Đang tải... (xem toàn văn)
Nhiên liệu sinh học là một phần của năng lượng tái tạo (Renewable), là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động, thực vật
2010 Nguyễn Trung Kiên Đỗ Thị Hương 9/6/2010 Tiểu luận: Nhiên liệu sinh học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Mở đầu Nhiên liệu sinh học là một phần của năng lượng tái tạo (Renewable), là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động, thực vật. Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, .), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương .), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, trấu, bã mía, .), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải .), .Nhiên liệu sinh học bao gồm dầu diesel sinh học (Biodiesel) và rượu ethanol sinh học (Bioethanol). Theo dự báo, trữ lượng dầu thô của thế giới sẽ cạn kiệt vào khoảng từ năm 2050 - 2060. Các vấn đề như an toàn nguồn năng lượng và đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu; tình trạng hiệu ứng nhà kính do khí thải; những tiến bộ của khoa học và công nghệ của nhân loại đang đặt ra cho các nước trên thế giới phải quan tâm đến việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học. Na Uy vốn là một nước xuất khẩu dầu mỏ cũng có tới 50% năng lượng được cung cấp từ nguồn nhiên liệu sinh học. Mỹ cũng đặt ra kế hoạch làm giảm sự phụ thuộc của nền kinh tế vào dầu mỏ [11]. Hiện nay trên thế giới có 50 nước có chương trình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học. Các nước APEC đã chọn nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Theo dự báo của các chuyên gia, đến năm 2025, thế giới sẽ sử dụng 12% nhiên liệu sinh học trong toàn bộ nhu cầu năng lượng; đến năm 2020, EU sẽ sử dụng 20% nhiên liệu sinh học [13]. Nhiên liệu sinh học có những ưu thế sau đây so với các dạng năng lượng truyền thống: + Giảm khí gây hiệu ứng nhà kính, + Tạo cơ sở cho an ninh năng lượng, + Bảo vệ nguồn nước, không khí và nguồn lợi rừng; + Phát triển kinh tế nông thôn 2 Hình 1. Các nguồn năng lượng tái tạo [3]. Hình 2. Ứng dụng sinh khối tạo năng lượng sinh học [6] Khí Methal và nhiên liệu lỏng Sự cháy Hơi nước và nhiệt Tài nguyên sinh khối Năng lượng chuyển đổi sơ cấp Sự khí hoá Sự nhiệt phân Quá trình sinh hóa Sản lượng Khí Sản lượng Khí Năng lượng chuyển đổi thứ cấp Động cơ hơi nước Tuabin hơi Động cơ đốt trong Máy hoặc động cơ chạy bằng khí 3 PHẦN I. CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG SINH HỌC I.1. Biodiesel [3] Biodiesel - hay còn gọi là diesel sinh học - là thuật ngữ dùng để chỉ loại nhiên liệu dùng cho động cơ diesel, được làm từ dầu thực vật hay metyl ester tinh khiết từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Trong lịch sử, dầu thực vật đã từng được sử dụng để làm nhiên liệu cho động cơ vào những năm 1900. Tuy nhiên, vào thời điểm đó, nguồn năng lượng dầu mỡ rẻ tiền chưa trở nên thật sự cần thiết. Cho đến khi giá nhiên liệu tăng lên, nguy cơ thiếu hụt nhiên liệu ngày cáng tăng thì việc tìm kiếm nguồn thay thế trở nên cần thiết. Biodiesel được sản xuất thông qua quá trình chuyển este của các rượu nhẹ (chủ yếu là methanol) và tri-glycerides tự nhiên có trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Hình 3. Sơ đồ phản ứng chuyển este [2] Hiện tại có rất nhiều nguồn dầu đang được sử dụng để sản xuất diesel sinh học. Brazil - một nước dẫn đầu trong sản xuất biodiesel sử dụng dầu đậu tương là nguồn chính để sản xuất diesel sinh học. Nhưng các nguồn khác, chẳng hạn như hướng dương, thầu dầu, dầu mè và dầu mè, dầu dừa, dầu Olive, dầu lạc, dầu bông, dầu bắp, hạt cải dầu, hạt hướng dương… [1] và một số mỡ động vật đang bắt đầu được sử dụng hoặc đánh giá đúng về vai trò của chúng. 4 Theo EPA, chương trình phân tích tác động môi trường (2/2010), dầu diesel sinh học từ dầu đậu nành, trung bình trong một giảm 57% khí nhà kính so với diesel hóa thạch, và dầu diesel sinh học sản xuất từ mỡ thải trong một năm giảm 86%. Việc sử dụng các nhiên liệu diesel sinh học pha trộn với petrodiesel lên đến 99% (B99) cho kết quả giảm phát thải đáng kể. Trong dầu thực vật - Biodiesel hoàn toàn không chứa lưu huỳnh, chất tạo ra SO2, H2SO4 và muối amonium làm giảm khả năng đề kháng cơ thể và tạo nên mưa xit. Sử dụng dầu diesel sinh học cũng có kết quả trong việc giảm đáng kể các hydrocarbon không cháy, carbon monoxide, và các hạt vật chất so với cả xăng hoặc petrodiesel. Sự phát thải CO giảm hơn 50% so với nhiên liệu hầu hết petrodiesel. Sự phát thải của các hạt vật chất từ dầu diesel sinh học đã được tìm thấy thấp hơn 30 % tổng thể từ petrodiesel. Phát thải hydrocacbon tổng số (một yếu tố góp phần trong sự hình thành khói quang hóa và ôzôn) thấp hơn đến 93 % Dầu diesel sinh học phát thải của các oxit nitơ đôi khi có thể tăng nhẹ. Tuy nhiên, do dầu diesel sinh học không phát thải lưu huỳnh và sulfate cho phép sử dụng công nghệ kiểm soát NOx, như AdBlue, mà không thể được sử dụng với dầu diesel thông thường, cho phép quản lý và kiểm soát lượng khí thải oxit nitơ. Mức độ ảnh hưởng của diesel sinh học tới sức khỏe con người cũng thấp hơn so với diesel dầu mỏ. Trong thử nghiệm gần đây cho thấy hầu hết các hợp chất PAH đã giảm 75-85 %, ngoại trừ Benzo (a Anthracen), giảm khoảng 50 %. Các hợp chất Nitro- PAHs cũng giảm đáng kể với nhiên liệu diesel sinh học (với 2- itrofluorene và 1 nitropyrene-giảm 90 phần trăm)[7] Dầu diesel sinh học có tính bôi trơn tốt và chỉ số cetane (CN) cao (chỉ số cetane là một thước đo của sự chậm trễ đánh lửa của nhiên liệu; khoảng thời gian từ khi bắt đầu tiêm và bắt đầu của sự cháy (lửa) của nhiên liệu). Trong một động cơ diesel, nhiên liệu có chỉ số cetane cao hơn sẽ có thời gian đánh lửa chậm trễ ngắn hơn và do đó, động cơ diesel hoạt động hiệu quả hơn. Có thể sử dụng trong động 5 cơ đốt trong và có thể pha trộn với petrodiesel ở bất kỳ tỷ lệ thành phần nào. An toàn trong bảo quản và vận chuyển. Bôi trơn động cơ tốt hơn làm động cơ hoạt động êm hơn. Do đó, diesel sinh học làm giảm hao mòn hệ thống, và làm tăng tuổi thọ của thiết bị phun nhiên liệu. Bảng 1. Năng suất của một số loại thực vật sản xuất biofluels [10] Crop (kg/ha) (L/ha) (lbs/acre) gal/acre) (kg/100 kg) Melting Range (°C) number number Oil / Fat Methyl Ester Ethyl Ester Corn (maize) 145 172 129 18 -5 -10 -12 115 - 124 53 Cotton 273 325 244 35 (Seed)13 -1 - 0 -5 -8 100 - 115 55 Hemp 305 363 272 39 Soybean 375 446 335 48 14 -16 - -12 -10 -12 125 - 140 53 Coffee 386 459 345 49 Linseed (flax) 402 478 359 51 -24 178 Mustard seed 481 572 430 61 35 Camelina 490 583 438 62 Sesame 585 696 522 74 50 Tung oil tree 790 940 705 100 -2.5 168 Sunflowers 800 952 714 102 32 -18 - -17 -12 -14 125 - 135 52 Rapeseed 1,000 1,190 893 127 37 -10 - 5 -10 - 0 -12 - -2 97 - 115 55 - 58 Olives 1,019 1,212 910 129 -12 - -6 -6 -8 77 - 94 60 Castor beans 1,188 1,413 1,061 151 (Seed)50 -18 85 Pecan nuts 1,505 1,791 1,344 191 Jojoba 1,528 1,818 1,365 194 Jatropha 1,590 1,892 1,420 202 Macadamia nuts 1,887 2,246 1,685 240 Brazil nuts 2,010 2,392 1,795 255 Avocado 2,217 2,638 1,980 282 Coconut 2,260 2,689 2,018 287 20 - 25 -9 -6 8 - 10 70 Chinese Tallow 4,700 500 Oil palm 5,000 5,950 4,465 635 20-(Kernal)36 20 - 40 -8 - 21 -8 - 18 12 - 95 65 - 85 Algae 95,000 10,000 Tính chất Biodiesel là một chất lỏng thay đổi màu sắc - giữa vàng và nâu đen - tùy thuộc vào nguyên liệu sản xuất. Nó không hòa tan trong nước, có điểm sôi cao và áp suất hơi thấp. Các điểm bắt cháy của dầu diesel sinh học (> 130 ° C,> 266 ° F) là cao hơn đáng kể so với diesel dầu mỏ (64 ° C, 147 ° F) hoặc xăng (-45 ° C, -52 ° F) . Khối lượng riêng các dạng năng lượng diesel phụ thuộc nhiều vào nguyên 6 liệu sử dụng hơn là quá trình sản xuất thông thường khoảng ~ 0,88 g/cm, thấp hơn so với nước. Hình 4. Bản đồ thế giới sử dụng Biodiesel (Nguồn: IFQC Global Biofuels Center, August 2006) Tình hình sản xuất Biodiesel tại một số nước Hoa kỳ: năm 2006 là 2,05 triệu tấn. EU: năm 2006 sản xuất 5,8 triệu tấn Brazil: dự kiến cuối năm 2007 là 0,18 triệu tấn Argentina: 0,06 triệu tấn Australia: dự kiến cuối năm 2007 là 0,68 triệu tấn Hạn chế của biodiesel 7 Biodiesel có nhiệt trị khoảng 37,27 MJ / L - thấp hơn 9% so với petrodiesel (diesel từ dầu mỏ) điều này có nghĩa là sử dụng biodiesel sẽ tốn nhiên liệu hơn. Do dầu thực vật có dộ nhớt cao, sức căng bề mặt lớn hơn nên để có sự phun đều, phun tơi nhiên liệu vào buồng cháy cần có sự hỗ trợ của một trong các năng lượng khác tạo hỗn hợp như: • Sử dụng năng lượng xoáy lốc mạnh của loại buồng cháy xoáy lốc. • Sử dụng năng lượng của khí cháy trong buồng cháy dự bị. Mặc dù nó không thể trộn lẫn với nước nhưng dầu diesel sinh học lại có thể hấp thụ nước từ không khí ẩm ). Một trong những lý do dầu diesel sinh học có thể hấp thụ nước là sự có mặt của mono và diglycerides còn lại từ phản ứng chuyển este. Các phân tử này có thể hoạt động như một chất nhũ hóa, cho phép nước để pha trộn với dầu diesel sinh học này. Ngoài ra, có thể có nước từ quá trình chế biến hay kết quả từ quá trình nước ngưng tụ trong bể chứa. Nước làm giảm nhiệt của quá trình cháy. Điều này có nghĩa nhiều khói hơn, khó khởi động máy, và cung cấp năng lượng kém . • Nước gây ăn mòn các thành phần quan trọng của hệ thống: máy bơm, máy bơm tiêm, đường nhiên liệu, vv • Nước & vi khuẩn gây ra các bộ lọc giấy trong hệ thống bị lỗi (mục), gây ra hiện tượng bị hỏng bộ phận bơm nhiên liệu do bị tắc bởi các hạt lớn. • Nước đóng băng hình thành tinh thể nước đá gần 0 ° C (32 ° F). Những tinh thể cung cấp các vị trí , tạo thành nhân kết tinh và đẩy nhanh việc hình thành gelling của nhiên liệu. • Nước tăng tốc sự phát triển của khuẩn lạc, có thể làm tắc hệ thống nhiên liệu (Biodiesel dùng thùng nhiên liệu đốt nóng do đó đối mặt với một vấn đề vi khuẩn quanh năm). • Ngoài ra, nước có thể gây ăn rỗ trong piston của động cơ diesel. 8 I.2. Bioethanol Bioethanol được sản xuất thông qua quá trình lên men đường và tinh bột của sinh khối hữu cơ. Sinh khối giàu đường có thể lên men trực tiếp, trong khi đó loại vật liệu chứa tinh bột và cellulose cần phải thuỷ phân tạo thành đường trước khi lên men. Quá trình thuỷ phân được tiến hành bởi enzyme hoặc các axít loãng. Công đoạn phân huỷ kị khí sinh khối trong quá trình lên men sẽ chuyển đường thành rượu và CO 2 nhờ hoạt động của nấm men. Dịch lên men sau đó được trưng cất thành ethanol tinh khiết. Trung bình cứ 3 kg sinh khối cho ta 1kg bioethanol. Brazil sử dụng cồn làm nhiên liệu cho các loại ô tô. Khoảng 40% nhu cầu nhiên liệu của nước này được đáp ứng bằng bioethanol, một dạng cồn được điều chế từ đường mía. Trong khi đó ở Châu Âu và Bắc Mỹ người ta điều chế ethanol chủ yếu từ cây trồng. Chính phủ Mỹ cũng coi bioethanol là một loại nhiên liệu của tương lai [11]. Trên thị trường nhiên liệu ethanol hiện nay, Mỹ sản xuất tới 37% tổng sản lượng toàn cầu, dẫn đầu thế giới. Nhiên liệu ethanol ở Mỹ được chiết xuất từ ngô, được chính phủ trợ cấp cho phát triển. Đứng thứ hai là Brazil, sản xuất ra 35% tổng sản lượng ethanol toàn cầu. Nhiên liệu ethanol ở Brazil được chiết xuất từ mía. Bảng 2. Tính chất của nhiên liệu cồn[9] Tính chất Metanol Etanol Công thức phân tử CH 3 OH C 2 H 5 OH Khối lượng phân tử 32 46 Khối lượng riêng (kg/l) 0,792 0,785 Nhiệt trị (kJ/kg) 20000 26900 A/F (kgKK/kgNL) 6,47 9,00 Chỉ số Octan RON 108,7 108,7 MON 88,6 89,7 Ưu điểm 9 - Cồn có chỉ số Octan cao hơn xăng, cháy sạch hơn, phát thải ít CO hơn và giảm đáng kể lượng muội than, SOx. - Cồn có nhiệt ẩn hóa hơi cao nên có hiện tượng làm mát bên trong và điều này cho phép xylanh nạp đầy hơn. - Cồn có thể sản xuất cồn bằng các công nghệ sản xuất hiện nay.Không cần thay đổi nhiều kết cấu của phương tiện khi dùng nhiên liệu cồn. - Động cơ xăng khi sử dụng hỗn hợp xăng _cồn với hàm lượng nhỏ hơn 20%, thì không cần thiết cải tạo lại động cơ cũ. - Cồn có thể sử dụng làm nhiên liệu chủ yếu trong động cơ kết hợp với phun 10% nhiên liệu diesel. Mức độ phát thải ô nhiểm NOx, HC và các chất phát ô nhiễm giảm đáng kể khi dùng nhiên liệu diesel pha cồn. Nhược điểm - Cồn có chứa axít axêtic gây ăn mòn kim loại, ăn mòn các chi tiết máy động cơ làm giảm thời gian sử dụng động cơ. - Nhiệt trị cồn thấp, thùng nhiên liệu lớn. - Đầu tư ban đầu cao. - Ngọn lửa của nhiên liệu cồn cháy không có màu, điều này sẽ gây khó khăn trong việc nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu cồn. - Các độc chất tiềm ẩn trong nhiên liệu cồn vẫn đang trong quá trình nghiên cứu. Bảng 3. Sự phụ thuộc của chỉ số Octan vào thể tích Etanol[5] Etanol (% thể tích) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Trị số octan (RON) 90,0 90,4 90,8 91,2 91,5 91,9 92,3 92,6 92,9 Nguồn nguyên liệu cho Bioethanol 1. Tinh bột ( hoặc đường)- được tạo ra từ các nguồn nguyên liệu giàu carbohydrate, như ngô, khoai tây, cây củ cải đường hoặc cây yến mạch. 2. Lignocellulosic (or Cellulosic) – được sản xuất từ các vật liệu có chất liệu là gỗ như cây ngô khô (đây là thân cây và lá khô thải đi) và các sản phẩm thải của quá trình chế biến gỗ Bioethanol được ví như là nguồn “nhiên liệu thứ 2” hoặc “nhiên liệu tiên tiến” Các nguồn nguyên liệu tiềm năng đa dạng cho sản xuất Bioethanol bao gồm: • Cỏ linh lăng 10 [...]... nhập 90% nguyên liệu từ nước ngoài Trong các quy hoạch phát triển ngành Bia - Rượu - Nước giải khát và ngành Dầu thực vật tới năm 2010 không đề cập tới vấn đề sản xuất nhiên liệu sinh học + Mặc dù không có những số liệu cập nhật mới hơn nhưng có thể ước tính nguồn sinh khối hiện vẫn chiếm tỷ lệ trên 50% tổng tiêu thụ năng lượng toàn quốc (dạng củi đun) [9] PHẦN III NĂNG LƯỢNG SINH HỌC Ở VIỆT NAM: CƠ... 19,534.99 17,335.29 PHẦN II NĂNG LƯỢNG SINH HỌC Ở VIỆT NAM 211.30 52.80 74.90 26.40 13,101.70 - Tiềm năng sinh khối gỗ (rừng tự nhiên, rừng trồng, cây trồng phân tán, cây công nghiệp và ăn quả, phế liệu gỗ, ) khoảng 25 triệu tấn - Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ, trấu, bã mía, các loại khác) khoảng 53 triệu tấn - Tiềm năng lý thuyết Khí sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ và phụ... diesel sinh học Đó là công trình nghiên cứu của các cán bộ công tác tại Phân viện khoa học vật liệu tại TP.HCM thuộc Viện khoa học và công nghệ Việt Nam Các tiêu chuẩn về điểm chớp cháy, độ nhớt sản phẩm đều đạt tiêu chuẩn nhưng giá thành của biodiesel giảm khoảng 20% so với giá dầu diesel trên thị trường Theo đánh giá của Bộ Kế hoạch và đầu tư, hiện nay chúng ta mới chỉ đáp ứng được khoảng 10% nguyên liệu. .. ngại về môi trường Việc phát triển quy mô lớn các cây năng lượng để sản xuất nhiên liệu sinh học (biofuel) có thể dẫn tới gia tăng sử dụng thuốc trừ sâu và phân bón, gây tác hại đối với động vật hoang dã và môi trường sống Sản xuất năng lượng từ gỗ có thể gây thêm áp lực cho rừng 4 Thiếu nhận thức của xã hội về năng lượng sinh học Hiện nay khi nói tới năng lượng thường người ta chỉ nghĩ tới điện, than,... để sản xuất biodiesel còn dùng làm lương thực, thực phẩm cho người và gia súc 2 Sự cạnh tranh về chi phí của các công nghệ Hiện nay nhiều công nghệ sinh khối còn đắt hơn công nghệ truyền thống sử dụng nhiên liệu hoá thạch cả về trang thiết bị lẫn nhiên liệu nên việc đưa công nghệ mới vào Việt Nam còn gặp trở ngại lớn Việt Nam còn là một nước nghèo nên thiếu kinh phí đầu tư phát triển công nghệ mới... Nam có thể nhập và ứng dụng, tránh được rủi ro về công nghệ Thách thức 1 Sự cạnh tranh về nhu cầu nguyên liệu sinh khối Một trong những điều không biết chắc được khi phát triển NLSK là sự cạnh tranh về nguyên liệu Thí dụ rơm rạ còn làm thức ăn cho trâu bò, giấy phế liệu có thể tái chế, gỗ phế liệu và mùn cưa có thể làm gỗ ép Ngô khoai, sắn để sản xuất 13 etanol, đậu tương, lạc, vừng, dừa để sản xuất... và Etanol, Tạp chí khoa học công nghệ, Đại học Đà Nẵng, trang 92 6 Nguyễn Quang Khải,2006,Những vấn đề phát triển năng lượng sinh khối của Việt nam,Báo cáo tại Hội thảo Phát triển năng lượng bền vững ở Việt Nam 7 Biodiesel, http://en.wikipedia.org/wiki/Biodiesel 8 Ethanol fuel, http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol_fuel 9 Hồng Đức Thông và cs, Nghiên cứu khả năng ứng dụng nhiên liệu mới trên ô tô ở Việt... Lúa mạch • Rơm khô hoặc lõi ngô • Bông • Hoa quả( Cam hoặc táo ) • Cỏ vụn • Hoa hướng dương • Lá cây • Giấy • Khoai tây • Khoai lang… 3 Tảo biển Hình 5 Sơ đồ các yếu tố của quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học[ 4] Bảng 5 Danh sách 10 quốc gia đứng đầu thế giới về sản lượng bioetanol 20072009[8] 2009 2008 2007 TT Quốc gia/ lãnh thổ Triệu US gallons/năm 1 United States 10,750.00 9,000.00 6,498.60 2... nhu cầu sấy thóc sau thu hoạch Việc phát triển chăn nuôi đã tạo ra nhu cầu xử lý chất thải vật nuôi, thúc đẩy công nghệ khí sinh học phát triển mạnh mẽ 3 Các chính sách và thể chế đang từng bước hình thành tạo thuận lợi cho phát triển năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng sinh học nói riêng Quyết định của Thủ tướng Chính phủ số 176/2004/QĐ-TTg ban hành ngày 05 tháng 10 năm 2004 về việc phê duyệt... nước ta hiện nay vấn đề cấp bách để phát triển năng lượng sinh học nói riêng và năng lượng tái tạo nói chung là cần có chiến lược phát triển, những chính sách, thể chế và quy hoạch cụ thể của Nhà nước Trên cơ sở đó có biện pháp huy động vốn đầu tư từ các nguồn Nhà nước, tư nhân, quốc tế cho nghiên cứu triển khai và phát triển ứng dụng 15 Tài liệu tham khảo 1 Angelo C Pintoa, Lilian L N Guarieiroa et![Hình 1. Các nguồn năng lượng tái tạo [3]. - Nhiên liệu sinh học](https://media.store123doc.com/figures/000/138/hinh-nguon-nang-luong-tai-tao-138768.png)
![Bảng 1. Năng suất của một số loại thực vật sản xuất biofluels [10] - Nhiên liệu sinh học](https://media.store123doc.com/figures/000/138/bang-nang-suat-loai-thuc-vat-xuat-biofluels-138769.png)
![Bảng 2. Tính chất của nhiên liệu cồn[9] - Nhiên liệu sinh học](https://media.store123doc.com/figures/000/138/bang-tinh-chat-cua-nhien-lieu-con-138771.png)
![Hình 5. Sơ đồ các yếu tố của quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học[4] - Nhiên liệu sinh học](https://media.store123doc.com/figures/000/138/hinh-do-yeu-trinh-san-xuat-nhien-lieu-138772.png)