Năng Lượng Methanol
Con người đã và đang tiêu thụ cũng như làm cạn kiệt dần nguồn tài nguyên do quà tặng của thiên nhiên, nhất là sau cuộc cách mạng kỹ nghệ vào cuối thế kỷ 19. Đối với các nguồn năng lượng đang được xử dụng hiện tại, nguyên tố carbon trong các nguyên liệu trên sẽ biến thành thán khí (CO2) và hydrogen sẽ thành nước (H2O). Thán khí là một yếu tố căn bản tạo ra sự hâm nóng toàn cầu do con người tạo dựng ra, vì thế con người cũng phải có bổn phận phải giaỉ quyết vấn đề nầy. Mặt khác, hydrogen được sản xuất từ sự điện ly (electrolysis) nước. Nếu cho hydrogen tác hợp với thán khí, chúng sẽ cho ra rượu methanol (HCH2OH). Đây là một dung dịch không màu, bốc hơi ở 64 đến 700C do đó dễ bảo quản. Chất nầy dễ dàng được biến đổi qua sự thủy phân để thành khí ethylene (CH2=CH2). Và chất sau cùng là chất căn bản trong công nghệ chất dẽo để chế tạo ra hầu hết các loại plastic và những hợp chất hữu cơ khác cho nhu cầu kỹ nghệ.
Trong hiện tại, nguyên liệu ethylene được cung cấp qua việc chưng cất dầu hỏa và trong một tương lai không xa như đã nói trên công nghệ nầy sẽ không còn khả năng đáp ứng việc cung cấp nguồn ethylene nữa. Như vậy, nếu dự kiến công nghệ sản xuất methanol được lưu tâm đến thì vấn nạn hâm nóng toàn cầu sẽ được giải quyết từng phần qua việc xử dụng nguồn thán khí thải hồi, đồng thời cung cấp thêm nguyên liệu cho công nghệ chất dẽo, một công nghệ có tầm quan trọng hàng đầu cho thế giới.
Vì vậy, một trong những chính sách mới về năng lượng thay thế cho xăng dầu trong việc di chuyển là truy tìm những loại năng lượng thay thế và năng lượng tái tạo. Hiện nay, nguồn năng lượng từ thực vật đã được Hoa Kỳ khuyến khích và bắp là nguồn năng lượng được chú ý nhất. Năm 2006, Hoa Kỳ sử dụng 20% tổng sản lượng bắp sản xuất để chuyển đổi thành 4,8 tỷ gallon rượu ethanol, hay rượu ethylic.
Theo dự tính vào năm 2030, Hoa Kỳ cần đến 60 tỷ gallon để bù đấp khoảng khiếm khuyết xăng dầu ở thời điểm nầy. Điều nầy sẽ khó thực hiện vì cần phải gia tăng diện tích trồng trọt gấp 4 lần hơn hiện tại. Thêm một yếu tố bất lợi cho việc dùng bắp làm nguyên liệu là điều nầy đang làm tăng giá thực phẩm gia súc, do đó giá sinh hoạt tăng theo. (Tổng thống Hoa Kỳ vừa mới phê chuẩn Luật tiết kiệm năng lượng trong đó sẽ tăng mức sản xuất rượu ethylic lên 36 tỷ gallon vào năm 2022).
Từ các nan đề không dễ dàng giải quyết đã nêu trên, một số khoa học gia vẫn tiếp tục truy tìm thêm nguồn năng lượng thay thế. Hiện nay, một suy nghĩ mới trong vấn đề nầy đang là một gợi ý thích thú cho cả giới sản xuất, đầu tư và cho những nhà dự phóng năng lượng cho tương lai. Đó là năng lượng đến từ rượu methanol hay rươu methylic.
Đây là một loại rươu nhẹ nhất trong bảng xếp hạng rượu. Rượu không màu, không mùi, và sẽ là một loại hoá chất độc nếu uống nhầm, có thể gây ra tử vong. Rượu methanol tương đối có vị ngọt hơn nếu so sánh với rượu ethanol.
Rượu methanol có được khi ta chưng cất khí đốt từ cây gỗ. Trong việc chưng cất rượu ethanol qua quá trình lên men, rượu methanol hiện diện như một thế phẩm (by-product) với nồng độ thấp dưới 0,1%; do đó, chúng ta thỉnh thoảng vẫn thấy nhiều thông tin trên báo chí Việt Nam về những vụ ngộ độc chết người qua việc pha loãng rượu ethylic kỹ nghệ để “nhậu”.
Theo GS George A. Olah, khôi nguyên giải Nobel và là Giám đốc Viện nghiên cứu Hữu cơ Loker, thuộc Viện Đại học Southern California, rượu methanol là nguyên tố có thể chuyển đổi thành bất cứ hoá chất nào từ dầu hoả cho đến các loại khí đốt. Từ đó, ông kết luận rằng: “Đây là con đường chính yếu để tàn trử, chuyển vận, và biến thành năng lượng”.
Trong một quyển sách ông viết vào năm 2006 dưới tựa đề: “Beyond oil and gas: The methanol economy”, ông dă nhận định một cách chắt nịch là tuy methanol không phải là giải pháp duy nhất trong việc giải quyết vần đề khủng hoảng năng lượng trên thế giới, nhưng chúng ta phải tận dụng tất cả các nguồn nguyên liệu có thể dùng được trong đó methanol sẽ giữ một vai trò không kém quan trọng.
Hiện tại Trung Quốc đứng hàng thứ hai sau Hoa Kỳ trong nhu cầu năng lượng dầu hỏa hàng ngày. Theo dự tính với đà phát triển như hiện nay, vào năm 2010 Trung Quốc sẽ qua mặt Hoa Kỳ trong nhu cầu tiêu thụ nầy. Thêm nữa, cũng theo ước tính vào năm 2050, mức dự trữ dầu khí trong thiên nhiên sẽ cạn kiệt. Do đó nhu cầu truy tìm nguồn năng lượng thay thế đang là một nhu cầu cấp bách cho những nhà làm khoa học trên thế giới.
Với giá dầu thô hiện tại vào khoảng $100/barrel, giá thành sản xuất nhiều loại nhiên liệu thay thế có thể có hiệu quả kinh tế so với giá dầu thô. Điều nầy là một khuyến khích không nhỏ cho những nhà nghiên cứu khoa học và đầu tư.
Methanol có thể được điều chế từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như: than và các loại khí đốt khác, nguồn sinh khối (biomass), từ khí CO2 trong không khí hay trong khí đốt hoá thạch (fossil fuel burning).
Người viết đã lần lượt nêu lên các loại năng lượng tái tại như: năng lượng gió, năng lượng hạch nhân, năng lượng hydrogen, năng lượng mặt trời, năng lượng thực vật: cây Jatropha, Dầu thô trong đá, năng lượng sinh vật, năng lượng từ rong. Ngày hôm nay, có thể nói qua nhận định của Giáo sư Olah, năng lượng từ rượu methanol sẽ là một loại năng lượng có nhiều hứa hẹn hơn cả vì ba yếu tố sau: nguồn nguyên liệu, giá thành sản xuất, và nhất là hạn chế được sự hâm nóng toàn cầu qua sự giảm thiểu phát thải khí CO2.
Ưu điểm cho việc sử dụng xăng methanol
Nếu chúng ta lấy phân chuồng làm nguồn nguyên liệu cho việc chuyển đổi methanol, phương pháp nầy sẽ là một phương pháp hữu hiệu nhất để tổng hợp ngoài xăng dầu ra, còn có formaldehyde (hay formol, hay methanal), acid acetic, olefins (hợp chất hữu cơ có một nối đôi), và dimethyl ether (DME). Các hoá chất sau nầy là những hoá chất căn bản để tổng hợp hầu hết những hợp chất hữu cơ dùng trong kỹ nghệ hiện tại.
Năm 2006, toàn thế giới sản xuất khoảng 12 triệu gallon methanol. Năng lượng phát thải của methanol là 64.500 Btu/gallon, so với xăng là 124.800 Btu, và ethanol là 76.500Btu.
Thêm một lợi điểm nữa là, thùng xăng dùng cho loại nguyên liệu hiện tại chỉ cần phải có một lớp “áo” (liner) chống sự acid hoá vì methanol là một chất ăn mòn kim loại, so với việc phải có bình “xăng” đặc biệt cho loại năng lượng khác như hydrogen hay khí sinh học v.v…
Ngoài ra, khi cháy methanol vẫn cho ra CO2, nhưng khí thải nầy sẽ bị khử bởi benzen và các loại hạt (particulate) phát thải vào không khí trong quá trình đốt khí. Một lợi điểm khác so với xăng dùng hiện tại là, methanol khởi động (ignite) chậm hơn và cháy cho ra ít năng lượng hơn cho nên giảm thiểu được hoả hoạn do xăng. Một yếu tố lợi thế khác về môi trường là, methanol khi bị chảy đổ vào môi trường (spill) sẽ dễ dàng hoà tan vào trong nước và bị phân hóa qua hiện tượng sinh hủy (bio-degradation).
Loại năng lượng methanol hiện tại dùng cho việc di chuyển xe có tên là M85, nghĩa là có 85% methanol trộn lẫn với 15% xăng không chì có độ octane 87. Theo sự tính toán của Hội đồng Năng lượng California (California Energy Commission) “xăng” M85 sẽ giảm thiểu sự phát thải độc hại vào không khí 50% ít hơn so với xăng dùng hiện tại. M85 hiện đang được thí nghiệm ở California từ năm 1980 với 13.000 xe đang được thử nghiệm.
Chương trình đã bị đình trệ vì dự án dùng MTBE (methyl ter-butyl ether) vào đầu thập niên 1990. Vào nặm 2005, MTBE hoàn toàn bị cấm dùng vì nguy cơ ô nhiễm môi trường do việc thất thoát vào mạch nước ngầm và hoá chất nầy có thể gây ra ung thư cho người.
Qua những lợi điểm vừa kể trên, Trung Quốc đã bắt đầu chú ý và có ý định về xe chạy bằng methanol và dự định nhập cảng từ 1 đền 2 tỷ gallon cho năm 2008.
Tế bào năng lượng
Ngoài việc sử dụng trực tiếp cho việc di chuyển xe cộ, methanol còn có một ứng dụng khác là chuyển đổi thành tế bào năng lượng DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). Tế bào nầy do sáng kiền của các nhà khoa học ở UCS Loker, California.
Đây là một loại bình năng lượng (battery) dùng kim loại platinum làm âm cực, và hỗn hợp platinum-ruthenium làm dương cực. Bình năng lượng sẽ tạo ra nguồn điện năng dùng trong việc di chuyển. Hiện tại giá thành của công nghệ nầy còn quá cao cho nên chưa đạt được hiệu quả kinh tế so với các tế bào năng lượng chuyển tải từ các nguồn nguyên liệu khác.
Methanol cũng là một nguồn cung cấp điện năng cho các ốc đão nhỏ như vùng biển Caribea qua việc thiết lập nhà máy dùng methanol điều chế từ khí đốt thiên nhiên. Tại Point Lisas ở Trinidad đã có một nhà máy phát điện dùng methanol làm nguyên liệu có công suất 8,5 MW. Trong tương lai, ở các ốc đão nhỏ chắc chắn việc khai triển điện năng từ methanol sẽ là một kỹ nghệ lớn vì việc chuyển vận methanol bằng đường biển sẽ ít tốn kém và ít nguy hiểm nhiều lần hơn so với việc vận chuyển khí đốt thiên nhiên.
Kết luận
So với giá dầu thô hiện tại, công nghệ biến methanol thành năng lượng di chuyển là một việc có thể thực hiện được vì giá thành thấp hơn. Hơn nữa, trước vấn nạn hâm nóng toàn cầu, một phương pháp dùng khí carbonic CO2 làm nguyên liệu để sản xuất methanol qua việc hydrogen hoá là một việc làm thích hợp. Nếu thực hiện được điều nầy với quy mô toàn cầu, hiệu ứng nhà kính và sự hâm nóng toàn cầu có thể được giải quyết trong tương lai.
Các quốc gia trên thế giới sẽ không còn lý do tồn tại để tranh cãi qua việc phát thải nguồn khí CO2 do sản xuất công kỹ nghệ nữa. Và Nghị định thư Kyoto cũng sẽ được giải quyết ổn thoả, không còn có tranh chấp giữa các quốc gia trên thế giới về định mức đóng góp vào sự phát thải khí carbonic kể trên.
W.Cuong
HCM, 11-2011
Posted by Thchemicals
Trong hiện tại, nguyên liệu ethylene được cung cấp qua việc chưng cất dầu hỏa và trong một tương lai không xa như đã nói trên công nghệ nầy sẽ không còn khả năng đáp ứng việc cung cấp nguồn ethylene nữa. Như vậy, nếu dự kiến công nghệ sản xuất methanol được lưu tâm đến thì vấn nạn hâm nóng toàn cầu sẽ được giải quyết từng phần qua việc xử dụng nguồn thán khí thải hồi, đồng thời cung cấp thêm nguyên liệu cho công nghệ chất dẽo, một công nghệ có tầm quan trọng hàng đầu cho thế giới.
Vì vậy, một trong những chính sách mới về năng lượng thay thế cho xăng dầu trong việc di chuyển là truy tìm những loại năng lượng thay thế và năng lượng tái tạo. Hiện nay, nguồn năng lượng từ thực vật đã được Hoa Kỳ khuyến khích và bắp là nguồn năng lượng được chú ý nhất. Năm 2006, Hoa Kỳ sử dụng 20% tổng sản lượng bắp sản xuất để chuyển đổi thành 4,8 tỷ gallon rượu ethanol, hay rượu ethylic.
Theo dự tính vào năm 2030, Hoa Kỳ cần đến 60 tỷ gallon để bù đấp khoảng khiếm khuyết xăng dầu ở thời điểm nầy. Điều nầy sẽ khó thực hiện vì cần phải gia tăng diện tích trồng trọt gấp 4 lần hơn hiện tại. Thêm một yếu tố bất lợi cho việc dùng bắp làm nguyên liệu là điều nầy đang làm tăng giá thực phẩm gia súc, do đó giá sinh hoạt tăng theo. (Tổng thống Hoa Kỳ vừa mới phê chuẩn Luật tiết kiệm năng lượng trong đó sẽ tăng mức sản xuất rượu ethylic lên 36 tỷ gallon vào năm 2022).
Từ các nan đề không dễ dàng giải quyết đã nêu trên, một số khoa học gia vẫn tiếp tục truy tìm thêm nguồn năng lượng thay thế. Hiện nay, một suy nghĩ mới trong vấn đề nầy đang là một gợi ý thích thú cho cả giới sản xuất, đầu tư và cho những nhà dự phóng năng lượng cho tương lai. Đó là năng lượng đến từ rượu methanol hay rươu methylic.
Đây là một loại rươu nhẹ nhất trong bảng xếp hạng rượu. Rượu không màu, không mùi, và sẽ là một loại hoá chất độc nếu uống nhầm, có thể gây ra tử vong. Rượu methanol tương đối có vị ngọt hơn nếu so sánh với rượu ethanol.
Rượu methanol có được khi ta chưng cất khí đốt từ cây gỗ. Trong việc chưng cất rượu ethanol qua quá trình lên men, rượu methanol hiện diện như một thế phẩm (by-product) với nồng độ thấp dưới 0,1%; do đó, chúng ta thỉnh thoảng vẫn thấy nhiều thông tin trên báo chí Việt Nam về những vụ ngộ độc chết người qua việc pha loãng rượu ethylic kỹ nghệ để “nhậu”.
Theo GS George A. Olah, khôi nguyên giải Nobel và là Giám đốc Viện nghiên cứu Hữu cơ Loker, thuộc Viện Đại học Southern California, rượu methanol là nguyên tố có thể chuyển đổi thành bất cứ hoá chất nào từ dầu hoả cho đến các loại khí đốt. Từ đó, ông kết luận rằng: “Đây là con đường chính yếu để tàn trử, chuyển vận, và biến thành năng lượng”.
Trong một quyển sách ông viết vào năm 2006 dưới tựa đề: “Beyond oil and gas: The methanol economy”, ông dă nhận định một cách chắt nịch là tuy methanol không phải là giải pháp duy nhất trong việc giải quyết vần đề khủng hoảng năng lượng trên thế giới, nhưng chúng ta phải tận dụng tất cả các nguồn nguyên liệu có thể dùng được trong đó methanol sẽ giữ một vai trò không kém quan trọng.
Hiện tại Trung Quốc đứng hàng thứ hai sau Hoa Kỳ trong nhu cầu năng lượng dầu hỏa hàng ngày. Theo dự tính với đà phát triển như hiện nay, vào năm 2010 Trung Quốc sẽ qua mặt Hoa Kỳ trong nhu cầu tiêu thụ nầy. Thêm nữa, cũng theo ước tính vào năm 2050, mức dự trữ dầu khí trong thiên nhiên sẽ cạn kiệt. Do đó nhu cầu truy tìm nguồn năng lượng thay thế đang là một nhu cầu cấp bách cho những nhà làm khoa học trên thế giới.
Với giá dầu thô hiện tại vào khoảng $100/barrel, giá thành sản xuất nhiều loại nhiên liệu thay thế có thể có hiệu quả kinh tế so với giá dầu thô. Điều nầy là một khuyến khích không nhỏ cho những nhà nghiên cứu khoa học và đầu tư.
Methanol có thể được điều chế từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như: than và các loại khí đốt khác, nguồn sinh khối (biomass), từ khí CO2 trong không khí hay trong khí đốt hoá thạch (fossil fuel burning).
Người viết đã lần lượt nêu lên các loại năng lượng tái tại như: năng lượng gió, năng lượng hạch nhân, năng lượng hydrogen, năng lượng mặt trời, năng lượng thực vật: cây Jatropha, Dầu thô trong đá, năng lượng sinh vật, năng lượng từ rong. Ngày hôm nay, có thể nói qua nhận định của Giáo sư Olah, năng lượng từ rượu methanol sẽ là một loại năng lượng có nhiều hứa hẹn hơn cả vì ba yếu tố sau: nguồn nguyên liệu, giá thành sản xuất, và nhất là hạn chế được sự hâm nóng toàn cầu qua sự giảm thiểu phát thải khí CO2.
Ưu điểm cho việc sử dụng xăng methanol
Nếu chúng ta lấy phân chuồng làm nguồn nguyên liệu cho việc chuyển đổi methanol, phương pháp nầy sẽ là một phương pháp hữu hiệu nhất để tổng hợp ngoài xăng dầu ra, còn có formaldehyde (hay formol, hay methanal), acid acetic, olefins (hợp chất hữu cơ có một nối đôi), và dimethyl ether (DME). Các hoá chất sau nầy là những hoá chất căn bản để tổng hợp hầu hết những hợp chất hữu cơ dùng trong kỹ nghệ hiện tại.
Năm 2006, toàn thế giới sản xuất khoảng 12 triệu gallon methanol. Năng lượng phát thải của methanol là 64.500 Btu/gallon, so với xăng là 124.800 Btu, và ethanol là 76.500Btu.
Thêm một lợi điểm nữa là, thùng xăng dùng cho loại nguyên liệu hiện tại chỉ cần phải có một lớp “áo” (liner) chống sự acid hoá vì methanol là một chất ăn mòn kim loại, so với việc phải có bình “xăng” đặc biệt cho loại năng lượng khác như hydrogen hay khí sinh học v.v…
Ngoài ra, khi cháy methanol vẫn cho ra CO2, nhưng khí thải nầy sẽ bị khử bởi benzen và các loại hạt (particulate) phát thải vào không khí trong quá trình đốt khí. Một lợi điểm khác so với xăng dùng hiện tại là, methanol khởi động (ignite) chậm hơn và cháy cho ra ít năng lượng hơn cho nên giảm thiểu được hoả hoạn do xăng. Một yếu tố lợi thế khác về môi trường là, methanol khi bị chảy đổ vào môi trường (spill) sẽ dễ dàng hoà tan vào trong nước và bị phân hóa qua hiện tượng sinh hủy (bio-degradation).
Loại năng lượng methanol hiện tại dùng cho việc di chuyển xe có tên là M85, nghĩa là có 85% methanol trộn lẫn với 15% xăng không chì có độ octane 87. Theo sự tính toán của Hội đồng Năng lượng California (California Energy Commission) “xăng” M85 sẽ giảm thiểu sự phát thải độc hại vào không khí 50% ít hơn so với xăng dùng hiện tại. M85 hiện đang được thí nghiệm ở California từ năm 1980 với 13.000 xe đang được thử nghiệm.
Chương trình đã bị đình trệ vì dự án dùng MTBE (methyl ter-butyl ether) vào đầu thập niên 1990. Vào nặm 2005, MTBE hoàn toàn bị cấm dùng vì nguy cơ ô nhiễm môi trường do việc thất thoát vào mạch nước ngầm và hoá chất nầy có thể gây ra ung thư cho người.
Qua những lợi điểm vừa kể trên, Trung Quốc đã bắt đầu chú ý và có ý định về xe chạy bằng methanol và dự định nhập cảng từ 1 đền 2 tỷ gallon cho năm 2008.
Tế bào năng lượng
Ngoài việc sử dụng trực tiếp cho việc di chuyển xe cộ, methanol còn có một ứng dụng khác là chuyển đổi thành tế bào năng lượng DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). Tế bào nầy do sáng kiền của các nhà khoa học ở UCS Loker, California.
Đây là một loại bình năng lượng (battery) dùng kim loại platinum làm âm cực, và hỗn hợp platinum-ruthenium làm dương cực. Bình năng lượng sẽ tạo ra nguồn điện năng dùng trong việc di chuyển. Hiện tại giá thành của công nghệ nầy còn quá cao cho nên chưa đạt được hiệu quả kinh tế so với các tế bào năng lượng chuyển tải từ các nguồn nguyên liệu khác.
Methanol cũng là một nguồn cung cấp điện năng cho các ốc đão nhỏ như vùng biển Caribea qua việc thiết lập nhà máy dùng methanol điều chế từ khí đốt thiên nhiên. Tại Point Lisas ở Trinidad đã có một nhà máy phát điện dùng methanol làm nguyên liệu có công suất 8,5 MW. Trong tương lai, ở các ốc đão nhỏ chắc chắn việc khai triển điện năng từ methanol sẽ là một kỹ nghệ lớn vì việc chuyển vận methanol bằng đường biển sẽ ít tốn kém và ít nguy hiểm nhiều lần hơn so với việc vận chuyển khí đốt thiên nhiên.
Kết luận
So với giá dầu thô hiện tại, công nghệ biến methanol thành năng lượng di chuyển là một việc có thể thực hiện được vì giá thành thấp hơn. Hơn nữa, trước vấn nạn hâm nóng toàn cầu, một phương pháp dùng khí carbonic CO2 làm nguyên liệu để sản xuất methanol qua việc hydrogen hoá là một việc làm thích hợp. Nếu thực hiện được điều nầy với quy mô toàn cầu, hiệu ứng nhà kính và sự hâm nóng toàn cầu có thể được giải quyết trong tương lai.
Các quốc gia trên thế giới sẽ không còn lý do tồn tại để tranh cãi qua việc phát thải nguồn khí CO2 do sản xuất công kỹ nghệ nữa. Và Nghị định thư Kyoto cũng sẽ được giải quyết ổn thoả, không còn có tranh chấp giữa các quốc gia trên thế giới về định mức đóng góp vào sự phát thải khí carbonic kể trên.
W.Cuong
HCM, 11-2011
