Trong các loại năng lượng tái tạo, năng lượng sinh học đang được khai thác, sử dụng nhiều nhất trên thế giới. Với việc ứng dụng công nghệ cao vào sản xuất, ngành nông nghiệp đang có tốc độ phát triển rất nhanh, sản lượng gia tăng, cùng với lượng phụ phẩm được tạo ra ngày càng nhiều. Phụ phẩm nông nghiệp, với sự phát triển của khoa học và công nghệ, đã không còn chỉ là chất thải, mà đã trở thành nguồn nguyên liệu tiềm năng để tạo ra năng lượng sinh học sạch và an toàn.
Năng lượng sinh học và các công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh học
Hiện nay, việc sử dụng năng lượng tái tạo (năng lượng từ mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sinh học,…) đang dần trở thành xu hướng trên toàn thế giới. Theo Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), năng lượng sinh học (NLSH - còn được gọi là năng lượng sinh khối, có nguồn gốc từ động vật hay thực vật) là nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất trên toàn cầu hiện nay, chiếm đến 55% tổng lượng năng lượng tái tạo và hơn 6% nguồn cung cấp năng lượng toàn cầu. Việc sử dụng NLSH hiện đã tăng trung bình khoảng 3%/năm, kể từ năm 2010, và vẫn đang có xu hướng tăng lên. Kịch bản “Không phát thải ròng” (NZE) vào năm 2050 là tiền đề cho sự gia tăng nhanh chóng việc sử dụng NLSH để thay thế nhiên liệu hóa thạch vào năm 2030.
Để tạo ra NLSH, người ta thường sử dụng các công nghệ chuyển đổi năng lượng như: (1) Chuyển đổi nhiệt hóa: là chuyển đổi thông qua công nghệ nhiệt hóa liên quan đến quá trình chuyển đổi hóa học ở nhiệt độ cao đòi hỏi phải phá vỡ liên kết và tái cấu trúc chất hữu cơ thành than sinh học (rắn), khí tổng hợp và dầu sinh học giàu ô xy (dạng lỏng). Trong quá trình chuyển đổi nhiệt hóa, có ba lựa chọn là khí hóa, nhiệt phân và hóa lỏng; (2) Chuyển đổi sinh hóa: sử dụng men và/hoặc men vi khuẩn chuyên biệt để chuyển đổi sinh khối hoặc chất thải thành năng lượng hữu ích. Các lựa chọn quy trình cổ điển là phân hủy kỵ khí, lên men rượu và kỹ thuật quang sinh dẫn đến các loại nhiên liệu sinh học khác nhau được sản xuất; (3) Phản ứng transester hóa: là phản ứng mà chất béo và dầu được chuyển đổi để tạo thành este và glycerol với sự có mặt của chất xúc tác. Các đặc tính vật lý của metyl este của axit béo (FAME) được tạo ra sau đó sẽ tương đương với nhiên liệu dầu mỏ thương mại và sản phẩm phụ glycerol cũng có giá trị thương mại; (4) Phương pháp chất lỏng siêu tới hạn: là quy trình chiết xuất sử dụng carbon dioxide siêu tới hạn (SC-CO2) làm dung môi. Kỹ thuật chiết xuất SC-CO2 là công cụ có giá trị để tăng năng suất và tính chọn lọc trong quá trình chiết xuất các hợp chất hữu cơ từ thực vật; (5) Chuyển đổi sinh khối thành điện sinh học: là một phần của công nghệ năng lượng quang phổ. Chuyển đổi sinh khối có nguồn gốc từ nông nghiệp và lâm nghiệp thành NLSH để phát điện và sưởi ấm cho khu vực đang rất được quan tâm và phát triển.
Năng lượng sinh học và các công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh học
Cùng với nhóm sinh khối để hình thành nên khái niệm NLSH, theo các chuyên gia, nhiên liệu sinh học có thể sắp xếp thành 3 thế hệ: (1) Thế hệ thứ nhất: là loại nhiên liệu sinh học chuyển đổi từ cây lương thực (như mía, lúa mì, ngô, khoai tây, đậu nành,…); (2) Thế hệ thứ hai: là nhiên liệu sinh học được tạo ra từ vật liệu chứa lignocellulose (ví dụ như cây dầu mè, gỗ, rơm,…); chất thải sinh khối dư thừa và chất thải từ các ngành nông nghiệp, lâm nghiệp, xây dựng; chất thải công nghiệp và chất thải sinh hoạt; và (3) Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba: được sản xuất từ nguyên liệu là các loại sinh khối khác có tên là vi tảo. Đây là nguồn nguyên liệu có tiềm năng cao, cho phép tạo ra một lượng lớn chất béo để sản xuất dầu diesel sinh học.
Các nhà khoa học trong nước đã có nhiều nghiên cứu giá trị để tạo ra nhiên liệu sinh học theo 3 thế hệ, như đã nêu ở trên. “Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất ethanol sử dụng nguyên liệu hỗn hợp sắn tươi và sắn khô tại nhà máy bio-ethanol Dung Quất” do ThS. Phạm Văn Vượng (Công ty Cổ phần Nhiên liệu sinh học Dầu khí Miền Trung) triển khai năm 2016, là một ví dụ về nghiên cứu nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất, khi sử dụng bột sắn (khoai mì) làm nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học. Nghiên cứu đã kiểm tra ảnh hưởng tính chất lý hóa sinh của bột sắn tươi và khô thông qua các công đoạn sản xuất bio-ethanol; xác định khả năng tích hợp phân xưởng xử lý sắn tươi vào dây chuyền công nghệ hiện có và đánh giá tác động môi trường của việc tích hợp phân xưởng xử lý sắn tươi vào dây chuyền công nghệ hiện có của nhà máy. Nghiên cứu cũng đã đánh giá được hiệu quả kinh tế khi sử dụng sắn trong trong sản xuất ethanol tại nhà máy bio-ethanol Dung Quất.
“Nghiên cứu quy trình công nghệ và thiết bị sản xuất diesel sinh học gốc từ thứ phẩm, phụ phẩm nông lâm nghiệp (rơm rạ lúa ngô, mùn cưa,…) bằng phương pháp nhiệt hóa học”, do TS. Đinh Văn Kha (Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam) làm chủ nhiệm (2013), là ví dụ về nghiên cứu nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai. Tác giả đã nghiên cứu thành công quy trình và thiết bị sản xuất dầu diesel-nhiên liệu sinh học từ rơm rạ, phế phẩm nông nghiệp. Nghiên cứu cũng đã xây dựng mô hình hệ thống thiết bị sản xuất 1.000 tấn diesel sinh học gốc/năm; thử nghiệm, đánh giá chất lượng trên động cơ diesel thông thường và xây dựng tiêu chuẩn cơ sở cho nhiên liệu diesel sinh học gốc cũng như đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của quá trình công nghệ.
Các nghiên cứu nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba sử dụng vi tảo làm nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học thay thế các nguồn nguyên liệu truyền thống như dầu cọ, đậu tương, dầu hạt cải,… vì ưu thế không cần diện tích tích nông nghiệp rất lớn gây đe dọa đến vấn đề an ninh lương thực. “Nghiên cứu sản xuất diesel sinh học chất lượng cao từ vi tảo biển TETRASELMIS SP” năm 2013, của tác giả Đinh Thị Ngọc Mai- Viện Công nghệ sinh học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã chuyển hóa diesel sinh học từ sinh khối tảo bằng phương pháp chuyển vị ester tại chỗ sử dụng chất xúc tác acid với hiệu suất quá trình chuyển hóa được xác định là 71% (tính theo trọng lượng dầu). Các acid béo chứa trong sản phẩm FAME gồm các acid béo có từ 16 đến 18 cacbon như acid palmitic, GLA, acid stearic, acid linoleic. Các giá trị về trọng lượng riêng ở 15oC, độ nhớt động học ở 40oC, chỉ số iod, điểm chớp cháy cốc kín và trị số cetan của sản phẩm diesel sinh học sản xuất từ Tetraselmis sp. tính toán được theo phương trình lí thuyết đều nằm trong mức cho phép của sản phẩm diesel sinh học gốc B100 theo tiêu chuẩn Việt Nam công bố.
******
NLSH có nguồn gốc từ thực vật đang dần trở nên quen thuộc trong cuộc sống hiện nay. Thông qua một số phương pháp chuyển hóa NLSH, các nhà nghiên cứu đã tạo ra được nhiên liệu sinh học - nguồn năng lượng an toàn cho môi trường, với nguyên liệu từ thực vật.
Xác định năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng trọng điểm trong chiến lược phát triển năng lượng quốc gia những năm tới, ngày 01/5/2024, Thủ tướng Chính phủ vừa ban hành Quyết định số 215/QĐ-TTg về “Phê duyệt chiến lược phát triển năng lượng quốc gia Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045”, đặt mục tiêu tăng tỷ trọng năng lượng tái tạo trong tổng năng lượng sơ cấp từ 15-20% vào năm 2030 và đạt 65-70% vào năm 2045. Đây vừa là động lực, vừa là thách thức cho các nhà khoa học để nghiên cứu, phát triển các kỹ thuật, công nghệ khai thác năng lượng tái tạo, đặc biệt là NLSH. Cơ hội cũng đang được trao cho các đơn vị sản xuất nhiên liệu sinh học trong tương lai, trong xu thế tăng cường khai thác, sử dụng nguồn nguyên liệu thực vật để sản xuất năng lượng sạch, an toàn với môi trường, thay thế nguồn năng lượng hóa thạch mà cả thế giới đang hướng tới.
Minh Thư
--------------------------------------------------------------------------------
Tài liệu tham khảo chính
[1] Nguyễn Thị Quỳnh Hương, Nguyễn Hải Yến. Năng lượng sinh học từ chất thải: Các công nghệ chuyển đổi hiện nay. https://tapchimoitruong.vn/giai-phap-cong-nghe-xanh-22/nang-luong-sinh-hoc-tu-chat-thai-cac-cong-nghe-chuyen-doi-hien-nay-28646
[2] Cơ quan năng lượng quốc tế. https://www.iea.org/energy-system/renewables/bioenergy
[3] Đ.T.V. Chế tạo pin sạc li-ion từ vỏ trấu. https://vista.gov.vn/vi/news/cac-linh-vuc-khoa-hoc-va-cong-nghe/che-tao-pin-sac-li-ion-tu-vo-trau-7745.html
[4] Thu Trang. Sinh viên chế tạo vật liệu làm siêu tụ điện từ vỏ sầu riêng. https://vnuhcm.edu.vn/tin-tuc_32343364/che-tao-vat-lieu-lam-sieu-tu-dien-tu-vo-sau-rieng/353836323364.html
[5] Nh.Thạch. Chuyên gia nước ngoài đánh giá tiềm năng thị trường năng lượng sạch Việt Nam như thế nào?. https://nangluongquocte.petrotimes.vn/chuyen-gia-nuoc-ngoai-danh-gia-tiem-nang-thi-truong-nang-luong-sach-viet-nam-nhu-the-nao-707266.html
[6] Minh Hải. TP Hồ Chí Minh chú trọng phát triển nguồn năng lượng tái tạo. https://www.sggp.org.vn/tp-ho-chi-minh-chu-trong-phat-trien-nguon-nang-luong-tai-tao-post705543.html
[7] Nguyễn Hương. Năng lượng tái tạo là gì? Mục tiêu của Việt Nam trong chuyển đổi năng lượng tái tạo. https://luatvietnam.vn/linh-vuc-khac/nang-luong-tai-tao-la-gi-883-96257-article.html#google_vignette
[8] Năng lượng tái tạo là gì? Lợi ích và xu hướng sử dụng. https://www.se.com/vn/vi/work/solutions/local/nang-luong-tai-tao-la-gi.jsp