Nhiên liệu sinh học và hiện trạng sản xuất, sử

dụng ở Việt Nam

09:59 |30/03/2012

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

(Nguồn ảnh: Corbis)

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

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

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

Ethanol và Butanol sinh học

Ethanol C2H5OH là một chất lỏng không màu, sôi ở 78,30C và là một dung
môi hữu cơ đa dụng, có thể sản xuất từ dầu khí thông qua phản ứng hydrat
hóa ethylene (ethanol tổng hợp, không sử dụng vào mục đích năng lượng)
hoặc từ nguyên liệu sinh học (ethanol sinh học, sử dụng chủ yếu vào mục
đích năng lượng).

Ethanol sinh học có khả năng thay thế hoàn toàn xăng sản xuất từ dầu mỏ,
hoặc có thể pha trộn với xăng để tạo ra xăng sinh học. Xăng sinh học được
ghi danh bằng ký tự “E” kèm theo một con số chỉ số phần trăm của ethanol
sinh học được pha trộn trong xăng đó. Trên thị trường ta thường gặp các loại
xăng sinh học như E5, E20, E95… tức là xăng sinh học chứa 5%, 20%, 95%
ethanol.

Các loại xăng thấp hơn E25 được dùng trực tiếp cho động cơ chạy xăng
thông thường, không phải chỉnh sửa, cải tạo máy. Dùng loại xăng này vừa
giảm sự phụ thuộc nhập khẩu xăng sản xuất từ dầu mỏ, vừa nâng cao chỉ số
octan của xăng, giảm lượng khí phát thải độc hại nhưng phải tiêu thụ lượng
nhiên liệu nhiều hơn trên cùng một khoảng đường đi.

Với các loại xăng cao hơn E25 thì xe phải cải hoán kết cấu động cơ. Trên thị
trường đã có loại xe FFV, gọi là xe dùng nhiên liệu linh hoạt (flexible fuel
vehicles) đáp ứng yêu cầu cho mọi loại xăng sinh học.

Butanol có công thức C4H9OH, tức là có cùng nhóm chức OH như ethanol,
nhưng số nhóm CH2 nhiều hơn gấp 3 lần nên thuộc loại rượu mạnh .Tuy có
cùng nhóm chức OH nhưng chứa cấu trúc mạch cacbon dài hơn và có nhiều
nhánh nên butanol ít hoặc khó hòa vào nước so với ethanol.

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

Diesel truyền thống và diesel sinh học

Dầu diesel truyền thống còn được biết dưới tên gọi là dầu DO, chứa các
hydrocacbon nằm trong phân đoạn kerosen và phân đoạn trung bình trong
quá trình lọc dầu, tức là ở khoảng nhiệt độ sôi từ 2000C đến 3500C. Công
dụng chính của diesel là làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong với tính chất
cháy được đặc trưng bằng khả năng tự cháy, biểu thị bằng trị số cetan.
Hydrocacbon có mạch n-parafin càng dài thì trị số cetan càng cao, ngược lại,
các hydrocacbon thơm, nhiều vòng có trị số cetan thấp. Hexadecan n-
C16H34có trị số cetan bằng 100 và alpha-methylnapthalen C11H10 có trị số
cetan bằng 0.

Xu thế diesel hóa các động cơ đốt trong dựa trên các ưu điểm của diesel so
với xăng như công suất lớn hơn khi sử dụng cùng một lượng nhiên liệu, động
cơ diesel tăng tốc nhanh hơn, giá diesel có thể rẻ hơn khi giá dầu thô quá cao
và có thể giảm hàm lượng các chất độc hại trong khí thải.

Diesel sinh học là nhiên liệu diesel được sản xuất từ nguyên liệu sinh học, với
thành phần hóa học chủ yếu là methyl ester của các axit béo. So với diesel
truyền thống, sản xuất từ dầu mỏ, thì diesel sinh học có nhiều ưu điểm về mặt
bảo vệ môi trường như, chứa ít lưu huỳnh (2-11ppmS), dễ phân hủy bằng vi
sinh, giảm ô nhiễm không khí (bảng 1).

Bảng 1. So sánh khí thải của diesel sinh học/diesel dầu mỏ

Ngoài ra, chúng có tính bôi trơn cao hơn diesel dầu mỏ nên tuổi thọ của động
cơ sẽ dài hơn và nguồn nguyên liệu lấy từ sản phẩm hoặc phế thải nông
nghiệp, thủy sản nên có thể tái sinh nhanh, góp phần tăng giá trị nông nghiệp,
sử dụng được lao động dôi dư, đất cằn cỗi, giảm nhập khẩu tốn kém ngoại tệ.

Ngày nay, tùy theo nguồn nguyên liệu khác nhau mà mỗi nước sản xuất
nhiều loại diesel sinh học khác nhau rồi đem trộn với diesel truyền thống theo
tỷ lệ quy định trong các tiêu chuẩn sản phẩm như B5 (5% diesel sinh học,
95% diesel dầu mỏ), B10 (10% diesel sinh học, 90% diesel dầu mỏ), B20(
20% diesel sinh học, 80% diesel dầu mỏ) ...

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

Nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học

Trên thế giới, nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất nhiên liệu sinh học là
sản phẩm nông nghiệp, các loại hạt có dầu, rong tảo, xenlulô và một phần
nhỏ từ các loại mỡ cá, mỡ động vật nói chung.

Ở Nam Phi và ở Mỹ, nhiên liệu sinh học được sản xuất từ ngô. Ở các nước
Tây Âu và ở Mỹ, sản lượng diesel sản xuất từ đậu tương tăng cao vào thời
điểm giá trị dinh dưỡng của các sản phẩm đậu tương chưa lên men, bị đặt
dấu hỏi cùng với nhiều loại cây đậu tương biến đổi gien có thể cho sản lượng
cao nhưng chưa cho phép dùng làm thức ăn cho người và cho gia súc.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- Diesel sinh học dùng trong mùa đông cần kiểm tra điểm đông để chọn loại
phù hợp hoặc dùng giải pháp hâm nóng.
Nhiên liệu sinh học đã được các nhà khoa học nước ta chú ý đến từ những
năm cuối của thế kỷ 20, cho đến nay, đã có một số nghiên cứu điều chế
diesel sinh học theo phương pháp este hóa với nguyên liệu là đậu tương, dầu
dừa, dầu phế thải, các loại hạt có dầu… cũng như nghiên cứu phản ứng
transeste hóa bằng siêu âm, nhiệt phân hay hydro hóa nhưng chỉ là việc làm
tự phát và kết quả chỉ mang tính định hướng hoặc học thuật.

Từ sau năm 2000, đã có một số xí nghiệp, công ty, đơn vị nghiên cứu tổ chức
sản xuất nhiên liệu sinh học dưới dạng pilot như, Công ty Minh Tú (Cần Thơ),
ĐH Bách khoa TP. Hồ Chí Minh, Viện Hóa Công nghiệp Hà Nội, Viện khoa
học Vật liệu Ứng dụng TP. HCM… được dư luận quan tâm.

Ở đồng bằng sông Cửu Long đã dùng diesel sản xuất từ mỡ cá basa và cá
tra để chạy máy tàu, thậm chí còn xuất khẩu với giá 0,6USD/lít, nhưng cũng
gặp một số trục trặc vì chưa có quy trình công nghệ phù hợp, chưa có tiêu
chuẩn chất lượng sản phẩm, cũng như quy định tỷ lệ pha trộn diesel sinh học
tương ứng với các loại động cơ chạy diesel dầu mỏ.

Công ty SaigonPetro, Công ty Mía đường Lam Sơn, Công ty rượu Bình Tây
cũng đã sản xuất thử nghiệm xăng E5 cho xe ô tô, nhưng chưa đưa vào
được thị trường. Tháng 9/2008, Công ty cổ phần hóa dầu và nhiên liệu sinh
học dầu khí( PVB) cung cấp xăng E5, sản xuất từ ethanol sinh học, nhập
khẩu từ Brazil cho 50 taxi ở Hà Nội, nhưng sau đó bị đình chỉ vì Việt Nam
chưa có tiêu chuẩn xăng sinh học.Việc tổ chức trồng nguyên liệu không có sự
tham gia chỉ đạo của các cơ quan quản lý nhà nước nên cũng chưa mang lại
kết quả.

Ngày 20/11/2007, Thủ Tướng Chính Phủ đã chính thức phê duyệt “Đề án
phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”, trong
đó đưa ra mục tiêu đến 2010, sản xuất 100.000 tấn xăng E5/năm và 50.000
tấn B5/năm, đảm bảo 0,4% nhu cầu nhiên liệu cả nước và đến năm 2025, sẽ
có sản lượng hai loại sản phẩm này đủ đáp ứng 5% nhu cầu thị trường nội
địa. Đề án cũng đưa ra 6 giải pháp quan trọng nhằm phát triển năng lượng
sinh học và kiến lập thị trường để đưa ngành này từng bước hội nhập với thế
giới.

Để thực hiện chiến lược này, PetroVietNam dự kiến từ năm 2011 đến năm
2015, sẽ đưa 3 nhà máy ethanol sinh học ở Quảng Ngãi, Phú Thọ, Bình
Phước vào hoạt động, với tổng công suất 230.000 tấn/năm, từ sản phẩm này
sẽ pha thành nhiên liệu E5-E10, đáp ứng khoảng 20% tổng nhu cầu tiêu thụ
xăng sinh học cả nước.

Từ năm 2008 đến nay, Việt Nam đã có 4 dự án sản xuất ethanol sinh học từ
sắn lát hoặc rỉ đường để trộn với xăng thành gasohol. Mẻ cồn đầu tiên của
Công ty cổ phần Đồng Xanh (Quảng Nam) đạt 120.000 lít/ngày đã ra lò vào
tháng 10/2009, góp phần đưa tổng sản lượng cồn của Việt Nam trong năm
2009 đạt 50 triệu lít/năm. Tuy nhiên, giá cồn trên thị trường trong nước đã
tăng từ 5.000 đồng/lít, năm 2001 lên 13.000 đồng/lít, năm 2010, trở thành cao
hơn giá bán trong khu vực. Sở dĩ có tình trạng này vì quy mô sản xuất nhỏ,
công nghệ lạc hậu, chưa sử dụng nhiều loại nguyên liệu khác rẻ hơn, chưa
tận dụng các phụ phẩm để hạ giá thành sản phẩm.

Bảng 2. Tóm tắt các dự án xây dựng Nhà máy ethanol nhiên liệu tại Việt Nam
 Nguồn: orientbiofuels.com.vn

Sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam cũng được nhiều đối tác nước ngoài
rất quan tâm. Đáng chú ý trong số này là các Dự án JICA - Nhật Bản hỗ trợ
Việt Nam nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học sử dụng các loại phế phẩm
bã mía, rơm rạ; dự án do Chính phủ Hà Lan tài trợ sử dụng trấu, vỏ cà phê,
trái điều, vỏ điều, rong biển; chương trình tổng thể về nghiên cứu và phát
triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam của Hàn Quốc sản xuất diesel sinh học
và các hóa chất tinh khiết thân thiện với môi trường từ dầu thực vật …

Thuận lợi và khó khăn trong sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam
Để có thể sản xuất nhiên liệu sinh học quy mô lớn, đề xuất được các giải
pháp cụ thể đem lại hiệu quả kinh tế cũng như giảm thiểu ô nhiễm môi
trường, xử lý nước thải sau chưng cất, chúng ta cần thấy hết những khó
khăn, thuận lợi trong lĩnh vực này.

Trong hội thảo về chiến lược tăng tốc trong lĩnh vực hạ nguồn do Hội Dầu Khí
Việt Nam tổ chức, ngày 11/9/2010 tại Hà Nội, đã có rất nhiều ý kiến về vấn đề
này nhưng tập trung nhất là trong tham luận của TS. Võ Thị Hạnh, Phòng Vi
sinh, Viện sinh Học Nhiệt đới. Theo TS. Hạnh, đối với nguồn nguyên liệu thì
nước ta là một nước nông nghiệp nên có rất nhiều thuận lợi.

Nước ta đã có quy hoạch phát triển ngành mía đường, năm 2010 diện tích
trồng mía đạt khoảng 300.000 ha, năng suất 65 tấn/ ha. Phụ phẩm của mía
đường rất dồi dào, chất lượng cao, thích hợp cho sản xuất nhiên liệu sinh
học. Tuy nhiên, trên thực tế diện tích trồng mía chỉ đạt 265.000 ha, năng suất
và chữ đường đều thấp hơn kế hoạch. Tổng sản lượng đường chỉ đạt dưới 1
triệu tấn/năm, do đó sản lượng rỉ đường cũng chỉ đạt 1,8 triệu tấn/năm và giá
thành lên khá cao, dùng cho sản xuất nhiên liệu lỏng sẽ khó có lãi.

Đối với sắn, diện tích trồng năm 2008 đạt 555,7 nghìn ha, năng suất bình
quân 16,9 tấn/ha, đưa nước ta trở thành nước đứng thứ 7 trên thế giới về sản
lượng sắn. Triển vọng về diện tích và năng suất sắn còn có thể được nâng
cao hơn nữa nếu có quy hoạch vùng chuyên canh và có giải pháp bảo đảm
giá đầu ra cho sản phẩm một cách hợp lý và ổn định lâu dài. Công ty nhiên
liệu sinh học Phương Đông (OBF), đơn vị thành viên của PV OIL đã ký văn
bản thỏa thuận với sở Nông nghiệp tỉnh Bình Phước, hợp tác trồng sắn trên
địa bàn tỉnh này là một ví dụ về giải pháp theo hướng nói trên.

Tuy nhiên, việc phát triển quá nhanh các vùng nguyên liệu có thể gây ra
những hậu qủa môi sinh, ảnh hưởng đến sự phát triển bền vững, cân bằng
sinh thái cho địa phương. Từ năm 2010 đến nay, 1/3 tổng sản lượng sắn ở
nước ta bị nấm bệnh vì đất xấu, lạm dụng phân vô cơ, giống bị thoái hóa, thời
tiết không thuận.

Thông thường độ tinh bột trong sắn củ lớn hơn 25% nhưng ở nước ta hầu hết
chỉ đạt ít hơn 20%, giá bán sắn củ lại cũng khá cao vì nhu cầu cho lương
thực và chăn nuôi cũng ngày một tăng. Đến sau năm 2012, khi 3 nhà máy
sản xuất cồn của PVN đi vào hoạt động thì cung sẽ không đủ cầu, giá sẽ còn
tăng hơn nữa. Mặt khác cơ chế thị trường làm cho nông dân vốn quen với
cách làm ăn cá thể, tiểu nông tự do, dễ dàng không tôn trọng tính ràng buộc
pháp lý của hợp đồng làm cho khủng hoảng nguyên liệu xảy ra đột ngột và
trầm trọng. Bên cạnh đó việc tổ chức thu mua trên một thị trường nhỏ lẻ,
phân tán cũng không phải dễ dàng giải quyết.

Với nhà máy sản xuất tinh bột sắn công suất 200 tấn củ/ngày, sẽ thải ra 100
tấn bã/ngày, có thẻ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Việc chế biến
chúng thành thức ăn gia súc có hiệu quả còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố kinh
tế - kỹ thuật và xã hội, việc dùng bã sắn để sản xuất cồn ở nước ta chưa nơi
nào làm.

Về thiết bị, công nghệ, các nhà máy sản xuất cồn công suất 100.000 lít/ngày
hiện đại nhập từ nước ngoài sẽ đưa lại hiệu suất tạo cồn cao (1 lít cồn chỉ cần
dưới 3 kg rỉ đường hoặc dưới 2,5 kg sắn lát); hầu hết đều tận dụng phụ phế
phẩm từ sản xuất cồn để sản xuất các sản phẩm phụ như CO2 lỏng, thức ăn
gia súc, phân bón hữu cơ, tận dụng nước thải sau chưng cất để sản xuất khí
sinh học phục vụ sản xuất điện, nhiệt cho nhà máy, góp phần giảm chi phí
sản xuất, tăng lợi nhuận.
Tuy nhiên, chi phí đầu tư cao (khoảng 100 triệu USD/nhà máy), nhu cầu
nguyên liệu khối lượng lớn trong lúc giá mua ngày càng tăng, chi phí xử lý
nước thải lớn…

Về tiêu thụ sản phẩm, nhu cầu xăng dầu trong tương lai gần sẽ rất lớn, nhiên
liêu sản xuất từ dầu mỏ không đáp ứng đủ nên thị trường nhiên liệu sinh học
rất thuận lợi. Tuy nhiên, nếu giá dầu mỏ không tăng quá cao như dự báo
trong lúc giá thành sản xuất nhiên liệu sinh học lại cao và nhà nước giảm dần,
tiến tới loại bỏ trợ cấp giá thì khâu phân phối cũng sẽ có nhiều vấn đề phải
đối mặt.

Bên cạnh các giải pháp tổng thể do Chính phủ đã đưa ra, các nhà khoa học
và các nhà sản xuất, kinh doanh cần tiếp tục đề xuất các giải pháp cụ thể,
phù hợp với diễn biến thực tế trong tương lai. Trong các giải pháp này không
nên chỉ tập trung vào việc yêu cầu nhà nước giảm thuế, tăng thêm các chính
sách ưu đãi mặc dù điều đó là rất cần khi xây dựng một ngành sản xuất mới
với vô số những khó khăn mà nên tìm các cách để tạo ra những công nghệ
tiên tiến, phù hợp với môi trường tự nhiên - kinh tế - xã hội của Việt Nam.

Kết hợp tốt nhất giữa các nhà khoa học và các nhà quản lý - sản xuất - kinh
doanh, khuyến khích các doanh nghiệp sử dụng các kết quả nghiên cứu trong
nước, bên cạnh việc tận dụng chuyển giao công nghệ hiện đại từ nước ngoài
cũng như nâng cao hiệu quả của công tác tổ chức, quản lý cả của nhà nước
lẫn doanh nghiệp.

Tương lai ngành nhiên liệu sinh học cũng như năng lượng mới, năng lượng
thay thế rất có tương lai, vì hiệu quả tổng hợp của ngành này rất lớn, nên
chắc chắn chúng ta sẽ đạt nhiều thành tựu xuất sắc trong thời gian tới, góp
phần xứng đáng vào sự nghiệp đưa nước ta đi vào văn minh, hiện đại như cả
nước đang kỳ vọng.
Tài liệu tham khảo:

- Hóa Học Ngày Nay, ORIENT BIO FUELS

- Cristopher A.Simon. Alternative Energy. Rowman&Littlefield Publishers Inc.

2007

- Hồ sỹ Thoảng, Trần Mạnh Trí. Năng lượng cho thế kỷ 21. nhà
XBKHKT,2009

- Các tham luận của nhiều tác giả trong hội thảo “Chiến lược tăng tốc phát
triển trong lĩnh vực hạ nguồn” do Hội Dầu khí Việt Nam tổ chức ngày
11/9/2010.

Phó giáo sư TS. Trần Ngọc Toản

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp, thu nhập của người dân và
số lượng các phương tiện giao thông vận tải (GTVT) làm cho nhu cầu sử
dụng năng lượng càng ngày càng tăng cao, đặc biệt là dầu mỏ. Trung
bình mỗi ngày thế giới tiêu thụ hết khoảng 87 triệu thùng
dầu thô, chủ yếu tập trung ở các nước như Mỹ,
Trung Quốc, Nhật Bản…[1]. Việc sử dụng
nhiên liệu gốc hoá thạch sẽ thải ra các chất độc
hại ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và môi
trường, và phát thải khí hiệu ứng nhà kính, dẫn
tới biến đổi khí hậu, trái đất ấm dần lên, hiện
tượng băng tan...
Cạnh tranh trong lĩnh vực năng lượng hóa
thạch đang ngày càng diễn biến khốc liệt và
tiềm ẩn nhiều bất ổn trong bối cảnh trữ lượng
dầu đang dần cạn kiệt so với tốc độ khai thác
ngày càng lớn. Đa dạng hóa nguồn năng lượng
và giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa
thạch là một trong những mục tiêu hàng đầu
của các nước lớn như Mỹ, Đức, Nhật Bản…
Nhiên liệu thay thế (NLTT) cho động cơ đốt
trong được xem là một trong những giải pháp
quan trọng và nhận được sự quan tâm lớn của
thế giới.
Bài báo trình bày tổng quan về kỹ thuật, tình
hình sản xuất, sử dụng và tiềm năng của các
loại NLTT trên thế giới và ở Việt Nam. Một số
ảnh hưởng của NLTT đến tính năng, phát thải,
độ bền và tuổi thọ động cơ cũng được đề cập
thông qua các nghiên cứu trên thế giới và các
nghiên cứu thực nghiệm gần đây của tác giả.
II. CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU THAY THẾ
Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành
2 nhóm. Nhóm các nhiên liệu có nguồn gốc hóa
thạch gồm: Ethanol, khí thiên nhiên (NGNatural Gas), khí dầu mỏ hóa
lỏng (LPGLiquefied Petroleum Gas), methanol, hyđrô, khí
hóa lỏng (GTL-Gas To Liquid), than đá hóa
lỏng (CTL-Coal To Liquid), và Dimethyl ether
(DME). Nhóm các loại nhiên liệu có nguồn gốc
tái tạo gồm: Khí sinh học (biogas), Ethanol sinh
học (bio-ethanol)/methanol sinh học (biomethanol), hyđrô, dầu thực vật
(vegetable oil),
diesel sinh học (bio-diesel hay FAME – Fatty
Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật
hyđrô hóa (HVO – Hydrotreating Vegetable Oil)
và sinh khối hóa lỏng (BTL – Bio-mass To
Liquid).
Tóm lược về việc lựa chọn nhiên liệu thay thế
cho động cơ đốt trong được thể hiện trên Hình
1.
Hình 1. Các loại nhiên liệu thay thế cho động
cơ đốt trong (nguồn: Daimler AG)
Các loại nhiên liệu sinh học (nhiên liệu có
nguồn gốc tái tạo) được chia thành các thế hệ
như: Nhiên liệu sinh học thế hệ I (sản xuất từ
thực phẩm), thế hệ II (sản xuất từ nguồn thực
phẩm không ăn được) và thế hệ III (sản xuất từ
vi tảo). Trong đó, nhiên liệu sinh học thế hệ I
đang chiếm sản lượng chính mặc dù vấn đề an
ninh lương thực đang được đặc biệt quan tâm;
nhiên liệu sinh học thế hệ II và III đang trong
giai đoạn hoàn thiện công nghệ và bắt đầu
được sản xuất ở quy mô thử nghiệm để tiến tới
quy mô thương mại.
2.1. Cồn
Cồn có công thức hoá học là CnH2n+1OH
được xem là nhiên liệu phù hợp nhất để sử
dụng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ có
trị số octane cao và tính chất vật lý, hoá học
tương tự như xăng [2]. Hiện nay, cồn tồn tại ở
bốn dạng là ethanol (C2H5OH), methanol
(CH3OH), butanol (C4H9OH) và propanol
(C3H7OH), tất cả đều là chất lỏng không màu,
tuy nhiên methanol và butanol rất độc, giá
thành sản xuất butanol khá cao so với giá
thành sản xuất ethanol và metanol. Vì vậy hiện
tại ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả cho
các phương tiện GTVT [3].
Ethanol chủ yếu được sản xuất từ quá trình
lên men các sản phẩm có đường như mía, củ
cải đường..., các sản phẩm ngũ cốc như ngô,
khoai, sắn, lúa mì ... (thế hệ I); từ phế phẩm
nông, lâm nghiệp (thế hệ II) và từ vi tảo (thế hệ
III). Đối với thế hệ II, phế phẩm nông, lâm
nghiệp cần phải trải qua quá trình tiền chế, lên
men thuỷ phân để loại bỏ chất gỗ (lignin) trong
nguyên liệu, sản phẩm tạo thành là đường
glucose. Sau đó quy trình sản xuất tạo thành
ethanol tương tự với quá trình sản xuất ethanol
thế hệ I [4]. Đối với thế hệ III, vi tảo sau khi thu
hoạch được nghiền trước khi thực hiện quá
trình phân rã tế bào, sản phẩm là tinh bột và
protein, thông qua quá trình lên men thuỷ phân
tạo thành ethanol [5].
Methanol hiện tại chủ yếu sản xuất từ khí
thiên nhiên thông qua quá trình khí hoá và tổng
hợp, trong thời gian gần đây, methanol cũng đã
bắt đầu được sản xuất từ sinh khối nhằm giảm
gánh nặng đối với nguồn nguyên liệu hoá thạch
[3].
2.2. Dầu thực vật và bio-diesel
Dầu thực vật là dầu thu trực tiếp từ quá trình
ép các hạt có dầu như hạt cải dầu, hướng
dương, đậu nành, cọ, dừa, jatropha... có thể
được sử dụng trực tiếp cho động cơ cháy do
nén hoặc dùng trong lĩnh vực chế biến thực
phẩm.
Bio-diesel thế hệ I là sản phẩm của quá
trình este hoá dầu thực vật hoặc mỡ động vật
(ví dụ như mỡ cá basa [6]). Bio-diesel thế hệ II
được sản xuất từ dầu ăn đã qua sử dụng [7],
sinh khối (BTL) và từ khí methane-CH4 (từ quá
trình lên men các chất thải hữu cơ và chất thải
của động vật – biogas), còn gọi là khí hoá lỏng
(GTL), và từ vi tảo (thế hệ III). Sinh khối (gỗ,
rơm, rạ, trấu...) được khí hoá tạo thành khí tổng
hợp (syngas), sau đó thông qua quá trình
Fischer-Tropsch (FT) điều chế thành bio-diesel
(Hình 2). Loại nhiên liệu lỏng sản xuất từ sinh
khối này còn được gọi là sunfuel. Quy trình FT
có dạng như sau [8]:
2
2
nCO nm ⎟H
⎞⎠
⎛⎜⎝
+
+ OHHC
nm + 2
Bio-diesel được xem là nhiên liệu phù hợp
nhất để thay thế cho diesel trên động cơ cháy
do nén nhờ có tính chất tương tự như diesel
[2].
Vi tảo sau khi hấp thụ nước, ánh sáng mặt
trời và khí CO2 thì được nghiền để thực hiện
quá trình chiết dầu, dầu sau khi chiết được este
hoá, tạo thành bio-diesel [5].
HVO được cho là một loại nhiên liệu hyđrô
cácbon rất tiềm năng dùng để thay thế cho
diesel nhờ trị số xêtan rất cao. Tuy nhiên, quy
mô sản xuất HVO trên thế giới còn hạn chế do
công nghệ sản xuất chưa thực sự hoàn thiện
[9].
Hình 2. Các công đoạn sản xuất BTL
2.3. Hyđrô và khí giàu hyđrô
Hyđrô có thể được sản xuất từ nguồn hyđrô
cácbon hóa thạch, từ nước và từ sinh khối
bằng các phương pháp như reforming hơi
nước, ôxy hóa không hoàn toàn, nhiệt phân khí
thiên nhiên, thu hồi từ quá trình reforming và
điện phân nước [10].
Hyđrô có thể được sử dụng trực tiếp trên
động cơ đốt trong ở dạng hyđrô lỏng (nhiệt độ
hóa lỏng là -2530C ở điều kiện khí quyển) hoặc
ở dạng nén (áp suất bình chứa lên tới 700 bar).
Vấn đề tồn chứa hyđrô một cách hiệu quả, an
toàn vẫn đang nhận được sự quan tâm lớn của
các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp. Hyđrô
hiện được cho là nguồn tiềm năng làm pin
nhiên liệu để sản sinh điện năng. Mặc dù còn
có những vấn đề khó khăn về quá trình tồn trữ
và giá thành, nhưng với nhiệt trị lớn (theo khối
lượng) và nguồn nguyên liệu được xem như là
vô hạn nên hiện tại hyđrô được xem là “nhiên
liệu của tương lai”.
Khí giàu hyđrô là hỗn hợp của khí hyđrô và
một số khí khác như ôxy (trong khí HHO), CO
(trong khí tổng hợp) cùng một số tạp chất khác.
Khí giàu hyđrô thường được sử dụng trên động
cơ như là một phụ gia nhiên liệu bằng cách bổ
Xúc tác
sung khí vào đường nạp nhằm cải thiện quá
trình cháy và giảm phát thải ô nhiễm [11].
2.4. Khí dầu mỏ hoá lỏng
LPG là sản phẩm của quá trình hoá lỏng khí
đồng hành thu được trong quá trình chưng cất
dầu mỏ bao gồm hai thành phần chính là
propan, C3H8 và butan, C4H10 [2]. LPG có thể
sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động
cơ đánh lửa cưỡng bức hoặc cũng có thể sử
dụng trên động cơ cháy do nén như là một phụ
gia nhiên liệu.
Giá trị áp suất hóa lỏng LPG phụ thuộc vào
thành phần của hỗn hợp: khoảng 2,2 bar đối
với C4H10 tại 200C, và khoảng 22 bar đối với
C3H8 tại 550C [12]. Thông thường LPG được
chứa trong bình ở áp suất khoảng 8 bar với tỷ
lệ propan/butan khoảng 60%/40%.
2.5. Khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên thường được sử dụng làm
chất đốt để sưởi ấm, sản xuất điện năng và
phục vụ cho công nghiệp. Thành phần chính
của khí thiên nhiên là methane, CH4 (80-90%),
còn lại là các thành phần khác như C2H6, C3H8,
C4H10 ... Khí thiên nhiên có tính chất phù hợp
để sử dụng trên động cơ, đặc biệt là động cơ
đánh lửa cưỡng bức. Nhằm nâng cao mật độ
năng lượng, khí thiên nhiên thường được nén
(CNG, với áp suất nén 200-250 bar trong điều
kiện nhiệt độ môi trường) hoặc hoá lỏng (LNG,
ở nhiệt độ -1270C trong điều kiện áp suất môi
trường và ở nhiệt độ -1610C khi áp suất là 6-8
bar) [2].
ợng ethanol của
toàn thế giới trong năm 2010 ước tính khoảng
91,66 tỷ lít [14].
50,25%
6,4%
0,78% 0,34%
0,06%
30,4%
11,7%
Bắc Mỹ
Tây Âu
Châu Đại Dương
Các nước khác
Châu Phi
Trung/Nam Mỹ
Châu Á-TBD
59,7%
6,4%
0,41%
0,12%
0,0009%
29,4%
3,9%
Hình 3. Tỷ trọng ethanol sản xuất (a) và tiêu thụ
(b) của thế giới theo các khu vực năm 2010 [14]
Chiếc xe Ford model T của Mỹ có thể sử
dụng ethanol và xăng từ năm 1908. Trong khi
Brazil là nước có chương trình sản xuất và sử
dụng nhiên liệu sinh học thành công nhất thế
giới [15]. Rất nhiều quốc gia trên thế giới đã
bán xăng pha ethanol với tỷ lệ từ 5-25% (E5-
E25) hoặc thậm chí là E85, E100 và phương
tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt (Flexible Fuel
Vehicles – FFV). Ở Mỹ và một số quốc gia khác
như Thái Lan, Jamaica..., tỷ lệ ethanol bắt buộc
có trong nhiên liệu không dưới 10%, trong khi
Brazil bắt buộc phải sử dụng E20-E25. Ở
những quốc gia này, nhiên liệu E85 và E100
cũng được bán ngay tại các trạm cung cấp
cùng với các loại nhiên liệu khác. Theo [14], thế
giới tiêu thụ hết khoảng 73,74 tỷ lít ethanol
trong năm 2010, tập trung chủ yếu ở Bắc Mỹ
với khoảng 60% (hình 3b).
Năm 1995, Mỹ sản xuất được tổng cộng là
6,5 tỷ lít methanol (1,7 triệu gallon), đứng thứ
21 trong các chất hoá học được sử dụng nhiều
nhất [2]. Hiện nay, Trung Quốc đang là nước
sản xuất methanol lớn nhất trên thế giới (chủ
yếu từ than đá) [16]. Năm 2010, sản lượng
methanol của Trung Quốc đạt đến 48,24 tỷ lít
và dự kiến sẽ tăng lên 62,8 tỷ lít vào năm 2015
[17].
Những năm thập niên 30, methanol đã được
sử dụng thay thế cho xăng trên động cơ hiệu
suất cao trong cuộc đua Grand Prix, và 2 thập
niên sau, methanol vẫn được sử dụng trong
cuộc đua xe ở Indianapolis 500 [2]. Hiện tại,
Trung Quốc đang là nước tiêu thụ nhiều
methanol nhất trên thế giới, 28,5 tỷ lít trong
năm 2010, tương đương 40% lượng methanol
tiêu thụ toàn cầu. Trong đó khoảng 8,8 tỷ lít là
phục vụ cho lĩnh vực GTVT [17]. Ở Mỹ hiện có
khoảng 21 nghìn phương tiện linh hoạt sử dụng
nhiên liệu M85 [16].
b) Dầu thực vật và bio-diesel
Sản lượng dầu thực vật sản xuất trên toàn
thế giới tăng dần theo từng năm, đạt đến
khoảng 141 tỷ lít vào năm 2008. Trong đó dầu
cọ chiếm khoảng 30%, dầu đậu nành khoảng
28%, dầu cải dầu 15% và dầu hướng dương
9%. Trung bình hàng năm, sản lượng dầu cọ
tăng 8,1%, dầu đậu nành tăng 5,7%, dầu cải
dầu tăng 4,8%... và đối với tất cả các nguồn
nguyên liệu, sản lượng dầu thực vật tăng 5,2%
mỗi năm [18]. Dầu cọ tập trung chủ yếu ở
Malaysia và Indonesia, chiếm khoảng 80-85%
sản lượng của thế giới. Dầu đậu nành ở các
quốc gia châu Mỹ như Mỹ, Brazil và Argentina,
trong đó Mỹ chiếm khoảng 30-40%, Brazil, 20-
40% và Argentina, 15-25% sản lượng dầu đậu
nành của thế giới. Trung Quốc cũng đang nổi
lên là một nước có tiềm năng lớn về dầu thực
vật sản xuất từ đậu nành. Dầu từ hạt cải dầu
được sản xuất chủ yếu tại châu Âu, Trung
Quốc, Ấn Độ và Canada [18].
Dầu thực vật chủ yếu được sử dụng ở hai
dạng chính: làm dầu ăn và làm nhiên liệu cho
động cơ. Đến năm 2008, tỷ lệ dầu thực vật sử
dụng trong việc chế biến thực phẩm chiếm
khoảng 80%, tiếp theo là đến phục vụ cho công
nghiệp và sản xuất bio-diesel. Tổng lượng dầu
thực vật tiêu thụ cho cả 3 lĩnh vực trên trong