố lớn và sắp tới sẽ mở rộng thêm tại 9 tỉnh đông dân cư khác Dự kiến, ethanolnhiêu liệu sẽ tăng trên 2 tỷ lít vào năm 2010, khoảng 10 tỷ lít vào năm 2020 (năm

2005 là 1,2 tỷ lít) Cuối năm 2005, nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu công suất600.000 tấn /năm (lớn nhất thế giới) đã đi vào hoạt động tại Cát Lâm

- Các quốc gia thuộc châu âu đều có chương trình NLSH như: Đức, Anh, Pháp, TâyBan Nha, Italia, Hà Lan, Thụy Điển, Bồ Đào Nha, Thụy Sĩ, áo, Bungari, Ba Lan,Hungari, Ucraina, Belarus, Nga, Slôvakia Ngay tại Lào cũng đang xây dựng nhàmáy sản xuất diesel sinh học ở ngoại ô thủ đô Viên Chăn Một số nước châu Phinhư Gana, Tanjania cũng đang tiếp cận đến NLSH

III MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC

3.1.Sản xuất etanol (cồn, rượu, etylic)

Etanol là rượu no, đơn chức, chứa 2 nguyên tử các bon, có công thức

C2H5OH, có thể sản xuất theo phương pháp hóa học từ nguyên liệu etan hoặcetylen Trên thực tế etanol thường được sản xuất bằng con đường sinh học Khi đósản phẩm etanol được gọi là cồn sinh học hay bioetanol Bioetanol (sau đây gọi tắt

là etanol) đã được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu cho ngành giao thông và có thểthay thế hoàn toàn xăng trong động cơ ô tô Ở Brazil 60% etanol sản xuất ra ở đây

cồn khô (trên 99% etanol) để pha vào xăng (với tỷ lệ lên tới 24%) Hiện nay ởViệt Nam cũng đã sử dụng etanol để hòa trộn vào trong xăng với tỉ lệ 5% (xăngsinh học) nhằm thay thế một phần cho loại xăng truyền thống hiện nay Công nghệchiếm ưu thế hiện nay là chuyển hóa sinh khối thành etanol thông qua lên menrượu rồi chưng cất Quá trình lên men rượu này là quá trình chuyển hóa sinh hóahọc Sinh khối sẽ bị men của vi khuẩn hoặc nấm men phân hủy Phương pháp lênmen có thể áp dụng đối với nhiều nguồn nguyên liệu sinh khối khác nhau.

Nguyên liệu sinh khối

Nguyên liệu sản xuất etanol thích hợp nhất là đường (từ củ cải đường, mía),

rỉ đường và cây lúa miến ngọt, tinh bột (khoai tây, các loại hạt lúa, lúa mỳ, ngô, đạimạch…) Năng suất etanol trung bình dao động từ 2.100 đến 5.600 lít/ ha đấttrồng trọt tùy thuộc vào từng loại cây trồng Đối với các loại hạt, năng suất etanolthu được vào khoảng 2.800 lít/ha, tức là vào khoảng 3 tấn nguyên liệu hạt sẽ thuđược 1 tấn etanol

Hiện nay các hoạt động nghiên cứu và phát triển ở châu Âu về lĩnh vựcetanol sinh học ( bioetanol) chủ yếu tập trung vào sử dụng các nguồn nguyên liệuxenlulo (từ gỗ) Các loại cây trồng quay vòng ngắn (liễu, bạch dương, bạch đàn),các chất thải nông nghiệp (rơm, bã mía), các phế thải của công nghiệp gỗ, gỗ thải đều thích hợp để làm nguyên liệu sản xuất etanol Cứ khoảng 2 - 4 tấn vật liệu gỗkhô hoặc cỏ khô đã có thể cho 1 tấn etanol Nguyên nhân khiến người ta chuyểnsang sản xuất etanol từ sinh khối xenlulo (gỗ, thân thảo) là vì các loại này sẵn có

và rẻ tiền hơn so với các loại tinh bột ngũ cốc hoặc cây trồng khác, đặc biệt là vớinhững nguồn chất thải hầu như không có giá trị kinh tế thì vấn đề càng có ý nghĩa,tuy nhiên quá trình chuyển hóa các vật liệu này sẽ khó khăn hơn

Ở Việt Nam hiện nay thì etanol chủ yếu được sản xuất nhờ nguồn nhiên liệusắn được đầu tư tập trung trồng chủ yếu ở các tỉnh như Phú Thọ, Lâm Đồng, GiaLai

Công nghệ chuyển hóa etanol

Như trên đã nói etanol có thể sản xuất từ các loại nguyên liệu sinh khối khácnhau, nhưng chỉ có một vài loại cây trồng chứa loại đường đơn giản, dễ tách nênthuận lợi cho quá trình xử lý và lên men Thông thường để tách đường hoàn toàn,quá trình tách (chiết hoặc nghiền nhỏ) cần được thực hiện lặp đi lặp lại vài lần

Các loại tinh bột ngũ cốc là các vật liệu gồm các phân tử cacbonhydrat phứctạp hơn nên phải phân hủy chúng thành đường đơn nhờ quá trình thủy phân

Hạt được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão Trong quá trình này đã cómột lượng đường được giải phóng Nhưng để chuyển hóa tối đa lượng tinh bộtthành đường, tạo điều kiện lên men rượu, bột nhão được nấu và cho thủy phânbằng enzym (ví dụ amylaza) Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axitloãng vào khối bột nhão trước khi đem nấu Quá trình lên men được xúc tiến mạnhkhi có mặt một số chủng men rượu

C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2 (3.1)

Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dịch thủy phân cần điều chỉnh ởmức 4,8 - 5,0 Etanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nước Quátrình lên men rượu này sinh ra CO2 Nhờ hàng loạt bước chưng cất và tinh cất đểloại nước, nồng độ etanol sẽ được tăng cao tối đa (có thể đạt mức cồn tuyệt đối -etanol khan)

Quá trình chuyển hóa sinh khối là hỗn hợp xenlulo thành etanol chỉ khác với

quá trình lên men Thủy phân hỗn hợp xenlulo khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗnhợp xenlulo là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch dài(polyme cacbonhyđrat) gồm khoảng 40 - 60% xenlulo và 20 - 40% hemixenlulo,

có cấu trúc tinh thể, bền Hemixenlulo chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từxylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơn xenlulo Nói chung hỗn hợpxenlulo khó hòa tan trong nước Phức polyme thơm có trong gỗ là lignin (10 -25%) không thể lên men vì khó phân hủy sinh học, nhưng có thể tận dụng vào việckhác

Quá trình xử lý nguyên liệu thành đường tự do sẵn sàng lên men phải trảiqua 2 bước: bước 1 thủy phân bằng axit loãng nồng độ 0,5% để phá vỡ liên kếthyđro giữa các mạch xenlulo và phá vỡ cấu trúc tinh thể của chúng thực hiện ởnhiệt độ 200oC Kết quả thủy phân bước 1 sẽ chuyển hóa hemixenlulo thành đường

C5 và C6 (chủ yếu xylo và mano) dễ lên men tạo thành etanol đồng thời bẻ gãy cấutrúc xenlulo Để chuyển hóa hoàn toàn cấu trúc xenlulo đã gãy thành đường gluco

C6, bước thủy phân thứ 2 sử dụng axit nồng độ 2% được thực hiện ở nhiệt độ

240oC Quá trình thủy phân xenlulo thành gluco bằng axit có thể thay thế bằng menphân hủy xenlulo

Sản phẩm etanol khan có thể sử dụng làm nhiên liệu ô tô cả dưới dạng tinhkhiết lẫn dạng pha trộn với xăng

Etanol có thể làm phụ gia cấp oxy cho xăng (nồng độ 3%) giảm phát thải khí

CO đồng thời làm phụ gia thay thế chì tetraetyl, hoặc cũng có thể thành nguyênliệu sản xuất etylterbutyleter (ETBE)- một phụ gia cho xăng Etanol còn được dùnglàm yếu tố tăng chỉ số octan cho xăng và qua đó giảm nổ và cải thiện tiếng ồn độngcơ

Sử dụng etanol