CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Xu thế phát triển năng lượng tái tạo Hiện nay, các nguồn năng lượng truyền thống từ: dầu mỏ, khí đốt tự nhiên và than đá đang ngày một suy giảm, đây không phải là nguồn nguyên liệu vô tận. Theo cơ quan Năng lượng Quốc Tế (IEA) thì dạng năng lượng này có thể vẫn tiếp tục giữ vai trò chủ đạo trong thế kỉ 21 và kéo dài cho đến nửa cuối của thế kỷ sau [20]. Vì vậy, một trong những giải pháp được ưu tiên hàng đầu là tìm ra nguồn năng lượng thay thế sạch hơn, an toàn hơn và quan trọng hơn là phải có khả năng tái tạo, đây là xu thế tất yếu hiện nay hướng tới sự phát triển bền vững.
Năng lượng tái tạo là năng lượng từ các nguồn tài nguyên được bổ sung liên tục và không thể cạn kiệt. Năng lượng tái tạo gồm năng lượng mặt trời, thủy điện, gió, địa nhiệt, đại dương, sinh khối, nhiên liệu sinh học,. Chúng là một nguồn năng lượng sạch, ít gây ô nhiễm không khí. Năng lượng tái tạo thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống [21].
Hiện nay, các nguồn năng lượng sử dụng chủ yếu từ than đá, dầu khí, hạt nhân, còn năng lượng tái tạo chỉ chiếm khoảng 20%. Năm 2011, năng lượng tái tạo cung cấp 19% năng lượng tiêu thụ thế giới, trong đó 9,3% là năng lượng sinh khối truyền thống, chủ yếu dùng nấu nướng và sưởi ấm, còn lại gồm 4,1% nhiệt lượng từ sinh khối, mặt trời, địa nhiệt và nước nóng, 3,7% thủy điện, 1,1% điện năng từ gió, mặt trời, địa nhiệt và 0,8 % nhiên liệu sinh học (hình 1. So với mức tiêu thụ năng lượng thế giới năm 2005 [44] thì mức tiêu thụ năng lượng hóa thạch giảm đi và mức tiêu thụ năng lượng tái tạo tăng lên. Mức tiêu thụ các loại năng lượng trên thế giới, năm 2011 [24] 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Dù chiếm tỷ trọng khiêm tốn nhưng năng lượng tái tạo luôn trên đà phát triển.
Tăng nhanh nhất là điện mặt trời (điện năng phát ra tăng bình quân hằng năm từ pin mặt trời (photovoltaic – PV) là 60% và từ các nhà máy điện tập trung nhiệt mặt trời (CSP) là 43%, tiếp đến là điện, gió tăng 25% và nhiên liệu sinh học tăng 17% mỗi năm (hình 1. Năng lượng tái tạo có nhược điểm là hiệu suất khai thác không ổn định như năng lượng mặt trời, thủy điện, và gió,… nhưng năng lượng tái tạo vẫn đang được đầu tư nghiên cứu và khuyến khích sử dụng trên toàn thế giới nhằm giảm phụ thuộc vào dầu mỏ, giảm ô nhiễm môi trường [24]. Tăng trưởng năng lượng tái tạo và nhiên liệu sinh học trên thế giới, năm 2012[24] Đối với năng lượng sinh học thì sản lượng nhiên liệu sinh học và ethnol trên toàn cầu phát triển hơn 10 năm qua, đặc biệt là sản lượng nhiên liệu sinh học năm sau luôn cao hơn năm trước (hình 1. Sản lượng ethanol và nhiên liệu sinh học trên toàn cầu[24] Như vậy, ngày nay hầu hết các nước trên thế giới đều quan tâm đến phát triển 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com năng lượng tái tạo nói chung và nhiên liệu sinh học nói riêng.
Đi trước và có tỷ trọng năng lượng cao là các nước châu Âu, Mỹ. Tại châu Á, Trung Quốc nổi lên là nước sớm ban hành luật năng lượng tái tạo. Việt Nam là quốc gia có tiềm năng phát triển các nguồn năng lượng tái tạo sẵn có gồm: thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng sinh khối, nhiên liệu sinh học, năng lượng từ nguồn rác thải sinh hoạt, năng lượng mặt trời, và năng lượng địa nhiệt [26]. Năng lượng sinh khối Năng lượng sinh khối là năng lượng tái tạo sinh ra từ các vật liệu có nguồn gốc sinh khối.
Sinh khối (biomass) là thuật ngữ mô tả các vật chất có nguồn gốc sinh học có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng hoặc do các thành phần hóa học của nó. Do đó sinh khối bao gồm cây cối tự nhiên, cây trồng công nghiệp, tảo và các loài thực vật khác, hoặc những bã nông nghiệp và lâm nghiệp. Sinh khối cũng bao gồm cả những vật chất được xem như chất thải từ xã hội, từ con người như chất thải của quá trình sản xuất thức ăn (dầu mỡ động thực vật thải), bùn/nước cống, phân bón, sản phẩm phụ gia (hữu cơ) công nghiệp và các thành phần hữu cơ của chất thải sinh hoạt. Nguồn gốc của biomass xuất phát từ CO2 và H2O dưới tác dụng của các photon mặt trời và clorophy tạo ra những thành phần cellulose, hemicenllulose, lignin… [28].
Được xem là nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sinh khối có thể dùng trực tiếp, gián tiếp một lần hay chuyển thành dạng năng lượng khác như nhiên liệu sinh học. Chế phẩm sinh học công nghiệp có thể được phân loại thành bốn lĩnh vực chính bao gồm: đường và tinh bột, dầu và lipid, mủ cao su và hóa học gỗ, cuối cùng là các dẫn xuất cellulose, sợi và nhựa. Các dạng năng lượng khác nhau có thể được khai thác từ các nguồn sinh khối bằng cách: vật lý, hóa học, nhiệt, và phương pháp sinh học [52]. Trong khi dầu mỏ là nguồn năng lượng chính của thế kỉ 20, thì một nguồn năng lượng mới, cụ thể là năng lượng tái tạo có nguồn gốc sinh khối có thể là nguồn năng lượng của thế kỉ 21.
Vậy có thể thấy rằng biomass là nguồn năng lượng tái tạo hàng đầu hiện nay của thế giới. Hơn nữa việc chuyển hóa biomass thành nhiên liệu có ưu điểm lớn như làm giảm sự phát thải khí nhà kính, bởi vì để tổng hợp biomass cần tiêu thụ CO2 và H2O [28]. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Nhiên liệu sinh học (biofuel) 1.
Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học là những nhiên liệu có nguồn gốc từ các vật liệu sinh khối, ví dụ như bioetanol, biodiesel, biogas, nhiên liệu xăng pha etanol, dimetylete sinh học dầu thực vật [6][53][73] below. Trước đây, nhiên liệu sinh học hoàn toàn không được chú trọng và chỉ được tận dụng ở quy mô nhỏ như một loại nhiên liệu phụ, dùng để thay thế. Tuy nhiên, sau khi xuất hiện tình trạng khủng hoảng nhiên liệu ở quy mô toàn cầu cũng như ý thức bảo vệ môi trường lên cao, nhiên liệu sinh học bắt đầu được chú ý phát triển ở quy mô lớn hơn do những lợi ích mà nó mang lại so với các loại nhiên liệu truyền thống như [74]. - Bảo đảm an ninh năng lượng và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
- Giảm thiểu ô nhiễm và khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính. - Sản xuất và ứng dụng nhiên liệu sinh học tương đối đơn giản. - Đóng góp vào phát triển kinh tế - xã hội của các cộng đồng địa phương và các ngành kinh tế đang phát triển. - Phát triển kinh tế nông nghiệp.
- Không cần thay đổi cấu trúc động cơ cũng như cơ sở hạ tầng hiện có và giá thành cạnh tranh so với xăng dầu. - Góp phần hình thành sự tham gia của các xí nghiệp nhỏ và vừa (SMEs). Nhiên liệu sinh học chỉ tất cả những dạng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học, có thể phân loại theo trạng thái như sau: Dạng lỏng, dạng rắn, dạng khí [73]. * Nhiên liệu dạng lỏng: Các chế phẩm dạng lỏng nhận được trong quá trình chế biến vật liệu nguồn ngốc sinh học như sau: Xăng sinh học: Bao gồm bio-metanol, bio-ethanol, bio-butanol… Trong đó, bio-ethanol là loại nhiên liệu thông dụng nhất hiện nay trên thế giới, sản xuất ở quy mô công nghiệp từ nguyên liệu chứa đường như mía, củ cải đường và nguyên liệu chứa tinh bột như ngũ cốc, khoai tây, sắn… Diesel sinh học (Biodiesel): là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este.
Một số dạng nhiên liệu lỏng khác: Dầu thực vật sử dụng trực tiếp (SVO) làm nhiên liệu, các loại dung môi, dầu nhựa thu được trong quá trình nhiệt phân gỗ… 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com * Nhiên liệu dạng khí: Là các loại khí nguồn gốc sinh học cũng đã được sử dụng và ngày càng phổ biến như: Biogas (CH4 và một số khí khác phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí), khí hydro và các sản phẩm khí khác (thu được từ quá trình nhiệt phân gỗ và khí hóa sinh khối). * Nhiên liệu sinh học rắn: Như củi, gỗ và than bùn, thường được sử dụng trong công việc nấu nướng hay sửi ấm. Ngoài cách phân loại trên, dựa vào cơ sở nguồn nguyên liệu sản xuất, nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành thế hệ thứ nhất, thế hệ thứ hai, thế hệ thứ ba và sự phân loại này chỉ mang tính chất tương đối (bảng 1. Phân loại nhiên liệu sinh học theo nguồn gốc nguyên liệu sản xuất Nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học thế Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất hệ thứ hai thế hệ thứ ba * Thay thế nhiên liệu xăng: * Sản phẩm từ phản ứng sinh * Thay thế nhiên Ethanol hoặc buthanol từ hóa thay thế nhiên liệu xăng: liệu diesel: quá trình lên men tinh bột ( - Ethanol hay butanol từ quá - Biodiesel sản xuất ngô lúa mì, khoai tây) hay trình thủy phân với sự có từ tảo, dầu mỡ thải.
đường(củ cải đường, đường mặt của enzym. * Sản phẩm của mía). * Sản phẩm phản ứng nhiệt phản ứng cracking * Thay thế nhiên liệu thay thê nhiên liệu xăng. dầu mà thải: khí, diesel: - Methanol, xăng Fischer – diesel xanh, xăng - Biodiesel sản xuất từ quá Tropsch, rượu phối trộn.
xanh, kerosene trình trao đổi este dầu thực * Sản phẩm từ phản ứng xanh. vật hay còn gọi là FAME, nhiên liệu thay thế nhiện liệu * Ưu điểm: Nhiên (hạt đậu nành SME, hạt diesel liệu thế hệ thứ ba sử hướng dương, dừa cọ, - Diesel Fischer – Tropsch, dụng nguồn sinh jatropha, dầu ăn thải và mở dimity ete, diesel xanh. khối không ảnh động vật. hưởng đến an ninh * Ưu điểm: Nhiên liệu thế hệ - Dầu thực vật nguyên chất.
thứ hai sử dụng nguồn sinh lương thực, đồng * Ưu điểm: Nhiên liệu loại khối không ảnh hưởng đến thời góp phần sử này có thương mại cao, được an ninh lương thực dụng nguồn phế thải áp dụng tại nhiều nước trên và giảm ô nhiễm thế giới môi trường. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.