Tiểu luận Tìm hiểu về năng lượng sinh học và ứng dụng ở Việt Nam và thế giới

H2S, CO2… Do đó, trước khi được đưa vào sản xuất điện năng, methane phải được làm sạch. Quá trình làm sạch methane có tên gọi là quá trình nâng cấp biogas (Biogas Upgraders). Theo đó, các biogas tự nhiên được đưa qua một lò làm sạch, lò làm sạch này có tác dụng khử CO2, H2S, H2O và các chất bẩn khác bằng phương pháp gọi là xử lý amin (Amine Gas treating). Quá trình xử lý amin được thực thực hiện theo sơ đồ sau: Sơ đồ 1. Sơ đồ xử làm sạch Mêtan Hệ thống làm sạch gồm hai bộ phận là lò hấp thụ và lò tái tạo. Khí biogas cần được làm sạch được dẫn vào ngăn dưới của lò hấp thụ. Chất làm sạch amin đậm đặc và nước được dẫn vào ngăn trên của lò hấp thụ. Bên trong lò hấp thụ, sẽ xảy ra các phản ứng giữa H2S, CO2 với dung dịch amin tạo thành dung dịch muối amin. RNH2 + H2S = RNH3HS RNH2 + CO2 +H2O = RNH3HCO3 Khí methane không phản ứng được dẫn ra ngoài theo ngăn trên của lò hấp thụ. Dung dịch muối amin được dẫn ra từ ngăn dưới của lò đến ngăn trên của lò tái tạo, Tại đây chúng được làm đông đặc lại và tách ra trở lại thành H2S, CO2 và dung dịch amin. H2S và CO2 được dẫn ra ngoài, còn dung dịch amin được bơm trở lại vào ngăn trên, đi xuống ngăn dưới của lò. Từ ngăn dưới, dung dịch amin được đưa qua lò đun để làm hoá hơi nước trở thành amin đậm đặc như ban đầu. Sau khi được làm sạch thì khí methane lúc này được gọi là methane sinh học (biomethane) hay còn gọi là methane sạch. Từ đây, methane sạch sẽ được dẫn vào một hệ thống khác để tạo ra điện năng. Quá trình tạo ra điện năng được thực hiện theo sơ đồ sau: Sơ đồ 2. Sơ đồ sản xuất điện năng từ biogas Mêtan sinh học được bơm lên cho vào 3 lò nung để đốt cháy. Đồng thời, nước từ bộ trích nhiệt cũng được dẫn vào bên trong lò để làm tăng thêm lượng hơi nước. Trong lò sẽ xảy ra phản ứng đốt cháy methane tạo CO2 và hơi nước cùng một nhiệt lượng cực lớn. CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q với Q = 891kJ/mol CH4 Nhiệt lượng toả ra sẽ làm các phân tử hơi nước chuyển động mạnh gọi là hơi siêu nóng. Hơi siêu nóng sẽ được dẫn qua bộ phận máy phát điện. Tại đó, hơi này sẽ làm quay tua bin máy phát điện với tốc độ khoảng 7500 vòng/phút, tua bin quay sẽ sản sinh ra một hiệu điện thế vào khoảng 20 000 Vôn. Sau khi làm quay tua bin, hơi nước lúc này không còn nóng nữa sẽ được dẫn qua bộ phận làm lạnh để làm ngưng tụ hơi nước thành nước để rồi từ đây, lại cung cấp nước cho bộ phận trích nhiệt đưa nước vào lò. Lợi ích sử dụng biogas sản xuất điện năng Với việc chuyển hoá sang điện năng từ khí methane, vấn đề về thiếu thốn năng lượng và ô nhiễm môi trường được cải thiện đáng kế. Vấn đề ô nhiễm môi trường phải kể đến hiệu ứng nhà kính và sự nóng lên toàn cầu và khi đề cập đến vấn đề này, người ta lại nghĩ ngay đến khí CO2 như là thủ phạm hàng đầu. Tuy nhiên, tầm ảnh hưởng của mêtan CH4 vượt xa CO2. “Mêtan ảnh hưởng gấp 25 lần so với Cacbon điôxít trong khoảng thời gian 100 năm”[1]. Nói như thế có nghĩa là với cùng một khối lượng là như nhau thì methane phá huỷ tầng Ozon và làm tăng nhiệt độ Trái Đất nhiều hơn cacbon điôxít là gầp 25 lần trong khoảng thời gian là 100 năm. Hình 1 [19] Khí Công thức Hàm lượng trong khí quyển Hơi Nước H2O 36 – 72 % Cacbon Điôxít CO2 9 – 26 % Methane CH4 4 – 9 % Ozon O3 3 – 7 % Bảng 1: Hàm lượng một số khí trong khí quyển [4] Qua các biểu đồ và bảng trên chúng tôi thấy rằng, hàm lượng mêtan trong không khí không phải là nhỏ, hầu hết methane tập trung trên bán cầu Bắc của Trái Đất. Đó cũng là lý do dễ hiểu bởi vì bán cầu Bắc là nơi tập trung sinh hầu hết dân số trên thế giới, tập trung vô số nhà máy công nghiệp với lượng lớn chất thải sinh hoạt lẫn chăn nuôi trồng trọt mỗi ngày tạo ra hàm lượng methane cực kỳ lớn. Hơn nữa những lớp trầm tích nằm sâu bên dưới lớp băng ở địa cực bắc khi phân huỷ cũng tạo ra một lượng lớn methane. Vì vậy, nếu không có cách gì triệt tiêu lượng methane này thì chỉ trong một thời gian ngắn thôi, tầng Ozon sẽ bị phá họai nghiêm trọng. Và lúc đó, bức xạ nhiệt, bức xạ tử ngoại từ mặt trời sẽ không còn rào cản mà đi đến thẳng bề mặt Trái Đất, làm Trái Đất ngày càng nóng dần lên, kéo theo một loạt các thiên tai huỷ diệt con người. Và hiện nay, sự tăng nhiệt độ không chỉ ở Việt Nam mà hầu hết các nước khác, một loạt các thiên tai như động đất, sóng thần, ngập lụt…ở một loạt các nước như Nhật Bản, Trung Quốc, Thái Lan, Myanmar… đó chính là điểm báo cho một kết cục không xa mà thủ phạm là các khí nhà kính đặc biệt là methane. Với việc chuyển hoá sang điện năng từ khí methane, vấn đề về thiếu thốn năng lượng và ô nhiễm môi trường được cải thiện đáng kể. Vì nhiều lý do mà con người nên lấy methane làm nhiên liệu thay cho nhiên liệu hoá thạch: + Nguyên liệu hoá thạch không phải là vô tận, chúng đang ngày càng cạn kiệt trong khi methane là nguồn nguyên liệu tái chế, là vô tận không bao giờ cạn kiệt. + Mặc dù trong quá trình xử lý biogas cũng như chuyển hoá sinh khối thành điện năng cũng có sinh ra lượng khí nhà kính là CO2, tuy nhiên chỉ sinh khí CO2 mà thôi trong khi việc đốt cháy nhiên liệu hoá thạch ngoài việc sinh ra CO2 còn sinh ra nhiều chất cực độc khác như SO2, CO, H2S, SO3… + Đốt cháy methane sản sinh ra lượng CO2 ít hơn là đốt cháy nhiên liệu hoá thạch trên một cùng một nhiệt lượng giải phóng. Vd: Cứ 1kg than đá khi đốt cháy sẽ sản sinh ra 1.83 kg CO2 và một nhiệt lượng là 2kWh = 7.2 x 103 kJ. Tức là ứng với 1.83kg CO2 sẽ có 7.2 x 103 kJ à với 0.23 kg CO2 sẽ có 891 kJ. Trong khi đó, theo như ở trên ta có nhiệt lượng 891 kJ sẽ ứng với 1 mol CO2, tức là 44g = 0.044 kg CO2. Như vậy với cùng một nhiệt lượng thì đốt than đá, lượng CO2 sinh ra sẽ nhiều hơn khi đốt methane là khoảng 5.23 lần. + Bản thân methane là một chất gây ô nhiễm, nên việc xử lý methane là bức thiết hơn. Vấn đề sử dụng biogas để sản xuất điện năng ở Việt Nam và thế giới Tuy được biết methane là chất khí nhà kính gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự thay đổi khí hậu trên Trái Đất và cũng tìm ra được những cách để xử lý methane một cách có ích, nhưng cho đến ngày nay, việc dùng methane để sản xuất điện vẫn cón khá mới mẻ. Cần có một thời gian đủ dài để các nước trên thế giới phổ cập và tiến hành thay thế nhiên liệu hoá thạch bằng nhiên liệu từ sinh khối. Thêm nữa là nguồn năng lượng từ sinh khối này vẫn chưa được biết đến nhiều, khi mọi người nhắc đến năng lượng sạch ai cũng nghĩ tới năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thuỷ triều. Đó là những phát minh rất quan trọng về các loại năng lượng sạch, tuy nhiên chúng cũng có các nhược điểm như: năng lượng mặt trời thì giá thành quá mắc, năng lượng thuỷ triều và gió thì phụ thuộc quá nhiều vào điều kiện tự nhiên. Năng lượng sinh khối tuy mới mẻ nhưng đang là mối quan tâm của rất nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam ta. Tuỳ trình độ phát triển và điều kiện kinh tế của các nước trên thế giới mà nguồn năng lượng sinh khối được đưa vào những dự án năng lượng với quy mô lớn hay nhỏ. Hình 2 [9] Năng lượng sinh khối lấy methane là chủ yếu. Dựa vào biểu đồ trên, ta thấy rằng phần lớn methane được lấy từ sản phẩm nông nghiệp, từ quá trình thu hồi nhiên liệu hoá thạch và từ việc xử lý chất thải sinh hoạt. Với cơ cấu methane như trên, rõ ràng ngay cả những nước kém và đang phát triển vẫn có thể tận dụng nguồn năng lượng sinh khối này không kém những nước phát triển. Đặc biệt là đối với nước nông nghiệp như Việt Nam ta thì tiềm năng cho năng lượng sinh khối là rất lớn. Cho đến nay, ở nước ta cũng đã có nhiều dự án tận dụng nguồn năng lượng sinh khối này. Tuy nhiên, các dự án về năng lượng sinh khối ở nước ta là không lớn và còn được xây dựng lẻ tẻ, mang tính tự phát. Điển hình nhất là việc xây hầm biogas. “Tại ĐBSCL, việc xây hầm biogas đã được thực hiện từ khá lâu ở một số vùng. Tuy nhiên, trừ việc thay thế chất đốt đun nấu, chỉ số ít trang trại chăn nuôi khai thác khá hiệu quả khí biogas thay thế các loại năng lượng khác (điện, xăng - dầu...). Nhìn chung, "công năng" từ biogas vẫn chưa được khai thác hết; việc nhân rộng mô hình xây hầm biogas vẫn chưa được chú ý đúng mức...”[12] Với việc xây dựng hệ thống hầm biogas này, không chỉ xử lý được vấn đề ô nhiễm môi trường bởi các chất khí biogas mà người dân còn nhận thấy được hệ thống hầm biogas còn mang lại lợi nhuận cho họ, giúp họ tiết kiệm được từ 4 tới 5 triệu đồng / tháng: “Trang trại của kỹ sư Cao Huỳnh Lâm ở huyện Mang Thít (Vĩnh Long) nuôi 120 heo nái. Cách đây khoảng 4 năm, ông Lâm xây 5 hầm biogas (20m3/hầm) với mục đích giải quyết chuyện môi trường. Thế nhưng ngay sau đó, ngoài việc sử dụng khí từ biogas thay chất đốt đun nấu cho trên 10 công nhân, ông Lâm còn sử dụng khí biogas vào nhiều "công đoạn" khác của trang trại: Chạy môtơ máy phát điện, máy nghiền thức ăn cho các hầm nuôi cá tra; sưởi ấm cho heo con bằng thiết bị chuyên dùng... Ông Lâm cho biết: Việc sử dụng khí từ biogas thay điện để vận hành các thiết bị liên quan tới hoạt động nuôi cá, nuôi heo giúp trang trại của ông tiết kiệm bình quân 4 - 5 triệu đồng tiền điện mỗi tháng. Ấy là kỹ sư Lâm mới sử dụng khí của 2 trong số 5 hầm biogas đã xây dựng. Chi phí đầu tư xây dựng 1 hầm biogas (20m3) thời điểm ông Lâm thực hiện (năm 2004) khoảng trên 6 triệu đồng (hiện khoảng 15 triệu đồng - theo ông Lâm). Ngoài hiệu quả từ mục đính chính (bảo vệ môi trường), lợi ích mà biogas mang lại từ việc tiết kiệm năng lượng (cho xã hội), tiết kiệm chi phí sử dụng năng lượng (cho gia đình) là rất rõ; nhất là trong tình hình khó khăn về năng lượng như hiện nay - kỹ sư Lâm khẳng định. Hiện ông Lâm sẵn sàng cho bà con sống chung quanh khu vực trang trại của mình sử dụng miễn phí nguồn khí biogas còn thừa, chỉ với điều kiện: Bà con phải sử dụng các loại ống dẫn khí chất lượng tốt để đảm bảo an toàn. Vì - ông Lâm nhấn mạnh - khí gas rò rỉ có thể gây cháy nổ, ngộ độc.”[12] Tuy nhiên với những hiểu biết như thế, với những lợi nhuận như vậy, việc sử dụng hầm biogas vẫn còn quá mới mẻ so với người dân. Họ chưa tận dụng được hết triệt để nguồn năng lượng mà biogas đã mang lại cho họ: “Từ sự hỗ trợ về kỹ thuật của Trường Đại học Cần Thơ, cách đây trên 11 năm, tại làng nghề "làm bột nuôi heo" ở Tân Phú Đông (thị xã Sa Đéc, Đồng Tháp), bà con đã xây 400 hầm biogas (từ 4 - 18m3/hầm). Ông Trần Văn Dũng (cán bộ UBND xã Tân Phú Đông) cho biết: Trừ một số hầm không sử dụng do gia đình không còn nuôi heo, các hầm biogas đều vẫn đang hoạt động tốt; chỉ xảy ra hư hỏng nhỏ. Một hộ nuôi 5 con heo thì lượng phân thải ra dư cung ứng cho hầm biogas sử dụng cho gia đình có 10 nhân khẩu. Nếu gia đình đó sử dụng gas bình, thì sử dụng khí từ biogas thay thế có thể tiết kiệm 4 - 5 trăm ngàn đồng/tháng. Tuy nhiên, hầu hết hộ xây hầm biogas ở Tân Phú Đông chỉ sử dụng khí biogas thay chất đốt (gas bình, củi, than, điện) đun nấu. Cái lợi đã rõ, song rõ ràng vẫn chưa khai thác hết "công năng" mà khí từ biogas có thể mang lại. Kỹ sư Cao Huỳnh Lâm thì cho biết: khí biogas còn có thể sử dụng chạy máy nước nóng, tủ lạnh, thắp sáng, các loại máy sử dụng nhiên liệu là xăng, dầu... Tuy nhiên, trừ việc sử dụng khí thay chất đốt khá đơn giản, sử dụng khí biogas vận hành các loại thiết bị khác thường phải có chút ít cải tiến. Ví dụ một số loại máy chạy bằng xăng, dầu; nay muốn thay bằng khí biogas phải cải tiến bình xăng con, hệ thống lọc... Có lẽ đây chính là nguyên nhân khiến nhiều hộ dân xây hầm biogas, nhưng chỉ mới sử dụng khí thay chất đốt đun nấu.”[12] Đó là những gì mà Việt Nam ta đã đạt được trong vấn để tận dụng sinh khối để làm năng lượng. Tuy là với quy mô nhỏ nhưng chúng tôi hy vọng chỉ trong một thời gian ngắn thôi, sinh khối sẽ được biết đến và sử dụng rộng rãi khắp cả nước. Điều này sẽ góp phần cứu chữa tầng ozon, cứu chữa môi trường cho Việt Nam và cho toàn thế giới. Là nước phát triển, không phải là nước nông nghiệp, tiềm năng của những nước phát triển là không hơn được Việt Nam ta, tuy nhiên, họ đã có những dự án rất lớn trong vấn đề sử dụng năng lượng sinh khối. “Hàn Quốc đã xây dựng cho mình một Chiến lược tăng trưởng xanh, thải ra ít CO2trong vòng 60 năm tới với các công cụ chính là công nghệ, chính sách và thay đổi lối sống. Đối với lãnh đạo đất nước này, tăng trưởng xanh không phải là một sự lựa chọn mà là sự lựa chọn duy nhất. Một trong những mục tiêu mà Chiến lược đề ra là đến 2050, Hàn Quốc sẽ hoàn toàn không bị phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giải pháp chính là tăng cường năng lượng hạt nhân, phát triển năng lượng tái tạo. Năng lượng sinh học đang được tích cực nghiên cứu, phát triển ở đất nước này với mục tiêu đến năm 2030 năng lượng tái tạo sẽ đạt 11%, trong đó năng lượng từ sinh khối sẽ đạt  7,12%. Ngoài các công nghệ chế tạo biogas thông thường như từ sinh khối, từ chất thải chăn nuôi, Hàn Quốc đang tích cực phát triển bioga từ bùn thải.”[20] “Ở Nhật Bản, Chính phủ đã ban hành Chiến lược năng lượng sinh khối (Nippon Biomas Strategy) từ năm 2003 và hiện nay đang tích cực thực hiện Dự án phát triển các đô thị sinh khối (biomass town) và đã có 208 đô thị đạt danh hiệu này”[10] “Ở Đức, Luật Năng lượng tái tạo có hiệu lực từ năm 2000, đã đưa ra cơ chế khuyến khích ưu tiên phát lên lưới điện quốc gia những nguồn điện từ năng lượng tái tạo (mặt trời, gió, thuỷ điện, sinh khối và địa nhiệt). Sản xuất điện từ bioga từ sinh khối hiện nay đang rất phát triển với số lượng nhà máy đã đạt tới 4600 nhà máy với tổng công suất 1700MW năm 2009, và dự kiến sẽ tăng lên 5400 nhà máy năm 2015.”[10] “Trung Quốc đã có Luật năng lượng tái tạo và hiện nay đã có hơn 80 nhà máy điện sản xuất từ sinh khối với công suất đến 50MW/nhà máy. Tiềm năng là có thể đạt được 30GW điện từ loại hình năng lượng này và Chính phủ hiện đang thúc đẩy hợp tác, mời gọi đầu tư. Việc nghiên cứu phát triển bioga để chạy máy phát điện từ bùn thải từ các trạm xử lý nước thải cũng đang được thực hiện. Đây là một hoạt động rất có tiềm năng vì hiện nay trên toàn Trung Quốc đã có đến 1521 nhà máy xử lý nước thải được xây dựng tính đến năm 2008”[10] Nhà máy IwakuniĐiạ điểm: Nhật BảnXây dựng năm: 2006Nhiên liệu: GỗThông tin: Đây là nhà máy đầu tiên của Nhật bản dùng năng lượng sinh khối. Công suất của nhà máy vào khoảng 10 MW. Nguồn nhiên liệu gỗ được lấy từ Iimori Mokuzai Nhà máy KinaĐiạ điểm: MalaysiaXây dựng năm: 2009Nhiên liệu: sinh khối Nhà máy LajaĐiạ điểm: ChilêXây dựng năm: 1995Nhiên liệu: gỗ Nhà máy Miyazaki Điạ điểm: Nhật Bản Xây dựng năm: 2005 Nhiên liệu: phân chuồng gia cầm Nhà máy Piratini Điạ điểm: Brazil Xây dựng năm: 2001 Nhiên liệu: gỗ, chất thải nông nghiệpThông tin: Đây là dự án năng lượng sinh khối đầu tiên tại Brazil, được phát triển bời Companhia Geral de Distribuicao Electrica và Koblitz Ltda. Nhà máy Planta Cabrero Điạ điểm: Chilê Xây dựng năm: 2009 Nhiên liệu: gỗ Bảng 2: Một số nhà máy năng lượng sinh khối trên thế giới Nhiên liệu động cơ đốt trong Sinh khối ngoài việc dùng để sản suất điện năng còn được dùng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong thay cho các nhiên liệu thông thường hiện nay là xăng. Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ đốt trong mà chúng tôi muốn đề cập đến ở đây là ethanol sinh học (C2H5-OH) hay còn gọi là bioethanol. Ethanol có thể được sản xuất từ khí than hoặc sinh khối, thuật ngữ ethanol sinh học ở đây chúng tôi muốn đề cập đến ethanol được sản xuất từ sinh khối. Ethanol sinh học (Bioethanol) là nguồn nhiên liệu có thể tái chế được và là nguồn nhiên liệu sạch so với xăng dầu. Bioethanol được điều chế từ sự phân huỷ glucôzơ hoặc xenlulô lấy từ các nguồn thực vật và hoa màu trong nông nghiệp như: mía, củ cải đường, bắp, sắn, khoai tây,.... “Tuy nhiên, việc lấy xenlulô từ hoa màu để sản xuất ethanol hiện nay vẫn đang bị tranh luận về việc sử dụng ethanol tốt hơn xăng dầu được bao nhiêu trong khi việc lấy xenlulô từ hoa màu quả thật không kinh tế khi mà lượng hoa màu bỏ ra là quá lớn có thể sẽ dẫn đến việc không đủ cung cấp lương thực và cần nhiều diện tích đất trồng hoa màu hơn”[10]. “Mặt khác, bất lợi chính của các nhiên liệu ethano sinh học là dù chúng được sản xuất từ sinh khối hay khí than đi nữa...thì 30-40% năng lượng trong nhiên liệu ban đầu đã bị mất đi cho quá trình chuyển hóa ethanol. Các tính toán cho thấy, việc sản xuất ethanol từ hoa màu tiêu tốn nhiều năng lượng cho quá trình trồng trọt, thu hoạch...Vì vậy, nhiên liệu alcohol sản xuất từ hoa màu không kinh tế.”[18] Do đó, người ta đã chuyển hướng áp dụng quá trình sản xuất ethanol sử dụng phần xenlulô trong các sinh khối như cây bông, cây hoa hướng dương, rơm khô, cỏ và các phế thải nông nghiệp. Nguyên tắc sản xuất và sử dụng ethanol Quá trình sản xuất ethanol gồm có 3 bước cơ bản: Phân huỷ xenlulô thành đường đơn, lên men đường đơn để thu ethanol, chưng cất và đề hydrat hoá ethanol. Đầu tiên, để tao ra được ethanol, người ta cần phải phân huỷ xenlulô thành các phân tử đường đơn C6H12O6. Đối với các cây hoa màu thì đường đơn được tạo thành trong quá trình quang hợp: 6CO2 + 6H2O + ánh sáng mặt trời → C6H12O6 + 6 O2. Đối với các sinh khối thì đường đơn được tạo bằng cách thuỷ phân xenlulô: (C6H12O6)n + toC→ n C6H12O6 Sau đó, người ta tiến hành lên men đường đơn để tạo thành ethanol theo phản ứng: C6H12O6 → 2 C2H5OH+ 2 CO2 + Q với nhiệt lượng Q vào khoảng 227 kCal [21]. Đây là quá trình lên men được gây bởi vi khuẩn lên men. Loại vi khuẩn lên men này chỉ tương tác và làm lên men tinh thể đường đơn. Cuối cùng là công đoạn chưng cất và đề hydrat hoá ethanol. Ethanol muốn được sử dụng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong thì nước phải được loại bỏ hoàn toàn. Quá trình chưng cất chẳng qua chỉ quá trình đun nóng hỗn hợp dung dịch ethanol hoà tan. Ethanol bay hơi nhanh hơn nước nên sẽ bốc hơi ở nhiệt độ từ 80 – 90 độ C. Hơi ethanol được dẫn qua bộ phận làm lạnh để hoá lỏng ethanol thu được ethanol tinh khiết. Hình 3 [22] Hầu hết nước bị loại bỏ trong qua trình chưng cất này, mức độ tinh khiết của ethanol là khoảng từ 95 – 96 %. Tức là vẫn còn từ 4 – 5% lượng nước vẫn chưa loại bỏ được. Sở dĩ như vậy là vì tồn tại quá trình tạo hỗn hợp Azeotrope trong khi chưng cất ethanol. Cụ thể, azeotrope là một hỗn hợp luôn đảm bảo sự cân bằng nhất định của thành phần và áp suất các chất có trong hỗn hợp. Nguyên nhân gây ra hỗn hợp azeotrope là do sự liên kết giữa các phân tử của các chất thành phần của hỗn hợp tuân theo định luật Raoult: “Áp suất hơi của chất hoà tan lý tưởng sẽ phụ thuộc vào áp suất riêng rẽ của các chất thành phần với tỷ lệ mol giữa chất thành phần đó so với hỗn hợp”[6]: p= pi*ni với pi*là áp suất riêng rẽ của chất thành phần khi nó nguyên chất và ni là số mol của chất thành phần đó có trong một mol hỗn hợp. Với tỷ lệ 95% ethanol và 5% nước, lúc này ethanol vẫn có thể được sử dụng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong tuy nhiên quá trình đốt và nén sẽ khó khăn hơn, không tốt cho động cơ. Do đó, người ta cần loại bỏ triệt để lượng nước còn lại bằng quá trình đề hydrat hoá. Có nhiều cách để đề hydrat hoá ethanol như thêm vào chất như benzen hoặc cyclohexan vào hỗn hợp để tăng tính dễ bay hơi của ethanol hoặc là cho hỗn hợp đi qua vật liệu hút nước. Khi đó, chúng ta sẽ thu được ethanol khan (nguyên chất) sẵn sàng để được sử dụng. Về nguyên tắc hoạt động của ethanol trong động cơ đốt trong không khác so với xăng. Ethanol cũng sẽ được đốt cháy như xăng. Nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy ethanol sẽ đẩy làm cho khí trong piston giản nở, đẩy piston làm động cơ hoạt động. Sản phẩm của sự cháy chỉ bao gồm hơi nước và cacbon điôxít: C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O + Q Lợi ích sử dụng ethanol Ethanol được nghiên cứu để làm nhiên liệu thay cho xăng dầu là vì xăng dầu khi bị đốt, ngoài việc thải ra lượng khí nhà kính CO2, còn thải ra nhiều chất khí độc hại chứa lưu huỳnh. Tính toán cho thấy ethanol khi bị đốt cháy cũng thải ra CO2 nhưng ít hơn nhiều so với xăng. Cụ thể là khi đốt xăng thì cứ một lít xăng sẽ giải phóng 2.44 kg khí CO2 trong khi đốt một lít ethanol chỉ sản sinh ra 1.94 kg CO2 [7]. Dĩ nhiên công đoạn lên men đường và đốt ethanol cũng sẽ sinh ra khí CO2, nhưng không quá lớn, lượng khí CO2 này sẽ được cây trồng hấp thụ trong quá trình sinh trưởng và tạo ra sinh khối. Hình 4 [5]. Thống kê lượng CO2 từ các nguồn nhiên liệu Người ta đánh giá chất lượng của êtanol sinh học dựa trên năng lượng thu được từ êtanol sinh học so với năng lượng thu được khi dùng cùng một đương lượng nhiên liệu hoá thạch, kết quả đăng trên tạp chí National Geographic Magazine [3] năm 2007 cho ra trên bảng sau: Quốc gia Loại nhiên liệu Tỷ lệ năng lượng Hoa Kỳ Ethanol từ bắp 1.3 : 1 Brazil Ethanol từ mía 8 :1 Đức Dầu điêsen sinh học 2.5 : 1 Hoa Kỳ* Ethanol từ xenlulô 2 – 36 : 1 (*) hiện đang thử nghiệm, tỷ lệ cân bằng năng lượng tuỳ thuộc vào cách sử dụngBàng 3. Thống kê tỷ lệ năng lượng trên tạp chí National Geographic Magazine Tỷ lệ năng lượng cho trong bảng trên có nghĩ là nếu năng lượng thu được từ nhiên liệu hoá thạch là 1 thì năng lượng thu được từ bắp ethanol là 1.3, từ mía ethanol là 8, từ dầu sinh học là 2.5 và từ xenlulô ethanol là trong khoảng từ 2-36. Về mặt giá cả ethanol sinh học cũng có lợi hơn nhiều so với xăng dầu. Người ta so sánh giá cả của ethanol về các mặt như tác động đến môi trường, sức khoẻ con người, tỷ lệ năng lượng và quan trọng nhất là nguồn nhiên liệu tái tạo. Thống kê tại Mỹ cho thấy rằng: mỗi tỷ galông xăng dầu tốn khoảng 469 triệu đôla, đối với ethanol từ bắp thì tốn kém hơn: 472 – 952 triệu đôla/tỷ galông do phụ thuộc quá nhiều vào các yếu tố như đất trồng, nhiệt, kỹ thuật,… tuy nhiên đối với ethanol từ xenlulô thì giá thành chỉ là 123 – 208 triệu đôla/tỷ galông.[2] Nhược điểm duy nhất của nhiên liệu ethanol đó là bay hơi khó hơn xăng do đó động cơ rất khó khởi động khi mùa lạnh. Do đó, để khắc phụ tình trạng này, êtanol thường được trộn chung với xăng dầu theo một số tỷ lệ nhất định. Thường thấy là các loại xăng như E10 (10% êtanol, 90% xăng), E85 (85% êtanol, 15% xăng), E100 (10% êtanol)… “Sử dụng ethanol, thậm chí với mức hòa trộn thấp (ví dụ E10 : 10% etanol, 90% xăng), cũng có thể đem lại những ích lợi cho môi trường. E10 sinh ra ít CO, SO2, CO2 hơn xăng. Tuy nhiên E10 sinh ra nhiều chất hữu cơ bay hơi và Oxít Nitơ hơn. Ở mức hòa trộn cao hơn (E85, 15% xăng), hay thậm chí E100 (100% etanol) nhiên liệu cháy với sự giảm gần như tất cả các chất ô nhiễm kể trên”[18]. Vấn đề sử dụng ethanol hiện nay ở Việt Nam và thế giới. Nhìn chung nguyên liệu điều chế ethanol là khá phù hợp với các nước nông nghiệp tuy nhiên để điều chế được ethanol cần phải qua nhiều công đoạn và có những kỹ thuật tiên tiến. Với thế mạnh về nguyên liệu nông nghiệp trồng trọt và chăn nuôi, nước ta có một tiềm năng rất lớn về việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế cho xăng dầu như: + Dầu mỡ thải đã qua sử dụng: Gồm các phế phẩm dầu mỡ đi từ các nhà máy chế biến dầu mỡ, dầu mỡ đã qua sử dụng, được thu hồi sau quá trình rán, nấu từ các cơ sở chế biến thức ăn.[23] + Vi tảo là giải pháp duy nhất có thể giải quyết vấn đề diện tích đất trồng vì nó có chu kỳ phát triển rất ngắn, sống được ở khắp nơi có ánh nắng mặt trời, nước và CO2.[23] + Rỉ đường, ngũ cốc, vừng, lạc, dừa, mỡ cá basa...[23] + Cây Jatropha, có nguồn gốc từ Trung Mỹ, di thực sang châu Phi, Ấn Độ và Nam Mỹ, cây chịu hạn, trồng ở đất khô cằn, có nhiều loại. Nước ta có thể tận dụng 9 triệu ha đất hoang hóa, dọc ven các đường quốc lộ, trồng cây Jatropha để lấy dầu.[23] Tuy còn gặp nhiều khó khăn trong kỹ thuật và sự chuyên môn hoá, nhưng nước ta đã có sự quan tâm đặc biệt đến ethanol sinh học này bởi nhiên liệu xăng dầu hiện nay đã trong tình trạng bị báo động là sẽ cạn kiệt trong nay mai. Ngày 20/11/2007, thủ tướng chính phủ đã phê duyệt đề án năng lượng sinh học. Hiện nay, đã có nhiều dự án xây dựng nhà máy ethanol sinh học trên khắp cả ba miền Bắc, Trung, Nam. Tại miền Bắc, nhà máy sản xuất ethanol sinh học đang được khởi công xây dựng. “Ngày 21/6/2009, tại Phú Thọ, Công ty cổ phần Hóa dầu và Nhiên liệu Sinh học Dầu khí (PVB) đã khởi công xây dựng dự án nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu sinh học (bio-ethanol) đầu tiên ở khu vực phía Bắc. Nhà máy, có tổng vốn đầu tư 80 triệu USD, là dự án có công nghệ tiên tiến với công suất 100.000m3 ethanol/năm sử dụng nguyên liệu chính là sắn và mía đường.”[24] “Sự ra đời Nhà máy sản xuất Bio-ethanol khu vực phía Bắc sẽ tạo ra nguồn nhiên liệu sinh học giá rẻ làm nguyên liệu chế biến xăng, tiến tới thay thế một phần xăng; giảm bớt lượng khí thải CO2 của động cơ ra môi trường; góp phần tăng thu nhập cho người nông dân, thúc đẩy tăng trưởng kinh tế địa phương, chuyển hướng tích cực từ các cây trồng khác sang cây nguyên liệu; tạo ra nhiều công ăn việc làm cho người lao động công nghiệp cũng như nông nghiệp; tạo hiệu ứng dây chuyền phát triển kinh tế; góp phần xoá đói giảm nghèo, công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp, nông thôn của Đảng và Nhà nước.”[25] Hình 5. Lễ khởi công xây dựng nhà máy ethanol sinh học Phú Thọ ở miền Bắc. Ở miền Trung, dự án nhà máy nhiên liệu sinh học ethanol Dung Quất cũng đã được khởi công tại Quãng Ngãi. “Chủ đầu tư dự án là Công ty Cổ phần nhiên liệu sinh học Dầu khí Miền trung (PCB). Nhà máy sản xuất Bio-Ethanol nhiên liệu Dung Quất đã được khởi công hồi cuối tháng 4 tại Quảng Ngãi. Đây là một trong những dự án trọng điểm được Tập đoàn Dầu khí Việt Nam tr