CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1. Tình hình sản xuất và ứng dụng biogas trên thế giới và tại Việt Nam 1. Tình hình sản xuất biogas trên thế giới trong những năm gần đây Biogas là sản phẩm từ quá trình phân hủy kỵ khí các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp. Thông thường biogas gồm 60-80% methane, 20-40% carbon dioxide và khoảng 1% hydorgen và một số chất khí khác.
Biogas có thể hóa lỏng ở áp suất từ 200-300bar và có nhiệt trị khoảng 23. Khối lượng riêng 1,2kg/m3 và có chỉ số octan (RON) xấp xỉ 130 [56]. Với những tính chất như trên thì biogas có thể được sử dụng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong thay thế nhiên liệu hóa thạch trong sản xuất điện năng. Dầu mỏ đang dần cạn kiệt đã thúc đẩy các nước phát triển nghiên cứu tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế mang tính bền vững hơn.
Cộng Đồng Châu Âu đã kêu gọi các nước trong khối thực hiện mục tiêu sử dụng 5,75% nhiên liệu sinh học vào năm 2010 [64]. Thị trường thế giới về biogas tăng lên đáng kể trong những năm gần đây và nhiều nước đã phát triển công nghệ biogas hiện đại để cạnh tranh trên thị trường năng lượng thay thế và tiếp nhận các khoản hỗ trợ về bảo vệ môi trường. Hàng nghìn trung tâm sản xuất biogas đã được xây dựng ở Châu Âu. Đức, Áo, Đan Mạch và Thụy Điển là những nước đi tiên phong trong phát triển kỹ thuật biogas.
Tại Trung Quốc, có đến 18 triệu hầm biogas gia đình nông thôn đang hoạt động trong năm 2006 với tiềm năng biogas lên đến 145 tỷ mét khối. Ấn Độ hiện có khoảng 5 triệu nhà máy biogas quy mô nhỏ đang hoạt động. Các quốc gia khác như Nepal và Việt Nam cũng có một số lượng đáng kể hầm biogas quy mô rất nhỏ hộ gia đình [36]. Phần lớn các hầm biogas ở Châu Á sử dụng công nghệ đơn giản, vì vậy chúng được thiết kế và xây dựng dễ dàng.
Các nước Mỹ, Canada và Châu Mỹ La Tinh cũng đang phát triển ngành biogas hiện đại trong khuôn khổ các chương trình hỗ trợ của chính phủ về năng lượng thay thế. 7 Tiềm năng biogas được ước tính trên cơ sở các nguồn sinh khối đang tồn tại trên hành tinh. Các số liệu thống kê cho thấy con người chỉ mới sử dụng một phần rất nhỏ biogas so với tiềm năng có thể sản xuất được từ các nguồn sinh khối có sẵn. Hiệp hội sinh khối Châu Âu (AEBIOM) ước tính năng lượng dựa trên sinh khối có thể tăng từ 72 triệu tấn dầu thô qui đổi (MToE) năm 2004 lên 220 MToE vào năm 2020 [32].
Tiềm năng sản xuất biogas lớn nhất là từ nguồn gốc sinh khối nông nghiệp. Theo AEBIOM, Liên minh châu Âu có thể sử dụng một diện tích đất lên đến 20-40 triệu ha dùng cho sản xuất năng lượng mà không hề gây ảnh hưởng đến nguồn cung cấp thực phẩm [18]. 4000 3500 Sản lượng biogas, 1000 ToE 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Đức Anh Pháp Ý Áo Hà Lan Ba Lan Séc Thụy Đan Điển Mạch Hình 1. Sản lượng biogas ở các nước EU năm 2009 (Nguồn European Biogas Association – EBA) Biogas là nhiên liệu sinh học được dùng để sản xuất điện năng bằng động cơ chạy nhiên liệu khí ở Châu Âu.
Mặt khác, loại nhiên liệu này cũng đã được dùng trên phương tiện giao thông, cụ thể như ở Thụy Điển hiện có hơn 4.000 ô tô chạy bằng biogas. Mới đây nhất, Thụy Điển đã chế tạo tàu hỏa chạy bằng biogas. Tàu hỏa này được lắp hai động cơ xe buýt sử dụng biogas, có thể chở 54 hành khách. Quãng đường hoạt động độc lập của tàu là 600km trước khi phải tiếp thêm nhiên liệu và có thể đạt vận tốc lên đến 130km/h [13].
8 Châu Âu hiện có hơn 4.500 nhà máy sản xuất biogas tại những bãi chôn lấp rác lớn. Tốc độ phát triển sản xuất biogas tăng khoảng 6%/năm. Những quốc gia có sản lượng biogas trên đầu người lớn là Anh, Thụy Điển, Thụy Sĩ và Hà Lan. Hiện nay có ba nước đã ban hành tiêu chuẩn chất lượng biogas gồm Thụy Sĩ, Đức và Thụy Điển [7].
Nâng cao chất lượng biogas được thực hiện qua hai bước mà bước chính là loại bỏ CO2 trong nhiên liệu. Những tạp chất có hại khác (như tạp chất có chứa lưu huỳnh) phải được loại bỏ trước khi loại CO2. Sản xuất điện 2010 Sản xuất điện 2020 Sản xuất nhiệt 2010 Sản xuất nhiệt 2020 Vận tải 2010 Vận tải 2020 Pháp Anh Séc Đan Mạch Phần Lan Ai Len Hà Lan Ba Lan Bồ Đào Nha Slovakia Tây Ban Nha Thụy Điển Ý Áo Bỉ Đức Hình 1. Phân bố nguồn sử dụng biogas ở Châu Âu năm 2010 và dự báo năm 2020 Hình 1.1 giới thiệu lượng biogas sản xuất ở Châu Âu năm 2009.
Đức và Anh là hai nước đi đầu về sản lượng biogas.2 cho thấy biogas chủ yếu dùng để sản xuất điện năng và cung cấp nhiệt năng ở hầu hết các nước Châu Âu [7]. Ở Áo và Thụy Điển, sản lượng biogas tuy thấp hơn các nước trong vùng nhưng được dùng chủ yếu để chạy ô tô.3 cho thấy công suất điện sản xuất từ biogas tăng gấp 3 lần từ năm 2000 đến 2010 [7]. Điện năng tạo ra từ nhiên liệu biogas chủ yếu được sản xuất bằng động cơ đốt trong sử dụng biogas. Công suất động cơ thay đổi trong phạm vi rộng từ vài trăm kW đến nhiều MW.
Mặt khác, microturbine cũng được dùng để sản xuất điện năng bằng biogas có công suất trong khoảng 30-250kW. 9 4500 4000 3500 Công suất điện (MW) 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2010 Năm Hình 1. Công suất điện chạy bằng biogas ở Châu Âu Ở khu vực Châu Á, Philippines đã có hơn 653 hệ thống biogas từ chất thải gia súc được xây dựng trong những năm gần đây. Các hệ thống này đã đem lại những lợi ích thiết thực về giảm thiểu môi trường và giải quyết vấn đề năng lượng ở nông thôn.
Từ năm 2000 đến nay, đã có 9 công ty chuyên xây dựng và cung cấp thiết bị biogas được thành lập ở Philippines [1]. Tại Thái Lan, năm 2011, biogas từ chất thải được sử dụng để sản xuất điện với tổng công suất lên đến 138MW và sản xuất nhiệt với sản lượng là 0,379 MToE. Chính phủ Thái Lan đã đặt ra kế hoạch đến năm 2021, lượng điện sản xuất từ biogas đạt 600MW và lượng nhiệt từ biogas sẽ đạt 1 MToE [24].000 công trình biogas được xây dựng ở nông thôn trong những năm đầu của thế kỷ 21. Tại Ấn Độ, biogas được sản xuất từ chất thải nông nghiệp ở qui mô gia đình, thường được gọi là Gober gas.
Đến nay, ước tính có hơn 2 triệu hầm biogas với qui mô hộ gia đình ở Ấn Độ và đã có nhiều thử nghiệm chạy máy phát điện qui mô nhỏ bằng biogas. Kết quả cho thấy sử dụng biogas để chạy máy phát điện có thể làm giảm đến 40% giá thành so với chạy bằng nhiên liệu dầu mỏ. Ngay từ những năm 1980, Trung Quốc đã xây dựng các hầm biogas qui mô lớn và cỡ trung ở các trại chăn nuôi. Trong mười năm trở lại đây, Trung Quốc đã thực hiện một bước tiến đáng kể trong sản xuất và sử dụng biogas qui mô gia đình.
Năm 2005 đã có hơn 15 triệu hầm biogas qui mô gia đình với sản lượng biogas lên đến trên 5,6 tỉ m3 ở Trung Quốc [63]. Tình hình sản xuất và sử dụng biogas tại Việt Nam Từ khoảng hơn mười năm nay, việc sử dụng biogas đã trở nên quen thuộc đối với người dân Việt Nam. Thông thường hầm biogas được xây bằng gạch hoặc bê tông. Nhược điểm của các loại hầm này là dễ bị lún nứt, nhất là hầm bê tông, gây rò khí ra ngoài và không có khả năng tự phá váng.
Hầm gạch, hầm bê tông đòi hỏi phải nạp nguyên liệu (phân gia súc) nhiều và liên tục, vì vậy việc lên men kỵ khí không đạt mức tối ưu, áp lực khí thường chỉ đạt khoảng 5cm cột nước, không có khả năng tự điều tiết áp lực, phải có túi chứa khí rất cồng kềnh. Để khắc phục những nhược điểm trên, những năm gần đây, người ta đã sản xuất thành công loại bể biogas bằng chất liệu nhựa composite siêu bền. Với loại bể biogas mới này, những nhược điểm nêu trên của hầm gạch, hầm bê tông đã căn bản được khắc phục: Hầm không bị rò khí, không bị axit ăn mòn, có khả năng tự đẩy bã phân ra khỏi bể mà không phải bật nắp hầm lên để thao tác bằng tay. Khi hút cặn (như bã thải hay cát sỏi) dưới đáy hầm, bếp ga vẫn hoạt động bình thường.
Do chịu được áp suất cao nên hiệu suất sinh khí của hầm nhựa rất lớn, có khả năng tự phá váng để chuyển hóa lên men kỵ khí 100%, áp lực khí gas của hầm nhựa rất cao, đạt tới 1,6m cột nước so với áp lực 5cm cột nước của hầm bê tông, hầm gạch. Nhờ những ưu điểm vượt trội này, hầm biogas composite rất được người dân ưu chuộng. Tuy biogas đã được phổ biến rộng rãi nhưng việc sử dụng nó vẫn còn rất hạn chế, chủ yếu dùng để đun nấu. Những ứng dụng ban đầu này cũng đã đem lại nhiều lợi ích về tiết kiệm năng lượng và môi trường.
Theo tính toán, một hầm biogas tiết kiệm được khoảng 2,3 tấn củi đun, tương đương với 0,03 ha rừng mỗi năm. Việc sử dụng bã thải sinh học góp phần làm tăng sản lượng cây trồng và rau xanh. Riêng các công trình biogas trong Chương trình biogas Việt Nam-Hà Lan hiện nay đã góp phần giảm thiểu 107.000 tấn CO2, tiết kiệm 13.000 tấn than, gần 3.300 tấn dầu lửa và 208.022 bình gas LPG loại 13kg mỗi năm, đáp ứng nhu cầu năng lượng cho 160.000 người chủ yếu ở vùng nông thôn nghèo khó [1]. Nước ta có gần 80% dân số sống ở nông thôn.
Hoạt động sản xuất và sinh hoạt ở khu vực này đòi hỏi một nguồn năng lượng rất lớn. Sự gia tăng giá xăng dầu và giá 11 điện trong thời gian gần đây đã và đang gây rất nhiều khó khăn đối với vùng nông thôn. Nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng tại chỗ để phát điện nhằm giảm chi phí năng lượng đã trở nên rất bức xúc, đặc biệt ở những nơi sản xuất nông nghiệp tập trung, các trại chăn nuôi đã có sẵn hầm biogas. Biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong 1.
Tinh lọc biogas Biogas là dạng nguồn năng lượng tái sinh.
