Sản xuất dầu lai - bước đầu của công nghiệp năng lượng sinh học

Các chương trình nghiên cứu nhiên liệu sinh học biomass trên thế giới tập trung vào ba lãnh vực: xử lý sơ bộ - dự trữ - chuyên chở. Quy trình chế biến cellulosics ra éthanol bằng phương pháp hóa sinh học và ra diesel tổng hợp bằng phương pháp Fischer Tropsch. Ưu điểm của nhiên liệu sinh học, so với các năng lượng khác, là dùng được cho các động cơ đốt trong. Nhưng việc sử dụng này đòi hỏi phải thay đổi một số bộ phận của động cơ nếu nhiên liệu pha trộn quá 5% éthanol hay quá 10% biodiesel.

Để giải quyết các vấn đề khan hiếm dầu mỏ và sưởi ấm trái đất, trong tương lai dài hạn, điện sẽ là năng lượng của các phương tiện giao thông; nhưng trong suốt thế kỷ 21 này, thế giới vẫn cần nhiên liệu cung cấp cho các xe động cơ đốt trong; nhiên liệu sinh học có tiềm năng phát triển cao để thay thế một phần xăng dầu. Đây cũng là một cơ hội tốt để phát triển kinh tế ở các nước nằm trong vùng nhiệt đới và không có mỏ dầu.

Những giai đoạn nghiên cứu nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học sẽ tăng từ 1% đến 10% của nhiên liệu tiêu thụ thế giới trong 20 năm tới. Giai đoạn đầu, tới 2015, nhiên liệu sinh học sẽ được sản xuất từ đường, amidon hay dầu có sẵn trong các nguyên liệu sinh học, chủ yếu là các sản phẩm lương thực như mía, ngô, củ cải đường, dầu hướng dương,..., loại này gọi là nhiên liệu sinh học thế hệ 1. Các nhiên liệu này đã được sản xuất ở mức độ công nghiệp nhưng gặp nhiều chống đối vì dùng lương thực để phục vụ giao thông trong khi đó còn hàng triệu người trên thế giới không đủ ăn. Nhưng một số loại cây dầu như dầu lai có thể mọc ở các vùng đất khô hạn và bạc màu đang được phát triển mạnh vì không cạnh tranh với lương thực và có tiềm năng giảm nghèo nhiều vùng ở các nước đang phát triển.

Nhiều nước trên thế giới đang nghiên cứu phát triển các nhiên liệu sản xuất từ cây gỗ (cả thân cây lẫn cành và lá) các phế phẩm nông nghiệp, công nghiệp chế biến gỗ và thực phẩm, rác thải của rừng,… loại này gọi là nhiên liệu sinh học thế hệ 2. Theo các kế họach phát triển của châu Âu và Mỹ, các nhiên liệu này sẽ đi vào sản xuất công nghiệp khoảng 2015. Về dài hạn, các tảo biển, có hàm lượng dầu rất cao, có thể dùng để sản xuất biodiesel. Nhiên liệu này gọi là nhiên liệu sinh học thế hệ 3.

Các chương trình nghiên cứu khoa học kỹ thuật

Hiện nay, các chương trình nghiên cứu khoa học kỹ thuật trên thế giới tập trung vào ba hướng: phát triển công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ 1, Việt Nam có chương trình phát triển từ cây dầu lai; nghiên cứu chế biến nhiên liệu sinh học thế hệ 2 và tối ưu ứng dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ nhiệt. Nghiên cứu về nhiên liệu sinh học 3 còn giới hạn trong các phòng thí nghiệm.

Sự phát triển công nghiệp chế biến ethanol và biodiesel từ các sản phẩm lương thực và các cây dầu tùy thuộc nhiều vào giá của baril dầu hoặc điều kiện ở mỗi địa phương. Sản xuất ethanol từ mía đã được phát triển tại Brasil từ hơn 30 năm nay với giá thành cạnh tranh được xăng; hiện nay, ethanol chiếm 50% thị trường nhiên liệu Brasil và được xuất sang châu Âu. Vì tình hình căng thẳng trên thế giới và viễn cảnh tăng giá baril dầu, công nghiệp chế biến nhiên liệu từ lương thực được phát triển khắp nơi.

Việt Nam không có điều kiện dùng đất trồng cây lương thực để trồng “cây năng lượng’. Tuy nhiên, cây dầu lai có thể phát triển trên đất đất cằn cỗi của các vùng nhiệt đới, là một giải pháp hợp lý với điều kiện của Việt Nam . Sự thành công của kế hoạch này tùy thuộc nhiều vào hiệu năng của tổ chức phối hợp giữa các khâu của quá trình sản xuất:

- Nắm vững kinh nghiệm và kỹ thuật trồng. Năng suất của 1 hecta dầu lai, sau 5 năm trồng, có thể cho từ 2 tấn hạt mỗi năm đến 12 tấn tùy theo chất phẩm của hạt giống, kỹ thuật trồng và lượng nước tưới; 1 tấn hạt có thể cho từ 2000 đến 3500 lít biodiesel.

- Phối hợp chặt chẽ vốn đầu tư và tổ chức điều hành giữa các khâu của quá trình sản xuất; nhiều nước đã gặp khó khăn vì thiếu máy ép dầu tại chỗ trồng, thiếu phương tiện bảo quản và phương tiện chuyên chở từ nơi trồng đến xưởng chế biến.

- Chương trình phát triển dầu sinh học nằm trong chiến lược năng lượng quốc gia với mục đích chính yếu là bảo đảm nhu cầu năng lượng khi có khủng hoảng dầu khí trên thế giới hoặc giá baril dầu quá cao, thứ yếu là lợi nhuận nhưng có nhiều rủi ro gắn liền với giá baril dầu.

Do đó, để bảo đảm khả năng phát triển của công nghiệp này trước những biến động của thị trường dầu mỏ quốc tế, chương trình này phải là một đầu tư dài hạn quốc gia.

- Xử lý các sản phẩm phụ nhiều protein để làm phân bón hay thức ăn cho gia súc để giảm giá thành biodiesel.

- Định những quy chuẩn về chất phẩm dầu sản xuất và kiểm tra nhiên liệu pha trộn để không có ảnh hưởng lên hiệu năng và tính bền của máy.

Nhưng các hạt dầu lai chứa chất độc “curcine” nên ăn độ 4-5 hạt có thể chết, và cây chứa các “esters phorbol” tỏa ra mùi gây khó chịu cho người thở và có thể ảnh hưởng trên sức khỏe. Hiện tại, những ảnh hưởng của dầu lai trên sức khỏe con người chưa được xác định rõ bởi các nghiên cứu khoa học, nên cuộc tranh luận giữa những người ủng hộ và chống đối không dựa trên những cơ sở khoa học vững chắc. Một bên dựa vào những trường hợp ngộ độc đã xảy ra và một bên lý luận rằng các cây này đã được trồng làm hàng rào bảo về nhà ở và ruộng vườn từ bao nhiêu đời ở các vùng nhiệt đới. Trong điều kiện hiện tại, chúng ta cần phải cẩn trọng, giới hạn trồng trong các đồn điền và bắt đầu bằng một vài đơn vị thử nghiệm với những biện pháp phòng ngừa thích ứng; đồng thời phải nghiên cứu những ảnh hưởng của jatrophe trên sức khỏe con người và tìm những biện pháp bảo vệ hữu hiệu các công nhân.

Phát triển công nghiệp sản xuất nhiên liệu thế hệ 2

Giá sản xuất các nhiên liệu này còn quá cao so với xăng và diesel vì quá trình chế biến và dây chuyền sản xuất chưa được tối ưu, giá các enzym còn quá đắt. Các chương trình nghiên cứu trên thế giới, đặc biệt ở Mỹ và châu Âu, tập trung vào ba lãnh vực sau đây:

Xử lý sơ bộ - dự trữ - chuyên chở: các kỹ thuật tách rời cellulose với lignine ít tiêu thụ năng lượng và rẻ; các phương pháp “cô đọng năng lượng” để giảm khối lượng chuyên chở biomass tới các xưởng chế biến; các điều kiện dự trữ.

Quy trình chế biến éthanol bằng phương pháp hóa sinh học: tăng hiệu suất kỹ thuật thủy phân lignocellulose bằng enzyme và giảm giá sản xuất enzyme. Mỹ đã đề ra mục tiêu giảm 70% giá enzyme so với giá 2007 và giá sản xuất éthanol xuống tới 0,4 USD/lít năm 2012; kỹ thuật chế biến pentose, từ hémicellulose, ra éthanol.

Quy trình chế biến nhiên liệu tổng hợp Fischer Tropsch còn nhiều khâu kỹ thuật phải được tối ưu trước khi đi vào sản xuất công nghiệp: thủy hóa và khí hóa để chế biến biomass ra khí tổng hợp. Phương pháp Fischer Tropsch, sản xuất biodiesel từ khí tổng hợp, cần phải được tiếp tục nghiên cứu để tăng hiệu suất. Hiện tại, 12 tấn nguyên liệu khô mới cho có khoảng 1,5 – 1,8 tấn biodiesel.

Ứng dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ

Ưu điểm của nhiên liệu sinh học, so với các năng lượng khác, là dùng được cho các động cơ đốt trong. Nhưng, bởi sự khác biệt về cấu trúc hóa học, như chứa oxy và các dây chuyền dài hơn, những nhiên liệu sinh học có những đặc tính lý hóa khác so với các nhiên liệu dầu mỏ nên có tác động quan trọng trên các động cơ thiết kế cho xăng và diesel trên những lãnh vực: sự ăn mòn và thoái hoá các vật liệu; quy trình đốt cháy nhiên liệu trong phòng đốt; thủy động lực của các nhiên liệu trong các hệ thống dẫn và phun. Những tác động này không có ảnh hưởng đáng kể trên hiệu năng và điều hành xe nếu nhiên liệu pha trộn không quá 5% ethanol hay 10% biodiesel.

Nếu không thực hiện những sửa đổi thích ứng, hiệu năng và tính bền xe sẽ bị giảm và bảo quản sẽ tốn kém hơn.

Điều hành và hiệu năng: hệ thống phun như máy bơm và vòi phun thích ứng với tỷ khối và độ nhờn: lưu lượng, perte de charge,... Thay đổi tỷ số nén phù hợp với các chỉ số octan và cetan; đổi tỷ số steochiometrie từ 14,4 (xăng) sang 8,95 (ethanol 100%). Các xe flex-fuel đã được thiết kế với một hệ thống điều chỉnh tự động để có thể sử dụng cồn éthanol và xăng. Hiện tại, Brasil có 7 triệu xe flex-fuel. Ở thị trường Mỹ và châu Âu bắt đầu xuất hiện loại xe này.

Vì nhiệt trị thấp, tự trị của xe chạy bằng ethanol chỉ bằng 0,65 tự trị của xe xăng.

Độ bền: vì khả năng oxy hóa và dung môi cao hơn xăng và diesel, cần phải đổi những vật liệu của các hệ thống có tiếp xúc với nhiên liệu như hệ thống dẫn nhiên liệu, phun... và các gioang cao su; nói chung nên tránh sự tiếp xúc với một số vật liệu như đồng, thiết, cao su, polyurethane... Các nhiên liệu sinh học sẽ bị thoái biến nếu tích lũy quá lâu (hơn 6 tháng), đặc biệt nếu độ ẩm hay nhiệt độ cao. Những thay đổi diều kiện điều hành của phòng đốt và nhiệt độ khí thải có ảnh hưởng lên hiệu năng và độ bền của các hệ thống lọc khí thải (bụi dầu, Nox, Co và HC).

Bảo dưỡng: tính ổn định oxy hóa và nhiệt thấp, sức hút nước cao, các nhiên liệu sinh học dễ đóng cặn, đóng cáu trên pítông, xú páp, nên phải làm vidange thường hơn và giới hạn thời gian dự trữ. Sức hấp thụ nước cao của nhiên liệu sinh học có ảnh hưởng trên điều hành máy nếu không được dự trữ theo đúng tiêu chuẩn.

Biodiesel có những tác động tương tự trên động cơ nhưng yếu hơn so với ethanol vì sự khác biệt của các đặc tính như nhiệt trị, chỉ số cetan,... yếu hơn.

Nhiên liệu sinh học sẽ là một trong những năng lượng tương lai của thế kỷ 21. Quy trình phát triển của nhiên liệu này đang bắt đầu từ các sản phẩm lương thực để chuyển qua, khoảng năm 2015, biomass và cuối cùng các tảo bỉển sẽ được dùng làm nguyên liệu chính. Tại các nước vùng nhiệt đới, công nghiệp chế biến biodiesel từ các cây dầu, như cây dầu lai có thể mọc ở các vùng đất cằn cỗi, đang được phát triển mạnh. Các chương trình này có mục đích, một mặt đóng góp khoảng 5-10% nhu cầu năng lượng giao thông và mặt khác xây dựng một cơ sở khoa học kỹ thuật để phát triển nhiên liệu thế hệ 2, từ biomass và thế hệ 3, từ tảo biển.

Sự phát triển nhiên liệu sinh học cũng cần nắm vững những điều kiện ứng dụng trên các động cơ xăng và diesel, để một mặt nắm vững những yêu cầu kỹ thuật của nhiên liệu và mặt khác tránh những hư hỏng của xe hiện tại, chính yếu là những xe dùng xăng và diesel.