Với mục đích sản xuất NLSH bền vững, các nhà nghiên cứu, sản xuất năng lượng đang tìm tòi những quy trình công nghệ có khả năng chuyển hóa các dạng sinh khối khó phâ[r]
(1)KH&CN nước ngoài
Mở đầu
Hiện nay, việc sử dụng nguồn lượng tái tạo thay dần nhiên liệu khoáng giải pháp cấp bách để giảm thiểu tác hại biến đổi khí hậu phát thải dioxide carbon làm trái đất nóng lên Năng lượng mặt trời lượng gió quốc gia, có Việt Nam, tăng cường đầu tư phát triển Theo thống kê BP [1], nay, khơng tính đến nhiên liệu thô củi, than gỗ hay chất đốt khác, nhiên liệu khoáng chiếm tỷ lệ 85% cân lượng tồn cầu, cịn lại tỷ phần dạng lượng khác, gồm thủy điện, điện hạt nhân, lượng mặt trời, lượng gió… NLSH
Tuy nhiên, dự báo cho thấy, trạng thái cân lượng thay đổi dần nhờ tăng trưởng tỷ phần dạng lượng tái tạo mà trước hết lượng mặt trời, lượng gió NLSH
Mặc dù nhà chế tạo ô tô sử dụng từ cuối kỷ IXX, NLSH gần bị lãng quên không cạnh tranh với xuất sản phẩm dầu mỏ với giá rẻ tiện lợi sử dụng Do đó, từ có khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 chiến tranh Trung Đông gây ra, số nhà sản xuất nhiên liệu quay trở lại với NLSH Tuy vậy, giá dầu lúc lên lúc xuống, khó đốn định, làm cho nhà sản xuất nhiên liệu phải dè chừng
đầu tư cho sản xuất NLSH để thay phần xăng dầu Bên cạnh đó, cuối kỷ XX, hậu môi trường - sinh thái phát thải mức CO2 gây giới chưa thật rõ ràng, nên tăng trưởng tỷ phần NLSH cân lượng toàn cầu cịn chậm chạp Đó lý khiến sản lượng hàng năm NLSH toàn giới tăng trưởng không đáng kể gần ba thập kỷ cuối kỷ XX Sang kỷ XXI, sản xuất NLSH thuộc hệ thứ gồm xăng sinh học (pha ethanol sinh học vào xăng) diesel sinh học (pha ester nhận từ dầu thực vật hay mỡ động vật vào dầu diesel) có bước tăng trưởng đáng kể [1] Năm
NHIêN LIệU SINH HọC BềN VữNG:
Hướng phát triển thách thức GS.TSKH Hồ Sĩ Thoảng
(2)KH&CN nước ngoài
2006 sản lượng NLSH toàn giới đạt khoảng 27,8 triệu (quy dầu), năm 2016 lên đến 82,3 triệu tấn, xăng sinh học chiếm tỷ lệ áp đảo, khoảng 80% Xăng sinh học phần lớn sản xuất Hoa Kỳ (chủ yếu từ ngô) với sản lượng 35,8 triệu Brazil (chủ yếu từ mía) với sản lượng 18,5 triệu Một số nước EU chủ yếu sản xuất diesel sinh học từ dầu thực vật với sản lượng 13,6 triệu
NLSH bền vững
Mặc dù việc phát triển sản xuất NLSH cần thiết, NLSH hệ thứ coi “không bền vững”, ethanol sinh học chủ yếu sản xuất từ nguyên liệu có nguồn gốc lương thực - thực phẩm có khả cạnh tranh với sản xuất lương thực - thực phẩm (ngơ, mía, sắn…), cịn loại dầu thực vật để chuyển hóa thành ester pha vào diesel phần lớn dầu ăn (hướng dương, hạt cải, đậu nành, cọ…) có khả cạnh tranh với sản xuất
lương thực - thực phẩm (kể jatropha quan tâm Việt Nam) Vấn đề an toàn lương thực toàn giới khơng tầm quan trọng, nạn đói hữu số nơi tiềm ẩn nhiều nguy Cho nên, hướng sản xuất NLSH có khả cạnh tranh với lương thực - thực phẩm khơng khuyến khích, thực tế, sản lượng hàng năm NLSH loại có xu không tăng trưởng Theo dự báo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ [2], từ 2016 đến 2022, sản lượng hàng năm NLSH “truyền thống” (có nguồn gốc từ lương thực - thực phẩm) giữ nguyên, sản lượng “NLSH bền vững” (được sản xuất từ nguyên liệu không liên quan đến sản xuất lương thực - thực phẩm) có xu tăng nhanh Nếu năm 2016 sản lượng “NLSH bền vững” chiếm tỷ lệ khoảng 30% tổng số 82,3 triệu NLSH quy dầu đến 2022 tỷ lệ tăng lên 60%, sản lượng NLSH hệ thứ không tăng
Các “NLSH bền vững” hay “NLSH tiên tiến” (còn gọi NLSH hệ thứ hay hệ tiếp theo) nhiên liệu sản xuất từ dạng sinh khối nào, từ rơm rạ, trấu, thân ngơ, lõi ngơ, bã mía… đến dạng phế phẩm phế thải lâm nghiệp, thân gỗ… vật liệu chứa cellulose, hemicellulose lignin có cấu trúc mạng bền vững Tính đến đầu năm 2015, giới có 67 nhà máy sản xuất “NLSH bền vững” từ nguồn nguyên liệu khác sử dụng cơng nghệ khác nhau, 24 nhà máy vào vận hành quy mơ thương mại hóa (Hoa Kỳ: 9, châu Âu: 5, châu Á - Thái Bình Dương: 4, châu Phi: 3, Nam Mỹ: 3); nhà máy khác quy mô pilot demo [2]
Sản xuất NLSH bền vững
(3)KH&CN nước ngoài
thác nội địa [3]), tranh đột ngột thay đổi trở nên khó dự báo giá dầu giá khí tương lai Mặc dù vậy, tình không làm yếu xu phát triển NLSH, mà ngược lại, nghiên cứu, thử nghiệm tìm tịi cơng nghệ tiên tiến để sản xuất NLSH tiếp tục sôi động, trước hết nước phát triển mà đầu Hoa Kỳ Thực chất, cố gắng nhằm đáp ứng mục tiêu dài hạn Có lẽ nhân tố quan trọng định giá thành NLSH bền vững cơng nghệ chuyển hóa sinh khối rắn
Cơng nghệ sản xuất NLSH hệ thứ tương đối đơn giản nguyên lý, việc hoàn thiện quy trình cơng nghệ phải tiếp tục, nhiên, nhược điểm nhắc đến trên, quy mô công suất sản xuất thực tế dừng lại Năm 2016, Hoa Kỳ sản xuất khoảng 35,8 triệu NLSH mà phải tiêu tốn đến gần 40% tổng sản lượng ngô 26% đất trồng trọt [2] Rõ ràng hướng phát triển NLSH từ nơng sản ăn nơng sản có khả cạnh tranh với sản xuất lương thực khó mà tiếp tục quy mô lớn nay, chí phải giảm
Việc chuyển hóa sinh khối thành NLSH đường sinh - hóa xúc tiến với việc sử dụng enzym thủy phân chủng vi sinh biến tính Quy trình gồm bước tiền xử lý, thủy phân lên men Sinh khối tiền xử lý để cải thiện khả tiếp cận enzym, sau đó, sinh khối trải qua trình thủy phân tác dụng enzym để
chuyển polysaccharide thành dòng monomer glucose xylose Tiếp theo, đường lên men thành ethanol cách sử dụng vi sinh vật khác Trong bước nêu bước tiền xử lý lý - hóa học (physico-chemical pretreatment) khó khăn nhất, thường gọi đoạn “thắt cổ chai” trình, “sự bướng bỉnh” (recalcitrance) lignocellulose [4] Trong thực tế, bước tiền xử lý sinh khối phức tạp, công nghệ phải tiêu tốn nhiều lượng Có thể áp dụng phương cách khác như: Xử lý nước nóng; nổ phá (explosion) nước, amoniac peroxide; sử dụng acid lỗng nhiệt độ nâng cao, base, dung mơi hữu cơ, lưu huỳnh dioxide… Các trình lý - hóa bước tiền xử lý dẫn đến tích tụ chất ức chế có tác dụng độc hại bước thủy phân lên men tiếp theo, điều phải tính đến thiết kế tồn q trình sản xuất ethanol
Phương pháp chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu lỏng (BtL) nguyên lý không khác phương pháp kinh điển chuyển hóa ngun liệu khống (than, dầu, khí) thành hóa phẩm nhiên liệu thơng qua q trình khí hóa (tạo H2, CO CO2) trình tổng hợp Fischer - Tropsch (FT) thành sản phẩm lỏng với thành phần tùy theo điều kiện phản ứng chất xúc tác Khí hóa sinh khối thực nhiệt độ tương đối cao (700-800oC) Methanol nhận từ q trình FT sử dụng nhiên liệu, thường chuyển hóa
tiếp thành dimethyl ether (DME) olefin DME nhiên liệu với tính phù hợp cho động diesel, cịn olefin chuyển hóa tiếp thành xăng q trình MTG (Methanol to Gas) [5] Công nghệ MTG Tập đoàn ExxonMobil phát triển triển khai Hoa Kỳ số quốc gia khác
(4)KH&CN nước ngồi
chúng đóng vai trị quan trọng để tiếp tục chuyển hóa sản phẩm trung gian phản ứng HDO Chính khâu trung gian RTP HDO đóng vai trị “nút thắt cổ chai” việc thương mại hóa q trình sản xuất NLSH bền vững Kết nghiên cứu gần gỡ dần “nút thắt cổ chai”
Tương tự trình loại bỏ lưu huỳnh (HDS) loại bỏ nitơ (HDN) công nghiệp chế biến dầu, trình HDO dầu nhiệt phân cần tiến hành điều kiện nhiệt độ tương đối cao áp suất hydro Trong nhiều tác giả nghiên cứu trình HDO dầu nhiệt phân để tiến tới thương mại hóa, Cơng ty UOP Tập đồn Honeywell thành cơng q trình HDO chuyển hóa acid béo triglyceride (trong dầu thực vật mỡ động vật) thành nhiên liệu tiên tiến dạng hydrocarbon, gọi trình Ecofining [7] Các sản phẩm HDO trường hợp UOP gọi NLSH hệ thứ tư (hay “nhiên liệu xanh”), sử dụng trực tiếp cho phương tiện vận tải (như xăng diesel) mà không cần trộn với nhiên liệu khoáng
Trong tổng quan [8], tác giả tổng hợp kết nghiên cứu phản ứng HDO số ngun liệu mơ hình, sở sàng lọc thiết kế hệ xúc tác thích hợp, đồng thời đánh giá kết khảo sát HDO số sản phẩm dầu nhiệt phân chế độ phản ứng khác Các tác giả đến nhận xét rằng, số họ xúc tác thường sử dụng cho phản ứng hydro
hóa cơng nghiệp lọc dầu, carbide, nitride phosphide kim loại chuyển tiếp tỏ chất xúc tác có độ bền cao giá thành thấp Hy vọng tương lai sớm xuất quy trình cơng nghệ HDO dầu nhiệt phân thương mại hóa Ở Việt Nam, Viện Dầu khí Việt Nam [9] bắt đầu tiến hành nghiên cứu công nghệ RTP HDO Các phế thải nơng nghiệp (rơm rạ, trấu, lõi ngơ, bã mía) thử nghiệm cho trình nhiệt phân nhanh Dầu nhiệt phân với hiệu suất cao (50-60%) nâng cấp chất lượng trình xúc tác cracking hydrodeoxy hóa hydro hóa Những kết cơng trình chứng tỏ khả tiềm tàng việc sản xuất NLSH hệ từ nguyên liệu sở phế thải nơng nghiệp nước ta (rơm rạ, trấu, bã mía…) với hàng chục triệu tấn/năm
Mặc dù có nhiều cố gắng nghiên cứu giảm giá thành sản xuất NLSH bền vững,
NLSH, kể NLSH hệ thứ nhất, bản, chưa cạnh tranh với sản phẩm dầu mỏ Tác giả Anselm Eisentraut [10] thuộc Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA) đưa sơ đồ so sánh giá thành số dạng NLSH sản xuất công nghệ khác giá thành sản xuất xăng từ dầu mỏ cho hai kịch với giá dầu thơ 120 USD/thùng 60 USD/thùng, có tính đến tiến cơng nghệ chuyển hóa sinh khối (xem hình 1)
Số liệu hình cho thấy tranh đáng quan tâm so sánh giá thành NLSH nhiên liệu khoáng Với kịch giá dầu thô 120 USD/thùng, trừ BioDO từ dầu hạt cải, NLSH cạnh tranh tốt với sản phẩm dầu mỏ Khi giá dầu thô mức 60 USD/thùng, tính cạnh tranh giảm đi, giá thành ethanol từ cellulose sản phẩm BtL (BioDO) dài hạn giảm đáng kể so với thời điểm khảo sát (2010) tiến gần tới giá thành sản xuất xăng từ dầu mỏ Trong dài
(5)KH&CN nước ngồi
hạn, giá dầu thơ tiếp tục tăng, có sở để hy vọng tính cạnh tranh NLSH bền vững cải thiện đáng kể
Nguyên liệu thách thức
Với mục đích sản xuất NLSH bền vững, nhà nghiên cứu, sản xuất lượng tìm tịi quy trình cơng nghệ có khả chuyển hóa dạng sinh khối khó phân hủy có sản lượng dồi phế thải phế phẩm nông - lâm nghiệp (gọi chung dư lượng nông - lâm nghiệp) rừng trồng để thành NLSH với giá thành cạnh tranh với nhiên liệu khống Đây nguồn ngun liệu chủ yếu để sản xuất NLSH bền vững tất quốc gia, có Việt Nam Ở nước ta, theo thống kê sơ bộ, có đến hàng chục triệu phế thải nơng nghiệp (rơm rạ, trấu, bã mía, thân lõi ngô…), chưa kể nguồn sinh khối khác dồi khơng Trên quy mơ tồn cầu, lượng sinh khối hàng năm sử dụng cho chuyển hóa thành NLSH lên đến nhiều tỷ Những tiến đạt nghiên cứu lạc quan, ngày xuất quy trình công nghệ tiến trước Đầu năm 2014, nhà máy sản xuất ethanol từ phế thải ngô (corn stover) lớn bang Iowa Liên doanh Poet-DSM đầu tư khánh thành [11] Được xây dựng liền kề với nhà máy ethanol từ (hạt) ngô xây dựng trước đó, hàng năm nhà máy chế biến 285 ngàn phế thải ngô 25 triệu gallon (khoảng 95 triệu
lít) ethanol Ethanol từ cenlulose Poet-DSM có tính chất giống ethanol từ (hạt) ngơ, tạo từ phế thải cịn lại mặt đất sau thu hoạch ngô nên hàng năm chu trình sản xuất tránh khoảng 210.000 carbon dioxide phát thải Sau đó, vào tháng 10/2015, Tập đoàn DuPont khánh thành Nevada, Iowa nhà máy sản xuất ethanol từ phế thải ngô với công suất 375 ngàn nguyên liệu khô, cho khoảng 115 triệu lít ethanol [2, 12] Lượng nguyên liệu cung cấp 500 gia đình nơng dân vịng bán kính 30 dặm Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, sử dụng ethanol từ ngơ giảm phát thải CO2 từ 18 đến 28% so với xăng từ dầu mỏ, sử dụng ethanol từ cellulose mức giảm đến 87%
Nguồn nguyên liệu cellulose phong phú lượng sinh khối cần thiết cung cấp cho nhà máy nhỏ tương
đối lớn Theo dự báo Cơ quan Năng lượng quốc tế IEA [10], đến năm 2050 sản lượng NLSH (chủ yếu NLSH bền vững) đạt khoảng 700 triệu diện tích đất trồng trọt dùng để tạo nguyên liệu sinh khối phải 160 triệu (hình 2) 700 triệu xăng dầu số lớn, xấp xỉ 17% lượng dầu thô khai thác đưa vào sử dụng toàn giới Còn để dành 160 triệu để trồng “cây lượng” triển khai cơng việc thực tế việc không đơn giản
Trong áp lực nhu cầu lương thực cho cư dân nước nghèo khơng giảm, chí tăng, việc thực dự án trồng “cây lượng” diện tích đất phù hợp thách thức to lớn với nhiều thông số phải lựa chọn để đạt hiệu tối ưu Thống kê khảo sát độ sẵn sàng đất cho “cây lượng” nhằm phát triển vùng nguyên liệu với suất hiệu
(6)KH&CN nước ngoài
quả cao việc làm cần thiết để xây dựng lộ trình cho việc đầu tư phát triển sản xuất NLSH bền vững quốc gia Như vậy, dự án trồng “cây lượng” chủ yếu đáp ứng mục tiêu dài hạn, trước mắt, dư lượng nông - lâm nghiệp với phế thải khác phải đóng vai trò chủ lực với tư cách nguyên liệu sinh khối cho sản xuất NLSH bền vững
Dư lượng nông - lâm nghiệp tương đối phong phú, không trường hợp thu mua với giá rẻ, nhiên cần lưu ý có số dư lượng số vùng quê sử dụng vào mục đích khác làm phân bón, làm thức ăn gia súc hay chất đốt Theo tác giả [2], ước tính lượng sinh khối bền vững tiềm Hoa Kỳ 1,1-1,6 tỷ khơ/năm, cung cấp lượng NLSH tương đương nhu cầu nhiên liệu vận tải nội địa năm 2012 Việc sử dụng toàn phần lớn lượng sinh khối để sản xuất NLSH khả thực tế, nhiên, rõ ràng tiềm sản xuất NLSH phải lớn nhiều so với mức sản xuất Nghiên cứu tác giả [13] đưa tranh hấp dẫn tiềm dư lượng nơng - lâm nghiệp tồn giới từ 2010-2100 Đó số 120 EJ (1 EJ = 1018 J), tương đương khoảng 2,866 tỷ dầu quy đổi (MTOE) vào năm 2010 140 170 EJ (khoảng 3,343 đến 4,060 tỷ MTOE) vào năm 2100 Tuy nhiên, khoảng 40% dư lượng nông - lâm nghiệp thường phải để lại đất để tránh tác động xấu
môi trường, khoảng 20-30% sử dụng cho mục đích khác làm nhiên liệu thơ, phân bón, thức ăn gia súc…, cịn 40% sử dụng cho chế biến thành NLSH bền vững
Kết luận
Như vậy, với nhược điểm khắc phục cạnh tranh với sản xuất lương thực, NLSH hệ thứ bị tác động sản xuất lương thực - thực phẩm nên quy mô sản xuất bị thu hẹp dần, hệ NLSH dựa q trình chuyển hóa sinh khối có nguồn gốc khơng cạnh tranh với sản xuất lương thực phát triển với bước ấn tượng tất quy mơ, từ phịng thí nghiệm đến nhà máy thương mại hóa với cơng suất đến trăm ngàn tấn/năm Bên cạnh đó, thách thức công nghệ áp lực hoạt động R&D để tìm cách hạ giá thành sản phẩm dựa sở nghiên cứu sản phẩm trung gian chuỗi chuyển hóa sinh khối chất xúc tác hữu hiệu giai đoạn chuyển hóa Nguyên liệu cho sản xuất NLSH bền vững không thiếu; trước mắt cần sử dụng hợp lý nguồn dư lượng dồi sản xuất nơng - lâm nghiệp, cịn dài hạn phải sử dụng vùng đất phù hợp để trồng “cây lượng” Đây toán phức tạp khó, địi hỏi nghiên cứu thấu đáo, toàn diện, liên kết các ngành, vùng miền, chí quốc gia ?
TÀI LIỆU THAM KHảO
[1] BP (June 2017), Statistical Review of World Energy
[2]2https://www.dovetailinc.org/report_ pdfs/2017/dovetailbiofuels0117.pdf
[3] https://www.eia.gov/tools/faqs/faq php?id=847&t=6
[4]dhttps://www.diva-portal.org/smash/ get/diva2:809239/FULLTEXT01.pdf
[5]vhttps://www.netl.doe.gov/research/ coal/energy-systems/gasification/gasifipedia/ methanol-to-gasoline
[6] A.V Bridgwater (2012), “Review of fast pyrolysis of biomass and product of upgrading”, Biomass and Bioenergy Journal,
38, p.68
[7] https://www.uop.com
[8] Zhan Si, Xinghua Zhang, Chenguang Wang, Longlong Ma and Renjie Dong (2017), “An overview on catalytic hydrodeoxygenation of pyrolysis oil and its model compounds”,
Catalysts,7(6), p.169
[9] Phan Minh Quoc Binh, Duong Thanh Long, Nguyen Dinh Viet, Tran Binh Trong, Nguyen Huynh Hung My, Nguyen Huu Luong, Nguyen Anh Duc, Luu Cam Loc (2014), “Evaluation of the production potential of bio-oil from Vietnamese biomass resources by fast pyrolysis”, Biomass and Bioenergy Journal,
62, pp.74-81
[ ]2h t t p s : / / w w w o e c d o r g / berlin/44567743.pdf
[11] https://www.poetdsm.com.2014 [12]d http://www.dupont.com/corporate-functions/media-center/press-releases/ dupont-celebrates-opening-of-worlds-largest-cellulosic-ethanol-plant.html
[13] Vassilis Daioglou, Elke Stehfest, Birka Wicke, Andre Faaij, Detlef P van Vuuren (2016), “Projections of the availability and cost of residues from agriculture and forestry”,