Nhiên liệu là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm nhiên liệu

Nhiên liệu là vật chất có khả năng giải phóng năng lượng khi trải qua phản ứng hóa học, sinh học hoặc hạt nhân. Dạng năng lượng thu được có thể là nhiệt, điện, cơ hoặc bức xạ tùy thuộc vào bản chất vật chất và cơ chế phản ứng. Định nghĩa từ U.S. Department of Energy mô tả nhiên liệu như nguồn cung năng lượng chủ chốt duy trì hoạt động của hệ thống công nghiệp, giao thông và nhiều quy trình kỹ thuật.

Nhiên liệu tồn tại dưới dạng rắn, lỏng hoặc khí và được sử dụng trong nhiều bối cảnh khác nhau như đốt cháy, oxy hóa xúc tác hoặc phân hạch hạt nhân. Dù cơ chế giải phóng năng lượng khác nhau, điểm chung là nhiên liệu chứa năng lượng dưới dạng liên kết hóa học hoặc năng lượng hạt nhân. Khi liên kết bị phá vỡ và tái tổ chức, phần năng lượng chênh lệch được giải phóng, tạo ra dạng năng lượng hữu ích cho mục đích kỹ thuật hoặc dân dụng.

Bảng khái quát các dạng năng lượng thu được từ nhiên liệu:

Dạng năng lượng	Nguồn tạo thành	Ứng dụng
Nhiệt	Phản ứng đốt cháy	Nhiệt điện, gia nhiệt công nghiệp
Cơ	Động cơ đốt trong	Giao thông vận tải
Điện	Tuabin khí, tuabin hơi	Phát điện
Bức xạ	Phân rã hạt nhân	Nhà máy điện hạt nhân

Phân loại nhiên liệu

Nhiên liệu được phân loại theo nguồn gốc và trạng thái vật lý. Nhóm nhiên liệu hóa thạch gồm than, dầu mỏ và khí tự nhiên, hình thành từ vật chất hữu cơ tích tụ qua hàng triệu năm. Nhóm nhiên liệu tái tạo gồm nhiên liệu sinh học, hydro xanh và nhiên liệu tổng hợp, được sản xuất từ nguồn tài nguyên có khả năng tái tạo. Sự phân loại này giúp đánh giá đặc tính khai thác, mức độ bền vững và tác động môi trường.

Xét theo trạng thái vật lý, nhiên liệu rắn như than và củi có mật độ năng lượng cao nhưng tạo nhiều chất thải. Nhiên liệu lỏng như dầu diesel, xăng và ethanol có khả năng vận chuyển dễ dàng và hiệu quả cháy ổn định. Nhiên liệu khí như LPG, LNG và hydrogen có tốc độ cháy nhanh và sạch hơn nhưng đòi hỏi hệ thống lưu trữ áp suất cao.

Các nhóm phân loại phổ biến:

• Nhiên liệu hóa thạch: than, dầu mỏ, khí tự nhiên
• Nhiên liệu tái tạo: ethanol, biodiesel, hydro xanh
• Nhiên liệu hạt nhân: uranium, plutonium
• Nhiên liệu tổng hợp: e-fuels, synfuels

Đặc tính hóa lý của nhiên liệu

Đặc tính hóa lý của nhiên liệu quyết định tính ứng dụng trong công nghiệp và giao thông. Nhiệt trị, độ bay hơi, độ nhớt, thành phần nguyên tố và tốc độ cháy là các thông số kỹ thuật quan trọng. Nhiệt trị (calorific value) thể hiện lượng năng lượng giải phóng khi đốt cháy một đơn vị nhiên liệu, thường tính theo công thức $Q = m \cdot H$ trong đó Q là năng lượng sinh ra, m là khối lượng và H là nhiệt trị. Đơn vị đo thông dụng gồm MJ/kg hoặc kcal/kg theo tiêu chuẩn của NIST.

Đối với nhiên liệu lỏng, độ nhớt ảnh hưởng đến chất lượng phun và hiệu suất cháy trong động cơ. Độ bay hơi quyết định khả năng tạo hỗn hợp khí – hơi trong buồng đốt. Thành phần lưu huỳnh, nitơ và kim loại nặng quyết định mức độ phát thải khi sử dụng. Đối với nhiên liệu khí, áp suất và độ tinh khiết được xem là yếu tố then chốt bảo đảm phản ứng cháy ổn định.

Bảng đặc tính cơ bản của một số nhiên liệu:

Nhiên liệu	Nhiệt trị (MJ/kg)	Đặc điểm nổi bật
Than đá	24–35	Mật độ năng lượng cao, phát thải lớn
Xăng	44–46	Độ bay hơi cao, dùng trong động cơ xăng
Diesel	42–45	Độ nhớt lớn hơn xăng, hiệu suất cao
Hydrogen	120 (tính theo kg)	Phát thải gần như bằng 0 khi sử dụng

Cơ chế giải phóng năng lượng

Cơ chế giải phóng năng lượng của nhiên liệu phụ thuộc vào phản ứng vật lý hoặc hóa học diễn ra trong quá trình chuyển đổi. Đối với nhiên liệu hóa thạch, năng lượng giải phóng thông qua phản ứng oxy hóa, trong đó liên kết hóa học của hydrocarbon bị phá vỡ và tái hình thành, tạo ra nhiệt. Quá trình cháy đòi hỏi oxy từ không khí và giải phóng CO2, nước và nhiệt lượng lớn.

Đối với nhiên liệu sinh học, phản ứng tương tự nhưng thường đi kèm hàm lượng oxy nội tại trong phân tử, làm thay đổi tốc độ cháy và mức phát thải. Nhiên liệu hạt nhân giải phóng năng lượng qua quá trình phân hạch, trong đó một hạt nhân nặng như uranium tách thành hai hạt nhân nhẹ hơn, giải phóng năng lượng rất lớn. Năng lượng này được chuyển đổi thành nhiệt trong lò phản ứng và dùng để tạo hơi làm quay tuabin.

Các cơ chế năng lượng chính:

• Oxy hóa – đốt cháy nhiên liệu hóa thạch và sinh học
• Phân hạch hạt nhân trong nhà máy điện
• Phản ứng điện hóa trong pin nhiên liệu (fuel cell)

Ứng dụng của nhiên liệu trong công nghiệp

Nhiên liệu đóng vai trò cốt lõi trong hoạt động công nghiệp hiện đại, đặc biệt trong các hệ thống sản xuất năng lượng, luyện kim, hóa dầu và giao thông vận tải. Trong các nhà máy nhiệt điện, nhiên liệu hóa thạch như than, dầu và khí tự nhiên được chuyển hóa thành nhiệt năng, sau đó thành cơ năng và điện năng thông qua tuabin hơi hoặc tuabin khí. Theo báo cáo của International Energy Agency (IEA), hơn một nửa sản lượng điện toàn cầu vẫn dựa trên các dạng nhiên liệu hóa thạch.

Trong công nghiệp hóa dầu, nhiên liệu vừa là nguồn năng lượng vừa là nguyên liệu đầu vào để tổng hợp nhựa, dung môi, phân bón và hàng loạt hợp chất hữu cơ khác. Các quá trình cracking, reforming hoặc hydroprocessing đòi hỏi cung cấp nhiệt lượng lớn từ nhiên liệu khí hoặc nhiên liệu lỏng. Trong luyện kim, nhiên liệu rắn như than cốc tạo ra nhiệt độ cực cao giúp khử oxit kim loại để tạo kim loại nguyên chất.

Ứng dụng chủ đạo của nhiên liệu trong công nghiệp:

• Phát điện từ than, dầu và khí tự nhiên
• Cung cấp nhiệt cho lò phản ứng hóa dầu
• Sinh nhiệt trong lò luyện kim và sản xuất xi măng
• Làm nguyên liệu đầu vào cho các quá trình tổng hợp hữu cơ

Tác động môi trường của nhiên liệu

Việc khai thác và sử dụng nhiên liệu tạo ra nhiều tác động môi trường bao gồm phát thải khí nhà kính, ô nhiễm không khí, ô nhiễm nước và thoái hóa đất. Phát thải CO2, CH4 và N2O từ nhiên liệu hóa thạch là nguyên nhân chính thúc đẩy biến đổi khí hậu toàn cầu. U.S. Environmental Protection Agency (EPA) báo cáo rằng ngành năng lượng chiếm tỷ lệ lớn trong phát thải CO2 toàn cầu.

Ô nhiễm không khí từ NOx, SO2, bụi mịn PM2.5 và PM10 có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như bệnh hô hấp, tim mạch và ung thư. Quá trình khai thác than có thể làm suy thoái môi trường đất và nguồn nước, trong khi khai thác dầu thô gây rủi ro tràn dầu dẫn đến thiệt hại hệ sinh thái biển. Bên cạnh đó, việc sử dụng nhiên liệu hạt nhân phát sinh chất thải phóng xạ cần được quản lý đặc biệt nghiêm ngặt.

Bảng tổng hợp tác động môi trường theo nhóm nhiên liệu:

Nhóm nhiên liệu	Tác động môi trường chính
Nhiên liệu hóa thạch	Phát thải CO2, ô nhiễm không khí, suy thoái tài nguyên
Nhiên liệu sinh học	Phụ thuộc đất nông nghiệp, phát thải trong sản xuất
Nhiên liệu hạt nhân	Chất thải phóng xạ, rủi ro sự cố

Nhiên liệu tái tạo và xu hướng phát triển

Nhiên liệu tái tạo xuất hiện như một giải pháp quan trọng nhằm giảm phát thải khí nhà kính và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Các loại nhiên liệu tái tạo quen thuộc gồm ethanol, biodiesel, hydro xanh và nhiên liệu tổng hợp từ CO2. Nhờ sự phát triển của công nghệ thu giữ carbon (CCUS) và điện phân nước bằng năng lượng tái tạo, ngành nhiên liệu sạch đang tăng trưởng mạnh trên quy mô toàn cầu.

Báo cáo của IPCC khuyến nghị đẩy mạnh chuyển dịch sang nhiên liệu tái tạo để giảm phát thải ròng xuống mức gần bằng 0. Hydro xanh được xem là tiềm năng lớn trong công nghiệp nặng và giao thông đường dài nhờ khả năng sinh năng lượng sạch và mật độ năng lượng cao. Biodiesel và ethanol đóng vai trò quan trọng trong vận tải đường bộ thông qua tích hợp với động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng.

Các xu hướng nổi bật trong phát triển nhiên liệu sạch:

• Ứng dụng hydro xanh và pin nhiên liệu
• Phát triển nhiên liệu sinh học thế hệ mới
• Nhiên liệu tổng hợp từ carbon tái chế (e-fuels)
• Giảm phát thải thông qua công nghệ CCUS

An toàn và quản lý nhiên liệu

An toàn trong sản xuất, lưu trữ và vận chuyển nhiên liệu là yêu cầu then chốt để hạn chế rủi ro cháy nổ và ô nhiễm. Các ngành công nghiệp sử dụng tiêu chuẩn quốc tế của ISO và các quy tắc từ cơ quan an toàn năng lượng nhằm thiết lập quy trình bảo quản và vận hành an toàn. Nhiên liệu lỏng dễ bay hơi như xăng và dung môi hữu cơ cần được lưu trữ trong kho kín, tránh tia lửa và nguồn nhiệt.

Nhiên liệu khí như LPG, LNG yêu cầu hệ thống bồn chứa chịu áp lực cao và bộ điều khiển an toàn phòng trường hợp rò rỉ. Đối với nhiên liệu hạt nhân, vấn đề an toàn còn phức tạp hơn do liên quan đến vật liệu phóng xạ và nguy cơ phát tán phóng xạ. Các nhà máy điện hạt nhân phải đáp ứng tiêu chuẩn lưu trữ nhiên liệu đã qua sử dụng và bảo đảm cấu trúc vùng chứa đạt yêu cầu bảo vệ phóng xạ.

Các yếu tố quan trọng trong quản lý an toàn nhiên liệu:

• Hệ thống giám sát rò rỉ và kiểm soát cháy nổ
• Quy trình lưu trữ kín, cách ly nguồn nhiệt
• Quy định vận chuyển nhiên liệu nguy hiểm
• Giám sát và xử lý chất thải phóng xạ

Định hướng nghiên cứu nhiên liệu hiện nay

Các hướng nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc phát triển nhiên liệu sạch và nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Nhiều nhóm nghiên cứu tìm cách tối ưu hóa vật liệu xúc tác để tăng hiệu suất sản xuất nhiên liệu sinh học như biodiesel hoặc bioethanol. Công nghệ điện phân nước sử dụng năng lượng mặt trời và gió đang được cải tiến nhằm hạ giá thành hydro xanh, đưa hydro trở thành nhiên liệu cạnh tranh trong công nghiệp nặng và giao thông.

Nghiên cứu nhiên liệu tổng hợp từ CO2 và hydro cũng đang tăng tốc, hướng đến quy trình khép kín vừa tạo nhiên liệu vừa giảm phát thải. Pin nhiên liệu (fuel cell) tiếp tục là lĩnh vực ưu tiên nhờ khả năng chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng với hiệu suất cao. Ngoài ra, các mô hình số trị mô phỏng quá trình cháy giúp tối ưu hóa động cơ và giảm phát thải độc hại.

Các hướng nghiên cứu nổi bật:

• Phát triển hydro xanh và pin nhiên liệu
• Cải tiến xúc tác cho nhiên liệu sinh học
• Tổng hợp nhiên liệu từ CO2
• Mô phỏng cháy và tối ưu động cơ

Tài liệu tham khảo

• U.S. Department of Energy. Energy sources and fuel technologies.
• National Institute of Standards and Technology. Fuel measurement standards.
• International Energy Agency. Global fuel consumption and energy reports.
• U.S. Environmental Protection Agency. Environmental impacts of fuel use.
• Intergovernmental Panel on Climate Change. Climate mitigation and energy transition reports.