3.1.1. Kết quả đánh giá chỉ số sử dụng nước và hiệu quả sử dụng nước cho cây sắn
Theo FAO AQUASTAT (2012) TARWR của Việt Nam là 884,1 km3 / năm. Tổng nguồn nước mặt tái tạo ước tính khoảng 847,7 km3 / năm và nguồn nước ngầm 71,42 km3 / năm. Tổng tài nguyên nước khai thác ước đạt 371,9 km3 / năm. Năm 2005, tổng lượng nước lấy ra hàng năm cho nông nghiệp, các ngành công nghiệp và các mục đích đơ thị ước đạt 82,03 km3. Nông nghiệp tưới tiêu sử dụng nhiều nước nhất, chiếm 77,75 km3 hay 94,8% tổng lượng nước lấy ra. Các ngành công nghiệp và đô thị chiếm 3,07 km3 (3,7 %) và 1,21 km3 (1,5 %)
Biểu đồ 1: Lƣợng nƣớc lấy ra theo mục đích sử dụng ở Việt Nam
(Nguồn: FAO AQUASTAT) Ở Việt Nam, trồng trọt sắn sử dụng nước mưa [14]. Do đó, tiêu thụ nước cho trồng sắn chủ yếu là nước xanh (green water). Việc lấy nước cho sản xuất sắn được ước tính bằng sự bốc thốt hơi nước (ET) trên vùng trồng sắn. Do thiếu dữ liệu về sự bốc thoát hơi nước trên vùng trồng sắn ở Việt Nam nên số liệu về thông số này ở Thái Lan đã được sử dụng vì điều kiện khí hậu ở hai nước là tương tự nhau. Theo Panjai và Pojanie (2006) về tỷ lệ ET trên cây trồng sắn ở vùng nhiệt đới, tỷ lệ ET của sắn ở vùng nhiệt đới cao vào ban ngày (8:00 đến 17:00) với giá trị trung bình 0,30 mm h-1 BR và 0,33 mm h-1 đối với phương pháp MPM (do FAO AQUASTAT
94.80% 3.70% 1.50% Agricultural sector Industrial sector Municipal sector
đề xuất tính tốn tỷ lệ ET của cây trồng). Vào ban đêm, giá trị ET thấp hoặc bằng không [18]. Kết quả này cũng giống tính tốn tỷ lệ ET trung bình hàng ngày trên vùng trồng sắn được báo cáo bởi Attarod và các cộng sự (2009) [13] . Ở Việt Nam, trồng sắn (từ trồng trọt đến thu hoạch) kéo dài 10 - 12 tháng tùy thuộc vào một số vùng (trung bình 330 ngày). Như vậy, tổng lượng nước tiêu thụ trên một hécta sắn khoảng 29,7 m3 / ngày hoặc 9801 m3 / năm. Theo báo cáo ngày 15 tháng 12 năm 2016 “Kết quả thực hiện công tác 2016 và triển khai kế hoạch năm 2017 lĩnh vực trồng trọt” của Cục Trồng trọt, năm 2016, với 560 nghìn ha sắn được trồng, tổng lượng nước tiêu thụ đạt 5,49 km 3. Theo số liệu của Viện Khoa học Công nghệ quốc tế Việt Nam- Nhật Bản (VJIIST), tiêu thụ bio-ethanol ở Việt Nam năm 2016 là 19.000.000 lít và sản lượng 19.000.000 lít ethanol cần 114.000 tấn sắn tươi. Năng suất sắn trung bình năm 2016 là 19 tấn / ha. Do đó, 6000 ha sắn được sử dụng cho sản xuất ethanol sinh học và lượng nước lấy ra cho trồng trọt sắn để sản xuất ethanol là 58,806 triệu m 3.
0,33 mm/giờ 10.000 m2
9h (8: 00 đến 17: 00) 330 𝑛𝑔à𝑦
→ "𝑡ổ𝑛𝑔 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑛ướ𝑐 𝑡𝑖ê𝑢 𝑡ℎụ 𝑡𝑟ê𝑛 𝑚ộ𝑡 ℎ𝑎 𝑠ắ𝑛"
= 0,33 × 10−3× 10.000 × 9 × 330 = 9801 𝑚3/𝑛ă𝑚
Năm 2016, 6000 ha sắn sử dụng cho sản xuất ethanol sinh học → 𝐿ượ𝑛𝑔 𝑛ướ𝑐 𝑙ấ𝑦 𝑟𝑎 𝑠ử 𝑑ụ𝑛𝑔 𝑐ℎ𝑜 𝑡𝑟ồ𝑛𝑔 𝑡𝑟ọ𝑡 𝑠ắ𝑛 để 𝑠ả𝑛 𝑥𝑢ấ𝑡 𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 = 6.000 × 9801 = 58,806 𝑡𝑟𝑖ệ𝑢 𝑚3
Do thiếu số liệu về lượng nước được sử dụng trong quá trình chế biến sắn phục vụ sản xuất ethanol, kết quả nghiên cứu được tiến hành ở Thái Lan trước đây đã được sử dụng. Theo Aweewan và Prasert (2013), dấu chân nước của ethanol được sản xuất từ sắn khoảng 2300 - 2820 lít nước / lít ethanol. Tại nhà máy ethanol, nước được sử dụng cho quá trình pha trộn, lên men và chưng cất và pha lỗng các chất ơ nhiễm để xử lý nước thải. Cụ thể, sản xuất ethanol từ sắn khô cần 8,30 – 18,97 lít nước / lít ethanol và ethanol từ sắn tươi cần 26,60 lít nước/ lít ethanol. Hơn
dụng sắn khơ thái lát. Như vậy, trung bình 1 lít ethanol cần 22,5 lít nước trong giai đoạn chế biến. Nếu dữ liệu của Thái Lan được sử dụng, vào năm 2016, sản xuất 19 triệu lít ethanol ở Việt Nam cần sử dụng 427,5 triệu lít ( 427 500 m3) nước. Lượng này quá nhỏ, chỉ chiếm 0,72% so với lượng nước dùng trong tồn bộ q trình sản xuất nhiên liệu sinh học từ sắn.
sắn khơ cần 8,30 – 18,97 lít nước / lít ethanol (13,635 lít) xử lý nước thải cần 7,8 − 9,9 lít nước / lít ethanol (8,85 lít)
→ 1 lít ethanol cần 13,635 + 8,85 = 22,5 lít nước trong giai đoạn chế biến
→ Năm 2016, 19 triệu lít ethanol cần 22,5 × 10−3× 19.000.000 = 427 500 m3 nước cho chế biến
Từ dữ liệu về lượng bio-ethanol ở Việt Nam của VJIIST năm 2016 là 19.000.000 lít (1 lít ethanol tương đương 20,1 MJ năng lượng) và số lượng nước được lấy ra để phục vụ giai đoạn trồng sắn và chế biến sắn (59.287.500 m 3) , tính tốn được 0,155 m3
nước được sử dụng cho sản xuất 1 MJ nhiên liệu sinh học
𝑁ă𝑚 2016, 19 𝑡𝑟𝑖ệ𝑢 𝑙í𝑡 𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 1 𝑙í𝑡 𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 = 20,1 𝑀𝐽 𝑛ă𝑛𝑔 𝑙ượ𝑛𝑔→ 19 𝑡𝑟𝑖ệ𝑢 𝑙í𝑡 𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 = 20,1 × 19.000.000 = 381.900.000 𝑀𝐽 19 𝑡𝑟𝑖ệ𝑢 𝑙í𝑡 𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 = 381.900.000 𝑀𝐽 𝐿ượ𝑛𝑔 𝑛ướ𝑐 𝑠ử 𝑑ụ𝑛𝑔 𝑐ℎ𝑜 𝑡𝑟ồ𝑛𝑔 𝑣à 𝑐ℎế 𝑏𝑖ế𝑛 𝑠ắ𝑛 𝑠𝑥 𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 = 58.806.000 + 427.500 = 59.233.500 𝑚3 → 1𝑀𝐽 𝑁𝐿𝑆𝐻 𝑐ầ𝑛 (59.233.500 ÷ 381.900.000) = 0,155 𝑚3𝑛ướ𝑐
Do thiếu dữ liệu về tổng lượng nước thực tế lấy ra của Việt Nam trong những năm gần đây (số liệu mới nhất từ năm 2009 (8 năm trước) và không đáng tin cậy để sử dụng), chỉ số phụ 1.1b khơng được tính
Bảng 3.1: Lƣợng nƣớc sử dụng cho sản xuất ethanol sinh học tại Việt Nam
Tham số Giá trị năm 2016
TARWR ở Việt Nam (FAO AQUASTAT, 2010) 884,1 km3 năm-1 Nhu cầu nước trồng trọt sắn ở Việt Nam 9.801 m3 ha-1 năm-1 Nhu cầu về nước trồng trọt sắn cho mục đích sản xuất
ethanol sinh học ở Việt Nam 0,058806km
3 năm-1
Nhu cầu nước cho chế biến sắn ethanol sinh học ở
Việt Nam 0,000427 km
3 năm-1
Tổng lượng nước lấy ra cho sản xuất và chế biến nguyên liệu theo tỷ lệ phần trăm của TARWR tại Việt Nam(chỉ số 1.1a)
0,0067%
Lượng nước lấy ra để sản xuất và chế biến nguyên liệu sinh học tại Việt Nam trên đơn vị sản lượng năng lượng (chỉ số 1.2)
0,155 m3/MJ
Kết quả cho thấy phần lớn lượng nước lấy ra trong sản xuất nhiên liệu sinh học liên quan đến giai đoạn trồng trọt sắn nguyên liệu. Trên thực tế, nước sử dụng cho giai đoạn chế biến nguyên liệu chỉ chiếm 0,72% trong toàn bộ quá trình sản xuất nguyên liệu. Do thiếu số liệu về sử dụng nước, tỷ lệ nước lấy ra hàng năm từ các lưu vực sơng được xác định trên tồn quốc cho sản xuất và chế biến năng lượng sinh học, chia thành nguồn nước tái tạo và không tái tạo không được đánh giá ( chỉ tiêu 1.1b) . Sản xuất năng lượng sinh học ở Việt Nam theo tính tốn sử dụng 0,0067% tổng nguồn nước tái tạo thực tế, vì mỗi MJ của năng lượng sinh học cần 0,155 m3 nước. Trong khi đó, trung bình thế giới (5 nước: Ấn Độ, Indonesia, Nicaragua, Brazil và Guatemala) tiêu thụ 0,125 m3
nước cho mỗi MJ năng lượng sinh học sản xuất từ sắn (theo báo cáo The Water footprint of bio-energy, 2008). Như vậy, sản xuất năng lượng học từ cây sắn ở Việt Nam tiêu thụ nhiều nước hơn số liệu trung bình của Thế giới.
Theo quyết định mới nhất của Chính phủ ban hành năm 2015 về chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030 với tầm nhìn đến năm 2050, ngành năng lượng sinh học tiếp tục mở rộng ở Việt Nam, theo dõi chỉ số “sử dụng nước và hiệu quả sử dụng nước” trong quá tình trồng trọt và chế biến nguyên liệu năng lượng sinh học tại các lưu vực đầu nguồn là thực sự cần thiết. Nhìn chung, Việt Nam là quốc gia có nguồn tài nguyên nước dồi dào. Tuy nhiên, có sự khác nhau rất lớn về phần bố nguồn nước giữa các lưu vực sông và giữa mùa khô với mùa mưa. Sắn là một loại cây chiến lược cho sự phát triển của đất nước và nhu cầu tưới tiêu cho sắn sẽ không thể tránh được trong tương lai để tăng sản lượng sắn. Nếu việc quản lý tài ngun nước khơng được thực hiện tốt. Điều này có thể gây ra sự cạnh tranh nguồn nước giữa canh tác sắn với các hoạt động nông nghiệp khác hoặc làm giảm nguồn nước dành cho các hoạt động khác. Những điều kiện này đòi hỏi một sự tiến bộ trong quản lý tài nguyên nước. Việc ứng dụng nông nghiệp thơng minh trong bối cảnh biến đổi khí hậu sẽ là một giải pháp quan trọng để giảm áp lực lên tài nguyên nước.
Ở Việt Nam, khơng có dữ liệu về TARWR ở cấp độ lưu vực và các phân tích được thực hiện trên cơ sở nhu cầu nước trên một đơn vị diện tích gieo trồng và được suy ra ở cấp độ quốc gia. Tuy nhiên, lựa chọn một lưu vực nhất định có lẽ sẽ mang lại nhiều thông tin hơn về sự cân bằng nước thực tế của các vùng sản xuất sắn. Trên thực tế, tổng hợp các kết quả và trình bày các con số trung bình của cả nước có thể khơng có ý nghĩa thực tế vì những số liệu này có thể khơng thể hiện được hết thực trạng áp lực lên tài nguyên nước, bao gồm cả những vấn đề nghiêm trọng ở các lưu vực nơi nguyên liệu sinh học được trồng và chế biến.
Một vấn đề khác có thể ảnh hưởng đến thực tế của chỉ số “sử dụng nước và hiệu quả sử dụng nước” liên quan đến ranh giới của lưu vực sông, trong đa số trường hợp không trùng với các đơn vị hành chính ở nơi số liệu về sản xuất nguyên liệu và sản phẩm năng lượng sinh học được thu thập. Do đó, trong một số trường hợp, có thể khó xác định lượng nước lấy ra trong một lưu vực đầu nguồn cụ thể cho sản xuất năng lượng sinh học.
3.1.2. Kết quả đánh giá chỉ số sử dụng nước và hiệu quả sử dụng nước cho biogas
Việt Nam có tiềm năng lớn về sản xuất khí sinh học từ sinh khối nhưng cho đến nay chỉ một phần nhỏ của tiềm năng lớn này được khai thác.
Bảng 3.2: . Tiềm năng sản xuất biogas từ các nguyên liệu thơ chính
Ngun liệu khí mê-tan (triệu mTiềm năng sản xuất 3
) Lƣợng dầu mỏ tƣơng đƣơng ( Triệu tấn) Tỷ lệ (%) Thực vật 1788,973 0.894 36,7 Rơm 1470,133 0.735 30,2 Thực vật khác 318,840 0.109 6,5
Chất thải chăn nuôi 3055,678 1.528 63,3
Trâu 441,438 0.221 8,8
Bò 495,864 0.248 10,1
Lợn 2118,376 1.059 44,4
Tổng 4844,652 2.422 100
(Nguồn: Nguyễn Quang Khải. 2006 [16]) Trong những năm gần đây, số lượng các hầm sinh học kỵ khí (AD) đã tăng lên nhanh chóng. Khơng có số liệu chính xác và cập nhật số lượng hầm sinh học kỵ khí ở Việt Nam hiện đang có. Việt Nam có 7 triệu hộ gia đình với mật độ trung bình 10-30 con heo/ hộ, 3-5 con gia súc / hộ và 7% tổng số hộ có hầm khí sinh học (tương đương với 500.000 hầm). Trong đó khoảng 300.000 hầm được thay thế cho than để nấu ăn ở vùng đồng bằng nông thôn và 200.000 hầm được thay thế cho gỗ để nấu ăn ở vùng núi [19].
Tất cả các hầm khí sinh học quy mơ hộ gia đình được sử dụng để chứa và xử lý chất thải động vật. Hệ thống chuồng nuôi động vật được kết nối trực tiếp với các hầm khí sinh học, nước thải bao gồm nước tiểu, phân, nước ngọt để rửa chuồng và tắm cho gia súc. Nước thải chảy xuống bể sinh học, nơi thơng qua q trình lên men kỵ khí, sẽ tạo ra khí biogas. Lượng nước thải có sẵn tùy thuộc vào mùa và vùng. Chẳng hạn, lượng nước dùng trong mùa hè cao hơn lượng nước dùng vào mùa đông và lượng nước ở vùng núi thấp hơn lượng nước sử dụng ở vùng đồng bằng.
Các cuộc điều tra về các hệ thống hầm khí sinh học quy mơ nhỏ ở Hà Nội và Huế cho thấy lượng nước sử dụng vào mùa hè cao hơn mùa đông [21]
Bảng 3.3: . Lƣợng nƣớc sử dụng theo mùa trong trang trại biogas quy mô nhỏ Lƣợng nƣớc sử dụng (lít/ngày/hộ)
Mùa HàNội Huế
Mùa hè 380 220
Mùa đông 300 180
(Nguồn: Thu et al.; 2012 [21]) Sử dụng dữ liệu thu thập bởi Thu et al. (2012), lượng nước sử dụng trung bình là 270 lít / ngày / hộ gia đình hoặc 98.550 lít / năm / hộ [21]. Tổng lượng nước sử dụng cho tất cả các hầm khí sinh học quy mơ hộ gia đình ước tính khoảng 49.275.000 m3 / năm.
lượng nước sử dụng trung bình là 270 lít/ngày/hộ = 270 × 365 = 98.550 lít/năm/hộ 500.000 ℎầ𝑚 𝐾𝑆𝐻
→ 𝑄𝑢𝑦 𝑚ơ ℎộ 𝑔đ 𝑐ó 𝑡ổ𝑛𝑔 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑛ướ𝑐 𝑠ử 𝑑ụ𝑛𝑔 = 500.000 × 98.550 = 49.275.000 m3 / năm
Theo khảo sát các hộ gia đình sử dụng khí sinh học năm 2009 thực hiện trong chương trình khí sinh học cho ngành chăn ni ở Việt Nam giai đoạn II, thể tích hầm khí sinh học trung bình là 9,6 m3 và sản lượng khí sinh học trung
tính tốn của 500.000 hầm khí sinh học là 660.000 m3 / ngày. Năng lượng nhiệt phát ra khi đốt hồn tồn 1 m3
khí mê-tan là 35.906 KJ / m3 (hoặc 9,94 kWh / m3). Tỷ lệ mêtan trong khí sinh học là 60% do đó nhiệt lượng trong 1 m3 khí sinh học bằng 21.543,6 KJ / m3 (hoặc 5,96 kWh / m3). Trong một năm, tổng năng lượng của các hầm khí sinh học quy mơ hộ gia đình tương đương với 5.190 tỷ kJ (hoặc 1.435.764.000 kWh).
1 ℎầ𝑚 𝐾𝑆𝐻 9,6 m3 𝑡ạ𝑜 𝑟𝑎 1,32 m3 khí/hộ/ngày 500.000 ℎầ𝑚 𝐾𝑆𝐻
→ 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑘ℎí 500.000 ℎầ𝑚 = 500.000 × 1,32 = 660.000 m3/ngày
1 m3 khí mêtan tạo ra 35.906 KJ/m3 nhiệt (9,94 kWh/m3)
Tỷ lệ mêtan trong khí sinh học là 60% → 1 m3 KSH
= 35.906 × 60% = 21.543,6 KJ/m3 (hoặc 5,96 kWh/m3) 660.000 m3/ngày
21.543,6 KJ/m3
365 𝑛𝑔à𝑦
→𝑄𝑢𝑦 𝑚ơ ℎộ 𝑔đ 1 𝑛ă𝑚 𝑐ó 𝑡ổ𝑛𝑔 𝑛ă𝑛𝑔 𝑙ượ𝑛𝑔 = 660.000 × 21.543,6 × 365
= 5.190 tỷ kJ (hoặc 1.441.000.000 kWh).
Trong báo cáo của Cơ quan Phát triển Quốc tế Hoa Kỳ (2013), Việt Nam có khoảng 27.000 trang trại chăn ni quy mơ vừa và lớn với ít nhất 300 con vật, có thể sản xuất 0,6 GW điện sinh học. Do đó, số trang trại chăn nuôi sử dụng hệ thống phân hủy kỵ khí khoảng 1.300 (khoảng 5%). Loại hầm khí sinh học là mái vịm cố định bằng gạch, bê tơng hoặc được phủ bởi HDPE với kích thước từ 300 - 20.000 m3. Một trang trại có trung bình khoảng 500 con lợn. Một con lợn thải 1,2-4 kg phân chuồng / ngày (trung bình 2,6 kg phân chuồng) và 1 kg phân lợn có thể sản xuất 40-60 lít khí sinh học mỗi ngày (bình qn 50 lít). 1.300 trang trại với 500 con lợn / trại ni có thể sản xuất được 84.500 m3 khí sinh học mỗi
Theo tính tốn, một con lợn thải ra khoảng 15 lít nước thải / ngày là tổng lượng nước rửa chuồng, tắm cho lợn và nước tiểu của lợn. Như vậy, tổng lượng nước thải nạp vào hầm khí sinh học của 1300 trang trại, mỗi trang trại có trung bình 500 con lợn ước đạt 9.750 m3 / ngày, 3.558.750 m3 / năm.
1.300 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑟ạ𝑖 500 𝑐𝑜𝑛 𝑙ợ𝑛/ 1 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑟ạ𝑖 2,6 𝑘𝑔 𝑝ℎâ𝑛 𝑐ℎ𝑢ồ𝑛𝑔 /1 𝑐𝑜𝑛 𝑙ợ𝑛 1𝑘𝑔 𝑝ℎâ𝑛 𝑙ợ𝑛 𝑡ạ𝑜 𝑟𝑎 50 𝑙í𝑡 𝐾𝑆𝐻 → 𝑄𝑢𝑦 𝑚ơ 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑟ạ𝑖 𝑡ạ𝑜 𝑟𝑎 = 1.300 × 500 × 2,6 × 50 × 10−3= 84.500 m3 KSH/ ngày = 30.842.500 m3 KSH
/năm (tương đương 664,4 tỷ KJ hoặc 184.500.000 kWh) 1.300 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑟ạ𝑖
500 𝑐𝑜𝑛 𝑙ợ𝑛/ 1 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑟ạ𝑖 1con lợn thải ra 15 lít nước thải/ngày
→ 𝑄𝑢𝑦 𝑚ơ 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑟ạ𝑖 𝑐ó 𝑡ổ𝑛𝑔 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑛ướ𝑐 𝑡ℎả𝑖 = 1.300 × 500 × 15 × 10−3= 9.750 m3/ngày = 3.558.750 m3/ năm
Ngồi nước thải từ các trang trại chăn ni, nước thải từ chế biến tinh bột sắn và công nghiệp sản xuất cồn cũng có thể được sử dụng cho sản xuất khí sinh học. Kết quả điều tra trong khuôn khổ của dự án “đánh giá tiềm năng phát triển năng lượng sinh học ở Việt Nam 2017” cho thấy cả 5 xí nghiệp chế biến tinh bột sắn ở Phú Thọ và Tây Ninh được điều tra đều có các cơng trình hầm khí biogas quy mơ nhà máy. Hiện có gần 70 nhà máy chế biến tinh bột và 5 nhà máy sản xuất ethanol trên khắp Việt Nam, mỗi nhà máy sản xuất một lượng nước thải từ 50-100 triệu lít / năm / nhà máy (bình qn bình qn 75 triệu lít). Như vậy, lượng nước thải nạp vào hầm khí sinh học quy mơ nhà máy theo tính tốn là 5.625.000 m3. Lượng COD