Chuyên đề 8: TÀI NGUYÊN NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI Mục lục A. PHẦN MỞ ĐẦU B. PHẦN NỘI DUNG Mục lục I. Tổng quan, khái quát về năng lượng sinh khối là gì? 1. Sinh khối là gì? 2. Khái niệm năng lượng sinh khối là gì? 3. Các nguồn hình thành năng lượng sinh khối a. Sinh khối rắn b. Sinh khối lỏng c. Sinh khối khí II. Ưu điểm và khuyết điểm của năng lượng sinh khối là gì? 1. Ưu điểm của năng lượng sinh khối 2. Khuyết điểm của năng lượng sinh khối III. Cách lấy năng lượng sinh khối IV. Chuyển hóa năng lượng từ sinh khối thành nhiệt trong đời sống như thế nào? 1. Ý nghĩa của việc chuyển hóa năng lượng từ sinh khối thành nhiệt 2. Các công cụ chuyển hóa năng lượng sinh khối cụ thể V. Tình hình phát triển năng lượng sinh khối trên thế giới và Việt Nam C. PHẦN KẾT I.Tổng quan, khái quát về năng lượng sinh khối là gì? 1. Sinh khối là gì? Sinh khối chính là những vật liệu sinh học (biology) có từ sự sống hoặc sinh vật sống trên trái đất. Sinh khối xuất hiện đa số là những cây trồng hoặc những nguyên vật liệu có nguồn gốc được chiết xuất từ thực vật. Sinh khối được coi là nguồn năng lượng tái tạo, có thể sử dụng một cách trực tiếp hoặc gián tiếp, có thể là dạng một lần hoặc chuyển thành dạng năng lượng khác. Quá trình quang hợp cho phép thực vật xanh lấy được bức xạ điện từ từ năng lượng mặt trời và biến nó thành năng lượng hóa học. Với năng lượng sinh khối thu được bằng cách đảo ngược quá trình quang hợp này. Năng lượng được lưu trữ trong vật chất sống được giải phóng khi các hợp chất hóa học trong các vật liệu hữu cơ bị phá vỡ do phân hủy. Các dư lượng hữu cơ còn sót lại từ quá trình này được gọi là sinh khối . Sinh khối chính là chất hữu cơ và nhiên liệu của chúng có thể lấy ví dụ giống như các nhiên liệu hóa thạch (dầu, than đá, hoặc khí đốt tự nhiên). Sự khác biệt là nhiên liệu hóa thạch được hình thành trong trái đất từ thực vật và hoặc động vật vẫn còn hơn hàng triệu năm. Mặt khác là sinh khối được tạo ra và có thể tái tạo trên quy mô thời gian nhỏ hơn nhiều khi các nhà máy phát triển liên tục, động vật liên tục sản xuất phân, và người ta vứt bỏ chất thải mỗi ngày. Ngoài ra, sử dụng nguyên liệu sinh khối cho nhiên liệu không làm cạn kiệt nguồn cung cấp của chúng vì chúng liên tục được phục hồi như nguồn năng lượng tái tạo. Vì lý do này, nhiều người tin rằng năng lượng sinh học và nhiên liệu sinh học sẽ là nguồn năng lượng tái tạo chính trong tương lai. 2. Khái niệm về năng lượng sinh khối là gì? Năng lượng sinh khối là thuật ngữ được sử dụng để chỉ bất kỳ loại nhiên liệu tự nhiên phi hóa thạch nào và được phân loại là dạng hữu cơ hoặc là được làm bằng vật liệu có nguồn gốc từ thực vật. Loại nhiên liệu này được chuyển đổi thành các nguồn năng lượng có thể sử dụng trong đời sống của con người. Năng lượng sinh khối được xem là nguồn tài nguyên rất quan trọng trên trái đất này, chúng được gọi là “Tài nguyên có thể phục hồi”. Năng lượng mặt trời chính là nguồn gốc của năng lượng sinh khối. Về mặt lịch sử, con người đã tìm ra và khai thác những sản phẩm có nguồn gốc từ năng lượng sinh khối khi con người bắt đầu sử dụng củi khô và cỏ khô để nhóm lửa sưởi ấm. Hiện nay, thuật ngữ năng lượng sinh khối có thể hiểu theo hai nghĩa. Nghĩa đầu tiên là sinh khối là vật liệu cây trồng dùng để tạo ra điện năng (dùng tua bin hơi hoặc nén khí), hoặc sinh khối là tạo ra nhiệt (thông qua việc đốt các nhiên liệu một cách trực tiếp). 3. Các nguồn hình thành năng lượng sinh khối là gì? Năng lượng sinh khối hiện tại có 3 dạng vật chất cơ bản đó là: Rắn, lỏng và khí. Đồng thời, những dạng năng lượng sinh khối này cũng được chia thành 2 cấp cơ bản, đó là: • Sơ cấp: Sản xuất năng lượng sinh khối thông qua ánh sáng của mặt trời hàng ngày để tạo ra quá trình quang hợp tự nhiên cho cây xanh. • Thứ cấp: Đây là nguồn năng lượng sinh khối được tạo ra từ quá trình phân hủy và chuyển hóa tất cả các chất hữu cơ được thải ra trong sinh hoạt hàng ngày của con người và các hoạt động tự nhiên của sinh vật a) Sinh khối rắn Sinh khối rắn còn được gọi là “nguyên liệu”. Sinh khối rắn chính là các chất hữu cơ ở dạng rắn hoặc là được nén ở dạng bột viên và được giải phóng năng lượng mà chúng đã lưu trữ thông qua quá trình đốt cháy. Sinh khối rắn (hoặc nguyên liệu thức ăn chăn nuôi) bao gồm: • Gỗ và cặn gỗ: Ví dụ như cây, các bụi cây, mùn cưa, bột viên từ thân và lá được nghiền nhỏ, khoai tây chiên và các loại gỗ phế thải. • Các dư lượng nông nghiệp như Rác, rơm, rạ, cỏ, cây khô, hạt, rễ, vỏ ốc và vỏ trấu. • Cây năng lượng từ than củi, than bùn và rêu. • Rác thải đã qua xử lý ví dụ như chất thải của bã cây mía. • Chất thải động vật như phân chuồng. • Chất thải rắn được thải từ các khu đô thị như rác thải sinh hoạt b) Sinh khối lỏng Sinh khối lỏng hay còn được gọi là “nhiên liệu sinh học”, là bất kỳ loại chất lỏng nào được tạo ra từ chất rắn vẫn đang phát triển hoặc đã sống ở một số điểm có thể được xử lý để sản xuất một loại nhiên liệu. Sinh khối lỏng hoặc nhiên liệu sinh học bao gồm: • Dầu thực vật mới được chiết xuất từ hạt hướng dương thành dầu hướng dương, hạt cải dầu thành dầu hạt cải hoặc dầu thực vật được tái chế. • Nhiên liệu Methanol, Ethanol và cồn được lên men từ ngô, ngũ cốc và các hạt thực vật khác. • Dầu Diesel sinh học được chưng cất từ dầu thực vật và mỡ động vật. • Nhiên liệu P-Series, là sự pha trộn các chất rắn và các chất lỏng khác nhau với nhau để tạo ra nhiên liệu. c) Sinh khối dạng khí Còn được gọi là “khí sinh học”, là bất kỳ loại khí nào được hình thành một cách tự nhiên được đưa ra bởi các nhà máy phân hủy rác, chất thải sinh hoạt, động vật phân hủy, bùn và phân có thể được tái chế và sử dụng như một loại nhiên liệu. Sinh khối dạng lỏng hoặc khí biogas bao gồm: •Metan được chiết xuất từ quá trình phân hủy thực vật, động vật và phân chuồng. • Bio gases được sinh ra từ rác thối rữa tại bãi rác. • Hydrogen được dùng cho năng lượng pin và pin nhiên liệu. • Tổng hợp Khí pha trộn từ Carbon Monoxide và Hydrogen. • Khí tự nhiên được lấy từ nhiên liệu hóa thạch. II. Ưu điểm và khuyết điểm của năng lượng sinh khối là gì? 1. Ưu điểm của năng lượng sinh khối - Năng lượng sinh khối làm giảm đi sự phụ thuộc vào các nhiên liệu hóa thạch. - Năng lượng sinh khối làm giảm phát sinh thải khí nhà kính, và giảm thiểu đáng kể các vấn đề về ô nhiễm và quản lý chất thải. - Năng lượng sinh khối sử dụng nhiều loại cây trồng khác nhau hỗ trợ những người nông dân trong nông nghiệp. - Sản xuất các chất hay nhiên liệu thay thế sạch hơn và tái tạo mới cho dầu thô và các nhiên liệu hóa thạch thông thường. 2. Khuyết điểm của năng lượng sinh khối - Các dạng nhiên liệu sinh khối rắn có hàm lượng năng lượng thấp hơn hẳn so với các dạng nhiên liệu hóa thạch. - Nhiên liệu hóa thạch được dùng để sản xuất nhiên liệu sinh học chiếm một lượng lớn trong đất đai. Làm giảm lượng đất có sẵn trong sản xuất nông nghiệp và thực phẩm. III.Cách lấy năng lượng sinh khối Cách thứ nhất: Đốt nhiệt sinh khối: Cách này là khi bạn sử dụng để đốt các loại sinh khối dạng rắn. Nguồn năng lượng sinh học của quá trình đốt sinh khối dạng rắn này được sử dụng trực tiếp trong quá trình sinh hoạt của con người như là: nấu ăn hay giặt đồ chẳng hạn. Cách thứ hai: Phát điện bằng Biopower – Biomass: Cách này là phương pháp mà bạn sử dụng hơi nước hoặc là nhiệt bằng cách đốt các nhiên liệu tự nhiên để tạo ra năng lượng điện phục vụ cho quá trình sử dụng điện hàng ngày của con người. Cách thứ ba: Khí hóa sinh khối: Khí sinh học chính là một phần của sinh khối, đây là loại khí sinh ra một cách tự nhiên và được tạo ra bởi các nguồn nhiên liệu sinh học như phân của động vật, các chất thải mục nát và tảo biển. Khi sinh khối được khí hóa thì các nhiên liệu được chuyển hóa có thể được sử dụng một cách trực tiếp hoặc gián tiếp, và có thể được vận chuyển bằng đường ống đến với người tiêu dùng cho sinh hoạt hàng ngày. Khí hóa sinh khối dùng để sưởi ấm hoặc là phát điện, là một trong những dạng hữu ích của năng lượng sinh học. Cách thứ tư: Chuyển hóa chất lỏng sinh khối: Một cách sản xuất nhiên liệu sinh khối thú vị khác được gọi là nhiên liệu sinh học. Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu dạng lỏng được làm từ sinh khối, thường là từ chất thực vật. Có nhiều loại nhiên liệu sinh học với một số loại phổ biến bao gồm methanol và ethanol, cũng như xăng tổng hợp, dầu diesel sinh học và nhiên liệu hàng không. IV.Chuyển hóa năng lượng từ sinh khối thành nhiệt trong đời sống như thế nào? 1. Ý nghĩa của việc chuyển hóa năng lượng từ sinh khối thành nhiệt -Việc chuyển đổi sinh khối thành năng lượng (hay còn được gọi là năng lượng sinh khối) có ý nghĩa quan trọng đối với đời sống con người. Quá trình chuyển đổi này bao gồm nhiều phương pháp khác nhau và phụ thuộc vào cả các nguồn nguyên liệu, các công nghệ chuyển đổi năng lượng và cả các hình thức về ứng dụng của năng lượng sinh khối và điều kiện kinh tế của mỗi địa phương cũng như mỗi quốc gia. -Nguồn nguyên liệu sinh khối có thể được sản xuất từ nhiều nguồn đa dạng như các loại cây trồng năng lượng chuyên dụng để làm thành năng lượng sinh khối, các loại cây trồng làm chất đốt ngắn ngày, những sản phẩm từ rừng và dư lượng từ sản xuất nông nghiệp như: thân cây khô, củi khô, rơm rạ... hoặc là từ những nguồn chất thải công nghiệp được thải ra hàng ngày, chất thải hữu cơ hoặc là phân động vật. Trong mỗi trường hợp, các nguyên liệu sinh khối cần phải được thu thập, vận chuyển cũng như là lưu trữ trước khi được tiến hành chế biến thành các dạng nguyên liệu thích hợp đối với quá trình xử lý. -Theo đó, năng lượng sinh khối chính là một dạng ý nghĩa của năng lượng tái tạo khi sử dụng sẽ giúp làm giảm các tác động có hại trong việc khai thác và sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch trong xã hội hiện nay. Tuy nhiên, cũng như đối với bất kỳ nguồn năng lượng được tái tạo nào khác trên thế giới, năng lượng sinh khối cũng có những mặt hạn chế nhất định mà tôi đã nêu ở trên và dạng năng lượng này cần phải cạnh tranh không chỉ với các nguồn nhiên liệu hóa thạch mà còn phải cạnh tranh với các nguồn năng lượng tái tạo khác đến từ gió, năng lượng của mặt trời và năng lượng từ thủy triều. -Hiện nay, tại các nước phát triển trên thế giới, khí sản xuất từ quá trình phân huỷ các chất thải hữu cơ được sử dụng vô cùng rộng rãi và có thể được sử dụng để làm nhiên liệu cho những nhà máy phát điện. Điện được sản xuất dưới hình thức này coi như là một nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường và với giá thành vô cùng cạnh tranh. Việc sử dụng các loại khí từ quá trình phân rải các chất hữu cơ còn có thể tạo cơ hội sử dụng chất thải để sản xuất nguồn năng lượng sinh khối, qua đó giúp cho các bạn thúc đẩy xử lý chất thải của bãi chôn lấp như một hình thức bền vững của quản lý chất thải. 2. Các công nghệ chuyển hóa năng lượng sinh khối cụ thể -Sinh khối có thể được chuyển đổi thành các dạng năng lượng hữu ích bằng cách sử dụng một số quy trình khác nhau.. Tất cả những yếu tố có ảnh hưởng đến lựa chọn các công nghệ chuyển đổi sinh khối có thể kể tới như là: chủng loại và số lượng nguyên liệu sinh khối, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm, điều kiện kinh tế cũng như các yếu tố khác để thực hiện của từng dự án. Sinh khối có thể được chuyển đổi thành ba loại sản phẩm chính, trong đó, hai loại liên quan đến năng lượng là điện / nhiệt và nhiên liệu vận tải, một loại nữa là nguyên liệu hóa học. Quá trình chuyển đổi sinh khối thành dạng năng lượng sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng hai công nghệ hữu hiệu chính đó là: “hóa sinh học” và “hóa nhiệt”. Bên cạnh đó, để chuyển đổi năng lượng sinh khối còn một hình thức nữa đó là “sản xuất xăng sinh học”. Tuy nhiên, xăng sinh học hiện nay chưa được phổ biến nhưng đối với việc gia tăng áp lực về giảm khí phát thải, giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường đặc biệt là tình trạng ô nhiễm môi trường đang diễn ra hết sức nan giải tại các thành phố lớn sẽ làm thay đổi sang việc sử dụng xăng sinh học trong một tương lai gần. -Ngày nay, con người đã nghiên cứu ra có 4 phương thức để chuyển đổi hóa nhiệt sinh khối đó là: đốt cháy, khí hoá, nhiệt phân và hóa lỏng. Chuyển đổi hóa sinh học bao gồm hai hình thức chính đó là: tiêu hóa và lên men.Với những hình thức này thì các bạn có thể dễ dàng đạt được được mục đích chuyển hóa năng lượng sinh khối một cách có hiệu quả nhất. V. Tình hình sử dụng năng lượng sinh khối Việt Nam và trên thế giới 1. Tình hình sử dụng năng lượng sinh khối ở Việt Nam Là một nước nông nghiệp, Việt Nam có tiềm năng lớn để phát triển năng lượng sinh khối. Các nguồn nhiên liệu chính của sinh khối, gồm: gỗ, phế thải từ phụ phẩm cây trồng, chất thải chăn nuôi, rác thải đô thị và các chất hữu cơ khác. Theo tính toán của Viện Năng lượng Việt Nam, tổng nguồn sinh khối vào khoảng 118 triệu tấn/năm, bao gồm khoảng 40 triệu tấn rơm rạ, 8 triệu tấn trấu, 6 triệu tấn bã mía và trên 50 triệu tấn vỏ cà-phê, vỏ đậu, phế thải gỗ... Trong đó, tiềm năng sinh khối gỗ cho sản xuất năng lượng lên đến gần 25 triệu tấn, tương đương với 8,8 triệu tấn dầu thô. Riêng tiềm năng năng lượng sinh khối phụ phẩm nông nghiệp của nước ta gồm rơm rạ, trấu, bã mía và các loại nông sản khác lên đến gần 53,5 triệu tấn, tương đương với 12,8 triệu tấn dầu thô. Đặc biệt, nguồn năng lượng này sẽ liên tục được tái sinh và tăng trưởng đều đặn trong vòng 30 năm. Tuy nhiên, Chính phủ chỉ đặt mục tiêu khá nhỏ với phát triển điện sinh khối, cụ thể đến năm 2020, tỷ trọng điện năng sản xuất từ điện sinh khối khoảng 1%, năm 2025 là 1,2% và năm 2030 là 2,1%. 2.Tình hình sử dụng năng lượng sinh khối trên thế giới và Việt Nam – Năng lượng sinh học hiện đang là hướng đi được nhiều quốc gia lựa chọn, trong đó có Nhật Bản. Nhật Bản sản xuất nhiên liệu máy bay sinh học cho các chuyến bay thương mại Nhiên liệu sinh học – Điểm nổi bật tại Triển lãm hàng không Las Vegas, Mỹ Euglena là một trong những nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học nằm trong chương trình phát triển bền vững của Nhật Bản, hướng tới mục tiêu trở thành quốc gia phát triển hàng đầu về sản xuất nguồn nhiên liệu này. Đây là một trong những nhà máy tiên phong của Nhật Bản trong sản xuất nhiên liệu sinh học, nguyên liệu ở đây là vi tảo và dầu ăn thừa hay dầu máy đã qua sử dụng. -Từ những nguyên liệu như dầu ăn đã qua sử dụng, các nguồn năng lượng sinh học mới đã được sản xuất, đây là các nguồn năng lượng sạch mà Nhật Bản tập trung phát triển để thực hiện mục tiêu phát triển bền vững và cắt giảm khí thải vào năm 2050. -Ưu điểm của công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học sản xuất từ dầu ăn hay dầu máy đã qua sử dụng so với các nhiên liệu sinh học sản xuất từ các loại cây trồng như mía hay ngô là không làm tăng phát thải khí nhà kính, đồng thời góp phẩn giảm rác thải khó xử lý ra môi trường. -Ông Korehiro Odate – Giám đốc điều hành Nhà máy nhiên liệu sinh học Euglena, Nhật Bản cho biết: “Chúng tôi sử dụng rác thải như dầu ăn để sản xuất ra nhiên liệu sinh học, công nghệ này cũng lần đầu tiên được ứng dụng tại Nhật Bản, chúng tôi sẽ tiếp tục thúc đẩy công nghệ sản xuất để vừa mang lại nguồn năng lượng xanh, vừa giúp bảo vệ môi trường”. -Mỗi năm, Euglena có thể sản xuất được 125 triệu lít nhiên liệu sinh học, nguồn nhiên liệu sinh học được sản xuất từ nhà máy đã được đưa vào sử dụng thực tế trên các phương tiện công cộng tại Nhật Bản. “Hiện nay nhiên liệu sinh học do chúng tôi sản xuất đã được sử dụng cho xe bus, tàu thủy, máy bay, tuy nhiên tại Nhật Bản nguồn nhiên liệu sinh học hiện chỉ chiếm tỷ lệ khá thấp, do đó chúng tôi muốn tiếp tục phát triển nguồn nhiên liệu sinh học không chỉ để sử dụng trong nước mà còn cho xuất khẩu”, ông Korehiro Odate cho biết thêm. Trước mắt, mục tiêu của nhà máy là đến năm 2025 sẽ nâng sản lượng lên gấp đôi, mỗi năm cung cấp 250 triệu lít nhiên liệu sinh học cho thị trường và đến năm 2030 có thể đưa sản xuất nhiên liệu sinh học trở thành mũi nhọn trong ngành công nghiệp năng lượng sạch tại Nhật Bản.