Năng lượng – vai trò của năng lượng đối với cuộc sống con người

Khí mêtan – sản phẩm phân huỷ của vi sinh vật – và là một trong cáckhí nhà kính có nguy cơ làm ô nhiễm môi trường còn etanol sinh học là một loại nhiên liệu nhân tạo tương lai có thể dùn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Khoa Vật Lý- lớp Lý 3A

  

Bài Tiểu Luận Cuối Khóa:

Môn : Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học

Đề Tài:

Giảng viên hướng dẫn: Thầy Lê Văn Hoàng

Sinh viên thực hiện: 1 Ngô Thị Thuỳ Dung

2 Nguyễn Ngọc Thanh Ngân

3 Nguyễn Lâm Hữu Phước

Chương 1: Đại cương về năng lượng 3

1 Năng lượng – vai trò của năng lượng đối với cuộc sống con người

3

2 Năng lượng hóa thạch 3

3 Năng lượng tái tạo 3

Chương 2: Năng lượng sinh học 3

1 Năng lượng sinh khối 3

1.1 Thành phần và nguuồn gốc của sinh khối 3

1.2 Sự chuyển hoá sinh khối sang năng lượng hữu ích 3

2 Năng lượng nội nhân 3

Tổng kết 3

Tài liệu tham khảo 3

Mở đầu

Môi trường hiện nay đã và đang bị ô nhiễm với mức độ ngày càng tăng,

đe doạ trực tiếp đến sự sống của tất cả các loại sinh vật trong đó có con người Nhiệt độ ngày càng tăng lên, hàng loạt các thiên tai như động đất, sóng thần, lũ lụt… tàn phá các nước Nhật Bản, Trung Quốc, Myanmar,…

đó là cảnh báo đối với con người chúng ta về một thảm cảnh không xa khi mà môi trường sống bị tàn phá tới mức không còn cứu chữa được

nữa Vấn đề cấp thiết hiện nay là cần tìm cách khắc phục những nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường Thủ phạm chính gây ô nhiễm môi

trường đó là các khí nhà kính cacbon điôxít, mêtan, nitơ oxít,…được thải

ra chủ yếu trong các quá trình đốt nhiên liệu như xăng dầu, than đá,… để thu năng lượng và năng lượng ấy gọi là năng lượng bẩn Vậy làm thế nào

để có năng lượng để sử dụng mà không làm ô nhiễm môi trường? Một loạt các loại năng lượng sạch đã được thế giới nghiên cứu và đưa vào sử dụng Trong đó có năng lượng sinh học Năng lượng sinh học mới được nghiên cứu gần đây và thực sự là niềm hy vọng mới cho con người về vấn

đề bảo vệ môi trường và là một phương hướng giải quyết cho vấn đề nhiên liệu hoá thạch hiện nay đang dần trở nên cạn kiệt

Trong đề tài này, nhóm chúng tôi sẽ tìm hiểu về nguồn năng lượng sinh học này Năng lượng sinh học là nguồn năng lượng tái tạo gồm hai loại năng lượng đó là năng lượng sinh khối và năng lượng nội nhân Về bản chất hai loại năng lượng này giống nhau đều được lấy từ sinh vật, tuy nhiên về mức độ ứng dụng thì rất khác nhau Năng lượng sinh khối chỉ mới được nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu là khí mêtan và êtanol sinhhọc Khí mêtan – sản phẩm phân huỷ của vi sinh vật – và là một trong cáckhí nhà kính có nguy cơ làm ô nhiễm môi trường còn etanol sinh học là một loại nhiên liệu nhân tạo tương lai có thể dùng làm nhiên liệu thay choxăng và than đá, do đó năng lượng sinh khối hiện nay đang được đánh giácao và là phương hướng áp dụng của nhiều quốc gia trên thế giới Trong khi đó năng lượng nội nhân đã được nghiên cứu từ rất lâu là năng lượng điện được lấy trực tiếp từ bên trong cơ thể của con người, nguồn năng lượng này chỉ được thể hiện ở một số ít người “có khả năng đặc biệt” và một số trường hợp đặc biệt nên nó vẫn còn là bí ẩn đối với các nhà khoa học Bên cạnh đó không ít người cho rằng năng lượng nội nhân là không

có thật, đó chẳng qua chỉ là sản phẩm của mê tín dị đoan

Như vậy, nguồn năng lượng sinh khối có thật sự là một là một nguồn năng lượng hy vọng cho con người nhằm đảm bảo vấn đề môi trường và thay thế cho nguồn năng lượng hoá thạch đang cạn kiệt? Việt Nam ta có tiềm lực sử dụng năng lượng sinh khối hay không và đã sử dụng được loại năng lượng này hay chưa? Nghiên cứu năng lượng nội nhân liệu có phải là một sự nghiên cứu khoa học đúng đắn hay chỉ là sản phẩm của tưởng tượng? Việc đi tìm câu trả lời cho những câu hỏi như trên thực sự

có ý nghĩa quan trọng và mang tính thực tiễn cao Từ những vấn đề đượcnêu ra ở trên và do tính giới hạn về mặt thời gian cũng như kiến thức của

đề tài, chúng tôi đã định hướng và lựa chọn đề tài: “Tìm hiểu về năng lượng sinh học” Trong đó chúng tôi sẽ tìm hiểu về cả hai loại năng lượngsinh học và nội nhân và tập trung tìm hiểu kỹ về vấn đề sử dụng của hai loại năng lượng này ở Việt Nam cũng như trên thế giới

Mục đích chính của đề tài là sử dụng thông tin và số liệu mà chúng tôi thuthập được trên sách, báo và Internet để trả lời cho câu hỏi: “Năng lượng

sinh học là gì và vấn đề sử dụng năng lượng sinh học trong việc bảo vệ môi trường sinh học là như thế nào ?” từ đó đưa ra nhận định đánh giá về việc sử dụng năng lượng sinh học ở Việt Nam và đề xuất xuất phương hướng phát triển cho loại năng lượng này.

Để đạt được kết quả cuối cùng như mong muốn, nhóm chúng tôi thấy rằng cần phải thực hiện được những nhiệm vụ cần thiết sau:

- Tìm tài liệu liên quan

- Nghiên cứu về năng lượng một cách tổng quát

- Nghiên cứu nguyên tắc sử dụng năng lượng sinh khối để chuyển thành điện năng

- Tìm hiểu năng lượng sinh khối góp phần bảo vệ môi trường như thế nào

- Tìm hiểu thực trạng sử dụng năng lượng sinh khối ở Việt Nam và thế giới

- Tìm hiểu về năng lượng nội nhân

Với các nhiệm vụ cụ thể nêu trên, chúng tôi đã từng bước tìm hiểu được các kiến thức nền tảng về năng lượng sinh học, vấn đề sử dụng năng lượng sinh học nhằm bảo vệ môi trường cũng như vần đề sử dụng năng lượng sinh học ở Việt Nam và thế giới Kết quả tìm hiểu cho thấy:

- Năng lượng sinh khối quả thật là một nguồn năng lượng sạch, nó

có tác dụng triệt tiêu khí nhà kính mêtan trong bầu khí quyển của Trái Đất và trên thế giới hiện đang sử dụng mêtan như là một chất đốt để thu điện năng Còn êtanol sinh học đang được dùng để thay thể cho xăng, dầu, than đá không chỉ bởi các nhiên liệu hoá thạch này đang ngày càng cạn kiệt mà việc sử dụng êtanol sinh học thay xăng cũng làm giảm lượng khí nhà kính đi nhiều lần

- Năng lượng nội nhân đó là năng lượng điện có được từ sự phóng điện chỉ xảy ra ở số ít người có sự sắp xếp tế bào ở một cầu trúc đặc biệt nào đó Tuy nhiên con người có thể đạt được sự sắp xếp cấu trúc ấy bằng

sự tập luyện mỗi ngày các môn như yoga, khí công, dưỡng sinh… Mặc

dù vẫn có nhiều dư luận cho rằng đây là một điều phản khoa học nhưng việc nghiên cứu về năng lượng nội nhân là một vấn đề nghiên cứu khoa học nghiêm túc, cần được phát triển

- Việc ứng dụng năng lượng sinh học này trên thế giới phát triển rất mạnh Ở Việt Nam, năng lượng sinh học còn quá mới mẻ Việt Nam có tiềm lực rất lớn cho việc phát triển năng lượng sinh khối và đã có nhiều

dự án sử dụng năng lượng sinh học sẽ được hoàn tất trong thời gian

không xa Năng lượng nội nhân ở Việt Nam cũng có rất nhiều nhân

chứng cho các trường hợp về nhân điện, tuy nhiên vẫn chưa có một ngiên cứu nào về loại năng lượng này ở Việt Nam

Kết quả, nhóm chúng tôi đã thực hiện được mục tiêu đưa ra của đề tài này Tuy nhiên do thời gian là không nhiều nên những gì mà chúng tôi thực hiện còn mang tính tổng quát mà chưa đi sấu vào cụ thể Chúng tôi

nghĩ đây là một đề tài hấp dẫn, có ý nghĩa với thực tiễn và có khả năng

mở rộng Với mức độ nghiên cứu sâu hơn, chúng tôi sẽ chia đề tài này làm hai đề tài riêng biệt hoàn toàn: “Năng lượng sinh khối” và “Năng lượng nội nhân” để từng vấn đề nghiên cứu được sâu hơn, cụ thể hơn và

có giá trị hơn

Đề tài này được chia là 2 phần chính:

- Đại cương về năng lượng: sẽ được trình bày ở chương 1 Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày những kiến thức tổng quát nhất về năng lượng, năng lượng hoá thạch và các loại năng lượng sạch

- Năng lượng sinh học: sẽ được trình bày ở chương 2 Chương này

sẽ trình bày về nguồn gốc, nguyên tắc sử dụng, tình hình sử dụng ở Việt Nam, thế giới của năng lượng sinh khối và những nghiên cứu mà khoa học đã đạt được về năng lượng nội nhân

Chương 1: Đại cương về năng lượng

1 Năng lượng – vai trò của năng lượng đối với cuộc sống con người

“Năng lượng là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng sinh công của một vật” [14] Chúng ta biết rằng năng lượng được bảo toàn nhưng cóthể chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác Trong thực tiễn năng lượng được khai thác từ nhiều nguồn khác nhau: gỗ, khí đốt, dầu mỏ, than, thường ở các dạng năng lượng như cơ năng, nhiệt năng, hóa năng, và được chuyển hóa chủ yếu dưới dạng điện năng, để đưa vào sử dụng trong đời sống sinh hoạt hằng ngày Cuộc cách mạng công nghiệp Anh vào thế

kỷ XVIII, với thành tựu đầu tiên là chiếc máy hơi nước và tiếp theo là cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật với phát minh động cơ đốt trong và động cơ điện đã giúp con người phát triển với trình độ ngày càng cao hơn, năng suất lao động ngày càng tăng, đời sống con người ngày càng cải thiện.Vai trò của năng lượng trong cuộc sống ngày càng được khẳng định, năng lượng đã trở thành nhu cầu không thể thiếu trong xã hội ngày nay, nó quyết định đến sự phát triển của cả xã hội loài người Chúng ta thấy rằng, vấn đề khủng hoảng năng lượng ảnh hưởng đến kinh tế, xã hội của tất cả các nước trên thế giới và việc giải quyết bài toán năng lượng là một trong những vấn mang tính chất cấp thiết đối với mỗi quốc gia và thếgiới “Năng lượng trở thành vấn đề sống còn đối với mỗi quốc gia” [13]

2 Năng lượng hóa thạch

Nguồn năng lượng hóa thạch: than, dầu mỏ, khí tự nhiên, được hình thành cách đây vài trăm triệu năm do thực vật và vi sinh vật sinh trưởng từ xa xưa, trải qua những biến động của vỏ trái đất ở những điều kiện áp suất, nhiệt độ và một số yếu tố khác thích hợp Con người đã biết đến chúng từ xa xưa: “người Ai Cập dùng dầu để bảo quản xác ướp, người Trung Quốc dùng dầu để đóng gạch và sưởi ấm nhà, ”[16] Việc

sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch trở nên cần thiết và thành nhu cầu không thể thiếu của con người kể từ khi động cơ hơi nước ra đời Từ đây con người bắt đầu khai thác và sử dụng triệt để các nguồn nhiên liệu hóa thạch để phuc vụ: nấu ăn, sưởi ấm, phục vụ cho sản xuất, các nguồn nhiên liệu này có được do sự khai thác các quặng, mỏ có trong tự nhiên Mức tiêu thụ năng lượng của con người ngày càng tăng lên rất nhanh,

“chỉ trong hơn một thế kỷ, chúng ta đã tiêu thụ một lượng lớn trữ lượng nhiên liệu hóa thạch mà tự nhiên đã kiên trì hàng trăm triệu năm để sản xuất ra Sẽ cần phải hàng trăm triệu năm nữa mới có thể tái tạo được trữ lượng này” [16], “mức tiêu thụ năng lượng trên thế giới đã tăng lên rất nhanh trong thế kỷ XX, từ năm 1900 đến năm 2000, năng lượng tiêu thụ

đã tăng lên 10 lần, trong khi dân số toàn cầu tăng 4 lần, từ 1,6 tỷ lên đến 6,1 tỷ người” [15] trong khi các nguồn năng lượng này không phải là vô hạn

Khu vực Than Dầu Khí

Việc khai thác quá mức các nguồn nhiên liệu này đã để lại những hậu quảnặng nề mà con người phải gánh chịu: ô nhiễm môi trường, mưa axít, pháhủy tầng ôzôn, giảm chất lượng nguồn nước, biến đổi khí hậu, “trong suốt quá trình tiến hóa của nhân loại, có lẽ loài người chưa bao giờ đứng trước một thách thức nghiêm trọng và phức tạp như hiện nay đó là hiện tượng biến đổi khí hậu và những hệ lụy của nó Những hệ lụy đó đã và đang sẽ làm đảo lộn cuộc sống của nhân loại làm tiêu tán bao nhiêu công phu mà con người đã bỏ ra để xây dựng thế giới giàu đẹp trên các mặt vậtchất và tinh thần”[15]

Để giải quyết bài toán năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và nhữnghậu quả của nó thì chúng ta cần phải sử dụng tiết kiệm, hợp lý và cần tìm

ra nguồn năng lượng mới để đảm bảo nhu cầu của con người và đồng thời

ít tác động đến môi trường “Vấn đề đi tìm những nguồn năng lượng mới thay thế các nguồn năng lượng cổ điển đang cạn dần là một vấn đề có tầmquan trọng rất lớn nhằm bảo đảm lâu dài nguồn năng lượng cho con người”[14]

3 Năng lượng tái tạo

Ngày nay con người đang tìm cách thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và bộc lộ những mặt hạn chế Năng lượng tái tạo

là ứng cử viên sáng giá cho việc hạn chế các loại khí thải gây ô nhiễm và mỗi quốc gia có khả năng chủ động trong việc tự cung cấp năng lượng cho mình Dưới những tác động của khoa học kỹ thuật thì năng lượng tái tạo thu được chủ yếu từ những nguồn sau:

Năng lượng mặt trời: bức xạ phát ra từ mặt trời đến Trái Đất dưới dạng những tia sáng và chúng ta có thể thu lại và chuyển thành các dạng năng lượng khác (nhiệt năng, điện năng, )

Năng lượng gió: do sự chênh lệch của áp suất khí quyển của các vùng trên Trái Đất và sinh ra gió Chúng ta có thể thi lấy nguồn năng lượng nàybằng các tua-bin gió Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng nguồn năng lượng này: thuyền buồm, cối xoay gió,

Năng lượng đia nhiệt: nhiệt độ cao trong các địa tầng do các phản ứng hạtnhân gây ra trong lòng đất và được con người khai thác và chuyển hóa thành nhiệt năng và điện năng

Thủy năng: dưới sự vận động của các dòng nước và những điều kiện tự nhiên thì chúng ta có thể tạo ra điện năng từ chúng Thủy năng bao gồm: năng lượng nước của sông, và năn lượng nước ngoài đại dương Đối với năng lượng nước của sông thì chúng ta dựa vào thế năng để tạo làm quay tua-bin và tạo ra dòng điện, đối với năng lượng nước ngoài đại dương thì chúng ta dựa vào động năng của sóng biển, thủy triều, thông qua các hệ thống thu và chuyển hóa năng lượng thì ta có được điện năng

Năng lượng sinh học: lấy từ các sinh vật trong tự nhiên và các chất thải trong nông nghiệp, sinh hoạt, các nguồn này có thể đốt trực tiếp hoặc chuyển sang dưới dạng các chất mang năng lượng ở thể khí, lỏng, rắn

+ Nguồn sinh khối cổ điển: củi, cành cây, gỗ, rơm rạ, việc sử dụng nguồn sinh khối này đã có từ khi loài ngoài biết đến lửa, sản phẩm thu được là nhiệt năng.

+ Nguồn sinh khối hiện đại: do sự tác động của con người vào các nguồn sinh khối cổ điển nhưng với trình độ kỹ thuật cao, tạo ra nhiều sản phẩm năng lượng đa dạng như: nhiên liệu dưới dạng lỏng, khí, , có tính thân thiện với môi trường Nguồn sinh khối hiện đại đã trải phát triển qua

ba giai đoạn:

- Giai đoạn 1: nguồn sinh khối được sử dụng chủ yếu là ngô, khoai, mía, củ cải đường, dầu thực vật, mỡ động vật, nhược điểm của nguồn nhiên liệu này là việc khai thác chúng ảnh hưởng trực đến vấn đề an ninh lương thực “Xe tải chỉ đổ một lần đầy bình nhiên liệu bioethanol 100% (tức loại E – 100) là đã lấy đi số lượng ngũ cốc nuôi sống một người trong một năm”[17]

- Giai đoạn 2: nguồn sinh khối sử dụng chủ yếu là các phụ phẩm hoặc phế phẩm trong sinh hoạt và trong sản xuất như: rơm, vỏ trấu, bã mía, thân ngô, chúng có ưu điểm là tận dụng được các phế phẩm, phụ phẩm, hông ảnh hưởng đến an ninh lương thực nhưng nguồn cung ứng chưa đáp ứng được nhu cầu và việc chuyển hoá năng lượng không đạt hiệu suất cao

- Giai đoạn 3: nguồn nguyên liệu được khai thác từ các loại tảo, cỏ (cỏ Jatropha cuurcas, cỏ switchgrass, ) chúng có ưu điểm tuyệt đối là không gây ảnh hưởng đến an ninh năng lượng cũng như về nguồn cung ứng

+ Năng lượng nội nhân: là nguồn năng lượng tồn tại một cách tiềm ẩn bêntrong con người tạo ra những khả năng đặc biệt cho một số người Đây vẫn còn là một vấn đề bí ẩn cần các nhà khoa học nghiên cứu

Các nguồn năng lượng tái tạo có thể chia thành 3 nhóm sau:

Năng lượng tái tạo

Nhóm I Nhóm II Nhóm III

Năng lượng gió

Năng lượng sông

Năng lượng đại dương: sóng, thủy triều

Năng lượng quang điện và năng lượng quang điện hóa học trên cơ sở ánh nắng mặt trời Năng lượng địa nhiệt

Năng lượng địa mặt trời Năng lượng sinh khối

Năng lượng chất thải

Bảng “Phân loại các nguồn năng lượng tái tạo” [17]

Dựa vào sự phân nhóm chúng ta thấy rằng:

Nhóm I: các nguồn năng lượng này có đặc điểm là chúng ta không thể chứa hay tích trữ nhưng trữ lượng của chúng là vô hạn Chúng ta thu được điện năng khi khai thác nguồn năng lượng này

Nhóm II: về mặt trữ lượng thì nguồn năng lượng này là vô hạn, không thểtích trữ nhưng bên cạnh việc thu được điện năng chúng ta còn có nhiệt năng

Nhóm III: chúng ta có thể tồn trữ được nguồn năng lượng này, bằng cách đốt trực tiếp thì ta có thể thu được nhiệt và điện hoặc thông qua các quá trình chuyển hóa ta thu được năng lượng dưới dạng nhiên liệu sinh học vàđược sử dụng trong nhiều mục đích

Với những ưu điểm về trữ lượng, tính ốn định, không ảnh hưởng đến môi trường, biến đổi khí hậu thì việc sử dụng năng lượng tái tạo trong đời sống ngày càng phổ biến, năng lượng tái tạo đã dần thay thế vị trí của năng lượng hóa thạch

Nguồn Sản lượng (Exajoule)

1 Exajoule = 1018 Joule Tăng trưởng

2001 2004 2005 %/ năm

Năng lượng sinh khối hiện đại 8,32 9,01 9,18 2,5

Năng lượng địa nhiệt 0,6 1,09 1,18 18,37

Thủy điện nhỏ 0,79 1,92 2,08 27,47

Điện gió 0,73 1,50 1,86 26,56

Năng lượng mặt trời

Nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp

Điện mặt trời (nhiệt)

Năng lượng biển 0,01 0,01 0.01 0,46

Tổng cộng năng lượng tái tạo 11,16 16,02 17,26 11,51

Tổng cộng năng lượng sơ cấp(*) 418,85 469 477,10 1,6Phần trăm năng lượng tái tạo 2,7 3,4 3,6

Bảng “Năng lượng tái tạo, sản xuất và tăng trưởng” [15]

(*) Năng lượng sơ cấp là năng lượng chứa trong tài nguyên thiên nhiên, thông qua việc chuyển hóa năng lượng chúng ta thu được các chất mang năng lượng để sử dụng phù hợp với mục đích và yêu cầu Ví dụ từ dầu

mỏ thông qua việc chưng cất ta thu được xăng, dầu hỏa, dầu diesel, nhựa đường, như vậy dầu mỏ là một trong những nguồn năng lượng sơ cấp.Như vậy: Các nguồn năng lượng này ngày càng khẳng định vị trí và vai trò của mình trong cuộc phát triển kinh tế, công nghiệp như vũ bão hiện nay với những ưu điểm: gần như vô tận và hạn chế gây ô nhiễm môi trường “Khai thác và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo chính là giải pháp cứu cánh cho thách thách khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu Vì vậy nguồn năng lượng tái tạo ngày nay còn được gọi nhiều tên khác nhau như: nguồn năng lượng mới (của loài người), nguồn năng lượng lựa chọn (cho thế kỷ), nguồn năng lượng thay thế (cho nguồn năng lượng truyền thống) hay nguồn năng lượng xanh (của hành tinh)”[17]

Chương 2: Năng lượng sinh học

Trong các nguồn năng lượng sạch đã được con người phát hiện và sử dụng, thì nguồn năng lượng sinh học là khá mới mẻ, chỉ được sử dụng gần đây và triển vọng tương lai là rất hứa hẹn Nguồn năng lượng sinh học này bao gồm hai loại:

- Năng lượng sinh khối: là loại năng lượng được lấy các nguồn động vật và thực vật

- Năng lượng nội nhân: còn gọi là nhân điện, là nguồn năng lượng điện tồn tại bên trong cơ thể con người

Năng lượng sinh học tuy đã được đưa vào sử dụng nhưng vẫn còn có rất nhiều tiềm ẩn và cần được nghiên cứu Cụ thể là nguồn năng lượng sinh khối đã được đưa vào sử dụng trên thế giới nhưng năng lượng nội nhân vẫn đang là một bí ẩn cần được các nhà khoa học nghiên cứu

1 Năng lượng sinh khối

1.1 Thành phần và nguồn gốc của sinh khối

Sinh khối được lấy từ xác bả thực vật và động vật là những cơ thể có tổ chức sống, thành phần chủ yếu gồm có carbon, hydro, oxi, nitơ, các oxít bazơ Trong thực tế sinh khối chủ yếu được tìm thấy trong các nguồn như: xác động vật, gỗ, hoá chất thải, khí thải

- Nguồn sinh khối gỗ được lấy từ các loại cây nông nghiệp như: cây gai dầu, cây dương, cây mía, cây ngô, cây liễu, cây lúa miến … và các cây công nghiệp như cây bạch đàn và cây cọ dầu

- Các nguồn sinh khối khác như xác chết hay phân thối rữa của độngvật, các chất thải sinh hoạt của con người khi bị vi sinh vật phân hủy sẽ tạo ra mêtan và nhiều chất khí khác gọi là chất khí thải sinh học (biogas)

Thành phần hoá học của biogas rất khác nhau tuỳ thuộc vào quá trình phân huỷ Các biogas sản sinh ra trong quá trình phân hủy gồm có mêtan (CH4) chiếm khoảng 50 – 70%, khí cacbonic (CO2) chiếm khoảng 20 – 50%, Nitơ (N2) chiếm khoảng 0 – 10%, Hydro (H2) chiếm khoảng 0 – 1%, Hydro Sunfít (H2S) chiếm khoảng 0 – 3% và còn lại là Oxi (O2)

“Với kỷ thuật phân hủy tiên tiến thì lượng methane sinh ra có thể lên đến khoảng 55 – 75% hoặc từ 80 – 90%” [8] Trong quá trình phân hủy còn kèm theo một lượng nhỏ hơi nước có tác dụng giữ nhiệt cho biogas Trong một vài trường hợp, biogas còn chứa siloxane Siloxane là một hợpchất hoá học có công thức là R2SiO với R là nguyên từ Hydro hay gốc hydro cacbon Siloxane này thường xuất hiện trong sự phân hủy các chất như xà phòng và thuốc tẩy trong chất thải sinh hoạt Khi bị đốt cháy, silloxane giải phóng ra silic (Si), Si sẽ kết hợp với Oxi trong không khí đểtạo thành SiO2 hoặc silicat

1.2 Sự chuyển hoá sinh khối sang năng lượng hữu ích

Sinh khối có thể được cải tạo để trở thành các dạng năng lượng hữu ích phục vụ cho đời sống thực tế Ví dụ như: “etanol sinh học có thể thay xăng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong mà không gây ô nhiễm môi trường, hay methane sinh học có thể tự đáp ứng đủ nhu cầu chất đốt cho điện khí hóa ở các vùng nông thôn”[18] làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hoá thạch đang làm ô nhiễm môi trường và ngày càng cạn kiệt

Có nhiều cách để chuyển hoá năng lượng từ sinh khối sang các dạng nănglượng sử dụng khác như: nhiệt năng, điện năng, hoặc các nguồn nhiên liệu sạch mới như nhiên liệu sinh học hay khí đốt sinh học Trong đó việc

sử dụng năng lượng sinh khối để chuyển hoá sang điện năng đang là một vấn đề nóng được nhiều nước trên thế giới quan tâm bởi hiện nay điện năng là nguồn năng lượng chính cần thiết nhất cho sinh hoạt trong khi cácnguồn cung cấp năng lượng từ hoá thạch gây ô nhiễm quá nhiều và hiện đang có nguy cơ cạn kiệt

Trong mục này chúng tôi chỉ đề cập đến sự chuyển hoá năng lượng từ biogas sang điện năng và dùng biogas để làm nhiên liệu động cơ đốt trong

a) Chuyển hoá điện năng

• Nguyên tắc sản xuất điện năng từ biogas

Việc sản xuất điện năng từ sinh khối chủ yếu nhờ vào sự biến đổi khí sinhhọc (biogas) Trong đó chủ yếu là khí methane (CH4) Trong quá trình phân huỷ các chất thải, methane bị lẫn với các chất khí khác như H2S, CO2… Do đó, trước khi được đưa vào sản xuất điện năng, methane phải được làm sạch

Quá trình làm sạch methane có tên gọi là quá trình nâng cấp biogas

(Biogas Upgraders) Theo đó, các biogas tự nhiên được đưa qua một lò làm sạch, lò làm sạch này có tác dụng khử CO2, H2S, H2O và các chất

bẩn khác bằng phương pháp gọi là xử lý amin (Amine Gas treating) Quá trình xử lý amin được thực thực hiện theo sơ đồ sau:

Sơ đồ 1 Sơ đồ xử làm sạch Mêtan

Hệ thống làm sạch gồm hai bộ phận là lò hấp thụ và lò tái tạo Khí biogascần được làm sạch được dẫn vào ngăn dưới của lò hấp thụ Chất làm sạch amin đậm đặc và nước được dẫn vào ngăn trên của lò hấp thụ Bên trong

lò hấp thụ, sẽ xảy ra các phản ứng giữa H2S, CO2 với dung dịch amin tạothành dung dịch muối amin

RNH2 + H2S = RNH3HS

RNH2 + CO2 +H2O = RNH3HCO3

Khí methane không phản ứng được dẫn ra ngoài theo ngăn trên của lò hấpthụ Dung dịch muối amin được dẫn ra từ ngăn dưới của lò đến ngăn trên của lò tái tạo, Tại đây chúng được làm đông đặc lại và tách ra trở lại thành H2S, CO2 và dung dịch amin H2S và CO2 được dẫn ra ngoài, còn dung dịch amin được bơm trở lại vào ngăn trên, đi xuống ngăn dưới của

lò Từ ngăn dưới, dung dịch amin được đưa qua lò đun để làm hoá hơi nước trở thành amin đậm đặc như ban đầu

Sau khi được làm sạch thì khí methane lúc này được gọi là methane sinh học (biomethane) hay còn gọi là methane sạch Từ đây, methane sạch sẽ được dẫn vào một hệ thống khác để tạo ra điện năng Quá trình tạo ra điện năng được thực hiện theo sơ đồ sau:

Sơ đồ 2 Sơ đồ sản xuất điện năng từ biogas

Mêtan sinh học được bơm lên cho vào 3 lò nung để đốt cháy Đồng thời, nước từ bộ trích nhiệt cũng được dẫn vào bên trong lò để làm tăng thêm lượng hơi nước Trong lò sẽ xảy ra phản ứng đốt cháy methane tạo CO2

và hơi nước cùng một nhiệt lượng cực lớn

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q với Q = 891kJ/mol CH4

Nhiệt lượng toả ra sẽ làm các phân tử hơi nước chuyển động mạnh gọi là hơi siêu nóng Hơi siêu nóng sẽ được dẫn qua bộ phận máy phát điện Tại

đó, hơi này sẽ làm quay tua bin máy phát điện với tốc độ khoảng 7500 vòng/phút, tua bin quay sẽ sản sinh ra một hiệu điện thế vào khoảng 20

000 Vôn Sau khi làm quay tua bin, hơi nước lúc này không còn nóng nữa

sẽ được dẫn qua bộ phận làm lạnh để làm ngưng tụ hơi nước thành nước

để rồi từ đây, lại cung cấp nước cho bộ phận trích nhiệt đưa nước vào lò

• Lợi ích sử dụng biogas sản xuất điện năng

Với việc chuyển hoá sang điện năng từ khí methane, vấn đề về thiếu thốn năng lượng và ô nhiễm môi trường được cải thiện đáng kế Vấn đề ô nhiễm môi trường phải kể đến hiệu ứng nhà kính và sự nóng lên toàn cầu

và khi đề cập đến vấn đề này, người ta lại nghĩ ngay đến khí CO2 như là thủ phạm hàng đầu Tuy nhiên, tầm ảnh hưởng của mêtan CH4 vượt xa CO2 “Mêtan ảnh hưởng gấp 25 lần so với Cacbon điôxít trong khoảng

thời gian 100 năm”[1] Nói như thế có nghĩa là với cùng một khối lượng

là như nhau thì methane phá huỷ tầng Ozon và làm tăng nhiệt độ Trái Đấtnhiều hơn cacbon điôxít là gầp 25 lần trong khoảng thời gian là 100 năm Hình 1 [19]

Khí Công thức Hàm lượng trong khí quyển

Hơi Nước H2O 36 – 72 %

Cacbon Điôxít CO2 9 – 26 %

Methane CH4 4 – 9 %

Ozon O3 3 – 7 %

Bảng 1: Hàm lượng một số khí trong khí quyển [4]

Qua các biểu đồ và bảng trên chúng tôi thấy rằng, hàm lượng mêtan trongkhông khí không phải là nhỏ, hầu hết methane tập trung trên bán cầu Bắc của Trái Đất Đó cũng là lý do dễ hiểu bởi vì bán cầu Bắc là nơi tập trung sinh hầu hết dân số trên thế giới, tập trung vô số nhà máy công nghiệp vớilượng lớn chất thải sinh hoạt lẫn chăn nuôi trồng trọt mỗi ngày tạo ra hàmlượng methane cực kỳ lớn Hơn nữa những lớp trầm tích nằm sâu bên dưới lớp băng ở địa cực bắc khi phân huỷ cũng tạo ra một lượng lớn methane Vì vậy, nếu không có cách gì triệt tiêu lượng methane này thì chỉ trong một thời gian ngắn thôi, tầng Ozon sẽ bị phá họai nghiêm trọng

Và lúc đó, bức xạ nhiệt, bức xạ tử ngoại từ mặt trời sẽ không còn rào cản

mà đi đến thẳng bề mặt Trái Đất, làm Trái Đất ngày càng nóng dần lên, kéo theo một loạt các thiên tai huỷ diệt con người Và hiện nay, sự tăng nhiệt độ không chỉ ở Việt Nam mà hầu hết các nước khác, một loạt các thiên tai như động đất, sóng thần, ngập lụt…ở một loạt các nước như Nhật Bản, Trung Quốc, Thái Lan, Myanmar… đó chính là điểm báo cho một kết cục không xa mà thủ phạm là các khí nhà kính đặc biệt là

+ Mặc dù trong quá trình xử lý biogas cũng như chuyển hoá sinh khối thành điện năng cũng có sinh ra lượng khí nhà kính là CO2, tuy nhiên chỉ sinh khí CO2 mà thôi trong khi việc đốt cháy nhiên liệu hoá thạch ngoài việc sinh ra CO2 còn sinh ra nhiều chất cực độc khác như SO2, CO, H2S, SO3…

+ Đốt cháy methane sản sinh ra lượng CO2 ít hơn là đốt cháy nhiênliệu hoá thạch trên một cùng một nhiệt lượng giải phóng.

Vd: Cứ 1kg than đá khi đốt cháy sẽ sản sinh ra 1.83 kg CO2 và mộtnhiệt lượng là 2kWh = 7.2 x 103 kJ Tức là ứng với 1.83kg CO2 sẽ có 7.2

x 103 kJ với 0.23 kg CO2 sẽ có 891 kJ Trong khi đó, theo như ở trên 

ta có nhiệt lượng 891 kJ sẽ ứng với 1 mol CO2, tức là 44g = 0.044 kg CO2 Như vậy với cùng một nhiệt lượng thì đốt than đá, lượng CO2 sinh

ra sẽ nhiều hơn khi đốt methane là khoảng 5.23 lần

+ Bản thân methane là một chất gây ô nhiễm, nên việc xử lý

methane là bức thiết hơn

• Vấn đề sử dụng biogas để sản xuất điện năng ở Việt Nam và thế giới

Tuy được biết methane là chất khí nhà kính gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự thay đổi khí hậu trên Trái Đất và cũng tìm ra được những cách để

xử lý methane một cách có ích, nhưng cho đến ngày nay, việc dùng

methane để sản xuất điện vẫn cón khá mới mẻ Cần có một thời gian đủ dài để các nước trên thế giới phổ cập và tiến hành thay thế nhiên liệu hoá thạch bằng nhiên liệu từ sinh khối Thêm nữa là nguồn năng lượng từ sinhkhối này vẫn chưa được biết đến nhiều, khi mọi người nhắc đến năng lượng sạch ai cũng nghĩ tới năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thuỷ triều Đó là những phát minh rất quan trọng về các loại năng lượng sạch, tuy nhiên chúng cũng có các nhược điểm như: năng lượng mặt trời thì giá thành quá mắc, năng lượng thuỷ triều và gió thì phụ thuộc quá nhiều vào điều kiện tự nhiên Năng lượng sinh khối tuy mới mẻ nhưng đang là mối quan tâm của rất nhiều quốc gia trên thế giới trong đó

có Việt Nam ta Tuỳ trình độ phát triển và điều kiện kinh tế của các nước trên thế giới mà nguồn năng lượng sinh khối được đưa vào những dự án năng lượng với quy mô lớn hay nhỏ

Hình 2 [9]

Năng lượng sinh khối lấy methane là chủ yếu Dựa vào biểu đồ trên, ta thấy rằng phần lớn methane được lấy từ sản phẩm nông nghiệp, từ quá trình thu hồi nhiên liệu hoá thạch và từ việc xử lý chất thải sinh hoạt Với

cơ cấu methane như trên, rõ ràng ngay cả những nước kém và đang phát triển vẫn có thể tận dụng nguồn năng lượng sinh khối này không kém những nước phát triển Đặc biệt là đối với nước nông nghiệp như Việt Nam ta thì tiềm năng cho năng lượng sinh khối là rất lớn Cho đến nay, ở nước ta cũng đã có nhiều dự án tận dụng nguồn năng lượng sinh khối này.Tuy nhiên, các dự án về năng lượng sinh khối ở nước ta là không lớn và còn được xây dựng lẻ tẻ, mang tính tự phát

Điển hình nhất là việc xây hầm biogas

“Tại ĐBSCL, việc xây hầm biogas đã được thực hiện từ khá lâu ở một số vùng Tuy nhiên, trừ việc thay thế chất đốt đun nấu, chỉ số ít trang trại

chăn nuôi khai thác khá hiệu quả khí biogas thay thế các loại năng lượng khác (điện, xăng - dầu ) Nhìn chung, "công năng" từ biogas vẫn chưa được khai thác hết; việc nhân rộng mô hình xây hầm biogas vẫn chưa được chú ý đúng mức ”[12]

Với việc xây dựng hệ thống hầm biogas này, không chỉ xử lý được vấn đề

ô nhiễm môi trường bởi các chất khí biogas mà người dân còn nhận thấy được hệ thống hầm biogas còn mang lại lợi nhuận cho họ, giúp họ tiết kiệm được từ 4 tới 5 triệu đồng / tháng: “Trang trại của kỹ sư Cao Huỳnh Lâm ở huyện Mang Thít (Vĩnh Long) nuôi 120 heo nái Cách đây khoảng

4 năm, ông Lâm xây 5 hầm biogas (20m3/hầm) với mục đích giải quyết chuyện môi trường Thế nhưng ngay sau đó, ngoài việc sử dụng khí từ biogas thay chất đốt đun nấu cho trên 10 công nhân, ông Lâm còn sử dụng khí biogas vào nhiều "công đoạn" khác của trang trại: Chạy môtơ máy phát điện, máy nghiền thức ăn cho các hầm nuôi cá tra; sưởi ấm cho heo con bằng thiết bị chuyên dùng Ông Lâm cho biết: Việc sử dụng khí

từ biogas thay điện để vận hành các thiết bị liên quan tới hoạt động nuôi

cá, nuôi heo giúp trang trại của ông tiết kiệm bình quân 4 - 5 triệu đồng tiền điện mỗi tháng Ấy là kỹ sư Lâm mới sử dụng khí của 2 trong số 5 hầm biogas đã xây dựng Chi phí đầu tư xây dựng 1 hầm biogas (20m3) thời điểm ông Lâm thực hiện (năm 2004) khoảng trên 6 triệu đồng (hiện khoảng 15 triệu đồng - theo ông Lâm) Ngoài hiệu quả từ mục đính chính (bảo vệ môi trường), lợi ích mà biogas mang lại từ việc tiết kiệm năng lượng (cho xã hội), tiết kiệm chi phí sử dụng năng lượng (cho gia đình) làrất rõ; nhất là trong tình hình khó khăn về năng lượng như hiện nay - kỹ

sư Lâm khẳng định Hiện ông Lâm sẵn sàng cho bà con sống chung quanh khu vực trang trại của mình sử dụng miễn phí nguồn khí biogas còn thừa, chỉ với điều kiện: Bà con phải sử dụng các loại ống dẫn khí chấtlượng tốt để đảm bảo an toàn Vì - ông Lâm nhấn mạnh - khí gas rò rỉ có thể gây cháy nổ, ngộ độc.”[12]

Tuy nhiên với những hiểu biết như thế, với những lợi nhuận như vậy, việc sử dụng hầm biogas vẫn còn quá mới mẻ so với người dân Họ chưa tận dụng được hết triệt để nguồn năng lượng mà biogas đã mang lại cho họ:

“Từ sự hỗ trợ về kỹ thuật của Trường Đại học Cần Thơ, cách đây trên 11 năm, tại làng nghề "làm bột nuôi heo" ở Tân Phú Đông (thị xã Sa Đéc, Đồng Tháp), bà con đã xây 400 hầm biogas (từ 4 - 18m3/hầm) Ông Trần Văn Dũng (cán bộ UBND xã Tân Phú Đông) cho biết: Trừ một số hầm không sử dụng do gia đình không còn nuôi heo, các hầm biogas đều vẫn đang hoạt động tốt; chỉ xảy ra hư hỏng nhỏ Một hộ nuôi 5 con heo thì lượng phân thải ra dư cung ứng cho hầm biogas sử dụng cho gia đình có

10 nhân khẩu Nếu gia đình đó sử dụng gas bình, thì sử dụng khí từ

biogas thay thế có thể tiết kiệm 4 - 5 trăm ngàn đồng/tháng Tuy nhiên, hầu hết hộ xây hầm biogas ở Tân Phú Đông chỉ sử dụng khí biogas thay