Các công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh khối - Phần 2 docx

Các công nghệ chuyển đổi năng lượng
sinh khối Phần 2
4. Chuyển đổi hoá - sinh
Hai phương pháp thường được sử dụng trong quá trình chuyển đổi hóa sinh là lên
men và kỵ khí, cùng với đó có một cách khác nhưng ít được sử dụng hơn đó là chuyển
đổi sinh khối bằng quá trình cơ học.
4.1. Lên men
Lên men là phương pháp được sử dụng rộng rãi để sản xuất ethanol 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. Sinh khối và tinh bột 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 acid 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.
4.2. Kỵ khí
Quá trình kỵ khí chuyển đổi trực tiếp các chất hữu cơ thành khí hay còn gọi là
khí sinh học. Đây là một hỗn hợp chủ yếu gồm khí methane và carbon dioxide với
một lượng nhỏ các khí khác như hydro, sunfua. Trong quá trình này, sinh khối được
biến đổi bởi vi khuẩn trong môi trường yếm khí, sản phẩm là một hỗn hợp khí với
hàm lượng năng lượng từ 20-40% nhiệt trị thấp của nguyên liệu. Kỵ khí là một công
nghệ đã được chứng minh và được sử dụng rộng rãi để xử lý các chất thải hữu cơ có
độ ẩm cao từ 80-90%.
Khí sinh học sản xuất từ quá trình kỵ khí có thể được sử dụng trực tiếp cho động
cơ và tua bin khí. Tuy nhiên chúng được nâng cấp lên chất lượng cao hơn như chất
lượng của khí gas tự nhiên bằng việc loại loại bỏ bớt CO
2.

Một quá trình điển hình
cho xử lý sinh khối sử dụng quá trình kỵ khí được thể hiện trong Hình 6.


Hình 6. Quá trình kỵ khí của sinh khối

4.3. Xử lý sinh khối bằng quá trình cơ học
Đây là một quá trình chuyển đổi sinh khối sử dụng cơ học để sản xuất dầu,
chẳng hạn như ép các hạt có dầu, ép thân cây bông và vỏ lạc. Quá trình sản xuất
không chỉ thu được dầu mà các phụ phẩm còn được sử dụng làm thức ăn cho động
vật. Theo thực tế, ba tấn hạt cải dầu sẽ sản xuất được một tấn dầu. Tuy nhiên, hạt cải
dầu có thể được xử lý tốt hơn bằng cách phản ứng với rượu bằng cách sử dụng một
quá trình gọi là este hóa để thu được Diesel sinh học. Loại nhiên liệu này đang được
sử dụng ở một số nước châu Âu như là một loại bổ sung nhiên liệu cho hoạt động giao
thông vận tải .Hình 7 mô tả một quá trình chung cho sản xuất dầu diesel sinh học và
sản phẩm glycerin.


Hình 7: Quá trình sản xuất của diesel sinh học và glycerin

5. Các hệ thống năng lượng sinh học, các chỉ số năng lượng và sản lượng năng
lượng
Để đánh giá hiệu suất của một hệ thống chuyển đổi năng lượng sinh học, cần
nghiên cứu toàn bộ quá trình từ sản xuất sinh khối đến sản phẩm cuối cùng. Một tiêu
chí quan trọng để so sánh các hệ thống năng lượng sinh học là tổng sản lượng năng
lượng sản xuất ra trên mỗi ha. Tầm quan trọng của năng suất năng lượng và tác động
môi trường của một loại sinh khối cụ thể sẽ khác nhau tùy thuộc vào các yếu tố kinh tế
- xã hội và chính trị của mỗi vùng và mỗi nước.
5.1. Các tỷ số Năng lượng
Cơ quan Năng lượng Quốc tế IEA đã làm một so sánh toàn diện các quá trình

sản xuất năng lượng sinh học cho sản xuất ethanol từ ngô và củ cải đường; Diesel sinh
học từ hạt cải dầu; methanol và điện từ gỗ.
Trong đó, tỷ lệ năng lượng của một hệ thống năng lượng sinh học được thể hiện
như tỷ lệ giữa sản lượng năng lượng đầu ra và năng lượng đầu vào trong chu kỳ của
chuyển đổi nhiên liệu. Do đó, tỷ lệ năng lượng dưới 1 ngụ ý rằng các đầu vào năng
lượng cao hơn sản lượng năng lượng đầu ra. Ethanol sản xuất từ lúa mì, ngô và củ cải,
cho tỷ lệ năng lượng giữa 0,9 và 1,5, cho thấy rằng có thể không nên sản xuất năng
lượng sinh khối trong một số tình huống nhất định, nếu năng lượng đầu vào yêu cầu
được cung cấp bởi nhiên liệu hóa thạch. Do đó, hiện nay nếu công nghệ cải tiến và
đầu vào thấp, cây trồng năng suất cao, tỷ lệ năng lượng có thể đạt tới từ 2 đến 3. Việc
sản xuất dầu Diesel sinh học từ hạt cải dầu hiện nay có tỷ lệ năng lượng của khoảng
1,5 và giả định hệ thống sản xuất được cải tiến thì tỉ số này có thể lên đến 3. Việc sản
xuất điện từ gỗ có tỷ lệ năng lượng là 6-7 và có thể đạt tới 10 đến 15 nếu công nghệ
được cải tiến. Đối với methanol, dự kiến tỷ lệ năng lượng từ 6-12 có thể đạt được
trong tương lai.
5.2. Sản lượng năng lượng
Sản xuất điện từ gỗ là một lựa chọn trong nghiên cứu của IEA, mặc dù trong
nghiên cứu sản xuất ethanol với nguyên liệu từ củ cải đường cũng có thể cung cấp một
giá trị tương đối cao của sản xuất năng lượng trên mỗi ha.

Bảng 1. Sản lượng năng lượng/ha/năm của một số cây trồng năng lượng
Kiểu năng lượng sinh học Công nghệ hiện tại

(GJ / ha / năm)
Công nghệ tương lai
(GJ / ha / năm)
Ethanol từ ngũ cốc (thay thế xăng) Trung bình 2 36
Ethanol từ củ cải đư
ờng (thay thế
xăng)

Trung bình 30 139
Diesel sinh học (thay thế diesel) 17 41
Điện từ gỗ (thay thế điện) 110 165

Tuy nhiên các nghiên cứu khác về sản lượng năng lượng đã đưa ra các đánh giá
khác nhau làm nổi bật tiềm năng đa dạng có thể đạt được cho các hệ thống chuyển đổi
năng lượng sinh học. Có thể thấy rằng trong điều kiện vận chuyển và lưu trữ, sinh
khối chịu những bất lợi đáng kể so với nhiên liệu hóa thạch

Bảng 2. So sánh mật độ năng lượng của sinh khối và nhiên liệu hóa thạch
khí thiên nhiên Hóa lỏng 56 GJ / t
Dầu Mỏ 42 GJ / t
Than đá 28 GJ / t
Sinh khối (gỗ, 50% độ ẩm) t 8 GJ / t
So sánh các dữ liệu sản lượng năng lượng được thể hiện trong Bảng 1 trên cơ sở
chi phí nhiên liệu thông thường, các tỷ lệ chi phí được thể hiện trong Bảng 3. Phạm
vi chi phí lớn là do sự đa dạng trong phạm vi thực hiện của các hệ thống năng lượng
sinh học.

Bảng 3. Tỷ lệ chi phí của hệ thống năng lượng sinh học so với chi phí nhiên liệu
truyền thống
Hệ thống năng lượng
sinh học
Chi phí sản xuất
nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học Sản xuất có
tiềm năng trong tương lai (dựa
trên thị trường thế giới / giá thấp
nhất )
Sản xuất Ethanol t

ừ lúa
mì (thay thế xăng )
4,7-5,9 2,9-3,5
S
ản xuất Ethanol từ củ
cải đường (thay thế x
ăng
5-5,7 4,2-4,5
)
s
ản xuất RME (thay thế
dầu diesel)
5,5-7,8 2,8-3,3
s
ản xuất Methanol từ gỗ
(thay thế xăng )
Chưa xác định 1,9-2,2
Sản xuất điện từ gỗ
(thay
thế điện lưới)
1,3-1,9 0,8-1,1

6. Kết luận
Sau khi xác định khí hóa, nhiệt phân, và kỵ khí là các quá trình chuyển đổi sinh
khối hiệu quả, có chi phí hợp lý để sản xuất nhiên liệu phù hợp cho động cơ đốt trong,
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 hoạt động của khí hóa bằng cách
sử dụng 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 tua bin 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 quá trình 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
Về việc chọn một quy trình hiệu quả về mặt kinh tế để sản xuất nhiên liệu khí
cho động cơ thì khí hóa là quá trình chuyển đổi phù hợp nhất. Trong bài tiếp theo sẽ
trình bày các nghiên cứu sâu hơn về quá trình khí hóa này.