Nhiên liệu sinh học và những vấn đề trái chiều còn đang bỏ ngỏ

KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 37 S Ố 0 2 N Ă M 2 0 19 Nhiên liệu sinh học và những vấn đề trái chiều còn đang bỏ ngỏ 1. Đặt vấn đề Cơn sốt nhiên liệu sinh học và năng lượng sinh học là vấn đề nổi trội tại “Hội nghị quốc tế lần thứ 2 về nhiên liệu sinh học và năng lượng sinh học”. Sự gặp gỡ tất cả các nhà lãnh đạo ThS. BÙI THỊ NAM TRÂN Trường Cao Đẳng Sư Phạm Gia Lai toàn cầu về nhiên liệu sinh học và năng lượng sinh học và các lĩnh vực liên quan để chia sẻ quan điểm của họ tại chương trình khoa học độc quyền này vào ngày 27-28/3/2019 tại Paris, Pháp; trong đó kết hợp các chương trình phát Nhiên liệu, nếu xét về an ninh kinh tế thì không phải mọi quốc gia đều có trữ lượng dầu thô lớn. Việc phải nhập khẩu dầu sẽ tạo ra một vết lõm lớn trong nền kinh tế. Nếu nhiều công dân bắt đầu chuyển sang sử dụng nhiên liệu sinh học, quốc gia có thể giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Nhiều việc làm sẽ được tạo ra với một ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học ngày càng tăng, điều này sẽ giữ cho nền kinh tế của quốc gia đó được an toàn. Giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ nước ngoài, sản xuất nhiên liệu từ cây trồng trồng tại địa phương đã giảm sự phụ thuộc của quốc gia vào nhiên liệu hóa thạch, nhiều chuyên gia tin rằng sẽ mất nhiều thời gian để giải quyết nhu cầu năng lượng khi giá dầu thô chạm đỉnh, chúng ta cần thêm một số giải pháp năng lượng thay thế để giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Thật không may, nhiên liệu sinh học còn nhiều cạm bẫy. Quá trình sản xuất tạo ra nhiên liệu sinh học không đơn giản như vậy. Quá trình trồng trọt, làm phân bón và thuốc trừ sâu, và chế biến cây thành nhiên liệu tiêu tốn rất nhiều năng lượng mà còn tranh luận về việc liệu ethanol từ ngô thực sự cung cấp nhiều năng lượng hơn mức cần thiết để phát triển và xử lý nó. Ngoài ra, do phần lớn năng lượng được sử dụng trong sản xuất đến từ than đá và khí đốt tự nhiên, nhiên liệu sinh học không thay thế nhiều như những nhiên liệu tạo ra chúng. Nghiên cứu khoa học thế giới đã chứng minh được rằng nhiên liệu sinh học gần như ưu điểm tuyệt đối so với nhiên liệu hóa thạch về vấn đề khí thải. Trên lý thuyết là vậy nhưng thực tế khi sản xuất thì các chỉ số, tiêu chí kỹ thuật, các vấn đề ô nhiễm quanh quá trình công nghệ sản xuất tạo ra nhiên liệu sinh học còn đang bỏ ngỏ, chưa được lưu tâm. Chỉ lưu tâm vấn đề khí thải không thôi thì chưa đủ để đánh giá, lựa chọn nhiên liệu sinh học. Từ khóa: Nhiên liệu sinh học, vấn đề trái chiều, bỏ ngỏ. KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT38 T Ạ P C H Í K H O A H Ọ C C Ô N G N G H Ệ V À M Ô I T R Ư Ờ N G biểu quan trọng, diễn đàn phân tích trẻ, hội thảo kỹ thuật, triển lãm poster và triển lãm. Trong hội nghị này, ban tổ chức mời những người tham gia từ khắp nơi trên thế giới yêu cầu tham gia hội nghị này với chủ đề "Nhiên liệu sinh học và năng lượng sinh học" nhằm chia sẻ ý tưởng mới và công nghệ mới giữa các chuyên gia, nhà công nghiệp và cả sinh viên phân tích các lĩnh vực nhiên liệu sinh học, năng lượng sinh học, kỹ thuật hóa học, hóa lý để chia sẻ những đổi mới và ứng dụng gần đây của họ trong các lĩnh vực khác nhau và đắm mình trong các cuộc thảo luận và các phiên kỹ thuật tại sự kiện. Nhiên liệu sinh học và năng lượng sinh học liên quan đến sinh khối, khí sinh học, năng lượng sinh học, Biorefineries, Bioethanol, Diesel sinh học, nhiên liệu sinh học hàng không, nhiên liệu sinh học tảo. Nhiên liệu sinh học cũng đã trở thành một điểm gây tranh cãi cho các nhóm bảo tồn, cho rằng cây trồng sẽ được sử dụng tốt hơn như một nguồn thực phẩm thay vì nhiên liệu. Nhà tiên tri nổi tiếng Jane Goodall đã đi xa đến mức cảnh báo rằng việc thu hoạch mía và dầu cọ cho nhiên liệu sinh học sẽ có tác động tàn phá đối với rừng mưa nhiệt đới. Bên cạnh ô nhiễm đất và nước do phân bón, ô nhiễm công nghiệp: Khí thải carbon của nhiên liệu sinh học ít hơn các dạng nhiên liệu truyền thống khi bị cháy. Tuy nhiên, quá trình mà chúng được sản xuất tạo nên cho điều đó. Sản xuất phần lớn phụ thuộc vào rất nhiều nước và dầu. Các ngành công nghiệp quy mô lớn có nghĩa là để loại bỏ nhiên liệu sinh học được biết là phát ra một lượng lớn khí thải và gây ô nhiễm nước quy mô nhỏ. Trừ khi các phương tiện sản xuất hiệu quả hơn được đưa vào vị trí, phát thải carbon tổng thể không nhận được một vết lõm rất lớn trong nó. Nhưng những khám phá về trữ lượng xăng dầu khổng lồ đã khiến xăng và dầu diesel giảm giá rẻ trong nhiều thập kỷ và nhiên liệu sinh học phần lớn bị lãng quên. Tuy nhiên, với sự gia tăng gần đây của giá dầu, cùng với mối lo ngại ngày càng tăng về sự nóng lên toàn cầu do khí thải carbon dioxide, nhiên liệu sinh học đã được lấy lại phổ biến. Xăng và dầu diesel thực sự là nhiên liệu sinh học cổ đại. Nhưng chúng được gọi là nhiên liệu hóa thạch vì chúng được tạo ra từ thực vật và động vật bị phân hủy đã bị chôn vùi trong lòng đất hàng triệu năm. Nhiên liệu sinh học cũng tương tự, ngoại trừ việc chúng được làm từ thực vật được trồng ngày nay. Hội nghị và Triển lãm Thế giới về Tái chế lần thứ 12, ngày 01 tháng 02 năm 2019, Paris, Pháp; Hội nghị quốc tế lần thứ 13 về Nhiên liệu sinh học và năng lượng sinh học, ngày 18 đến 19 tháng 2 năm 2019, Amsterdam, Hà Lan; Hội nghị quốc tế; Hội nghị quốc tế về Bộ gen thực vật, có thể 01/02, 2019, Rotterdam, Hà Lan; Hội nghị quốc tế về năng lượng xanh, ngày 01 tháng 02 năm 2019, Amsterdam, Hà Lan Hội nghị quốc tế lần thứ 21 về sản xuất năng lượng sinh học và nhiên liệu sinh học, ngày 9 - 10 tháng 12 năm 2019, New York, Hoa Kỳ; Hội nghị quốc tế lần thứ 21 về nhiên liệu sinh học và năng lượng sinh học, 30 - 31 tháng 12 năm 2019, Paris, Pháp; Hội nghị quốc tế lần thứ 21 về sản xuất năng lượng sinh học và nhiên liệu sinh học, 30 - 31 tháng 10 năm 2019, Los Angeles, Hoa Kỳ; Hội nghị quốc tế lần thứ 21 về khí sinh học và năng lượng sinh học, 24 - 25 tháng 6 năm 2019, Oslo, Na Uy; Hội nghị quốc tế lần thứ 21 về sản xuất năng lượng sinh học và diesel sinh học, 16 - 17 tháng 5 năm 2019, Paris, Pháp. 2. Nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học không giống như các nguồn năng lượng tái tạo thay thế, sinh khối thường được tái sinh trực tiếp thành nhiên liệu lỏng - nhiên liệu sinh học - cho các nhu KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 39 S Ố 0 2 N Ă M 2 0 19cầu vận chuyển của chúng ta (ô tô, xe tải, xe buýt, máy bay và xe lửa). Hai dạng nhiên liệu sinh học điển hình nhất là rượu và dầu diesel sinh học. Ethanol là một loại cồn, giống hệt được tìm thấy trong bia và rượu vang. Nó được tạo ra bằng cách lên men bất kỳ sinh khối nào chứa nhiều carbohydrate (tinh bột, đường hoặc cellulose) thông qua một phương pháp gần giống như sản xuất bia. Nguyên liệu rượu ethyl thường được sử dụng làm phụ gia nhiên liệu, giúp quá trình cháy sạch nhiên liệu, để cắt giảm khí carbon monoxide thoát ra và các khí thải gây khói khác. Tuy nhiên phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt, chạy bằng hỗn hợp khí Từ E5 và lên đến tám mươi lăm phần trăm rượu ethylic(E85). Diesel sinh học được hình thành bằng cách kết hợp rượu (thường là metanol) với dầu, mỡ động vật hoặc mỡ bôi trơn tái chế. Nó sẽ được sử dụng làm chất phụ gia để cắt giảm lượng khí thải của xe (thường là 20%) hoặc dưới dạng nguyên chất làm nhiên liệu khác nhau cho động cơ diesel. Các nhiên liệu sinh học khác có nguồn gốc là cồn methyl và các thành phần của xăng được điều chỉnh lại. Methanol, thường được gọi là rượu methyl, hiện được tạo ra từ khí, thậm chí, có thể được sản xuất từ sinh khối. Có nhiều cách để chuyển đổi sinh khối thành rượu methyl; tuy nhiên cách tiếp cận quan trọng nhất có lẽ là thay đổi hóa học. Quá trình hóa học bao gồm làm bay hơi sinh khối ở nhiệt độ cao, sau đó loại bỏ tạp chất từ khí gần đây và tiêu nó thông qua một chất xúc tác chuyển đổi nó thành rượu methyl. Cho đến nay, nhiên liệu sinh học đã trải qua bốn Thế hệ nhiên liệu sinh học như sau: Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất được sản xuất trực tiếp từ cây lương thực là các loại dầu sử dụng trong dầu diesel sinh học hoặc sản xuất ethanol sinh học thông qua quá trình lên men [1]. Các loại cây trồng như lúa mì và đường là nguyên liệu được sử dụng rộng rãi nhất cho ethanol sinh học trong khi hạt cải dầu đã chứng minh một loại cây trồng rất hiệu quả để sử dụng trong dầu diesel sinh học. Tuy nhiên, nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên có một số vấn đề liên quan. Có nhiều tranh luận về lợi ích thực sự của chúng trong việc giảm khí thải nhà kính và khí thải CO2 do thực tế là một số nhiên liệu sinh học có thể tạo ra mức tăng năng lượng âm, giải phóng nhiều Carbon trong sản xuất hơn so với tăng trưởng nguyên liệu của chúng. Tuy nhiên, vấn đề gây tranh cãi nhất với nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất là ‘nhiên liệu so với thực phẩm’. Do phần lớn nhiên liệu sinh học được sản xuất trực tiếp từ cây lương thực, nhu cầu nhiên liệu sinh học tăng lên dẫn đến sự gia tăng khối lượng cây trồng bị chuyển hướng khỏi thị trường thực phẩm toàn cầu. Điều này đã bị đổ lỗi cho sự gia tăng toàn cầu về giá lương thực trong vài năm qua. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai đã được phát triển để khắc phục những hạn chế của nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất. Chúng được sản xuất từ cây trồng phi thực phẩm như gỗ, chất thải hữu cơ, chất thải cây lương thực và cây trồng sinh khối cụ thể, do đó loại bỏ vấn đề chính với nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai cũng nhằm mục đích cạnh tranh hơn về chi phí liên quan đến nhiên liệu hóa thạch hiện có. Đánh giá vòng đời của nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai cũng đã chỉ ra rằng chúng sẽ tăng mức tăng năng lượng ròng qua việc đưa ra một trong những hạn chế chính của nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba Thế hệ thứ ba của nhiên liệu sinh học dựa trên những cải tiến trong sản xuất sinh khối. Nó tận dụng các loại cây năng lượng được thiết kế đặc biệt như tảo làm nguồn năng lượng của KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT40 T Ạ P C H Í K H O A H Ọ C C Ô N G N G H Ệ V À M Ô I T R Ư Ờ N G nó. Tảo được nuôi cấy để hoạt động như một nguyên liệu thô chi phí thấp, năng lượng cao và hoàn toàn có thể tái tạo. Người ta dự đoán rằng tảo sẽ có khả năng tạo ra nhiều năng lượng trên mỗi mẫu Anh hơn so với cây trồng thông thường. Tảo cũng có thể được trồng bằng đất và nước không phù hợp cho sản xuất thực phẩm, do đó làm giảm sự căng thẳng đối với các nguồn nước đã cạn kiệt. Một lợi ích nữa của nhiên liệu sinh học dựa trên tảo là nhiên liệu có thể được sản xuất thành nhiều loại nhiên liệu như diesel, xăng và nhiên liệu máy bay. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ tư Thu hồi và lưu trữ carbon Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ tư không chỉ nhằm tạo ra năng lượng bền vững mà còn là cách thu giữ và lưu trữ CO2. Các vật liệu sinh khối, đã hấp thụ CO2 khi đang phát triển, được chuyển đổi thành nhiên liệu bằng cách sử dụng các quy trình tương tự như nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai. Quá trình này khác với sản xuất thế hệ thứ hai và thứ ba vì ở tất cả các giai đoạn sản xuất, Carbon dioxide được thu lại bằng cách sử dụng các quá trình như đốt cháy nhiên liệu oxy. Carbon dioxide sau đó có thể được kiểm tra địa lý bằng cách lưu trữ nó trong các mỏ dầu khí cũ hoặc tầng chứa nước mặn. Việc thu giữ carbon này làm cho carbon sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ tư âm tính thay vì chỉ đơn giản là carbon trung tính, vì nó khóa cách xa nhiều carbon hơn so với sản xuất. Hệ thống này không chỉ thu giữ và lưu trữ carbon dioxide từ khí quyển mà còn giảm lượng khí thải CO2 bằng cách thay thế nhiên liệu hóa thạch. 3. Phân tích các ưu nhược từ hướng nhìn khoa học Giới khoa học cho rằng nên suy nghĩ lại về năng lượng sinh học vì nguồn nhiên liệu này không thể ngăn chặn tình trạng biến đổi khí hậu. Nhìn bề nổi, nhiên liệu sinh học cháy sạch, khí thải CO2 thấp, được phân tích như sau: Xét quá trình cháy của Methane: _____CH4 + __2___O2à _____CO2 + __2___H2O Tác chất Năng lượng liên kết (kJ/mol) Sản phẩm Năng lượng liên kết (kJ/mol) Methane 1656 Carbon dioxide 1606.6 O2 (x2) 996 H2O (x2) 1856 Tổ n g N ă n g lượng tác chất 2652 T ổ n g n ă n g lượng sản phẩm 3462.6 Năng lượng ròng được giải phóng = Tổng năng lượng sản phẩm - Tổng Năng lượng tác chất METHANE 810.6 Nghiên cứu quá trình cháy của Ethanol __2___C2H6O + _7____O2à __4___CO2 + __6___H2O Tác chất Năng lượng liên kết (kJ/mol) Sản phẩm Năng lượng liên kết (kJ/mol) Ethanol 6482 Carbon dioxide 6426.4 O2 3486 H2O 5568 Tổ n g N ă n g lượng tác chất 9968 T ổ n g n ă n g lượng sản phẩm 11994.4 Năng lượng ròng được giải phóng = Tổng năng lượng sản phẩm - Tổng Năng lượng tác chất ETHANOL 2026.4 Khi octan (C8H18) cháy trong động cơ xe hơi, nó trải qua một phản ứng tương tự như metan và ethanol. Chỉ số octan phản ứng với oxy tạo thành carbon dioxide và nước 2C8H18 + 25O2à 16 CO2 + 18 H2O Tác chất Năng lượng liên kết (kJ/mol) Sản phẩm Năng lượng liên kết (kJ/mol) Octane 19762 Carbon dioxide 25705.6 O2 12450 H2O 16704 Tổ n g N ă n g lượng tác chất 32212 T ổ n g n ă n g lượng sản phẩm 42409.6 Năng lượng ròng được giải phóng = Tổng năng lượng sản phẩm - Tổng Năng lượng tác chất OCTANE 10197.6 Nghiên cứu trên diesel sinh học được điều chế trong phòng thí nghiệm. Giả sử diesel sinh học được cấu tạo từ este metyl axit linoleic (C19H34O2). Hàm lượng nhiệt của diesel sinh học là 21979,94 kJ / mol. Phân tử oxy có 498 kJ / mol KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 41 S Ố 0 2 N Ă M 2 0 19CO2 có 1606,6 kJ / mol và nước có năng lượng liên kết là 928 kJ / mol. Phương trình hóa học cân bằng dưới đây. 2C19H34O2 + 53O2à38CO2 + 34H2O Tác chất Năng lượng liên kết (kJ/mol) Sản phẩm Năng lượng liên kết (kJ/mol) Biodiesel 43959.88 Carbon dioxide 61050.8 O2 26394 H2O 31552 Tổ n g N ă n g lượng tác chất 70353.88 T ổ n g n ă n g lượng sản phẩm 92602.8 Năng lượng ròng được giải phóng = Tổng năng lượng sản phẩm - Tổng Năng lượng tác chất BIODIESEL 22248.92 Sử dụng các tính toán, liệt kê các nhiên liệu theo thứ tự giảm dần (lớn nhất đến ít nhất) theo năng lượng ròng được giải phóng trong quá trình đốt cháy. Biodiesel Octane Ethanol Methane 2 mol fuel 2 mol 2 mol 1 mol 22248.92 kJ 10197.6 kJ 2026.4 kJ 810.6 kJ Năng lượng lớn nhất Năng lượng thấp nhất Sử dụng các phương trình cân bằng, liệt kê các nhiên liệu theo thứ tự giảm dần về lượng carbon dioxide được giải phóng trong quá trình đốt cháy. 2 mol biodiesel 2 mol octane 2 mol ethanol 1 mol methane 38 CO2 16 CO2 4 CO2 1 CO2 Khí thải nhiều nhất Khí thải thấp hơn nhiều Khí thải ít nhất Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ ước tính rằng tiêu thụ nhiên liệu xăng và dầu diesel của Hoa Kỳ cho giao thông vận tải trong năm 2012 dẫn đến việc phát thải khoảng 1.089 và 422 triệu tấn CO2, tương ứng. Tính số pound CO2 sinh ra từ mỗi nhiên liệu. (1 tấn = 1000 kg = 2204,6 pound) 1089000000 metric tons x 2204.6 pounds = 2.4 x 1012 pounds CO2 /Năm 1 metric ton 422000000 metric tons x 2204.6 pounds = 9.3 x 1011 pounds CO2 /Năm 1 metric ton Khoảng 22,38 pound CO2 được tạo ra bằng cách đốt một gallon nhiên liệu diesel. Đốt một gallon của B10 (nhiên liệu diesel chứa 10% diesel sinh học theo thể tích) dẫn đến phát thải khoảng 20 pound CO2. Nếu Mỹ sử dụng 4 triệu thùng dầu diesel mỗi ngày, chúng ta có thể loại bỏ bao nhiêu pound CO2 mỗi năm chuyển đổi sang B10? (1 thùng = 42 gallon). Phần trăm tổng sản lượng CO2 diesel này được tính như sau: Mức độ chênh lệch khí thải = 22.38 lb. - 20 lb. = 2.38 lb. Ít CO2 hơn đối với 1 gallon biodiesel B10 4000000 barrels diesel x 365 ngày x 42 gallons x 2.38 lb. = 1.46 x 1011 lbs/năm, giảm CO2 1 ngày 1 năm 1 barrel 1 gallon Phần trăm CO2 được sinh ra = 1.46 x 1011 = 15.7% 9.3 x 1011 Nhiều nỗ lực đã đi vào việc ước tính lượng khí thải từ nhiên liệu sinh học, nhưng sự tập trung hẹp như vậy lại bỏ lỡ lượng phát thải ở những nơi khác trong vòng đời. Tầm quan trọng của việc xem xét phát thải chất gây ô nhiễm không khí chuỗi cung ứng khi đánh giá các lựa chọn vận chuyển không phải là duy nhất đối với nhiên liệu sinh học. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Betts wb, dart rk, ball as, pedlar sl (1991) biosynthesis and structure of lignocellulose. in: betts wb (ed) biodegradation: natural and synthetic materials. springer, berlin, germany 2. Dien bs, iten lb, skory cd (2005) converting herbaceous energy crops to bioethanol; a review with emphasis on pretreatment processes. in: hou ct (ed) handbook of industrial biocatalysis, chapter 23. taylor and francis, boca raton. 3. Environmental Effects and Tradeoffs of Biofuels, page 181 of 394