Tổng quan nghiên cứu

Sự suy giảm của các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống cùng áp lực gia tăng phát thải khí nhà kính đang thúc đẩy nhu cầu tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo bền vững. Nhu cầu năng lượng bình quân của con người hiện nay đã vượt mốc 200.000 kcal mỗi ngày, tăng gấp nhiều lần so với các giai đoạn lịch sử trước đây. Tại Việt Nam, tổng sản lượng phụ phẩm sinh khối phát sinh hằng năm ước tính đạt từ 8 đến 11 triệu tấn quy khô từ chế biến lâm nông nghiệp, chưa kể hàng chục triệu tấn tàn dư đồng ruộng sau thu hoạch. Tỉnh Nam Định là một trong những địa bàn trọng điểm sản xuất lúa gạo và hoa màu tại đồng bằng sông Hồng với mạng lưới 312 hợp tác xã nông nghiệp. Tại các huyện thuần nông như Xuân Trường, Trực Ninh, Ý Yên và Giao Thủy, diện tích lúa xuân muộn chiếm tới 97% và giống lúa lai thâm canh chiếm từ 50% đến 70% tổng diện tích canh tác. Bên cạnh đó, diện tích đất trồng màu và cây công nghiệp ngắn ngày thích nghi rộng trên 75.000 ha mang lại sản lượng nông sản lớn nhưng cũng đồng thời tạo ra khối lượng phế phụ phẩm khổng lồ sau thu hoạch. Thực trạng hiện nay cho thấy phần lớn rơm rạ, bẹ ngô, cùi ngô, thân lạc và chất thải chăn nuôi chưa được xử lý đồng bộ, thường bị đốt bỏ ngay tại đồng ruộng hoặc xả thải trực tiếp, gây ô nhiễm không khí và lãng phí tài nguyên. Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trường của tác giả Trần Tuấn Minh, thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Mạnh Khải tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2018, đã giải quyết trọn vẹn bài toán đánh giá trữ lượng, nhiệt trị và tiềm năng chuyển hóa năng lượng sinh khối tại địa phương. Nghiên cứu mở ra cơ sở khoa học vững chắc để chuyển đổi hơn 70% phụ phẩm dư thừa thành nhiệt năng và điện năng, góp phần giảm thiểu trên 20.000 tấn phát thải khí nhà kính mỗi năm và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn nông thôn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học sinh khối và mô hình kinh tế tuần hoàn khép kín trong nông nghiệp. Nghiên cứu tiếp cận toàn diện chu trình chuyển đổi năng lượng sinh khối thông qua hai hướng công nghệ chủ đạo: chuyển hóa nhiệt hóa (đốt trực tiếp, khí hóa sinh khối, nhiệt phân tạo nhiên liệu rắn) và chuyển hóa sinh học (lên men kỵ khí sản xuất khí sinh học Biogas, lên men đường/tinh bột thành cồn sinh học Ethanol sinh học). Ba khái niệm trung tâm được chuẩn hóa xuyên suốt nghiên cứu gồm: phụ phẩm nông nghiệp (chất thải hữu cơ có thể tái tạo phát sinh từ trồng trọt và chăn nuôi), nhiệt trị sinh khối (nhiệt trị cao HHV và nhiệt trị thấp LHV đo lường năng lượng giải phóng khi đốt cháy hoàn toàn), và hệ số chuyển đổi tiềm năng kỹ thuật (phần năng lượng thực tế thu hồi được sau tổn thất công nghệ). Luận văn tích hợp các mô hình tính toán năng lượng tái tạo theo tiêu chuẩn quốc tế, áp dụng hiệu suất chuyển đổi nhiệt điện trung bình từ 20% đến 25% đối với các trạm phát điện sinh khối quy mô vừa, đồng thời kết hợp hệ số phát thải theo hướng dẫn của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu để lượng hóa lợi ích môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được triển khai đồng bộ giữa điều tra thực địa, thống kê thứ cấp và phân tích thực nghiệm trong phòng thí nghiệm chuyên sâu. Nguồn dữ liệu thứ cấp được thu thập và chuẩn hóa từ hệ thống niên giám thống kê giai đoạn 2007 - 2017 của Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cùng Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Nam Định, bao quát trên 75.000 ha đất canh tác và toàn bộ số lượng gia súc, gia cầm. Về phương pháp sơ cấp, tác giả tiến hành điều tra xã hội học với cỡ mẫu 150 hộ nông dân và 15 trang trại chăn nuôi tập trung tại 4 huyện trọng điểm. Phương pháp lấy mẫu phân tầng ngẫu nhiên được lựa chọn nhằm đảm bảo tính đại diện cho từng tiểu vùng sinh thái canh tác lúa lai, chuyên canh ngô, lạc và chăn nuôi lợn thịt. Để xác định chính xác năng lượng hữu ích, nghiên cứu sử dụng thiết bị bom nhiệt lượng kế tiêu chuẩn phân tích nhiệt trị riêng của từng loại phụ phẩm sau thu hoạch. Quá trình thu mẫu, xử lý độ ẩm mẫu thử và tính toán dữ liệu được thực hiện liên tục trong khung thời gian 12 tháng từ năm 2017 đến tháng 9 năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả nghiên cứu định lượng đã chỉ ra nguồn năng lượng sinh khối cực kỳ dồi dào từ ngành trồng trọt và chăn nuôi của tỉnh Nam Định. Khối lượng rơm rạ phát sinh từ các giống lúa lai đạt tỷ lệ trung bình từ 1,0 đến 1,2 tấn phụ phẩm trên mỗi tấn thóc thành phẩm, tạo ra tổng sản lượng rơm rạ vượt mức 850.000 tấn mỗi năm. Đối với cây ngô và cây lạc, lượng thân lá, bẹ, cùi bắp và vỏ lạc sau thu hoạch bổ sung thêm khoảng 45.000 đến 60.000 tấn sinh khối khô mỗi năm. Về mặt năng lượng, phân tích thực nghiệm cho thấy nhiệt trị của rơm rạ khô dao động từ 14,5 MJ/kg đến 15,2 MJ/kg, cùi ngô đạt 16,8 MJ/kg, và thân vỏ lạc đạt mức cao nhất lên tới 17,1 MJ/kg. Mức nhiệt lượng này tương đương từ 45% đến 55% nhiệt trị của than đá thương phẩm loại tốt (25 - 30 MJ/kg). Trong lĩnh vực chăn nuôi, tổng đàn lợn hơn 700.000 con cùng hàng triệu gia cầm toàn tỉnh phát sinh lượng chất thải có khả năng sinh ra trên 40 triệu m3 khí sinh học Biogas hằng năm. Dù vậy, hiện trạng cho thấy tỷ lệ thu gom tận dụng phụ phẩm có hiệu quả kinh tế mới chỉ đạt dưới 25%, trong khi hơn 65% rơm rạ vẫn bị đốt lộ thiên gây lãng phí nghiêm trọng.

Thảo luận kết quả

Thực trạng tỷ lệ đốt bỏ phụ phẩm cao bắt nguồn từ việc cơ giới hóa khâu thu hoạch phát triển nhanh nhưng chưa có thiết bị thu gom và đóng gói sinh khối đồng bộ. Chi phí nhân công thu gom thủ công chiếm tới 35% đến 40% giá trị thương phẩm của nhiên liệu sinh khối, khiến nông dân chọn cách đốt nhanh ngoài ruộng để kịp khung thời vụ gieo cấy vụ kế tiếp. Khi đối chiếu với các mô hình năng lượng tại các quốc gia Đông Nam Á như Thái Lan hay Malaysia (nơi tận dụng trên 60% bã mía và phụ phẩm cọ dầu để cấp nhiệt phát điện), tỉnh Nam Định hoàn toàn đủ điều kiện xây dựng các nhà máy nhiệt điện sinh khối quy mô từ 5 MW đến 10 MW. Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua 15 bảng thống kê chi tiết và 8 đồ thị so sánh nhiệt trị, minh chứng rõ nét rằng việc chế biến phụ phẩm rơm rạ, ngô, lạc thành viên nén sinh khối hoặc nhiên liệu rắn RDF có thể nâng cao giá trị kinh tế của phụ phẩm lên gấp 3 lần so với phương pháp đun nấu thủ công truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Ủy ban nhân dân tỉnh Nam Định cùng Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cần ban hành gói hỗ trợ tài chính 30% đến 50% chi phí mua sắm máy cuộn rơm và máy băm nghiền phụ phẩm cho các hợp tác xã nông nghiệp tại các vùng chuyên canh lúa lai và cây màu giai đoạn 2019 - 2022.
  • Sở Tài nguyên và Môi trường chủ trì phối hợp với Sở Khoa học và Công nghệ quy hoạch xây dựng 2 trạm chế biến viên nén sinh khối pellet và nhiên liệu rắn RDF tập trung với công suất thiết kế 50.000 tấn nguyên liệu mỗi năm.
  • Sở Công Thương xây dựng cơ chế giá điện ưu đãi (Feed-in Tariff) nhằm thu hút doanh nghiệp đầu tư các dự án đồng phát nhiệt điện sinh khối công suất từ 5 MW đến 10 MW, hướng tới mục tiêu nâng tỷ trọng điện sinh khối đạt 3% tổng sản lượng điện tiêu thụ toàn tỉnh vào năm 2025.
  • Triển khai lắp đặt đồng bộ hệ thống công trình khí sinh học Biogas quy mô công nghiệp gắn với máy phát điện chạy khí sinh học cho 100% trang trại chăn nuôi quy mô từ 500 con lợn thịt trở lên, cắt giảm trực tiếp hơn 35.000 tấn khí thải metan hằng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cán bộ quản lý và chuyên viên hoạch định chính sách tại các Sở Nông nghiệp, Sở Tài nguyên Môi trường, Sở Công Thương: Tiếp cận cơ sở dữ liệu định lượng và phương pháp kiểm kê nguồn thải hữu cơ phục vụ xây dựng đề án tăng trưởng xanh cấp tỉnh.
  • Doanh nghiệp đầu tư năng lượng tái tạo và chế biến nhiên liệu sinh học: Khai thác chi tiết các thông số nhiệt trị, phân bố vùng nguyên liệu và bài toán kinh tế kỹ thuật để lập dự án khả thi cho nhà máy phát điện hoặc xưởng viên nén sinh khối.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Khoa học Môi trường, Năng lượng Tái tạo: Nguồn tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp phân tích bom nhiệt lượng kế, chu trình vật chất nông nghiệp và kỹ thuật đánh giá tiềm năng LHV/HHV.
  • Ban quản trị hợp tác xã nông nghiệp và chủ trang trại quy mô lớn: Cẩm nang thực tiễn giúp áp dụng các giải pháp thu gom phụ phẩm sau thu hoạch nhằm tăng thêm thu nhập và giải quyết triệt để vấn đề vệ sinh môi trường nông thôn.

Câu hỏi thường gặp

Tiềm năng nhiệt trị của các loại phụ phẩm nông nghiệp tại Nam Định đạt mức bao nhiêu?
Phân tích thực nghiệm cho thấy nhiệt trị của rơm rạ đạt 14,8 MJ/kg, cùi ngô đạt 16,8 MJ/kg và vỏ thân lạc đạt 17,1 MJ/kg. Mức năng lượng này tương đương một nửa nhiệt trị của than đá thương phẩm, chứng minh phụ phẩm cây trồng hoàn toàn đủ tiêu chuẩn kỹ thuật làm chất đốt công nghiệp.

Khả năng phát điện từ nguồn sinh khối phụ phẩm trên địa bàn tỉnh ước tính đạt con số nào?
Với hơn 850.000 tấn rơm rạ và 40 triệu m3 khí sinh học phát sinh hằng năm, hệ thống nhiệt điện sinh khối có thể tạo ra trên 120 triệu kWh điện mỗi năm. Sản lượng điện này đủ đáp ứng nhu cầu sinh hoạt cho khoảng 150.000 hộ gia đình nông thôn.

Nguyên nhân chính khiến nông dân vẫn đốt rơm rạ trực tiếp trên đồng ruộng là gì?
Nguyên nhân chủ yếu do khoảng cách thời gian giữa hai vụ lúa rất ngắn chỉ từ 5 đến 7 ngày, kết hợp với sự thiếu hụt phương tiện thu gom cơ giới hóa nhanh. Việc đốt bỏ tại ruộng là lựa chọn nhanh nhất của người dân dù gây ô nhiễm không khí nặng nề.

Mô hình công nghệ nào khả thi nhất để xử lý phụ phẩm trồng trọt tại địa phương?
Công nghệ ép viên nén sinh khối (Pellet) kết hợp lò đốt tầng sôi phát điện quy mô từ 2 MW đến 5 MW là phù hợp nhất. Giải pháp này giúp giảm tới 70% thể tích tồn trữ, nâng cao mật độ năng lượng và thuận tiện cho việc vận chuyển phân phối.

Luận văn mang lại đóng góp mới nào cho công tác bảo vệ môi trường địa phương?
Nghiên cứu đã số hóa và định lượng hóa toàn bộ tiềm năng sinh khối của 312 hợp tác xã nông nghiệp tại Nam Định. Đề tài cung cấp hệ số phát thải giảm thiểu làm căn cứ khoa học giúp địa phương tham gia thị trường tín chỉ carbon trong tương lai.

Kết luận

  • Xác lập hệ thống dữ liệu toàn diện về hơn 900.000 tấn phụ phẩm cây lúa, ngô, lạc và chất thải chăn nuôi phát sinh hằng năm tại Nam Định.
  • Chứng minh tiềm năng năng lượng vượt trội của phụ phẩm với nhiệt trị trung bình từ 14,5 đến 17,1 MJ/kg, sẵn sàng thay thế nhiên liệu hóa thạch.
  • Đánh giá chính xác thực trạng thu gom và đề xuất chuyển giao công nghệ sản xuất viên nén sinh khối cùng hệ thống phát điện khí sinh học.
  • Đề xuất lộ trình chính sách 4 điểm cho giai đoạn 2018 - 2025 gắn liền với các mốc thời gian và chỉ tiêu định lượng cụ thể.
  • Mở ra hướng đi đột phá cho nền kinh tế nông nghiệp tuần hoàn, hướng tới mục tiêu phát triển bền vững và giảm phát thải khí nhà kính tại đồng bằng Bắc Bộ.