CHƯƠNG 10

NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI

Đỗ Văn Chương và Nguyễn Thị Hồng Anh


Chuyên đề Năng Lượng - VnGG   


10.1. Giới thiệu

Sinh khối là một thuật ngữ có ý nghĩa bao hàm rất rộng dùng để mô tả các vật chất có nguồn gốc sinh học vốn có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng hoặc do các thành phần hóa học của nó. 
 

 
Với định nghĩa như vậy, sinh khối bao gồm cây cối tự nhiên, cây trồng công nghiệp, tảo và các loài thực vật khác, hoặc là những bã nông nghiệp và lâm nghiệp. Sinh khối cũng bao gồm cả những vật chất được xem nhưng chất thải từ các xã hội con người như chất thải từ quá trình sản xuất thức ăn nước uống, bùn/nước cống, phân bón, sản phẩm phụ gia (hữu cơ) công nghiệp (industrial by-product) và các thành phần hữu cơ của chất thải sinh hoạt.

Sinh khối còn có thể được phân chia nhỏ ra thành các thuật ngữ cụ thể hơn, tùy thuộc vào mục đích sử dụng: tạo nhiệt, sản xuất điện năng hoặc làm nhiên liệu cho giao thông vận tải[i]

Các nguồn sinh khối được chuyển thành các dạng năng lượng khác như điện năng, nhiệt năng, hơi nước và nhiên liệu qua các phương pháp chuyển hóa như đốt trực tiếp và turbin hơi, phân hủy yếm khí (anaerobic digestion), đốt kết hợp (co-firing)[ii], khí hóa (gasification) và nhiệt phân (pyrolysis). 

Sinh khối còn có thể được xem như một dạng tích trữ năng lượng Mặt Trời. Năng lượng từ Mặt Trời được "giữ" lại bởi cây cối qua quá trình quang hợp trong giai đoạn phát triển của chúng. Năng lượng sinh khối được xem là tái tạo vì nó được bổ sung nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ bổ sung của năng lượng hóa thạch vốn đòi hỏi hàng triệu năm[iii]

Ngoài ra, việc sử dụng sinh khối để tạo năng lượng có tác động tích cực đến môi trường. Hẳn nhiên việc đốt sinh khối không thể giải quyết ngay vấn đề mất cân bằng vể tỷ lệ CO­2 hiện nay. Tuy nhiên, vai trò đóng góp của sinh khối trong việc sản xuất năng lượng vẫn rất đáng kể trong việc bảo vệ cân bằng môi trường, vì nó tạo ra ít CO­2 hơn năng lượng hóa thạch. Một cách khái quát, CO­2  tạo ra bởi việc đốt sinh khối sẽ được "cô lập" tạm thời (sequestered) trong cây cối được trồng mới để thay thế nhiên liệu. Nói một cách khác, đó là một chu kỳ tuần hoàn kín với tác động hết sức nhỏ lên môi trường[iv]

Tóm lại, sinh khối là một nguồn năng lượng hấp dẫn bởi các lý do sau đây:

  • Trước nhất, đây là một nguồn năng lượng tái tạo, nếu chúng ta có thể bảo đảm được tốc độ trồng cây thay thế.
  • Sinh khối được phân bố đồng đều hơn trên bề mặt Trái Đất hơn các nguồn năng lượng nhất định khác (nhiên liệu hóa thạch...), và có thể được khai thác mà không cần đòi hỏi đến các kỹ thuật hiện đại phức tạp và tốn kém.
  • Nó tạo ra cơ hội cho các địa phương, các khu vực và các quốc gia trên toàn thế giới tự bảo đảm cho mình nguồn cung cấp năng lượng một cách độc lập.
  • Đây là một giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch, giúp cải thiện tình hình thay đổi khí hậu đang đe dọa Trái Đất.
  • Nó có thể giúp nông dân địa phương trong lúc gặp khó khăn về vụ mùa thu hoạch và tạo việc làm tại các vùng nông thôn.

Năng lượng sinh học hiện đã và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới, chiếm gần 11% tổng sản lượng tiêu thụ của toàn thế giới (IEA). 

Tuy nhiên, các nước đang phát triển hiện nay vẫn có tỷ lệ sử dụng năng lượng sinh khối "cơ bản" đến 35% trong cơ cấu năng lượng nội địa. Tỷ lệ này vẫn luôn khá cao đối với những quốc gia nghèo nhất thế giới vốn phụ thuộc và việc đốt sinh khối để nấu nướng, sưởi ấm và làm nhiên liệu. Mặc dù sinh khối sử dụng trong công nghiệp thì có tác động tích cực đối với môi trường, tình trạng thoát khí kém và việc sử dụng các lò đốt (lò nấu) có hiệu suất kém làm tăng độ ô nhiễm không khí trong nhà ở (indoor air pollution – IAP) và gây ra hiểm họa về sức khỏe rất lớn đối với người dân sống trong các khu vực nông thôn, kém phát triển[v]. Như vậy, sử dụng sinh khối một cách hiệu quả hơn cũng là một vấn đề lớn hiện nay trong quá trình cải thiện chất lượng cuộc sống và sức khỏe của con người.
 

10.2. Nguồn gốc

Sinh khối là vật chất hữu cơ, đặc biệt là các chất cellulose hay ligno-cellulosic. Sinh khối  là các vật chất tái tạo, bao gồm cây cối, chất xơ gỗ, chất thải gia súc, chất thải nông nghiệp, và thành phần giấy của các chất thải rắn đô thị. 

 

Cây dự trữ năng lượng mặt trời trong các tế bào cellulose và lignin (chất gỗ) thông qua quá trình quang hợp. Cellulose là một chuỗi polymer của các phân tử đường 6-carbon. Lignin là chất hồ kết dính các chuỗi cellulose với nhau. Khi đốt, các liên kết giữa các phân tử đường này vỡ ra và phóng thích năng lượng dưới dạng nhiệt, đồng thời thải ra khí CO2 và hơi nước. Các sản phẩm phụ của phản ứng này có thể được thu thập và sử dụng để sản xuất điện năng. Các chất này thường đươc gọi là năng lượng sinh học hoặc nhiên liệu sinh học. 

Các nguồn sinh khối trong nước bao gồm các chất dư thừa, chất bã của sinh khối đã được xử lý. Các chất này gồm có bột giấy, chất thải nông lâm nghiệp, chất thải gỗ thành thị, chất thải rắn đô thị, khí ở các hố chôn lấp, chất thải của gia súc, các giống cây trên cạn và dưới nước được trồng chủ yếu để khai thác năng lượng. Các giống cây này dược gọi là các giống cây năng lượng. Ở số lượng lớn, nguồn sinh khối được gọi là nguyên liệu sinh khối. Sử dụng các chất thải thì hiệu quả hơn để chúng tự phân rã, giảm mối nguy hại đối với môi trường xung quanh. Dưới đây là các mô tả chi tiết của từng loại sinh khối: 

10.2.1. Chất bã của sinh khối đã qua xử lý

Các quá trình xử lý sinh khối đều sinh ra các sản phẩm phụ và các dòng chất thải gọi là chất bã. Cac chất bã này có một lượng thế năng nhất định. Không phải tất cả các chất bã đều có thể được sử dụng cho sản xuất điện năng, một số cần phải được bổ sung với các chất dinh dưỡng hay các nguyên tố hóa học. Tuy nhiên, việc sử dụng các chất bã là rất đơn giản vì chúng đã được thu thập/phân loại qua quá trình xử lý.

10.2.2. Bột giấy và các chất bã trong quá trình sản xuất giấy

Cây cối có các thành phần như lignin, hemicellulose, và sợi cellulose. Do các tính chất hóa học và vật lý, lignin dễ dàng chia nhỏ hơn cellulose. Quá trình nghiền nhão làm tách rời và chia nhỏ các sợi lignin trong cây nhằm suspend các sợi cellulose để tạo ra giấy. Các bột giấy dư thừa tạo nên chất bã. Các chất bã này là các sản phẩm phụ của các quá trình đốn và xử lý gỗ. Các quá trình xử lý gỗ để tạo ra sản phẩm, đồng thời thải ra mùn cưa, vỏ cây, nhánh cây, lá cây và bột giấy. Thông thường, các nhà máy giấy hay dùng các chất thải này để tạo ra điện cho vận hành nhà máy. 

    10.2.3. Bã cây rừng (Forestry residues)

Các chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ các quá trình làm thưa rừng nhằm giảm nguy cơ cháy rừng, sinh khối không được thu hoạch hoặc di dời ở nơi đốn gỗ cứng và mềm thương mại và các vật liệu dư thừa trong quá trình quản lý rừng như phát rừng và di dời các cây đã chết. Một trong những thuận lợi của việc tận dụng bã cây rừng là một phần lớn các bã dạng này được tạo ra từ các nhà máy giấy hoặc các nhà máy xử lý gỗ, do đó phần lớn nguồn nguyên liệu có thể sử dụng ngay được. Cũng vì lý do này, việc tái sử dụng mùn cưa, bã gỗ để tạo năng lượng tập trung ở các nhà máy công nghiệp giấy và gỗ, nhưng tiềm năng nguyên liệu thật sự là lớn hơn nhiều[vi]. Theo WEC, tổng công suất dự đoán trên toàn cầu của bã thải từ rừng là 10.000 MWe. 

     10.2.4. Bã nông nghiệp (Agricultural residues)

Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừa sau các vụ thu hoạch. Chúng có thể được thu gom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặt hái. Các chất thải nông nghiệp bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu ... Hằng năm, có khoảng 80 triệu cây bắp được trồng, cho nên vỏ bắp đươc dự đoán sẽ là dạng sinh khối chính cho các ứng dụng năng lượng sinh học. Ở một số nơi, đặc biệt những vùng khô, các chất bã cần phải được giữ lại nhằm bổ sung các chất dinh dưỡng cho đất cho vụ mùa kế tiếp. Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất cả các chất dinh dưỡng từ cặn bã, các chất bã này không được tận dụng tối đa và bị mục rữa làm thất thoát năng lượng. 

Có nhiều thống kê khác nhau về tiềm năng công suất của năng lượng sinh khối dạng này. Ví dụ như Smil (1999) ước lượng rằng cho đến giữa thập kỷ 90 thế kỷ 20, tổng lượng bã nông nghiệp là khoảng 3,5-4 tỷ tấn mỗi năm, tương đương với một 65 EJ năng lượng (1,5 tỷ toe). Hal và cộng sự (1993)  tính toán rằng chỉ với lượng thu hoạch nông nghiệp cơ bản của thế giới (ví dụ như lúa mạch, lúa mì, gạo, bắp, mía đường ...) và tỷ lệ thu hồi là 25% thì năng lượng tạo ra được là 38 EJ và giúp giảm được 350-460 triệu tấn khí thải CO2­­ mỗi năm. Hiện trạng thực tế là một tỷ lệ khá lớn các bã nông nghiệp này vẫn còn bị bỏ phí hoặc sử dụng không đúng cách, gây các ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, sinh thái và lương thực. Theo ước tính của WEC, tổng công suất toàn cầu từ nhiên liệu bã thải nông nghiệp là vào khoảng 4.500 MWt. 

Một trong các giải pháp được ứng dụng rộng rãi hiện nay và có tiềm năng đầy hứa hẹn là tận dụng các bã thải từ công nghiệp mía đường, xử lý gỗ và làm giấy. 

Các thống kê cho thấy hơn 300 triệu tấn bã mía và củ cải đường được thải ra mỗi năm, tập trung hầu hết ở các nhà máy đường. Các số liệu của FAO cho thấy khoảng 1.248 tấn mía được thu hoạch vào năm 1997, trong đó là 25% bã mía ép (312 triệu tấn). Năng lượng của 1 tấn bã mía ép (độ ẩm 50%) là 2,85 GJ/tấn. Đó là chưa kể các phần thừa (barbojo, phần ngọn và lá) và phần thải trong quá trình thu hoạch mía. Các phần này lại chiếm một tiềm năng năng lượng cao hơn cả (55%), thế nhưng hiện nay phần lớn vẫn chỉ bị đốt bỏ hoặc để phân rã ngoài đồng. Nói cách khác, tiềm năng lớn này hầu hết vẫn đang bị bỏ phí. Cho đến năm 1999, Châu Á vẫn dẫn đầu về sản lượng bã mía (131 triệu tấn), sau đó là đến Nam Mỹ (89 triệu tấn). Các nhà máy sản xuất đường đã có truyền thống tái sử dụng bã mía để đốt tạo hơi nước từ nhiều thế kỷ qua, nhưng hiệu suất vẫn còn rất thấp. Cho đến gần đây, do sức ép kinh tế, các nhà máy đường đã phải tìm các giải pháp khác hoặc cải thiện hiệu suất tái tạo năng lượng, một số nhà máy thậm chí còn bán điện thừa, đặc biệt là tại Brazil, Ấn Độ, Thái Lan... 

     10.2.5. Chất thải từ gia súc (Livestock residues)  

Chất thải gia súc, như phân trâu, bò, heo và gà, có thể được chuyển thành gas hoặc đốt trực tiếp nhằm cung cấp nhiệt và sản xuất năng lượng. Ở những nước đang phát triển, các bánh phân được dùng như nhiên liệu cho việc nấu nướng. Hơn nữa, phần lớn phân gia súc có hàm lượng methane khá cao. Do vậy, phương pháp này khá nguy hiểm vì các chất đôc hại sinh ra từ việc đốt phân là nguy hại đối với sức khỏe người tiêu dùng, là nguyên nhân gây ra 1,6 triệu người chết mỗi năm ở các nước đang phát triển.... tạo ra một số lượng lớn phân gia súc tạo nên nguồn hữu cơ phức tạp cùng với các vấn đề môi trường. Các trang trại này dùng phân đế sản xuất năng lượng với các cách thức thích hợp nhằm giảm thiểu các mối nguy hại đối với môi trường và sức khỏe cộng đồng. Các chất thải này có thể được sử dụng để sản xuất ra nhiều loại sản phẩm và tạo ra điện năng thông qua các phương pháp tách methane và phân hủy yếm khí.
 

      Tiềm năng năng lượng toàn cầu từ phân thải được ước lượng vào khoảng 20 EJ (Woods & Hall, 1994). Tuy nhiên, con số này không nói lên được điều gì cụ thể do bản chất rất đa dạng của nguồn nguyên liệu (các loại gia súc khác nhau, địa điểm, điều kiện nuôi dưỡng, chuồng trại). Ngoài ra, việc sử dụng phân súc vật để tại năng lượng ở qui mô lớn vẫn còn là một câu hỏi lớn vì những yếu tố sau: 

  • Phân có giá trị tiềm năng lớn hơn ở những mục đích khác, ví dụ nhưng để bón cây, tức là mang lại lợi ích cao hơn rõ ràng cho nông dân.
  • Phân là nhiên liệu có hiệu suất thấp, do đó người ta có khuynh hướng chuyển qua các dạng năng lượng sinh học khác có hiệu suất cao hơn
  • Các tác động về môi trường và sức khỏe từ việc khai thác phân thải có phần tiêu cực hơn các dạng nhiên liệu sinh học khác.

    10.2.6. Các loại bã thải khác

a) Chất thải củi gỗ đô thị 

Chất thải củi gỗ là nguồn chất thải lớn nhất ở các công trường. Chất thải củi gỗ đô thị bao gồm các  thân cây, phần thừa cây đã qua cắt tỉa. Những vật liệu này có thể được thu gom dễ dàng sau các dự án công trường và cắt tỉa cây, sau đó có thể được chuyển thành phân trộn hay được dùng để cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy năng lượng sinh học.

b) Chất thải rắn đô thị

Chất thải ở các trung tâm thương mại, cơ quan, trường hoc, nhà dân có một hàm lượng nhất định của các vật chất hữu cơ có xuất xứ từ cây, là một nguồn năng lượng tái tạo không nhỏ. Giấy thải, bìa cứng, các tông, chất thải gỗ là những ví dụ của nguồn sinh khối trong chất thải đô thị.

Khí ở các bãi chôn lấp. phần lớn trong quá trình phân hủy yếm khí, sản phẩm phụ tự nhiên của quá trình phânn hủy chất thải hữu cơ của vi sinh vật có một lượng lớn khí methane, có thể được thu thập, chuyển dạng và dùng để tạo ra năng lượng. Các chất thải này được thu gom, tái tạo thông qua quá trình tiêu hóa và phân hủy yếm khí. Sự thu gom các chất thải trong các bãi chôn lấp và dùng chúng như một nguồn nănh lượng sinh học tái tạo có rất nhiều lợi ích như: tăng cường bảo vệ sức khỏe cộng đồng thông qua việc xử lý chất thải, giảm diện tích đất sử dụng cho các bãi chôn lấp, giảm ô nhiễm môi trường, mùi hôi thối và giúp cho việc quản lý chất thải một cách hiệu quả.

    10.2.7. Cây trồng năng lượng (Energy forestry/crops)

Các giống cây năng lượng là các giống cây, cây cỏ được xử lý bằng công nghệ sinh học để trở thành các giống cây tăng trưởng nhanh, được thu hoạch cho mục đích sản xuất năng lượng. Các giống cây này có thể được trồng, thu hoạch và thay thế nhanh chóng.

Cây trồng năng lượng có thể được sản xuất bằng 2 cách: i) Các giống cây năng lượng chuyên biệt trồng ở những vùng đất dành đặc biệt cho mục đích này và ii) trồng xen kẽ và các cây trồng bình thường khác. Cả 2 phương pháp này đều đòi hỏi có sự quản lý tốt và phải được chứng minh là đem lại lợi ích rõ ràng cho người nông dân về mặt hiệu quả sử dụng đất. 

a) Các giống cây cỏ (thảo mộc) năng lượng

    Đây là các giống cây lâu năm được thu hoạch hằng năm sau 2-3 năm gieo trồng để đạt tới hiệu suất tối đa. Các giống cây này bao gồm các loại cỏ như cỏ mềm (switchgrass) xuất xứ từ Bắc Mỹ, cỏ voi miscanthus, cây tre, cây lúa miến ngọt, cỏ đuôi trâu cao, lúa mì, kochia... Các giống cây này thường được trồng cho việc sản xuất năng lượng.

     b) Các giống cây gỗ năng lượng

    Các giống cây gỗ  có vòng đời ngắn là các giống cây phát triển nhanh và có thể thu hoạch sau 5-8 năm gieo trồng. Các giống cây này bao gồm cây dương ghép lai, cây liễu ghép lai, cây thích bạc, cây bông gòn đông phương, cây tần bì xanh, cây óc chó đen, sweetgum và cây sung.

c) Các giống cây công nghiệp

Các giống cây này đang được phát triển và gieo trồng nhằm sản xuất các hóa chất và vật liệu đặc trưng nhất định. Ví dụ như cây dâm bụt và rơm dùng trong sản xuất sợi, castor cho acid ricinoleic. Các giống cây chuyển gen đang được phát triển nhằm sản xuất các hóa chất mong muốn giống như một thành phần của cây, chỉ đòi hỏi sự chiết xuất và tinh lọc sản phẩm.

     d) Các giống cây nông nghiệp (Agricultural Crops)
 
 

Các giống cây nông nghiệp bao gồm các sản phẩm sẵn có hiện tại như bột bắp và dầu bắp, dầu đậu nành, bột xay thô, bột mì, các loại dầu thực vật khác và các thành phần đang được phát triển cho các giống cây tương lai. Mặc dù các giống này thường được dùng để sản xuất nhựa, các chất hóa học và các loại sản phẩm, chúng thường cung cấp đường, dầu và các chất chiết xuất khác.

e) Các giống cây dưới nước (Aquatic crops, thủy sinh)

    Nguồn sinh khối đa dạng dưới nước bao gồm tảo, tảo bẹ, rong biển, và các loại vi thực vật biển. Các giống dùng trong thương mại bao gồm chiết xuất của tảo bẹ dùng cho các chất làm đặc và các chất phụ gia thực phẩm, chất nhuộm từ tảo, chất xúc tác sinh học được dùng trong các quá trình xử lý sinh học ở các môi trường khắc nghiệt. 

Cho đến nay, đã có một số các đồn điền trồng cây năng lượng.Ví dụ tại Brazil, có khoảng 3 triệu hécta đồn điền eucalyptus sử dụng làm than gỗ. Tại Trung Quốc đã có chương trình phát triển đồn điều 13,5 triệu hécta cho nhiên liệu gỗ cho đến 2010. Tại Thụy Điển, 16.000 hecta dương liễu được trồng để làm nguồn nguyên cho năng lượng ... 

Tóm lại, nguyên liệu sinh khối hiện vẫn là nguồn nl tái tạo bền vững và dồi dào nhất hiện nay trên thế giới. Tiềm năng của nl sinh học mỗi năm là 2.900 EJ, tuy nhiên chỉ có 270 EJ là được xem như có thể khai thác được trên tiêu chuẩn bền vững và giá cả cạnh tranh. Một điều cần nhấn mạnh ở đây là vấn đề còn lại không phải là nguồn nguyên liệu, mà là khả năng quản lý và luân chuyển tốt năng lượng tạo ra đến người sử dụng. 

Bã thải hiện nay vẫn là nguồn cung cấp chính năng lượng sinh khối và vẫn sẽ đóng vai trò chủ đạo trong tương lai gần, và các loại cây trồng năng lượng sẽ ngày càng trở nên quan trọng trong tương lai xa. Sự phát triển của năng lượng sinh khối, đặc biệt là dưới các dạng hiện đại, sẽ có một ảnh hưởng quan trọng không chỉ đến lĩnh vực năng lượng, mà còn thúc đẩy quá trình hiện đại hóa nông nghiệp, và phát triển nông thôn.


10.3. Ứng dụng của năng lượng sinh khối 

Sinh khối có thể được xử lý ở nhiều dạng chuyển đổi khác nhau để tạo ra năng lượng, nhiệt lượng, hơi và nhiên liệu. Hầu hết các quá trình chuyển đổi sinh khối có thể được chia ra làm hai loại như sau:

  • Chuyển đổi nhiệt hóa (thermochemical): bao gồm đốt nhiệt (combustion), khí hóa và nhiệt phân
  • Chuyển đổi sinh hóa (biochemical): bao gồm phân hủy yếm khí (sản phẩm sinh khối và hỗn hợp methane và CO­2) và lên men (sản phẩm ethanol).

Một quá trình khác là chiết xuất, chủ yếu là quá trình cơ học, được sử dụng để sản xuất energy carriers (chất tải năng lượng – tương tự như khái niệm của hydrogen – xem phần Hydrogen trong tài liệu này) từ sinh khối. Cũng có các phân biệt những cách chiết suất khác nhau, phụ thuộc vào sản phẩm của quá trình này là nhiệt, điện năng hoặc nhiên liệu.


     10.3.1. Sản xuất nhiệt truyền thống 

Quá trình khai thác sinh khối để tạo nhiệt có một lịch sử rất lâu dài[vii], và vẫn tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong xã hội loài người trong thời kỳ hiện đại. Nhiệt lượng từ việc đốt sinh khối được sử dụng để đốt sửa ấm, để nấu chín thức ăn, để đun nước tạo hơi ... Thành phần năng lượng trong sinh khối khô (dry biomass) dao động tự 7.000 Btu/lb [viii] (rơm) cho đến 8.500 Btu/lb (gỗ). Xin đưa ra đây một ví dụ so sánh: để nấu một bữa ăn thì cần  khoảng 10.000 Btu, trong khi đó một gallon xăng thì tương đương 124.884 Btu. 
    
     
10.3.2. Nhiên liệu sinh khối

Sinh khối dạng rắn có thể được chuyển đổi thành nhiên liệu lỏng để cung cấp trong các xe hơi, máy cơ khí (trong đó có các máy phát điện diesel), và thậm chí trong các bộ phận sản xuất công nghiệp. Ba dạng nhiên liệu phổ biến sản xuất từ sinh khối (biofuel) là methanol, ethanol, và biodiesel. Không giống như xăng và dầu diesel, biofuels có chứa oxy. Pha nhiên liệu sinh học vào các sản phẩm dầu khí sẽ gia tăng hiệu suất đốt của nhiên liệu và từ đó giảm ô nhiễm không khí[ix].

     a) Methanol

     Methanol là cồn từ gỗ (wood alcohol). Methanol không có hiệu suất nhiên liệu cao như xăng nên chỉ được dùng chủ yếu như tác chất chống đông (antifreeze), hoặc được sử dụng trong quá trình sản xuất một số hóa chất khác, như formaldehyde. 

Ethanol và bioesel có thể được trộn lẫn với hoặc được dùng thay thế trực tiếp cho các dạng nhiên liệu từ nhiên liệu hóa thạch như xăng và dầu diesel. Sử dụng nhiên liệu sinh học giúp giảm các chất khí thải độc hại, từ đó hạn chế hiệu ứng nhà kính, tăng khả năng độc lập năng lượng của quốc gia và đồng thời hỗ trợ phát triển nông nghiệp và kinh tế nông thôn. 

b) Ethanol (hoặc là cồn ethyl)

    Ethanol là nhiên liệu dạng lỏng, không màu, trong suốt, dễ cháy. Ethanol được dùng như phụ gia cho xăng, với mục đích tăng chỉ số octane và giảm khí thải hiệu ứng nhà kính. Ethanol tan trong nước và phân hủy sinh học được. Ethanol được sản xuất từ sinh khối có thành phần cellulose cao (như bắp), qua quá trình lên men tại lò khô hoặc lò ướt[x]. Tại cả hai lò này, bã men (hèm) được sản xuất và cung cấp cho gia súc tại các nông trại. 

Hầu hết các loại động cơ thông thường có thể dùng xăng pha cồn với nồng độ cồn tối đa là 24%. Đối với các loại động cơ hiện đại nhất hiện nay, ví dụ như dạng động cơ FFV (flexible fuel vehicle), hỗn hợp "cồn pha xăng" với tỷ lệ cồn lên đến 85% (hay còn gọi là nhiên liệu E85) có thể được sử dụng. Trên thế giới hiện nay đã có các loại xe sử dụng E85 được sản xuất. Brazil hiện nay là quốc gia có nhiều tham vọng nhất về việc sử dụng nhiên liệu động cơ từ nguồn gốc sinh học này. 
 


Ethanol hẳn nhiên có tác động môi trường tích cực hơn rất nhiều so với xăng thông thường, trong cả phương diện cơ sở sản xuất và tiêu thụ (đốt trong động cơ). Các nhà máy sản xuất Ethanol thải ra ít hơn các chất khí hiệu ứng nhà kính như CO2, CH4. Hỗn hợp xăng pha cồn 10%, hay còn gọi là E10, thải ra ít khí hiệu ứng nhà kính hơn xăng thông thường đến 26%.  Theo tính toán của ORNEL, sử dụng 1 tấn nhiên liệu Ethanol sẽ giảm được 2,3 tấn CO2 và các khí thải độc hại khác. 

Brazil và Mỹ hiện là 2 hai quốc gia tiên phong về sản suất Ethanol ở qui mô lớn, bỏ xa các nước còn lại như Cộng Đồng Châu Âu, Argentina, Kenya, Malawi ... Sản lượng Ethanol trên thế giới hiệu nay là 20-21 tỷ lít/năm. Mỹ vẫn dẫn đầu về thị trường tiêu thụ, sau đó đến EU và Brazil. Một số quốc gia khác cũng đang lên kế hoặch sản xuất nhiên liệu Ethanol ở qui mô nhỏ như Mexico, Ấn Độ, Colombia... 

c) Dầu diesel sinh học (biodiesel)

     Biodiesel là sản phẩm của quá trình kết hợp cồn (trong đó có ethanol) với dầu chiết ra từ đậu nành, hạt nho, mỡ động vật, hoặc từ các nguồn sinh khối khác. 

10.3.3. Sản xuất điện từ năng lượng sinh khối

     Cho đến ngày nay, có khá nhiều kỹ thuật chuyển sinh khối thành điện năng. Các công nghệ phổ biến nhất bao gồm: đốt trực tiếp hoặc tạo hơi nước thông thường (direct-fired or conventional steam approach), nhiệt phân (pyrolysis), đốt kết hợp co-firing, khí hóa (biomass gasification), tiêu yếm khí (anaerobic digestion), sản xuất điện từ khí thải bãi chôn lấp rác.

     a) Công nghệ đốt trực tiếp và lò hơi (Direct-fired, Conventional Steam Boiler)      

    Đây là 2 phương pháp tạo điện từ sinh khối rất phổ biến và được vận dụng ở hầu hết các nhà máy điện năng lượng sinh khối. Cả 2 dạng hệ thống này đều đốt trực tiếp các nguồn nguyên liệu sinh học (bioenergy-feedstock) để tạo hơi nước dùng quay turbin máy phát điện. Hai phương pháp này được phân biệt ở cấu trúc bên trong buồng đốt hoặc lò nung. Tại hệ thống đốt trực tiếp, sinh khối được chuyển vào từ đáy buồng đốt và không khí được cung cấp tại đáy bệ lò. Trong khi đó, ở phương pháp lò hơi thông thường, draft được chuyển vào lò từ phía bên trên nhưng sinh khối vẫn được tải xuống phía dưới đáy lò. Các hệ thống đốt trực tiếp truyền thống là hệ thống pile (sử dụng lò đốt song hành - two-chamber combustion chamber) hoặc lò hơi stoker. Khí nóng sau đó được chuyển qua turbine và quay cánh turbine, vận hành rotor máy phát điện. 

    Khi được sử dụng để đốt trực tiếp, sinh khối phải được hun khô[xi], cắt thành mảnh vụn, và ép thành bánh than (hay còn gọi là briquetting[xii]).

Một khi quá trình chuẩn bị được hoàn tất, sinh khối được đưa vào lò nung/lò hơi để tạo nhiệt/hơi nước. Nhiệt tạo ra từ quá trình đun, ngoài việc cung cấp cho turbin máy phát điện, còn có thể được sử dụng để điều nhiệt nhà máy và các công trình xây dựng khác, tức là để khai thác tối đa hiệu suất. Nhà máy dạng này còn được gọi là nhà máy liên hợp nhiệt-năng lượng (Combined Heat Power – CHP), tức là tận dụng lẫn nhiệt và hơi nước để khai thác tối đa tiềm năng năng lượng được tạo ra, tránh lãng phí năng lượng.

b) Phương pháp đốt liên kết (Hình 10.5)

Đốt liên kết, kết hợp sinh khối với than để tạo năng lượng, có lẽ là phương pháp sử dụng tích hợp tốt nhất sinh khối vào hệ thống năng lượng dựa trên nhiên liệu hóa thạch. 
 


Trong quá trình đốt liên kết, sinh khối bắt nguồn từ gỗ và cây cỏ (thảo mộc) như gỗ dương (poplar), liễu (willow), cỏ mềm (switchgrass), có thể được trộn một phần vào nguyên liệu cho nhà máy than thông thường. Trong quá trình này, sinh khối có thể chiếm tỷ lệ 1%-15% tổng năng lượng của nhà máy than[xiii]. Trong các nhà máy dạng này, sinh khối cũng được đốt trực tiếp trong lò nung, tương tự như than. Phương pháp đốt liên kết có một lợi thế kinh tế tương đối rõ ràng, do kinh phí đầu tư chủ yếu chỉ là để trang bị một lò đốt liên kết mới hoặc nâng cấp lò đốt hiện tại trong nhà máy nhiệt điện chạy bằng than, tức là có chi phí thấp hơn nhiều so với xây dựng một nhà máy điện sinh khối[xiv]

Công nghệ đốt liên kết đem lại nhiều tác động tích cực đến môi trường, bao gồm việc giảm tỷ lệ khí NOx và SOx, khói công nghiệp, mưa axít, và ô nhiễm tầng ozone. Ngoài ra, việc đốt liên kết sinh khối-than cũng giúp giảm đáng kể lượng khí thải CO2. Tuy rằng pp đốt liên kết không có lợi thế gì hơn về mặt môi trường so với các phương pháp "thuần túy sinh học" khác (vốn giảm tỷ lệ khí thải độc hại xuống đến gần ... zero), nhưng nó lại có mặt khả thi rất lớn vì kỹ thuật hỗ trợ cho phương pháp này là tương đối đơn giản và hầu như có sẵn, do đó việc áp dụng có thể được thực hiện tức thời. Nói cách khác, phương pháp đốt liên kết có thể được xem là một lựa chọn tuyệt vời cho việc thúc đẩy tiến tới sử dụng rộng rãi năng lượng hoàn nguyên. Phương pháp đốt liên kết hiện đang được chú ý quan tâm đặc biệt tại các quốc gia như Đan Mạch, Hà Lan và Hoa Kỳ[xv].

      c) Nhiệt phân

     Nhiệt phân là quá trình đốt sinh khối ở nhiệt độ rất cao và sinh khối phân rã trong môi trường thiếu khí oxy. Vấn đề trở ngại ở đây là rất khó tạo ra một môi trường hoàn toàn không có oxy. Thông thường, một lượng nhỏ oxy hóa vẫn diễn ra và có thể tạo ra một số sản phẩm phụ không mong muốn. Ngoài ra, công nghệ này đòi hỏi một nguồn thu nhiệt lượng cao và do đó vẫn còn rất tốn kém. Quá trình đốt sinh khối tạo ra dầu nhiệt phân (pyrolysis oil), than hoặc khí tổng hợp (char & syngas). Các sản phẩm này có thể được sử dụng tương tự như dầu khí để tạo điện năng. Như vậy, quá trình nhiệt phân không tạo ra tro hoặc năng lượng một cách trực tiếp, mà nó chuyển sinh k thành các nhiên liệu có chất lượng cao hơn. Tiến trình này bắt đầu từ việc hun khô sinh khối để tăng tối đa hiệu suất đốt, tương tự như trong quá trình đốt trực tiếp. Khi nguội lại, dầu nhiệt phân có dạng lỏng, màu nâu, và được sử dụng như nhiên liệu đốt gasifier.

d) Khí hóa sinh khối (Hình 10.6)

Sinh khối dạng rắn có thể được chuyển thành dạng khí, được gọi là khí tổng hợp (syngas). Khí này có thể cung cấp cho các turbine chu kỳ liên hợp CCGT  hoặc các kỹ thuật chuyển đổi khác nhưng các nhà máy nhiệt chạy than. 
 

 
Nhiều chuyên gia hy vọng rằng khí hóa sinh khối sẽ có hiệu suất cao hơn nhà máy điện sinh khối thông thường. Tuy nhiên, cho đến nay, quá trình khí hóa vẫn chưa được ứng dụng rộng trong thực tế mà chỉ vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm kỹ thuật[xvi]. Các lò chuyển đổi sinh khối rắn thành khí đốt nóng sinh khối ở một môi trường mà tại đó sinh khối rắn phân hủy chuyển thành khí dễ cháy. Quá trình này có thuận lợi hơn so với việc đốt trực tiếp. Khí sinh học có thể được làm sạch và lọc để phân loại và tách các hợp chất hóa học có thể có hại. Sản phẩm khí có thể được dùng ở các máy phát điện hiệu suất cao (dạng CCGT) – như liên hợp turbine khí và hơi – để sản xuất điện năng. Hiệu suất của những hệ thống dạng này có thể lên đến 60%. 

e) Tiêu hóa yếm khí (Anaerobic Digestion, Hình 10.7)

Đây là quá trình sinh học trong đó khí methane được thải ra từ sự phân hủy các vật chất hữu cơ của các vi sinh vật trong môi trường không có oxy. Khí methane này có thể được thu hồi và sử dụng để tạo ra năng lượng. Quá trình tiêu hóa yếm khí sử dụng các chất thải sinh học như phân hữu cơ và các chất thải rắn đô thị. Phân hoặc chất thải được đóng gói và phân hủy bởi vi sinh vật và nước. Quá trình này thải ra khí mê tan trong gói, và khí này được dẫn vào một gói chứa khí khác. Từ đó, khí methane đươc dùng để cung cấp năng lượng cho turbine và tạo ra điện.
 


    Ở mức độ phân tử, thủy phân chuyển hóa các chất hửu cơ thành đường và amino acid. Quá trình lên men các vật chất này sinh ra các acid chất béo dễ bay hơi. Các acid chất béo này sau đó tạo thành hydrogen, CO2, và acetate trong quá trình Acidogenesis. Cuối cùng, quá trình methanogenesis sản xuất các khí sinh học, hỗn hợp này gồm có 55-70% khí methane, 25-35 % CO2 và các chất vi lượng như nitrogen và hydrogen sulfide. Trong môi trường yếm khí, khí mê tan có thể được thu hồi và sử dụng nhằm cung cấp năng lượng cho turbine khí hoặc thậm chí các pin nhiên liệu. 

Sự sinh trưởng của vi sinh vật và sản xuất khí sinh học là rất chậm ở nhiệt độ bình thường. Quá trình phân hủy yếm khí thường xảy ra một cách tự nhiên khi nồng độ của các vất chất hữu cơ ẩm cao trong môi trường không có oxy, thường là ở đáy ao hồ, đầm lầy, bãi than bùn, ruột động vật và các khu vực yếm khí của các bãi chôn lấp. Năng suất cúa quá trình này phụ thuộc vào thành phần và khả năng có thề phân hủy được của các nguyên liêu chất thải. Tuy nhiên, tốc độ của quá trình này phụ thuộc vào mật độ của các vi sinh vật, các điều kiện sinh trưởng của chúng và nhiệt độ của quá trình lên men. 

Khi được sử dùng như một quá trình xử lý chất thải, tốc độ phân hủy tăng khá cao trong khoảng nhiệt độ 20-40 độ C. Đối với các chất thải rắn đô thị, tốc độ phân hủy có thể được tăng cao ở nhiệt độ cao hơn như 50-60 độ C. 

Các vi sinh vật phân hủy yếm khí được bán trên thị trường với các giá khá cạnh tranh, chúng được dùng trong các trang trại mặc dù ở quy mô nhỏ. Việc sử dụng methane bằng cách này có thể giúp giảm thiểu các mùi hôi thối và ngăn chặn chúng phát tán vào không khí, làm tăng các khí nhà kính và gây ra sương mù.

     f) Khí chôn (Landfill Gas, Hình 10.8)

Landfill gas sử dụng kỹ thuật tương tự như digestion yếm khí và có những thuận lợi tương tự. Landfill gas là sản phẩm phụ của quá trình phân rã chất thải dạng rắn, với thành phần bao gồm 50% khí methane, 45% CO2 và 4% Nitơ. Hơn nữa, đây cũng là một biện pháp tích cực giúp giảm tỷ lệ sử dụng đất chứa rác thải, qua việc chôn rác để chuyển thành điện. 
 

2 cách để thu khí landfill là i) biện pháp truyền thống là  khoan thông thường (conventional drilling) và ii) thu đẩy (push-in). Thông thường, trước khi bơm thu hồi khí, người ta lập bản đồ cấu trúc 3 chiều của bể chôn rác để xác định các vị trí tụ khí và vị trí tối ưu để khoan. Phương pháp khoan truyền thống sử dụng kỹ thuật khoan thông thường với một số cải tiến kỹ thuật phù hợp với khu vực khoan. Các ống dẫn có thể được lắp đặt thẳng đứng, giúp việc thu hồi khí tiện lợi nhanh chóng. Phương phápthu đẩy sử dụng bản đồ 3 chiều để tìm các giếng khí và có thể được sử dụng cho các vị trí khoan riêng biệt nếu cần thiết. 

g) Hệ thống môđun

Các hệ thống mođun sử dụng các kỹ thuật tương tự như mô tả ở trên, nhưng ở qui mô nhỏ hơn. Các hệ thống này có thể được phổ biến tại các khu vực làng xã, nông trại hoặc công nghiệp qui mô nhỏ. Các hệ thống dạng này hiện đang được nghiên cứu phát triển và có thể đóng vai trò hữu ích trong tương lai ở những khu vực giàu nguồn sinh khối và có nhu cầu điện tăng cao, đặc biệt là tại các quốc gia đang phát triển.


10.4. Các tác động về môi trường 

Các nhiên liệu sinh học không độc hại và có thể được phân hủy dễ dàng, Mỗi gallon nhiên liệu sinh hoc được sử dụng giúp giảm sự nguy hại của sự rò rỉ các sản phẩm dầu mỏ đôc hại từ các thùng chứa dầu và các ống dẫn bị rò. Ngoài ra, việc sử dụng nhiên liệu sinh học giảm thiểu các mối nguy hại ô nhiễm nguồn nước ngầm từ các thùng chứa xăng ngầm, và nguy cơ cạn kiệt dầu động cơ và nhiên liệu cho xe cộ.

Các phương tiện vận chuyển thải ra khi CO2, một loại khí góp phần gây ra sự nóng dần lên toàn cầu. Việc đốt cháy các nhiên liệu sinh học cũng thải ra khi CO2, tuy nhiên nhiên liêu sinh học đươc tạo ra từ cây cối trước đó  hấp thu chính lượng  khí CO2  trong không khí cho cây phát triển, giúp cân bằng lượng khí CO2 trong không khí. Khí CO2 được thải ra khi sinh khối được chuyển thành nhiên liệu sinh học và được đốt cháy trong các xe tải hoặc các động cơ di chuyển tự động. Lượng khí CO2 này lại được hấp thu trở lại khi các nguồn sinh khối mới được trồng nhằm sản xuất thêm nhiên liệu sinh học. Phụ thuộc vào bao nhiêu năng lượng hóa tạch được dùng cho nuôi trồng và chế biến sinh khối, lượng khí thải nhà kính có thể được giảm thiểu. Các hệ thống dùng bắp hiện đại, năng suất cao sinh ra năng lượng khá lớn, tuy nhiên lượng khí thải nhà kính trong sản xuất ethanol từ bắp vẫn vào khoàng 20%. Sản xuất dầu diesel sinh khối từ đậu nành giảm lượng khí thải đến 80%. Sản xuất ethanol từ các chất liệu cellulose cũng sinh ra điện năng trong quá trình đốt chất lignin không thể lên men. Kết hợp giảm thiểu sử dụng gasoline và sản xuất điện từ nhiên liệu hóa thạch có thể giảm hơn 100% lượng khí thải nhà kính. 

Điện sinh khối thường được tạo ra thông qua các nhà máy dùng nồi nấu sôi/ turbine hơi nước. Tuy nhiên có 3 sự khác biệt: nhiên liệu có thể tái tạo, thành phần sulfur trong nhiên kiệu sinh khối thấp hơn 0,1% và sinh ra ít chất ô nhiễm không khí. Các lợi ích khác về môi trường của điện sinh khối bao gồm:

 + Giảm lượng khí thải sulfur dioxide: Hầu hết các dạng sinh khối có lượng lưu hùynh rất nhỏ, do đó các nhà máy điện sinh khối thải ra rất ít khí SO2, một tác nhân của mưa axit. Tuy nhiên, than đá có tới 5% SO2. Sinh khối kết hợp với than đá có thể giảm thiểu một cách đáng kể lượng khí thải SO2 của các nhà máy điện so với các hệ thống chỉ sử dụng mỗi than đá.

  + Giảm lượng khí thải Nitrogen Oxide (NO): Các lần thử nghiệm gần đây ở các nhà máy điện sử dụng kết hợp sinh khối và than đá ở Mỹ cho thấy rằng có thể cắt giảm lượng NOx thải ra so với các nhà máy chỉ sử dụng than đá. Với sự điều chỉnh hợp lý và cẩn thận của quá trình đốt cháy, lượng NOx giảm đi 2 lần so với lượng sinh khối cần dùng để cung cấp nhiệt cho hệ thống.

  + Giảm thải lượng cacbon: Cây hấp thu CO2 trong chu kỳ tăng trưởng trong khi điều chỉnh trong một chu kỳ vững bền, giống như việc trồng các cây giống cây năng lượng hoặc tái trồng các khu vực đã thu hoạch. Các nhà máy điện sinh khối có thể đươc xem như là một cách để tái sinh carbon. Do đó, các nhà máy điện sinh khối là các hệ thống cân bằng lượng cacbon (không sinh ra cacbon).

  + Giảm thiểu các lượng chất thải khác: Các bãi chôn lấp sản sinh khí mêtan từ các vật chất sinh khối bị phân hủy. Chất thải đông vật bị phân hủy, chúng có thể được hấp thu vào đất hoặc không được che đậy trong các hố cũng tạo ra khí me tan. Mêtan, là một trong các khí chính của khí thiên nhiên, thường được thải trực tiếp vào không khí, nhưng nó có thể được thu hồi và sử dụng như một dạng nhiên liệu cho việc sản xuất điện và nhiệt.  

  + Giảm các mùi hôi thối: Việc sử dụng phân đông vật và khí sinh ra ở các bãi chôn lấp trong sản xuất điện năng có thể giảm các mùi hôi thối ở các bãi rác.

  + Các lợi ích môi trường của các sản phẩm từ sinh khối: Nhiều sản phẩm được làm từ dầu mỏ có thể được làm từ sinh khối tái sinh. Các phân tử chủ yếu trong dầu mỏ là hydrocarbon. Trong các nguồn sinh khối, các phân tử chủ yếu là carbohydrates, proteins, và dầu thực vật. Các phân tử của cả cây và dầu mỏ có thể được chế biến để tạo ra các chất xây dựng trong công nghiệp nhằm sản xuất các sản phẩm đa dạng, bao gồm nhựa, dung môi, sơn, chất kết dính và thuốc. 

Trong thế kỷ trước, hydrocarbon là dạng nguyên liệu chủ yếu đươc dùng trong công nghiệp. Tuy nhiên, dầu mỏ không phải là nguồn nhiên liệu vô tận, nó có thể bị biến mất một cách đang kể khi dân số thế giới tiếp tục gia tăng như hiện nay và mức sống ở các nước đang phát triển được cải thiện. Nguồn sinh khối tái sinh sẽ là một cách hỗ trợ nguồn hydrocarbon và đáp ứng được nhu cầu về sản phẩm tiêu dùng trên thế giới. Chúng ta đang chứng kiến sự xuất hiện của các hóa chất công nghiệp và thương mại, dược phẩm và các sản phẩm dựa trên sinh khối. Sử dụng các sản phẩm này ở mức độ lớn có thể giúp giảm thiểu sự phụ thuộc dầu mỏ đồng thời bảo vệ môi trường.
 

10.5. Giá thành sản xuất 

Có nhiều mức giá thành của Năng lượng sinh khối, tùy thuộc vào kỹ thuật khai thác và dạng sinh khối khai thác. Một cách tóm tắt, mỗi dạng kết hợp giữa các nguyên liệu sinh khối khác nhau và các kỹ thuật chuyển đổi năng lượng tương ứng với mức giá thành khác nhau. 

    10.5.1. Nguyên liệu

    Nếu chỉ để tự cung cấp trong ngành lâm nghiệp, thì sinh khối hầu như có giá thành không đáng kể. Nếu mua sinh khối từ các cơ sở lâm nghiệp thì giá thành dao động từ 0,5-3,0 USD/mBtu. Các dự án khai thác thành công có mức thu mua nguyên liệu có giá thành dưới 1,5 UDS/mBtu[xvii]

Đối với nguồn bã nông nghiệp, nguồn nguyên liệu lớn nhất hiện nay trên thế giới là rơm khô (corn stover) và vỏ trấu lúa mì (wheat straw). Rơm có giá thành khoảng 30 USD/tấn, vỏ trấu lúa mì dao động từ 32-54 USD/tấn. Cho đến năm 2020, người ta tiên đoán bã nông nghiệp và lâm nghiệp sẽ có giá thành xuống còn $5/mmBtu. 

Bã gỗ thành thị (mộc) và bã từ các lò xây có giá khoảng 1 USD/mmBTu, trong đó tính thêm giá thu nhặt từ 0-8 USD/tấn đối với bã ướt từ lò xây và 10-14 USD/tấn đối với bã ướt từ gỗ thành thị (mộc).

Rác thải đốt được thường được chôn với một cước phí nhất định, do vậy giá nhiên liệu là ... âm. Tuy nhiên, các nhà máy dạng này phải xử lý và phân loại chất thải để giảm khí thải độc, đồng thời phải lắp đặt các thiết bị kiểm soát khí thải. 

Các nguyên liệu dạng nhẹ như củi/gỗ và thảo mộc có giá đắt hơn gắp 3 lần bã rắn/lâm nghiệp/nông nghiệp (2,5 USD/GJ so với 0.95 USD/GJ). Các cây trồng chuyên dụng (energy crop) có giá khoảng 2,3 USD/mmBtu. 

Để so sánh, giá than rẻ nhất là từ 1,5-2 USD/mmBtu, khí tự nhiên là 3-4 USD/mmBtu. Nói chung, nguyên liệu sinh khối là tương đối có tính cạnh tranh so với các loại nhiên liệu đốt khác.

     
10.5.2. Giá sản xuất năng lượng

     EIA dự đóan rằng giá năng lượng từ việc đốt sinh khối thông thường là 5,1 xu Mỹ/kWh, tức là chỉ đắt hơn một chút xo với giá năng lượng từ nl hóa thạch (2-4,5 xu Mỹ/kWh). Đốt liên kết thì có giá thành rẻ hơn rất nhiều, do các nhà máy nhiệt điện đã có sẳn và chi phí chỉ giới hạn ở việc thu mua xử lý nguyên liệu và nâng cấp thiết bị. Giá thành có thể từ rất thấp cho tới tối đa là 3 xu Mỹ/kWhm, đối với công trình có tỷ lệ sinh khối là 10%-20% trong tổng số nguyên liệu cho nhà máy.

Đối với landfill gas, giá năng lượng dao động từ 3,5-7,9 xu Mỹ/kWh, tùy thuộc vào qui mô đất chôn, tài chính, khoảng cách đối với lưới điện công nghiệp hoặc đến tải, và các yếu tố khác. 

     10.5.3 Liên Kết Nhiệt – Năng Lượng (Combined Heat and Power – CHP)

CHP là một mô hình cải tiến hiệu suất năng lượng của nhà máy điện. Các hệ thống CHP có khả năng thu giữ và dùng lại hơi và nhiệt thải ra từ quá trình sản xuất điện của nhà máy. Do đó, vốn đầu tư cho hệ CHP chủ yếu tập trung cho phần trang bị hế thống thu năng lượng. Một số các ước lượng cho rằng các dự án CHP có thể sản xuất điện ở giá 3,3 xu Mỹ/kWh vào năm 2010. 

     10.5.4 Nhiên liệu sinh học

     Sau đây là một số thông tin về giá thành nhiên liệu sinh học tại Hoa Kỳ[xviii]

    Dầu diesel sinh học có nguồn gốc từ đậu nành có giá xấp xỉ từ 1,5-1,8 USD/gallon. Trong khi đó, dầu diesel từ dầu khí có giá trung bình khoảng 2,1 USD/gallon. 

Ethanol có giá khoảng 1,2 USD/gallon, như vậy có thể coi là tương đối cạnh tranh so với xăng thông thường (dao động tùy thuộc vào địa phương). Tuy nhiên, do cồn có hiệu suất thấp hơn (tức là tiêu hao nhanh hơn xăng), nên để so sánh cho đúng thì phải nhân giá này lên 1,5 lần. Tuy nhiên, trong những thời điểm giá xăng tăng cao đột ngột (như lên đến trên 2 USD/gallon), thì giá cồn ở mức 1,8 USD/gallon vẫn có tính hấp dẫn nhất định.
 


10.6. Khai thác năng lượng sinh khối tại Việt Nam 

     10.6.1. Tình hình chung

   Công nghệ sinh khối ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa phát triển nhiều, quá trình thương mại hóa vẫn còn rất hạn chế. Cho đến nay, sinh khối được sử dụng chủ yếu ở vùng nông thôn với quy mô nhỏ và chưa có công nghệ thích hợp. Thêm vào đó, việc ứng dụng công nghệ sinh khối ở quy mô toàn quốc mà không có chính sách quy hoạch đúng đắn sẽ dẫn đến sự thiếu hụt những hỗ trợ về mặt tài chính và kĩ thuật cho quá trình thương mại hóa. 

Ở Việt Nam, tiềm năng phát triển của năng lượng tái tạo nói chung và sinh khối nói riêng ở quy mô nhỏ là khá cao. Trên thực tế, công nghệ sinh khối quy mô nhỏ là mô hình thích hợp nhất, đáp ứng nhu cầu năng lượng vùng nông thôn Việt Nam. 

Hiện tại, chính sách phát triển sinh khối vẫn đang trong giai đoạn chuẩn bị, vẫn còn thiếu sự hợp tác giữa các bộ và cơ quan chức năng trong vấn đề này. Thực tế, những chính sách về sinh khối được nhiều bộ khác nhau phác thảo, dẫn đến việc thiếu nhất quán trong chính sách quốc gia nhằm thúc đẩy việc sử dụng năng lượng sinh khối về lâu dài. Thêm vào đó, chính phủ  chưa có chính sách trợ giúp cho việc ứng dụng công nghệ sinh khối ở nông thôn, nơi mà đời sống đa số người dân còn khó khăn, nghèo khổ. 

Nói chung, sự thâm nhập hiện tại của công nghệ sinh khối ở Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế. Từ trước đến giờ, người dân sống ở nông thôn thường dùng sinh khối, vốn khá dồi dào, như nguồn nhiên liệu chính nhưng với hiệu suất sử dụng năng lượng khá thấp. 

     10.6.2. Phát triển năng lượng sinh khối tại Việt Nam

     a) Nguồn nguyên liệu

     Là một nước nông nghiệp với dân số trên 75 triệu người (trong đó 80% sống ở nông thôn), Việt Nam có một tiềm năng sinh khối đáng kể (từ gỗ, rơm rạ, lá cây củi mục và những phần dư thừa từ quá trình sản xuất nông nghiệp hay chế biến thực phẩm v.v…).
 
 

Tiềm năng của năng lượng sinh khối trong mối tương quan với dạng nhiên liệu gỗ được tóm tắt như sau:

§         Từ rừng tự nhiên: khoảng 41 triệu tấn/năm

§         Từ rừng phân tán, cây bụi v.v…: khoảng 35 triệu tấn/năm

§         Từ rừng trồng: khoảng 1-2 triệu tấn/năm

§         Từ những cây rải  rác: khoảng 8-10 triệu tấn/năm

Lượng nhiên liệu gố tổng cộng khoảng 75-80 triệu tấn/năm, tương đương với 26-28 triệu tấn dầu/năm. Năng lượng sinh khối từ rơm rạ, trấu, cỏ, lá, mùn cưa và các chất thải nông nghiệp khác khoảng 30 triệu tấn/năm tương đương với 10 triệu tấn dầu/năm. Thêm vào đó, năng lượng sinh khối có nguồn gốc từ chất thải rắn hộ gia đình khoảng 0,103 triệu tấn/năm. 

Tiềm năng lý thuyết của năng lượng sinh khối khoảng 3 triệu tấn/năm. 

Nguồn nhiên liệu gỗ chính là rừng tự nhiên và rừng trồng, cây rải rác, cây thường niên và phần vụn thừa từ lâm nghiệp, công nghiệp khai thác gỗ. 

     b) Dùng năng lượng sinh khối phát điện

    Có nhiều dạng sinh khối từ quá trình chế biến nông phẩm có thể được dùng như nguồn nhiên liệu đầu vào cho phát điện. Tiềm năng của nó khá cao và phần lớn gồm các loại trấu, bã mía, rơm rạ và chất thải từ các hộ gia đình. 

Viện nghiên cứu năng lượng (dưới quyền của bộ Công Nghiệp) đã tiến hành một dự án về “Công nghệ sinh khối than bánh” do tổ chức SIDA của Thụy Điển và viện Công Nghệ Á Châu AIT đồng tài trợ. Mục tiêu của dự án nhằm cải thiện công nghệ than bánh và tối đa hóa hiệu suất sử dụng năng lượng trong các lò nấu hiện tại. Thành quả của dự án  sẽ được phổ biến trên toàn quốc. 

Trong lúc đó, có 3 nhà máy phát điện dùng bã mía. Điện năng tạo ra từ những nhà máy này sẽ được tích hợp vào lưới điện quốc gia để bán cho Tổng Công ty Điện Lực Việt Nam (EVN).

Một trạm phát điểm thí điểm vừa phát điện vừa tạo nhiệt năng (cogeneration) với công suất 50 kW, sử dụng vỏ trấu làm nhiên liệu chính đầu vào. 

Cho đến năm 1996, đã có khoảng 15.000 bếp lò cố định và di dộng được cung cấp cho người dân ở nông thôn và những vùng xa xôi hẻo lánh. 

     c) Biogas (khí sinh học) tại Việt Nam

  • Nghiên cứu quá trình hình thành biogas từ nguyên liệu hữu cơ trong phòng thí nghiệm và ứng dụng thực tế.
  • Nghiên cứu thiết kế và chế tạo những thiết bị ứng dụng dùng khí sinh học như bếp lò, đèn thắp sáng và máy phát điện được hiệu chỉnh dùng khí sinh học làm nhiên liệu.
  • Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các hầm biogas với nắp di động và cố định.
  • Thiết kế và lắp đặt khoảng 150 hầm biogas nhỏ ở các tỉnh Hà Bắc, Hà Tây, Nam Hà, Vĩnh Phú, Quảng Nam, Đà Nẵng, Nghĩa Bình, Lai Châu.
  • Chuyển giao công nghệ biogas cho các tỉnh Hải Hưng, Hải Phòng và Lai Châu để người dân ở đó biết được và thực thi những ứng dụng của nó.
  • Một dự án các nhà máy khí sinh học ở miền Nam Việt Nam đã được đại học Cần Thơ tiến hành với sự hỗ trợ tài chính của Đức và giúp đỡ về mặt kĩ thuật của đại học Chiềng Mai (Thái Lan).

     
     
    10.6.3. Những trở ngại cần vượt qua

    Tiềm năng của việc ứng dụng công nghệ sinh khối ở Việt Nam là khá lớn bởi vì Việt Nam có đến gần 80% dân số đang sống ở nông thôn, nơi mà nguồn năng lượng sinh khối rất dồi dào. Ngoài ra, Việt Nam còn là một nước nông nghiệp nên nguồn nhiên liệu gỗ và chất thải nông nghiệp dư thừa rất phong phú. 

Tuy nhiên, việc nghiên cứu và phát triển công nghệ sinh khối vẫn còn hạn chế ở quy mô thí điểm. Cho đến nay, vẫn chưa có một quy hoạch tổng thể nào cho việc thực thi và thương mại hóa công nghệ sinh khối. Những khó khăn trở ngại chủ yếu là:

  • Thiếu quy hoạch chiến lược cho việc phát triển nguồn sinh khối.
  • Thiếu sự phối hợp hài hòa giữa các bộ ngành và các tổ chức nhằm phác thảo chính sách quốc gia cho vấn đề công nghệ sinh khối và năng lượng tái tạo.
  • Thiếu hụt ngân sách và hệ thống quản lý để phát triển ứng dụng công nghệ sinh khối.
  • Nhà cung cấp thiết bị công nghệ sinh khối thiếu thông tin về nhu cầu thị trường tiềm năng.
  • Ý thức người dân còn kém trong việc sử dụng năng lượng sinh khối cũng như công nghệ của nó.
  • Thiếu mô hình tin cậy để có thể phổ biến ứng dụng công nghệ sinh khối.
     

10.7. Kết luận

Năng lượng sinh khối ngày càng thu hút được sự quan tâm của xã hội, đáng kể nhất là cho đến những năm cuối thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21. Đó là nhờ sự kết hợp giữa những yếu tố như sau:

  • Sự thay đổi một cách nhanh chóng thị trường năng lượng toàn cầu, thúc đẩy bởi tiến trình tư nhân hóa, deregulation và phân tán (decentralisation).
  • Xã hội bắt đầu nhận thức một cách rộng rãi hơn vai trò hiện tại và trong tương lai của năng lượng sinh khối với vai trò như một phương thức chuyển hóa năng lượng (energy carrier), kết hợp với các dạng nltt khác
  • Sự dời dào, dễ khai thác và tính chất bền vững của năng lượng sinh khối.
  • Xã hội nhận thức được sự đóng góp của việc khai thác năng lượng sinh khối vào tiến trình bảo vệ sự cân bằng môi trường sống và vai trò của nó trong việc điều tiết khí hậu.
  • Các cơ hội sẵn có và tiềm năng phát triển thương mại năng lượng sinh khối.
  • Tiến bộ trong sự hiểu biết về năng lượng sinh khối cũng như sự phát triển trong các kỹ thuật khai thác chuyển đổi năng lượng sinh khối cũng như các dạng năng lượng tái tạo khác.

Ngoài những điểm kể trên, sự phát triển năng lượng sinh khối còn đang được khuyến khích thêm nữa do các yếu tố cụ thể sau:

  • Mối lo ngại ngày càng tăng về sự thay đổi khí hậu toàn cầy sẽ dẫn tới việc tăng cường các chính sách mới cứng rắn hơn về việc giảm thiểu ô nhiễn không khí
  • Sự nhận thức rộng rãi hơn của các tổ chức chính sách toàn cầu về tầm quan trọng của năng lượng sinh khối
  • Sự gia tăng về nhu cầu năng lượng và sự tăng trưởng nhanh của thị trường năng lượng tái tạo
  • Con số các quốc gia bắt đầu vạch thảo và áp dụng các chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng mới ngày càng tăng, với năng lượng sinh khối đóng vai trò trọng tâm
  • Các áp lực về môi trường, cộng với sự cạn kiệt về nguồn tài nguyên dẫn tới việc tăng giá nhiên liệu hóa thạch, chưa kể tới các chi phí "phụ trợ" khác đang khiến giá năng lượng ngày càng tăng cao. Điều này sẽ rút giảm dần khoảng cách về chi phí giữa nl tái tạo và năng lượng truyền thống.
  • Cho dù kỹ thuật hiện nay vẫn chưa đạt được mức thỏa mãn về thương mại hóa năng luợng sinh khối, nhưng với tốc độ phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, khoảng cách về thời gian sẽ được rút ngắn dần.




[i] Người ta thường dùng thuật ngữ Năng Lương Sinh Học cho các hệ năng lượng sinh khối sản xuất nhiệt hoặc điện năng và sử dụng thuật ngữ Nhiên Liệu Sinh Học cho các nhiên liệu lỏng dùng trong vận tải

[ii] Phương pháp đốt kết hợp là đốt hỗn hợp sinh khối với than đá, được xem là phương pháp sử dụng năng lượng sinh khối đạt hiệu quả cao nhất cho đến nay

[iii] Sinh khối được xem là một nguồn năng lượng tái tạo – Nó có thể được bổ sung nhanh chóng mà không làm tiêu hụt vĩnh viễn nguồn tài nguyên của Trái Đất. Để so sánh, các nhiên liệu hóa thạch như khí tự nhiên hay than cần một quá trình tự nhiên kéo dài vài triệu năm để hình thành và bổ sung. Do đó, việc khai thác than và khí tự nhiên làm tiêu hụt tài nguyên của Trái Đất trong vòng vài ngàn thế hệ tới. Trong khi đó, sinh khối có thể dễ dàng được trồng hoặc thu hoạch, sử dụng và thay thế

[iv] CO2 là một khí sinh tự nhiên. Cây cối thu và trữ CO2 trong quá trình quang hợp. Khi cây cối hoặc các vật chất phân rã, hoặc bị cháy một cách tự nhiên, CO2 sẽ được thải ra lại khí quyển. Chu kỳ tuần hoàn này của CO2 rất ổn định cho tới khi con người phát hiện và khai thác nguồn nhiên liệu hóa thạch từ 150 năm trở lại đây. Việc tận dụng tối đa nhiên liệu hóa thạch từ cuộc cách mạng Công Nghiệp đã phá vỡ sự ổn định của vòng tuần hoàn CO2, đẩy mức CO2 từ mức 150 ppm lên đến 330 ppm, và dự đoán sẽ tiếp tục tăng gấp đôi vào năm 2050.

[v] Việc đốt các bánh than (dung cakes) thải ra các khí hại như methan, đốt than và củi sẻ thải ra CO và CO2, SOx và NOx và một số các khí khác. Tại các khu vực ở các quốc gia nghèo còn sử dụng các lò/bếp nấu thô sơ và bếp không được thông khí tốt, phụ nữ và trẻ em là bị ảnh hưởng trực tiếp về sức khỏe do hít trực tiếp các khí thải này, đặc biệt là gây nên các bệnh đường hô hấp, bệnh phổi, mắt (theo báo cáo của Tổ chức Y Tế Thế Giới – WHO).

[vi] Ví dụ tại Brazil, các nhà máy gỗ và giấy thải ra 5mtoe hằng năm bã gỗ, mùn cưa và phần nhiều các bã này là bị bỏ đi, không được tái sử dụng.

[vii] Từ khi con người phát hiện ra lửa và khả năng tập trung năng lượng rất cao của nó dưới dạng nhiệt.

[viii] Btu/lb --> lb: pound = cân Anh. Xem thêm phụ lục về đơn vị Năng Lượng.

[ix] Quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch sẽ thải ra khí CO2 vốn được hấp thu từ cây cối qua hằng tỷ năm. Việc thải khí CO2 này góp một phần đáng kể vào quá trình thay đổi khí hậu của Trái Đất. Trong khí đó, CO­2 thải ra từ việc đốt nhiên liệu sinh học sẽ giúp cân bằng lượng CO­2 được thu giữ lại bởi cây cối được trồng trong thời gian gần đây.

[x] Tại lò ướt, bắp được tách thành các phần khác nhau và được xử lý riêng biệt. Quá trình lên men tại lò khô tương đối đơn giản hơn.

[xi] Bởi vì sinh khối khô sẽ có hiệu suất đốt cao hơn

[xii] Briquetting là quá trình ép đặc các chất hữu cơ rời rạc (loose organic material) như vỏ trấu, mùn cưa, vỏ càfê, với mục đích cải thiện khả năng xử lý và đặc tính cháy của vật liệu đó. Briquetting có thể được làm ở nhiều cách khác nhau, dùng hoặc không dùng binder hoặc với công nghệ than sinh học (bio-coal technology)

[xiii] Sinh khối có thể được trộn vào ở nhiều tỷ lệ khác nhau, từ 2% cho đến 25%. Một số thử nghiệm tại Hoa Kỳ cho thấy năng lượng sinh khối có thể đóng góp đến 15% tổng năng lượng input của một nhà máy than, trong khi việc này chỉ đòi hỏi một vài cải tiến kỹ thuật trong hệ thống feed intake và buồng đốt.

[xiv] Tuy rằng tính khả thi kỹ thuật của pp đốt liên kết đã được chứng minh rõ ràng, nhưng công nghệ này vẫn có một số trở ngại nhất định, ví dụ như tác động lên hiệu suất lòng đun, kết xỉ, hệ thống kiểm soát ống dẫn nhiên liệu, tính ổn định của việc đốt, lưu tải nhiên liệu ... Một lý do khác nữa khiến pp đốt liên kết vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi thương mại là do khả năng cạnh tranh kinh tế vẫn còn thấp, do giá thành than và khí tự nhiên vẫn tương đối rẻ hơn đáng kể, và giá thành đầu tư thấp đối với các dạng nhà máy GTCC (Gas Turbine Combined Cycle). Yếu tố quan trọng nhất vẫn là giá thành nhiên liệu và vốn đầu tư cơ bản cho việc cải tiến kỹ thuật tại các nhà máy than hiện tại.

[xv] Hiện nay tại Hoa Kỳ, phần lớn điện được sản xuất từ than đá. Theo báo cáo gần đây của Phòng Thí Nghiệm Quốc Gia Oak Ridge (ORNL), việc sản xuất sinh khối ở Hoa Kỳ có thể tiêu thụ 1,3 tỷ tấn nguyên liệu khô mỗi năm, tức là gấp 6 lần công suất hiện nay, thúc đẩy ngành công nghiệp tăng trưởng mạnh trong 30 năm tới.

[xvi] Có nhiều ví dụ về các dự án khí hóa sinh khối đang trong giai đoạn nghiên cứu phát triển, mặc dù kỹ thuật duy nhất hiện tại được ứng dụng thương mại là CFB áp suất không khí, các đơn vị thổi khí tại các nhà máy công nghiệp sinh khối, tại đối người ta cung cấp khí nhiên liệu cho lò nung, lò áp suất. Ngoài ra còn có các dạng nhà máy mẫu dạng IGCC ở trên thế giới, ví dụ như nhà máy Varnamo, nhà máy dạng IGCC đầu tiên trên thế giới được thiết kế bởi cty Sydkraft AB, Thụy Điển, với công suất 6 MWe (9MWt). Nhiều hệ thống khí hóa nhỏ được phát triển ở các thập kỷ trước, tuy nhiên tỷ lệ thành công không cao, hay nói đúng hơn là hiệu suất thấp hơn mong đợi. Từ thập kỷ 90 thế kỷ 20, người ta bắt đầu quan tâm trở lại việc cải thiện các hệ thống này (bắt nguồn từ mối lo ngại về việc đốt nhiên liệu hóa thạch và tác động của nó đến khí hậu thế giới). Các dự án phát triển kỹ thuật và thiết kế mô hình mẫu được thúc đẩy một cách đáng kể từ 2 thập kỷ qua ở các nước đang phát triển, ví dụ như tại Trung Quốc, Ấn Độ, Philippines, Thái Lan ... Tại Ấn Độ, có khoảng 1700 hệ thống qui mô nhỏ được lắp đặt kể từ năm 1987, cho đến nay đã đặt công suất tổng cộng là 35 MW. Đây cũng là dự án khai triển khí hóa biomass toàn diện nhất thế giới (qui mô vừa và nhỏ).

[xvii] trên triệu Btu, viết tắt là mmBtu

[xviii] Tại Hoa Kỳ, cồn và nhiên liệu sinh học chiếm đến 3% thị trường nhiên liệu giao thông


Tài liệu tham khảo


1. Nguyen Thi Kim Lien, 2001 Country paper: Viet Nam, Regional Seminar on Commercialization of Biomass Technology, Economic And Social Commission For Asia And The Pacific, Guangzhou, China 

2. Nguyen Quoc Khanh, 2005, Long term optimization of energy supply and demand in Vietnam with special reference to the potential of renewable energy, PhD Thesis, Von der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg.

3. World Energy Council, 2001, Survey of Enery Resources – Biomass (Other than Wood)

http://www.worldenergy.org/wec-geis/publications/reports/ser/biomass/biomass.asp

 
Các liên kết hữu dụng

 
WEC 2001 Survey
http://www.worldenergy.org/wec-geis/publications/reports/ser/biomass/biomass.asp
 
 
EERE Biomass
http://www.eere.energy.gov/biomass/

Oak Ridge National Lab
http://bioenergy.ornl.gov/

Crest Program
http://www.crest.org/bioenergy/

IEA Bio-energy
http://www.ieabioenergy.com/library.php

IEA About Bio-energy
http://www.aboutbioenergy.info/

About Bio Energy - Canada
 http://www.canren.gc.ca/tech_appl/index.asp?CaId=2&PgId=62

REPP
http://www.repp.org/bioenergy/link1.htm

NREL Bio-Energy
http://www.nrel.gov/clean_energy/bioenergy.html

SEI Bioenergy
http://www.sei.ie/content/content.asp?section_id=935

 


Chương 9                              Mục lục                           Chương 11