Bước đột phá nhiên liệu sinh học

• Nhiên liệu sinh học từ tảo biển
• Pin nhiên liệu sinh học: Năng lượng điện từ cơ thể
• Sản xuất nhiên liệu sinh học từ dưa hấu

Dầu diesel sinh học được làm từ vật liệu thực vật có thể là sự lựa chọn thân thiện với môi trường hơn đối với dầu diesel có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch, tức xăng dầu hiện đang được sử dụng. Tại Liên minh châu Âu (EU), dầu diesel thương mại phải có ít nhất 7% dầu diesel sinh học.

Tuy nhiên, cấu trúc phân tử của các loại nhiên liệu này thay đổi phụ thuộc vào việc đốt cháy ở nhiệt độ khác nhau của các động cơ sử dụng nó, điều đó có nghĩa là chỉ những động cơ được thiết kế đặc biệt mới có thể chạy bằng dầu diesel sinh học tinh khiết hoặc hỗn hợp có chứa một lượng nhiên liệu sinh học đáng kể.

Hiện tại, các nhà khoa học ở Đức đã tìm ra cách chuyển hóa các chất có nguồn gốc từ thực vật thành dầu diesel sinh học đáp ứng được các đặc tính sôi theo tiêu chuẩn EN 590, do Ủy ban Tiêu chuẩn Châu Âu cấp cho sản phẩm dầu diesel thương mại bán tại EU.

Lukas Gooßen, giáo sư hóa học hữu cơ tại Đại học Ruhr-Universität Bochum, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu, cho biết chuyến đến thăm nhà máy diesel sinh học ở Rwanda cách đây vài năm chính là động cơ thúc đẩy ông bắt tay vào nghiên cứu. Ông Lukas Gooßen cho biết đã nhìn thấy vấn đề khi chỉ có duy nhất một chiếc xe buýt được cải tạo chuyển đổi nhiên liệu vì thiếu vốn.

Giáo sư Lukas Gooßen nói: "Nếu bạn định sử dụng nhiên liệu sinh học, bạn cần có sẵn cơ sở hạ tầng để có thể khai thác. Những thứ khác sẽ không phù hợp với hầu hết các quốc gia và xã hội. Điều này phải là điểm xuất phát".

Lý do dầu diesel sinh học thông thường không sử dụng được cho các động cơ diesel chuẩn do khoảng 95% các phân tử cấu thành của nó có cùng độ dài, nên đun sôi ở nhiệt độ gần như nhau.

Ngược lại, xăng dầu được tạo thành từ hỗn hợp các hydrocacbon có độ dài và cấu trúc khác nhau, do đó sôi ở nhiệt độ khác nhau, làm cho xăng dầu có phạm vi sôi rộng lớn hơn nhiều. Quan trọng đây là những đặc tính sôi mà các loại xe ô tô hiện đại đã được thiết kế.

"Tất cả động cơ được chế tạo đặc biệt để phù hợp với loại nhiên liệu này. Động cơ diesel và nhiên liệu diesel phát triển cùng nhau", ông Gooßen cho biết thêm.

Các quy trình hiện có thể chuyển đổi dầu thực vật thành nhiên liệu sinh học phù hợp cho sử dụng trong động cơ diesel tiêu chuẩn, nhưng một phần nhiên liệu đáng kể bị đốt trong quá trình tinh chế. Gooßen và các đồng nghiệp đã tìm ra cách tận dụng các chất xúc tác - chất làm tăng tốc phản ứng hóa học - họ cũng làm tương tự như vậy ở nhiệt độ thấp, sử dụng rất ít năng lượng.

Trong một bài báo đăng trên tạp chí Science Advances vừa qua, họ đã báo cáo việc sử dụng kết hợp 3 chất xúc tác có thể pha trộn dầu củ cải methyl ester (RME) - một nguyên liệu thô chung để sản xuất nhiên liệu sinh học - và cho ethylene vào một loại nhiên liệu có cùng tính sôi như xăng dầu. Ethylene là một hydrocarbon no có thể được sinh ra từ ethanol có nguồn gốc thực vật hoặc khí gaz.

Để chứng minh tiềm năng của nó như một loại nhiên liệu động cơ, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một chiếc xe diesel mô hình và sử dụng nhiên liệu sinh học để di chuyển nó. Tuy nhiên, vẫn cần thời gian để có thể đưa nguồn nhiên liệu này vào thương mại hóa; lô đầu tiên chi phí hơn 1.125USD cho khoảng 1,3l để sản xuất.

Vấn đề chính của quá trình sản xuất hiện tại là sử dụng các chất xúc tác ngắn, tốn kém tạo ra một lượng nhỏ các sản phẩm hóa học có giá trị cao, ông Gooßen nói. Tìm kiếm các phương án thay thế rẻ hơn, phù hợp hơn với sản xuất thương mại sẽ là một thách thức lớn, cũng như sẽ thiết kế quy trình công nghiệp hiệu quả cao, giáo sư cho biết thêm.

Thế nhưng theo Gooßen, một trong những rào cản lớn nhất đối với việc sử dụng rộng rãi dầu diesel sinh học là sự không tương thích của nó với động cơ tiêu chuẩn. Nhưng nghiên cứu mới của ông cho thấy thách thức này có thể vượt qua được. 

“Điểm sôi này dường như là một rào cản hoàn toàn không thể vượt qua" - ông nói - "Ngoài việc làm thế nào để tạo ra chất xúc tác để có thể sản xuất rẻ hơn, thì việc đưa dầu diesel sinh học vào sử dụng trong xe hơi cũng không kém phần quan trọng”.

Duncan Wass, giáo sư về xúc tác tại Đại học Bristol, Anh, cho biết nhu cầu về nhiên liệu bền vững là cần thiết để thay thế cho các nhiên liệu hóa thạch hiện tại.

Sử dụng một nguồn bổ sung rẻ và phong phú như ethylene để chuyển đổi nhiên liệu sinh học thực sự có ý nghĩa, ông Duncan Wass nói, nhưng ông đồng ý với các nhà nghiên cứu rằng các chất xúc tác hiện tại không phù hợp với mục đích đó và việc tìm kiếm các thay thế thích hợp sẽ rất khó khăn.

Theo giáo sư Wass: "Sẽ rất khó để tìm ra một chất xúc tác không đồng nhất, lâu dài, rẻ tiền, đơn giản để có thể đạt được những kết quả tương tự như trên". Ông Wass cho biết, còn quá sớm để đánh giá công nghệ này là “bền vững”, cho đến khi một phân tích ṿng đời của quy trình và sản phẩm được thực hiện.