Triển vọng của nhiên liệu thay thế dầu mỏ

NDĐT - Theo thống kê của cơ quan nghiên cứu năng lượng quốc tế, cho đến nay lượng dầu mỏ tiêu thụ toàn cầu vào khoảng 86 triệu thùng/ngày và dự báo sẽ tăng lên khoảng 118 triệu thùng/ngày vào năm 2025. Nhiều nước đang tìm kiếm những biện pháp nhằm giảm bớt phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu truyền thống và đã đạt một số tiến bộ trong lĩnh vực nhiên liệu thay thế.

Nhiên liệu nặng

Hãng Barger (Anh) đang nghiên cứu chế tạo động cơ pít-tông quay chạy bằng nhiên liệu nặng. Theo Hill, Giám đốc điều hành của hãng RCV Engines, việc động cơ chạy bằng nhiên liệu nặng chậm được đưa vào sử dụng cho máy bay không người lái là vì công nghệ. Nhưng với công nghệ của hãng RCV Engines, động cơ sử dụng nhiên liệu nặng của máy bay không người lái không gặp phải vấn đề gì và trong một vài năm nữa sẽ trở thành sản phẩm bán rộng rãi trên thị trường. Các Công ty công nghiệp hàng không như Aurora Flight Sciences, Boeing và Raytheon của Anh đang tham gia chương trình thiết kế, chế tạo các kiểu động cơ dân dụng mới có thể chạy bằng nhiên liệu nặng.

Máy bay không người lái Hunter của Lục quân Mỹ hiện đang sử dụng nhiên liệu nặng. Thực tế này cùng với những tiến bộ trong công nghệ chế tạo động cơ đã khuyến khích các quân chủng khác sử dụng động cơ máy bay không người lái chạy bằng nhiên liệu nặng trong tương lai. Dự án Nghiên cứu Tiên tiến (DARPA) của Bộ Quốc phòng Mỹ cũng đang nghiên cứu, thiết kế động cơ dùng nhiên liệu nặng cho máy bay không người lái A160 Hummingbird và nhiều loại máy bay khác.

Lý do các nước quan tâm đến công nghệ chế tạo động cơ dùng nhiên liệu nặng cho máy bay không người lái vì ưu điểm của nó là giảm được gánh nặng về mặt hậu cần và tăng độ an toàn so với xăng; nhiên liệu nặng có điểm bốc cháy cao, do đó khó bắt lửa hơn. Tuy nhiên, động cơ dùng nhiên liệu nặng cũng có nhược điểm về mặt hiệu suất. Khi ở nơi có nhiệt độ thấp, khởi động ở trạng thái nguội khó khăn. Nhược điểm nữa của động cơ chạy bằng nhiên liệu nặng là chậm bốc hơn so với động cơ chạy bằng xăng.

Theo Ryan Hartman, người phụ trách chương trình KillerBee, động cơ sử dụng nhiên liệu nặng không có hiệu suất bằng động cơ sử dụng đi-ê-zen. Hartman cho biết hãng Raytheon đang tìm kiếm vật liệu mới nhẹ nhưng bền cho động cơ chạy bằng nhiên liệu nặng của máy bay không người lái.

Đến nay, hãng Raytheon đã chế tạo hệ thống KillerBee trọng lượng nhẹ, gồm bốn máy bay, mỗi chiếc chỉ nặng 155 pound (70 kg) nhờ thiết kế kết hợp hài hòa thân và cánh, tạo lực nâng cho toàn bộ khung máy bay, góp phần làm gia tăng hiệu suất của máy bay.

Hãng Insitu và Sonex cùng hợp tác chế tạo ra máy bay không người lái cỡ nhỏ ScanEagle. Tháng 5-2008, hãng Honeywell đã ký hợp đồng thứ hai với hãng RCV Engines về sản xuất động cơ xi-lanh van quay dùng bằng nhiên liệu nặng cho máy bay không người lái siêu nhỏ RQ-16A. Hiện nay, nhiên liệu nặng ngày càng sử dụng phổ biến để thay thế cho xăng, vì đó là nhiên liệu dễ vận chuyển và tồn trữ, đáng tin cậy và có hiệu suất cao.

Nhiên liệu tổng hợp

Nhiên liệu tổng hợp được coi là hướng lựa chọn trước mắt tốt nhất trong việc tìm kiếm nhiên liệu thay thế dầu. Không quân Mỹ đã đưa vào sử dụng rộng rãi nhiên liệu tổng hợp và khẳng định đến năm 2016, nhiên liệu tổng hợp sẽ chiếm 50% khối lượng nhiên liệu mà quân chủng này mua. Mới đây, F-15E là máy bay tiêm kích đầu tiên được không quân Mỹ cho sử dụng thử nhiên liệu tổng hợp; những lần thử nghiệm trước được tiến hành với máy bay ném bom B-1, B-52 và máy bay vận tải C-17.

Phương pháp sản xuất nhiên liệu tổng hợp được biết đến nhiều nhất là phương pháp Fischer-Tropsch, đặt theo tên hai nhà sáng chế ra phương pháp này vào những năm 20 của thế kỷ trước là Phrớt Phi-sơ và Han-xơ Trốp. Việc sử dụng nhiên liệu tổng hợp thay thế cho nhiên liệu sản xuất từ dầu lửa không phải là mới; trong Thế chiến 2, cả Đức và Nhật đều đã sử dụng rộng rãi loại nhiên liệu này.

Nhiên liệu tổng hợp được sản xuất bằng cách chuyển từ dạng khí sang dạng lỏng bằng ba nguồn nguyên liệu chính: khí sinh vật hoá lỏng (BTL), khí than hoá lỏng (CTL) và khí thiên nhiên hoá lỏng (GTL). CTL là nhiên liệu đã được sản xuất nhiều ở Nam Phi. Hãng Sasol của nước này là cơ sở duy nhất trên thế giới sản xuất CTL với quy mô thương phẩm - khoảng 150.000 thùng/ngày.

Nhiên liệu sản xuất theo những phương pháp này đã qua thử nghiệm và không đòi hỏi phải sửa đổi động cơ, hoặc nếu có thì cũng không đáng kể. Ngoài ra, nhiên liệu tổng hợp cho phép thực hiện đa dạng hoá về mặt địa lý, sản phẩm và công nghệ trong việc tìm kiếm nhiên liệu thay thế. Tuy nhiên chu trình nhiên liệu GTL sinh ra khí thải gây hiệu ứng nhà kính gấp hai lần so với nhiên liệu dầu mỏ và nguyên liệu này không thể tái sinh.

Nhiên liệu sinh học

Ethanol là loại nhiên liệu sinh học chủ yếu thay thế cho xăng. Những động cơ đốt trong đủ tiêu chuẩn có thể sử dụng nhiên liệu hỗn hợp chứa tới 10% ethanol. Nếu là động cơ cải tiến sử dụng nhiên liệu trong sinh học thì tỷ lệ này có thể cao hơn nhiều. Ethanol được sản xuất bằng cách sử dụng các elzim của một số chủng loại nấm men cùng với đường làm sinh khối.

Nhiên liệu ethanol có một số đặc tính đáng chú ý là khi cháy, nó chỉ sinh ra cacbon đioxit đã hấp thụ trước, do đó giảm tới 90% khí thải gây hiệu ứng nhà kính so với nhiên liệu sản xuất từ dầu lửa, nó có thể được sản xuất trong nước hay mua trên thị trường nước ngoài với giá rẻ và công nghệ đã được kiểm nghiệm. Mặc dù đã được chứng minh là sử dụng tốt cho xe hơi, nhưng ethanol không thể thay thế cho JP-8 vì mật độ năng lượng của nó còn thấp; hơn nữa, nhược điểm của loại nhiên liệu này là tính ăn mòn cao.

Dầu đi-ê-zen sinh học (biodiesel) được sản xuất bằng quá trình chuyển hoá “exte”, với nguyên liệu chủ yếu là hạt cải dầu và đậu tương, ngoài ra sử dụng thêm gai dầu, mù tạt, dầu cọ, mỡ động vật và dầu lấy từ thực vật phế thải. Với công nghệ hiện nay, có thể sản xuất đi-ê-zen sinh học để trộn vào xăng với tỷ lệ tới 5% mà không gây hại cho động cơ.

Bên cạnh đó, loại nhiên liệu này còn có một số đặc tính hạn chế, vì điểm đông đặc của nó là gần 0oC nên nó dễ đông quánh hơn các loại nhiên liệu khác, do đó độ nhớt tăng lên và có thể gây ra những tác hại như làm tắc bộ lọc của động cơ. Tuy nhiên, vấn đề này có thể khắc phục được bằng cách tăng tỷ lệ pha trộn đi-ê-zen sinh học với đi-ê-zen dầu mỏ lên khoảng 20%. Nước sinh ra khi sản xuất đi-ê-zen sinh học cũng ngưng tụ khi tồn trữ nhiên liệu và có thể là tác nhân ăn mòn các bộ phận của động cơ.

Butanon sinh học được sản xuất bằng phương pháp lên men. Năng lượng sinh ra khi đốt butanon sinh học cao hơn 30% so với ethanol. Đây cũng là nhiên liệu an toàn hơn nhiều so với ethanol và xăng; độ bay hơi của nó thấp hơn sáu lần so với ethanol và 13,5 lần so với xăng. Tuy nhiên, do butanon có giá thành cao và công nghệ không tiến bộ nhiều nên sản lượng thấp so với ethanol.

Tảo là nguồn nguyên liệu có thể tái sinh, phát triển mạnh ở những môi trường không thân thiện: nước mặn, không khí, có hàm lượng các-bon và nhiệt độ cao. Sau khi thu hoạch tảo, lipid từ tảo có thể tinh chế ở một số cơ sở chế biến tảo. Nhiên liệu sản xuất từ tảo cũng có ưu điểm là có thể cho sản lượng cao hơn nhiều so với loại nguyên liệu khác. Tuy nhiên, công nghệ sản xuất nhiên liệu từ tảo hiện thuộc loại kém tiên tiến nhất trong các công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học.

Cho đến nay công nghệ sản xuất ethanol từ ngũ cốc là tiên tiến hơn cả. Theo dự báo chỉ tính riêng Mỹ và EU đến năm 2020, tổng sản lượng nhiên liệu sinh học sẽ đạt khoảng 197 tỷ lít/năm. Nếu tiếp tục đà mở rộng sản xuất nhiên liệu sinh học như hiện nay, đến năm 2020, 13% sản lượng ngũ cốc thế giới, 15% lượng dầu thực vật và 30% lượng mía sẽ được đưa vào sản xuất nhiên liệu sinh học.

Năm 2011, lượng bán ra ô-tô mới chạy bằng nhiên liệu sinh học của Trung Quốc đạt 20 triệu chiếc. Theo tính toán, cứ có 5 triệu ô tô mới chạy bằng nhiên liệu sinh học thì phải có 404.000 ha hay 1 triệu mẫu diện tích đất trồng phục vụ cho sản xuất và chiết xuất nhiên liệu này.

Người ta đã tính được rằng, để lấp đầy khoảng thiếu hụt xăng dầu từ năm 2001 đến 2007, tổng sản lượng ethanol trên toàn thế giới đã tăng gấp ba lần từ 18,5 tỷ lít lên đến 60 tỷ lít. Tương tự, tổng sản lượng dầu diesel sinh học đã tăng gần gấp 10 lần từ 1 tỷ lít lên đến hơn 9 tỷ lít. Vì thế, người ta đang lo ngại rằng ethanol đã “ăn” ngũ cốc và tạo ra nguy cơ mất an ninh lương thực.

Như vậy, trong tương lai gần, tất cả các loại nhiên liệu nói trên chưa thể hoàn toàn đáp ứng nhu cầu thay thế dầu mỏ, do phải có thời gian và tiến bộ kỹ thuật, nhưng về lâu dài thì nguồn năng lượng mới này đầy tiềm năng hứa hẹn. Vì thế, nhân loại đang tin tưởng rằng trong tương lai sẽ giảm bớt sự phụ thuộc của con người vào dầu mỏ là có cơ sở.

Có thể bạn quan tâm