Thực trạng sử dụng nhiên liệu sinh học ở việt nam và các giải pháp tăng tỉ lệ tiêu thụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM VIỆT LONG

THỰC TRẠNG SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC Ở VIỆT NAM
VÀ CÁC GIẢI PHÁP TĂNG TỶ LỆ TIÊU THỤ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
GS.TS PHẠM MINH TUẤN

HÀ NỘI – 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết
quả nghiên cứu là trung thực.

Hà Nội, ngày 19 tháng 3 năm 2014
Tác giả

Phạm Việt Long


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC ........................... 3
1.1.1 Khái niệm chung về nhiên liệu sinh học ............................................... 3
1.1.2 Ưu nhược điểm của nhiên liệu sinh học ................................................ 4
1.1.2.1 Ưu điểm .................................................................................................. 4
1.1.2.2 Nhược điểm............................................................................................. 5
1.2 CÁC LOẠI SẢN PHẨM DÙNG LÀM NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ
PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP ......................................................................... 6
1.2.1 Cồn ............................................................................................................ 6
1.2.1.1 Methanol ................................................................................................ 6
1.2.1.2 Ethanol ................................................................................................... 7
1.2.2 Dầu thực vật .............................................................................................. 7
1.2.3 Metyl este .................................................................................................. 7
1.2.4 Hợp chất chứa oxy ................................................................................... 8
1.2.5 Dimetyl este (DME) ................................................................................. 9
1.2.6 Dimetyl cacbonate (DMC) ..................................................................... 10
1.3 CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU SINH HỌC THƯỜNG DÙNG CHO
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .............................................................................. 10
1.3.1 Biodiesel ................................................................................................... 10


1.3.1.1 Khái niệm ............................................................................................. 10
1.3.1.2 Khái quát chung về nguyên liệu để tổng hợp biodiesel .................... 10
1.3.1.2.1 Giới thiệu chung ................................................................................ 11
1.3.1.2.2 Các nguồn nguyên liệu để tổng hợp biodiesel ................................ 12
1.3.1.2.3 Các nguồn nguyên liệu khác ............................................................ 16
1.3.1.3 Công nghệ chuyển hóa biodiesel ........................................................ 16
1.3.1.4 So sánh chất lượng của biodiesel và diesel khoáng .......................... 19

1.3.1.4.1 Chỉ tiêu chất lượng của biodiesel .................................................... 19
1.3.1.4.2 Ưu điểm của biodiesel ...................................................................... 21
1.3.1.4.3 Nhược điểm của biodiesel ................................................................ 23
1.3.1.5 Tỷ lệ pha chế và tính chất khói thải của nhiên liệu biodiesel .......... 23
1.3.2 Xăng ethanol ........................................................................................... 25
1.3.2.1 Các tính chất của ethanol ................................................................... 25
1.3.2.1.1 Tính chất vật lý ................................................................................. 25
1.3.2.1.2 Tính chất hóa học ............................................................................. 26
1.3.2.2 Công nghệ chuyển hóa ethanol .......................................................... 27
1.3.2.3 Chỉ tiêu chất lượng của ethnol pha và pha vào xăng ....................... 29
1.3.2.4 Chỉ tiêu chất lượng của xăng ethanol ................................................ 29
1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU
SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI ....................................................................... 32
1.4.1. Tình hình phát triển nhiên liệu biodiesel ............................................ 32
1.4.2. Tình hình phát triển nhiên liệu xăng ethanol ..................................... 34
CHƯƠNG 2. THỰC TRẠNG PHÁT TRIỂN, SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU
SINH HỌC Ở VIỆT NAM
2.1 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU ETHANOL Ở
VIỆT NAM ...................................................................................................... 38
2.1.1 Nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol ở việt nam ............................. 38


2.1.2. Chiến lược sản xuất và sử dụng ethanol ở Việt Nam ......................... 41
2.2. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL
TẠI VIỆT NAM .............................................................................................. 49
2.2.1. Thực trạng phát triển sản xuất biodiesel tại Việt Nam ..................... 49
2.2.2. Tình hình sử dụng nhiên liệu Biodiesel tại Việt Nam ........................ 56
2.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM VỀ NHIÊN LIỆU
SINH HỌC Ở VIỆT NAM .............................................................................. 57
2.3.1 Đề tài độc lập cấp nhà nước mã số ĐTĐL.2007/19 ............................. 57

2.3.2 Thử nghiệm nhiên nhiên liệu Biodiesel có thành phần 80% diesel pha
20% dầu dừa và 90% diesel pha thêm 10% dầu dừa trên động cơ diesel 1
xylanh AVL5402 (tiến hành tại phòng thí nghiệm động cơ đốt trong của
Trường ĐH Bách khoa Hà Nội) ..................................................................... 63
2.3.3 Nghiên cứu tác động của việc sử dụng E5, E10 khả năng phát thải của
động cơ xăng .................................................................................................... 69
2.3.4 Nghiên cứu tương thích vật liệu động cơ xe máy khi sử dụng nhiên liệu
xăng pha cồn .................................................................................................... 71
CHƯƠNG III. GIẢI PHÁP NÂNG CAO LƯỢNG TIÊU THỤ NHIÊN LIỆU
SINH HỌC TẠI VIỆT NAM
3.1 NÂNG CAO TỶ LỆ ETHANOL PHA TRONG XĂNG ......................... 73
3.2 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL PHA CỒN ............ 79
3.2.1 Một số chú ý khi sử dụng nhiên liệu disel pha cồn .............................. 80
3.2.2 Kết quả nghiên cứu, thử nghiệm nhiên liệu diesel pha cồn ................ 81
3.3 CÁC CHÍNH SÁCH HỖ TRỢ PHÁT TRIỂN NHIÊN LIỆU SINH HỌC
Ở VIỆT NAM .................................................................................................. 86
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 89
PHỤ LỤC
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU
FFA
NLSH

GIẢI THÍCH KÝ HIỆU
Free fatty acid (thành phần axit béo tự do)
Nhiên liệu sinh học

B5

Nhiên liệu pha 95% diesel và 5% biodiesel

B10

Nhiên liệu pha 90% diesel và 10% biodiesel

B20

Nhiên liệu pha 90% diesel và 10% biodiesel

E0

Nhiên liệu xăng

E5

Nhiên liệu pha 95% xăng và 5% ethanol

E10

Nhiên liệu pha 90% xăng và 10% ethanol

E15

Nhiên liệu pha 85% xăng và 15% ethanol

E20

Nhiên liệu pha 80% xăng và 20% ethanol

E85

Nhiên liệu pha 15% xăng và 85% ethanol

E100

Ethanol

ED5

Nhiên liệu pha 95% diesel và 5% ethanol

ED10

Nhiên liệu pha 90% diesel và 10% ethanol

ED20

Nhiên liệu pha 80% diesel và 200% ethanol

MTBE

Methyl tertiary Buthy Ether

ETBE

Ethyl tertiary Buthy Ether

ASTM

American Society for Testing and Metarials (Hiệp hội đo
lường và vật liệu Mỹ)

TCVN

Hệ thống tiêu chuẩn đo lường Việt Nam

ppm

part per million (một phần triệu)

CO

Mônôxít cácbon

CO2

Cácbonđiôxít


HC

Hydro các bon

NOx

Các loại ôxít Ni tơ

SO2

Sunfua dioxit

PM

Chất thải dạng hạt


DANH MỤC BẢNG

Bảng

Trang

Bảng 1.1. So sánh nhiên liệu sinh học và nhiên liệu dầu mỏ

5

Bảng 1.2. Các chỉ tiêu chất lượng của biodiesel gốc

19

Bảng 1.3. So sánh tính chất nhiên liệu của diesel khoáng với
biodiesel
Bảng 1.4. Các chỉ tiêu chất lượng của B5 so với B100 và diesel
khoáng

21

24

Bảng 1.5. Một số tính chất vật lý của ethanol

25

Bảng 1.6. Các chỉ tiêu chất lượng của ethanol dùng để pha xăng

29

Bảng 1.7. So sánh tính chất lý hóa của các nhiên liệu khác nhau

30

Bảng 2.1. So sánh công suất, tiêu hao nhiên liệu của động cơ D243
khi sử dụng hai loại nhiên liệu Diesel và B5 ở đường đặc tính ngoài

58

Bảng 2.2. Tính chất của dầu dừa và diesel

63

Bảng 2.3. Kết quả đo với nhiên liệu diesel thông thường

64

Bảng 2.4. Kết quả đo với nhiên liệu B10

65

Bảng 2.5. Kết quả đo với nhiên liệu B20

65


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Các hình vẽ và đồ thị

Trang

Hình 1.1. Cơ cấu sản xuất biodiesel từ các loại dầu khác nhau

15

Hình 1.2. Sơ đồ phản ứng este hóa chéo dầu thực vật với methanol

17

Hình 1.3. Sơ đồ công nghệ sản xuất biodiesel từ các nguồn
nguyên liệu khác nhau

18

Hình 1.4. Sơ đồ sản xuất ethanon từ sắn

27

Hình 1.5. Sơ đồ công nghệ sản xuất ethanol từ xenluloza

28

Hình 1.6. Sản lượng biodiesel sản xuất được phân bố tại các khu vực
trên thế giới năm 2010
Hình 1.7. Lượng biodiesel tiêu thụ tại các khu vực trên thế giới năm
2010
Hình1.8: Những cánh đồng mía lớn để sản xuất nhiên liệu sinh học
ethanol ở quy mô công nghiệp tại Brazin.

32

33

34

Hình 1.9. Tỷ trọng ethanol sản xuất của thế giới theo khu vực năm 2010

35

Hình 1.10. Tỷ trọng ethanol tiêu thụ của thế giới theo khu vực năm 2010

35

Hình2.1. Phần vỏ chiếm từ 40 đến 45% hạt cà phê là nguồn nguyên liệu
dồi dài để sản xuất nhiên liệu sinh học
Hình 2.2. Cây sắn là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất xăng sinh
học tại Việt Nam
Hình 2.3. Người dân vẫn lựa chọn xăng truyền thống tại cây xăng có

bán xăng sinh học
Hình 2.4. Nhà máy Nhiên liệu sinh học bio-ethanol Dung Quất đang vận
hành 100% công suất, sẵn sàng phục vụ lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn

39

40

45

48


nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống
Hình2.5. Một số điểm bán xăng sinh học E5
Hình 2.6. Cây Jatropha còn gọi là cây cọ rào rất dễ trồng và chịu hạn
cao
Hình 2.7. Hệ thống dây chuyền lọc dầu sinh học của Đại Đồng Touchwood đặt tại Viện Hóa học công nghiệp VN

48
50

52

Hình 2.8. Mỡ cá basa được dùng làm nguyên liệu sản xuất biodiesel

53

Hình 2.9. Phòng thí nghiệm nuôi tảo biển

54

Hình2.10. Biểu đồ so sánh các thành phần phát thải đo theo chu trình
thử ECE R49 giữa nhiên liệu B5 và diesel khoáng trên động cơ D243
Hình 2.11. Biểu đồ so sánh các thành phần phát thải đo theo chu trình
thử ECE R49 giữa nhiên liệu B5 và diesel khoáng trên xe Isuzu Hilander

59

60

Hình 2.12. Sự thay đổi công suất và tiêu hao nhiên liệu của động cơ
D243 khi dùng nhiên liệu B5 so với nhiên liệu diesel sau khi chạy 150h

60

và 300h
Hình 2.13. So sánh chất thải khi sử dụng nhiên liệu B5 so với diesel
khoáng sau khi động cơ hoạt động 150h và 300h

61

Hình 2.14. So sánh công suất

66

Hình 2.15. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu

66

Hình 2.16. So sánh thành phần CO

67

Hình 2.17. So sánh thành phần CO2

67

Hình 2.18. So sánh thành phần HC

68

Hình 2.19. So sánh thành phần NOx

68

Hình 2.20. Sự thay đổi năng lượng phát thải của xe máy khi sử dụng E5
và E10 so với khi sử dụng xăng RON 92
Hình 2.21. Sự thay đổi năng lượng phát thải của ô tô khi sử dụng E5 và

69
70


E10 so với khi sử dụng xăng RON 92
Hình 3.1. Công suất động cơ xe máy ở tay ga số III

76

Hình 3.2. Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ xe máy ở tay ga số III

76

Hình 3.3. Kết quả đo mô men xoắn của động cơ ở áp suất phun 400 bar

83

Hình 3.4. Kết quả đo suất tiêu hao nhiên liệu ở áp suất phun 400 bar

83

Hình 3.5. Thành phần CO ở áp suất 400 bar

84

Hình 3.6. Thành phần CO2 ở áp suất 400 bar

84

Hình 3.7. Thành phần NOx ở áp suất 400 bar

85

Hình 3.8. Thành phần HC ở áp suất 400 bar

85



MỞ ĐẦU

Hiện nay năng lượng và ô nhiễm là hai vấn đề quan trọng và cấp bách cần
giải quyết. Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công
nghiệp thì kéo theo nó là cần thêm nguồn năng lượng rất lớn. Trong khi đó
nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, theo như dự báo của các nhà
khoa học thì như tốc độ khai thác hiện nay thì trữ lượng dầu mỏ trên toàn thế
giới chỉ đủ trong vòng 50 năm nữa. Mặt khác việc sử dụng nguồn nhiên liệu hóa
thạch làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng. Việc đốt nhiên liệu hóa
thạch thải ra rất nhiều khí gây ô nhiễm như COx, NOx, SOx, HC, bụi...đã gây ảnh
hưởng đến môi trường sống trên toàn thế giới.
Vì vậy việc tìm ra các nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân
thiện với môi trường là rất quan trọng và cần thiết. Bên cạnh việc sử dụng các
nguồn năng lượng như thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời,
năng lượng gió, năng lượng thủy triều... thì năng lượng có nguồn gốc sinh học
đang rất được quan tâm và phát triển.
Nhiên liệu sinh học đang nhận được sự quan tâm rất lớn của thế giới. Một
mặt nhiên liệu sinh học giải quyết được các vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô
nhiễm môi trường mặt khác nó còn góp phần vào việc phát triển kinh tế nông
thôn, tăng thu nhập cho người dân vùng sâu, vùng xa. Mặt khác nhiên liệu sinh
học giúp phát triển bền vững, phát triển kinh tế gắn liền với yếu tố xã hội, môi
trường còn có vai trò rất lớn đối với mỗi quốc gia, lãnh thổ trên thế giới.
Không nằm ngoài xu thế phát triển của thế giới, Việt Nam đã và đang quan
tâm đến nguồn nhiên liệu sạch thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền
thống. Việt nam là đất nước nông nghiệp từ ngàn xưa, nơi có tiềm lực lớn về
nguyên liệu phục vụ cho sản xuất nhiên liệu sinh học phục vụ cho đời sống sinh
hoạt hàng ngày. Hiện tại đã có chủ trương đúng đắn của chính phủ cho việc phát
-1-


triển nhiên liệu sinh học thông qua “Đề án phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh
học đến năm 2015 và tầm nhìn đến năm 2025”. Chủ trương này thể hiện sự tham

vọng cũng như sự quyết tâm của chính phủ và toàn xã hội trong việc quy hoạch
tổ chức sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học.
Hiện nay chúng ta đã xây dựng được các nhà máy sản xuất ethanol dựa
trên các vùng nguyên liệu sắn, mía đường. Các nhà máy đã đi vào hoạt động với
tổng công suất khoảng 535 triệu lít/năm. Bên cạnh đó thì các nghiên cứu sản
xuất dầu diesel sinh học từ mỡ cá basa, dầu thực vật, dầu ăn thải,... cũng được
một số các doanh nghiệp triển khai phát triển bước đầu bán ra thị trường. Xăng
sinh học E5 đã được bán tại thị trường từ năm 2010 sau khi các nghiên cứu sử
dụng xăng sinh học cho các phương tiện cơ giới được chính thức công bố. Tuy
nhiên do nhiều yếu tố mà lượng nhiên liệu sinh học tiêu thụ trên thị trường còn
rất hạn chế. Trước những thách thức ban đầu về việc phát triển sử dụng nhiên
liệu sinh học, Chính phủ đã phê duyệt lộ trình sử dụng nhiên liệu sinh học đến
năm 2025 (Quyết định số 53/QĐ-TTg ngày 22/11/2012).
Từ những kết quả bước đầu về phát triển, sử dụng nhiên liệu sinh học tại
Việt Nam. Em đã chọn đề tài “Thực trạng sử dụng nhiên liệu sinh học tại Việt
Nam và các giải pháp tăng tỷ lệ tiêu thụ”. Luận văn đã đánh giá được tình hình
nghiên cứu phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam thông qua các
kết quả nghiên cứu đã được công bố và qua đó đề ra một số giải pháp để nâng
cao lượng tiêu thụ nhiên liệu sinh học trong thời gian tiếp theo.
Trong thời gian vừa qua dưới sự hướng dẫn của GS.TS Phạm Minh Tuấn
cùng các thầy trong Bộ môn Động cơ đốt trong, Viện cơ khí động lực đã giúp em
hoàn thành luận văn này. Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do kiến thức và mức
độ hiểu biết còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong sự
chỉ bảo, đóng góp của các thấy cô và bạn đọc.
Em xin chân thành cảm ơn!
-2-


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC
1.1.1 Khái niệm về nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học (NLSH) được định nghĩa là bất kỳ loại nhiên liệu nào
nhận được từ sinh khối, được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động
thực vật.
Ví dụ: Nhiên liệu được chế suất từ chất béo của động thực vật (mỡ động
vật, dầu dừa, dầu cọ…) ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương…) các chất thải nông
nghiệp (rơm, dạ, phân,…) chất thải trong công nghiệp (mùn cưa, gỗ thải, bã
mía…). Chúng bao gồm bioethanol, biodiesel, biogas, ethanol pha trộn (ethanolblended fuels), dimetyl este sinh học và dầu thực vật.
NLSH hiện nay sử dụng trong giao thông vận tải là ethanol sinh học,
diesel sinh học và xăng pha ethanol. Những loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm
nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống ( dầu khí, than đá…).
Tùy theo lợi thế về nguyên liệu của mỗi quốc gia mà người ta chọn các
loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất. Đồng thời cũng dựa trên nguồn nguyên
liệu để sản xuất NLSH người ta chia NLSH thành ba thế hệ:
* NLSH thế hệ đầu tiên: là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các
nguyên liệu có bản chất là thực phẩm ví dụ như nguyên liệu có chứa tinh bột,
đường, mỡ động vật, dầu thực vật,...
* NLSH thế hệ thứ hai: khắc phục được các vấn nạn về lương thực của
NLSH thế hệ đầu tiên. Thay vì chỉ sử dụng đường, tinh bột, dầu như thế hệ đầu
tiên, kỹ thuật này cho phép sử dụng tất cả các hình thức sinh khối chứa

-3-


lignocellulose. Các loại cỏ, cây, các phế phẩm công nghiệp và nông nghiệp đều
có thể chuyển đổi thông qua hai con đường hóa sinh và nhiệt hóa.
* NLSH thế hệ thứ ba: có nguồn gốc từ tảo ra đời và được coi là một năng
lượng thay thế khả thi. Vì tảo có thể sản xuất nhiều dầu hơn 15 – 300 lần các loại

cây trồng khác, hơn nữa so với cây trồng thông thường cho thu hoạch 1 – 2 lần
trong năm thì tảo có chu kỳ thu hoạch rất ngắn (khoảng 1 – 10 ngày tùy thuộc
vào từng tiến trình) cho phép thu hoạch nhiều và liên tục với năng suất đáng kể.
Ý tưởng dụng vi tảo để sản xuất NLSH không còn là mới nhưng nó đang được
xem xét một cách nghiêm túc do giá xăng dầu tăng cao, và mối quan tâm mới
nổi về sự nóng lên trên toàn cầu do đốt các nhiên liệu hóa thạch.
1.1.2 Ưu nhược điểm của nhiên liệu sinh học
1.1.2.1 Ưu điểm
Sử dụng nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên
liệu truyền thống, đó là:
- Tính thân thiện với môi trường: Chúng sinh ra ít khí có khả năng gây
hiệu ứng nhà kính và sản phẩm cháy của chúng không gây ô nhiễm môi trường
so với các loại nhiên liệu truyền thống.
- Nguồn nhiên liệu tái sinh: Các loại nhiên liệu này lấy từ sản xuất nông
nghiệp, lâm nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài
nguyên nhiên liệu hóa thạch truyền thống.
Thực tế, năng lượng dưới dạng Biofuel đã được biết đến và sử dụng từ lâu.
Đốt củi, rơm, rác để sinh nhiệt là hình thức dùng năng lượng sinh vật khô hiển
nhiên nhất ở quy mô công nghiệp, đã có những lò hơi đạt công suất cả chục
nghìn Kilowoat. Ở một số nước trên thế giới, người ta trồng rừng để cố củi đốt
lâu dài. Các loại cây lớn nhanh như cây Bạch dương và một số loại cây khác
thường dùng cho mục đích này.

-4-


Sử dụng NLSH là phương pháp có hiệu quả nhất. Chúng ta có thể so sánh
giữa nhiên liệu dầu mỏ và NLSH qua tính chất của nhiên liệu như bảng 1.1
Bảng 1.1: So sánh nhiên liệu sinh học và nhiên liệu dầu mỏ
Nhiên liệu dầu mỏ

Nhiên liệu sinh học

- Sản xuất từ dầu mỏ

- Sản xuất từ nguyên liệu động thực vật

- Hàm lượng lưu huỳnh cao

- Hàm lượng lưu huỳnh cực thấp

- Chứa hàm lượng chất thơm

- Không chứa hàm lượng chất thơm

- Khó phân huỷ sinh học

- Có khả năng phân huỷ sinh học cao

- Không chứa hàm lượng oxy

- Có 11% oxy

- Điểm chớp cháy thấp

- Điểm chớp cháy cao

Như vậy, việc phát triển NLSH có lợi về nhiều mặt như giảm đáng kể các
khí độc hại như SO2, CO, CO2 (khí nhà kính), các hydrocacbon chưa cháy hết,
giảm cặn buồng đốt… mở rộng nguồn năng lượng, đóng góp vào an ninh năng

lượng, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu, đồng thời cũng đem lại lợi
nhuận và việc làm cho người dân ở các vùng nông thôn…
1.1.2.2 Nhược điểm
Việc phát triển NLSH có nguồn gốc từ thực vật sẽ làm giảm diện tích đất
canh tác các loại cây lương thực khác dẫn đến giá lương thực lên cao đồng thời
đe doạ đến an ninh lương thực trong nước và thế giới.
Một cản trở nữa là việc sản xuất NLSH phải phụ thuộc hoàn toàn vào điều
kiện nuôi trồng động thực vật. Việc nuôi trồng này lại phụ thuộc nhiều vào điều
kiện thời tiết, khí hậu, môi trường và phong tục tập quán vùng miền…, tất cả các
điều kiện trên làm cho việc sản xuất nhiên liệu có thể bị gián đoạn.
Công nghệ để đầu tư cho sản xuất NLSH tiên tiến (chế tạo NLSH từ lignin
cellulose có trong rơm, cỏ, gỗ...) có giá rất cao.
-5-


NLSH khó cất giữ và bảo quản hơn nhiều so với nhiên liệu hóa thạch (dễ
biến tính phân hủy theo thời gian).
1.2 CÁC LOẠI SẢN PHẨM DÙNG LÀM NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ
PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP
Nhiên liệu sinh học được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu dưới nhiều
dạng khác nhau. Tuy nhiên chúng ta có thể tổng hợp một số nguyên liệu chính để
sản xuất ra nhiên liệu sinh học.
1.2.1 Cồn
1.2.1.1 Methanol
Đây là loại cồn đơn giản nhất chứa 1 nguyên tử các bon trong mỗi phân
tử. Nó không có màu, là chất lỏng nhạt với mùi gây chóng mặt, độc và gây ăn
mòn. Chất lỏng methanol có thể hấp thụ qua da. Phần lớn methanol được làm từ
than đá và khí tự nhiên, cũng có thể làm từ nguồn tái sinh như gỗ hoặc giấy thải
(methanol thường được biết như cồn gỗ). Để làm nhiên liệu cho động cơ có thể
dùng methanol nguyên chất (M100), thực tế chỉ dùng hỗn hợp 85% methanol,và

15% xăng (M85) có chỉ số octan 102. Do M85 là chất lỏng nó có thể được tích
trữ và phân phối trong hệ thống phân phối chất lỏng như xăng. Để dùng nhiên
liệu M85 động cơ phải được thay đổi cho phù hợp (như tỷ số nén cao hơn, hệ
thống nạp phải thiết kế lại để lấy đủ khí nạp và dầu bôi trơn chịu được sự tấn
công tự nhiên của methanol). Do vậy, các xe được trang bị một cảm biến đặc biệt
nhận biết tỷ lệ cồn và xăng rồi đưa ra tín hiệu đến ECU để điều chỉnh tỷ lệ phối
hợp nhiên liệu cũng như quyết định thời điểm đánh lửa. Xe chạy methanol yêu
cầu bôi trơn riêng đắt hơn dầu bôi trơn thường vì nó sản xuất với số lượng hạn
chế.
1.2.1.2 Ethanol
Ethanol (có công thức phân tử C2H5OH) là hợp chất hữu cơ nằm trong dãy
đồng đẳng của ancol methylic. Ethanol là chất lỏng, không màu, mùi thơm dễ
-6-


chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước, dễ bay hơi, sôi ở nhiệt độ 78,390C, hóa
rắn ở -114,150C, dễ cháy, khi cháy không có khói và có ngọn lửa màu xanh da
trời. Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ
như tinh bột, cellulose, lignocenlulose.
Ethanol nguyên chất thường được trộn với xăng để để thoả mãn nhu cầu
nhiên liệu sạch. Nhiều năm qua ở Mỹ, người ta pha 10% thể tích ethanol vào
xăng gọi là “xăng pha cồn” hoặc nhiên liệu E10. Ethanol sinh học (làm từ mía
đường) là nhiên liệu chủ yếu dùng trong các phương tiện giao thông ở Brazil.
Hiện nay tại một số nước trên thế giới như Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil, Thái
Lan… đã dùng Ethanol nguyên chất làm nhiên liệu cho các phương tiện giao
thông.
1.2.2 Dầu thực vật
Nhiên liệu thực vật về tính chất lý hoá, phần lớn có số xetan cao và số
octan thấp, độ nhớt và nhiệt độ tự cháy thấp nên chỉ có thể dùng cho động cơ
diesel. Dầu thực vật có thể làm nhiên liệu bao gồm dầu hạt cây cải dầu, dầu ô liu,

dầu hạt đậu tương, dầu cọ, dầu cây hướng dương, dầu ngô. Tính chất của chúng
là loại nhiên liệu tiềm năng cho động cơ diesel. Lần đầu tiên, vào đầu thập kỷ 70
của thế kỷ trước, dầu thực vật thô được thử dùng cho động cơ diesel. Kết quả thử
nghiệm cho thấy, những loại dầu này so với nhiên liệu diesel có thời gian phun
lâu hơn, cháy trễ ngắn hơn, thời gian cháy dài hơn. Còn các thử nghiệm bền cho
thấy sự thoái hoá động cơ nhanh hơn, động cơ diesel có sự mài mòn bơm cao áp,
đóng muội than ở đế xupap, vòi phun, thân xupap và tích tụ trong buồng cháy,
đỉnh piston, hiệu suất động cơ giảm đáng kể, công suất động cơ giảm, dễ kẹt
sécmăng, tắc hệ thống nhiên liệu, đóng muội than trong buồng cháy. Dầu thực
vật thô cũng có nhiệt độ khởi động lạnh rất cao, vì vậy cần phải sấy nóng nhiên
liệu trước khi khởi động.
1.2.3 Metyl este
-7-


Đây là loại biodiesel thường dùng có tên là monoankyl este (methyl hoặc
ethyl este) của axit béo có chuỗi phân tử dài được lấy từ lipit như dầu thực vật
hoặc mỡ thực vật. Nó là sản phẩm trong quá trình este hoá từ dầu nho, dầu đậu
tương, dầu cây hướng dương, dầu conola, dầu cọ được sử dụng như là dầu ăn và
nhiều chất béo khác. Dầu đậu được dùng nhiều ở Mỹ, trong khi dầu nho (gọi là
RME, rapeseed methyl este) được sử dụng khá nhiều ở Châu Âu. Quá trình este
hoá dễ dàng thực hiện được khi methanol được dùng làm chất phản ứng để thu
được methyl este. Phản ứng này có thể thực hiện trong điều kiện nhiệt độ khoảng
500C và áp suất khí quyển với Glyxerin là sản phẩm phụ.
Diesel sinh học dùng trong động cơ được phân loại trên cơ sở thành phần
axit béo tự do (FFA) của chúng như sau:
- Dầu tinh chế (FFA < 1,5%)
- Mỡ động vật và dầu mỡ có thành phần FFA thấp (FFA < 4%)
- Mỡ động vật và dầu mỡ có thành phần FFA cao (FFA < 20%)
Diesel sinh học không độc, có thể bị vi khuẩn phân huỷ, đặc biệt không

tan trong nước, cơ bản không chứa sunphua hoặc gốc thơm. Nó làm mềm và
thoái hoá các loại hợp chất cao su nhiên và có thể ảnh hưởng đến các thành phần
của hệ thống nhiên liệu. Có thể sử dụng diesel sinh học nguyên chất pha với dầu
diesel thông thường. Bởi biodiesel có tính chất bôi trơn đặc biệt nên thường được
dùng như chất phụ gia nhờn cho nhiên liệu diesel có hàm lượng sunphua thấp.
Mặt hạn chế khi sử dụng diesel sinh học tinh khiết làm nhiên liệu là nhiệt độ của
nó thấp và tính ổn định sinh học. Hoà trộn với nhiên liệu diesel cơ bản chứa hơn
20% diesel sinh học làm tăng cao độ nhớt động học ở nhiệt độ thấp.
1.2.4 Hợp chất chứa oxy
Hợp chất hữu cơ chứa oxy với một lượng nhỏ có thể được thêm vào nhiên
liệu để đẩy mạnh việc đốt cháy hỗn hợp vì chúng chứa oxy. Hợp chất chứa oxy
có khác nhau đáng kể về tính lý so với hydrocacbon, vì vậy mức độ của chúng
-8-


trong nhiên liệu bị giới hạn. Hợp chất hữu cơ chứa oxy có chỉ số octan cao.
Động cơ chạy bằng nhiên liệu chứa oxy phát các chất độc hại ít hơn, đặc biệt là
CO. Hầu hết, các hợp chất chứa oxy pha vào xăng là cồn (methanol, ethanol,
tertiary bultyl alcoho [TBA]) và các chất khác methyl tertiary butyl ether
(MTBE), ethyl tertiary butyl ether (ETBE) và tertiary amyl methyl ether
(TAME). Chúng chứa từ 1 đến 6 nguyên tử cacbon trong mỗi phân tử. Nhờ thể
hiện tính chống kích nổ tốt, chúng thay thế tốt cho các chất có gốc thơm. Cồn đã
được sử dụng trong xăng từ những năm 30 và MTBE được sử dụng lần đầu tiên
trong các sản phẩm xăng thương mại ở Ý vào năm 1973.
1.2.5 Dimetyl ether (DME)
DME là hợp chất có công thức đơn giản nhất và được sử dụng một cách
rộng rãi như là chất đẩy dùng trong các bình xịt. DME là chất khí ở nhiệt độ môi
trường và áp suất khí quyển, nhưng có thể hoá lỏng với điều kiện áp suất 0,5
Mpa tại 25oC. Nó có thể được sản xuất từ ga tự nhiên (khử H2 của methanol)
hoặc từ sinh vật. DME không độc, không gây ăn mòn và không có chất gây ung

thư, trong trường hợp bị dò rỉ nó phân huỷ rất nhanh trong khí quyển. Về mặt
sinh thái, DME cũng được coi là một loại nhiên liệu tốt cho động cơ, bởi nó rất
dễ cháy và phát thải ít. DME có chỉ số octan cao khoảng 60. Tính bôi trơn của
DME thấp vì độ nhớt của nó rất thấp (khoảng 1/30 so với nhiên liệu diesel). Vì
vậy, để tránh mài mòn vòi phun cần được cho thêm chất bôi trơn. Trước đây,
DME nguyên chất là nhiên liệu cho động cơ diesel, bởi vì động cơ sử dụng nhiên
liệu đó có đặc điểm cháy rất tốt, lượng phát thải thấp, đặc biệt giảm thải NO x và
khói. Sử dụng DME trên phương tiện vận tải có ưu điểm hơn là dùng methanol
vì sử dụng methanol có quá trình cháy xấu, tuy nhiên có thể khắc phục nhược
điểm này bằng cách chuyển hoá methanol thành DME theo phản ứng:
2CH3OH

→

CH3OCH3 + H2O

-9-


Phản ứng này cần có mặt chất xúc tác là α – Al2O3, lựa chọn theo tính toán
và giá thành của nó. Ở nhiệt độ và áp suất môi trường, DME là một chất khí, vì
vậy nó được đưa vào xi lanh động cơ ở dạng hơi sương. Tuy nhiên sử dụng nhiên
liệu DME có thể xuất hiện hơi nước, đó là nhược điểm chính của loại nhiên liệu
này.
1.2.6 Dimetyl carbonate (DMC)
DMC là một chất lỏng ở nhiệt độ và áp suất môi trường. nó không màu,
không độc và không gây ăn mòn. Nó có thể trộn lẫn với nhiên liệu diesel theo
một tỷ lệ nhất định. DMC chắc chắn có thể thêm vào nhiên liệu diesel như một
chất phụ gia vì nó chứa 53% về trọng lượng oxy. Hiện tại, DMC được sản xuất
từ phosgene và methanol với HCl là phụ phẩm. Bởi vì phosgene là một chất hoá

học cực kỳ độc và nguy hiểm, nhiều công ty đang tìm kiếm và phát triển chất
thay thế thân thiện với môi trường, để loại bỏ phosgene và cho phụ phẩm nhỏ
nhất. Một chất thay thế có thể là sản xuất DME từ methanol, CO và O 2 với chất
xúc tác HCl thêm 5% KCl vào theo phản ứng:
CH3OH + CO + 1/2O2 = CH3OCOO-CH3 + H2O
Có sự phụ thuộc tuyến tính của mức độ khói vào DMC: Khói sẽ giảm
khoảng 20% cho mỗi 10% DMC thêm vào. Vì vậy lượng khí CO thải ra giảm
tuyến tính với DMC thêm vào, cải thiện chút ít hiệu suất nhiệt của động cơ và
đồng thời làm tăng lượng NOx thải ra.
1.3 CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU SINH HỌC THƯỜNG DÙNG TRONG
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Như ở trên đã trình bày, có rất nhiều loại nhiên liệu sinh học được sản xuất
từ thiên nhiên. Tuy nhiên, hiện nay những loại nhiên liệu thiên nhiên được sử
dụng cho động cơ động cơ đốt trong thì chủ yếu là biodiesel và ethanol.
1.3.1 Biodiesel
1.3.1.1 Khái niệm
- 10 -


Trong những năm gần đây rất nhiều nước trên thế giới đã quan tâm đến
việc sản xuất ra các loại nhiên liệu sạch và đáng chú ý nhất là nhiên liệu sinh
học. Biodiessel là một loại nhiên liệu sinh học được quan tâm hơn cả do xu
hướng diesel hoá động cơ trên toàn cầu.
Biodiesel được định nghĩa là một loại nhiên liệu dùng để thay thế diesel có
nguồn gốc từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật và được sử dụng rất thông dụng
trên thị trường Châu Âu, Châu Mỹ, và hiện nay cũng được sử dụng ở Châu Á.
Biodiesel là các ankin este của axit béo. Cũng giống như diesel, Biodiesel có thể
sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Việt Nam, một nước nông nghiệp
có nguồn dầu thực vật phong phú thì việc sử dụng chúng trong sản xuất nhiên
liệu, phụ gia cho nhiên liệu sẽ có giá trị thực tiễn cao.

1.3.1.2 Khái quát chung về nguyên liệu để tổng hợp biodiesel
1.3.1.2.1 Giới thiệu chung
Trước đây, kể từ khi động cơ diessel được phát minh ra thì nhiên liệu mà
người ta sử dụng đầu tiên chính là dầu thực vật. Nhưng nhiên liệu dầu thực vật
đã không được lựa chọn làm nhiên liệu cho động cơ diesel vì giá của dầu thực
vật đắt hơn giá của diesel khoáng. Gần đây, với sự tăng giá của diesel khoáng và
sự hạn chế số về lượng của nó, nên nhiên liệu dầu thực vật ngày càng được quan
tâm và có khả năng thay thế cho nhiên liệu dầu khoáng trong tương lai gần, vì
những lợi ích về môi trường và khả năng tái sinh của nó.
Dầu thực vật sử dụng cho quá trình tổng hợp bidiesel phải có chỉ số axit
thấp hơn 0,5 mg KOH/g dầu. Đối với dầu đã tinh chế thì có thể sử dụng ngay để
tiến hành phản ứng. Nhưng đối với dầu thực vật thô hay dầu thải có chỉ số axit
cao và nhiều tạp chất hữu cơ khác thì phải tiến hành tinh chế để loại bớt thành
phần axit béo và các thành phần tạp chất, theo cách trung hoà bằng kiềm.
Việc sử dụng dầu thực vật như một nhiên liệu thay thế để cạnh tranh với
dầu mỏ đã được bắt đầu từ năm 1980. Do những thuận lợi của các loại dầu thực
- 11 -


vật so với nhiên liệu diesel là chúng có thể nuôi trồng, sẵn có, có khả năng tái
sinh được, nhiệt lượng tương đối cao, hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn, hàm lượng
chất thơm ít hơn, khả năng dê bị vi khuẩn phân huỷ, độ nhớt cao hơn, khả năng
bay hơi thấp hơn. Vấn đề chính liên quan đến việc hạn chế sử dụng trực tiếp dầu
thực vật là độ nhớt cao, do vậy cần phải có quá trình chế biến tổng hợp.
1.3.1.2.2 Một số dầu thực vật điển hình để tổng hợp biodiesel
a) Dầu cọ
Cọ là cây nhiệt đới được trồng nhiều ở Chile, Ghana, Tây phi, một số
nước Châu Âu và một số nước Châu Á khác. Từ cây cọ có thể sản xuất được hai
loại dầu khác nhau: Dầu nhân cọ và dầu cùi cọ.
Dầu nhân cọ có màu trắng còn dầu cùi cọ có màu vàng; thành phần axit

béo cũng rất khác nhau. Dầu cùi cọ là loại thực phẩm rất tốt dùng để ăn trực tiếp
hoặc để chế biến thành bơ, mỡ thực vật. Dầu cùi cọ có chứa nhiều caroten nên
được dùng để sản xuất chất tiền sinh tố A. Dầu chất lượng xấu có thể dùng để
sản xuất xà phòng hoặc dùng trong ngành luyện kim. Dầu nhân cọ có công dụng
trong ngành thực phẩm bánh kẹo và xà phòng. Cả hai loại dầu này có thể làm
nguyên liệu rất tốt để làm sản xuất biodiesel.
b) Dầu đậu nành
Dầu đậu nành tinh khiết có màu vàng sáng, thành phần axit béo của nó chủ
yếu của nó là linoleic (50% - 57%), oleic (23% - 29%). Dầu đậu nành được dùng
nhiều trong thực phẩm. Ngoài ra, dầu đậu nành đã được tinh luyện được dùng
làm nguyên liệu để sản xuất sơn, vecni, xà phòng... và đặc biệt là sản xuất
biodiesel. Cây đậu tương được trồng phổ biến trên thế giới và đặc biệt là ở các
vùng đồng bằng, nông thôn ở nước ta.
c) Dầu dừa
Dừa là cây nhiệt đới được trồng nhiều ở vùng Đông Nam Á, Châu Phi,
Châu Mỹ Latinh. Ở Việt Nam, Dừa được trồng nhiều ở Thanh Hoá, Nghĩa Bình,
- 12 -


Phú Khánh, Nam Trung Bộ,... Dừa là cây sinh trưởng lâu năm, thích hợp với khí
hậu nóng ẩm, có thể trồng ở nơi nước mặn, nước lợ, nước chua,... Trong dầu dừa
có chứa các axit béo lauric (44% - 52%), myristi (13% - 19%), panmitic (7,5% 10,5%). Hàm lượng các chất béo không no rất ít. Dầu dừa được sử dụng nhiều
cho mục đích thực phẩm, có thể sản xuất margarin, và cũng là nguyên liệu tốt để
sản xuất xà phòng và biodiesel.
d) Dầu thầu dầu
Dầu thầu dầu hay còn gọi là dầu ve, được lấy từ hạt quả cây thầu dầu. Cây
thầu dầu được trồng nhiều ở vùng có khí hậu nhiệt đới. Những nước sản xuất
thầu dầu là Brazil (36%), Ấn Độ (6%), Trung quốc, Liên Xô cũ, Thái Lan... Cây
thầu dầu ở nước ta chủ yếu ở Thanh Hoá, Nghệ Tĩnh, tuy nhiên hiện nay dầu
thầu dầu ở Việt Nam chủ yếu phải nhập nhiều ở Trung Quốc. Dầu thầu dầu là

loại dầu không khô, chỉ số iot từ 80 – 90, tỷ trọng lớn, tan trong ankan, không tan
trong xăng và dầu hoả. Hơn nữa, do độ nhớt cao của dầu thầu dầu so với các loại
khác nên ngay từ đầu được sử dụng trong công nghiệp mỡ bôi trơn. Hiện nay dầu
thầu dầu vẫn là loại dầu nhờn cao cấp dùng trong động cơ máy bay, xe lửa và các
loại động cơ tốc độ cao, cả trong dầu phanh. Dầu thầu dầu được dùng trong
nhiều lĩnh vực như y tế để làm thuốc tẩy, nhuận tràng, trong công nghiệp hương
liệu và mỹ phẩm. Trong công nghiệp chất dẻo, làm giấy than, giấy nến và mực
in. Ngoài ra còn sử dụng trong công nghệ dệt nhuộm, thuộc da, công nghệ sơn và
công nghiệp bôi trơn. Đặc biệt là có thể dùng để sản xuất biodiesel.
e) Dầu cao su
Dầu hạt cao su được ép từ hạt cây cao su. Trong hạt hàm lượng dầu chiếm
khoảng 40% đến 60%. Cây cao su được trồng nhiều nơi trên thế giới như Ấn Độ,
Châu Phi, Nam Mỹ,... Ở Việt Nam cây cao su được đưa vào từ thời Pháp thuộc
và được trồng nhiều ở các tỉnh Đông Nam Bộ. Cây cao su sống thích hợp nhất
trên những vùng đất đỏ. So với các loại dầu khác thì dầu cao su ít được sử dụng
- 13 -