Báo cáo nghiên cứu khoa học: " KHẢ NĂNG GIẢM PHÁT THẢI CO 2 Ở VIỆT NAM NHỜ SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG BẰNG BIOGAS" pptx

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009
1
KHẢ NĂNG GIẢM PHÁT THẢI CO
2
Ở VIỆT NAM
NHỜ SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG BẰNG BIOGAS
POSSIBILITY OF CO
2

EMISSION REDUCTION IN VIETNAM
BY UTILIZATION OF BIOGAS FOR ELECTRICITY PRODUCTION

Bùi Văn Ga
−
Lê Minh Tiến
−
Trương Lê Bích Trâm
Đại học Đà Nẵng
Nguyễn Văn Đông
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT
Việc sử dụng rộng rãi biogas cần công nghệ để biến chúng thành các dạng năng lượng
khác. Bài báo này giới thiệu công nghệ sản xuất điện năng bằng biogas. Nếu sử dụng công
nghệ này, mỗi năm nước ta có thể sản xuất 10% điện năng bằng nhiên liệu tái tạo và giảm
6,5% phát thải Carbon vào bầu khí quyển.
ABSTRACT
For a large application of biogas, we need transform them to other kind of energy. The
paper presents the technology of electricity production by biogas. Wide application of this
technology, Vietnam can produce 10% electricity by renewable energy and reduce 6.5% of
Carbon emission into atmosphere.

1. Giới thiệu
Trong vòng 4,5 tỉ năm tồn tại, quả đất đã
có những chu kỳ nóng lên rồi lạnh đi. Từ thời
điểm cuối của thời kỳ băng hà cuối cùng, cách
đây khoảng 13000 năm, quả đất đã nóng lên
trung bình 4°C. Ngày nay quả đất nóng lên
nhanh chóng. Trong 1 thế kỷ nhiệt độ của qu ả
đất đã tăng lên 0,5°C. Phân tích mẫu lấy ra từ
băng hà cho thấy kỷ nguyên của chúng ta nóng
nhất từ hơn 600 năm và 20 năm cuối cùng của
thế kỷ XX, sự gia tăng nhiệt độ đã vượt qua mọi
kỷ lục với đỉnh cao là năm 1998.
Nhiệt độ gia tăng nhanh chóng như vậy
khiến cho thiên nhiên không có thời gian để
thích nghi. Nếu sự gia tăng nhiệt độ tro ng quá
khứ gây ra do quá trình tự nhiên thì sự gia tăng
nhiệt độ ngày nay chủ yếu là do hoạt động của
con người, đặc biệt là sự phát thải các chất khí


Năm

Phát th i CO
2
(GtC/năm)
N
ồng độ CO
2
(ppmV)

Hình 1. Tính toán dự báo nồng độ CO
2

trong khí quyển với các kịch bản
khác nhau về sử dụng năng lượng


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009
2
gây hiệu ứng nhà kính.
Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính thì CO
2
chiếm đến 50% tác
dụng. Từ khi bắt đầu thời kỳ công nghiệp
đến nay (khoảng 200 năm), sự phát thải
CO
2
vào bầu khí quyển đã không ngừng
gia tăng. Nồng độ CO
2
hiện nay đã tăng
35% so với thời kỳ tiền công nghiệp, vượt
xa nồng độ của chúng 600 000 năm trước.
Nồng độ CO
2
đã tăng từ 280ppm ở thời
kỳ tiền công nghiệp đến 379ppm vào năm
2005. Mức tăng trung bình của CO
2
là

+1,5 ppm/năm trong khoảng 1970 đến
2000 và +2,1 ppm/năm trong khoảng
2000 đến 2007. Các hoạt động của con
người như sử dụng nhiên liệu hóa thạch,
phá rừng sản sinh ra mỗi năm 6 tỷ tấn
carbon. Tính toán diễn biến nồng độ CO
2

trong khí quyển theo các kịch bản khác
nhau cho thấy nồng độ này đạt cân bằng
ổn định khoảng 500ppmV trong trường
hợp ngày từ bây giờ chúng ta không làm
gia tăng thêm CO
2
và đạt giá trị cân bằng
cực đoan khoảng 1100ppm nếu tiếp tục
phát thải như hiện nay (hình 1). Các
nghiên cứu về diễn biến khí hậu cho thấy
mối quan hệ trực tiếp giữa nồng độ CO
2

trong khí quyển và sự dao động chu kỳ của
nhiệt độ trong vòng 150000 gần đây. Nếu
nồng độ CO
2
Người ta ước tính đại dương hấp thụ trên 80% năng lượng cấp thêm vào hệ
thống khí hậu. Sự gia tăng nhiệt độ đại dương khiến nước giãn nở và làm tăng cao mực
nước biển. Các số liệu nghiên cứu do vệ tinh cung cấp cho thấy trong thế kỷ 20, mực
nước biển đã dâng cao khoảng vài chục cm (0,1-0,2m). Riêng trong giai đoạn 1961 đến
2003, mực nước biển đã tăng 1,8mm/năm. Sự gia tăng mực nước biển chủ yếu là do

giãn nở nhiệt. Ảnh hưởng của sự tan băng ở các cực thể hiện trong quãng thời gian dài
nhiều thế kỷ. Mực nước biển sẽ dâng cao từ 18 đến 59cm vào năm 2100 (hình 2). Nó có
thể dâng cao 2m vào năm 2300 [3]. Sự dâng cao mực nước biển vài cm không gây ảnh
hưởng đáng kể đối với bờ biển đá nhưng nó gây ảnh hưởng nghiêm trọng đối với động
học bùn cát của các bãi biển phẳng. Trong những vùng này, đang ở trạng thái cân bằng
tăng lên gấp đôi sẽ làm gia
tăng nhiệt độ trung bình của mặt đất lên
2,8°C. Điều này sẽ làm đảo lộn khí hậu trên hành tinh.

Độ cao so với mực nước biển hiện nay


Hình 3. Nguy cơ chìm ngập ở khu vực Đông Nam Á
do sự dâng cao mực nước biển





Năm
Gia tăng m

(cm)

Hình 2. Dự báo dâng cao mực nước biển trong thế
kỷ 21 theo các mô hình toán họa khác nhau



TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009

3
động học, sự dâng cao mực nước biển tạo ra khả năng xâm thực mạnh và làm dịch
chuyển sự cân bằng toàn bộ về phía bãi biển bị xâm thực và lùi dần vào đất liền. Vì vậy
sự dâng cao mực nước biển gây ảnh hưởng quan trọng hơn nhiều so với việc dịch
chuyển bờ biển đối với chiều cao mực nước tương ứng.
Khi băng tuyết trên quả đất tan hoàn toàn thì mực nước biển có thể dâng lên đến
65m. Tuy nhiên sự tan băng ở các cực kéo dài đến hàng nghìn năm ngay cả khi nhiệt độ
khí quyển đã ổn định. Dựa trên kết quả tính toán diễn biến nhiệt độ khí quyển, người ta
dự báo các nguy cơ gia tăng mực nước biển trong thiên niên kỷ tới. Nguy cơ mực nước
biển dâng lên 6m là rất cao trong 1000 năm nữa. Toàn bộ đồng bằng Bắc Bộ, Nam Bộ
và duyên hải Miền Trung của nước ta khi đó sẽ bị chìm ngập trong nước biển (hình 3).
2. Giảm phát thải CO
2
Loài người đã thải vào khí quyển 6 Gt (Gt: tỉ tấn) carbon tương đương mỗi năm,
tương đương 1 tấn/người/năm. Ước chừng 3 Gt carbon do đại dương hấp thụ, vì vậy cần
giảm đi 50% mức độ phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính để không làm gia tăng
nồng độ của chúng trong khí quyển, nghĩa là mức thải trên đầu người là 500 kg carbon
tương đương mỗi năm. Tiết kiệm năng lượng, đặc biệt là năng lượng hóa thạch là giải
pháp hữu hiệu. Giải pháp này đòi hỏi thay đổi thói quen vốn có của con người như:
bằng tái cơ cấu năng lượng
• Hạn chế đi máy bay. Máy bay tầm xa phát thảỉ 60 g carbon tương
đương/km/hành khách. Một hành khách liên lục địa bằng máy bay thải vào
không khí gần 500 kg carbon tương đương. Đối với máy bay tầm ngắn, mức độ
phát thải trung bình 100 g carbon tương đương/km/hành khách;
• Hạn chế tối đa sử dụng ô tô. Ô tô phát thải trung bình 100-250 g CO2 trên mỗi
km, nghĩa là 30-70 g carbon tương đương. Sử dụng ô tô 20 000 km mỗi năm sẽ
thải vào khí quyển 600-1400 kg carbon tương đương;
• Tối ưu hóa cách nhiệt nhà ở bằng kiến trúc sinh khí hậu, sử dụng vật liệu mới để
giảm sử dụng nhiệt cho hệ thống sưởi và điều hòa không khí.
Mặt khác, sử dụng các loại năng lượng tái sinh được xem là giải pháp bền vững.

Giải pháp này một mặt làm giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính và mặt khác
đảm bảo nguồn năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt dần.
Đối với vấn đề phát thải CO
2
, Việt nam có mức độ phát thải CO
2
trên đầu người
dân còn rất thấp so với mức độ phát thải bình quân của thế giới. Những thập niên 80, 90
của thế kỷ trước, mức thải CO
2
bình quân đầu người của nước ta chỉ bằng 1/10 bình
quân của thế giới. Hiện nay mức phát thải CO
2
bình quân đầu người ở nước ta xấp xỉ
1/3 mức phát thải bình quân của thế giới [2]. Tuy nhiêu điều quan trọng là tốc độ gia
tăng mức độ phát thải CO
2
Với tốc độ gia tăng sử dụng nhiên liệu hóa thạch như hiện nay trong sinh hoạt và
sản xuất (hình 6 và hình 7), trong một thời gian ngắn, mức độ phát thải CO
của nước ta hiện nay rất lớn, trong khi mức độ phát thải bình
quân trên thế giới gần như ổn định (hình 4 và hình 5).
2
trên đầu
người dân của chúng ta sẽ tăng vượt mức bình quân chung của thế giới. Để hạn chế mức
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009
4
độ phát thải CO
2
Biogas là năng lượng tái sinh nhận được từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ
trong môi trường thiếu không khí. Rác thải sinh hoạt, các chất thải của quá trình sản

xuất nông nghiệp, chăn nuôi, xử lý nước là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất biogas.
Biogas chứa thành phần chính là CH
và đảm bảo an ninh năng lượng tương lai, chúng ta cần nghiên cứu
phát triển các loại năng lượng tái sinh . Trong số các dạng năng lượng này thì năng
lượng từ biomass ở nước ta có tiềm năng rất dồi dào (khoảng 100 triệu tấn/năm) và có
thể khai thác được bằng các công nghệ truyền thống. Sản xuất biogas từ biomass là giải
pháp khả thi và thiết thực nhất.
4
và các tạp chất như CO
2
, H
2
S [4]. Để có thể sử
dụng biogas làm nhiên liệu, việc đầu tiên là phải lọc các tạp chất có hại. Tiềm năng
biogas của Việt Nam từ chất thải chăn nuôi khoảng 2 tỷ m
Nếu lấy trung bình 200m
3

3
biogas/tấn nguyên liệu và 10% biomass trên đây được
chuyển thành biogas thì mỗi năm chúng ta có thể sản xuất được 2 tỷ m
3
biogas. Cộng
với 2 tỷ m
3
biogas sản xuất từ chất thải chăn nuôi, mỗi năm chúng ta có thể sản xuất
được 4 tỷ m
3
Khó khăn trong khai thác biogas để phát điện của chúng ta là nguồn nhiên liệu
không tập trung và qui mô không đều. Những nơi có sản lượng biogas lớn như các bãi

chôn lấp rác, các trạm xử lý nước thải có thể sử dụng động cơ cỡ lớn để kéo máy phát
biogas.

1950
1970
1990
2010
00
0,12
0,24
0,36
Năm
T
ấn carbon tư
ơng đương

Hình 4. Mức thải Carbon bình quân
đầu người ở Việt Nam


1950
1970
1990
2010
00
0,50
0,75
1,25
Năm
T

ấn carbon tư
ơng đương
1,00
0,25

Hình 5. Mức thải Carbon bình quân
đầu người toàn cầu



Năm
1984
1988

1992
1996
2000
2004
10
20
30
40
T
ỉ kWh

Thủy điện
Nhiệt điện

Hình 6. Sản xuất điện năng ở Việt Nam
(Nguồn EIA International Energy)

Năm
1988
1992
1996
2000
2004
2008
100

200

300
400

Nghìn thùng /ngày

Hình 7. Tiêu thụ dầu mỏ ở Việt Nam
(Nguồn EIA International Energy)




TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009
5
điện. Các trại chăn nuôi trung bình và nhỏ, nếu sử dụng động cơ cỡ lớn thì không đủ
biogas để chạy liên tục, nếu dùng động cơ cỡ nhỏ thì không đảm bảo được công suất
cần thiết cho sản xuất. Vì vậy trong thực tế hiện nay, phần lớn các hầm biogas ở nước ta

chỉ dùng để phục vụ cho việc đun nấu. Ở những trại chăn nuôi chừng 50 con heo trở lên,
lượng biogas sinh ra trở nên dư thừa cho nhu cầu đun nấu và chúng được thải ra ngoài
khí quyển. CH
4
có tác dụng gây hiệu ứng nhà kính 23 lần lớn hơn CO
2
3. Kỹ thuật cung cấp biogas cho động cơ hai nhiên liệu biogas/dầu mỏ
vì vậy việc thải
chúng ra không khí sẽ làm cho môi trường bị ô nhiễm trầm trọng hơn. Vì vậy việc tận
dụng biogas từ các nguồn khác nhau để sản xuất điện năng là rất cần thiết để giảm phát
thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính và tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch ở nước ta.
Do sự đa dạng về qui mô sản xuất biogas, để có thể tận dụng được nguồn biogas
phát điện, công suất của động cơ cần phải chọn tối ưu phù hợp qui mô sản xuất của trang
trại và công suất của hầm biogas. Để thỏa mãn yêu cầu đó thì động cơ hai nhiêu liệu
biogas/nhiên liệu lỏng mang tính thực tế cao hơn động cơ chỉ chạy được bằng biogas [5].
Để tạo điều kiện thuận lợi cho
người dân chuyển đổi động cơ sử dụng
nhiên liệu lỏng có sẵn sang chạy bằng
biogas, trong công trình này chúng tôi
chế tạo các bộ phụ kiện vạn năng để có
thể lắp được trên nhiều kiểu động cơ
khác nhau. Bộ phụ kiện được lắp thêm
vào động cơ để cho phép nó chạy bằng
biogas, không làm ảnh hưởng đến hoạt
động của hệ thống nhiên liệu lỏng
nguyên thủy, vì vậy động cơ vẫn có thể
chạy được bằng nhiên liệu lỏng như
trước khi cải tạo.
Hình 8 giới thiệu sơ đồ nguyên
lý của hệ thống cung cấp nhiên liệu cho

động cơ hai nhiên liệu biogas/xăng. Hệ thống gồm bộ điều tốc 1 tác động đồng thời lên
bướm ga 2 và van cung cấp biogas 3. Van không tải 5 kiểu màng mở khi độ chân không
sau bướm ga đủ lớn, hút biogas qua vít chỉnh không tải 4. Tỉ lệ độ mở bướm ga 2 và van
côn 3 được tính toán sao cho thành phần hỗn hợp của động cơ đạt giá trị tối ưu ở mọi
chế độ công tác [6]. Bộ điều tốc được dẫn động nhờ buli lắp trên bánh đà động cơ. Khi
chạy bằng biogas, van cung cấp xăng được khóa lại. Ngược lại, khi chạy bằng xăng,
khóa biogas ở vị trí đóng.
Đối với động cơ biogas/diesel, hệ thống cung cấp nhiên liệu đơn giản hơn vì
không có van không tải 5 và bướm ga 2. Động cơ được đánh lửa bằng cách phun một
lượng diesel mồi tối thiểu (khoảng 2-3% lượng diesel ở chế độ định mức). Tốc độ động
cơ được giữ ổn định nhờ bộ điều tốc tác động lên van côn cung cấp biogas.

Không
khí
Biogas
1
5
4
3
2

Hình 8. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu
cho động cơ biogas/xăng

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009
6
Hình 9 và hình 10 giới thiệu van điều tốc động cơ biogas/xăng và bộ điều tốc
động cơ biogas/diesel. Các van này được tính toán cho các cỡ công suất động cơ khác
nhau. Người sử dụng có thể lắp đặt dễ dàng lên động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng có
sẵn để chạy bằng biogas (hình 11 và hình 12).

Động cơ kéo máy phát điện bằng biogas với công nghệ này có những tính năng sau [7]:
− Được cải tạo từ động cơ Diesel hay động cơ xăng
− Sau khi cải tạo, động cơ vẫn có thể chạy bằng diesel hay bằng xăng khi cần thiết
− Tiêu thụ dầu diesel nhỏ hơn 3% so với định mức
− Dao động điện áp nhỏ hơn 5% điện áp định mức, thời gian quá độ nhỏ hơn 2s
Nếu biogas được sản xuất từ chất thải chăn nuôi, thời gian (tính theo giờ) máy
phát điện biogas có thể hoạt động liên tục trong ngày cho ở bảng 4.
Nhờ các bộ phụ kiện trên đây, động cơ có thể biến 1m
3
biogas thành 1kWh đi ện, tiết
kiệm được 0,4 lít dầu diesel và góp phần làm giảm phát thải 1kg CO
2
Theo như phần trên đã trình bày, tiềm năng biogas của nước ta có thể đạt được 4
tỷ m
vào bầu khí quyển [8].
3
Hình 10. Van điều tốc
động cơ biogas/diesel
/năm. Nếu áp dụng công nghệ này để phát điện, mỗi năm chúng ta sản xuất được 4






Hình 9. Van điều tốc
động cơ biogas/xăng

Hình 11. Động cơ hai nhiên liệu biogas/diesel
Hình 12. Động cơ hai nhiên liệu biogas/xăng


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(30).2009
7
tỷ kWh điện. Nếu các động cơ trên chạy bằng dầu diesel thì để sản xuất được lượng
điện nói trên chúng ta cần đến 1,6 tỷ lít dầu và phát thải vào bầu khí quyển 4 tỷ kg CO
2
Như vậy, nếu sử dụng công nghệ chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng
sang chạy bằng biogas, mỗi năm chúng ta có thể sản xuất được 10% năng lượng điện
bằng nhiên liệu thay thế, tiết kiệm được 15.000 tỷ đồng tiền nhiên liệu (do các động cơ
chạy bằng dầu), giảm phát thải 4 triệu tấn CO
.
2
4. Kết luận
(tương đương 1,5 triệu tấn C) vào bầu
khí quyển. Nếu so với mức phát thải C tương đương của nước ta hiện nay là 24 triệu
tấn/năm thì mức giảm này đạt được 6,5%.
− Hạn chế mức độ phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính ngay từ bây giờ sẽ
góp phần đảm bảo sự cân bằng nồng độ CO
2
− Sử dụng biogas từ các chất thải hữu cơ để chạy động cơ đốt trong phát điện thay
cho nhiên liệu hóa thạch bằng công nghệ trong nước sẽ giúp nước ta sản xuất
được 10% điện năng bằng năng lượng tái tạo, góp phần làm giảm 6,5% phát thải
Carbon vào khí quyển.

trong khí quyển ở mức thấp, tránh
được nguy cơ bùng nổ khí hậu gây hậu quả khôn lường đối với sự tồn vong của
nhân loại.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Global_Warming_Predictions_png.
[2]
[3]
[4] Bui Van Ga, Ngo Van Lanh, Ngo Kim Phung, Purification of biogas for fueling
internal combustion engine. Review Science and Technology, The University of
Danang, No 4-2007.
[5] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh, Hệ thống cung
cấp biogas cho động cơ dual-fuel biogas/diesel. Tạp chí Khoa học-Công nghệ Đại
học Đà Nẵng, số 2(25)-2008, pp. 17-22.
[6] Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Phi Quang, Tối ưu
hóa quá trình cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng h ai nhiên liệu biogas-
dầu mỏ. Tạp chí Khoa học-Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 5(28)-2008, pp. 22-30.
[7] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Truong Le Bich Tram, Engines fueled by biogas: A
contribution to energy saving and climate change mitigation. The 6th Seminar on
Environment Science and Technology Issues Related to Climate Change Mitigation.
Japan-Vietnam Core University Program, Osaka, Japan, 26-28 November 2008.
[8] Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Động cơ tĩnh tại chạy bằng
hai nhiên liệu biogas-diesel. Tạp chí Giao thông Vận tải, pp 23-26, tháng 12-2008.