Tổng quan về nhiên liệu sinh học

Tổng quan về nhiên liệu sinh học

Vào thế kỷ 19, gỗ là nguồn năng lượng làm máy chạy bằng hơi nước phổ thông trong ngành chuyên chở, giúp phát triển mạnh công nghiệp cơ giới. Sau đó, con người chế tạo máy phát điện cung cấp nguồn điện năng mới có nhiều công dụng cho đời sống hàng ngày và thay thế dần những máy chạy bằng hơi nước. Khi tìm thấy nguồn nhiên liệu trầm tích như than đá, dầu hỏa và khí đốt, con người tăng tốc sử dụng loại năng lượng không tái tạo này để chạy máy nổ, chủ yếu trong ngành vận tải, nhiệt và điện năng. Loại nhiên liệu thể lỏng (xăng dầu) trở nên thông dụng hơn trong ngành chuyển vận vì có tỉ trọng năng lượng cao, dễ sử dụng hơn loại nhiên liệu khí và rắn, và từ đó nguồn năng lượng rắn được sử dụng giảm dần.

Theo tính toán của các chuyên gia kinh tế năng lượng, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm khoảng 60-80% cán cân năng lượng thế giới. Với tốc độ tiêu thụ như hiện nay và trữ lượng dầu mỏ hiện có, nguồn năng lượng này sẽ nhanh chóng bị cạn kiệt trong vòng 40-50 năm nữa. Diễn biến phức tạp của giá xăng dầu gần đây là do nhu cầu dầu thô ngày càng lớn và những bất ổn chính trị tại những nước sản xuất dầu mỏ. Để đối phó tình hình đó, cần tìm ra các nguồn năng lượng thay thế, ưu tiên hàng đầu cho các nguồn năng lượng tái sinh và thân thiện với môi trường.

Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay (năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân,…), năng lượng sinh học đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu, do các lợi ích của nó như: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, tận dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, không cần thay đổi cấu trúc động cơ cũng như cơ sở hạ tầng hiện có và giá thành cạnh tranh so với xăng dầu.

Các loại nhiên liệu sinh học

NLSH là những nhiên liệu có nguồn gốc từ các vật liệu sinh khối như củi, gỗ, rơm, trấu, phân và mỡ động vật… nhưng đây chỉ là những dạng nhiên liệu thô. NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm: các loại cồn sản xuất bằng công nghệ sinh học để sản xuất ra Gasohol (Methanol, Ethanol, Buthanol, nhiên liệu tổng hợp Fischer Tropsch); các loại dầu sinh học để sản xuất diesel sinh học (dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật). Hay nói cách khác; NLSH là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật (sinh học). Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải…), Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá…):

Tính chất thân thiện với môi trường: chúng sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (một hiệu ứng vật lý khiến Trái Đất nóng lên) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống.

Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống.

Tuy nhiên hiện nay vấn đề sử dụng NLSH vào đời sống còn nhiều hạn chế do chưa hạ được giá thành sản xuất xuống thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống. Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, NLSH có khả năng là nguồn thay thế.

NLSH là khái niệm chung chỉ tất cả những dạng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học, có thể tạm chia làm mấy nhóm sau:

1. Nhiên liệu lỏng:

Bao gồm Bio-metanol, Bio-ethanol, Bio-butanol… Trong số các dạng NLSH này, Bio-ethanol là loại nhiên liệu thông dụng nhất hiện nay trên thế giới vì có khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp từ nguyên liệu chứa đường như mía, củ cải đường và nguyên liệu chứa tinh bột như ngũ cốc, khoai tây, sắn…

Có thông tin cho rằng xăng chứa ethanol có trị số octane cao hơn xăng thường nên động cơ mau nóng hơn, máy cũng mau hao mòn hơn, nhất là các vòng đệm cao su bị trương nở do ethanol. Cũng có ý kiến cho rằng bất lợi của Ethanol là tính hút ẩm của nó nên xăng pha ethanol có xu hướng hút ẩm làm cho gasohol bị nhiễm nước gây khó khởi động động cơ, làm rỉ sét kim loại, hư mòn chất nhựa (plastic), nên để sử dụng gasohol đòi hỏi phải thay đổi vật liệu làm động cơ, phải bảo trì xe thường xuyên. Bồn chứa xăng pha ethanol cũng phải làm từ kim loại đặc biệt, việc chuyên chở cũng khó khăn hơn xăng thường. Tuy nhiên, trong thực tế việc nóng động cơ hơn mức bình thường có nguyên nhân từ việc sử dụng xăng có trị số octane (RON) thấp hơn so với yêu cầu kỹ thuật của động cơ (tỷ số nén) và khuyến cáo của nhà sản xuất. Cả lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy khi pha thêm ethanol vào xăng thì trị số octane của xăng pha ethanol cao hơn xăng thường do vậy sẽ giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn. Tính hút ẩm cao của ethanol trên thực tế giúp cho xăng có pha ethanol có tính “hòa tan” nước cao hơn xăng thường ở một tỷ lệ nhất định, giúp tăng khả năng chống tách nước của nhiên liệu qua đó hạn chế hiện tượng tách nước trong bồn chứa xăng. Các yêu cầu kỹ thuật đặt ra hiện nay nhằm hạn chế tối đa việc tiếp xúc của xăng pha ethanol với nước (ẩm) tại các kho chứa, CHXD, phương tiện chuyên chở, … với mục tiêu chính là đảm bảo chất lượng, giảm hao hụt nhiên liệu (do ethanol tan vô hạn trong nước) phục vụ cho các Nhà kinh doanh xăng dầu. Ethanol hoặc xăng pha ethanol với hàm lượng cao cũng gây biến tính, làm hỏng các vật liệu cao su hoặc nhựa (plastic) thông thường. Tuy nhiên với xu thế hướng đến việc sử dụng các loại nhiên liệu thân thiện với môi trường, các nhà sản xuất xe đã có cải tiến vật liệu để phù hợp với nhiên liệu sinh học đặc biệt là xăng pha ethanol do tính ưu việt và phổ dụng của loại nhiên liệu này. Theo thống kê đã có 27 hãng xe trên thế giới khuyến cáo sản phẩm của mình tương thích với xăng pha ethanol có hàm lượng ethanol đến 10% V (E10). Tương tự các quốc giá khác như Thái lan, Philippines, tại Việt Nam, các loại xe máy sản xuất từ 1990 trở lại đây đều có thể sử dụng xăng pha ethanol đến 10% V. Hệ thống hạ tầng kỹ thuật như: bồn, bể chứa, cột bơm xăng, xe bồn vận chuyển xăng, … do đã được đầu tư từ khá lâu nên khi chuyển sang sử dụng cho xăng pha ethanol cần phải có những hoán đổi cho phù hợp nhưng việc thay đổi này khá đơn giản và không tốn nhiều thời gian, chi phí. Đối với các xe bồn, cột bơm mới đầu tư thì hầu hết đã được thiết kế phù hợp cho việc sử dụng xăng pha ethanol.

Diesel sinh học (BioDiesel): Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este (transesterification). Các chất dầu [còn gọi là fatty acid methyl (hay ethyl) ester (FARME)] trộn với sodium hydroxide và methanol (hay ethanol) tạo ra dầu diesel sinh học và glycerine bằng phản ứng chuyển hóa este.

2. Khí sinh học (Biogas):

Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí. Thành phần chính của Biogas là CH4 (50-60%) và CO2 (>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO, … được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20-40ºC, do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng tạo nên hỗn hợp nổ với không khí. Khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc. Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas.

3. Nhiên liệu sinh học rắn:

Một số loại nhiên liệu sinh học rắn mà các nước đang phát triển sử dụng hàng ngày trong công việc nấu nướng hay sưởi ấm là gỗ, và các loại phân thú khô.

Nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học

Nguyên liệu để sản xuất Nhiên liệu sinh học rất đa dạng, phong phú, bao gồm:

Nông sản: sắn, ngô, mía, củ cải đường…

Cây có dầu: lạc, đậu tương, cây hướng dương, dừa, cọ dầu, jatropha…

Chất thải dư thừa: sinh khối phế thải, rơm rạ, thân cây bắp, gỗ, bã mía, vỏ trấu…

Mỡ cá

Tảo

Tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta lại chọn những loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất NLSH. Ví dụ như Brasil sản xuất ethanol chủ yếu từ mía, ở Mỹ là từ ngô.

Công Nghệ Sản Xuất Nhiên Liệu Sinh Học:

Thế hệ thứ 1:

Nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên được làm từ các loại cây trồng có hàm lượng đường và tinh bột cao (sản xuất gasohol), dầu thực vật hoặc mỡ động vật (sản xuất Biodiesel). Tinh bột từ các loại ngũ cốc được chuyển hóa thành đường rồi lên men thành Bioethanol. Trong khi đó, dầu thực vật (được ép từ các loại cây có dầu ) hoặc mỡ động vật được trộn với ethanol (hoặc methanol) có sự hiện diện của chất xúc tác sẽ sinh ra Biodiesel và glycerine bằng phản ứng chuyển hóa este.

Thế hệ thứ 2:

Nhiên liệu sinh học thế hệ 1 bị hạn chế bởi khả năng mở rộng diện tích đất trồng trọt hiện nay để trồng các loại cây thích hợp là có hạn và các công nghệ truyền thống sử dụng để chuyển đổi các nguồn nguyên liệu này thành NLSH còn bị hạn chế bởi hiệu quả và phương pháp xử lý.

Vì vậy người ta đã hướng tới nhiên liệu sinh học thế hệ 2. Loại NLSH này được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh khối, qua nghiền sấy rồi lên men thành nhiên liệu sinh học. Các nguyên liệu này được gọi là “sinh khối xenluloza” có nguồn gốc từ  chất thải nông nghiệp, chất thải rừng, chất thải rắn đô thị, các sản phẩm phụ từ quá trình chế biến thực phẩm hoặc loại cỏ sinh trưởng nhanh như rơm, rạ, bã mía, vỏ trấu, cỏ…

Thế hệ thứ 3:

Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba được chế tạo từ các loài vi tảo trong nước, trên đất ẩm, sinh ra nhiều năng lượng (7-30 lần) hơn nhiên liệu sinh học thế hệ trước trên cùng diện tích trồng. Sản lượng dầu trên một diện tích 0,4 ha tảo là từ 20.000 lít/năm đến 80.000 lít/năm. Ngoài ra, loài tảo bị thoái hóa sinh học không làm hư hại môi trường xung quanh. Theo ước tính của Bộ Năng Lượng Mỹ, nước này cần một diện tích đất đai lớn độ 38.849 km2 để trồng loại tảo thay thế tất cả nhu cầu dầu hỏa hiện nay trong nước.

Lợi ích của việc sản xuất nhiên liệu sinh học

NLSH có thể giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đắt đỏ, đang cạn kiệt:

Do NLSH có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch sử dụng trong các phương tiện giao thông và các thiết bị năng lượng, triển vọng của loại nhiên liệu này là sáng sủa, đây là loại nhiên liệu bền vững thay cho các nguồn năng lượng hóa thạch đắt đỏ đang bị cạn kiệt.

Loại nhiên liệu này có thể xuất hiện trong một phạm vi nhất định, nhưng vẫn không khắc phục được tình trạng “đói nhiên liệu” đang gia tăng hiện nay trên thế giới.

NLSH có thể giải quyết các vấn đề biến đổi khí hậu:

Các cây trồng nông nghiệp và các nguyên liệu sinh khối khác được coi là các nguyên liệu góp phần làm trung hòa cácbon bởi chu kỳ sống thực tế của nó, thực vật thu cácbon điôxit thông qua quá trình quang hợp.Tuy nhiên, các nguyên liệu đầu vào sử dụng trong quá trình sản xuất NLSH được coi là nguyên liệu tái tạo và có khả năng làm giảm phát thải khí nhà kính (GHG).

Tuy nhiên, cho dù các nhiên liệu đầu vào tự chúng có khả năng trung hòa cácbon, thì quá trình chuyển đổi các vật liệu thô thành NLSH có thể gây phát thải cácbon vào khí quyển. Vì vậy, NLSH phải góp phần vào giảm phát thải các bon, chúng phải được chứng minh giảm thải thực sự GHG trong tất cả chu trình sản xuất và sử dụng NLSH.

NLSH có thể tăng cường an ninh năng lượng quốc gia:

Sự phụ thuộc vào dầu nhập khẩu có thể không những làm suy kiệt dự trữ ngoại tệ của quốc gia, mà còn tạo ra sự mất ổn định về an ninh năng lượng của quốc gia đó. Từ khi NLSH được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu bản địa của nhiều nước châu Á, loại nhiên liệu này có vai trò là nhiên liệu thay thế cho các nhiên liệu hóa thạch có thể giảm sự phụ thuộc nhập khẩu dầu và tăng cường an ninh năng lượng quốc gia.

Tuy nhiên, điều quan tâm là một số nước đang bị lôi cuốn bởi nhiều hứa hẹn về an ninh năng lượng hơn và họ tiếp tục bỏ chi phí để đảm bảo an ninh của các nhu cầu khác nữa như an ninh lương thực, an ninh về nguồn cung cấp nước và không quan tâm tới việc bảo vệ các nguồn tài nguyên thiên nhiên như rừng tự nhiên và sự đa dạng sinh học của chúng.

NLSH có thể hình thành sự tham gia của các xí nghiệp nhỏ và vừa (SMEs):

Khác với nhiên liệu dầu và khí, thậm chí là than cần phải xây dựng cơ sở hạ tầng lớn để khai thác và xử lý, với sự tham gia của các tập đoàn lớn và các công ty đa quốc gia, việc sản xuất NLSH sẽ không đòi hỏi đầu tư và xây dựng các nhà máy xử lý tổng hợp lớn. Vì vậy, đầu tư và quy trình sản xuất NLSH có thể nằm trong phạm vi SMEs có thể chấp nhận được. Dựa vào nguyên liệu đầu vào và khả năng đầu ra, công suất của các nhà máy sản xuất NLSH có thể thiết kế phù hợp với yêu cầu đặc thù. Các hoạt động sản xuất NLSH dựa vào các nguyên liệu nông nghiệp hoặc các hệ thống modul có thể được thực hiện để sản xuất NLSH phục vụ cho tiêu thụ cục bộ của các thiết bị có động cơ tại các trang trại. Đầu tư cho NLSH có thể mở ra các cơ hội tham gia của các công ty trong nước.

NLSH có thể đóng góp vào phát triển kinh tế- xã hội của các cộng đồng địa phương và các ngành kinh tế đang phát triển:

Vai trò của ngành nông nghiệp trang trại trong dây chuyền sản xuất NLSH sẽ mở ra cơ hội cho các cộng đồng địa phương kết hợp hoạt động và thu được các lợi ích nhất định để có thể tạo ra phát triển kinh tế-xã hội. Việc trồng rừng, kích thích và thu hoạch nhiên liệu đầu vào như cây mía, ngô, sắn và dầu cọ đòi hỏi phải tăng lực lượng lao động và các công việc thủ công. Việc mở rộng sản xuất nông nghiệp do tăng nhu cầu các nguyên liệu thô cho sản xuất NLSH có thể tạo ra việc làm mới và thu nhập nhiều hơn cho nông dân. Tạo cơ hội việc làm trong sản xuất NLSH là rất lớn. Ví dụ sản xuất NLSH từ cây Jatropha Curcas (cây dầu mè) làm nhiên liệu đầu vào được trồng như loại cây trồng chyên dụng để sản xuất diezel sinh học, một diện tích cây mè 10000 ha có thể thu được 30 triệu lít dầu diezel sinh học/năm có thể tạo ra 4000 việc làm trực tiếp.

Xét về góc độ tạo việc làm trực tiếp của các thành viên trong hộ gia đình, cho thấy tác động của ngành công nghiệp này đối với cộng đồng địa phương là rất to lớn.

Chia sẻ bài viết

Trả lời

Thư điện tử của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *