tìm hiểu về nguồn năng lượng sinh khối giải pháp khai thác và sử dụng nguồn năng lượng này theo hướng phát triển bền vững.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
  
TIỂU LUẬN MÔN
QUẢN LÝ BỀN VỮNG CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG
Đề tài:
GVHD : TS. LÊ CHÍ HIỆP
Thực hiện : HUỲNH TRỌNG HIẾU
Lớp : QLMT.2010
Tp.Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2011
i
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Chu trình chuyển hóa sinh khối
Hình 2.1: Sơ đồ mô tả quá trình đốt liên kết
Hình 2.2.: Quá trình khí hóa
Hình 2.3: Sơ đồ mô tả quá trình yếm khí
Hình 2.4: Quá trình thu khí gas tạo điện năng từ các bãi chôn lấp rác thải
ii
MỤC LỤC Trang
LỜI MỞ ĐẦU
Trước tình trạng các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và vấn đề ô
nhiễm môi trường phát sinh từ việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch con
người bắt đầu chuyển hướng khai thác sang các nguồn năng lượng sạch, có khả năng
tái tạo đảm bảo mục tiêu phát triển bền vững. Các nguồn năng lượng này thường có
nguồn gốc từ thiên nhiên như gió, ánh sáng mặt trời, sinh khối, địa nhiệt, thủy triều
và sóng biển v.v Trong số các nguồn năng lượng tái tạo đang được nghiên cứu và
sử dụng năng lượng sinh khối đã và đang được ưu tiên khai thác nhiều nhất tính đến
thời điểm hiện tại.
Năng lượng sinh khối là nguồn năng lượng cổ xưa nhất đã được con người sử dụng
khi bắt đầu biết nấu chín thức ăn và sưởi ấm. Củi là nguồn năng lượng chính cho tới
đầu thế kỷ 20 khi nhiên liệu hoá thạch thay thế nó.

Hiện nay trên quy mô toàn cầu, sinh khối là nguồn năng lượng lớn thứ tư, chiếm tới
14-15% tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới. Ở các nước đang phát triển, sinh khối
thường là nguồn năng lượng lớn nhất, trung bình đóng góp khoảng 35% trong tổng
cung cấp năng lượng
Khác với các công nghệ năng lượng tái tạo khác, công nghệ năng lượng sinh khối
không chỉ thay thế năng lượng hoá thạch mà nhiều khi còn góp phần xử lý chất thải
vì chúng tận dụng các nguồn chất thải để sản xuất năng lượng.
Vì vậy năng lượng sinh khối giữ một vai trò quan trọng trong các dự án năng lượng
của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng trong tương lai.
Tuy nhiên việc phát triển nguồn năng lượng sinh khối một cách không hợp lý sẽ dẫn
đến nhiều hậu quả khôn lường: nguy cơ thiếu lương thực, đất đai bạc màu, rừng bị
tàn phá…
Dựa trên những cơ sở trên đề tài được thực hiện nhằm mục tiêu tìm hiểu về nguồn
năng lượng sinh khối đồng thồi đưa ra những giải pháp khai thác và sử dụng nguồn
năng lượng này theo hướng phát triển bền vững.
iii
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI
1.1. Khái quát về sinh khối
Sinh khối là một thuật ngữ có ý nghĩa bao hàm rất rộng dùng để mô tả các vật chất
có nguồn gốc sinh học vốn có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng hoặc do
các thành phần hóa học của nó.
(Nguồn: />energy-biomass)
Hình 1.1: Chu trình chuyển hóa sinh khối
Với định nghĩa như vậy, sinh khối bao gồm cây cối tự nhiên, cây trồng công nghiệp,
tảo và các loài thực vật khác, hoặc là những bã nông nghiệp và lâm nghiệp. Sinh
khối cũng bao gồm cả những vật chất được xem nhưng chất thải từ các xã hội con
người như chất thải từ quá trình sản xuất thức ăn nước uống, bùn/nước cống, phân
bón, sản phẩm phụ gia (hữu cơ) công nghiệp và các thành phần hữu cơ của chất thải
sinh hoạt.
iv

Các nguồn sinh khối được chuyển thành các dạng năng lượng khác như điện năng,
nhiệt năng, hơi nước và nhiên liệu qua các phương pháp chuyển hóa như đốt trực
tiếp và turbin hơi, phân hủy yếm khí, đốt kết hợp, khí hóa và nhiệt phân.
Sinh khối còn có thể được xem như một dạng tích trữ năng lượng Mặt Trời. Năng
lượng từ Mặt Trời được "giữ" lại bởi cây cối qua quá trình quang hợp trong giai
đoạn phát triển của chúng. Năng lượng sinh khối được xem là tái tạo vì nó được bổ
sung nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ bổ sung của năng lượng hóa thạch vốn đòi
hỏi hàng triệu năm. Do đó, việc khai thác than và khí tự nhiên làm tiêu hụt tài
nguyên của Trái Đất trong vòng vài ngàn thế hệ tới. Trong khi đó, sinh khối có thể
dễ dàng được trồng hoặc thu hoạch, sử dụng và thay thế.
Ngoài ra, việc sử dụng sinh khối để tạo năng lượng có tác động tích cực đến môi
trường. Hẳn nhiên việc đốt sinh khối không thể giải quyết ngay vấn đề mất cân bằng
vể tỷ lệ CO
2
hiện nay. Tuy nhiên, vai trò đóng góp của sinh khối trong việc sản xuất
năng lượng vẫn rất đáng kể trong việc bảo vệ cân bằng môi trường, vì nó tạo ra ít
CO
2
hơn năng lượng hóa thạch. Một cách khái quát, CO
2
tạo ra bởi việc đốt sinh
khối sẽ được "cô lập" tạm thời trong cây cối được trồng mới để thay thế nhiên liệu.
Nói một cách khác, đó là một chu kỳ tuần hoàn kín với tác động hết sức nhỏ lên môi
trường.
1.2. Các dạng sinh khối
Sinh khối là các vật chất tái tạo, bao gồm cây cối, chất xơ gỗ, chất thải gia súc, chất
thải nông nghiệp, và thành phần giấy của các chất thải rắn đô thị. Nhìn chung nguồn
gốc sinh khối có thể phân thành hai nhóm chính: nhóm bã thải, phế thải nông nghiệp
và các loại cây trồng năng lượng
1.2.1. Các loại bã thải, phế thải nông nghiệp

a) Chất bã của sinh khối đã qua xử lý
Các quá trình xử lý sinh khối đều sinh ra các sản phẩm phụ và các dòng chất thải gọi
là chất bã. Các chất bã này có một lượng năng lượng nhất định. Không phải tất cả
các chất bã đều có thể được sử dụng cho sản xuất điện năng, một số cần phải được
bổ sung với các chất dinh dưỡng hay các nguyên tố hóa học. Tuy nhiên, việc sử
dụng các chất bã là rất đơn giản vì chúng đã được thu thập/phân loại qua quá trình
xử lý.
b) Bột giấy và các chất bã trong quá trình sản xuất giấy
Cây cối có các thành phần như lignin, hemicellulose, và sợi cellulose. Do các tính
chất hóa học và vật lý, lignin dễ dàng chia nhỏ hơn cellulose. Quá trình nghiền nhão
làm tách rời và chia nhỏ các sợi lignin trong cây nhằm suspend các sợi cellulose để
tạo ra giấy. Các bột giấy dư thừa tạo nên chất bã. Các chất bã này là các sản phẩm
phụ của các quá trình đốn và xử lý gỗ. Các quá trình xử lý gỗ để tạo ra sản phẩm,
đồng thời thải ra mùn cưa, vỏ cây, nhánh cây, lá cây và bột giấy. Thông thường, các
nhà máy giấy hay dùng các chất thải này để tạo ra điện cho vận hành nhà máy.
v
c) Bã cây rừng
Các chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ các quá trình làm thưa rừng nhằm giảm
nguy cơ cháy rừng, sinh khối không được thu hoạch hoặc di dời ở nơi đốn gỗ cứng
và mềm thương mại và các vật liệu dư thừa trong quá trình quản lý rừng như phát
rừng và di dời các cây đã chết. Một trong những thuận lợi của việc tận dụng bã cây
rừng là một phần lớn các bã dạng này được tạo ra từ các nhà máy giấy hoặc các nhà
máy xử lý gỗ, do đó phần lớn nguồn nguyên liệu có thể sử dụng ngay được. Cũng vì
lý do này, việc tái sử dụng mùn cưa, bã gỗ để tạo năng lượng tập trung ở các nhà
máy công nghiệp giấy và gỗ, nhưng tiềm năng nguyên liệu thật sự là lớn hơn nhiều.
Ví dụ tại Brazil, các nhà máy gỗ và giấy thải ra 5mtoe hằng năm bã gỗ, mùn cưa và
phần nhiều các bã này là bị bỏ đi, không được tái sử dụng. Theo WEC, tổng công
suất dự đoán trên toàn cầu của bã thải từ rừng là 10.000 MWe.
d) Bã nông nghiệp
Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừa sau các vụ thu hoạch. Chúng có thể được

thu gom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặt hái. Các
chất thải nông nghiệp bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu Hằng năm, có
khoảng 80 triệu cây bắp được trồng, cho nên vỏ bắp đươc dự đoán sẽ là dạng sinh
khối chính cho các ứng dụng năng lượng sinh học. Ở một số nơi, đặc biệt những
vùng khô, các chất bã cần phải được giữ lại nhằm bổ sung các chất dinh dưỡng cho
đất cho vụ mùa kế tiếp. Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất cả các chất dinh
dưỡng từ cặn bã, các chất bã này không được tận dụng tối đa và bị mục rữa làm thất
thoát năng lượng.
Có nhiều thống kê khác nhau về tiềm năng công suất của năng lượng sinh khối dạng
này. Ví dụ như Smil (1999) ước lượng rằng cho đến giữa thập kỷ 90 thế kỷ 20, tổng
lượng bã nông nghiệp là khoảng 3,5-4 tỷ tấn mỗi năm, tương đương với một 65 EJ
năng lượng (1,5 tỷ toe). Hal và cộng sự (1993) tính toán rằng chỉ với lượng thu
hoạch nông nghiệp cơ bản của thế giới (ví dụ như lúa mạch, lúa mì, gạo, bắp, mía
đường ) và tỷ lệ thu hồi là 25% thì năng lượng tạo ra được là 38 EJ và giúp giảm
được 350-460 triệu tấn khí thải CO
2
mỗi năm. Hiện trạng thực tế là một tỷ lệ khá lớn
các bã nông nghiệp này vẫn còn bị bỏ phí hoặc sử dụng không đúng cách, gây các
ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, sinh thái và lương thực. Theo ước tính của
WEC, tổng công suất toàn cầu từ nhiên liệu bã thải nông nghiệp là vào khoảng
4.500 MWt.
Một trong các giải pháp được ứng dụng rộng rãi hiện nay và có tiềm năng đầy hứa
hẹn là tận dụng các bã thải từ công nghiệp mía đường, xử lý gỗ và làm giấy.
Các thống kê cho thấy hơn 300 triệu tấn bã mía và củ cải đường được thải ra mỗi
năm, tập trung hầu hết ở các nhà máy đường. Các số liệu của FAO cho thấy khoảng
1.248 tấn mía được thu hoạch vào năm 1997, trong đó là 25% bã mía ép (312 triệu
tấn). Năng lượng của 1 tấn bã mía ép (độ ẩm 50%) là 2,85 GJ/tấn. Đó là chưa kể các
phần thừa (phần ngọn và lá) và phần thải trong quá trình thu hoạch mía. Các phần
này lại chiếm một tiềm năng năng lượng cao hơn cả (55%), thế nhưng hiện nay phần
vi

lớn vẫn chỉ bị đốt bỏ hoặc để phân rã ngoài đồng. Nói cách khác, tiềm năng lớn này
hầu hết vẫn đang bị bỏ phí. Cho đến năm 1999, Châu Á vẫn dẫn đầu về sản lượng bã
mía (131 triệu tấn), sau đó là đến Nam Mỹ (89 triệu tấn). Các nhà máy sản xuất
đường đã có truyền thống tái sử dụng bã mía để đốt tạo hơi nước từ nhiều thế kỷ
qua, nhưng hiệu suất vẫn còn rất thấp. Cho đến gần đây, do sức ép kinh tế, các nhà
máy đường đã phải tìm các giải pháp khác hoặc cải thiện hiệu suất tái tạo năng
lượng, một số nhà máy thậm chí còn bán điện thừa, đặc biệt là tại Brazil, Ấn Độ,
Thái Lan
e) Chất thải từ gia súc
Chất thải gia súc, như phân trâu, bò, heo và gà, có thể được chuyển thành gas hoặc
đốt trực tiếp nhằm cung cấp nhiệt và sản xuất năng lượng. Ở những nước đang phát
triển, các bánh phân được dùng như nhiên liệu cho việc nấu nướng. Hơn nữa, phần
lớn phân gia súc có hàm lượng methane khá cao. Do vậy, phương pháp này khá
nguy hiểm vì các chất đôc hại sinh ra từ việc đốt phân là nguy hại đối với sức khỏe
người tiêu dùng, là nguyên nhân gây ra 1,6 triệu người chết mỗi năm ở các nước
đang phát triển tạo ra một số lượng lớn phân gia súc tạo nên nguồn hữu cơ phức
tạp cùng với các vấn đề môi trường. Các trang trại này dùng phân đế sản xuất năng
lượng với các cách thức thích hợp nhằm giảm thiểu các mối nguy hại đối với môi
trường và sức khỏe cộng đồng. Các chất thải này có thể được sử dụng để sản xuất ra
nhiều loại sản phẩm và tạo ra điện năng thông qua các phương pháp tách methane và
phân hủy yếm khí.
Tiềm năng năng lượng toàn cầu từ phân thải được ước lượng vào khoảng 20 EJ
(Woods & Hall, 1994). Tuy nhiên, con số này không nói lên được điều gì cụ thể do
bản chất rất đa dạng của nguồn nguyên liệu (các loại gia súc khác nhau, địa điểm,
điều kiện nuôi dưỡng, chuồng trại). Ngoài ra, việc sử dụng phân súc vật để tại năng
lượng ở qui mô lớn vẫn còn là một câu hỏi lớn vì những yếu tố sau:
Phân có giá trị tiềm năng lớn hơn ở những mục đích khác, ví dụ nhưng để bón cây,
tức là mang lại lợi ích cao hơn rõ ràng cho nông dân.
Phân là nhiên liệu có hiệu suất thấp, do đó người ta có khuynh hướng chuyển qua
các dạng năng lượng sinh học khác có hiệu suất cao hơn

Các tác động về môi trường và sức khỏe từ việc khai thác phân thải có phần tiêu cực
hơn các dạng nhiên liệu sinh học khác.
f) Các loại bã thải khác
- Chất thải củi gỗ đô thị
Chất thải củi gỗ là nguồn chất thải lớn nhất ở các công trường. Chất thải củi gỗ đô
thị bao gồm các thân cây, phần thừa cây đã qua cắt tỉa. Những vật liệu này có thể
được thu gom dễ dàng sau các dự án công trường và cắt tỉa cây, sau đó có thể được
chuyển thành phân trộn hay được dùng để cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy
năng lượng sinh học.
vii
- Chất thải rắn đô thị
Chất thải ở các trung tâm thương mại, cơ quan, trường hoc, nhà dân có một hàm
lượng nhất định của các vật chất hữu cơ có xuất xứ từ cây, là một nguồn năng lượng
tái tạo không nhỏ. Giấy thải, bìa cứng, các tông, chất thải gỗ là những ví dụ của
nguồn sinh khối trong chất thải đô thị.
1.2.2. Cây trồng năng lượng
Các giống cây năng lượng là các giống cây, cây cỏ được xử lý bằng công nghệ sinh
học để trở thành các giống cây tăng trưởng nhanh, được thu hoạch cho mục đích sản
xuất năng lượng. Các giống cây này có thể được trồng, thu hoạch và thay thế nhanh
chóng.
Cây trồng năng lượng có thể được sản xuất bằng 2 cách:
 Các giống cây năng lượng chuyên biệt trồng ở những vùng đất dành đặc biệt
cho mục đích này
 Trồng xen kẽ và các cây trồng bình thường khác.
Cả 2 phương pháp này đều đòi hỏi có sự quản lý tốt và phải được chứng minh là
đem lại lợi ích rõ ràng cho người nông dân về mặt hiệu quả sử dụng đất.
a) Các giống cây cỏ (thảo mộc) năng lượng
Đây là các giống cây lâu năm được thu hoạch hằng năm sau 2-3 năm gieo trồng để
đạt tới hiệu suất tối đa. Các giống cây này bao gồm các loại cỏ như cỏ mềm xuất xứ
từ Bắc Mỹ, cỏ voi miscanthus, cây tre, cây lúa miến ngọt, cỏ đuôi trâu cao, lúa mì,

kochia Các giống cây này thường được trồng cho việc sản xuất năng lượng.
b) Các giống cây gỗ năng lượng
Các giống cây gỗ có vòng đời ngắn là các giống cây phát triển nhanh và có thể thu
hoạch sau 5-8 năm gieo trồng. Các giống cây này bao gồm cây dương ghép lai, cây
liễu ghép lai, cây thích bạc, cây bông gòn đông phương, cây tần bì xanh, cây óc chó
đen, sweetgum và cây sung.
c) Các giống cây công nghiệp
Các giống cây này đang được phát triển và gieo trồng nhằm sản xuất các hóa chất và
vật liệu đặc trưng nhất định. Ví dụ như cây dâm bụt và rơm dùng trong sản xuất sợi,
castor cho acid ricinoleic. Các giống cây chuyển gen đang được phát triển nhằm sản
xuất các hóa chất mong muốn giống như một thành phần của cây, chỉ đòi hỏi sự
chiết xuất và tinh lọc sản phẩm.
d) Các giống cây nông nghiệp
Các giống cây nông nghiệp bao gồm các sản phẩm sẵn có hiện tại như bột bắp và
dầu bắp, dầu đậu nành, bột xay thô, bột mì, các loại dầu thực vật khác và các thành
phần đang được phát triển cho các giống cây tương lai. Mặc dù các giống này
viii
thường được dùng để sản xuất nhựa, các chất hóa học và các loại sản phẩm, chúng
thường cung cấp đường, dầu và các chất chiết xuất khác.
e) Các giống cây dưới nước
Nguồn sinh khối đa dạng dưới nước bao gồm tảo, tảo bẹ, rong biển, và các loại vi
thực vật biển. Các giống dùng trong thương mại bao gồm chiết xuất của tảo bẹ dùng
cho các chất làm đặc và các chất phụ gia thực phẩm, chất nhuộm từ tảo, chất xúc tác
sinh học được dùng trong các quá trình xử lý sinh học ở các môi trường khắc
nghiệt.
Cho đến nay, đã có một số các đồn điền trồng cây năng lượng.Ví dụ tại Brazil, có
khoảng 3 triệu hécta đồn điền eucalyptus sử dụng làm than gỗ. Tại Trung Quốc đã
có chương trình phát triển đồn điều 13,5 triệu hécta cho nhiên liệu gỗ cho đến 2010.
Tại Thụy Điển, 16.000 hecta dương liễu được trồng để làm nguồn nguyên cho năng
lượng

ix
Chương 2: CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI
Hiện nay, sinh khối được sử dụng vào ba vấn đề chính: sản xuất nhiệt, sản xuất
nhiên liệu sinh hoc, sản xuất điện năng.
2.1. Sản xuất nhiệt truyền thống
Quá trình khai thác sinh khối để tạo nhiệt có một lịch sử rất lâu dài, và vẫn tiếp tục
đóng một vai trò quan trọng trong xã hội loài người trong thời kỳ hiện đại. Nhiệt
lượng từ việc đốt sinh khối được sử dụng để đốt sửa ấm, để nấu chín thức ăn, để đun
nước tạo hơi Thành phần năng lượng trong sinh khối khô dao động tự 7.000
Btu/lb (rơm) cho đến 8.500 Btu/lb (gỗ). Xin đưa ra đây một ví dụ so sánh: để nấu
một bữa ăn thì cần khoảng 10.000 Btu, trong khi đó một gallon xăng thì tương
đương 124.884 Btu.
2.2. Sản xuất nhiên liệu sinh học
2.2.1. Định nghĩa và phân loại nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học (biofuel) là loại nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh khối. Sinh khối
được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học có thể là từ các sinh vật sống hoặc sản
phẩm phụ từ quá trình chuyển hóa của chúng (ví dụ như phân gia súc). Chúng thuộc
loại năng lượng tái tạo (hoàn nguyên) hoàn toàn khác với các loại năng lượng khác
như hóa thạch, hạt nhân.
Nhiên liệu sinh học có đặc điểm là khi bị đốt cháy sẽ giải phóng ra năng lượng hóa
học tiềm ẩn trong nó. Nghiên cứu tìm ra các phương pháp hiệu quả hơn để biến đổi
các vật liệu nguồn gốc sinh học thành điện năng thông qua pin nhiên liệu đang là
lĩnh vực hết sức khả quan hiện nay.
Theo bảng phân loại của Wikipedia, nhiên liệu sinh học được chia thành ba loại:
- Dạng rắn (sinh khối rắn dễ cháy): củi, gỗ và than bùn.
- Dạng lỏng : Các chế phẩm dạng lỏng nhận được trong quá trình chế biến vật liệu
nguồn gốc sinh học như:
+ Bioalcohol - các loại rượu nguồn gốc sinh học, ví dụ: bioethanol từ đường mía,
ngô đang được sử dụng làm nhiên liệu hoặc phụ gia pha xăng tại Braxin, Mỹ và một
vài nước khác; biomethanol (hiện đang được sản xuất chủ yếu từ khí tự nhiên, song

có thể đi từ sinh khối).
+ Dầu mỡ các loại nguồn gốc sinh học, đã được sử dụng làm nhiên liệu chạy động
cơ diezel. Ví dụ: Dầu thực vật sử dụng trực tiếp (SVO) làm nhiên liệu; Biodiezel
(diezel sinh học) - sản phẩm chuyển hóa este từ mỡ động vật hoặc dầu thực vật;
Phenol và các loại dung môi, dầu nhựa thu được trong quá trình nhiệt phân gỗ,
v.v…
- Dạng khí: Các loại khí nguồn gốc sinh học cũng đã được sử dụng và ngày càng
phổ biến như: Biogas thu được từ quá trình phân hủy tự nhiên các loại phân, chất
thải nông nghiệp hoặc rác thải;
x
Hyđrô thu được nhờ cracking hyđrocacbon, khí hóa các hợp chất chứa cacbon (kể cả
sinh khối) hoặc phân ly nước bằng dòng điện hay thông qua quá trình quang hóa
dưới tác dụng của một số vi sinh vật;
Các sản phẩm khí khác từ quá trình nhiệt phân và khí hóa sinh khối (các loại khí
cháy thu được trong quá trình nhiệt phân gỗ).
2.2.2. Các thế hệ nhiên liệu sinh học
Thông thường dựa vào nguồn gốc của các nguyên liệu dùng để sản xuất nhiên liệu
sinh học có thể chia nhiên liệu sinh học thành ba thế hệ (tính đến thời điểm hiện
nay):
- Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất từ các loại cây trồng ăn được như lương thực,
thực phẩm, ví dụ: Mía, của cải, ngũ cốc, dầu mỡ động thực vật. Nhược điểm cơ bản
là đã sử dụng những nguồn tài nguyên sinh khối liên quan đến lương thực dẫn đến
mất an ninh lương thực trên thế giới Trong bối cảnh toàn cầu vẫn có nhiều nơi thiếu
lương thực và thiếu nước, việc sử dụng lương thực để sản xuất nhiên liệu phục vụ
việc sử dụng xe hơi ở các nước phát triển quả là điều khó chấp nhận được. Mặt khác
các công nghệ truyền thống sử dụng để chuyển đổi các nguồn nguyên liệu này thành
nhiên liệu sinh học còn bị hạn chế bởi hiệu quả và phương pháp xử lý.
- Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai chủ yếu từ các phụ phẩm hoặc phế thải trong sản
xuất, sinh hoạt có nguồn gốc hữu cơ, ví dụ: Phế thải nông lâm nghiệp (rơm rạ, trấu,
bã mía, thân ngô, mùn cưa, gỗ vụn…), chăn nuôi (phân súc vật, bùn cống rãnh…) và

sinh hoạt (dầu, mỡ thải) ưu điểm nổi bật là sử dụng nguồn sinh khối không ảnh
hưởng gì đến lương thực, thực phẩm nuôi sống con người và gia súc đảm bảo an
ninh lương thực toàn cầu, đồng thời còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm.
- Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba từ tảo (nước ngọt và nước biển), cây jatropha
curcas (cây cộc rào hay cây dầu mè), cỏ swichgrass, cây halophyte, có ưu điểm vượt
trội là dựa vào nguồn sinh khối phong phú của các loại cây không thuộc cây lương
thực, có thể sinh trưởng hoang dại ở cả những nơi đất cằn cỗi với hàm lượng dầu
cao. Hiện nay nghiên cứu đang được tiến hành bởi tảo nuôi (nuôi trồng tảo) để sản
xuất nhiên liệu khác nhau để thu hoạch để làm cho dầu thực vật, dầu diesel sinh học,
ethanol sinh học, biomethanol, biobutanol và nhiên liệu sinh học khác và có vẻ như
nếu phương pháp này là bền vững hơn so với nhiên liệu sinh học khác có sẵn sau đó
sử dụng tảo để sản xuất diesel sinh học sẽ là phương pháp khả thi duy nhất để thay
thế các nhu cầu xăng dầu sử dụng cho ô tô ngày hôm nay. Đi vào xem xét tính bền
vững và nhiên liệu sinh học từ tảo yếu tố kinh tế, văn hóa dường như là nhiên liệu
triển vọng nhất cho tương lai. Tuy nhiên còn nhiều vấn đề khoa học và công nghệ
liên quan đến canh tác, khai thác, chế biến các tài nguyên sinh khối này cần phải giải
quyết trước khi nhiên liệu sinh học thế hệ ba xuất hiện trên thị trường.
2.2.3. Các phương pháp sản xuất nhiên liệu sinh học
2.2.3.1. Ethanol (cồn, rượu etylic)
xi
Ethanol là rượu no, đơn chức, chứa 2 nguyên tử các bon, có công thức C
2
H
5
OH, có
thể sản xuất theo phương pháp hóa học từ nguyên liệu etan hoặc etylen. Trên thực tế
ethanol thường được sản xuất bằng con đường sinh học. Khi đó sản phẩm ethanol
được gọi là cồn sinh học hay bioethanol. Bioethanol (sau đây gọi tắt là ethanol) đã
được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu cho ngành giao thông và có thể thay thế hoàn
toàn xăng trong động cơ ô tô. Ở Brazil 60% ethanol sản xuất ra ở đây được bán dưới

cồn thô (93% ethanol và 7% nước), 40% còn lại được tinh cất thành cồn khô (trên
99% ethanol) để pha vào xăng (với tỷ lệ lên tới 24%). Công nghệ chiếm ưu thế hiện
nay là chuyển hóa sinh khối thành ethanol thông qua lên men rượu rồi chưng cất.
Quá trình lên men rượu này là quá trình chuyển hóa sinh hóa học. Sinh khối sẽ bị
men của vi khuẩn hoặc nấm men phân hủy. Phương pháp lên men có thể áp dụng
đối với nhiều nguồn nguyên liệu sinh khối khác nhau.
a)Nguyên liệu sinh khối
Nguyên liệu sản xuất ethanol thích hợp nhất là đường (từ củ cải đường, mía), rỉ
đường và cây lúa miến ngọt, tinh bột (khoai tây, các loại hạt lúa, lúa mì, ngô, đại
mạch). Năng suất ethanol trung bình dao động từ 2.100 đến 5.600 lít/ ha đất trồng
trọt tùy thuộc vào từng loại cây trồng. Đối với các loại hạt, năng suất ethanol thu
được vào khoảng 2.800 lít/ha, tức là vào khoảng 3 tấn nguyên liệu hạt sẽ thu được 1
tấn ethanol.
Hiện nay các hoạt động nghiên cứu và phát triển ở châu Âu về lĩnh vực ethanol sinh
học (bioethanol) chủ yếu tập trung vào sử dụng các nguồn nguyên liệu xenlulo (từ
gỗ). Các loại cây trồng quay vòng ngắn (liễu, bạch dương, bạch đàn), các chất thải
nông nghiệp (rơm, bã mía), các phế thải của công nghiệp gỗ, gỗ thải đều thích hợp
để làm nguyên liệu sản xuất ethanol. Cứ khoảng 2 - 4 tấn vật liệu gỗ khô hoặc cỏ
khô đã có thể cho 1 tấn ethanol. Nguyên nhân khiến người ta chuyển sang sản xuất
ethanol từ sinh khối xenlulo (gỗ, thân thảo) là vì các loại này sẵn có và rẻ tiền hơn
so với các loại tinh bột ngũ cốc hoặc cây trồng khác, đặc biệt là với những nguồn
chất thải hầu như không có giá trị kinh tế thì vấn đề càng có ý nghĩa, tuy nhiên quá
trình chuyển hóa các vật liệu này sẽ khó khăn hơn.
b)Công nghệ chuyển hóa ethanol
Như trên đã nói ethanol có thể sản xuất từ các loại nguyên liệu sinh khối khác nhau,
nhưng chỉ có một vài loại cây trồng chứa loại đường đơn giản, dễ tách nên thuận lợi
cho quá trình xử lý và lên men. Thông thường để tách đường hoàn toàn, quá trình
tách (chiết hoặc nghiền nhỏ) cần được thực hiện lặp đi lặp lại vài lần.
Các loại tinh bột ngũ cốc là các vật liệu gồm các phân tử cacbonhydrat phức tạp
hơn nên phải phân hủy chúng thành đường đơn nhờ quá trình thủy phân.

Hạt được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão. Trong quá trình này đã có một lượng
đường được giải phóng. Nhưng để chuyển hóa tối đa lượng tinh bột thành đường,
tạo điều kiện lên men rượu, bột nhão được nấu và cho thủy phân bằng enzym (ví dụ
amylaza). Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào khối bột
xii
nhão trước khi đem nấu. Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có mặt một số
chủng men rượu. Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dịch thủy phân cần
điều chỉnh ở mức 4,8 - 5,0. Ethanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong
nước. Quá trình lên men rượu này sinh ra CO
2
. Nhờ hàng loạt bước chưng cất và
tinh cất để loại nước, nồng độ ethanol sẽ được tăng cao tối đa (có thể đạt mức cồn
tuyệt đối - ethanol khan).
Quá trình chuyển hóa sinh khối là hỗn hợp xenlulo thành ethanol chỉ khác với quá
trình lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá
trình lên men. Thủy phân hỗn hợp xenlulo khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp
xenlulo là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch dài (polyme
cacbonhyđrat) gồm khoảng 40 - 60% xenlulo và 20 - 40% hemixenlulo, có cấu trúc
tinh thể, bền. Hemixenlulo chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano,
galaeto hoặc arabino kém bền hơn xenlulo. Nói chung hỗn hợp xenlulo khó hòa tan
trong nước. Phức polyme thơm có trong gỗ là lignin (10 - 25%) không thể lên men
vì khó phân hủy sinh học, nhưng có thể tận dụng vào việc khác.
Quá trình xử lý nguyên liệu thành đường tự do sẵn sàng lên men phải trải qua hai
bước: bước một thủy phân bằng axit loãng nồng độ 0,5% để phá vỡ liên kết hyđro
giữa các mạch xenlulo và phá vỡ cấu trúc tinh thể của chúng thực hiện ở nhiệt độ
200
o
C. Kết quả thủy phân bước một sẽ chuyển hóa hemixenlulo thành đường C
5
và

C
6
(chủ yếu xylo và mano) dễ lên men tạo thành ethanol đồng thời bẻ gãy cấu trúc
xenlulo. Để chuyển hóa hoàn toàn cấu trúc xenlulo đã gãy thành đường gluco C
6
,
bước thủy phân thứ hai sử dụng axit nồng độ 2% được thực hiện ở nhiệt độ 240
o
C.
Quá trình thủy phân xenlulo thành gluco bằng axit có thể thay thế bằng men phân
hủy xenlulo.
Sản phẩm ethanol khan có thể sử dụng làm nhiên liệu ô tô cả dưới dạng tinh khiết
lẫn dạng pha trộn với xăng.
Ethanol có thể làm phụ gia cấp oxy cho xăng (nồng độ 3%) giảm phát thải khí CO
đồng thời làm phụ gia thay thế chì tetraetyl, hoặc cũng có thể thành nguyên liệu sản
xuất etylterbutyleter (ETBE)- một phụ gia cho xăng. Ethanol còn được dùng làm
yếu tố tăng chỉ số octan cho xăng và qua đó giảm nổ và cải thiện tiếng ồn động cơ.
c)Tính kinh tế
Chi phí đầu tư ngắn hạn cho một cơ sở sản xuất ethanol từ hạt ngũ cốc tại châu Âu,
dự tính 290 euro/kW nhiệt (đối với nhà máy 400 MW nhiệt). Nếu đầu tư dài hạn chi
phí có thể giảm 40%. Nếu nhà máy sản xuất ethanol từ nguồn gỗ, chi phí đầu tư
ngắn hạn khoảng 350 euro/ kW nhiệt, nếu đầu tư dài hạn chi phí giảm 50%.
Chi phí sản xuất ethanol từ đường và ngũ cốc tại châu Âu và Mỹ hiện khá cao: 15 -
25 euro/ GJ (1Giga Jun = 10
9
Jun) đi từ củ cải ngọt và 20 euro/ GJ đi từ ngô, tức là
ethanol có giá 0,32 - 0,54 euro/ lit. Nếu sản xuất từ nguồn xenlulo, giá ethanol còn
0,11 - 0,32 euro/ lít. Nếu nguyên liệu đầu vào có giá 42 euro/ tấn thì giá thành 1 lít
ethanol sẽ hạ xuống 0,28 euro. Nếu nguyên liệu tận dụng không mất chi phí thì giá 1
xiii

lít ethanol còn 0,17 euro. Vì nhiệt lượng của ethanol thấp hơn so với xăng nên thực
tế chi phí sử dụng ethanol sẽ cao hơn xăng với thể tích tương đương.
2.2.3.2. Methanol (rượu metylic, cồn gỗ, cacbinon)
Cũng như ethanol, methanol được sử dụng làm nhiên liệu cho xe ô tô từ lâu, đặc biệt
là ở Mỹ. Methanol có thể sản xuất từ khí tổng hợp - sản phẩm khí hóa sinh khối và
các nguồn khác đồng thời cũng có thể đi từ khí tự nhiên. Methanol được sản xuất từ
nguồn nguyên liệu đi từ sinh vật đang được khuyến cáo phát triển sử dụng làm
nguyên liệu tái tạo thay thế nhiên liệu dầu mỏ.
a)Nguyên liệu sinh khối
Methanol có thể được sản xuất từ sinh khối, thường là củi gỗ. Để sản xuất 1 tấn
methanol cần gần 2 tấn gỗ khô, có nghĩa năng suất sẽ là 550 lít methanol/tấn gỗ.
Năng suất methanol từ nguyên liệu thân thảo khô (cỏ khô) còn thấp hơn, đạt khoảng
450 l/tấn.
b)Công nghệ chuyển hóa sản xuất methanol
Methanol thu được thông qua quá trình chuyển hóa khí tổng hợp. Để thu được khí
tổng hợp từ nguyên liệu sinh khối, người ta tiến hành khí hóa sinh khối dưới điều
kiện áp suất và nhiệt độ cao. Khí tổng hợp sau khi khử bỏ tạp chất sẽ được đưa vào
lò phản ứng có xúc tác để tạo thành methanol. Công nghệ trước đây sử dụng xúc tác
kẽm cromat trong điều kiện áp suất cao (300 - 1000 atm) và nhiệt độ cao (khoảng
400
o
C), thực hiện trong pha khí.
Công nghệ hiện nay chủ yếu tiến hành trong pha lỏng với xúc tác hợp lý hơn ở nhiệt
độ và áp suất thấp hơn nhưng cho hiệu quả cao hơn. Công nghệ chuyển hóa
methanol hiện nay cho phép đạt được hiệu suất tới 95%.
c)Tính kinh tế
Hiện tại, chi phí đầu tư ngắn hạn cho một cơ sở sản xuất methanol từ sinh khối, công
suất 400 MW nhiệt, vào khoảng 700 euro/ kW nhiệt. Đầu tư lâu dài vào cơ sở lớn
hơn chi phí giảm 25 - 30%. Hiệu suất ngắn hạn có thể đạt 50 - 55%. Đối với cơ sở
sản xuất dài hạn lớn hơn (1000 MW nhiệt) con số này có thể còn 60 - 65% so với

đầu tư nhỏ.
Chi phí đầu tư cho công nghệ tổng hợp methanol trong pha lỏng thấp hơn công
nghệ tổng hợp trong pha khí là 5 - 23%.
Chi phí sản xuất methanol ngắn hạn hiện khoảng 0,14 - 0,20 euro/ lit (9 - 13 euro/
GJ). Trong tương lai, chi phí này có thể giảm xuống còn 0,1 euro/ lít (7 euro/ GJ).
Cũng như ethanol, methanol có nhiệt lượng thấp hơn xăng nên chi phí sử dụng cũng
cao hơn xăng.
2.2.3.3. Biodiezel (metyleste của một số loại dầu, mỡ động thực vật)
Dầu diezel có nguồn gốc hữu cơ được gọi là biodiezel phân biệt với diezel nguồn
gốc dầu mỏ được gọi là petrodiezel.
xiv
a)Nguyên liệu sinh khối
Biodiezel được sản xuất từ dầu thực vật và mỡ động vật. Dầu thực vật được sử dụng
sản xuất biodiezel thường được chiết tách từ các loại hạt một số cây có dầu như hạt
cải dầu, đậu tương, cọ, hướng dương cải hoa vàng, tảo, dầu thực vật thải của công
nghệ sản xuất dầu ăn. Hiện nay ở châu Âu, dầu thực vật làm nguyên liệu sản xuất
biodiezel chủ yếu có nguồn gốc từ hạt cây cải dầu và biodiezel ở đây được mang tên
este metylic (hay metyleste) hạt cải dầu (còn được gọi là RME - rapeseed
metylester).
Người ta cho rằng dầu thực vật là nguồn sản xuất biodiezel chất lượng cao nhất
nhưng nguồn nguyên liệu này khá khan hiếm, chính vì vậy mà các nguồn dầu thực
vật thải, mỡ động vật (biolipid) thậm chí cả rêu, tảo cũng đang là nguồn nguyên liệu
bổ sung đầy hứa hẹn, mặc dù quá trình tiền xử lý sẽ phức tạp hơn.
b)Công nghệ chuyển hóa biodiezel
Hạt hoặc sinh khối chứa dầu thực vật được sử dụng trong sản xuất biodiezel sẽ được
ép hoặc chiết bằng dung môi (như hexan) để tách dầu. Phương pháp sau cho năng
suất dầu hiệu quả cao hơn.
Dầu thực vật có thể sử dụng thẳng làm nhiên liệu diezel cho động cơ diezel với điều
kiện phải cải tiến động cơ thích hợp vì loại dầu này có một số đặc tính bất lợi đối
với động cơ bình thường (độ nhớt cao, không ổn định về nhiệt, có chứa nước và chỉ

số xetan thấp). Người ta đã khắc phục các nhược điểm trên của dầu thực vật bằng
phương pháp este hóa nó để biến các phân tử cấu trúc mạch nhánh của dầu
(triglyxerit) thành phân tử cấu trúc mạch thẳng nhỏ hơn (metyleste), phù hợp với
thành phần diezel dầu mỏ. Metyleste của dầu thực vật chính là biodiezel.
Phần lớn các metyleste được sản xuất thông qua quá trình este hóa dầu thực vật với
xúc tác và methanol. Triglixerit dầu thực vật sẽ tác dụng với methanol với sự có mặt
của xúc tác. Quá trình este hóa xảy ra ở nhiệt độ từ 50 - 66
o
C, áp suất 1,4 bar, trong
hệ thống lò kín.
Bước đầu tiên trong quá trình sản xuất biodiezel là trộn methanol với chất xúc tác -
thường là NaOH (hoặc KOH) để tạo ra natri (hoặc kali) metoxit. Lượng methanol
cần dư để đảm bảo chuyển hóa hoàn toàn triglyxerit dầu thực vật thành este, bởi vì
các phản ứng đầu tiên xảy ra với axit béo tự do trong dầu sẽ xà phòng hóa. Hỗn hợp
xúc tác/ methanol được rót vào bình phản ứng kín để tránh bay hơi methanol. Sau đó
dầu thực vật được bổ sung. Khuấy đều hỗn hợp, để yên từ 1 - 8 giờ. Nồng độ của
axit béo tự do và nước phải được xử lý hợp lý, bởi vì nếu nồng độ này quá cao sẽ
gây khó khăn trong quá trình xà phòng hóa và khó tách glyxerin phụ phẩm.
Sau khi dầu thực vật được este hóa, hỗn hợp được trung hòa bằng axit. Methanol
được thu hồi và tái sử dụng.Trong hỗn hợp còn lại hai sản phẩm chính là biodiezel
và glixerin, nên hình thành hai lớp trong bình phản ứng. Glyxerin nặng hơn ở bên
dưới được tách khỏi bình cùng với xà phòng và sẽ được trung hòa. Muối kali thu
được từ quá trình trung hòa này có thể thu hồi để làm phân bón. Glyxerin tinh khiết
xv
còn lại có thể sử dụng làm nguyên liệu cho công nghiệp mỹ phẩm hoặc dược phẩm.
Sau khi tách glyxerin, dung dịch màu vàng hổ phách là metyleste. Metyleste được
rửa bằng nước để khử tạp chất còn lại. Độ tinh khiết của metyleste thu được đạt
khoảng 98%. Có thể thu được metyleste tinh khiết hơn nữa nếu xử lý bằng phương
pháp chưng cất. Biodiezel có thể bảo quản lâu dài hơn dầu thực vật và có thể sử
dụng cho các động cơ diezel.

Về nguyên tắc sản xuất biodiezel từ dầu ăn thải và mỡ động vật cũng tương tự như
với dầu thực vật ép thẳng. Tuy nhiên do dầu ăn thải thường không ổn định về cả
hàm lượng nước lẫn axit béo tự do trong dầu, vì vậy trước khi este hóa cần xác định
rõ hàm lượng từng thành phần để xử lý và bổ sung xúc tác và methanol cho hợp lý.
Mỡ động vật cũng là các triglyxerin với hàm lượng khác dầu thực vật nên cần điều
chỉnh trước khi este hóa. Quá trình este hóa để sản xuất biodiezel có thể sử dụng xúc
tác là axit nhưng hầu hết biodiezel ngày nay được sản xuất với xúc tác kiềm vì nhiệt
độ phản ứng thấp, hiệu suất thu hồi sản phẩm cao, thời gian phản ứng và phản ứng
phụ ở mức thấp.
c)Tính kinh tế
Giá thành sản xuất metyleste từ dầu hạt cải (RME) ở châu Âu hiện vào khoảng 0,5
euro/ lít (15 euro/GJ), chi phí này phụ thuộc vào giá sinh khối sử dụng và công suất
nhà máy. Chi phí đầu tư ngắn hạn cho một nhà máy 400 MW nhiệt khoảng 150
euro/kW nhiệt. Chi phí đầu tư dài hạn cho nhà máy lớn hơn, năng suất nhiệt 1000
MW có thể giảm xuống 30%. Các yếu tố quan trọng khác quyết định giá RME là
năng suất và giá trị sản phẩm phụ sau quá trình sản xuất như là bánh ép bã hạt giầu
đạm làm thức ăn gia súc và glyxerin tinh khiết thu hồi được.
Các dự án dài hơn ở châu Âu hiện nay cho thấy trong tương lai giá RME sẽ giảm
xuống 50%, chỉ còn khoảng 0,2 euro/ lít. Nhưng do nhiệt năng của RME thấp nên
giá của nó sẽ cao hơn so với 1 lít diezel.
2.2.3.4. Biogas
a)Khái quát về Biogas
Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH
4
) và một số khí khác phát sinh
từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí. Thành phần chính của
Biogas là CH
4
(50-60%) và CO
2

(>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước N
2
,
O
2
, H
2
S, CO … được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ
20-40ºC, nhiệt trị thấp của CH
4
là 37,71.103 KJ/m
3
, do đó có thể sử dụng biogas làm
nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý
biogas trước khi sử dụng tạo nên hỗn hợp nổ với không khí. Khí H
2
S có thể ăn mòn
các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SO
x
cũng là một khí rất độc. Hơi nước
có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy,
nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas
xvi
Việc sản xuất khí biogas có thể tự đáp ứng đủ nhu cầu chất đốt, kể cả điện khí hóa ở
các vùng nông thôn. Biogas cũng góp phần làm giảm nạn phá rừng ở các nước đang
phát triển, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Người ta sử dụng năng lượng Biogas để đun nấu, thắp sáng, chạy máy Biogas thực
sự đem lại cuộc sống văn minh, tiện nghi hơn cho nông thôn.
b)Công nghệ sản xuất biogas
Quá trình phân hủy nhờ vi sinh vật trong các hầm ủ biogas trải qua ba giai đoạn.

Giai đoạn thứ nhất là sinh khối bị thủy phân, phá vỡ mạch phân tử lớn tạo thành
đường, axit amin, axit béo nhờ lên men vi sinh vật kỵ khí. Giai đoạn hai là quá trình
axetic hóa, trong đó các vi khuẩn lên men axetic sẽ đồng hóa từng sản phẩm của giai
đoạn đầu và biến chúng thành các axit mạch ngắn, chủ yếu là axit axetic. Giai đoạn
3 là giai đoạn metan hóa, được thực hiện bởi các vi khuẩn kỵ khí, ở đây các axit sẽ
được chuyển hóa thành metan.
Bể ủ biogas phải hoàn toàn kín đảm bảo môi trường kỵ khí tốt, đồng thời phải thiết
kế để chịu được áp suất, và nhiệt độ tối ưu.
2.2.3.5. Hydro (H
2
)
a) Khái quát về Hydro
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, dễ cháy (phản ứng với oxy) và sản
phẩm của phản ứng chỉ là nước. Ở nhiệt độ thông thường, hydro tồn tại dưới dạng
khí, có thể bay hơi xuyên qua cả thành bình đựng (kể cả bằng thép mỏng) nên rất
khó bảo quản và vận chuyển. Giải pháp bảo quản và và vận chuyển hydro là dùng
bình áp suất hoặc chuyển nó sang dạng lỏng, chứa trong bình chứa đặc biệt chịu áp
và giữ cho nhiệt độ bên trong luôn thấp. Hiện tại đã có một trạm nhiên liệu bán
hydro do công ty Shell đặt tại Washington (Mỹ) vào tháng 11/2004 và đây được coi
là trung tâm nhiên liệu hydro điều tiên trên thế giới. Hydro lỏng tại trạm này được
chứa trong hệ thống nhiệt độ -97
o
C . Từ đây hydro dạng khí sẽ được nạp vào bình
nén chứa làm nhiên liệu bơm cho các xe ô tô. Hãng Daimler Chrysler đang nghiên
cứu chế tạo ra loại hình có cấu trúc tổ ong để lưu trữ khí hyđro. Tuy nhiên, hạn chế
của loại hình này là giá thành cao.
Khí hydro không mùi vị có thể cháy hoàn toàn, có đặc tính dễ nổ hơn nhiều so với
xăng. Cùng một khối lượng tương đương, hydro sản sinh nhiều năng lượng hơn
xăng. Hydro là nhiên liệu dễ cháy nhất trong các loại nhiên liệu hiện nay. Động cơ
xe chạy hydro thường có công suất yếu hơn động cơ chạy xăng cùng dung tích.

Tuy có một số nhược điểm nhưng hydro có thể trở thành nguồn nhiên liệu hấp dẫn
thay thế xăng, vì chúng có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau
và khi cháy chất thải duy nhất của nó là nước. Xe chạy bằng khí hydro không thải ra
các chất gây ô nhiễm như xăng.
xvii
Một trở ngại đối với việc phân phối hydro là phải lập ra mạng lưới cung ứng hoàn
toàn mới. Nhiên liệu hydro không cần phải sản xuất tập trung như xăng (dầu), rồi
vận chuyển đi khắp nơi, mà có thể sản xuất tại chỗ cần sử dụng khí này.
b) Công nghệ sản xuất và khả năng phát triển
Phương pháp sản xuất hydro đơn giản nhất hiện nay là điện phân nước (H
2
O). Hydro
có thể sản xuất với khối lượng nhỏ ở bất cứ đâu, thậm chí ngay trong gara ô tô.
Tuy nhiên, hiện nay người ta đang còn băn khoăn về giá hydro cũng như giá ô tô
chạy bằng nhiên liệu này (hàng tỷ USD đang được các công ty sản xuất ô tô và công
ty năng lượng các nước trên thế giới đầu tư để nghiên cứu chế tạo các kiểu xe chạy
bằng hydro). Giá hydro hiện nay là 2 USD/kg, 1kg hydro cho lượng năng lượng
tương đương năng lượng của 1 galon (3,8 lít) xăng thông thường; còn xe ô tô chạy
hydro (như chiếc Opel Zafira) hiện có giá rất cao, đến 1 triệu USD (tất nhiên trong
tương lai xe sản xuất nhiều thì giá thành của xe sẽ giảm).
Ba lý do khiến người ta chuyển sang sử dụng hydro làm nhiên liệu là: nguồn năng
lượng nguồn gốc hóa thạch đang giảm nhanh và nếu tự túc được nhiên liệu sẽ giúp
giảm nhẹ sự lệ thuộc vào nguồn nhập khẩu. Ngoài ra, sử dụng hydro làm nhiên liệu
góp phần bảo vệ được sự bền vững môi trường. Vì vậy, mặc dù còn nhiều trở ngại
trên con đường tiến tới nền kinh tế hydro, người ta vẫn tin rằng đó là xu thế tất yếu
của tương lai và không thấy lý do nào có thể cản trở sự thành công của nhiên liệu
hydro.
Có thể trong nhiều năm nữa, xe ô tô chạy bằng hydro sẽ được sản xuất hàng loạt,
thay thế các xe sử dụng xăng và diezel hiện thời. Tuy nhiên, các chuyên gia dự đoán
còn cần ít nhất một thập kỷ nữa mới giải quyết được về cơ bản các vấn đề đặt ra khi

sử dụng hydro làm nhiên liệu.
2.3. Sản xuất điện từ năng lượng sinh khối
Cho đến ngày nay, có khá nhiều kỹ thuật chuyển sinh khối thành điện năng. Các
công nghệ phổ biến nhất bao gồm: đốt trực tiếp hoặc tạo hơi nước thông thường,
nhiệt phân, đốt kết hợp, khí hóa, tiêu yếm khí, sản xuất điện từ khí thải bãi chôn lấp
rác.
a) Công nghệ đốt trực tiếp và lò hơi
Đây là hai phương pháp tạo điện từ sinh khối rất phổ biến và được vận dụng ở hầu
hết các nhà máy điện năng lượng sinh khối. Cả hai dạng hệ thống này đều đốt trực
tiếp các nguồn nguyên liệu sinh học để tạo hơi nước dùng quay turbin máy phát
điện. Hai phương pháp này được phân biệt ở cấu trúc bên trong buồng đốt hoặc lò
nung. Tại hệ thống đốt trực tiếp, sinh khối được chuyển vào từ đáy buồng đốt và
không khí được cung cấp tại đáy bệ lò. Trong khi đó, ở phương pháp lò hơi thông
thường, draft được chuyển vào lò từ phía bên trên nhưng sinh khối vẫn được tải
xuống phía dưới đáy lò. Các hệ thống đốt trực tiếp truyền thống là hệ thống pile (sử
xviii
dụng lò đốt song hành) hoặc lò hơi stoker. Khí nóng sau đó được chuyển qua turbine
và quay cánh turbine, vận hành rotor máy phát điện.
Khi được sử dụng để đốt trực tiếp, sinh khối phải được hun khô vì sinh khối khô sẽ
có hiệu suất đốt cao hơn , cắt thành mảnh vụn, và ép thành bánh than.
Một khi quá trình chuẩn bị được hoàn tất, sinh khối được đưa vào lò nung/lò hơi để
tạo nhiệt/hơi nước. Nhiệt tạo ra từ quá trình đun, ngoài việc cung cấp cho turbin máy
phát điện, còn có thể được sử dụng để điều nhiệt nhà máy và các công trình xây
dựng khác, tức là để khai thác tối đa hiệu suất. Nhà máy dạng này còn được gọi là
nhà máy liên hợp nhiệt-năng lượng (Combined Heat Power – CHP), tức là tận dụng
lẫn nhiệt và hơi nước để khai thác tối đa tiềm năng năng lượng được tạo ra, tránh
lãng phí năng lượng.
b) Phương pháp đốt liên kết
Đốt liên kết, kết hợp sinh khối với than để tạo năng lượng, có lẽ là phương pháp sử
dụng tích hợp tốt nhất sinh khối vào hệ thống năng lượng dựa trên nhiên liệu hóa

thạch.
xix

(Nguồn: />Hình 2.1: Sơ đồ mô tả quá trình đốt liên kết
Trong quá trình đốt liên kết, sinh khối bắt nguồn từ gỗ và cây cỏ (thảo mộc) như gỗ
dương, liễu, cỏ mềm, có thể được trộn một phần vào nguyên liệu cho nhà máy than
thông thường. Trong quá trình này, sinh khối có thể chiếm tỷ lệ 1%-15% tổng năng
lượng của nhà máy than. Sinh khối có thể được trộn vào ở nhiều tỷ lệ khác nhau, từ
2% cho đến 25%. Một số thử nghiệm tại Hoa Kỳ cho thấy năng lượng sinh khối có
thể đóng góp đến 15% tổng năng lượng đầu vào của một nhà máy than, trong khi
việc này chỉ đòi hỏi một vài cải tiến kỹ thuật trong hệ thống feed intake và buồng
xx
đốt. Trong các nhà máy dạng này, sinh khối cũng được đốt trực tiếp trong lò nung,
tương tự như than. Phương pháp đốt liên kết có một lợi thế kinh tế tương đối rõ
ràng, do kinh phí đầu tư chủ yếu chỉ là để trang bị một lò đốt liên kết mới hoặc nâng
cấp lò đốt hiện tại trong nhà máy nhiệt điện chạy bằng than, tức là có chi phí thấp
hơn nhiều so với xây dựng một nhà máy điện sinh khối.
Công nghệ đốt liên kết đem lại nhiều tác động tích cực đến môi trường, bao gồm
việc giảm tỷ lệ khí NO
x
và SO
x
, khói công nghiệp, mưa axít, và ô nhiễm tầng ozone.
Ngoài ra, việc đốt liên kết sinh khối-than cũng giúp giảm đáng kể lượng khí thải
CO
2
. Tuy rằng pp đốt liên kết không có lợi thế gì hơn về mặt môi trường so với các
phương pháp "thuần túy sinh học" khác (vốn giảm tỷ lệ khí thải độc hại xuống đến
gần zero), nhưng nó lại có mặt khả thi rất lớn vì kỹ thuật hỗ trợ cho phương pháp
này là tương đối đơn giản và hầu như có sẵn, do đó việc áp dụng có thể được thực

hiện tức thời. Nói cách khác, phương pháp đốt liên kết có thể được xem là một lựa
chọn tuyệt vời cho việc thúc đẩy tiến tới sử dụng rộng rãi năng lượng hoàn nguyên.
Phương pháp đốt liên kết hiện đang được chú ý quan tâm đặc biệt tại các quốc gia
như Đan Mạch, Hà Lan và Hoa Kỳ. Hiện nay tại Hoa Kỳ, phần lớn điện được sản
xuất từ than đá. Theo báo cáo gần đây của Phòng Thí Nghiệm Quốc Gia Oak Ridge
(ORNL), việc sản xuất sinh khối ở Hoa Kỳ có thể tiêu thụ 1,3 tỷ tấn nguyên liệu khô
mỗi năm, tức là gấp 6 lần công suất hiện nay, thúc đẩy ngành công nghiệp tăng
trưởng mạnh trong 30 năm tới.
Tuy rằng tính khả thi kỹ thuật của pp đốt liên kết đã được chứng minh rõ ràng,
nhưng công nghệ này vẫn có một số trở ngại nhất định, ví dụ như tác động lên hiệu
suất lòng đun, kết xỉ, hệ thống kiểm soát ống dẫn nhiên liệu, tính ổn định của việc
đốt, lưu tải nhiên liệu Một lý do khác nữa khiến phương pháp đốt liên kết vẫn
chưa được ứng dụng rộng rãi thương mại là do khả năng cạnh tranh kinh tế vẫn còn
thấp, do giá thành than và khí tự nhiên vẫn tương đối rẻ hơn đáng kể, và giá thành
đầu tư thấp đối với các dạng nhà máy GTCC (Gas Turbine Combined Cycle). Yếu
tố quan trọng nhất vẫn là giá thành nhiên liệu và vốn đầu tư cơ bản cho việc cải tiến
kỹ thuật tại các nhà máy than hiện tại.
c) Nhiệt phân
Nhiệt phân là quá trình đốt sinh khối ở nhiệt độ rất cao và sinh khối phân rã trong
môi trường thiếu khí oxy. Vấn đề trở ngại ở đây là rất khó tạo ra một môi trường
hoàn toàn không có oxy. Thông thường, một lượng nhỏ oxy hóa vẫn diễn ra và có
thể tạo ra một số sản phẩm phụ không mong muốn. Ngoài ra, công nghệ này đòi hỏi
một nguồn thu nhiệt lượng cao và do đó vẫn còn rất tốn kém. Quá trình đốt sinh
khối tạo ra dầu nhiệt phân, than hoặc khí tổng hợp. Các sản phẩm này có thể được
sử dụng tương tự như dầu khí để tạo điện năng. Như vậy, quá trình nhiệt phân không
tạo ra tro hoặc năng lượng một cách trực tiếp, mà nó chuyển sinh k thành các nhiên
liệu có chất lượng cao hơn. Tiến trình này bắt đầu từ việc hun khô sinh khối để tăng
tối đa hiệu suất đốt, tương tự như trong quá trình đốt trực tiếp. Khi nguội lại, dầu
nhiệt phân có dạng lỏng, màu nâu, và được sử dụng như nhiên liệu đốt gasifier.
xxi

d) Khí hóa sinh khối
Sinh khối dạng rắn có thể được chuyển thành dạng khí, được gọi là khí tổng hợp
(syngas).
(Nguồn: />Hình 2.2.: Quá trình khí hóa
Công nghệ khí hóa là quá trình oxy hóa từng phần sinh khối nhờ cách thức bổ sung
dần oxy từ không khí theo từng lượng vừa đủ.
Oxy sẽ tác dụng với sinh khối ở nhiệt độ cao, khoảng 900
o
C. Trong trường hợp khí
hóa trực tiếp, nhiệt cần thiết cho quá trình được tạo ra nhờ đốt một phần sinh khối
được nạp vào lò khí hóa. Cả không khí (có thể lẫn oxy) được thổi vào lò khí hóa trực
tiếp khi đó người ta đã dùng chính năng lượng nhiệt của một phần vật liệu khí hóa
xxii
cho quá trình khí hóa. Nếu chỉ sử dụng oxy thì syngas sinh ra sẽ không chứa nitơ.
Tuy nhiên, việc tạo ra oxy cho quá trình này làm tăng năng lượng cần sử dụng, do
đó tăng chi phí đầu tư. Quá trình khí hóa gián tiếp sử dụng một phần nhiệt từ sinh
khối cháy hoặc nhiệt do từ bên ngoài lò cung cấp. Một ưu điểm của quá trình khí
hóa gián tiếp này là nó cũng sinh ra syngas không chứa nitơ mà không cần sử dụng
oxy như quá trình khí hóa trực tiếp. Tuy nhiên, quá trình khí hóa gián tiếp phải trải
qua nhiều bước và phức tạp hơn. Ngoài ra, nó tạo ra hai dòng khí cần phải khử, làm
sạch.
Các kiểu lò thích hợp với quá trình khí hóa sinh khối hiện nay gồm có: lò khí hóa cố
định; lò khí hóa tầng sôi và lò khí hóa dòng cuốn. Lò khí hóa cố định hoạt động ở
nhiệt độ giữa 700 và 1200
o
C. Chúng được phân loại dựa theo hướng đi của luồng
khí qua lò (ví dụ từ dưới lên, trên xuống, hoặc ngang qua) hoặc theo hướng dòng
chất rắn và dòng khí (cùng chiều, ngược chiều hoặc chéo chiều). Lò phản ứng cùng
chiều có ưu điểm là có thể cho sản phẩm syngas sạch (ngược lại với lò phản ứng
khác chiều). Tuy nhiên lò phản ứng ngược chiều lại ít khắt khe đối với nguyên liệu

sinh khối và có sức chứa rộng hơn. Lò phản ứng tầng sôi cho phép chứa hỗn hợp
sinh khối với chất liệu nóng, ví dụ như cát nóng chẳng hạn, và phản ứng sẽ xảy ra
trong toàn bộ dung tích lò. Nhiệt độ đồng nhất trong lò có thể được điều khiển thông
qua việc thay đổi tỉ lệ không khí/ sinh khối. Lò tầng sôi "dễ tính" đối với sinh khối
hơn là lò cố định, nhưng syngas sản phẩm luôn có hắc ín đi kèm (nhiều hơn so với
lò khí hóa cố định cùng chiều) và cần phải khử bỏ. Lò khí hóa dòng cuốn hoạt động
ở nhiệt độ rất cao (1500
o
C) và tạo ra syngas sạch không có tạp hắc ín. Tuy quá trình
khí hóa khó điều khiển nhưng hiện tai lại đang được sử dụng rộng rãi nhất. Đây là
kiểu lò thể tích lớn, nhiên liệu cung cấp cho hoạt động dễ điều chỉnh, có thể áp dụng
tùy từng mức từ 1 đến vài trăm megawat. Các lò khí hóa nói chung đều hoạt động ở
điều kiện áp suất gần áp suất thường và sử dụng không khí làm tác nhân khí hóa.
Syngas sản phẩm của quá trình khí hóa chủ yếu là hỗn hợp CO, CO
2
, H
2
, metan,
nước và nitơ. Thành phần khí tổng hợp thay đổi thùy thuộc vào thành phần nguyên
liệu sinh khối và điều kiện hoạt động. Các tạp chất trong syngas thu được có thể là
các bụi than nhỏ, xỉ lò chứa clorua, lưu huỳnh, kim loại kiềm, hợp chất nitơ và hắc
ín. Các tạp chất này có thể sẽ làm giảm tác dụng của chất xúc tác trong lò reforming
khí, lò trung chuyển, lò tổng hợp và gây ra ăn mòn các bộ phận trao đổi nhiệt trong
turbin khí. Hắc ín có thể gây tác hại cho hệ thống khí hóa. Các tạp chất có thể được
khử bỏ nhờ sử dụng xyclon hoặc màng lọc gốm.
Sau khi được làm sạch, syngas trải qua các bước khử CO
2
và reforming. Tùy theo
mục đích sử dụng mà khí tổng hợp được điều chỉnh cho phù hợp.
Nhiều chuyên gia hy vọng rằng khí hóa sinh khối sẽ có hiệu suất cao hơn nhà máy

điện sinh khối thông thường. Tuy nhiên, cho đến nay, quá trình khí hóa vẫn chưa
được ứng dụng rộng trong thực tế mà chỉ vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm kỹ thuật.
Các lò chuyển đổi sinh khối rắn thành khí đốt nóng sinh khối ở một môi trường mà
tại đó sinh khối rắn phân hủy chuyển thành khí dễ cháy. Quá trình này có thuận lợi
xxiii
hơn so với việc đốt trực tiếp. Khí sinh học có thể được làm sạch và lọc để phân loại
và tách các hợp chất hóa học có thể có hại. Sản phẩm khí có thể được dùng ở các
máy phát điện hiệu suất cao như liên hợp turbine khí và hơi – để sản xuất điện năng.
Hiệu suất của những hệ thống dạng này có thể lên đến 60%.
e) Tiêu hóa yếm khí
Đây là quá trình sinh học trong đó khí methane được thải ra từ sự phân hủy các vật
chất hữu cơ của các vi sinh vật trong môi trường không có oxy. Khí methane này có
thể được thu hồi và sử dụng để tạo ra năng lượng. Quá trình tiêu hóa yếm khí sử
dụng các chất thải sinh học như phân hữu cơ và các chất thải rắn đô thị. Phân hoặc
chất thải được đóng gói và phân hủy bởi vi sinh vật và nước. Quá trình này thải ra
khí mê tan trong gói, và khí này được dẫn vào một gói chứa khí khác. Từ đó, khí
methane đươc dùng để cung cấp năng lượng cho turbine và tạo ra điện.
xxiv
(Nguồn: />Hình 2.3: Sơ đồ mô tả quá trình yếm khí
xxv