CHƯƠNG 5. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
5.1. NHIÊN LIỆU SINH KHỐI
5.1.2. Nguồn gốc của sinh khối
Sinh khối là vật chất hữu cơ, đặc biệt là các chất cellulose hay ligno-cellulosic.
Sinh khối là các vật chất tái tạo, bao gồm cây cối, chất xơ gỗ, chất thải gia súc, chất thải nông nghiệp, và thành phần giấy của các chất thải rắn đô thị.
Hình 5.1. Vụn gỗ và bã vỏ mía
Hình 5.2. Gỗ rừng, gỗ lâm nghiệp
Cây dự trữ năng lượng mặt trời trong các tế bào cellulose và lignin (chất gỗ) thông qua quá trình quang hợp. Cellulose là một chuỗi polymer của các phân tử đường 6-carbon. Lignin là chất hồ kết dính các chuỗi cellulose với nhau. Khi đốt, các liên kết giữa các phân tử đường này vỡ ra và phóng thích năng lượng dưới dạng nhiệt, đồng thời thải ra khí CO2 và hơi nước. Các sản phẩm phụ của phản ứng này có thể được thu thập và sử dụng để sản xuất điện năng. Các chất này thường đươc gọi là năng lượng sinh học hoặc nhiên liệu sinh học.
Các nguồn sinh khối trong nước bao gồm các chất dư thừa, chất bã của sinh khối đã được xử lý. Các chất này gồm có bột giấy, chất thải nông lâm nghiệp, chất thải gỗ thành thị, chất thải rắn đô thị, khí ở các hố chôn lấp, chất thải của gia súc, các giống cây trên cạn và dưới nước được trồng chủ yếu để khai thác năng lượng. Các giống cây này dược gọi là các giống cây năng lượng. Ở số lượng lớn, nguồn sinh khối được gọi là nguyên liệu sinh khối. Sử dụng các chất thải thì hiệu quả hơn để chúng tự phân rã, giảm mối nguy hại đối với môi trường xung quanh. Dưới đây là các mô tả chi tiết của từng loại sinh khối:
5.1.2.1. Chất bã của sinh khối đã qua xử lý
Các quá trình xử lý sinh khối đều sinh ra các sản phẩm phụ và các dòng chất thải gọi là chất bã. Cac chất bã này có một lượng thế năng nhất định. Không phải tất cả các chất bã đều có thể được sử dụng cho sản xuất điện năng, một số cần phải được bổ sung với các chất dinh dưỡng hay các nguyên tố hóa học. Tuy nhiên, việc sử dụng các chất bã là rất đơn giản vì chúng đã được thu thập/phân loại qua quá trình xử lý.
5.1.2.2. Bột giấy và các chất bã trong quá trình sản xuất giấy
Cây cối có các thành phần như lignin, hemicellulose, và sợi cellulose. Do các tính chất hóa học và vật lý, lignin dễ dàng chia nhỏ hơn cellulose. Quá trình nghiền nhão làm tách rời và chia nhỏ các sợi lignin trong cây nhằm suspend các sợi cellulose để tạo ra giấy. Các bột giấy dư thừa tạo nên chất bã. Các chất bã này là các sản phẩm phụ của các quá trình đốn và xử lý gỗ. Các quá trình xử lý gỗ để tạo ra sản phẩm, đồng thời thải ra mùn cưa, vỏ cây, nhánh cây, lá cây và bột giấy. Thông thường, các nhà
5.1.2.3. Bã cây rừng (Forestry residues)
Các chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ các quá trình làm thưa rừng nhằm giảm nguy cơ cháy rừng, sinh khối không được thu hoạch hoặc di dời ở nơi đốn gỗ cứng và mềm thương mại và các vật liệu dư thừa trong quá trình quản lý rừng như phát rừng và di dời các cây đã chết. Một trong những thuận lợi của việc tận dụng bã cây rừng là một phần lớn các bã dạng này được tạo ra từ các nhà máy giấy hoặc các nhà máy xử lý gỗ, do đó phần lớn nguồn nguyên liệu có thể sử dụng ngay được. Cũng vì lý do này, việc tái sử dụng mùn cưa, bã gỗ để tạo năng lượng tập trung ở các nhà máy công nghiệp giấy và gỗ, nhưng tiềm năng nguyên liệu thật sự là lớn hơn nhiều.
5.1.2.4. Bã nông nghiệp (Agricultural residues)
Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừa sau các vụ thu hoạch và sơ chế sản phẩm. Chúng có thể được thu gom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặt hái. Các chất thải nông nghiệp bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu ... Hằng năm, có khoảng 80 triệu cây bắp được trồng, cho nên các phụ phẩm từ cây bắp được dự đoán là dạng sinh khối chính cho các ứng dụng năng lượng sinh học.
Ở một số nơi, đặc biệt những vùng khô, các chất bã cần phải được giữ lại nhằm bổ sung các chất dinh dưỡng cho đất cho vụ mùa kế tiếp. Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất cả các chất dinh dưỡng từ cặn bã, các chất bã này không được tận dụng tối đa và bị mục rữa làm thất thoát năng lượng.
Một trong các giải pháp được ứng dụng rộng rãi hiện nay và có tiềm năng đầy hứa hẹn là tận dụng các bã thải từ công nghiệp mía đường, xử lý gỗ và làm giấy.
5.1.2.5. Chất thải từ gia súc (Livestock residues)
Chất thải gia súc, như phân trâu, bò, heo và gà, có thể được chuyển thành gas hoặc đốt trực tiếp nhằm cung cấp nhiệt và sản xuất năng lượng. Ở những nước đang phát triển, các bánh phân được dùng như nhiên liệu cho việc nấu nướng. Hơn nữa, phần lớn phân gia súc có hàm lượng methane khá cao. Do vậy, phương pháp này khá nguy hiểm vì các chất đôc hại sinh ra từ việc đốt phân là nguy hại đối với sức khỏe người tiêu dùng và các vấn đề môi trường. Các trang trại dùng phân đế sản xuất năng lượng với các cách thức thích hợp nhằm giảm thiểu các mối nguy hại đối với môi trường và sức khỏe cộng đồng. Các chất thải này có thể được sử dụng để sản xuất ra nhiều loại sản phẩm và tạo ra điện năng thông qua các phương pháp tách methane và phân hủy yếm khí.
Ngoài ra, việc sử dụng phân súc vật để tại năng lượng ở qui mô lớn vẫn còn là một câu hỏi lớn vì những yếu tố sau:
- Phân có giá trị tiềm năng lớn hơn ở những mục đích khác, ví dụ nhưng để bón cây, tức là mang lại lợi ích cao hơn rõ ràng cho nông dân.
- Phân là nhiên liệu có hiệu suất thấp, do đó người ta có khuynh hướng chuyển qua các dạng năng lượng sinh học khác có hiệu suất cao hơn
- Các tác động về môi trường và sức khỏe từ việc khai thác phân thải có phần tiêu cực hơn các dạng nhiên liệu sinh học khác.
5.1.2.6. Các loại bã thải khác - Chất thải củi gỗ đô thị
Chất thải củi gỗ là nguồn chất thải lớn nhất ở các công trường. Chất thải củi gỗ đô thị bao gồm các thân cây, phần thừa cây đã qua cắt tỉa. Những vật liệu này có thể được thu gom dễ dàng sau các dự án công trường và cắt tỉa cây, sau đó có thể được chuyển thành phân trộn hay được dùng để cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy năng lượng sinh học.
- Chất thải rắn đô thị coa nguồn gốc hữu cơ
Chất thải ở các trung tâm thương mại, cơ quan, trường hoc, nhà dân có một hàm lượng nhất định của các vật chất hữu cơ có xuất xứ từ cây, là một nguồn năng lượng tái tạo không nhỏ. Giấy thải, bìa cứng, các tông, chất thải gỗ là những ví dụ của nguồn sinh khối trong chất thải đô thị.
Khí ở các bãi chôn lấp phần lớn trong quá trình phân hủy yếm khí, sản phẩm phụ tự nhiên của quá trình phânn hủy chất thải hữu cơ của vi sinh vật có một lượng lớn khí methane, có thể được thu thập, chuyển dạng và dùng để tạo ra năng lượng. Các chất thải này được thu gom, tái tạo thông qua quá trình tiêu hóa và phân hủy yếm khí.
Sự thu gom các chất thải trong các bãi chôn lấp và dùng chúng như một nguồn nănh lượng sinh học tái tạo có rất nhiều lợi ích như: tăng cường bảo vệ sức khỏe cộng đồng thông qua việc xử lý chất thải, giảm diện tích đất sử dụng cho các bãi chôn lấp, giảm ô nhiễm môi trường, mùi hôi thối và giúp cho việc quản lý chất thải một cách hiệu quả.
5.1.2.7. Cây trồng năng lượng (Energy forestry/crops)
Các giống cây năng lượng là các giống cây, cây cỏ được xử lý bằng công nghệ sinh học để trở thành các giống cây tăng trưởng nhanh, được thu hoạch cho mục đích sản xuất năng lượng. Các giống cây này có thể được trồng, thu hoạch và thay thế nhanh chóng.
Cây trồng năng lượng có thể được sản xuất bằng 2 cách: i) Các giống cây năng lượng chuyên biệt trồng ở những vùng đất dành đặc biệt cho mục đích này và ii) trồng xen kẽ và các cây trồng bình thường khác. Cả 2 phương pháp này đều đòi hỏi có sự quản lý tốt và phải được chứng minh là đem lại lợi ích rõ ràng cho người nông dân về mặt hiệu quả sử dụng đất.
Đây là các giống cây lâu năm được thu hoạch hằng năm sau 2-3 năm gieo trồng để đạt tới hiệu suất tối đa. Các giống cây này bao gồm các loại cỏ như cỏ mềm (switchgrass) xuất xứ từ Bắc Mỹ, cỏ voi miscanthus, cây tre, cây lúa miến ngọt, cỏ đuôi trâu cao, lúa mì, kochia... Các giống cây này thường được trồng cho việc sản xuất năng lượng.
- Các giống cây gỗ năng lượng là các thực vật có năng suất sinh khối cao.
Các giống cây gỗ có vòng đời ngắn là các giống cây phát triển nhanh và có thể thu hoạch sau 5-8 năm gieo trồng. Các giống cây này bao gồm cây dương ghép lai, cây liễu ghép lai, cây thích bạc, cây bông gòn đông phương, cây tần bì xanh, cây óc chó đen, sweetgum và cây sung.
- Các giống cây công nghiệp
Các giống cây này đang được phát triển và gieo trồng nhằm sản xuất các hóa chất và vật liệu đặc trưng nhất định. Ví dụ như cây dâm bụt và rơm dùng trong sản xuất sợi, castor cho acid ricinoleic. Các giống cây chuyển gen đang được phát triển nhằm sản xuất các hóa chất mong muốn giống như một thành phần của cây, chỉ đòi hỏi sự chiết xuất và tinh lọc sản phẩm.
- Các giống cây nông nghiệp (Agricultural Crops).
Các giống cây nông nghiệp bao gồm các sản phẩm sẵn có hiện tại như bột bắp và dầu bắp, dầu đậu nành, bột xay thô, bột mì, các loại dầu thực vật khác và các thành phần đang được phát triển cho các giống cây tương lai. Mặc dù các giống này thường được dùng để sản xuất nhựa, các chất hóa học và các loại sản phẩm, chúng thường cung cấp đường, dầu và các chất chiết xuất khác.
- Các giống cây dưới nước (Aquatic crops, thủy sinh).
Nguồn sinh khối đa dạng dưới nước bao gồm tảo, tảo bẹ, rong biển, và các loại vi thực vật biển. Các giống dùng trong thương mại bao gồm chiết xuất của tảo bẹ dùng cho các chất làm đặc và các chất phụ gia thực phẩm, chất nhuộm từ tảo, chất xúc tác sinh học được dùng trong các quá trình xử lý sinh học ở các môi trường khắc nghiệt.
Tóm lại, nguyên liệu sinh khối hiện vẫn là nguồn năng lượng tái tạo bền vững và dồi dào nhất hiện nay trên thế giới. Bã thải hiện nay vẫn là nguồn cung cấp chính năng lượng sinh khối chính và đóng vai trò chủ đạo trong tương lai gần, và các loại cây trồng năng lượng sẽ ngày càng trở nên quan trọng trong tương lai xa. Sự phát triển của năng lượng sinh khối, đặc biệt là dưới các dạng hiện đại, sẽ có một ảnh hưởng quan trọng không chỉ đến lĩnh vực năng lượng, mà còn thúc đẩy quá trình hiện đại hóa nông nghiệp, và phát triển nông thôn.