MỞ ĐẦU 1. Ý nghĩa của nghiên cứu: 1. Ý nghĩa luận: Trên thế giới hiện nay, có nhiều công trình nghiên cứu về khả năng ứng dụng của sản phẩm quá trình khí hoá từ các nguyên liệu khác nhau. Có những nhà nghiên cứu cho rằng đáng tin cậy và có thể sử dụng trong thực tiễn và sử dụng ở nhiều nước trên thế giới.
Tuy nhiên, lại có những nhà nghiên cứu cho rằng cần thận trọng khi sử dụng kết quả vào trong thực tiễn cho các mục đích quan trọng vì kết quả có thể bị tác động bởi nhiều yếu tố không mong muốn. Những kết quả của luận văn này có thể sẽ góp phần vào đánh giá các tiềm năng năng lượng sinh học vào trong ứng dụng thực tế ở Việt Nam. Đề tài là bước đầu nghiên cứu phân tích bio-oil bằng GC/MS trên đối tượng tre, đề xuất một phương pháp phân tích làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực khí hóa biomass 1. Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả của luận văn cung cấp những thông tin về quy trình phân tích bằng GC/MS các thành phần chính của sản phẩm phụ trong quá trình khí hoá tre.
Đề tài sẽ giải quyết được những vấn đề nêu trên trong ngành công nghiệp năng lượng và nguồn nhiên liệu ở nước ta, nâng cao giá trị, hiệu quả và giảm thiểu tác động của quá trình sản xuất. Trang 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Nhu cầu sử dụng năng lượng hiện nay Trong vài thập kỉ qua, nhất là từ những năm đầu thế kỉ XXI đến nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các nền kinh tế mới nổi ở châu Á và Nam Mỹ, nhu cầu sử dụng năng lượng của thế giới liên tục tăng, bất chấp những nỗ lực cắt giảm của các quốc gia phát triển. Hình 1: Nhu cầu tiêu thụ năng lượng của thế giới từ năm 1971 đến năm 2010[6] Nhu cầu sử dụng tăng cao làm cho các nguồn năng lượng lượng từ hóa thạch đứng trước nguy cơ cạn kiệt một cách nhanh chóng.
Theo ước tính tổng hợp của tập đoàn BP dựa trên các thống kê của nhiều tổ chức về năng lượng, trữ lượng dầu mỏ hiện tại chỉ có thể đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ của thế giới trong khoảng 53 năm, còn than đá thì có thể khai thác trong 109 năm nữa[7]. Bên cạnh đó, một trong những xu hướng chung hiện nay nhằm cắt giảm lượng dầu mỏ tiêu thụ của các quốc gia là sử dụng khí thiên để thay thế, bởi những lợi ích đáng kể, cũng như trữ lượng khá lớn của chúng so với dầu mỏ. Tuy nhiên, lượng khí thiên nhiên cũng không là nguồn năng lượng vô tận và theo thống kê của BP, chúng chỉ có thể đủ cung cấp cho thế giới trong 56 năm.Và thêm một lưu ý nữa là, những tính toán đưa ra ở trên chưa được đề cập tới sự gia tăng nhu cầu sử dụng năng lượng qua từng năm, nghĩa là thời gian sử dụng thực tế còn có thể ngắn hơn rất nhiều. Trang 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN Rõ ràng việc phụ thuộc quá lớn của thế giới vào các nguồn năng lượng hóa thạch - đặc biệt là dầu mỏ - đã đang và sẽ gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường thiên nhiên, đời sống con người và kéo theo các vấn đề về an ninh - chính trị.
Khí thải từ việc sử dụng các dạng năng lượng này không ngừng tăng cao, quá trình biến đổi khí hậu ngày càng được thể hiện đậm nét dần qua sự gia tăng mức độ tàn phá, cũng như cường độ của các thảm họa thiên tai. Những cuộc xung đột chính trị, tranh chấp chủ quyền và chiến tranh thôn tính với các động cơ từ các mỏ dầu vẫn đang diễn ra một cách thường xuyên. Với những tác động tiêu cực nói trên, việc tìm kiếm tới các nguồn năng lượng mới thân thiện hơn, dồi dào hơn và "sạch" hơn ngày càng được các quốc gia coi trọng và thúc đẩy phát triển nhằm để thay thế hoàn toàn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, đảm bảo sự phát triển ổn định trong tương lai. Các dạng năng lượng mới này gọi là năng lượng tái tạo (Renewable energy), có thể hiểu - theo lý thuyết - chúng là dạng năng lượng không bao giờ cạn kiệt.
Năng lượng tái tạo bao gồm các dạng như: năng lượng hydro, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh khối, và một số loại khác. Trong các dạng này, năng lượng sinh khối chiếm tỷ trọng lớn nhất - khoảng 63% tổng số các năng lượng tái tạo. Vì thế, việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng sinh khối vào đời sống ngày càng được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm, thúc đẩy và đã có những bước phát triển đáng kể. Sản xuất năng lượng từ sinh khối 2.
Tiềm năng sản xuất năng lượng từ sinh khối Sinh khối là một dạng nguyên liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sự sống, hay gần đây là sinh vật sống, đa số là các cây trồng hay vật liệu có nguồn gốc từ thực vật. Như vậy, sinh khối có thể chỉ chung cho các loại động vật, thực vật và các chất thải, phụ phẩm do chúng tạo ra. Các dạng sinh khối được các nhà khoa học đánh giá cao về tiềm năng cung cấp năng lượng là: Một số loại nông sản (ngô, sắn, mía,.) Dầu mỡ động vật (từ các nhà máy chế biến thực phẩm) Các loại gỗ, phụ - phế phẩm nông nghiệp (trấu, rơm rạ, phân động vật,.) Các loại cây cho dầu (jatropha, halophyte,.) Trang 5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN Một số loài vi tảo. Tiềm năng năng lượng từ các dạng sinh khối [9] Tiềm Quy dầu tương Nguồn cung cấp năng đương (triệu tấn) (triệu tấn) Rừng tự nhiên 6,84 2,39 Rừng trồng 3,72 1,30 Đất không rừng 3,85 1,35 Gỗ Cây trồng phân tán 6,05 2,12 Cây công nghiệp và ăn 2,40 0,84 quả Phế liệu gỗ 1,65 0,58 Rơm rạ 32,52 7,30 Phụ phẩm nông Trấu 6,50 2,16 nghiệp Bã mía 4,45 0,82 Các loại khác 9,00 1,80 Tiềm năng sinh khối là rất lớn, nhất là ở các quốc gia có nền nông nghiệp phát triển, nơi nguồn nông sản và phế phẩm nông nghiệp luốn dồi dào.
Theo ước tính của hiệp hội Công nghiệp Sinh khối Châu Âu, tiềm năng sinh khối ở khu vực châu Âu, Mỹ Latinh và châu Phi có thể đạt tới tương ứng 8,9; 19,9 và 21,4 EJ/năm, tương đương 1,4; 3,2 và 3,5 tỷ thùng dầu[10]. Riêng Mỹ ước tính có khoảng 1,3 tỷ tấn sinh khối khô/năm, tương đương 3,8 tỷ thùng dầu [11]. Châu Á là khu vực sản xuất nông sản lớn nhất thế giới (nổi bật là Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Việt Nam,.) nên lượng sinh khối tạo ra rất lớn. Nhu cầu năng lượng thế giới của cả năm 2012 là vào khoảng 12.496 triệu tấn dầu, xấp xỉ 91,5 tỉ thùng dầu[12], trong đó năng lượng tạo ra từ sinh khối cung cấp khoảng 55 EJ [14] tương đương 8,7 tỷ thùng.
Như vậy, sinh khối đã cung cấp khoảng 10% nguồn năng lượng cơ bản cho toàn thế giới (khoảng 38% cho các nước đang phát triển) và là nguồn năng lượng thứ tư, sau dầu mỏ, than đá và khí tự nhiên[13]. Hơn Trang 6 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN nữa, đây còn lại là một nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường hơn rất nhiều hơn với nhiên liệu hóa thạch. Dựa vào tiềm năng về tốc độ tăng trưởng qua từng năm và lợi ích của năng lượng sinh khối, có thể thấy nếu khai thác hiệu quả nguồn nguyên liệu này các nước có thể giảm một phần không nhỏ vào việc phụ thuộc vào dầu mỏ cũng như bảo vệ môi trường. Các phương pháp sản xuất năng lượng từ sinh khối Tùy vào tính chất của nguồn nguyên liệu cũng như mục đích sử dụng, việc chuyển hóa sinh khối thành năng lượng được tiến hành bằng nhiều phương pháp khác nhau như vật lý, sinh học (sinh hóa) và nhiệt hóa (thông qua các quá trình nhiệt)[14].
Hình 2: Các quá trình chuyển hóa sinh khối thành năng lượng[15] 2. Chuyển hóa vật lý Phương pháp này thường sử dụng áp lực tác động lên động, thực vật để tạo ra dầu triglyceride. Sau đó, dầu thu được sẽ được tiến hành xử lý sâu hơn bằng quá trình ester hóa với ancol để tạo thành các alkyl ester (biodiesel). Tuy nhiên, phạm vi ứng dụng của phương pháp này khá hẹp, chỉ có thể sử dụng cho một số loại nguyên liệu có chứa dầu như đậu nành, jatropha, hạt cải dầu,.
Trang 7 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN Ngoài ra, một số phương pháp chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu dưới dạng các viên nén, bánh,.bằng cách giảm kích thước, nén chặt và sấy.Chuyển hóa sinh học Phương pháp được xây dựng dựa trên nguyên lý là sử dụng các loại enzyme để nhằm phá vỡ các hợp chất phức tạp chứa trong sinh khối thành các hợp chất đường và ancol. Công nghệ sản xuất ancol từ ngô, mía,. là một trong những ứng dụng của phương pháp này, và đã được đưa vào thương mại hóa và đạt được nhiều thành công ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, công nghệ này cũng vấp phải nhiều sự phản đối quyết liệt về việc sử dụng nguyên liệu là các loại thức ăn cho con người trong bối cảnh khủng hoảng lương thực ở nhiều quốc gia trên thế giới.
Ngoài ra, cũng có một hướng nghiên cứu khác để giải quyết vấn đề trên là sử dụng các enzyme có khả năng phá vỡ được các mạch cellulose trong các loại sinh khối phi lương thực thành các monomer, rồi dùng phương pháp lên men để tạo thành nhiên liệu. Bên cạnh đó, một trong những hướng nghiên cứu đang được áp dụng khá nhiều, nhất là những nước chủ yếu có nền kinh tế nông nghiệp như Việt Nam, là sử dụng hầm chứa sinh khối để phân hủy tạo biogas. Phương pháp chuyển hóa sinh học chỉ tạo ra vài loại sản phẩm nhất định nên độ chọn lọc cao và hiệu suất lớn. Tuy nhiên, việc chuyển hóa sinh học là một quá trình diễn ra rất chậm có thể kéo dài đến hàng năm và không thể phân giải được lượng ligin có trong sinh khối (ngay cả khi có enzyme đặc thù), làm cho hiệu quả kinh tế không cao.
Chuyển hóa nhiệt Quá trình chuyển hóa nhiệt là một quá trình có vai trò hết sức quan trọng trong việc chuyển hóa sinh khối để tạo ra nhiên liệu. Chuyển hóa nhiệt tạo ra nhiều sản phẩm phức tạp, nhưng chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn, khoảng từ vài giây đến vài phút, và có thể phá vỡ hoàn toàn cấu trúc của sinh khối (kể cả lignin), tăng hiệu quả sử dụng nguyên liệu.
