IV. NHIÊN LIỆU SINH HỌC (BIOFUEL ) CÔNG NGHỆ VÀ ỨNG DỤNG
5. Sản xuất biofuel dạng khí
5.1. Metan - Biogas
5.1.1. Giới thiệu chung
Metan là hydrocacbon đơn giản nhất, có công thức hóa học là CH4, dạng khí. Ngoài tên gọi metan, người ta còn gọi chúng là khí Marsh; hydrua metyl.
80% lượng phát tán metan toàn cầu là từ nguồn hoạt động sản xuất nông nghiệp và các hoạt động khác của con người sinh ra. Trong suốt 200 năm qua, mật độ của khí này trong bầu khí quyển tăng gấp đôi, vượt từ con số 0,8 lên đến 1,7 ppm (phần triệu).
Metan là thành phần chính của khí tự nhiên, là nhiên liệu có vai trò quan trọng. Vì là hydrocacbon có liên kết đồng hóa trị nên metan rất
Etanol (gỗ) 350 180 Metanol 700 530 DME 0,27 Diezel Fischer - Tropsch 720 - 770 500 - 540 Bio - Oil 1000 790 HTU diezel 535 400
bền, rất hạn chế khi sử dụng làm nguyên liệu sản xuất các loại hóa chất khác.
Metan không mùi, nhưng khi dùng làm nhiên liệu, người ta trộn vào nó một lượng nhỏ hợp chất chứa lưu huỳnh có mùi mạnh là etylmercaptan để dễ phát hiện khi xảy ra sự rò rỉ khí. Metan là chất gây hiệu ứng nhà kính cao gấp 21 lần so với CO2.
Sản phẩm khí từ quá trình phân hủy sinh khối, phân gia súc và phân người, bùn cống, v.v… nhờ vi khuẩn lên men kỵ khí (trong điều kiện không có oxy không khí) và được gọi là biogas. Biogas chứa nhiều metan.
5.1.2. Công nghệ sản xuất biogas
Quá trình phân hủy nhờ vi sinh vật trong các hầm ủ biogas trải qua ba giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất là sinh khối bị thủy phân, phá vỡ mạch phân tử lớn tạo thành đường, axit amin, axit béo nhờ lên men vi sinh vật kỵ khí. Giai đoạn 2 là quá trình axetic hóa, trong đó các vi khuẩn lên men axetic sẽ đồng hóa từng sản phẩm của giai đoạn đầu và biến chúng thành các axit mạch ngắn, chủ yếu là axit axetic. Giai đoạn 3 là giai đoạn metan hóa, được thực hiện bởi các vi khuẩn kỵ khí, ở đây các axit sẽ được chuyển hóa thành metan.
Bể ủ biogas phải hoàn toàn kín đảm bảo môi trường kỵ khí tốt, đồng thời phải thiết kế để chịu được áp suất, và nhiệt độ tối ưu.
5.2. Hydro (H2)
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, dễ cháy (phản ứng với oxy) và sản phẩm của phản ứng chỉ là nước. Ở nhiệt độ thông thường, hydro tồn tại dưới dạng khí, có thể bay hơi xuyên qua cả thành bình đựng (kể cả bằng thép mỏng) nên rất khó bảo quản và vận chuyển. Giải pháp bảo quản và và vận chuyển hydro là dùng bình áp suất hoặc chuyển nó sang dạng lỏng, chứa trong bình chứa đặc biệt chịu áp và giữ cho nhiệt độ bên trong luôn thấp. Hiện tại đã có một trạm nhiên liệu bán hydro do công ty Shell đặt tại Washington (Mỹ) vào tháng 11/2004 và đây được coi là trung tâm nhiên liệu hydro điều tiên trên thế giới. Hydro lỏng tại trạm này được chứa trong hệ thống nhiệt độ -97oC . Từ đây hydro dạng khí sẽ được nạp vào bình nén chứa làm nhiên liệu bơm cho các xe ô tô. Hãng Daimler Chrysler đang nghiên cứu chế tạo ra loại hình có cấu trúc tổ ong để lưu trữ khí hyđro. Tuy nhiên, hạn chế của loại hình này là giá thành cao.
Khí hydro không mùi vị có thể cháy hoàn toàn, có đặc tính dễ nổ hơn nhiều so với xăng. Cùng một khối lượng tương đương, hydro sản sinh nhiều năng lượng hơn xăng. Hydro là nhiên liệu dễ cháy nhất trong các loại nhiên liệu hiện nay. Động cơ xe chạy hydro thường có công suất yếu hơn động cơ chạy xăng cùng dung tích.
Tuy có một số nhược điểm nhưng hydro có thể trở thành nguồn nhiên liệu hấp dẫn thay thế xăng, vì chúng có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau và khi cháy chất thải duy nhất của nó là nước. Xe chạy bằng khí hydro không thải ra các chất gây ô nhiễm như xăng.
Một trở ngại đối với việc phân phối hydro là phải lập ra mạng lưới cung ứng hoàn toàn mới. Nhiên liệu hydro không cần phải sản xuất tập trung như xăng (dầu), rồi vận chuyển đi khắp nơi, mà có thể sản xuất tại chỗ cần sử dụng khí này.
5.2.2. Công nghệ sản xuất và khả năng phát triển
Phương pháp sản xuất hydro đơn giản nhất hiện nay là điện phân nước (H2O). Hydro có thể sản xuất với khối lượng nhỏ ở bất cứ đâu, thậm chí ngay trong gara ô tô.
Tuy nhiên, hiện nay người ta đang còn băn khoăn về giá hydro cũng như giá ô tô chạy bằng nhiên liệu này (hàng tỷ USD đang được các công ty sản xuất ô tô và công ty năng lượng các nước trên thế giới đầu tư để nghiên cứu chế tạo các kiểu xe chạy bằng hydro). Giá hydro hiện nay là 2 USD/kg, 1kg hydro cho lượng năng lượng tương đương năng lượng của 1 galon (3,8 lít) xăng thông thường; còn xe ô tô chạy hydro (như chiếc Opel Zafira) hiện có giá rất cao, đến 1 triệu USD (tất nhiên trong tương lai xe sản xuất nhiều thì giá thành của xe sẽ giảm).
Ba lý do khiến người ta chuyển sang sử dụng hydro làm nhiên liệu là: nguồn năng lượng nguồn gốc hóa thạch đang giảm nhanh và nếu tự túc được nhiên liệu sẽ giúp giảm nhẹ sự lệ thuộc vào nguồn nhập khẩu. Ngoài ra, sử dụng hydro làm nhiên liệu góp phần bảo vệ được sự bền vững môi trường. Vì vậy, mặc dù còn nhiều trở ngại trên con đường tiến tới nền “Kinh tế hydroâ€# , người ta vẫn tin rằng đó là xu thế tất yếu của tương lai và không thấy lý do nào có thể cản trở sự thành công của nhiên liệu hydro.
Có thể trong nhiều năm nữa, xe ô tô chạy bằng hydro sẽ được sản xuất hàng loạt, thay thế các xe sử dụng xăng và diezel hiện thời. Tuy nhiên, các chuyên gia dự đoán còn cần ít nhất một thập kỷ nữa mới giải quyết được về cơ bản các vấn đề đặt ra khi sử dụng hydro làm nhiên liệu.