Nhiên liệu sinh học và hiện trạng sản xuất, sử dụng ở Việt Nam (Phần I)

Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay (năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân,…), năng lượng sinh học đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu, do các lợi ích của nó như: công nghệ sản xuất không qua phức tạp, tận dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, không cần thay đổi cấu trúc động cơ cũng như cơ sở hạ tầng hiện có và giá thành cạnh tranh so với xăng dầu.

Nhiên liệu sinh học Biofuel

Như chúng ta đều biết, nền kinh tế thế giới cho đến nay và có thể còn kéo dài trong phần lớn thời gian của thế kỷ 21, phụ thuộc rất nhiều vào nhiên liệu hóa thạch mặc dù nguồn tài nguyên này, trong đó có dầu thô, là tác nhân gây ô nhiểm môi trường rất lớn và được báo động đang đi vào giai đoạn chuẩn bị cạn kiệt như số phận tất yếu của mọi loại tài nguyển tự nhiên hữu hạn khi bị khai thác tối đa.

Bên cạnh đó nhu cầu bảo vệ môi trường sống trên quả đất được trong sạch dài lâu cũng như cần phát triển kinh tế với một tốc độ cao và trên quy mô rộng làm cho an ninh năng lượng toàn cầu ngày càng bị đe dọa nghiêm trọng. Do đó nhiệm vụ tìm kiếm nguồn thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đã được đặt ra trong gần nửa thế kỷ qua và ngày càng trở nên cấp thiết.

Một trong những hướng đi để giải quyết nhiệm vụ này là sử dụng sinh khối, tức là các vật liệu có nguồn gốc hữu cơ để đốt trực tiếp nhằm tạo ra nhiệt năng hoặc điện năng hoặc chuyển hóa sang các chất mang năng lượng dạng khí hoặc nhiên liệu lỏng.

Ethanol và Butanol sinh học.

Ethanol C2H5OH là một chất lỏng không màu, sôi ở 78,3oC và là một dung môi hữu cơ đa dụng, có thể sản xuất từ dầu khí thông qua phản ứng hydrat hóa ethylene (ethanol tổng hợp,không sử dụng vào mục đích năng lượng) hoặc từ nguyên liệu sinh học (ethanol sinh học, sử dụng chủ yếu vào mục đích năng lượng). Ethanol sinh học có khả năng thay thế hoàn toàn xăng sản xuất từ dầu mỏ hoặc có thể pha trộn với xăng để tạo ra xăng sinh học. Xăng sinh học được ghi danh bằng ký tự “E” kèm theo một con số chỉ số phần trăm của ethanol sinh học được pha trộn trong xăng đó. Trên thị trường ta thường gặp các loại xăng sinh học như E5, E20, E95... tức là xăng sinh học chứa 5%, 20%, 95% ethanol.

Các loại xăng thấp hơn E25 được dùng trực tiếp cho động cơ chạy xăng thông thường, không phải chỉnh sửa, cải tạo máy. Dùng loại xăng này vừa giảm sự phụ thuộc nhập khẩu xăng sản xuất từ dầu mỏ, vừa nâng cao chỉ số octan của xăng, vừa giảm lượng khí phát thải độc hại nhưng phải tiêu thụ lượng nhiên liệu nhiều hơn trên cùng một khoảng đường đi. Với các loại cao hơn E25 thì xe phải cải hoán kết cấu động cơ. Trên thị trường đã có loại xe FFV, gọi là xe dùng nhiên liệu linh hoạt (flexible fuel vehicles) đáp ứng yêu cầu cho mọi loại xăng sinh học.

Butanol có công thức C4H9OH, tức là có cùng nhóm chức OH như ethanol nhưng số nhóm CH2 nhiều hơn gấp 3 lần nên thuộc loại rượu mạnh .Tuy có cùng nhóm chức OH nhưng chứa cấu trúc mạch cacbon dài hơn và có nhiều nhánh nên butanol ít hoặc khó hòa vào nước so với ethanol. Cũng giống như ethanol, butanol thu được thông qua tổng hợp hóa học gọi là butanol tổng hợp,được dùng chủ yếu như một dung môi trong công nghiệp, còn nếu thu được bằng con đường sinh học thì gọi là butanol sinh học, được dùng như nhiên liệu. Butanol sinh học có nhiều ưu điểm hơn ethanol sinh học, như dễ tan lẫn vào xăng, máy móc ít nguy cơ bị ăn mòn do tính không hút nước; không tan lẫn vào nước nên dễ chưng cất đạt độ tinh khiết tuyệt đối; mật độ năng lượng cao hơn ethanol sinh học 25%, gần bằng mật độ năng lượng của xăng chế từ dầu mỏ; chỉ số octan cao xấp xỉ chỉ số octan của xăng trung bình (RON96) nên khi sử dụng không phải hoán cải động cơ chạy xăng thông thường; có áp suất hơi thấp hơn nhiều so với xăng cũng như ethanol sinh học nên ít bị hao hụt do bay hơi trong quá trình tàng trữ, vận chuyển, phân phối và an toàn khi sử dụng. Do những ưu việt nói trên nên hiện nay butanol sinh học được coi là chọn lựa ưu tiên làm nhiên liệu thay thế xăng sản xuất từ dầu mỏ. Ngoài ra ethanol sinh học và butanol sinh học còn được chọn làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu (fuel cell) dùng trong giao thông vận tải thay cho hydrogen, tuy nhiên phải dùng bộ tái tạo ra hydrogen (hydrogen reformer) ngay trong xe để có hydrogen trước khi cung cấp cho pin nhiên liệu. Lượng khí CO2 do pin thải ra trong trường hợp này chính là lượng CO2 trong khí quyển được thực vật hấp thụ trong quá trình quang hợp trước đó nên có thể xem như cân bằng về CO2 trong môi trường, không có phát thải thêm.

Diesel truyền thống và diesel sinh học

Dầu diesel truyền thống còn được biết dưới tên gọi là dầu DO, chứa các hydrocacbon nằm trong phân đoạn kerosen và phân đoạn trung bình trong quá trình lọc dầu , tức là ở khoảng nhiệt độ sôi từ 200oC đến 350oC. Công dụng chính của diesel là làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong với tính chất cháy được đặc trưng bằng khả năng tự cháy, biểu thị bằng trị số cetan. Hydrocacbon có mạch n-parafin càng dài thì trị số cetan càng cao, ngược lại, các hydrocacbon thơm, nhiều vòng có trị số cetan thấp. Hexadecan n-C16H34có trị số cetan bằng 100 và alpha-methylnapthalen C11H10 có trị số cetan bằng 0. Xu thế diesel hóa các động cơ đốt trong dựa trên các ưu điểm của diesel so với xăng như công suất lớn hơn khi sử dụng cùng một lượng nhiên liệu, động cơ diesel tăng tốc nhanh hơn, giá diesel có thể rẻ hơn khi giá dầu thô quá cao và có thể giảm hàm lượng các chất độc hại trong khí thải.

Diesel sinh học là nhiên liệu diesel được sản xuất từ nguyên liệu sinh học với thành phần hóa học chủ yếu là methyl ester của các axit béo. So với diesel truyền thống, sản xuất từ dầu mỏ, thì diesel sinh học có nhiều ưu điểm về mặt bảo vệ môi trường như chứa ít lưu huỳnh (2-11ppmS), dễ phân hủy bằng vi sinh, giảm ô nhiễm không khí (bảng 1). Ngoài ra chúng có tính bôi trơn cao hơn diesel dầu mỏ nên tuổi thọ của động cơ sẽ dài hơn và nguồn nguyên liệu lấy từ sản phẩm hoặc phế thải nông nghiệp, thủy sản nên có thể tái sinh nhanh, góp phần tăng giá trị nông nghiệp,sử dụng được lao động dôi dư,đất cằn cỗi, giảm nhập khẩu tốn kém ngoại tệ. Ngày nay, tùy theo nguồn nguyên liệu khác nhau mà mỗi nước sản xuất nhiều loại diesel sinh học khác nhau rồi đem trộn với diesel truyền thống theo tỷ lệ quy định trong các tiêu chuẩn sản phẩm như B5 (5%diesel sinh học,95% diesel dầu mỏ), B10 (10%diesel sinh học, 90% diesel dầu mỏ), B20( 20% diesel sinh học, 80% diesel dầu mỏ) v.v..


Nhược điểm của diesel sinh học so với diesel dầu mỏ là nhiệt năng thấp hơn, điểm đông cao hơn nên khó sử dụng ở vùng lạnh hoặc trong mùa đông, không phải là giải pháp thay thế dầu mỏ trọn vẹn vì nguồn nguyên liệu cung cấp khó khăn,dồi dào nhưng không đủ lớn để đáp ứng nhu cầu; giá thành cao nên cần có chính sách hỗ trợ của nhà nước, thiết bị sản xuất và hạ tầng cơ sở trong phân phối phải xây dựng mới, hệ thống pháp lý để sử dụng xăng pha nhiên liệu sinh học chưa có hoặc chưa hoàn chỉnh.

Nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học

Trên thế giới, nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất nhiên liệu sinh học là sản phẩm nông nghiệp,các loại hạt có dầu, rong tảo, xenlulô và một phần nhỏ từ các loại mỡ cá, mỡ động vật nói chung. Ở Nam Phi và ở Mỹ, nhiên liệu sinh học được sản xuất từ ngô. Ở các nước Tây Âu và ở Mỹ sản lượng diesel sản xuất từ đậu tương tăng cao vào thời điểm giá trị dinh dưỡng của các sản phẩm đậu tương chưa lên men bị đặt dấu hỏi cùng với nhiều loại cây đậu tương biến đổi gien có thể cho sản lượng cao nhưng chưa cho phép dùng làm thức ăn cho người và cho gia súc.

Ở Thái Lan, Philippine… nhiên liệu sinh học lại sản xuất từ sắn, hạt cọ, cơm dừa còn ở Brazil sản xuất từ mía và ở Canada thì từ gỗ phế thải, mùn cưa và sản phẩm phụ từ gỗ. Cây nho Kudzu phát triển nhanh được nhập khẩu từ Nhật cách đây một vài thập niên đã mọc tràn lan trên đất Mỹ. Nhiều khu vực đầm lầy ở Canada và Mỹ đã trở thành quê hương mới của một loại cây sinh sản nhanh của châu Âu có tên gọi là Purple Loosestrife.

Những loại cây này có chi phí trồng trọt gần như bằng không nhưng sản lượng rất lớn.Cùng với các nguồn sinh khối từ rong tảo, dầu của hạt cây cọc rào (bã đậu; Jatropha) cùng các loại hạt khác không phải là lương thực thực phẩm, việc trồng trọt không phải cạnh tranh với đất đai sản xuất lương thực , cũng như các loại rác thải từ các trang trại chăn nuôi, rác thải nông nghiệp và công nghiệp sợi, rác thải từ rau quả v.v.. đều là nguồn nguyên liệu rất phong phú, đầy triển vọng cho nhiên liệu sinh học.

Trở ngại lớn nhất là các nguồn này rất tản mạn,thu gom có nhiều khó khăn nếu không có một tổ chức hậu cần thích hợp. Nếu giá dầu tiếp tục ở mức cao dài hạn thì nhiên liệu sinh học có thể thay thế được một phần nhiên liệu dầu mỏ mà không phải có sự trợ giá của nhà nước và có thể cạnh tranh được với các loại nhiên liệu khác để đi vào thị trường một cách bền vững.

Những lưu ý khi sử dụng dầu diesel sinh học.

Theo KS Bì Văn Tứ, một chuyên gia về lọc dầu của Tập Đoàn Dầu Khí Quốc gia Việt Nam, để đảm bảo an toàn và hiệu quả khi sử dụng diesel sinh học cần lưu ý các điểm sau đây:

- Diesel sinh học là Alkyl ester axit béo, có thể làm hư ống mềm,ống nối, đệm…và một số chất dẽo. Các loại cao su tự nhiên, cao su nitril, PP, PVC, Tygol có thể bị tổn thương.Các vật liệu đồng thau, đồng, chì, kẽm, thiếc dễ bị oxy hóa trong môi trường diesel sinh học.Nên dùng các loại diesel có hàm lượng pha trộn diesel sinh học thấp để giảm thiểu tác động bất lợi đối với kim loại thông dụng và có thẻ chuyển sang thay thế chúng bằng nhôm, thép hợp kim, thép cacbon.

- Các bồn chứa diesel dầu mỏ có thể chứa B100,nhưng thời gian tàng trữ không nên quá 6 tháng và không để quá nóng để tránh biến chất nhanh và tự cháy.

- Các vật liệu có thể dùng cho diesel sinh học là nhôm, thép, PE florinated, PP florinated, Teflon, sợi thủy tinh.

- Đối với xe sử dụng diesel sinh học lần đầu nên kiểm tra bộ lọc và hệ thống nhiên liệu.

- Diesel sinh học có thể hòa tan một số loại sơn nên cần kiểm tra bề mặt sơn có tiếp xúc với nhiên liệu.

- Trước khi pha chế nên kiểm tra chắc chắn chất lượng loại diesel sinh học B100.

- Diesel sinh học dùng trong mùa đông cần kiểm tra điểm đông để chọn loại phù hợp hoặc dùng giải pháp hâm nóng.