Green Energy Năng lượng xanh: nhiên liệu sinh học, khí sinh học, ethanol sinh học và diesel sinh học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC

BÁO CÁO KHOA HỌC

HOÁ HỌC XANH Đề tài:

NĂNG LƯỢNG XANH GVHD: GS.TS. Phan Thanh Sơn Nam

TP.HCM, 2017

1

VẤN ĐỀ CỦA NĂNG LƢỢNG TOÀN CẦU

2

VẤN ĐỀ CỦA MÔI TRƢỜNG

3

GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƢỢNG XANH

4

NĂNG LƢỢNG XANH từ BIOMASS

5

NĂNG LƢỢNG XANH từ BIOMASS

Biomass

Biofuel Bio-gas Bio-ethanol Bio-diesel 6

Biochemical

Biofuel và tác động môi trƣờng

7

Biofuel và tác động môi trƣờng

8

Biofuel và tác động môi trƣờng

9

Biofuel và tác động môi trƣờng

10

Biofuel và tác động môi trƣờng •

Khói thải của ethanol sạch hơn

•

Giảm phát thải các khí gây hiệu ứng nhà kính: Sử dụng E85 giảm được 37.1% GHGs.

11

Nhu cầu Biofuel

12

Biofuel của Việt Nam • 1/12/2014 : Áp dụng ở 7 tỉnh, thành phố • 1/12/2015: Áp dụng toàn quốc

13

BIODIESEL 14

BIODIESEL LÀ GÌ?

Theo tiêu chuẩn ASTM thì Biodiesel (Diesel

sinh

học)

được

định

nghĩa: “là các mono alkyl Ester của

các acid mạch dài có nguồn gốc từ các lipit có thể tái tạo lại như: dầu thực vật, mỡ động vật, được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel”.

15

LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN • Bắt đầu được sản xuất khoảng giữa năm 1800: chuyển hóa dầu

thực vật để thu Glycerol ứng dụng làm xà phòng, các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl Ester gọi chung là biodiesel.

• 10/08/1893 lần đầu tiên Rudolf Diesel đã sử dụng Biodiesel do

ông sáng chế để chạy máy.

• 1900 Diesel đã biểu diễn động cơ dùng dầu Biodiesel chế biến từ dầu phụng (lạc).

• Thập kỷ 90, Pháp đã triển khai sản xuất Biodiesel từ dầu hạt cải.

Và được dùng ở dạng B5 và B30.

• 16

BIODIESEL TRÊN THẾ GIỚI

(*) Data source: IEA Energy Statistics © OECD/International Energy Agency, 2011 17

BIODIESEL Ở VIỆT NAM • Chính phủ đã đặt mục tiêu dùng biodiesel thay thế 5% dầu diesel từ năm 2016 - 2025.

• Số xe động cơ diesel chiếm > 20% thị

trường ôtô mới tại Việt Nam. • Khó khăn: công nghệ-thiết bị, công suất nhỏ, tiêu hao nhiều năng lượng, giá

thành cao, nhiều rào cản từ chính sách thông tin của các nhà sản xuất xe.

18

ƢU ĐIỂM CỦA BIODIESEL  Được sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái sinh.

 Dễ dàng phân hủy sinh học (gấp 4 lần so với diesel, phân huỷ từ 85 - 88% trong nước sau 28 ngày)  Giảm thiểu ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính:

• Cháy sạch hơn 75% so với diesel truyền thống.

• Giảm: 90% hàm lượng hydrocacbon không cháy, 50% CO2 trong khí thải, 50% khả năng phá hủy tầng ozon.

• SO2 bị loại bỏ hoàn toàn khi sử dụng động cơ biodiesel.  Giảm nguy cơ độc hại đến sức khỏe con người (B20,B100)

19

ƢU ĐIỂM CỦA BIODIESEL  Về mặt kỹ thuật:

•

Rất linh động, có thể trộn với diesel theo bất kỳ tỷ lệ nào.

•

Có điểm chớp cháy cao hơn diesel, đốt cháy hoàn toàn, an toàn trong bồn chứa và sử dụng.

•

Tính bôi trơn tốt, chỉ số cetan cao hơn Diesel.

•

Khi sử dụng không cần cải tiến bất kỳ chi tiết nào của động cơ.

 Về mặt kinh tế: Tận dụng nguồn phế phẩm, các nguyên liệu có giá trị thấp  thúc đẩy nông nghiệp phát triển.

20

NHƢỢC ĐIỂM • Việc sử dụng nhiên liệu chứa > 5% biodiesel có thể

gây: ăn mòn chi tiết động cơ, tạo cặn trong bình nhiên liệu.

• T0 đông đặc của biodiesel thường cao hơn nhiều so với diesel -> ảnh hưởng khi sử dụng ở những nơi có thời tiết giá lạnh.

• Dễ bị oxy hóa, gây khó khăn trong việc bảo quản.

• Nguồn nguyên liệu chưa ổn định, giá thành khá cao.

21

NGUYÊN LIỆU • Dầu thực vật • Mỡ động vật • Dầu thải chiên rán • Vi tảo

22

PHƢƠNG PHÁP SẢN XUẤT

Phƣơng pháp pha loãng Phƣơng pháp nhiệt phân Phƣơng pháp vi nhũ tƣơng Phƣơng pháp transester hóa

23

PHƢƠNG PHÁP PHA LOÃNG • Dầu mỡ có độ nhớt cao (11-17 lần so với diesel

thông thường) -> phải phối trộn với nhiên liệu diesel hoặc các dung môi như ethanol.

•

Pha loãng dầu hạt hướng dương với nhiên liệu diesel ở tỷ lệ thể tích 1:3:

cSt. là404.88 C 0

• Hỗn hợp 1:1 của dầu nành và dung

môi

stoddard có độ nhớt 5.12 cSt ở 380C.  Nhược điểm: gây hiện tượng bám muội than ở

vòi phun khi sử dụng động cơ trong thời gian dài.

24

PHƢƠNG PHÁP THỦY NHIỆT Dầu dừa và dầu cọ đã được cracking, sử dụng xúc tác

SiO/Al2O3 ở 4500C -> nhiên liệu có khối lượng phân hủy nhỏ hơn.  Nhược điểm: • Rất khó điểu khiển do có nhiều pu xảy ra khi dùng nhiệt và tạo nhiều phản ứng phụ.

• Thải ra nhiều bụi.

• Phải loại bỏ Oxy sau quá trình nhiệt phân.

25

PHƢƠNG PHÁP VI NHŨ TƢƠNG • Vi nhũ tương hóa với dung môi như methanol, ethanol và 1-butanol -> ↓ độ nhớt.

• Hệ nhũ tương: 53% tinh dầu hướng dương,

13.3% ethanol và 33.4% 1-butanol (thể tích) -> độ nhớt là 6.31 cSt ở 400C, chỉ số cetane là 25 và độ tro thấp hơn 0.01%.  Thời gian dài: vòi phun không ổn định, có muội than ở van, nhiên liệu cháy không hoàn toàn.

26

PHƢƠNG PHÁP TRANSESTER HÓA Phản ứng transester hóa:

Yếu tố ảnh hưởng: • Loại xúc tác (acid, kiềm, enzyme).

• Tỉ lệ mol rượu/dầu, t0.

• Hàm lượng nước, hàm lượng acid béo tự do.

27

Qui trình sản xuất Biodiesel (Aleks Kac-2006)

Loại nước

Glycerol lắng hoàn toàn 28

Kết thúc qt acid hóa

Mỡ chảy hoàn toàn

Pu tạo glycerol lớp đáy và methyl ester

Trộn methanoxide

Trộn methanol

Sản xuất biodiesel từ dầu Jatropha

29

Sản xuất biodiesel từ dầu Jatropha

30

Sản xuất biodiesel từ vi tảo

31

Sản xuất biodiesel từ vi tảo Bảng so sánh các thuộc tính giữa biodiesel từ vi tảo với diesel thông thƣờng

Thuộc tính

Biodiesel từ vi tảo

Diesel

Tiêu chuẩn biodiesel ASTM

Khối lượng riêng(kg/L)

0.864

0.838

0.84-0.90

Độ nhớt (mm2/s, 400C)

5.2

1.9-4.1

3.5-5.0

Điểm phát cháy (0C)

115

75

100 (max)

Điểm đông đặc (0C)

-12

-50-10

-

0.374

0.5 (max)

0.5 (max)

41

40-45

-

1.81

1.81

-

Chỉ số acid (mg KOH/g) Giá trị nhiệt năng Tỷ lệ H/C

32

CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƢỢNG ASTM D6751 (B100) Property

Test Method

Limits

Units

Calcium and magnesium combined

EN14538

5 max

ppm

Flash point

D93

93.0 min

°C

Water and sediment

D2709

0.050 max

vol %

Kinematic viscosity, 40°C

D445

1.9-6.0

mm /s

Sulfated ash

D874

0.020 max

% mass

Sulfur

D5453

0.0015 max (S15) 0.05 max (S500)

% mass

Copper strip corrosion

D130

0.020 max

-

Cetane number

D613

47 min

-

Cloud point

D2500

Report to customer

°C

D4530

0.050 max

% mass

Acid number

D664

0.50 max

mg KOH/g

Free glycerin

D6584

0.020

% mass

Total glycerin

D6584

0.240

% mass

D4951

0.001 max

% mass

D1160

360 max

°C

EN15751

3 min

hours

Carbon residue

a

Phosphorus content

Distillation temperature, 90% recovered (T90)

b

Oxidation stability Cold Soak filterability

2

c

D7501

360 max

seconds

(1) Methanol content

EN14110

0.2 max

vol %

(2) Flash point

D93

130 min

°C

Alcohol control - One of the following must be met:

33

CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƢỢNG ASTM D7467 (B6-B20) Property Acid number

Test Method D664

Limits 0.3 max

Units mg KOH/g

Viscosity at 40°C Flash point Cloud point

D445 D93 D2500

1.9-4.1 mm /s b 52 °C Report to customer °C

Distillation temperature, 90% evaporated

D86

343

°C

Ramsbottom carbon residue on 10% bottoms

D524

0.35 max

% mass

Sulfur

D5453

% mass

Cetane number Ash content Water and sediment Copper corrosion 3 h at 50°C Biodiesel content Oxidation stability Lubricity at 60°C One of the following must be met: (1) Cetane index (2) Aromaticity

D613 D482 D2709 D130 D7371 EN15751 D6079

0.0015 max (S15) 0.05 max (S500) c 40 min 0.01 0.050 max No. 3 6-20 6 min d 520 max

D976 D1319

40 min 35 max

-

a

2

% mass % mass % (V/V) Hours micron

34

BIOETHANOL

35

Giới thiệu Cùng với sự gia tăng của các nguồn năng lượng thay thế khác nhau như: năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, năng lượng gió… năng lượng sinh học cũng đang được ưu tiên phát triển ở nhiều quốc gia, nhất là các nước công nghiệp.

Nhiên liệu sinh học được sử dụng dưới các dạng khác nhau như: - dạng khí: biogas, hydro …

- dạng rắn: cũi, gỗ, rơm, trấu, mùn cưa, than bùn …

- dạng lỏng: ethanol sinh học, desiel sinh học …

36

Cรกc loแบกi Bioethanol

37

Tính chất của Bioethanol Chỉ số Octane • Chỉ số Octane cao hơn xăng • Tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu của động cơ • Hàm lượng oxy trong ethanol giúp cháy sạch hơn và khói thải ít ô nhiễm hơn 38

Tính chất của Bioethanol

39

Tính chất của Bioethanol

Ethanol có năng lượng (nhiệt trị) thấp hơn xăng.

40

Tính chất của Bioethanol

41

Tính chất của Bioethanol

Áp suất hơi thấp • Ít bay hơi hơn xăng -> an toàn hơn • Khó khởi động ở nhiệt độ thấp

42

43

44

45

Quy trình sản xuất chung

Bioethanol từ tinh bột

Lên men

46

Quá trình nấu Mục đích  Tiệt

trùng: hạn chế thấp nhất lượng vi khuẩn có hại bằng cách nấu.

 Giải

phóng các đường liên kết và dextrin

 Giảm

nhớt: trong quá trình hồ hóa, độ nhớt giảm xuống để dịch đi tiếp sang các quá trình tiếp theo.

47

Quá trình đƣờng hóa Mục đích: cắt nhỏ dextrin, giảm bớt công việc của glucoamylase Sử dụng: Enzyme α-amylase Cơ chế: Dextrin có chiều dài mạch thay đổi nhiều.

Tuy nhiên, mạch càng ngắn công việc còn lại càng ít cho enzyme glucoamylase.

Glucoamylase có thể thủy phân α-1,6 mạch nhánh nhưng ở tốc độ chậm hơn nhiều.

Công việc của glucoamylase là chuyển hóa trực tiếp mạch dextrin thành glucose.

48

Quá trình lên men Mục đích: chuyển đường thành ethanol nhờ sự hoạt động của tác nhân vi sinh vật là nấm men

C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2 Điều kiện - Nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 28-320C - pH tối ưu để tạo ethanol là 4.5-5.0 - Nồng độ dịch đường được giới hạn ở 22% khối lượng

49

Quá trình làm khan 1. Chưng cất chân không Dưới áp suất chân không, hỗn hợp nước-ethanol sẽ có những điểm đẳng phí như sau:

50

Quá trình làm khan 2. Sử dụng chất hút nước Có thể dùng các chất hút nước như Clorua Canxi khan, vôi. (hiệu suất và năng suất thấp) 3. Thẩm thấu qua màng Dựa trên nguyên tắc sử dụng màng có khả năng hút nước cao, có khả năng thẩm thấu ngược để tách nước ra khỏi hỗn hợp các cấu tử.

Sau khi qua màng ta sẽ được 2 dòng: dòng ethanol khan và dòng ethanol có nồng độ thấp. Dòng ethanol có nồng độ thấp được đưa tới tháp chưng cất để thu hồi ethanol.

51

Quá trình làm khan 4. Chưng cất đẳng phí Nguyên tắc của phương pháp là cho thêm cấu tử thứ ba vào nhằm thay đổi độ bay hơi tương đối của hai cấu tử trong hệ ban đầu.

Cấu tử thứ ba thường dùng là Benzen, Cloroform hoặc Toluene…

5. Phương pháp rây phân tử Dựa trên khả năng hấp phụ chọn lọc của rây Cấu tử có kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ sàng sẽ được hấp phụ vào bên trong, còn các cấu tử có kích thước lớn hơn sẽ đi qua bề mặt của nó.

  52

Kích thước động học của nước là 2,75 Ao < 3A0 Kích thước động học của ethanol là 3,95 Ao > 3Ao

Bioethanol tᝍ Cellulose

53

Tiền xử lý Lignin Cùng với hemicellulose tạo thành cấu trúc mô vững chắc. Những mô được bền hóa với lignin tương tự như nhựa được gia cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trò kết dính những sợi cellulose.

Hemicellulose Cũng như lignin, hemicellulose tạo thành lớp bảo vệ xung quanh cellulose

54

“ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ LIÊN TỤC XỬ LÝ RƠM RẠ BẰNG HƠI NƢỚC ĐỂ LÊN MEN ETHANOL”

Quy trình

Cellulose Tiền xử lý

Cellulase

Đường hóa

Lên men

Chưng cất

Làm khan

55

Bioethanol

Phƣơng pháp tiền xử lý 

Phương pháp hóa học: Dùng tác chất acid Dùng tác chất base Dùng tác chất dung môi



Phương pháp cơ học Phương pháp nổ hơi

56

Phƣơng pháp tiền xử lý Dùng tác nhân acid: gồm các phương pháp - Xử lý với acid loãng - Bơm hơi nước có acid và nổ hơi có acid. (trong đó, acid sulfuric thường được sử dụng) Dùng tác nhân base: chủ yếu là dùng NaOH

Dùng tác nhân khác Dung môi như ethanol, methanol, acetone… để hòa tan lignin 57

Phƣơng pháp cơ học Quá trình nổ hơi nước là một quá trình cơ – hóa – nhiệt. → phá vỡ cấu trúc các hợp phần với sự giúp đỡ của nhiệt ở dạng hơi (nhiệt), lực cắt do sự giãn nở của ẩm (cơ), và thủy phân các liên kết glycosidic (hóa).

58

Quá trình đƣờng hóa

Mục đích Thủy phân cellulose và cả hemicellulose thành glucose.

Sử dụng: hệ enzyme cellulase.

59

Quá trình lên men Lên men ethanol

C6H12O6  2 C2 H5OH + 2CO2 + Q Xúc tác: Men Saccharomyces cerevisiae hoặc vi khuẩn Zymomonas.

60

Bioethanol từ Tảo Ưu điểm - Khả năng quang hợp cao - Đa dạng sinh học lớn - Sản xuất sinh khối nhanh chóng (vi sinh vật) Các loại vi tảo đã được nghiên cứu: Chlorella, Dunaliella, Chlamydomonas, Scenedesmus, Arthrospira, Spirulina..

Các loài này chứa một lượng lớn tinh bột và glycogen

61

Bioethanol từ Tảo

62

Bioethanol từ Tảo

63

Công nghệ sinh học cho nhiên liệu xanh Bioethanol là nhiên liệu sinh học phổ biến nhất, chiếm trên 90% tổng các loại nhiên liệu sinh học đã được sử dụng, với ưu điểm: - nồng độ cồn trên 99,5% - có trị số octan cao - không gây ô nhiễm môi trường - được sản xuất từ nguồn nguyên liệu dồi dào là sản phẩm, phụ phẩm của nông nghiệp.

Ethanol là một nhiên liệu tiềm năng, có thể được sử dụng như năng lượng thay thế hoặc thay thế 1 phần (pha trộn với xăng thành hỗn hợp E5, E10…) để giảm sự phát thải khí nhà kính, đang được nhiều quốc gia quan tâm, nghiên cứu sản xuất và khuyến khích sử dụng.

64

Công nghệ sinh học cho nhiên liệu xanh Nhiên liệu sinh học nói chung, nhiên liệu bioethanol nói riêng sẽ có một vị trí quan trọng trong bức tranh toàn cảnh về năng lượng của thế giới, trong tình hình giá dầu mỏ ngày càng tăng và bất ổn, đặc biệt là hiện tượng hiệu ứng nhà kính, sự biến đổi khí hậu nghiêm trọng do khí thải của quá trình sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

65

Công nghệ sinh học cho nhiên liệu xanh Do đó, vấn đề đặt ra là phải nghiên cứu, cải tiến quá trình sản xuất bioethanol sao cho hiệu quả nhất từ nguồn nguyên liệu sinh khối chứa nhiều trong phụ phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, mùn cưa, rơm rạ, lục bình …) – một nguồn nguyên liệu dồi dào và rẻ tiền ở một nước nông nghiệp như nước ta.

66

BIOGAS FROM ORGANIC WASTES

67

Organic Waste to Energy Pathways

The conversion of waste

material to energy can proceed along three major pathways: â&#x20AC;˘

thermochemical

â&#x20AC;˘

biochemical

68

Waste to Energy Pathways

69

Waste to Energy Pathways thermochemical

The three principal methods of thermochemical conversion are combustion in excess air, gasification in reduced air, and pyrolysis in the absence of air

70

Waste to Energy Pathways thermochemical

71

Waste to Energy Pathways

biochemical like anaerobic digestion, can also produce clean energy in the form of biogas which can be converted to power and heat using a gas engine

72

Anaerobic Digestion Systems

73

Biomass Gasifier

74