CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIỆT PHÂN NHANH SINH KHỐI SẢN XUẤT NHIÊN LIỆU SINH HỌC 1. Sinh khối và tình hình sử dụng năng lượng sinh khối 1. Giới thiệu về sinh khối Sinh khối (biomass) được chia làm 2 loại, đó là sinh khối thực vật (phytomass) và sinh khối động vật (zoomass). Tổng số lượng sinh khối động vật và sinh khối thực vật được ước tính là khoảng 560 tỷ tấn carbon [68].
Sinh khối thực vật là kết quả từ quá trình quang hợp của thực vật nhờ vào ánh sáng mặt trời, một phần của ánh sáng sẽ chuyển đổi thành năng lượng hóa học trong thực vật giúp liên kết các nguyên tử thành phân tử carbonhydrate. Sinh khối động vật là những loài động vật ăn thực vật giúp chuyển hóa sinh khối thực vật thành sinh khối của chính nó, còn những loài động vật ăn động vật thì chuyển đổi sinh khối của con mồi thành sinh khối của chính nó. Sinh khối sử dụng sản xuất dầu sinh học là sinh khối thực vật, bao gồm: gỗ, cỏ và các loại cây trồng nông nghiệp, được xác định như là một nguồn năng lượng tái tạo. Thành phần hóa học chính của sinh khối bao gồm cellulose, hemicellulose và lignin.
Tỷ lệ phần trăm các thành phần này của một số sinh khối được liệt kê trong bảng 1. Các thành phần nguyên tố chủ yếu của sinh khối là hydro, carbon, oxy; trong khi đó các nguyên tố lưu huỳnh và nitơ có thể có mặt với số lượng rất ít.1: Thành phần hóa học của một số sinh khối [63] Loại sinh khối Lignin (%) Cellulose (%) Hemicellulose (%) Gỗ 25-30 35-50 20-30 Rơm 15-20 33-40 20-25 Cỏ 5-20 30-50 10-40 Bã mía 23-32 19-24 32-48 Lõi ngô 15 50,5 31 Trấu 18 32,1 24 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 7 1. Tổng quan tình hình sử dụng năng lượng sinh khối 1. Tình hình sử dụng năng lượng sinh khối trên thế giới Hiện nay, nhiên liệu sinh khối chiếm khoảng 10 % các nguồn cung cấp năng lượng toàn cầu, trong đó hai phần ba được sử dụng ở các nước đang phát triển để nấu ăn và sưởi ấm [105].
Việc sử dụng nguồn nhiên liệu sinh khối phục vụ đời sống, giao thông, công nghiệp và sản xuất điện năng được tóm tắt trên hình 1. Trích ly Chất rắn Hóa học Nhiệt phân Nâng cấp Diesel Hóa lỏng Dầu sinh Sinh Tuốc bin học khối Methanol Hóa khí Tổng hợp Chất khí Điện năng Động cơ Đốt cháy Nhiệt Amoniac Lò hơi Hình 1.1: Các ứng dụng năng lượng từ sinh khối [15] Trong các quá trình biến đổi năng lượng từ sinh khối, quá trình đốt cháy và hóa khí có hiệu suất cao hơn quá trình nhiệt phân. Tuy nhiên, cả hai quá trình này đều có nhược điểm là sản phẩm nhiệt năng hoặc điện năng tạo ra chỉ thực hiện được tại địa điểm có nguồn sinh khối. Ngược lại, quá trình nhiệt phân cho sản phẩm là dầu sinh học nên có thể dễ dàng vận chuyển đến nơi cần sử dụng nguồn năng lượng này.
Dầu sinh học có nhiều ưu điểm nổi trội, nó có khối lượng riêng từ 1.200 kg/m3, gấp từ 6 đến 7 lần khối lượng riêng sinh khối. Do đó, chi phí vận chuyển của dầu sinh học giảm từ 83 đến 85 % so với sinh khối thô. Hơn nữa, dầu sinh học sau khi sản xuất từ sinh khối nếu được xử lý (giảm hàm lượng nước và oxy) thì sẽ có tính chất vật lý và hóa học tương tự như dầu diesel nên có thể được sử dụng như là nhiên liệu cho lò hơi, động cơ diesel và tuốc bin khí [14], các ứng dụng của dầu sinh học được thể hiện trên hình 1. Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 8 Nhiệt năng Khí Tuốc bin Điện năng Động cơ Nhiệt phân Dầu sinh học Đốt hỗn hợp Nhiệt năng Nhiệt năng Rắn Lò hơi Ứng dụng Hình 1.2: Ứng dụng dầu sinh học [13], [18] Với các ứng dụng đa dạng của dầu sinh học, ngày nay các nhà khoa học trên thế giới đang tập trung nghiên cứu để hoàn thiện cơ sở lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm quá trình nhiệt phân sinh khối sản xuất dầu sinh học.
Tình hình sử dụng năng lượng sinh khối ở Việt Nam Việt Nam thuộc vùng nhiệt đới gió mùa nên tiềm năng sinh khối thực vật được đánh giá rất đa dạng và phong phú. Nguồn sinh khối chủ yếu từ các loại gỗ và phụ phẩm cây trồng (bã mía, trấu, rơm rạ …). Theo thống kê của Viện Năng lượng Việt Nam, lượng sinh khối từ gỗ chiếm khoảng 25 triệu tấn / năm tương đương với 8,8 triệu tấn dầu thô. Sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp như bã mía, rơm rạ, trấu lên đến 53,5 triệu tấn / năm tương đương với 12,8 triệu tấn dầu thô [68].
Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam việc sử dụng nguồn năng lượng từ sinh khối còn qui mô nhỏ lẻ, chủ yếu sử dụng sinh khối làm chất đốt, làm nhiên liệu đốt trong lò hơi và sản xuất điện cục bộ. Trong khi đó, việc tạo ra nguồn dầu sinh học từ sinh khối chỉ mới dừng lại việc nghiên cứu ban đầu và chưa làm chủ được công nghệ này. Có thể nói rằng, việc nắm bắt xu hướng của thế giới sẽ giúp Việt Nam chúng ta từng bước làm chủ các công nghệ tiên tiến. Trong bối cảnh các nhà khoa học cũng như các công ty đang từng bước chuyển từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch sang sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng sinh khối, thì hướng nghiên cứu sản xuất dầu sinh học từ phế phẩm nông và lâm nghiệp là một hướng đi đúng đắn Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 9 cho Việt Nam.
Ở Việt Nam chúng ta hiện nay, sản xuất dầu sinh học từ sinh khối đang còn là một chủ đề mới mẻ, nhiều doanh nghiệp đang muốn tiếp cận và làm chủ các công nghệ về sản xuất dầu sinh học từ sinh khối. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối 1. Các nguồn sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học được tạo ra từ nhiều nguồn nguyên liệu sinh khối khác nhau và được phân thành 3 thế hệ [7]: - Thế hệ thứ nhất (1st generation): Nhiên liệu sinh học được tạo ra từ các loại cây lương thực, thực phẩm như mía, sắn, củ cải v. Tuy nhiên, các sinh khối này là cây lương thực nên ảnh hưởng đến vấn đề an ninh lương thực.
- Thế hế thứ hai (2st generation): Nhiên liệu sinh học được tạo ra từ các sinh khối là các phế phụ phẩm trong quá trình sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và khai thác lâm nghiệp. Nguồn sinh khối này có ưu điểm là giải quyết được vấn đề an ninh lương thực đồng thời thân thiện hơn với môi trường do tận dụng được phế phẩm từ nông nghiệp. - Thế hệ thứ ba (3st generation): Nhiên liệu sinh học tạo ra từ các loại tảo (nước ngọt và nước biển), cây dầu mè, cỏ switch, cây halophyte. Các sinh khối này ngoài ưu điểm là không ảnh hưởng đến an ninh lương thực, nó còn có ưu điểm là hiệu quả thu hồi dầu cao, vòng tuần hoàn năng lượng ngắn.
Tuy nhiên, đây mới chỉ là định hướng nghiên cứu trong tương lai, hiện nay các kết quả nghiên cứu mới dừng lại ở giai đoạn thăm dò ban đầu. Trên cơ sở phân tích và đánh giá tiềm năng sinh khối ở Việt Nam, tác giả nhận thấy rằng, phát triển và xây dựng các công nghệ sản xuất dầu sinh học từ các phế phẩm nông nghiệp và lâm nghiệp (thế hệ thứ hai) là hướng đi phù hợp trong điều kiện Việt Nam chúng ta. Các phương pháp sản xuất dầu sinh học từ sinh khối Nhiên liệu sinh học sản xuất từ sinh khối theo thế hệ thứ hai được thực hiện bằng 3 phương pháp chính [36], [37]: - Phương pháp thủy phân sinh học: là quá trình sinh khối tạo đường tan và tách lignin, sau đó thông qua quá trình lên men dùng xúc tác enzim chuyển hóa thành Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 10 cồn sinh học, diesel sinh học và xăng sinh học. Phương pháp này có nhược điểm là giá thành sản phẩm rất cao vì nó đòi hỏi phải tạo những giống chủng enzym phù hợp để chuyển hóa đường C6 thành etanol, đường C5 thành butanol và diesel sinh học.
Việc tạo ra những chủng giống enzyme này thường rất khó khăn và phức tạp, nên việc thương mại hóa công nghệ này là rất khó [37]. - Phương pháp khí hóa sinh khối: là quá trình oxy hóa không hoàn toàn ở nhiệt độ cao (600 900 C), sản phẩm chủ yếu là khí tổng hợp có thành phần chính là hỗn hợp khí CO và H2 và qua tổng hợp Fischer-Tropsch tạo nhiên liệu ankan: xăng và diesel. Tuy nhiên, hàm lượng H2 trong hỗn hợp sản phẩm khí rất thấp nên để thực hiện tổng hợp Fischer-Tropsch cần phải bổ sung thêm hàm lượng hydrô [49], dẫn đến tăng giá thành sản phẩm. Ngoài ra, phương pháp khí hóa thường có thiết bị phức tạp, làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao [59], [75] nên khó khăn cho người người vận hành và lựa chọn thiết bị.
- Phương pháp nhiệt phân: là quá trình phân hủy sinh khối trong điều kiện không có ôxy. Hỗn hợp khí hữu cơ tạo thành từ quá trình nhiệt phân được ngưng tụ thành dầu sinh học và bằng công nghệ hydrodeoxy hóa tạo thành nhiên liệu lỏng sử dụng được trong giao thông và công nghiệp. Không giống với phương pháp khí hóa, phương pháp nhiệt phân làm việc trong khoảng nhiệt độ thấp ( 550 C), sản phẩm quá trình nhiệt phân là dầu sinh học dễ dàng lưu trữ và vận chuyển. Đến nay, công nghệ xử lý và nâng cấp chất lượng dầu để sử dụng được trong giao thông vận tải, công nghiệp đã được nghiên cứu thành công.
Như vậy, trong ba phương pháp trên, phương pháp nhiệt phân là phương pháp có những ưu điểm nổi trội để sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối. Tình hình nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối ở Việt Nam Nghiên cứu quá trình nhiệt phân sinh khối sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam là lĩnh vực còn mới mẻ. Đến nay mới có vài đề tài nghiên cứu về lĩnh vực này.TS Đặng Tuyết Phương và các cộng sự ở Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu tạo nhiên liệu lỏng và khí từ nguồn nguyên liệu rơm rạ bằng phương pháp nhiệt phân chậm có xúc tác và hiệu suất thu hồi dầu sinh học đạt 25,5 % [36]. Ngoài ra, cũng tại Viện này, năm 2015 TS Phạm Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 11 Thu Giang đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu tổng hợp hệ xúc tác hiệu quả cho quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học từ rơm rạ”.