STT Nguồn nguyên liệu CH4 [%] Tổng thể tích [lít]
1 Phân bò 68 36,77
2 Phân heo 68 43,69
3 Phân gà 39 35,21
4 Hèm bia 45 43,69
1.3.1.5. Tình hình sử dụng Biogas hiện nay
Hiện nay, khí nhiên liệu thay thế đã trở thành đề tài nghiên cứu được nhiều nhà quan tâm thì những lựa chọn để sử dụng nguồn năng lượng này càng trở nên phong phú. Các xu hướng chính sử dụng nhiên liệu Biogas trên thế giới như sau:
+ Đốt trực tiếp.
+ Làm nhiên liệu cho các loại động cơ.
+ Bán cho các nhà cung cấp khí tự nhiên.
Ngoài nước
Hiện nay ở quy mơ tồn cầu, biogas là nguồn năng lượng lớn. Tổng sản lượng ứng dụng chiếm 9 đến 10 % tổng năng lượng trên thế giới.
Theo tính toán, nếu tận dụng xử lý được hết nguồn phế thải tồn cầu thì hàng năm người ta có thể tạo 200 tỷ m3 khí sinh học, tương đương 150 đến 200 triệu tấn nhiên liệu và kèm theo nó là khoảng 20 triệu tấn phân bón hữu cơ chất lượng cao.
Có thể nói rằng, Ấn Độ và Trung Quốc là hai quốc gia có sự phát triển nhanh chóng về cơng nghệ xây dựng các bể lên men Metan.
- Ấn Độ:
Công nghệ khí sinh học bắt đầu ở Ấn Độ bắt đầu từ năm 1897. Ban đầu, các trạm Biogas chỉ có quy mơ hộ gia đình. Hàng năm có khoảng 200.000 hộ gia đình Ấn Độ chuyển từ sử dụng năng lượng củi đốt sang sử dụng Biogas. Năm 1985, Ấn Độ có khoảng 1 triệu bể với chi phí xây dựng khoảng 55 triệu đơ la. Tính tới năm 1999 đã có tới 2,9 triệu cơng trình hầm khí sinh học gia đình và 2700 cơng trình hầm khí tập thể xử lý phân người được xây dựng. Ước tính số cơng trình này hàng năm tiết kiệm 3 triệu tấn củi và 0,7 triệu tấn Urê. Tháng 3 năm 2000, Ấn Độ có 3 triệu cơng trình hầm khí sinh học.
- Trung Quốc:
Lịch sử phát triển khí sinh học ở Trung Quốc bắt đầu từ cuối thế kỷ XIX. Năm 1978 đã xây dựng 7,5 triệu bể với hàng năm tạo ra khoảng 2,5 tỷ m3 khí Metan, tương đương 1,5 triệu tấn dầu mỏ. Cho đến năm 1979, trên lãnh thổ Trung Quốc đã có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng khí Biogas. Riêng ở tỉnh Sichuan các trạm này có tổng cơng suất là 1.500kW. Đến 1985, Trung Quốc đã xây dựng được 70 triệu bể khí Metan. Từ những năm cuối thập kỷ 80 của thế kỷ trước, người ta đã tính toán đến việc sử dụng năng lượng sinh học để thay thế các dạng năng lượng sử dụng nhiên liệu hoá thạch và biogas đã trở thành đối tượng cho chương trình nghiên cứu năng lượng phục vụ nông thôn của Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Năng lượng và Công nghệ mới - Bộ Nông nghiệp Trung Quốc (1994). Cuối năm 2003, Trung Quốc có hơn 9,7 triệu hầm cho các hộ gia đình trên tồn quốc. Trên 90% hầm đang hoạt động tốt, sản xuất ra khoảng 2.980.000 m3/năm. Biogas chủ yếu được sử dụng vào mục đích đun nấu, thắp sáng và chạy các động cơ phát điện.
Trong nước
- Thời kỳ 1960 – 1975:
Đã tiến hành thí nghiệm biện pháp sản xuất khí Metan từ phân động vật nhưng cuối cùng cũng không thành công. Nguyên nhân là do nhập cảnh ồ ạt các loại khí đốt Butan, Propan và phân hóa học.
- Thời kỳ 1976 – 1980:
Chế tạo thiết bị sản xuất khí sinh học loại nắp nổi bằng tôn, bể phân hủy xây bằng gạch và cổ bể có gioăng nước để giữ kín khí được tích trong nắp chứa khí. Tuy nhiên, việc thử nghiệm trên bị thất bại do kỹ thuật và quản lý.
- Thời kỳ 1981 – 1990:
Trong hai kế hoạch 5 năm (1981-1985 và 1986-1990), công nghệ khí sinh học đã trở thành một trong những lĩnh vực ưu tiên trong chương trình.
Năm 1990, TP Hồ Chí Minh có trên 700 cơng trình, Đồng Nai có 468 cơng trình, Hậu Giang có 240 cơng trình, Hà Bắc có 50, Lai Châu có 40, Quảng Ngãi có 43 cơng trình…
Nói chung tồn quốc có khoảng 2000 cơng trình. Đa số các cơng trình đều hoạt động tốt, với thể tích khoảng 2200m3.
- Thời kỳ 1991 tới nay:
Những năm 1999 trở lại đây nhiều nhà khoa học trong nước đã nghiên cứu, triển khai nhiều cơng trình xử lý chất thải bằng hệ thống khí sinh học biogas (mơ hình hình cầu của Viện năng lượng với thể tích 5m3, 7m3, 8m3, 10m3, 15m3, mơ hình NL-6…) đã tạo ra một nguồn phân bón đáng kể, khả năng giải quyết nguồn năng lượng sạch tại chỗ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Ở miền Trung, Tây Ngun, hàng loạt các mơ hình bể Biogas cũng được áp dụng cho các hộ chăn nuôi gia súc, các nông trường chăn nuôi trên địa bàn như mơ hình của Trung tâm Năng lượng mới (Sở KHCN TP Đà Nẵng, mơ hình bể Biogas phá váng tự động của Phân Viện BHLĐ và Bảo vệ Môi trường miền Trung, Tây nguyên (Đề tài 203-02/VBH). Nhiều tổ chức quốc tế đang quan tâm phát triển công nghệ ở Việt Nam: Họ tổ chức nhiều hội thảo, tài trợ nhiều dự án phát triển năng lượng sinh khối ở nước ta. Các dự án NLSK có cơ hội tận dụng cơ chế phát triển sạch (CDM) để thu hút vốn đầu tư. Nhiều cơng nghệ đã được hồn thiện, ứng dụng thương mại nên Việt Nam có thể nhập và ứng dụng, tránh được rủi ro về công nghệ.
1.3.1.6. Yêu cầu của Biogas khi sử dụng trong động cơ đốt trong:
Vấn đề đáng quan tâm và cần được nghiên cứu tiếp là làm sao có thể nâng cao hiệu suất động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do khí thải động gây ra. Ta biết rằng
trong Biogas có một lượng đáng kể Hydrogen sulfide H2S (khoảng 10.000ppm thậm chí sau khi qua các thiết bị xử lý vẫn còn khoảng 200-400ppm H2S) là một khí rất độc tạo nên hỗn hợp nổ với không khí. Khi Biogas được sử dụng làm nhiên liệu, khí H2S có thể ăn mịn các chi tiết của động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc cho con người (TCVN cho phép là 0,3mg/m3). Vì thế, hồn thiện q trình cháy trong động cơ sử dụng nhiên liệu Biogas là vấn đề đặt ra để có thể vừa kéo dài tuổi thọ động cơ vừa giảm thiểu ô nhiễm trong khí thải động cơ. Hàm lượng của các chất này không được vượt quá mức cho phép.
Mặc dù không phải là chất chiếm nhiều trong Biogas như Carbon dioxide, nhưng hơi nước có thể có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc trưng của quá trình cháy Biogas. Dù hàm lượng nhỏ nhưng hơi nước đã ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu của Biogas. Ngồi ra nó làm tăng nguy cơ ăn mịn thiết bị, do đó cần thiết phải giảm lượng hơi nước có trong Biogas. Phụ thuộc vào nhiệt độ thông thường Biogas lấy ngay từ hầm phân huỷ có hàm lượng ẩm khoảng 50 mg/l, gần với nồng độ bão hoà.
1.3.1.7. Ưu điểm của nhiên liệu Biogas:
Ngoại trừ năng lượng thuỷ điện và năng lượng hạt nhân, phần lớn năng lượng trên thế giới đều tiêu tốn nguồn dầu mỏ, than đá và khí tự nhiên. Tất cả các nguồn này đều có hạn và với tốc độ sử dụng chúng như hiện nay thì sẽ bị dần cạn kiệt. Sự cạn kiệt của nguồn dầu mỏ thế giới và sự quan tâm về môi trường ngày càng tăng đã dẫn đến sự nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng có nguồn gốc dầu mỏ.
Biogas là năng lượng có thể tái sinh được, đây là một sự thay thế đầy tiềm năng cho các nguồn nhiên liệu chính lấy từ dầu mỏ, đang sắp cạn kiệt trong vòng khoảng 30 - 40 năm nữa.
Đối với nước ta nguồn cung cấp nguyên liệu để sản xuất Biogas rất da dạng và có tiềm năng rất lớn đặc biệt là đối với các hộ gia đình chăn ni theo lối trang trại. Đây là hướng đi nhằm góp phần làm giảm áp lực về nhu cầu năng lượng đối với đất nước và cũng góp phần giải qút ơ nhiễm mơi trường.
Một số ưu điểm của nhiên liệu Biogas: - Đối với môi trường:
+ Giảm lượng khí phát thải CO2, do đó giảm được lượng khí thải là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính, tránh được các thảm họa về môi trường.
+ Khơng có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh (<0,001% so với đến 0,2% trong dầu Diesel).
+ Không chứa HC thơm nên không gây ung thư.
+ Khí thiên nhiên Biogas khơng chứa chì gây tác hại đến sức khỏe con người, gây ô nhiễm mơi trường khơng khí.
+ Có khả năng tự phân huỷ và khơng độc (phân huỷ nhanh hơn Diesel 4 lần, phân huỷ từ 85 - 88% trong nước sau 28 ngày).
+ Giảm ô nhiễm môi trường nước và đất. - Đối với kinh tế:
+ Sử dụng nhiên liệu Biogas ngoài vấn đề giải quyết ơ nhiễm mơi trường nó cịn thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành nơng nghiệp như thúc đẩy phát triển chăn nuôi trang trại, tận dụng các nguồn rác thải sẵn có. + Đồng thời đa dạng hố nền nơng nghiệp va tăng thu nhập ở vùng miền nơng thơn.
1.3.1.8. Tình hình nghiên cứu sử dụng Biogas trên động cơ đánh lửa cưỡng bức:
Với tiềm năng là một nước nhiệt đới và nông nghiệp phát triển, nước ta có nhiều triển vọng để phát triển ngành Biogas bền vững. Các lợi thế cho việc nghiên cứu phát triển động cơ Biogas ở Việt Nam bao gồm:
Nguồn ngun liệu sẵn có, dồi dào (chất thải vật ni; cây bèo, rong; chất thải từ các xưởng chế biến, làng nghề và khu công nghiệp...).
Thị trường cho cơng nghệ Biogas phát điện rất lớn vì ngành chăn ni đang phát triển mạnh và có xu hướng mở rộng mơ hình chăn ni hộ gia đình.
Động cơ Biogas được các cơ quan nghiên cứu, các nhà khoa học và các cá nhân trong nước quan tâm nghiên cứu, thử nghiệm và ứng dụng. Nghiên cứu về máy phát điện chạy bằng Biogas ở Việt Nam tập trung vào máy phát có cơng suất nhỏ. Nhiều đề tài nghiên cứu và thử nghiệm đã được thực hiện là cơ sở bước đầu cho ngành Biogas Việt Nam. Triển vọng nghiên cứu và ứng dụng động cơ Biogas là rất lớn, có nhiều tiềm năng để phát triển ngành Biogas bền vững.
Việc sử dụng động cơ Biogas học ở Việt Nam mới chỉ là bước khởi đầu, số lượng cơng trình có lắp đặt động cơ so với số lượng cơng trình được xây dựng là khơng nhiều. Động cơ Biogas có cơng suất nhỏ chủ ́u sử dụng cho quy mơ hộ gia đình/trang trại. Động cơ Biogas có cơng suất trung bình và lớn lắp đặt cho các dự án xử lý chất thải.
Công suất động cơ Biogas lắp đặt cho các cơng trình Biogas từ 1,5kW đến 15kW, trong đó hộ gia đình và trang trại quy mơ nhỏ lắp đặt động cơ Biogas công suất từ 1,5kW đến 7,5kW, trang trại quy mơ trung bình và lớn lắp đặt động cơ Biogas công suất từ 10kW đến 15kW. Động cơ Biogas đang được sử dụng hiện nay tại các hộ gia đình/trang trại là máy của Đài Loan, Nhật Bản, Trung Quốc và Việt Nam, trong đó phần nhiều là động cơ Biogas Trung Quốc. Ứng dụng chủ yếu của động cơ Biogas ở Việt Nam là kéo máy phát điện.
Cơng trình Biogas quy mơ hộ gia đình sử dụng chất thải vật ni ở hộ gia đình, trang trại nhỏ để tạo ra nguồn nhiên liệu cho động cơ kéo máy phát điện để chiếu sáng, tạo gió cho chuồng nuôi lợn, gà và phục vụ bơm nước tắm heo, tưới cây,… Cơng trình Biogas đã mang lại hiệu quả lâu dài cho sản xuất, sinh hoạt của người dân, đặc biệt là mở ra hướng phát triển cho các trang trại.
Tại Việt Nam gần đây đã có một số dự án đầu tư xây dựng cụm động cơ Biogas kéo máy phát điện công suất lớn dùng cho các nhà máy xử lý chất thải, nguồn vốn bằng 100% từ các cơng ty nước ngồi. Các động cơ Biogas được nhập khẩu tiếp từ nước ngồi.
Ngồi các dự án có nguồn đầu tư lớn như trên, hầu hết các dự án nhỏ và các trang trại chăn ni tập trung cũng có nhu cầu cấp thiết phát điện bằng Biogas vì lượng Biogas sinh ra từ hầm rất lớn và phải đốt bỏ hoặc xả bỏ trực tiếp ra môi trường.
GS. TSKH. Bùi Văn Ga và các cộng sự tại Đại học Đà Nẵng đã bắt đầu tham gia nghiên cứu về động cơ sử dụng Biogas từ năm 2007, cho đến nay đã lắp đặt thành công nhiều máy phát điện nhỏ, vừa và lớn trên cả nước. Các động cơ Biogas đã trải qua một thời gian hoạt động ổn định và tận dụng hết nguồn Biogas sinh ra, đem lại lợi nhuận rất lớn cho người chăn nuôi.
Năm 2007, GS. TSKH. Bùi Văn Ga và các công sự đã công bố nghiên cứu hệ thống cung cấp khí Biogas cho động cơ kéo máy phát điện 2HP trình bày hệ thống cung cấp khí Biogas hồn chỉnh cho cụm động cơ đốt trong - máy phát điện. Khí Biogas sau khi qua hệ thống khử H2S và hấp thụ CO2 được cung cấp cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu Biogas/Xăng.
Năm 2008, GS. Ga và các cộng sự đã tiếp tục công bố nghiên cứu về hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ Dual - Fuel Biogas/Diesel. Động cơ hai nhiên liệu Biogas/Diesel đã được chuyển đổi từ động cơ Diesel Kubota nguyên thủy. Bộ chuyển đổi bao gồm bộ
hòa trộn và bộ điều tốc điều khiển van bướm cơ khí. Nguồn năng lượng chính của động cơ được cung cấp từ Biogas. Một lượng nhỏ Diesel khoảng 5% lượng phun tối đa được phun để khởi động quá trình cháy. Động cơ tiêu thụ 1m3 Biogas/1kWh điện. Khí thải động cơ khơng có bồ hóng. Dao động điện áp của máy phát nhỏ hơn 5% khi tải bên ngoài thay đổi. Thời gian ổn định điện áp nhỏ hơn 5s. Nghiên cứu tối ưu hóa q trình cung cấp Biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng hai nhiên liệu Biogas/Dầu mỏ cũng đã được thực hiện. Các thông số cơ bản cũng như qui luật vận hành của van cung cấp Biogas được nghiên cứu nhằm tối ưu hóa q trình cung cấp nhiên liệu cho các động cơ tĩnh tại chạy bằng hai nhiên liệu Biogas/Dầu mỏ. Kết quả tính toán van sai lệch so với kết quả thực nghiệm khoảng 10%. Mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ giảm 100 lần đối với CO và 10 lần đối với HC so với tiêu chuẩn khí thải động cơ xe cơ giới. Hệ thống cung cấp nhiên liệu nguyên thủy của động cơ không thay đổi.
Đến năm 2009, khả năng giảm phát thải CO2 ở Việt Nam nhờ sản xuất điện năng bằng Biogas đã được GS. Ga nghiên cứu cho thấy nếu sử dụng công nghệ chuyển đổi Biogas thành điện, mỗi năm nước ta có thể sản xuất 10% điện năng bằng nhiên liệu tái tạo và giảm 6,5% phát thải Carbon vào bầu khí quyển. Bên cạnh đó, động cơ nhiều xi lanh cỡ lớn hai nhiên liệu cũng đã được nghiên cứu xác định kích thước van cung cấp Biogas. Mục đích của nghiên cứu này là xác định kích thước của hệ thống cung cấp Biogas để cải tạo các động cơ Diesel nhiều xi lanh cỡ lớn sang chạy bằng hai nhiên liệu. Dựa vào phân tích áp suất trên đường nạp động cơ, giản đồ kích thước van cung cấp Biogas theo các thông số của động cơ và của nguồn nhiên liệu được xác lập. Kết quả cho thấy có thể thiết kế một van cung cấp cho phép động cơ tương ứng làm việc với nguồn Biogas có phạm vi thay đổi rộng về hàm lượng CH4 và áp suất. Nghiên cứu cũng nêu bật sự khác biệt về biên dạng của van cung cấp Biogas giữa động cơ nhiều xi lanh và động cơ một xi lanh.