Các cố vấn của chính phủ Anh thừa nhận nước này đang thờ ơ trước những lợi ích to lớn của nguồn năng lượng biomass (năng lượng sinh khối, hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ). Biomass có thể giải quyết tình trạng thay đổi khí hậu, biến chất thải, phế phẩm của ngành nông, lâm nghiệp thành nhiệt và năng lượng.
Cung cấp cả nhiệt lẫn điện
Chu trình sản xuất điện và nhiệt bằng hệ thống khí hoá
Chu trình sản xuất điện và nhiệt bằng hệ thống khí hoá.
Kết luận trên do Uỷ ban Ô nhiễm Môi trường Hoàng gia (RCEP) công bố trong báo cáo chi tiết mang tên Biomass – Nguồn năng lượng tái sinh. Giáo sư Tom Blundell, chủ tịch RCEP, đồng thời là trưởng Khoa Hoá Sinh tại ĐH Cambridge, cho biết: ”Tôi rất thất vọng vì nước Anh chưa phát triển năng lượng biomass nhanh như các quốc gia châu Âu khác. Biomass có thể đóng góp đáng kể vào mục tiêu chống thay đổi khí hậu của Anh. Chính sách của chính phủ Anh về biomass là đứt đoạn và sai hướng”.
Trước khi nghiên cứu bắt đầu vào tháng 8/2003, GS Blundell nói: ”Anh đang tụt lại đằng sau. Nếu chính phủ muốn đạt được các mục tiêu giảm khí nhà kính như đã tuyên bố, việc cấp bách là nghiên cứu và ủng hộ các nguồn năng lượng có thể tái sinh này”. Sử dụng biomass cũng sẽ cung cấp cơ hội mới cho nông nghiệp và ngư nghiệp của nước Anh, đồng thời cải thiện an ninh năng lượng của quốc gia này. Uỷ ban tin rằng tới năm 2050, biomass có thể cung cấp 10-15% tổng năng lượng của Anh.
RCEP cho biết năng lượng biomass khác các dạng năng lượng tái sinh khác ở hai khía cạnh. Thứ nhất, không giống năng lượng gió và sóng, biomass có thể kiểm soát được. Thứ hai, cùng một lúc biomass vừa cung cấp nhiệt, vừa sản xuất điện năng. Biomass có nhiều dạng: gỗ, sản phẩm phụ của ngành lâm nghiệp như mùn cưa, chất thải nông nghiệp chẳng hạn như rơm, phân chuồng, cây năng lượng (mía, liễu). Ngoài ra, còn có chất thải thực vật từ công viên, vườn, lề đường. Tất cả những nguồn năng lượng trên đều sẵn có ở Anh.
Báo cáo của RCEP kêu gọi chính phủ Anh đưa ra quy định bắt buộc các nhà cung cấp nhiệt hiện nay (dầu, khí và điện) cung cấp một phần nhiệt từ các nguồn năng lượng tái sinh. Quy định này sẽ có hiệu lực vào một thời điểm cụ thể. Ngoài ra, cần thành lập diễn đàn biomass giữa chính phủ với ngành cung cấp nhiệt, điện. Tất cả các dự án phát triển mới đều phải lập kế hoạch xây dựng nhà máy sản xuất nhiệt, điện kết hợp, sử dụng nhiên liệu biomass.
Khai thác biomass
hình ảnh chu trình các bon
Chu trình Cacbon
Biomass là vật liệu hữu cơ dự trữ ánh sáng mặt trời dưới dạng năng lượng hoá học. Khi được đốt cháy, năng lượng hoá học này được giải phóng dưới dạng nhiệt. Cái mà chúng ta ngày nay gọi là biomass đã sưởi ấm cho các căn hộ và toà nhà trên toàn thế giới trong hàng nghìn năm. Trên thực tế, biomass tiếp tục là nguồn năng lượng lớn tại các quốc gia đang phát triển. Gỗ vẫn là nguồn năng lượng biomass lớn nhất trên thế giới.
Lợi ích môi trường, an ninh năng lượng thực sự của biomass sẽ xuất hiện khi con người sử dụng một lượng lớn biomass để sản xuất điện năng, nhiệt và các loại nhiên liệu sinh học khác, do đó, giảm sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Chu kỳ carbon là nguyên tắc đứng đằng sau công nghệ biomass. Khi thực vật sinh trưởng, chúng hấp thụ CO2 trong môi trường và dự trữ nó thông qua quá trình quang hợp. Một lượng CO2 tương đương được giải phóng khi thực vật bị phân huỷ tự nhiên hoặc đốt cháy. Điều đó có nghĩa là biomass không đóng góp vào quá trình phát thải khí nhà kính.
Nhiên liệu sinh học. Không giống như các nguồn năng lượng tái sinh khác, biomass có thể được biến trực tiếp thành các loại nhiên liệu lỏng – nhiên liệu sinh học – cho các phương tiện vận tải (ô-tô con, xe tải, xe buýt, máy bay, tàu hoả). Có hai dạng nhiên liệu sinh học phổ biến nhất là ethanol và diesel sinh học.
Ethanol có thể được sản xuất từ ngô
Ethanol có thể được sản xuất từ ngô
Ethanol là một loại cồn, tương tự như cồn trong bia và rượu. Nó được sản xuất bằng cách lên men bất kỳ loại biomass nào có hàm lượng carbohydrate cao (tinh bột, đường hoặc celluloses) thông qua một quá trình tương tự như lên men bia. Ethanol chủ yếu được sử dụng làm phụ gia nhiên liệu để giảm lượng carbon monoxide và các loại khí thải gây sương khói khác từ xe cộ. Hiện đã có các loại xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt gồm xăng và 85% ethanol.
Diesel sinh học được sản xuất bằng cách kết hợp cồn (thường là methanol) với dầu thực vật, mỡ động vật hoặc các loại mỡ nấu ăn được tái chế. Nó có thể được sử dụng làm chất phụ gia nhiên liệu để giảm lượng khí thải cho xe cộ (20%). Ở dạng thuần khiết, diesel sinh học được sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ diesel.
Các loại nhiên liệu sinh học khác bao gồm methanol và các thành phần biến tính khác của xăng. Methanol, thường được gọi là cồn gỗ, hiện được sản xuất từ khí tự nhiên. Tuy nhiên, cũng có thể sản xuất nó từ biomass. Có một số cách biến biomass thành methanol song biện pháp phổ thông nhất là khí hoá. Khí hoá liên quan tới việc làm bốc hơi biomass ở nhiệt độ cao, rồi loại bỏ các tạp chất từ khí nóng và cho nó đi qua một chất xung tác. Chất xúc tác biến khí thành methanol. Phần lớn các thành phần biến tính của xăng được sản xuất từ biomass là những phụ gia nhiên liệu giảm ô nhiễm, chẳng hạn như methyl tertiary butyl ether (MTBE) và ethyl tertiary butyl ether (ETBE).
Điện sinh học.
Điện sinh học là việc sử dụng bimomass để sản xuất điện năng. Có sáu hệ thống điện sinh học lớn trên thế giới bao gồm đốt biomass trực tiếp, đồng đốt cháy, khí hoá, tiêu hoá kỵ khí, nhiệt phân và hệ thống điện sinh học nhỏ, module.
Ước tính tới năm 2020, sản lượng điện sinh học của thế giới là hơn 30.000 megawatt (MW). Mỹ là nước sản xuất điện biomass lớn nhất thế giới, có hơn 350 nhà máy điện sinh học, sản xuất trên 7.500MW điện mỗi năm, đủ để cung cấp cho hàng triệu hộ gia đình, đồng thời tạo ra 66.000 việc làm. Những nhà máy này sử dụng chất thải từ nhà máy giấy, nhà máy cưa, sản phẩm phụ nông nghiệp, cành lá từ các vườn cây ăn quả. Bộ Năng lượng Mỹ dự báo các công nghệ tiên tiến hiện đang được phát triển hiện nay sẽ giúp ngành điện biomass sản xuất trên 13.000MW vào năm 2010 và tạo thêm 100.000 việc làm. Năng lượng biomass chiếm 4% tổng năng lượng được tiêu thụ ở Mỹ và 45% năng lượng tái sinh.
Phần lớn các nhà máy điện sinh học trên thế giới sử dụng hệ thống đốt trực tiếp. Họ đốt nguyên liệu sinh học trực tiếp để tạo hơi nước. Hơi nước đó bị tua-bin bắt giữ và máy phát điện sau đó biến nó thành điện. Trong một số ngành công nghiệp, hơi nước từ nhà máy điện cũng được sử dụng cho sản xuất hoặc để sưởi ấm cho các toà nhà. Những nhà máy điện này được gọi là nhà máy nhiệt – điện kết hợp. Chẳng hạn như phụ phẩm của gỗ (mùn cưa) thường được sử dụng để sản xuất cả điện và tạo nhiệt ở các nhà máy giấy.
Nhà máy điện biomass công suất 50MW ở California
Nhà máy điện biomass công suất 50MW ở California, sử dụng phụ phẩm gỗ từ các nhà máy cưa lân cận
Nhiều nhà máy điện đốt than có thể sử dụng các hệ thống đồng đốt cháy để giảm đáng kế lượng khí thải đặc biệt là sulfur dioxide. Đồng đốt cháy liên quan tới việc sử dụng biomass như một nguồn năng lượng bổ sung trong các nồi hơi hiệu quả cao. Chỉ cần vài thay đổi nhỏ là các nhà máy điện đốt than có thể sử dụng hệ thống đồng đốt cháy. Do vậy, tiềm năng phát triển của nó trong tương lai là rất lớn.
Hệ thống khí hoá sử dụng nhiệt độ cao và môi trường hiếm oxy để biến biomass thành một loại khí – khí biogas hay khí sinh học (hỗn hợp gồm hydrro, CO và methane). Loại khí này cung cấp nhiên liệu cho turbine khí để sản xuất điện năng. Cũng có một số nhà máy điện sử dụng chu trình hơi khác một chút. Nhiên liệu biomass được biến thành các loại khí đốt điều áp, nóng, trong buồng khí hoá. Chúng được làm sạch (loại bỏ tạp chất) để tránh làm bào mòn hệ thống sản xuất nhiệt, điện. Tiếp đến, các loại khí sạch được đốt cùng với không khí trong buồng đốt trước khi đi vào một turbine để sản xuất điện. Nhiệt đi ra từ tua-bin khí được dẫn vào buồng trao đổi nhiệt để làm nóng nước lạnh, cung cấp cho các hộ gia đình.
Tiếp theo:
Biomass phân huỷ tạo ra khí methane mà có thể được sử dụng làm năng lượng. Tại các bãi chôn lấp (nơi ủ các vật liệu hữu cơ như phân, rau xanh, rơm…), các giếng được khoan để hút khí methane từ chất hữu cơ đang phân huỷ. Sau đó, các ống từ mỗi giếng sẽ vận chuyển khí tới một nơi trung tâm để lọc và làm sạch trước khi đốt.
Methane cũng có thể được sản xuất từ biomass thông qua một quy trình được gọi là tiêu hoá kỵ khí. Tiêu hoá kỵ khí liên quan tới việc sử dụng vi khuẩn để phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện thiếu oxy. Methane có thể được sử dụng làm nhiên liệu theo nhiều cách. Phần lớn các cơ sở đốt nó trong một nồi hơi, tạo hơi nước sản xuất điện hoặc sử dụng cho mục đích công nghiệp. Methane cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu trong tế bào nhiên liệu. Tế bào nhiên liệu hoạt động giống như pin song không cần tái nạp. Nó tạo điện chừng nào có nhiên liệu.
Ngoài khí, nhiên liệu lỏng cũng được sản xuất từ biomass thông qua một quy trình gọi là nhiệt phân. Nhiệt phân xảy ra khi biomass được nung nóng trong điều kiện thiếu oxy. Sau đó, biomass biến thành một chất lỏng gọi là dầu nhiệt phân. Có thể đốt dầu nhiệt phân giống như xăng để sản xuất điện năng. Một hệ thống điện sinh học sử dụng nhiệt phân hiện đang được thương mại hoá tại Mỹ.
Các chế phẩm sinh học.
Con người có thể sử dụng biomass để sản xuất mọi sản phẩm như họ đã làm từ nhiên liệu hoá thạch. Những sản phẩm sinh học đó không chỉ được làm từ các nguồn tái sinh mà còn cần ít năng lượng hơn trong quá trình sản xuất.
Biomass được sử dụng để sản xuất một loạt các sản phẩm chất dẻo, phân rã sinh học.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng tiến trình sản xuất nhiên liệu sinh học cũng có thể được sử dụng để sản xuất chất chống đông, chất dẻo, keo, chất làm ngọt và gel cho thuốc đánh răng. Khi biomass được nung nóng với một lượng oxy nhỏ, một lượng lớn carbon monoxide và hydro được tạo ra. Các nhà khoa học gọi hỗn hợp này là khí sinh tổng hợp. Khí sinh tổng hợp được sử dụng để tạo chất dẻo và a-xít.
Khi biomass được nung nóng trong điều kiện không có oxy, nó hình thành dầu nhiệt phân. Một hoá chất có tên là phenol có thể được chiết xuất từ dầu nhiệt phân. Phenol được sử dụng để chế tạo chất dán gỗ, chất dẻo đổ khuôn và nhiều chất khác.
Khái niệm mới: Nhà máy lọc sinh học
Nhiên liệu biomass được sử dụng ở Ấn Độ chiếm khoảng 30% tổng nhiên liệu được sử dụng tại quốc gia này, là nguồn nhiên liệu quan trọng nhất được sử dụng ở trên 90% hộ gia đình nông thôn và chừng 15% hộ gia đình đô thị, đặc biệt hữu ích đối với các gia đình có nuôi gia súc. Hiện nhiều nhà máy biogas đã được xây dựng ở Ấn Độ.
Nhà máy lọc sinh học là một cơ sở kết hợp thiết bị và các tiến trình chuyển biến biomass để sản xuất nhiên liệu, điện năng và các hoá chất từ biomass. Khái niệm nhà máy lọc sinh học tương tự như các nhà máy lọc dầu ngày nay mà sản xuất nhiều nhiên liệu cũng như sản phẩm từ dầu. Các nhà máy lọc sinh học công nghiệp đã được coi là con đường hứa hẹn nhất dẫn tới việc tạo lập một ngành mới, dựa trên sinh học ở Mỹ.
Bằng cách sản xuất nhiều sản phẩm, một nhà máy lọc sinh học có thể tận dụng được các thành phần khác nhau của biomass, đồng thời tối đa hoá giá trị thu được từ biomass. Một nhà máy như vậy có thể sản xuất một hoặc nhiều hoá chất giá trị cao, khối lượng ít và một loại nhiên liệu lỏng cho vận tải với giá trị thấp, khối lượng lớn. Đồng thời, nhà máy cũng sản xuất điện, nhiệt để sử dụng trong nội bộ và có lẽ là thừa điện để bán ra ngoài. Sản phẩm giá trị cao tăng cường lợi nhuận, nhiên liệu khối lượng nhiều đáp ứng nhu cầu năng lượng quốc gia và sản xuất điện tránh phát thải khí nhà kính cũng như giảm chi phí.
Phòng Thí nghiệm Năng lượng tái sinh quốc gia của Mỹ đang thực hiện Chương trình Biomass, liên quan tới sáu dự án nhà máy lọc sinh học lớn. Những dự án này tập trung vào các công nghệ mới nhằm kết hợp việc sản xuất nhiên liệu từ biomass và các sản phẩm khác trong cùng một cơ sở.