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

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 GVHD: GS.TS. LÊ CHÍ HIỆP HỌC VIÊN THỰC HIỆN: BÀNH NHƯ THÙY MSHV: 1080100059 LỚP: QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG I- KHOÁ 2010 TP. HCM, 06/2011 2 Mục lục Mục lục 3 Mở đầu 4 1. Định nghĩa 5 2 Phân loại NLSK 6 2.1. Nhiên liệu lỏng 6 2.2. Khí sinh học (Biogas) 6 2.3. Nhiên liệu sinh khối rắn 7 3. Chuyển hóa năng lượng trong sinh khối: 9 3.1. Chuyển hóa năng lượng sinh khối trong chất bã nông nghiệp: 9 3.2. Chuyển hóa năng lượng sinh khối trong khí ở bãi chôn lấp: 9 3.3. Chuyển hóa năng lượng sinh khối trong khí sinh học: 9 4. Ưu nhược điểm 11 4.1. Ưu điểm 11 4.1.1. Lợi ích về mặt kinh tế-xã hội 11 4.1.2. Lợi ích về mặt môi trường 12 4.1.3. Nhiên liệu sinh học và vấn đề phát triển bền vững 13 4.2. Nhược điểm 14 5. Thuận lợi và khó khăn trong việc sản xuất nhiên liệu sinh khối 15 5.1. Thuận lợi 15 5.2. Khó khăn 17 6. Tình hình triển khai ứng dụng trên thế giới và Việt Nam 19 6.1. Thế giới 19 6.2. Việt Nam 21 6.2.1. Sinh khối: 21 6.2.2. Khí sinh học: 21 6.2.3. Nhiên liệu sinh học 22 Kết luận 24 3 Mở đầu Cùng với sự phát triển nhanh và mạnh về kinh tế, xã hội; đòi hỏi cần một nguồn năng lượng ngày càng lớn. Tuy vậy, nguồn cung chủ yếu của năng lượng hiện nay còn phụ thuộc 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 sử dụng. Bên cạnh những dạng năng lượng mới được tạo ra thì sinh khối là một dạng năng lượng đã được con người sử dụng từ rất lâu, dưới những hình thức này hay hình thức khác. Tuy vậy, trong xã hội hiện nay, cũng là sử dụng năng lượng sinh khối nhưng sử dụng như thế nào cho hợp lý là một câu hỏi luôn cần phải được nghiên cứu kỹ. 4 1. Định nghĩa 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 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). 5 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 học này, 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, củ cải 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 mau nóng hơn.Tuy nhiên, máy cũng mau hao mòn hơn, nhất là các vòng đệm cao su. Bất lợi 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 làm động cơ, phải bảo trì xe thường xuyên. Bồn chứa ethanol cũng phải làm từ kim loại đặc 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 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. − 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. 2.2. Khí sinh học (Biogas) Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH 4 ) 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 CH 4 (50-60%) và CO 2 (>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước N 2 , O 2 , H 2 S, CO … được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20- 40ºC, nhiệt trị thấp của CH 4 là 37,71.103 KJ/m 3 , 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 H 2 S có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SO x 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. 6 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 gỗ thành thị, chất thải rắn đô thị, khí ở các hố chôn lấp 7 8 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), 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 CO 2 ) 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 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. 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 tự nhiên của quá trình phân 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. 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, phế phẩm 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 nguyên liệu. (VD: Nhà máy Biogas ở Tilburg (Ấn Độ) khai thác nguyên liệu từ rác 9 thải của các 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 chế biến thực phẩm, đường, rượu ) trong điều kiện khí hậu nhiệt đới. Sản xuất mêtan sinh học từ chất thải lưu giữ cơ chất trong thời gian dài (ủ nhiều tuần lễ) ở điều kiện kỵ khí nên 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 đủ nhu cầu chất đốt, kể cả điện khí hóa ở các vùng nông thôn. Bigas cũng góp phần làm giảm nạn phá rừng ở các nước đang phát triển, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. 10 [...]... tiêu cực đến phúc lợi của người dân Việt Nam Việc phát triển NLSK giúp giải quyết vấn đề năng lượng, tích cực sẽ giảm chi phí năng lượng cho người dân trong sinh hoạt và sản xuất 16 − Các chính sách và thể chế đang từng bước hình thành tạo thuận lợi cho phát triển năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng sinh khối nói riêng: Mặc dù chưa có chính sách năng lượng nói chung và năng lượng tái tạo nói riêng... cây năng lượng để sản xuất nhiên liệu sinh học (biofuel) có thể dẫn tới gia tăng sử dụng thuốc trừ sâu và phân bón, gây tác hại đối với động vật hoang dã và môi trường sống Sản xuất năng lượng từ gỗ có thể gây thêm áp lực cho rừng Đây là tất cả những vấn đề cần xem xét kỹ lưỡng khi phát triển năng lượng sinh khối − Thiếu nhận thức của xã hội về năng lượng sinh khối: Hiện nay khi nói tới năng lượng. .. cả phụ thuộc vào vai trò điều hành của Chính phủ và sự đồng thuận, tham gia của cộng đồng xã hội 23 Kết luận • Năng lượng sinh khối có vai trò rất lớn trong thời đại ngày nay, việc áp dụng năng lượng sinh khối là cần thiết và cấp bách đối với mỗi quốc gia • Tuy vậy, cách áp dụng như thế nào để tự nhiên có thể kịp phục hồi lại khả năng cung cấp đòi hỏi mỗi quốc gia cần có nghiên cứu cụ thể và nghiêm túc... hoàn toàn không bị phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giải pháp chính là tăng cường năng lượng hạt nhân, phát triển năng lượng tái tạo Năng lượng sinh học đang được tích cực nghiên cứu, phát triển ở đất nước này với mục tiêu đến năm 2030 năng lượng tái tạo sẽ đạt 11%, trong đó năng lượng từ sinh khối sẽ đạt 7,12% Ngoài các công nghệ chế tạo bioga thông thường như từ sinh khối, từ chất thải chăn nuôi,... khai ứng dụng trên thế giới và Việt Nam 6.1 Thế giới Hiện nay trên quy mô toàn cầu, sinh khối là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếm tới 14-15% tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới Ở các nước đang phát triển, sinh khối thường là nguồn năng lượng lớn nhất, trung bình đóng góp khoảng 35% trong tổng cung cấp năng lượng Hiện nay có khoảng 50 nước ở khắp các châu lục khai thác và sử dụng NLSK ở các mức độ khác... nhu cầu năng lượng có khả năng sử dụng, • Có nhiều áp dụng công nghiệp bắt buộc phải tiêu thụ dầu thô hay sản phẩm dầu làm nguyên liệu, • Dầu thô là nguồn năng lượng cơ bản trong tương lai sẽ cạn trước nhất + Chú trọng đồng đều đến phát triển bền vững của ba ngành giao thông vận tải, công nghiệp và tiện nghi nhà ở vì mỗi ngành đó chia nhau gần đồng đều ba phần tư tổng lượng năng lượng khả dụng và những... phong phú Nguồn này ngày càng tăng trưởng cùng với việc phát triển nông nghiệp và lâm nghiệp Sinh khối Nguồn sinh khối chủ yếu gồm gỗ và phụ phẩm cây trồng Tiềm năng các nguồn này theo đánh giá của Viện Năng lượng được trình bày ở các bảng sau: Bảng 1 - Tiềm năng sinh khối gỗ năng lượng Nguồn cung cấp Tiềm Quy dầuTỷ lệ năng tương đương(%) (triệu tấn) (triệu TOE) Rừng tự nhiên 6,842 2,390 27,2 Rừng... bằng năng lượng đã cho thấy: Từ 1 đơn vị năng lượng dầu mỏ sản xuất được 0,87 đơn vị năng lượng xăng, hoặc 1,02 đơn vị năng lượng ETBE, hoặc 2,05 đơn vị năng lượng ethanol Từ 1 đơn vị năng lượng dầu mỏ (dùng để cày bừa, trồng trọt, chăm sóc, vận chuyển đến chế biến) sẽ tạo ra 1,2 đơn vị năng 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. .. một bếp cải tiến phải tốn vài chục nghìn đồng Đây là một khoản đầu tư lớn đối với người dân ở nông thôn khi mà một ngày công của họ chỉ được vài nghìn đồng − Trở ngại về môi trường: Năng lượng sinh khối có một số tác động môi trường Khi đốt, các nguồn sinh khối phát thải vào không khí bụi và khí sulfurơ (SO2) Mức độ phát thải tuỳ thuộc vào nguyên liệu sinh khối, công nghệ và biện pháp kiểm soát ô nhiễm... sản lượng lương thực do trồng nhiều cây năng lượng 14 5 Thuận lợi và khó khăn trong việc sản xuất nhiên liệu sinh khối 5.1 Thuận lợi Phát triển năng lượng sinh khối tại Việt Nam có các điểm thuận lợi như sau: − Tiềm năng lớn chưa được khai thác: Việt Nam là một nước nhiệt đới nhiều nắng và mưa nên sinh khối phát triển nhanh Ba phần tư lãnh thổ là đất rừng nên tiềm năng phát triển gỗ lớn Là một nước nông . triển bền vững + Giảm nhu cầu năng lượng hoàn nguyên và ưu tiên giảm nhu cầu dầu thô và sản phẩm dầu vì: • Dầu thô đã được thanh lọc thành sản phẩm dầu thỏa mãn gần một nửa nhu cầu năng lượng. học. − Nhu cầu ngày càng phát triển Cùng với sự tăng trưởng kinh tế - xã hội của đất nước, nhu cầu ứng dụng các công nghệ NLSK ngày càng phát triển. Thí dụ việc phát triển trồng lúa làm nảy sinh nhu. xay xát, nhu cầu sấy thóc sau thu hoạch. Chính những nhu cầu này đã kích thích việc phát triển các máy xấy và công nghệ đồng phát sử dụng sinh khối. Việc phát triển chăn nuôi đã tạo ra nhu cầu