Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tính cần thiết của đề tài. Việc chuyển đổi sinh khối thành năng lượng (hay còn gọi là năng lượng sinh khối) bao gồm nhiều phương pháp khác nhau phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu, công nghệ chuyển đổi, các hình thức ứng dụng của năng lượng sinh khối và điều kiện kinh tế của mỗi địa phương, mỗi quốc gia. Nguồn nguyên liệu sinh khối có thể được sản xuất từ các loại cây trồng năng lượng chuyên dụng, cây trồng làm chất đốt ngắn ngày, các sản phẩm từ rừng và dư lượng nông nghiệp như: thân cây, củi, rơm rạ … hay từ các nguồn chất thải công nghiệp, chất thải hữu cơ hoặc phân động vật.
Trong mỗi trường hợp các nguyên liệu sinh khối phải được thu thập, vận chuyển và lưu trữ trước khi được chế biến thành dạng nguyên liệu thích hợp cho quá trình xử lý. Theo đó, năng lượng sinh khối là một dạng của năng lượng tái tạo khi sử dụng sẽ giúp giảm tác động có hại của việc khai thác và sử dụng nhiên liệu hoá thạch như hiện nay. Tuy nhiên, cũng như với bất kỳ nguồn năng lượng nào khác, năng lượng sinh khối cũng có những hạn chế nhất định và nó phải cạnh tranh không chỉ với nhiên liệu hóa thạch mà còn với các nguồn năng lượng tái tạo khác từ gió, năng lượng mặt trời và thủy triều. Khi sinh khối được tạo thành bởi thực vật là kết quả của quá trình quang hợp thì một phần năng lượng trong ánh nắng mặt trời được biến đổi thành năng lượng hóa học, gắn kết nhiều nguyên tử khác nhau để thành phân tử carbonhydrate.
Các loài động vật ăn thực vật và tạo ra biomass của chính chúng từ năng lượng tích trữ trong biomass của thực vật mà nó ăn vào. Tương tự, các loại động vật ăn thịt động vật sử dụng sinh khối của động vật mà nó ăn vào để tạo ra sinh khối của chính nó. Khi thực vật và động vật này chết đi, năng lượng tích tụ trong biomass của chúng vẫn tồn tại cho đến khi biomass của chúng phân rã tự nhiên hay bị đốt hay qua quá trình xử lý nhân tạo. HVTH: Trần Thế Thanh 1 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Một phần năng lượng trong biomass được giải phóng khi các phân tử được đốt hay được sắp xếp lại.
Quá trình hô hấp mà nhờ đó động vật và thực vật phá vỡ các phân tử carbohydrate trong cơ thể của chúng để tạo thành CO2 và nước là một ví dụ về cách mà năng lượng tích tụ trong phân tử được giải phóng để cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống. Mặt khác, động vật là thành phần tiêu thụ năng lượng và biomass, và năng lượng mà động vật tích trữ trong cơ thể của chúng ít hơn năng lượng có trong thức ăn của chúng. Tuy nhiên, các chất hữu cơ thải ra từ cơ thể chúng chứa một lượng năng lượng trong đó và đã được dùng để sản xuất ra năng lượng. Khi Biomass được xem là nguồn để sản xuất ra năng lượng, chúng bao gồm cả động vật và thực vật.
Việt nam là một nước nông nghiệp và hàng năm thải ra một lượng lớn đến hàng chục triệu tấn các chất phế thải (sinh khối) như trấu, bã mía, vỏ hạt điều, mùn cưa, rơm. Sử dụng nguồn sinh khối này một cách thích hợp để sản xuất nhiệt và điện năng sẽ đem lại cơ hội mới cho Nông nghiệp, cải thiện an ninh năng lượng, và mang lại lợi ích cho môi trường và xã hội. Vì vậy trong nghiên cứu này sẽ áp dụng kỹ thuật chuyển sinh khối thành nhiên liệu cho máy phát điện sử dụng trực tiếp ở hộ gia đình. Nhiên liệu sinh học (còn được gọi là nhiên liệu từ nông nghiệp – agrofuel) theo định nghĩa rộng là những nhiên liệu rắn, lỏng hay khí được chuyển hóa từ sinh khối.
Tuy nhiên, phần này chỉ đề cập chính đến nhiên liệu sinh học dạng lỏng được sản xuất từ sinh khối. Nói chung, nhiên liệu sinh học mang lại những lợi ích sau: giảm khí thải nhà kính, giảm gánh nặng lên nhiên liệu hóa thạch, tăng sự an toàn về năng lượng quốc gia, góp phần phát triển nông thôn và là một nguồn năng lượng bền vững trong tương lai. Ngược lại, nhiên liệu sinh học cũng có một số hạn chế: nguồn nguyên liệu phải được tái tạo nhanh, công nghệ sản xuất phải được thiết kế và tiến hành sao cho cung cấp lượng nhiên liệu lớn nhất với giá thấp nhất và mang lại lợi ích về môi trường nhất. Nhiên liệu sinh học và những dạng nhiên liệu tái tạo khác nhắm đến tính chất trung tính về carbon.
Điều này có nghĩa là carbon được thải ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu để cung cấp năng lượng vận chuyển hay HVTH: Trần Thế Thanh 2 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên sinh điện năng được tái hấp thụ và cân bằng với lượng carbon hấp thụ bởi cây cối. Những cây này sau đó lại được thu hoạch để tiếp tục sản xuất nhiên liệu. Những nhiên liệu trung tính về carbon không gây ra sự tăng carbon trong khí quyển, vì thế không góp phần vào hiệu ứng trái đất nóng lên. Sau đây là một số các loại nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên theo phân loại của tự điển bách khoa toàn thư trực tuyến Wikipedia.org: - Dầu thực vật: dầu thực vật có thể dùng để làm nhiên liệu sử dụng cho rất nhiều những loại động cơ diesel đời cũ, và chỉ ở điều kiện khí hậu ấm áp.
Trong đa số trường hợp, dầu thực vật được sử dụng để sản xuất biodiesel. - Biodiesel: được sản xuất từ dầu hoặc chất béo qua quá trình tranesterification và là một chất lỏng giống như diesel từ dầu mỏ. - Bioalcohols: là những rượu được sản xuất từ quá trình lên men sinh học. Bioalcohols phổ biến là ethanol, rồi đến propanol và butanol.
- Biogas: biogas được sinh ra từ quá trình tiêu hủy kỵ khí các chất hữu cơ bởi các vi sinh vật kỵ khí. Sản phẩm phụ dạng rắn từ quá trình này có thể được sử dụng làm nhiên liệu hoặc phân bón. Biogas chứa chủ yếu là methane. - Nhiên liệu sinh học dạng rắn: ví dụ như: gỗ, than hoặc phân khô cũng theo tự điển Wikipedia.org, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ 2 bao gồm: - BioHydrogen: là khí Hydro được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh khối.
BioHydrogen được dùng trong pin nhiên liệu (fuel cell). - DMF: được sản xuất DMF từ fructose và glucose sử dụng công nghệ sinh khối-nhiên liệu lỏng có xúc tác. - Bio-DME: là DME được sản xuất từ biomethanol qua quá trình dehydration có xúc tác, được sử dụng trong động cơ khí nén. - Biomethanol: methanol được sản xuất từ sinh khối, có thể được pha vào dầu đến 10-20% mà không làm thay đổi tính chất cơ bản của dầu.
Để đảm bảo an ninh năng lượng bảo vệ môi trường phát triển bền vững, nhiều quốc gia và các tổ chức quốc tế trong vài thập kỉ qua đã tập trung nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch, tiến tới xây dựng ngành “nhiên liệu HVTH: Trần Thế Thanh 3 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên sạch” ở quốc gia mình. Các nước đã có thành công nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học là Brazil, Mỹ, Canada, Mexico, Châu Âu có Anh, Pháp, Đức, Tây Ban Nha, Bỉ, Áo…Châu Á có Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Nhật. Sở dĩ nhiều nước đẩy nhanh chươngtrình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học vì đã cam kết thực hiện nghị định Kyoto về cắt giảm khí nhà kính và để đảm bảo an ninh năng lượng khi nguồn dầu mỏ trở nên đắt đỏ và sẽ cạn dần cuối thế kỷ này. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước Ngoài nước Gasohol còn gọi là xăng sinh học được chế tạo từ hỗn hợp ethanol khan 99,5% pha xăng tỷ lệ 5, 10, 20 hoặc 40% ethanol khan, với hỗn hợp ethanol trong gasohol khoảng 10-20% thì không cần cải tạo động cơ.
Khi xem xét ứng dụng hiện nay của bioethanol, hiển nhiên cần bắt đầu từ Brazil. Brazil đã thành công trong việc sản xuất bioethanol theo quy mô công nghiệp từ những năm 1970 khi nước này phụ thuộc nặng nề vào dầu nhập khẩu. Lệnh cấm vận dầu mỏ của Trung Đông đã bắt buộc Brazil phải tìm kiếm những nguồn nhiên liệu vững bền hơn cho nhu cầu năng lượng của đất nước. Tuy rằng có những vấn đề nảy sinh, nhưng chương trình này của Brazil được xem như một mô hình thành công trong việc phát triển bền vững.
Ngày nay, toàn bộ xe hơi ở Brazil sử dụng xăng có pha ít nhất 25% ethanol, và 60% số xe có khả năng “linh động về nhiên liệu” (có thể sử dụng 100% ethanol làm nhiên liệu). Brazil sản xuất bioethanol hầu như chỉ từ cây mía. Trong mô hình này, mỗi tấn mía cho năng suất 72 lít ethanol. Loại ethanol này có thể được tinh lọc thêm để pha vào xăng, hoặc dùng làm ethanol nhiên liệu tinh.
Rõ ràng con số này cho thấy có rất nhiều thành phần không được sử dụng trong quá trình chuyển hóa biomass thành ethanol. Hầu hết những thành phần này là hemicellulose và cellulose. Nước Mỹ đang bám theo Brazil và đầu tư mạnh vào sản xuất nhiên liệu sinh học. Hiện tại Mỹ đang sử dụng toàn bộ xăng có pha 10% ethanol, với những cải tiến nhằm tăng tỉ số này.
Đa phần mọi phương tiện bán ở Mỹ đều phải có động cơ linh hoạt về nhiên liệu. Liên minh Châu Âu cũng đã tiến đến việc khuyến khích năng HVTH: Trần Thế Thanh 4 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên lượng tái sinh cho tương lai với những đạo luật về điều khoản sử dụng phương tiện giao thông tối thiểu cho các nước thành viên. Trong tương lai, Colombia bắt buộc những thành phố có dân số trên 500.000 dân phải bán xăng có pha 10% ethanol. Ở Venezuela, công ty dầu quốc gia đang hỗ trợ dự án xây dựng 15 nhà máy chế cồn từ mía trong 5 năm tới khi chính phủ sắp ban hành đạo luậtbắt buộc sử dụng xăng E10 (pha 10% ethanol).
Chính phủ Canada nhắm đến việc 45% xăng trong cả nước có pha 10% ethanol vào năm 2010. Ở Đông Nam Á, Thái Lan đã ban hành luật cho việc sử dụng xăng pha 10% ethanol bắt đầu từ 2007. Ở Ấn Độ, một chương trình bioethanol đã kêu gọi người dân sử dụng xăng E5 trên cả nước, tiến tới việc sử dụng xăng E10 và E20. Những nghiên cứu hợp tác gần đây giữa trường đại học Stanford và Viện nghiên cứu khoa học thuộc Đại học California đã chỉ ra rằng việc chuyển đổi sinh khối thành dạng năng lượng điện năng sẽ có lợi và mang lại hiệu quả hơn nhiều khi chyển sang các dạng nhiên liệu khác.