Tin tức
CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG TỪ SINH KHỐI
Các nguồn sinh khối được chuyển thành các dạng năng lượng khác như điện năng, nhiệt năng, hơi nước và nhiên liệu được thực hiện bằng cách sử dụng hai công nghệ chính là: hóa - nhiệt và hóa - sinh.
1. Các dạng năng lượng sinh khối
Năng lượng sinh khối được chia thành 2 cấp cơ bản:
- Sơ cấp: Nguồn năng lượng sinh khối được tạo ra từ việc tích lũy năng lượng mặt trời thông qua quá trình quang hợp tự nhiên của cây xanh.
- Thứ cấp: Nguồn năng lượng sinh khối được tạo ra từ quá trình phân hủy và chuyển hóa tất cả các chất thải hữu cơ trong sinh hoạt hàng ngày của con người và các hoạt động tự nhiên của sinh vật.
Năng lượng sinh khối tồn tại ở cả 3 dạng: rắn, lỏng, khí
- Sinh khối rắn (nguyên liệu sinh học): Là các chất hữu cơ ở dạng rắn, bột hoặc được nén ở dạng viên và được giải phóng năng lượng thông qua quá trình đốt cháy.
- Ví dụ: Vỏ trấu, bã mía, củi băm, viên nén gỗ, viên nén trấu
- Sinh khối lỏng (nhiên liệu sinh học): Là dạng của sinh khối được xử lý và chuyển đổi thành hỗn hợp lỏng trong nước hoặc các dung môi khác, được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học, hoặc trong các quy trình sản xuất hóa chất và sản phẩm công nghiệp khác.
- Ví dụ: Dầu thực vật, nhiên liệu methanol, ethanol, dầu diesel sinh học
- Sinh khối dạng khí (khí sinh học): Là loại khí được hình thành một cách tự nhiên tại các bãi chôn lấp rác, chất thải sinh hoạt, phân động vật, bùn thải chuồng trại, hoặc được tạo ra thông qua các phương pháp khí hóa từ các chất hữu cơ, có thể được tái chế và sử dụng như một loại nhiên liệu.
- Ví dụ: Các loại khí metan, biogas, hydrogen
2. Mục đích chuyển hóa năng lượng từ sinh khối
Sinh khối có thể được chuyển đổi thành các dạng năng lượng hữu ích khác bằng cách sử dụng một số quy trình khác nhau. Các yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn công nghệ chuyển đổi là: chủng loại và số lượng nguyên liệu sinh khối, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm, điều kiện kinh tế cũng như tình hình thực tế 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 năng, nhiệt năng và nhiên liệu sinh học, một loại nữa là nguyên liệu hóa học.
Có ba thế hệ nhiên liệu sinh học:
- Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất là nhiên liệu chuyển đổi từ cây lương thực: mía, lúa mì, lúa mạch, ngô, khoai tây, đậu tương, hướng dương, dừa,…
- Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai được tạo ra từ vật liệu chứa lignocellulose và chất thải sinh khối dư thừa từ nông - lâm nghiệp, sản xuất công nghiệp, chất thải sinh hoạt (MSW). Đây giải pháp đầy hứa hẹn nhằm giảm thiểu các vấn đề môi trường liên quan đến phát thải, bằng cách chuyển đổi phế phẩm từ dạng thải bỏ sang dạng năng lượng sinh học hữu ích.
- Một loại sinh khối khác có tên là vi tảo, được sử dụng làm nguyên liệu cho nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba. Nguồn nguyên liệu phát triển nhanh này có tiềm năng cao để sản xuất một lượng lớn chất béo thích hợp cho việc sản xuất dầu diesel sinh học và nhiều loại nhiên liệu sinh học khác.
Chuyển đổi sinh khối thành năng lượng được thực hiện bằng cách sử dụng hai công nghệ chính là: nhiệt hóa và sinh hóa. Chuyển đổi bằng phương pháp nhiệt hóa là sự phân hủy các thành phần hữu cơ trong sinh khối bằng nhiệt trong khi phương pháp sinh hóa là sử dụng vi sinh vật hoặc enzyme để chuyển đổi sinh khối thành năng lượng hữu ích.
3. Các phương pháp chuyển hóa năng lượng sinh khối
3.1 Chuyển đổi nhiệt hóa (Thermochemical Conversion)
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 oxy (dạng lỏng).
- Đốt cháy (Combustion)
- Là phương pháp chuyển hóa năng lượng sinh khối bằng cách đốt cháy các nguồn nguyên liệu hữu cơ. Đây là phương pháp phổ biến, đang được sử dụng rộng rãi để chuyển đổi năng lượng hóa học dự trữ trong sinh khối thành nhiệt năng, hơi nước, cơ năng hoặc điện năng.
- Tất cả sinh khối đều có thể được đốt cháy trực tiếp nhưng trong thực tế quá trình cháy chỉ xảy ra với loại sinh khối có độ ẩm nhỏ hơn 50%, các loại sinh khối chứa độ ẩm cao thì phù hợp với các phương pháp chuyển đổi sinh học hơn. Trong quá trình đốt cháy, sinh khối được làm nóng đến khoảng 200 - 320 độ C, sẽ khô hoàn toàn đến mức mất khả năng hấp thụ độ ẩm hoặc thối rữa, 20% khối lượng ban đầu sẽ mất đi nhưng vẫn giữ được 90% năng lượng. Quy mô của việc sử dụng sinh khối đốt từ rất nhỏ như để sưởi ấm dân dụng đến các nhà máy công nghiệp với công suất từ 100-3000 MW.
- Khí hóa (Gasification)
- Công nghệ khí hóa sinh khối là quá trình phản ứng nhiệt hóa học khi đốt cháy sinh khối ở nhiệt độ cao (500 - 1.400°C) trong điều kiện thiếu oxy (cháy sơ cấp), sản sinh ra hỗn hợp khí gas (CO, H2, CH4). Hỗn hợp này được đốt cháy ở giai đoạn hai khi tiếp xúc với nguồn oxy ở nhiệt độ đủ cao (cháy thứ cấp) tạo ra hai sản phẩm: khí tổng hợp syngas và than sinh học biochar. Syngas bị đốt cháy để tạo nhiệt cho các ứng dụng công nghiệp, hộ gia đình và dùng trong sản xuất các hợp chất tổng hợp như amoniac, metanol và đimetyl ete. Biochar được sử dụng làm chất cải tạo đất, phân bón, chất lọc nước, và các ứng dụng làm sạch môi trường khác. Khí hóa được coi là con đường tự nhiệt độc lập, dựa trên cân bằng năng lượng và là phương pháp lý tưởng để chuyển đổi đa dạng nguyên liệu sinh khối khác nhau từ phế phẩm nông - lâm nghiệp, chất thải công nghiệp, thực phẩm, trang trại,…
- Khí hóa cũng là kỹ thuật hiệu quả nhất trong sản xuất khí hydro từ sinh khối, góp phần giải quyết hai vấn đề môi trường quan trọng: trữ lượng chất thải và sản xuất hydro sử dụng nhiều carbon. Nếu mục tiêu là tối ưu hóa việc sản xuất hydro, thì quá trình khí hóa cần bao gồm quá trình lọc khí tổng hợp, phản ứng chuyển dịch khí - nước để tăng nồng độ H2 và công nghệ thu giữ carbon. Sản xuất hydro từ sinh khối là phương pháp duy nhất tạo ra lượng khí thải CO2 âm tính. Việc ứng dụng năng lượng hydro được các quốc gia phát triển chủ yếu trong lĩnh vực giao thông và phục vụ nhu cầu nhiệt năng cho các hệ thống năng lượng đồng phát, thay thế nguồn nhiên liệu sưởi ấm từ khí thiên nhiên sang hydro.
- Nhiệt phân (Pyrolysis)
- Nhiệt phân là quá trình phân hủy sinh khối bằng nhiệt diễn ra trong điều kiện không có oxy với nhiệt độ hoạt động trong khoảng từ 350 - 550°C, có thể đạt tới 700°C. Quá trình nhiệt phân phân hủy các chất hữu cơ thành hỗn hợp rắn, lỏng và khí.
- Sự khác biệt giữa khí hóa và nhiệt phân là khí hóa tạo ra khí nhiên liệu có thể đốt cháy sinh nhiệt, còn nhiệt phân tạo ra nhiên liệu lỏng được gọi là dầu nhiệt phân (dầu sinh học) có thể thay thế cho dầu nhiên liệu trong việc sưởi ấm tĩnh hoặc trong sản xuất điện. Sản lượng dầu sinh học thu được có thể được lưu trữ trực tiếp và vận chuyển dễ dàng. Hiện nay, việc sản xuất chất lỏng từ quá trình nhiệt phân được quan tâm nhiều hơn, do những lợi thế về hiệu quả năng lượng, năng suất của dầu sinh học lên đến 75% trọng lượng, tối ưu chi phí và thân thiện với môi trường.
- Hóa lỏng (Liquefaction)
- Hóa lỏng là việc chuyển đổi sinh khối thành hydrocarbon lỏng ổn định bằng cách sử dụng nhiệt độ thấp và áp suất hydro cao. Hóa lỏng và nhiệt phân sinh khối là hai kỹ thuật tạo ra sản phẩm dưới dạng dầu sinh học hoặc dầu thô sinh học. Có 2 phương pháp hóa lỏng:
+ Hóa lỏng nhiệt hóa liên quan đến việc sản xuất dầu sinh học ở nhiệt độ thấp và áp suất cao với sự có mặt của hydro (có hoặc không có chất xúc tác).
+ Hóa lỏng thủy nhiệt (nhiệt phân hydro) là phương pháp sử dụng nước ở nhiệt độ trung bình từ 250 - 374°C và áp suất vận hành từ 40 - 220 bar để chuyển đổi sinh khối thành dầu sinh học. Phương pháp hóa lỏng thủy nhiệt thường áp dụng cho các loại sinh khối có độ ẩm cao để giảm thiểu chi phí cho giai đoạn làm khô hoặc tách nước.
- Với các nguyên liệu có chứa hàm lượng độ ẩm khác nhau, chẳng hạn như sinh khối gỗ, chất thải và sinh khối từ tảo đều phù hợp để sản xuất dầu sinh học.
3.2 Chuyển đổi sinh hóa (Biochemical Conversion)
Chuyển đổi sinh hóa bao gồm việc sử dụng men/men vi khuẩn chuyên biệt để chuyển đổi sinh khối thành năng lượng hữu ích.
- Phân hủy kỵ khí (Anaerobic Digestion)
- Quá trình kỵ khí chuyển đổi trực tiếp các chất hữu cơ thành khí sinh học (biogas). Đây là một hỗn hợp chủ yếu gồm khí methane (CH4) và carbon dioxide (CO2) với một lượng nhỏ khí hydro sunfua (H2S). Khí sinh học có hàm lượng năng lượng từ 20 - 40%, nhiệt trị thấp hơn của sinh khối. Phân hủy kỵ khí có thể chứa sinh khối ướt với độ ẩm lên đến 90%.
- Quá trình kỵ khí được sử dụng phổ biến trong xử lý chất thải chăn nuôi với hàm lượng chất hữu cơ cao, khí sinh học thu được sử dụng cung cấp cho mục đích đun nấu, phát điện, sưởi ấm đã và đang là giải pháp hiệu quả tại rất nhiều quốc gia nông nghiệp trên thế giới.
- Khí sinh học còn có thể được sử dụng trực tiếp cho động cơ và turbine khí. Tuy nhiên để nâng cấp lên chất lượng cao hơn như chất lượng của khí gas tự nhiên thì cần loại loại bỏ bớt CO2.
- Lên men (Fermentation)
- Lên men là phương pháp được sử dụng rộng rãi để sản xuất ethanol sinh học từ những cây trồng có lượng đường cao như mía đường, củ cải đường hay các loại cây trồng tinh bột như ngô, lúa, mì dưới sự tồn tại của nấm men hoặc vi khuẩn.
- Các thành phần cellulose, hemicellulose và tinh bột trong sinh khối được chuyển đổi bởi các enzyme thành đường, lên men rồi chuyển đổi đường thành ethanol. Theo ước tính mỗi tấn ngô khô sẽ sản xuất được khoảng 450 lít ethanol. Các sản phẩm phụ từ quá trình lên men được sử dụng như thức ăn cho gia súc. Và trong trường hợp chuyển đổi từ cây mía, bã mía có thể được sử dụng như một loại nhiên liệu cho nồi hơi hoặc cho quá trình khí hóa tiếp theo.
- Việc chuyển đổi các loại sinh khối như gỗ và các loại cỏ bằng phương pháp lên men sẽ phức tạp hơn, do sự có các phân tử polysaccharide theo chuỗi dài hơn và đòi hỏi phải có sự thủy phân của axit hoặc enzyme trước khi đường được lên men thành ethanol. Tuy nhiên kỹ thuật thủy phân này hiện vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm.
-Các phương pháp thủy phân phổ biến nhất sử dụng axit/kiềm và enzyme. Xử lý axit rẻ và nhanh, nhưng môi trường axit có thể biến đổi đường thành các dạng không mong muốn. Ngược lại, xử lý bằng enzym hiệu quả và không tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn, nhưng enzym đắt và chậm hơn. Rượu thô (10 - 15% ethanol) được sản xuất phải trải qua bước cô đặc bằng cách chưng cất. Phần cặn rắn còn lại vẫn có thể được xử lý thành các sản phẩm có giá trị bằng phương pháp hóa lỏng, khí hóa hoặc nhiệt phân có hỗ trợ vi sóng.
- Phản ứng transester hóa (transesterification)
- Việc sử dụng sinh khối tiềm năng như chứa nhiều cellulose để sản xuất nhiên liệu sinh học phức tạp hơn vì tính chất và hiệu suất của dầu chiết xuất cần được điều chỉnh để phù hợp với đặc tính của nhiên liệu dựa trên hydrocarbon. Nhiên liệu sinh học thu được từ sinh khối như vật liệu lignocellulose thường có vấn đề về độ nhớt cao, sức sống thấp và các đặc tính không bão hòa. Những vấn đề này có thể được giải quyết thông qua một số phương pháp tiền xử lý, trong đó phương pháp khả thi nhất là chuyển hóa ester.
- Transester hóa là phản ứng trao đổi giữa rượu và este, trong đó 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 axit béo (FAME) được tạo ra sau đó sẽ tương đương với nhiên liệu dầu mỏ thương mại và sản phẩm phụ glycerin cũng có giá trị thương mại.
Kết luận
Có nhiều công nghệ chuyển đổi sinh khối thành năng lượng sinh học, việc lựa chọn quy trình công nghệ phụ thuộc vào nguyên liệu và sản phẩm cuối cùng mong muốn. Các nghiên cứu sâu hơn đã chỉ ra rằng trong khi tất cả các quy trình về mặt kỹ thuật có thể sản xuất được nhiên liệu phù hợp nhưng chỉ có khí hóa có khả năng thương mại. Phát hiện này dựa trên việc xem xét hiệu suất chuyển đổi tổng thể của sản xuất khí thông qua quá trình khí hóa và đã được chứng minh bằng cách sử dụng sản phẩm khí hóa với mục đích phát triển nhiên liệu sinh khối.
Nhiệt phân là một công nghệ phát triển nhanh chóng với tiềm năng lớn nhưng quá trình này là phù hợp hơn để sản xuất nguyên liệu sử dụng trong động cơ diesel và turbine khí.
Kỵ khí cũng có vị trí của nó như là một quá trình chuyển đổi để cung cấp nhiên liệu khí và là một phương pháp xử lý cho chất thải hữu cơ công nghiệp có độ ẩm cao, chẳng hạn như các chất thải sinh khối ướt hay bùn thải…