Triển vọng phát triển năng lượng sinh học của tỉnh Vĩnh Phúc trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng toàn cầu

NLSH thế hệ thứ ba

Từ tảo (nước ngọt và nước biển), cây jatropha curcas (cây cộc rào hay cây dầu mè), cỏ swichgrass, cây halophyte, có ưu điểm vượt trội là dựa vào nguồn sinh khối phong phú của các loại cây không thuộc cây lương thực, có thể sinh trưởng hoang dại ở cả những nơi đất cằn cỗi với hàm lượng dầu cao. Tuy nhiên, đó mới chỉ là nghiên cứu thăm dò ban dầu còn nhiều vấn đề khoa học và công nghệ liên quan đến canh tác, khai thác, chế biến các tài nguyên sinh khối này cần phải giải quyết trước khi nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba xuất hiện trên thị trường.

Hiện nay, NLSH thế hệ thứ hai được ưu tiên nghiên cứu và sử dụng vì hầu như sẽ không ảnh hưởng đến giá lương thực và đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu. Biomass như rơm rạ, thân cây ngũ cốc và các phể thải nông nghiệp khác được tạo ra hàng năm trên thế giới khoảng hơn nửa tỷ tấn, trong đó châu Á chiếm tới 92% [6,7]. Rơm rạ là một trong những phế thải nông nghiệp ít giá trị sử dụng, số lượng lớn đặc biệt ở các nước xuất khẩu lúa gạo, như ở Việt Nam. Rơm rạ chiếm hơn 50% tổng trọng lượng cây lúa [8].

Theo dự báo của các chuyên gia, trong vòng 10 năm nữa, ít nhất 60% số xe hơi đang vận hành trên thế giới sẽ sử dụng những loại nhiên liệu sạch thay vì dùng xăng. Hầu hết thân và lá của các loại cây mà chúng ta đang gieo trồng hiện nay, rác thải hay đồ phế thải đều có thể dùng để chiết xuất thành những nhiên liệu sạch thay vì đốt cháy chúng.

*Nếu phân chia theo loại phương pháp tạo ra NLSH có thể liệt kê một số

Xenluloza Ethanol

Xác thực vật thân gỗ là một trong những ưu tiên số 1 để chiết xuất thành

nhiên liệu. Bằng phương pháp sinh học, người ta đã xử lý trước khi chúng phân hủy trong môi trường hơi axít sau đó ngâm trong bồn nước nóng vài ngày. Vi khuẩn và các loại enzym hoạt động tích cực, phá vỡ các phân tử gỗ (xenluloza) thành một loại đường (xylose) có vị ngọt giống như trong kem đánh răng. Chất này giúp lên men toàn bộ xác thực vật và công đoạn cuối cùng là chưng cất thành ethanol.

Hiện tại một nhà máy chưng cất nhiên liệu Ethanol quy mô lớn đang khởi động tại bang Iowa (Hoa Kỳ). Nhược điểm của phương pháp chưng cất này là tốn nhiều nước.

Các hãng nhiên liệu và nhà sản xuất động cơ đầu tư: Iogen (Shell), POET, SunEthanol và Verenium. Lượng nước sạch tiêu tốn để có 1 lít ethanol: 11,2 lít. Hiệu suất: 66%.

Ethanol từ thân cây bằng nhiệt phân

Thân cây ngô, thức ăn thừa, thậm chí cả lốp xe cũ là sự kết hợp tuyệt vời để cho ra thứ nhiên liệu ethanol sinh học. Trong môi trường yếm khí, dưới sức nóng của vài nghìn độ C, không có ôxy, hỗn hợp này không cháy mà bị “bẻ gẫy vụn” bởi carbon ôxít, carbon điôxít và hyđrô. Hỗn hợp khí thu được dạng gas sạch, lạnh và chỉ cần chất xúc tác tách được ethanol và nhiều loại cồn khác.

Cuối năm 2009, nhiều nhà máy tách ethanol đưa ra sản phẩm tại bang Pennsilvania và Georgia, hoa Kỳ. Phương pháp điều chế ethanol này không tốn nhiều nước và cho hiệu suất cao. Các hãng nhiên liệu và nhà sản xuất động cơ đầu tư: Coskata (General Motors), Range Fuels. Lượng nước sạch tiêu tốn để có 1 lít ethanol: 3,78 lít. Hiệu suất: 66%.

Dầu chiết xuất từ tảo

Sự biến đổi di truyền đặc biệt của loài tảo bởi những phản ứng sinh học cho phép các nhà khoa học nghĩ tới một loại nhiên liệu sạch khá hoàn hảo. Tảo được nuôi trong những túi nhựa lớn với nước và chúng rất thích ứng với khí cácboníc đậm đặc thải ra từ các nhà máy xi măng, khí đốt lò than hay hơi men bia rượu. Sau đó tảo sẽ được tách khỏi nước bằng máy li tâm và chiết xuất thành dầu với một loại dung môi. Quá trình tách dầu tảo cho hiệu suất lớn hơn bất cứ loại thực vật nào hiện có như đậu nành hay dừa, chà là… Tuy nhiên việc nuôi dưỡng chúng khá phức tạp và tốn công. Nhiều nhà máy chiết xuất dầu tảo đang được xây dựng ở Hoa kỳ, vào năm 2012 dầu tảo có mặt trên thị trường. Các hãng nhiên liệu và nhà sản xuất động cơ đầu tư: GreenFuel, HR Biopetroleum (Shell), Solazyme, Solix. Lượng nước sạch tiêu tốn để có 1 lít dầu tảo: Không. Hiệu suất: 103%.

Dầu mía

Đường thô từ mía và các loại cây cùng họ của nó có phản ứng rất mạnh với các chất xúc tác cứng để loại bỏ ôxy trong các phân tử đường và tạo thành năng lượng hyđrô các bon. Bằng phương pháp tinh chế truyền thống, việc tách các phân tử đường thô khá đơn giản, từ đó người ta đã chiết được các loại nhiên liệu như xăng, dầu diesel và khí.

Mía và các loại cây chứa đường cho năng lượng rất sạch mà quá trình chiết xuất không quá phức tạp. Tuy nhiên so với các loại thực vật khác thì việc sử dụng đường thô làm nhiêu liệu có giá thành cao hơn. Tập đoàn nhiên liệu và khí đốt Virent công bố vào năm 2012 sẽ bán dầu mía dùng cho xe hơi.Các hãng nhiên liệu và nhà sản xuất động cơ đầu tư: Virent (Shell và Honda) Lượng nước sạch tiêu tốn để có 1 lít dầu mía: Không. Hiệu suất: 100%

Butanol sinh học

Cũng như ethanol, quá trình chiết suất butanol cũng từ xác thực vật thuộc họ cây có đường, tuy nhiên được thực hiện dựa trên khía cạnh biến đổi di truyền học của thực vật. Các loại vi khuẩn sẽ giúp lên men và biến đường thô thành cồn. Không cần đến nước, butanol sinh học đậm đặc, dễ chứa cũng như dễ vận chuyển. Butanol là nhiên liệu rất quan trọng cho ngành công nghiệp chế tạo tên lửa. Trước đó theo cách chiết xuất truyền thống chỉ lấy được butanol từ dầu mỏ.

Nhiều nhà máy của Anh và Hoa Kỳ đang xúc tiến chiết butanol từ các nguồn nguyên liệu mới. Vào năm 2012 cho ra đời butanol sinh học.

Các hãng nhiên liệu và nhà sản xuất động cơ đầu tư: Cobalt Biofuels, Dupont (BP), Gevo, Tetravitae Bioscience. Lượng nước sạch tiêu tốn để có 1 lít dầu mía: Không. Hiệu suất: 900%.

3.1.3. Những hạn chế

Năng lượng sinh học là nguồn cạnh tranh tiềm tàng với ngành sản xuất lương thực, thực phẩm, nó gia tăng sự tranh chấp căng thẳng giữa “xe bồn chở dầu và mâm cơm” vì một phần diện tích đất đai mầu mỡ được sử dụng để trồng các nông sản nhằm sản xuất nhiên liệu. Các nhà khoa học tại Leopoldina, Đức cảnh báo:

“Nhập khẩu sinh khối có nghĩa là xuất khẩu rủi ro đối với một nền nông nghiệp thâm canh, nhất là khi các nước xuất khẩu sinh khối lại không sản xuất bền vững và phá rừng trong khi người dân vẫn còn bị thiếu đói”.

Bên cạnh đó, để tạo ra được sinh khối phải sử dụng máy móc, phân bón, thuốc bảo vệ thực vật… những sản phẩm này đều đòi hỏi tiêu hao nhiên liệu hóa thạch. Và quá trình sản xuất Bioethanol, Biodiesel hay Biogas đều tiêu tốn năng lượng. Vì thế cuối cùng lượng chất thải gây hiệu ứng nhà kính cũng có thể không giảm được bao nhiêu.

Biodiesel có nhiệt độ đông đặc cao hơn Diesel một ít gây khó khăn cho các nước có nhiệt độ vào mùa đông thấp. Tuy nhiên đối với các nước nhiệt đới, như Việt Nam chẳng hạn thì ảnh hưởng này không đáng kể.

Biodisel có nhiệt trị thấp hơn so với diesel.

Trở ngại lớn nhất của việc thương mại Biodiesel trước đây là chi phí sản suất cao. Do đó làm cho giá thành Biodiesel khá cao, nhưng với sự leo thang giá cả nhiêu liệu như hiện nay thì vấn đề này không còn là rào cản nữa.

Hiện nay Biodiesel thường được sản xuất chủ yếu là theo mẻ. Đây là điều bất lợi vì năng suất thấp, khó ổn định được chât lượng sản phẩm cũng như các điều kiện của quá trình phản ứng. Một phương pháp có thể tránh hoặc tối thiểu khó khăn này là sử dụng quá trình sản xuất liên tục.

Hàm lượng oxy lớn là điểm khác biệt giữa bio-oil và nhiên liệu dầu khoáng (chứa hydrocacbon). Bio-oil có nhiệt năng thấp hơn so với hydrocacbon, nhưng vì có nhiều oxy nên quá trình cháy nhiệt triệt để hơn, sinh ra ít khí thải độc hại hơn. Hàm lượng nước trong bio-oil ảnh hưởng đến nhiệt độ của ngọn lửa và nhiệt năng của nhiên liệu, làm giảm các giá trị này

Độ nhớt của bio-oil dao động trong khoảng rộng từ 35- 1000cP ở 40oC. Độ

nhớt phụ thuộc vào loại nhiên liệu và điều kiện quá trình. Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt của bio-oil sẽ giảm nhanh hơn so với dầu có nguồn gốc từ dầu mỏ. Cũng có thể giảm độ nhớt của dầu bằng cách pha thêm những dung môi phân cực như methanol,

axeton. Trong bio-oil còn chứa những axit hữu cơ, chủ yếu là axit axetic và axit fomic, vì vậy dầu bio-oil thường có pH trong khoảng từ 2-3.‌

3.2. Nghiên cứu công nghệ Cellulosic Ethanol

3.2.1. Tổng quát công nghệ

Hiện nay, NLSH thế hệ thứ hai (Biomass) được ưu tiên nghiên cứu và sử dụng vì hầu như sẽ không ảnh hưởng đến giá lương thực và đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu. Biomass như rơm rạ, trấu, lá cây, gỗ, càng cây nhỏ, bã mía, thân cây ngũ cốc và các phể thải nông nghiệp khác được tạo ra hàng năm trên thế giới khoảng hơn nửa tỷ tấn, trong đó châu Á chiếm tới 92%. Rơm rạ là một trong những phế thải nông nghiệp ít giá trị sử dụng, số lượng lớn đặc biệt ở các nước xuất khẩu lúa gạo, như ở Việt Nam. Rơm rạ chiếm hơn 50% tổng trọng lượng cây lúa. Theo ước tính, hàng năm nước ta sẽ thải ra khoảng 55 triệu tấn rơm rạ. Số rơm rạ này một phần làm phân bón sinh học, phần còn lại chủ yếu được đốt bỏ ngay trên cánh đồng, vừa lãng phí lại ảnh hưởng đến môi trường sống. Còn theo GS-TSKH Trần Đình Toại, người có nhiều năm theo đuổi với nghiên cứu sản xuất nhiêu liệu sinh học từ phế phẩm nông nghiệp cho biết, phế thải nông nghiệp cả nước ước chừng hơn 80 - 100 triệu tấn. Nếu chuyển hóa được 10% phế thải nông nghiệp thành ethanol, với hiệu suất 20%, có thể thu được 2 triệu tấn ethanol, chưa kể với năng suất sắn hàng năm chừng 5 triệu tấn, xuất khẩu sẽ thu 800 triệu USD [BKHCM].

Hình 3.2. Chu trình chuyển hóa biomass

Thành phẩn khóa học (% khối lượng) của rơm rạ gồm chủ yếu là xenluloza (60%), lignin (14%), chất béo (1,9%) và protein (3,4%). Thành phần nguyên tố (% khối lượng): C~44%, H ~5%, N~0,92%, O ~49%. Đây là các hợp chất cao phân tử và có thể bẻ gãy thành các phân tử đường đơn lẻ. Tuy nhiên, do nhiệt trị của rơm rạ rất thấp (thấp hơn nhiều so với dầu mỏ) và không thuận tiện cho việc vận chuyển, tích trữ nên rơm rạ không được sử dụng như nhiên liệu công nghiệp. Vì vậy, việc chuyển hóa rơm rạ thành sản phẩm có giá trị hơn, dễ dàng vận chuyển, bảo quản, dự trữ và sử dụng khi cần, chúng có tính ổn định và là nguồn năng lượng có thể tái tạo nên có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Nghiên cứu hiện tại cho sản xuất ethanol cellulosic chủ yếu tập trung vào sản xuất nguyên liệu và công nghệ chuyển đổi để giảm thiểu chi phí sản xuất. Để giảm thiểu chi phí sản xuất tổng thể, phát triển năng lượng sinh học và quyết định triển khai cần phải xem xét chi phí nguyên liệu cung cấp và nhà máy kích thước tối ưu cho các chi phí sản xuất tối thiểu

*Tổng hợp nguyên liệu sinh khối

Có nhiều phương pháp để tổng hợp năng lượng sinh khối, mỗi phương pháp có đặc điểm và hiệu quả khác nhau. Tuy nhiên có 3 phương pháp chính hiện nay: phương pháp nhiệt phân, phương pháp lên men, phương pháp chuyển hóa bằng hơi nước (quá trình khí hóa sinh khối).

Tổng hợp nhiên liệu sinh học bằng phương pháp nhiệt phân

Đây là phương pháp phân hủy vật liệu hữu cơ trong điều kiện không có oxy, sản phẩm của quá trình bao gồm: khí (gas), lỏng (pyrolisis oil) và rắn (than charcoal). Bằng cách thay đổi điều kiện nhiệt phân, có thể thay đổi cơ cấu sản phẩm phục vụ cho mục đích của con người. Tuy nhiên trong điều kiện thực tế, khó có thể đạt đực điều kiện không có oxy hoàn toàn, nên trong sản phẩm nhiệt phân luôn chứa một phần nhỏ sản phẩm oxy hóa. Trên thế giới có rất nhiều nhà máy sử dụng công nghệ nhiệt phân, như ở Đức nhà máy có công suất 100.000 tấn/năm; ở Mỹ nhà máy nhiệt phân lớn nhất có công suất 1000 tấn/ngày; tại Phần Lan nhà máy có công suất 8400kg dầu nhiệt phận/ngày... Hơn thế nữa các nước vẫn đang tiếp tục nghiên cứu để cải tiển công nghệ nhiệt phân nhằm thu nhiều hơn sản phẩm khí và sản phẩm lỏng bio-oil.

Hiện nay, tồn tại ba công nghệ nhiệt phân chính, đó là: cốc hóa chậm (carbonation), chuyển hóa chậm (conventional) và chuyển hóa rất nhanh (flash).

Bảng 3.1. Cơ cấu sản phẩm nhiệt phân

Kỹ thuật nhiệt phân

Tốc độ gia nhiệt	Thời gian lưu	Nhiệt độ, oC	Sản phẩm chính
Carbonation	Rất chậm	Vài ngày	400	Than
Conventional	Chậm	5 ÷ 30 phút	600	Dầu nhiệt phân, khí, than
Flash	Rất nhanh	1 ÷ 5 giây	650	Dầu nhiệt phân