NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI

Định nghĩaSinh khối là một thuật ngữ có ý nghĩa bao hàm rất rộng dùng để mô tả các vật chất cónguồn gốc sinh học vốn có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng hoặc do cácthành phần hó

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN TP.HCM

TIỂU LUẬN MÔN:

QUẢN LÝ BỀN VỮNG CÁC NGUỒN

NĂNG LƯỢNG

ĐỀ TÀI: NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI VÀ KHẢ NĂNG ỨNG

DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI

M c l c ục lục ục lục

Mở đầu 2

1 Định nghĩa 3

2 Phân loại NLSK 4

2.1 Nhiên liệu lỏng 4

2.2 Khí sinh học (Biogas) 4

2.3 Nhiên liệu sinh khối rắn 5

3 Chuyển hóa năng lượng trong sinh khối: 7

3.1 Chuyển hóa năng lượng sinh khối trong chất bã nông nghiệp: 7

3.2 Chuyển hóa năng lượng sinh khối trong khí ở bãi chôn lấp: 7

3.3 Chuyển hóa năng lượng sinh khối trong khí sinh học: 7

4 Ưu nhược điểm 9

4.1 Ưu điểm 9

4.1.1 Lợi ích về mặt kinh tế-xã hội 9

4.1.2 Lợi ích về mặt môi trường 10

4.1.3 Nhiên liệu sinh học và vấn đề phát triển bền vững 11

4.2 Nhược điểm 12

5 Thuận lợi và khó khăn trong việc sản xuất nhiên liệu sinh khối 13

5.1 Thuận lợi 13

5.2 Khó khăn 15

6 Tình hình triển khai ứng dụng trên thế giới và Việt Nam 17

6.1 Thế giới 17

6.2 Việt Nam 19

6.2.1 Sinh khối: 19

6.2.2 Khí sinh học: 19

6.2.3 Nhiên liệu sinh học 20

Kết luận 22

Mở đầu

Cùng với sự phát triển nhanh và mạnh về kinh tế, xã hội; đòi hỏi cần một nguồn nănglượng ngày càng lớn Tuy vậy, nguồn cung chủ yếu của năng lượng hiện nay còn phụthuộc nhiều vào hóa thạch – là những dạng năng lượng không tái tạo được Do đó,những phát kiến về sản xuất, ứng dụng năng lượng hiệu quả luôn được tìm tòi và sửdụng Bên cạnh những dạng năng lượng mới được tạo ra thì sinh khối là một dạngnăng lượng đã được con người sử dụng từ rất lâu, dưới những hình thức này hay hìnhthức khác Tuy vậy, trong xã hội hiện nay, cũng là sử dụng năng lượng sinh khốinhưng sử dụng như thế nào cho hợp lý là một câu hỏi luôn cần phải được nghiên cứu

kỹ

1 Định nghĩa

Sinh khối là một thuật ngữ có ý nghĩa bao hàm rất rộng dùng để mô tả các vật chất cónguồn gốc sinh học vốn có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng hoặc do cácthành 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 khốicũng bao gồm cả những vật chất được xem nhưng chất thải từ các xã hội con ngườinhư chất thải từ quá trình sản xuất thức ăn nước uống, bùn/nước cống, phân bón, sảnphẩm phụ gia (hữu cơ) công nghiệp (industrial by-product) và các thành phần hữu cơcủa chất thải sinh hoạt

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

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), khí hóa(gasification) và nhiệt phân (pyrolysis)

2 Phân loại NLSK

2.1 Nhiên liệu lỏng

 Xăng sinh học (Gasohol)

Bao gồm Bio-metanol, Bio-ethanol, Bio-butanol… Trong số các dạng xăng sinh họcnày, Bio-ethanol là loại nhiên liệu sinh học 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, củcải đường và nguyên liệu chứa tinh bột như ngũ cốc, khoai tây, sắn…Xăng sinh học chứa ethanol có trị số octane cao hơn xăng thường nên động cơ maunóng hơn.Tuy nhiên, máy cũng mau hao mòn hơn, nhất là các vòng đệm cao su Bấtlợi của Ethanol là hút ẩm nên xăng-ethanol có chứa nhiều nước, làm máy khó “đề”,làm rỉ sét kim loại, hư mòn chất nhựa (plastic), nên đòi hỏi phải thay đổi vật liệu làmđộng cơ, phải bảo trì xe thường xuyên Bồn chứa ethanol cũng phải làm từ kim loạiđặc biệt, việc chuyên chở cũng khó khăn hơn xăng thường

 Diesel sinh học (BioDiesel)

Diesel sinh học có thể sử dụng thay thế cho diesel vì nó có tính chất tương đương vớinhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà được sản xuất từdầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este (transesterification) Cácchất dầu [còn gọi là fatty acid methyl (hay ethyl) ester (FARME)] trộn với sodiumhydroxide và methanol (hay ethanol) tạo ra dầu diesel sinh học và glycerine bằng phảnứng chuyển hóa este

 Ethanol (hoặc là cồn ethyl)

Ethanol là nhiên liệu dạng lỏng, không màu, trong suốt, dễ cháy Ethanol được dùngnhư phụ gia cho xăng, với mục đích tăng chỉ số octane và giảm khí thải hiệu ứng nhàkính Ethanol tan trong nước và phân hủy sinh học được Ethanol được sản xuất từsinh 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 tạicác nông trại

2.2 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 củaBiogas 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 40ºC, nhiệt trị thấp của CH4 là 37,71.103 KJ/m3, do đó có thể sử dụng biogas làmnhiên liệu cho động cơ đốt trong Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lýbiogas trước khi sử dụng tạo nên hỗn hợp nổ với không khí Khí H2S có thể ăn mòncác chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc Hơi nước

20-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

2.3 Nhiên liệu sinh khối rắn

Bao gồm cây cối, chất xơ gỗ, chất thải gia súc,chất thải nông lâm nghiệp, chất thải gỗthành thị, chất thải rắn đô thị, khí ở các hố chôn lấp

3 Chuyển hóa năng lượng trong sinh khối:

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), khíhóa và nhiệt phân;

 Chuyển đổi sinh hóa (biochemical): bao gồm phân hủy yếm khí (sản phẩm sinhkhối và hỗn hợp methane và CO2) và lên men (sản phẩm ethanol)

3.1 Chuyển hóa năng lượng sinh khối trong chất bã nông nghiệp:

Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừa sau các vụ thu hoạch Chúng có thể được thugom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặt hái Các chấtthải nông nghiệp bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu Hằng năm, có khoảng 80triệu cây bắp được trồng, cho nên vỏ bắp đươc dự đoán sẽ là dạng sinh khối chính chocác ứng dụng năng lượng sinh học Ở một số nơi, đặc biệt những vùng khô, các chất bãcần 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 bãnày không được tận dụng tối đa và bị mục rữa làm thất thoát năng lượng Có nhiềuthống kê khác nhau về tiềm năng công suất của năng lượng sinh khối dạng này Ví dụnhư Smil (1999) ước lượng rằng cho đến giữa thập kỷ 90 thế kỷ 20, tổng lượng bãnông 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 nôngnghiệp 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 triệutấn khí thải CO2 mỗi năm Hiện trạng thực tế là một tỷ lệ khá lớn các bã nông nghiệpnày vẫn còn bị bỏ phí hoặc sử dụng không đúng cách, gây các ảnh hưởng tiêu cực đếnmôi 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

3.2 Chuyển hóa năng lượng sinh khối trong khí ở bãi chôn lấp:

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

3.3 Chuyển hóa năng lượng sinh khối trong khí sinh học:

Biogas sử dụng nguyên liệu đa dạng, thường là tận dụng các chất thải, phế thải, phếphẩm trong nông lâm ngư nghiệp Quy mô gia đình thường sử dụng phân gia súc, quy

mô lớn hơn có thể phát triển sử dụng các loại rác đô thị và rác công nghiệp làm nguyênliệu (VD: Nhà máy Biogas ở Tilburg (Ấn Độ) khai thác nguyên liệu từ rác thải củacác thành phố lớn) Ở Việt Nam ta cũng có những đề tài nghiên cứu sản xuất Biogas từ

việc ứng dụng mô hình bể lọc kỵ khí UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) để xử

lý nước thải của những ngành công nghiệp giàu chất hữu cơ (nước thải nhà máy chếbiến thực phẩm, đường, rượu ) trong điều kiện khí hậu nhiệt đới Sản xuất mêtan sinhhọc từ chất thải lưu giữ cơ chất trong thời gian dài (ủ nhiều tuần lễ) ở điều kiện kỵ khínên làm giảm đến 90% ký sinh trùng gây bệnh, khử được mùi khó chịu Do đó, vấn đề

vệ sinh môi trường được cải thiện

Không chỉ xử lý chất thải hữu cơ, làm sạch môi trường, phát triển Biogas còn cung cấp

bã thải là phân bón có giá trị cao cho nông nghiệp, tăng độ phì cho đất

Trở lại với vai trò năng lượng, việc sản xuất khí mêtan sinh học có thể tự đáp ứng đủnhu cầu chất đốt, kể cả điện khí hóa ở các vùng nông thôn Bigas cũng góp phần làmgiảm nạn phá rừng ở các nước đang phát triển, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóathạch

4 Ưu nhược điểm

4.1 Ưu điểm

4.1.1 Lợi ích về mặt kinh tế-xã hội

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

Do NLSK có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch sử dụng trong các phương tiện giao thông vàcác thiết bị năng lượng và đây còn là loại nhiên liệu bền vững nên có thể thay cho các nguồnnăng lượng hóa thạch đắt đỏ đang bị cạn kiệt

 NLSK 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 quốcgia, mà còn tạo ra sự mất ổn định về an ninh năng lượng của quốc gia đó Từ khi NLSK đượcsản xuất từ các nguồn nguyên liệu bản địa của nhiều nước châu Á, loại nhiên liệu này có vaitrò 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

 Kỹ thuật và kinh tế năng lượng

Sản xuất và sử dụng NLSK đơn giản hơn so với các dạng nhiên liệu hyđrô /pin nhiên liệu,LPG Khi sử dụng E20, B20 không cần cải biến động cơ, sử dụng được cho các loại ôtô hiện

có Cũng không cần thay đổi hệ thống tồn chứa và phân phối hiện có NLSK và nhiên liệukhoáng có thể dùng lẫn với nhau được Công nghệ sản xuất NLSK không phức tạp, có thể sảnxuất ở quy mô nhỏ (hộ gia đình) đến quy mô lớn Tiêu hao nhiên liệu, công suất động cơtương tự như dùng xăng dầu khoáng Nhiều công trình nghiên cứu về cân bằng năng lượng đãcho thấy: Từ 1 đơn vị năng lượng dầu mỏ sản xuất được 0,87 đơn vị năng lượng xăng, hoặc1,02 đơn vị năng lượng ETBE, hoặc 2,05 đơn vị năng lượng ethanol Từ 1 đơn vị năng lượngdầu mỏ (dùng để cày bừa, trồng trọt, chăm sóc, vận chuyển đến chế biến) sẽ tạo ra 1,2 đơn vịnăng lượng NLSK Nếu kể thêm các sản phẩm phụ (bã thải, sản phẩm phụ) thì tạo ra 2-3 đơn

vị NLSK Như vậy, cân bằng năng lượng đầu ra so với đầu vào là dương Hiện tại, giá NLSKcòn cao do sản xuất nhỏ, giá nguyên liệu cao Khi sản xuất quy mô lớn với công nghệ mới sẽgiảm giá thành Nếu xăng dầu không bù giá thì NLSK có giá thành thấp hơn Có thể khẳngđịnh, NLSK sẽ đem đến đa lợi ích

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

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

 Nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp

Ngành kinh tế nông nghiệp ngoài chức năng cung cấp lương thực thực phẩm, nguyên liệucông nghiệp, giờ đây có thêm chức năng cung cấp năng lượng sạch cho xã hội, đóng góp vàoviệc giảm thiểu khí nhà kính và khí độc hại Việc sử dụng NLSK sẽ tạo điều kiện phát triểnnông nghiệp, nhất là ở những nước dư thừa đất đai (trung du, miền núi) có thể trồng mía, sắn

và các cây có dầu Đặc biệt, khi phát triển NLSK có thể sử dụng các giống cây có dầu, chẳng

hạn như J Curcas trồng trên các vùng đất hoang hóa hoặc đang sử dụng kém hiệu quả, giúpnâng cao hiệu quả sử dụng đất.

 NLSK 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 NLSK sẽ mở ra cơ hộicho các cộng đồng địa phương kết hợp hoạt động và thu được các lợi ích nhất định để có thểtạo ra phát triển kinh tế-xã hội Việc trồng rừng, kích thích và thu hoạch nhiên liệu đầu vàonhư cây mía, ngô, sắn và dầu cọ đòi hỏi phải tăng lực lượng lao động và các công việc thủcông Việc mở rộng sản xuất nông nghiệp do tăng nhu cầu các nguyên liệu thô cho sản xuấtNLSK có thể tạo ra việc làm mới và thu nhập nhiều hơn cho nông dân Tạo cơ hội việc làmtrong sản xuất NLSK là rất lớn Ví dụ sản xuất NLSK từ cây cây dầu mè làm nhiên liệu đầuvào 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 làmtrực tiếp

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

Việc tạo ra việc làm mới và các doanh nghiệp có thể tạo ra các hoạt động khác đem lại các lợiích kinh tế-xã hội khác nữa cho cộng đồng Nhiều hoạt động kinh tế xuất hiện sẽ tạo ra lợinhuận cho các chủ doanh nghiệp tại địa phương Cơ sở hạ tầng hoàn chỉnh có thể tạo ra đường

xá mới hoặc được nâng cấp, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển các nhiên liệu đầuvào phục vụ cho sản xuất Kỹ năng làm việc của nhiều công nhân làm việc trong các dự ánđược nâng cao, tăng năng lực của các thành viên trong cộng đồng Hơn nữa, lợi ích kinh tế màcác cộng đồng được hưởng có thể lan tỏa và tạo ra các lợi ích xã hội khác nữa, như các dịch

vụ chăm sóc sức khỏe, giáo dục, phúc lợi xã hội và các dịch vụ công cộng… Nếu quản lý tốt,sản xuất NLSK có khả năng tạo điều kiện phát triển kinh tế-xã hội và đặc biệt là đóng góp vàocông cuộc giảm đói nghèo

4.1.2 Lợi ích về mặt môi trường

Việc khám phá ra dầu mỏ đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong lịch sử phát triển của xã hộiloài người Tuy nhiên, nó cũng làm phát sinh những vấn đề nan giải trong quá trình khai thác

và sử dụng dầu mỏ gây ra, đáng kể nhất là sự ô nhiễm môi trường do khí thải của quá trìnhđốt cháy nhiên liệu

Khí thải từ các hoạt động có liên quan đến sản phẩm dầu mỏ và nhiên liệu hóa thạch chiếmkhoảng 70% tổng lượng khí thải trên toàn thế giới Hằng năm, toàn thế giới phát thải khoảng

25 tỷ tấn khí độc hại và khí nhà kính Nồng độ khí CO2 (loại khí nhà kính chủ yếu) tăng trên30% so với thời kỳ tiền công nghiệp (từ 280 ppm tăng lên 360 ppm), nhiệt độ trái đất tăng0,2- 0, 40C Nếu không có giải pháp tích cực, thì đến năm 2050, tác hại của khí độc hại vànồng độ khí nhà kính có thể tăng lên 400 ppm và sẽ gây ra hậu quả khôn lường về môi trườngsống

Sử dụng NLSK là giảm thiểu ô nhiễm môi trường vì nguyên liệu sử dụng để sản xuất NLSK

là cồn và dầu mỡ động thực vật, không chứa các hợp chất thơm, hàm lượng lưu huỳnh cựcthấp, không chứa chất độc hại Sử dụng NLSK so với xăng dầu giảm khoảng được 70% khí

CO2 và 30% khí độc hại, do NLSK chứa một lượng cực nhỏ lưu huỳnh, chứa 11% oxy, nêncháy sạch hơn NLSK phân hủy sinh học nhanh, ít gây ô nhiễm nguồn nước và đất

Các cây trồng nông nghiệp và các nguyên liệu sinh khối khác được coi là các nguyên liệu gópphần làm trung hòa cácbon bởi chu kỳ sống thực tế của nó, thực vật thu cácbon điôxit thôngqua quá trình quang hợp.Tuy nhiên, các nguyên liệu đầu vào sử dụng trong quá trình sản xuấtNLSK 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 quátrình chuyển đổi các vật liệu thô thành NLSK có thể gây phát thải cácbon vào khí quyển Vì