ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN    TIỂU LUẬN MÔN HỌC QUẢN LÝ BỀN VỮNG CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐỀ TÀI: KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC Ở VIỆT NAM Giảng viên : GS.TS. Lê Chí Hiệp Học viên : Võ Thị Hồng Phong MSHV : 1080100047 Lớp : Quản lý môi trường – K2010 TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2011 Tiểu luận môn học QLBV các nguồn năng lượng HVTH: Võ Thị Hồng Phong MỤC LỤC MỞ ĐẦU 3 Chương 1 5 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 5 1.1. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI 5 1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC Ở VIỆT NAM 7 Chương 2 8 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU 8 SINH HỌC 8 2.1. ETANOL (CỒN, RƯỢU ETYLIC) 8 2.2. METANOL (RƯỢU METYLIC, CỒN GỖ, CACBINON) 10 2.3. BIODEEZEL (METYLESTE CỦA MỘT SỐ LOẠI DẦU, MỠ ĐỘNG VẬT) 11 2.4. DẦU NHIỆT PHÂN BIO-OIL (PYROLYSIS) – DẦU DIEZEL CHIẾT XUẤT 14 2.5. DẦU SINH HỌC BIO-CRUDE HTU – DIEZEL CHIẾT SUẤT TƯƠNG ỨNG 15 2.6. SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU QUA CON ĐƯỜNG KHÍ HÓA 17 2.7. DIMETYLETE 18 2.8. DIEZEL FISCHER - TROPSCH 20 2.9. SẢN XUẤT BIOFUEL DẠNG KHÍ 21 Chương 3 24 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM 24 3.1. THUẬN LỢI 24 3.2. NHỮNG VƯỚNG MẮC 26 3.3. KIẾN NGHỊ 28 Giảng viên: GS.TS Lê Chí Hiệp 2 Tiểu luận môn học QLBV các nguồn năng lượng HVTH: Võ Thị Hồng Phong MỞ ĐẦU Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn dần, yêu cầu bức xúc về vấn đề ô nhiễm môi trường với những tác động gây thay đổi khí hậu toàn cầu, v.v… là những lý do khiến các nước trên thế giới từ 5 - 10 năm trở lại đây ráo riết nghiên cứu để phát triển nguồn năng lượng thay thế. Nhiên liệu sinh học (biofuel) không phải là nhiên liệu mới, đã được áp dụng đã khá lâu kể từ khi động cơ diezel đầu tiên chạy bằng dầu lạc ra đời năm 1898 được triển lãm ở Paris ( Pháp). Tác giả của động cơ diezel đầu tiên - ông Rudolf Diezel đã từng tiên đoàn rằng nhiên liệu từ sinh khối sẽ là tương lai thực cho động cơ của mình. Hơn 10 năm sau (1912) ngay cả khi dầu mỏ và than bắt đầu được đề cao, ông cũng vẫn tuyên bố: "sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu động cơ hiện thời có thể không còn ý nghĩa, song nó vẫn sẽ trở thành nguồn nhiên liệu quan trọng như dầu mỏ và than trong về sau này". Cho tới năm 1920 khi các nhà sản xuất động cơ diezel phải thay đổi động cơ của họ để sử dụng loại nhiên liệu độ nhớt thấp hơn (diezel dầu mỏ) và không dùng dầu thực vật nữa thì các cơ sở sản xuất biofuel thời đó mới dần bị loại bỏ (2011). Hiện nay có khoảng 50 nước ở khắp các châu lục đã khai thác và sử dụng nguyên liệu sinh học ở các mức độ khác nhau . Năm 2006, toàn thế giới đã sản xuất khoảng 50 tỷ lít ethcol (75% dùng làm nguyên liệu), dự kiến năm 2012 đạt khoảng 80 tỷ lít; năm 2005 sản xuất được 4 triệu tấn diesel sinh học (B100), năm 2010 sẽ tăng lên khoảng trên 20 triệu tấn (Quỳnh). Nhiên liệu sinh học đầu tiên được nghiên cứu sản xuất chủ yếu là từ các loại cây lương thực, thực phẩm như ngô, sắn, mía, đậu nành, cọ, hạt cải… Tuy làm giảm đáng kể khí CO 2 phát thải so với nhiên liệu hóa thạch, nhưng nhiên liệu sinh học đầu tiên không thực sự phát triển bền vững, do nguyên liệu làm ra lại là nguồn lương thực cho con người và gia súc, bên cạnh đó, quỹ đất trồng trên thế giới sẽ không đáp ứng đủ. Không hài lòng với những đặc điểm của nhiên liệu sinh học đầu tiên, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu ra nhiên liệu sinh học thứ hai được phát triển dựa vào lignocellulosic của các loại cây không phải là cây lương thực và có thể trồng ở các vùng đất cằn cỗi, hoang hóa (ví dụ như cây cỏ ngọt có tên là sweetgrass và cây cọc rào tên là jatropha). Mặc dù nguyên liệu thô cho sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai rất phong phú, sẵn có tùy thuộc ở từng địa phương, tuy nhiên, việc sản xuất nhiên liệu này vẫn chưa thực sự có hiệu quả kinh tế do các rào cản về mặt kỹ thuật chế biến. Hai loại nhiên liệu điển hình của nhiên liệu sinh học thế hệ 2 là cellulosic ethanol and Fischer- Tropscher fuels đều chưa được sản xuất đại trà. Tuy vậy, có thể thấy rõ nhiên liệu sinh học thế hệ thứ 2 giảm rõ rệt phát thải khí CO 2 , không cạnh tranh với cây lương thực và có thể cạnh tranh được với xăng và dầu có nguốc gốc từ dầu mỏ trong tương lai nếu có các đột phá trong công nghệ. Hiện nay, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba sản xuất từ vi tảo cũng đang được tập trung nghiên cứu. Việc dùng tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học thay thế dầu mỏ giống như một mũi tên bắn trúng hai đích: vừa tạo ra năng lượng, vừa làm sạch môi trường. Mỗi tế bào nhỏ là một nhà máy sinh học nhỏ, sử dụng quá trình quang hợp để chuyển hóa CO 2 và ánh sáng mặt trời thành năng lượng dự trữ trong tế bào và tạo ra sản phẩm thứ cấp có giá trị cao. Hoạt động chuyển đổi của chúng hiệu quả đến mức sinh khối của chúng có thể tăng gấp nhiều lần trong ngày. Ngoài ra, trong quá trình quang hợp, tảo Giảng viên: GS.TS Lê Chí Hiệp 3 Tiểu luận môn học QLBV các nguồn năng lượng HVTH: Võ Thị Hồng Phong còn sản xuất ra dầu ngay trong tế bào của chúng, nhiều gấp 30 lần lượng dầu từ đậu nành trên cùng một đơn vị diện tích. Tảo còn có thể tăng khả năng sản xuất dầu bằng cách bổ sung khí CO 2 trong quá trình nuôi trồng chúng hoặc sử dụng các môi trường giàu chất hữu cơ (như nước thải) để nuôi trồng. Điều này vừa tạo ra nhiên liệu sinh học, vừa làm giảm lượng CO 2 , cũng như làm sạch môi trường. Hiện nay, nhiên liệu sinh được dùng chủ yếu trong ngành vận tải là ethanol sinh học (thay thế một phần xăng), diesel sinh học (thay thế một phần diesel dầu mỏ) và nhiên liệu sinh học được phát triển từ tảo – thế hệ nhiên liệu thứ ba đang được quan tâm nghiên cứu. Giảng viên: GS.TS Lê Chí Hiệp 4 Tiểu luận môn học QLBV các nguồn năng lượng HVTH: Võ Thị Hồng Phong Chương 1 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.1. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI Braxin: Braxin là quốc gia đầu tiên trên thế giới có công đưa sinh học thành nhiên liệu phổ biến như ngày nay. Trong những năm 1970 khi xảy ra cuộc khủng hoảng dầu mỏ, Braxin đã chuyển hướng kịp thời, tìm cách tận dụng lợi thế của mình về ngành mía đường để sản xuất etanol làm nhiên liệu thay thế một phần năng lượng truyền thống với mục đích giảm đi sự lệ thuộc vào nguồn dầu mỏ nhập khẩu. Braxin đang là nước đi đầu về sản xuất biofuel. Nước này đã có 320 nhà máy sản xuất etanol từ cây mía; 50 nhà máy sản xuất etanol từ mía sẽ được xây dựng trong năm năm tới. Các công ty nội địa và đa quốc gia sẽ đầu tư 6 tỷ USD vào các đồn điền trồng mía ở Braxin trong năm năm tới. Hơn 30 năm phát triển, ngành công nghiệp sản xuất etanol và biofuel nói chung của Braxin đã trở thành ngành kinh tế trọng yếu của đất nước với doanh thu hàng năm lên tới gần 10 tỉ USD. Tại Braxin có tới 4,2 triệu ô tô chạy hoàn toàn bằng etanol tinh khiết và 7,2 triệu xe khác chạy sử dụng nhiên liệu hỗn hợp - xăng pha 20 - 25% etanol. Cả nước có tới 25.000 trạm cung cấp các dạng năng lượng sinh học. Etanol tại Braxin sản xuất chủ yếu từ nguồn nguyên liệu mía đường. Người ta thấy rằng nguyên liệu này hiệu quả hơn so với ngô, mặc dù Braxin cũng là nước trồng nhiều ngô nhất thế giới. Etanol của Braxin ngoài việc được sử dụng làm nhiên liệu chạy xe, còn được sử dụng làm nhiên liệu phục vụ nhiều ngành công nghiệp khác. Chính phủ Braxin đã đưa ra nhiều chính sách ưu đãi đối với ngành canh tác mía đường cũng như ngành sản xuất etanol từ nguồn nguyên liệu này nên các trang trại lớn ở Braxin đã phát triển mạnh mẽ trong suốt 25 năm qua. Braxin có nhiều kinh nghiệm trong việc trồng mía và sản xuất etanol. Từ các cánh đồng, mía được chuyên chở tới các khu vực ép và sản xuất etanol tư nhân thuộc các trang trại lớn nhỏ nằm rải rác khắp nước, ngay sát cạnh cánh đồng mía. Từ trước năm 1996, sản phẩm etanol được công ty xăng dầu nhà nước mua với giá quy định (để bảo trợ cho ngành công nghiệp đường mía - etanol phát triển). Hiện nay, quy định về giá thu mua etnol đã được bãi bỏ. Kinh nghiệm từ Braxin cho thấy một tấn mía thu được 145kg bã mía khô, 138 kg mật (trong đó có 112 kg đường và 23 kg rỉ đường), lên men rượu sẽ thu được 72 lít etanol. Lượng bã mía này có thể tạo ra 80 kWh điện năng, vừa đủ phục vụ cho bản thân hệ thống sản xuất. Chi phí sản xuất trung bình, kể cả khâu canh tác, vận chuyển, gia công, chưng cất cho mỗi gallon etanol là 0,63 USD. Do giá một lít etanol sinh học được bán ở Braxin chỉ bằng một nửa giá một lít xăng, số lượng các loại xe sử dụng etanol trực tiếp, hoặc được pha với xăng, sẽ ngày càng tăng ở đây. Giảng viên: GS.TS Lê Chí Hiệp 5 Tiểu luận môn học QLBV các nguồn năng lượng HVTH: Võ Thị Hồng Phong Ngành sản xuất cồn ở Braxin hoàn toàn tư nhân hóa, luôn được đầu tư cải tiến kỹ thuật trồng mía và sản xuất etanol nên sản lượng etanol hàng năm đều đạt 3.000 - 3.500 lít/ ha. Suốt từ 1978 đến nay tỉ lệ tăng trung bình đạt 3,5%/ năm. Riêng bang Sao Paulo, hàng năm sử dụng tới 2 triệu tấn bã mía để chạy máy phát điện, do đó đã tiết kiệm được 35 triệu USD tiền nhập khẩu nhiên liệu dầu. Hiện nay việc sử dụng etanol làm nhiên liệu chạy ô tô ở Braxin đã thay thế được cho khoảng 10 tỷ lít xăng/ năm. Braxin đang trở thành "A rập Xêút" về sản xuất etanol sinh học với loại nhiên liệu chiếm từ 22 đến 26% lượng xăng bán ra ở nước này (có tài liệu nói là gần 40% tổng lượng nhiên liệu cần thiết cho ngành giao thông). Từ đầu những năm 1980, Braxin còn chú trọng tới việc sản xuất etanol từ sắn (sản lượng thu được thấp hơn so với ngô) và từ 1 loại cây họ cọ. Braxin hiện sản xuất gần nửa lượng cồn toàn cầu (trên 16 tỉ lít/ năm, trong đó sử dụng trong nước 14,5 tỉ lít, còn xuất khẩu khoảng 1,5 - 2 tỉ lít/ 2005). Mỹ: Trung tâm Năng lượng sinh học (BESC) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ vừa công bố một quy trình công nghệ mới trong sản xuất xăng để giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ nhập khẩu. Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu tại BESC đã thành công trong việc sản xuất xăng sinh học isobutanol trực tiếp từ các nhà máy có phế liệu là xenlulôzơ, sử dụng xúc tác là vi khuẩn. Là một ancol bậc cao hơn etanol, xăng isobutanol có tính năng phù hợp hơn khi dùng thay xăng trong các ô tô thông dụng với hiệu suất nhiệt tương đương xăng. Xenlulôzơ là nguồn sinh khối có sản lượng rất lớn, cho đến nay vẫn ít đựoc tận dụng tuy có giá rẻ hơn nhiều so với đường ngô và đường mía. Tuy nhiên để thu được xăng từ sinh khối cần nhiều bước hơn nên phải đầu tư công nghệ cao hơn là lên men đường thành nhiên liệu sinh học. Dựa trên một công trình nghiên cứu trước đây của trường Đại học California tại Los Angeles (UCLA) về sản xuất isobutanol, các nhà nghiên cứu của BESC đã rút ngắn được quy trình nhờ sử dụng dòng vi khuẩn Clostriduim cellulolyticum, một loại vi khuẩn phân huỷ xenlulôzơ để tổng hợp isobutanol trực tiếp từ xenlulôzơ, chỉ qua một bước. Trong thiên nhiên, không có loài vi sinh vật nào có tất cả các đặc tính cần thiết cho một quá trình sinh học trên quy mô lớn, nên các nhà khoa học đã phải biến đổi gen của chúng để có được loài đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của minh. Clostridium cellulolyticum, tách ra từ cỏ mục đã từng được biến đổi gen để cải tiến công nghệ sản xuất etanol đã được các nhà khoa học một lần nữa chọn và ghép thêm những gen khác để thu được loại vi khuẩn biến tính dùng vao mục đích tổng hợp isobutanol. James Liao, giáo sư Phó chủ nhiệm khoa Công nghệ Hoá học và Sinh học phân tử Đại học UCLA, giám đốc dự án cho biết: "Khác với etanol, chỉ thay thế được một phần xăng theo một tỷ lệ giới hạn, ísobutanol có thể hoà trộn với xăng theo bất cứ tỷ lệ nào. Thậm chí có thể dùng trực tiếp isobutanol trong các động cơ ô tô hiện đang dùng xăng mà không cần cải tiến gì”. Giảng viên: GS.TS Lê Chí Hiệp 6 Tiểu luận môn học QLBV các nguồn năng lượng HVTH: Võ Thị Hồng Phong Đầu tuần, Bộ trưởng Bộ Năng lượng Mỹ Steven Chu đến thăm BESC để chúc mừng nhóm nghiên cứu. Ông đã nói: “Chúng ta đã chứng minh có thể nhanh chóng đi đến một thế hệ mới của năng lượng sinh học, giúp chúng ta thoát khỏi sự phụ thuộc vào dầu mỏ". "Đây là một thí dụ hoàn hảo về việc hình thành một ngành công nghệ mới - dựa trên phế liệu của nông nghiệp như rơm rạ, thân và lõi ngô, gỗ vụn và cây cỏ - để sản xuất nhiên liệu sinh học từ những nguyên liệu ít đòi hỏi phân bón và năng lượng để tạo ra” (Gizmag.com)). 1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC Ở VIỆT NAM Ở Việt Nam, từ năm 2009, Chính phủ đã bắt đầu thực hiện Chương trình quốc gia về phát triển nhiên liệu sinh học đến 2015 và tầm nhìn đến 2025. Chương trình gồm một số dự án như các dự án về xây dựng Nhà máy sản xuất ethanol sinh học từ sắn, mía do PetroVietNam chủ trì đã được khởi công. Theo kế hoạch đến năm 2011, sẽ có 5 nhà máy sản xuất ethanol từ sắn sẽ được xây dựng với công suất thiết kế 365.000 tấn/năm, có khả năng sản xuất 7.3 x 10 6 tấn xăng E5. Cùng trong năm 2010, chương trình nghiên cứu Quy trình công nghệ nuôi trồng và sản xuất vi tảo làm nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học đã được phê duyệt. Chương trình kéo dài 3 năm từ 2009 - 2011, do Viện Công nghệ Sinh học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam chủ trì. Cho đến nay, chương trình đã và đang thực hiện các nội dung nghiên cứu như: - Sàng lọc các chủng/loài vi tảo (cả nước mặn và nước ngọt) trong tập đoàn giống của Việt Nam có hàm lượng carbonhydrate (làm nguyên liệu cho ethanol) hoặc giàu lipid và có thành phần axit béo phù hợp (làm nguyên liệu cho diesel sinh học). Kết quả sàng lọc đã cho thấy một số loài thuộc chi Tetraselmis, Nannochloropsis, Chlorella và một số loài vi tảo dị dưỡng khác là tiềm năng để trở thành nguồn nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam. - Nuôi trồng và thu sinh khối một số loài tảo lựa chọn được trên qui mô lớn, cả ở hồ và hệ thống bioreactor kín. - Nghiên cứu giảm giá thành sản xuất sinh khối thông qua tối ưu hóa các quá trình nuôi trồng, thu hoạch sinh khối, nhằm tạo ra nguyên liệu từ vi tảo có giá cạnh tranh so với các loại nguyên liệu khác. - Kết hợp sản xuất sinh khối và xử lý nước thải từ các làng nghề truyền thống hoặc hấp thụ khí thải CO 2 từ các nhà máy điện. Tối ưu hóa quá trình kết hợp này vừa giảm giá thành sinh khối, vừa giải quyết vấn đề môi trường. - Phát triển quy trình chuyển hóa từ sinh khối tảo thành dầu tảo, sau đó thành diesel sinh học. Trong xu thế chung của thế giới, nhiên liệu được sản xuất từ sinh khối tảo có một tiềm năng lớn và đang được tập trung nghiên cứu phát triển. Theo các chuyên gia nghiên cứu về nhiên liệu sinh học của Việt Nam, chúng ta có nguồn quỹ gen vi tảo rất tiềm năng, có khả năng tìm kiếm và ứng dụng để tạo ra nguồn sinh khối cao có hàm lượng dầu tảo cao. Ngoài ra, với điều kiện địa lý phù hợp và bờ biển dài hơn 3.000 km, Việt Nam còn có tiềm năng lớn trong việc sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối tảo, góp phần vào bảo đảm an ninh năng lượng cho đất nước. Giảng viên: GS.TS Lê Chí Hiệp 7 Tiểu luận môn học QLBV các nguồn năng lượng HVTH: Võ Thị Hồng Phong Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC 2.1. ETANOL (CỒN, RƯỢU ETYLIC) Etanol là rượu no, đơn chức, chứa 2 nguyên tử các bon, có công thức C 2 H 5 OH, có thể sản xuất theo phương pháp hóa học từ nguyên liệu etan hoặc etylen. Trên thực tế etanol thường được sản xuất bằng con đường sinh học. Khi đó sản 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 thể thay thế hoàn toàn xăng trong động cơ ô tô. Ở Brazil 60% etanol sản xuất ra ở đây được bán dưới cồn thô (93% etanol và 7% nước), 40% còn lại được tinh cất thành cồn khô (trên 99% etanol) để pha vào xăng (với tỷ lệ lên tới 24%). Công nghệ chiếm ưu thế hiện nay là chuyển hóa sinh khối thành etanol thông qua lên men rượu rồi chưng cất. Quá trình lên men rượu này là quá trình chuyển hóa sinh hóa học. Sinh khối sẽ bị men của vi khuẩn hoặc nấm men phân hủy. Phương pháp lên men có thể áp dụng đối với nhiều nguồn nguyên liệu sinh khối khác nhau. 2.1.1. 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, đại mạch…). Năng suất etanol trung bình dao động từ 2.100 đến 5.600 lít/ ha đất trồng trọt tùy thuộc vào từng loại cây trồng. Đối với các loại hạt, năng suất etanol thu được vào khoảng 2.800 lít/ha, tức là vào khoảng 3 tấn nguyên liệu hạt sẽ thu được 1 tấn etanol. Hiện nay các hoạt động nghiên cứu và phát triển ở châu Âu về lĩnh vực etanol sinh học (bioetanol) chủ yếu tập trung vào sử dụng các nguồn nguyên liệu xenlulo (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 gỗ khô hoặc cỏ khô đã có thể cho 1 tấn etanol. Nguyên nhân khiến người ta chuyển sang 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 với những 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. 2.1.2. Công Nghệ Chuyển Hóa Etanol Như trên đã nói etanol có thể sản xuất từ các loại nguyên liệu sinh khối khác nhau, nhưng chỉ có một vài loại cây trồng chứa loại đường đơn giản, dễ tách nên thuận 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 phức tạp hơn nên phải phân hủy chúng thành đường đơn nhờ quá trình thủy phân. Giảng viên: GS.TS Lê Chí Hiệp 8 Tiểu luận môn học QLBV các nguồn năng lượng HVTH: Võ Thị Hồng Phong Hạt được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão. Trong quá trình này đã có một lượng đường được giải phóng. Nhưng để chuyển hóa tối đa lượng tinh bột thành đường, tạo điều kiện lên men rượu, bột nhão được nấu và cho thủy phân bằng enzym (ví dụ amylaza). Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào khối bột nhão trước khi đem nấu. Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có mặt một số chủng men rượu. Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dịch thủy phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 - 5,0. Etanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nước. Quá trình lên men rượu này sinh ra CO 2 . Nhờ hàng loạt bước chưng cất và tinh cất để loại 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 tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá trình lên men. Thủy phân hỗn hợp xenlulo khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp 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 từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơn xenlulo. Nói chung hỗn hợp xenlulo 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 việc khác. Quá trình xử lý nguyên liệu thành đường tự do sẵn sàng lên men phải trải qua 2 bước: bước 1 thủy phân bằng axit loãng nồng độ 0,5% để phá vỡ liên kết hyđro giữa các mạch xenlulo và phá vỡ cấu trúc tinh thể của chúng thực hiện ở nhiệt độ 200 o C. Kết quả thủy phân bước 1 sẽ chuyển hóa hemixenlulo thành đường C 5 và C 6 (chủ yếu xylo và mano) dễ lên men tạo thành etanol đồng thời bẻ gãy cấu trúc xenlulo. Để chuyển hóa hoàn toàn cấu trúc xenlulo đã gãy thành đường gluco C 6 , bước thủy phân thứ 2 sử dụng axit nồng độ 2% được thực hiện ở nhiệt độ 240 o C. Quá trình thủy phân xenlulo thành gluco bằng axit có thể thay thế bằng men phân hủy xenlulo. Sản phẩm etanol khan có thể sử dụng làm nhiên liệu ô tô cả dưới dạng tinh khiết 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 nguyên liệu sản xuất etylterbutyleter (ETBE)- một phụ gia cho xăng. Etanol còn được dùng làm yếu tố tăng chỉ số octan cho xăng và qua đó giảm nổ và cải thiện tiếng ồn động cơ. 2.1.3. Sử Dụng Etanol Chỉ số octan ở etanol cao nên rất thích hợp với hệ đánh lửa động cơ đốt trong của ô tô, song chỉ số xetan thấp nên không thích hợp lắm với động cơ diezel. Giải pháp kỹ thuật đối với điều này là người ta sẽ đưa vào nhiên liệu này một lượng nhỏ dầu diezel hoặc là sử dụng phụ gia. Bảng 1: So sánh một số chỉ tiêu giữa etanol, xăng và ETBE Đặc tính nhiên liệu Etanol ETBE Xăng Công thức hóa học C 2 H 5 OH C 4 H 9 -OC 2 H 5 (Quy ước) C 8 H 15 Trọng lượng phân tử (kg/kmol) 46 102 111 Chỉ số octan (RON) 109 118 97 Chỉ số octan (MON) 92 105 86 Chỉ số xetan 11 - 8 Giảng viên: GS.TS Lê Chí Hiệp 9 Tiểu luận môn học QLBV các nguồn năng lượng HVTH: Võ Thị Hồng Phong Chỉ số octan của etanol cao hơn xăng nên có tác dụng giảm tiếng ồn động cơ tốt hơn, hơn nữa etanol chứa oxy nên hiệu quả nhiên liệu ở động cơ được cải thiện hơn. Pha trộn với tỉ lệ hợp lý giữa etanol và xăng sẽ làm tăng hiệu quả động cơ xe. Các loại xe chạy nhiên liệu xăng pha etanol được gọi là xe chạy nhiên liệu gasohol. Thông thường gasohol có tỉ lệ pha trộn 10% etanol 90% xăng không pha chì (E10). Nếu xe được cải thiện bộ phận đánh lửa ở động cơ, có thể chạy với nhiên liệu gasohol E85 (85% etanol và 15% xăng). Đa số các loại xe thiết kế ở Mỹ hiện nay có thể chạy nhiên liệu tùy ý cả E85 lẫn chạy hoàn toàn xăng (E0). Dùng gasohol có tỷ lệ pha trộn từ 10 - 30% etanol vào xăng thì không cần cải tiến động cơ xe. 2.2. METANOL (RƯỢU METYLIC, CỒN GỖ, CACBINON) Cũng như etanol, metanol được sử dụng làm nhiên liệu cho xe ô tô từ lâu, đặc biệt là ở Mỹ. Metanol có thể sản xuất từ khí tổng hợp - sản phẩm khí hóa sinh khối và các nguồn khác đồng thời cũng có thể đi từ khí tự nhiên. Metanol được sản xuất từ nguồn nguyên liệu đi từ sinh vật đang được khuyến cáo phát triển sử dụng làm nguyên liệu tái tạo thay thế nhiên liệu dầu mỏ. 2.2.1. Nguyên Liệu Sinh Khối Metanol có thể được sản xuất từ sinh khối, thường là củi gỗ. Để sản xuất 1 tấn metanol cần gần 2 tấn gỗ khô, có nghĩa năng suất sẽ là 550 lít metanol/ 1 tấn gỗ. Năng suất metanol từ nguyên liệu thân thảo khô (cỏ khô) còn thấp hơn, đạt khoảng 4.50 l/tấn. 2.2.2. Công Nghệ Chuyển Hóa Sản Xuất Metanol Metanol thu được thông qua quá trình chuyển hóa khí tổng hợp. Để thu được khí tổng hợp từ nguyên liệu sinh khối, người ta tiến hành khí hóa sinh khối dưới điều kiện áp suất và nhiệt độ cao. Khí tổng hợp sau khi khử bỏ tạp chất sẽ được đưa vào lò phản ứng có xúc tác để tạo thành metanol. Công nghệ trước đây sử dụng xúc tác kẽm cromat trong điều kiện áp suất cao (300 - 1000 atm) và nhiệt độ cao (khoảng 400 o C), thực hiện trong pha khí. Công nghệ hiện nay chủ yếu tiến hành trong pha lỏng với xúc tác hợp lý hơn ở nhiệt độ và áp suất thấp hơn nhưng cho hiệu quả cao hơn. Công nghệ chuyển hóa metanol hiện nay cho phép đạt được hiệu suất tới 95%. 2.2.3. Sử Dụng Metanol Metanol có thể ứng dụng trong hầu hết loại xe cộ và có thể được sử dụng như là nhiên liệu riêng hoặc pha trộn với xăng. Metanol có chỉ số xetan thấp (5 so với 50 ở diezel dầu mỏ) nên tinh chất đánh lửa kém, rất khó thích hợp với động cơ diezel, tuy nhiên nhờ chỉ số octan cao nên sử dụng thay thế xăng ở động cơ xe ô tô lại cho kết quả tốt. Hầu như 1,2 tỉ galon metanol được sản xuất tại Mỹ hiện nay được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất MTBE (metylterbutyleter) một phụ gia xăng. Để làm nhiên liệu trực tiếp, metanol chỉ phù hợp cho một số loại xe có động cơ hoạt động với tỷ số nén cao. Giảng viên: GS.TS Lê Chí Hiệp 10 [...]... nguồn nhiên liệu hoá thạch Do đó, vấn đề sử dụng năng lượng sạch th y thế cho các nguồn nhiên liệu hoá thạch đang ngày càng cạn kiệt và gay ô nhiễm môi trường là giải pháp tối ưu để giảm thiểu lượng khí nhà kính này và nhiên liệu sinh học là một trong những lựa chọn đó vì nhiên liệu sinh học có vai trò cân bằng môi trường vì nhiên liệu sinh học được sản xuất từ sinh khối, là loại vật liệu xuất phát từ sinh. .. năm, khí tự nhiên 80 năm, than 150-200 năm Tại Việt Nam, các nguồn năng lượng tự nhiên này có thể còn hết trước thế giới một vài chục năm Trong bối cảnh đó, các chuyên gia kinh tế năng lượng đã dự báo đến trước năm 2020, Việt Nam sẽ phải nhập khoảng 12%-20% năng lượng, đến năm 2050 lên đến 50%-60%, chưa kể điện hạt nhân (Online 2007) Như vậy, việc phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam nói riêng... hoàn toàn nhiên liệu hoá thạch được vì chi phí và giá bán cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học cao hơn rất nhiều so với việc sử dụng nhiên liệu hoá thạch Do đó, chúng ta phải đưa ra định mức khai thác và định giá cho việc khai thác nguồn nhiên liệu này, có như vậy mới kiểm soát được việc khai thác ồ ạt nhiên liệu này như hiện nay Giảng viên: GS.TS Lê Chí Hiệp 28 Tiểu luận môn học QLBV các nguồn năng lượng... rừng sẽ góp phần làm tăng gánh nặng kinh tế cho đất nước Trong tương lai ở Việt Nam, nhiên liệu sinh học sẽ phát triển thành một nền công nghiệp nhiên liệu sinh học, do đó không thể chỉ dừng lạo ở mức sản xuất nhỏ lẻ, mà sẽ phát triển tập trung Khi đó, những thương gia giàu có sẽ mua đất của những nông dân giàu có không có khả năng phát triển lớn mạnh, và sẽ thuê những nông dân này làm thuê cho họ Như... từ không khí để tăng trưởng suốt quá trình sống của chúng bằng con đường quang hợp sẽ quay trở lại bầu khí quyển khi chúng đã bị chuyển hóa thành năng lượng Để có thể coi đó là nguồn năng lượng tái tạo thì ít nhất kho sinh khối đó phải được duy trì không thay đổi Bởi vì trong chu trình không có lượng CO 2 thừa và nhiên liệu sinh sinh học chạy xe phát tán ngược trở lại nên nhiên liệu có thể được coi là... ra ở Đức từ những năm 1920 và được áp dụng để sản xuất được nhiên liệu tổng hợp vào những năm 1930 Về cơ bản, đến nay nhiên liệu hóa thạch thường được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình này Các phát triển hiện nay tập trung vào việc sản xuất nhiên liệu Fischer - Tropsch trên cơ sở sinh khối Cũng giống như quá trình chuyển hóa metanol và DME, công nghệ Fischer - Tropsch cũng bắt đầu bằng khí hóa sinh. .. sản xuất hàng loạt, thay thế các xe sử dụng xăng và diezel hiện thời Tuy nhiên, các chuyên gia dự đoán còn cần ít nhất một thập kỷ nữa mới giải quyết được về cơ bản các vấn đề đặt ra khi sử dụng hydro làm nhiên liệu Giảng viên: GS.TS Lê Chí Hiệp 23 Tiểu luận môn học QLBV các nguồn năng lượng HVTH: Võ Thị Hồng Phong Chương 3 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM (Ý KIẾN CÁ NHÂN) 3.1 THUẬN LỢI 3.1.1... với các loại hạt, năng suất etanol thu được vào khoảng 2.800 lít/ha, tức là vào khoảng 3 tấn nguyên liệu hạt sẽ thu được 1 tấn etanol Như vậy, với tổng sản lượng lương thực có hạt như ngô ở bảng trên là 3.690 nghìn tấn sẽ thu được 1.230 nghìn tấn etanol Với ước tính này cho thấy tìm năng phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam là rất to lớn 3.1.2 Tạo Việc Làm Cho Người Lao Động Việt Nam chúng ta đang... được nên thực nghiệm phải bỏ dở Vì nhiên liệu sinh học được quan tâm trở lại vào những năm 1990, nên công nghệ nói trên đã được Công ty Dutch Biofuel sau này do các cựu nhân viên Shell thành lập tiếp tục nghiên cứu phát triển 2.5.1 Nguyên Liệu Sinh Khối Công nghệ HTU có thể được sử dụng để chuyển hóa hàng loạt nguyên liệu sinh khối khác nhau Các nguyên liệu thích hợp, khả thi có thể là cả rác thải... thay thế CFCs trong hộp phun Hiện DME vẫn giữ vai trò chủ yếu trong ứng dụng này, chiếm tới 90% lượng DME sản xuất toàn cầu DME cũng được sử dụng làm chất cải thiện khả năng đánh lửa ở động cơ chạy bằng metanol Ngoài ra DME còn được sử dụng làm nhiên liệu cho nhà máy phát điện và phục vụ các nhu cầu dân dụng (nấu ăn và sưởi ấm), tuy nhiên thị trường này hiện chưa phát triển Hiệp hội DME quốc tế (IDA) . LỤC MỞ ĐẦU 3 Chương 1 5 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 5 1.1. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI 5 1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC Ở. cỏ - để sản xuất nhiên liệu sinh học từ những nguyên liệu ít đòi hỏi phân bón và năng lượng để tạo ra” (Gizmag.com)). 1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC Ở VIỆT NAM Ở Việt Nam, từ năm 2009,. SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.1. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI Braxin: Braxin là quốc gia đầu tiên trên thế giới có công đưa sinh học thành nhiên