Đánh giá tiềm năng và khả năng sử dụng năng lượng sinh khối để phát điện ở tỉnh nghệ an và trang trại bò sữa TH milk thuộc tập đoàn TH
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.81 MB, 104 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------
NGUYỄN HỮU HIẾU
ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI ĐỂ PHÁT ĐIỆN
Ở TỈNH NGHỆ AN VÀ TRANG TRẠI BÒ SỮA TH MILK
THUỘC TẬP ĐOÀN TH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
Hà Nội - năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN HỮU HIẾU
ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG
SINH KHỐI ĐỂ PHÁT ĐIỆN Ở TỈNH NGHỆ AN VÀ TRANG TRẠI
BÒ SỮA TH MILK THUỘC TẬP ĐOÀN TH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. NGUYỄN LÂN TRÁNG
Hà Nội - 2016
MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... 8
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... 9
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ ................................................................................... 10
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 11
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG SINH KHỐI ............................. 14
1.1. Giới thiệu chung .............................................................................................14
1.1.1. Khái quát về sinh khối và năng lƣợng sinh khối ......................................14
1.1.2. Nguồn gốc của năng lƣợng sinh khối .......................................................15
1.1.2.1. Chất bã của sinh khối đã qua xử lý ....................................................16
1.1.2.2. Bột giấy và các chất bã trong quá trình sản xuất giấy .......................17
1.1.2.3. Bã nông nghiệp ..................................................................................17
1.1.2.4. Chất thải từ gia súc ............................................................................19
1.1.2.5. Các loại bã thải khác ..........................................................................20
1.1.2.6. Cây trồng năng lƣợng ........................................................................20
1.2. Những ƣu điểm và hạn chế của năng lƣợng sinh khối ...................................22
1.2.1. Ƣu điểm của sinh khối..............................................................................22
1.2.1.1. Kinh tế - Xã hội..................................................................................22
1.2.1.2. Lợi ích về mặt môi trƣờng .................................................................24
1.2.1.3. Nhiên liệu sinh học và vấn đề phát triển bền vững ............................26
1.2.2. Hạn chế của năng lƣợng sinh khối ...........................................................27
1.3. Công nghệ sản xuất năng lƣợng sinh khối ......................................................27
1.3.1. Sản xuất điện từ năng lƣợng sinh khối .....................................................28
1.3.2. Phát điện bằng khí biogas .........................................................................31
1.3.2.1. Tìm hiểu khái quát về khí biogas .......................................................31
1
1.3.2.2. Điều chế khí sạch cho máy phát điện ................................................35
1.3.2.3. Giới thiệu một số chủng loại máy phát dùng nhiên liệu biogas ........40
1.3.2.4. Nguyên lý hoạt động hệ thống dẫn khí ..............................................41
CHƢƠNG 2. ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG NĂNG LƢỢNG SINH KHỐI CỦA TỈNH
NGHỆ AN ................................................................................................................. 43
2.1. Đặc điểm tự nhiên, xã hội tỉnh Nghệ An .......................................................43
2.1.1. Lịch sử, địa lý ...........................................................................................43
2.1.2. Địa hình ....................................................................................................44
2.1.3. Khí hậu thủy văn ......................................................................................45
2.1.4. Diện tích tự nhiên .....................................................................................45
2.1.5. Dân số và lao động ...................................................................................46
2.1.6. Tài nguyên ................................................................................................46
2.2. Thực trạng và tiềm năng sử dụng năng lƣợng sinh khối tại Nghệ An ............49
2.2.1. Rừng tự nhiên và rừng trồng ....................................................................50
2.2.2. Đất trống đồi trọc .....................................................................................50
2.2.3. Cây công nghiệp lâu năm .........................................................................51
2.2.4. Cây ăn trái ................................................................................................51
2.2.5. Cây trồng phân tán ...................................................................................51
2.2.6. Phế thải gỗ ................................................................................................51
2.2.7. Phế thải từ cây nông nghiệp .....................................................................52
2.2.8. Rơm rạ ......................................................................................................52
2.2.9. Phế thải sau thu hoạch mía .......................................................................53
2.2.10. Phế thải sau thu hoạch ngô .....................................................................53
2.2.11. Thân cây sắn ...........................................................................................53
2.2.12. Trấu ........................................................................................................53
2.2.13. Bã mía .....................................................................................................53
2.2.14. Vỏ lạc .....................................................................................................53
2.2.15. Vỏ cà phê ................................................................................................54
2.3. Thực trạng và tiềm năng khí sinh học ở Nghệ An ..........................................54
2.3.1. Thực trạng ................................................................................................54
2
2.3.2. Tiềm năng .................................................................................................55
CHƢƠNG 3. SỬ DỤNG PHẦN MỀM RETSCREEN ĐỂ ĐÁNH GIÁ KHẢ
NĂNG SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG SINH KHỐI ĐỂ PHÁT ĐIỆN CỦA TRANG
TRẠI BÒ SỮA TH MILK THUỘC TẬP ĐOÀN TH .............................................. 57
3.1. Tổng quan về phần mềm RETScreen .............................................................57
3.1.1. Giới thiệu về phần mềm RETScreen ........................................................57
3.1.2. Cơ sở dữ liệu của phần mềm RETScreen ................................................62
3.1.3. Các ứng dụng của phần mềm RETScreen ................................................63
3.1.4. Lý do sử dụng phần mềm RETScreen .....................................................64
3.1.5. Các phƣơng pháp đánh giá dự án của phần mềm RETScreen .................65
3.1.5.1. Sơ đồ khối của phần mềm RETScreen ..............................................65
3.1.5.2. Phƣơng pháp giá trị tƣơng đƣơng (Net Present Value – NPV) .........65
3.1.5.3. Phƣơng pháp hệ số hoàn vốn nội tại (Internal Rate of Return – IRR)
.........................................................................................................................66
3.2. Đánh giá 1 dự án nhà máy điện dùng biogas của trang trại bò sữa TH Milk
bằng phần mềm RETScreen ..................................................................................70
3.2.1. Tiềm năng sinh khối tại trang trại bò sữa TH Milk ..................................70
3.2.2. Sử dụng phần mềm RETScreen để đánh giá tiềm năng phát điện bằng khí
sinh học biogas ở trang trại bò sữa TH Milk Nghệ An ......................................71
3.2.2.1. Thông tin ban đầu của dự án ..............................................................72
3.2.2.2. Khai báo tải và mạng lƣới ở trang trại ...............................................72
3.2.2.3. Mô hình năng lƣợng của dự án ..........................................................75
3.2.2.4. Tính toán đáp ứng nhiên liệu .............................................................76
3.2.2.5. Phân tích chi phí.................................................................................77
3.2.2.6. Phân tích và đánh giá dự án ...............................................................78
3.2.2.7. Phân tích độ nhạy và rủi ro ................................................................88
3.3. Đánh giá 1 dự án nhà máy điện dùng diesel của trang trại bò sữa TH Milk
bằng phần mềm RETScreen. .................................................................................92
3.3.1. Tổng quát ..................................................................................................92
3.3.2. Phân tích phát thải ....................................................................................93
3.3.3. Phân tích tài chính ....................................................................................94
3
3.4. So sánh về mặt kinh tế, kỹ thuật và xã hội của 2 dự án phát điện chạy bằng
biogas và máy phát diesel ......................................................................................96
3.4.1. So sánh hai dự án phát điện ......................................................................96
3.4.2. Nhận xét ...................................................................................................98
KẾT LUẬN, KHUYẾN NGHỊ VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ........... 99
1. Kết luận ..............................................................................................................99
2. Khuyến nghị .....................................................................................................100
3. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo ............................................................................101
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 102
4
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới ban giám hiệu trƣờng đại học bách
khoa Hà Nội, các thầy giáo, cô giáo viện sau đại học, viện điện, bộ môn hệ thống
điện,
đặc biệt PGS. TS. Nguyễn Lân Tráng đã tận tình hƣớng dẫn giúp tác giả hoàn thành
luận văn thạc sĩ kỹ thuật đúng thời gian quy định.
Tác giả hi vọng những kiến thức đã học tập và nghiên cứu sẽ đóng góp một phân
nhỏ cho sự phát triển kinh tế, xã hội của Nghệ An nói riêng và Việt Nam nói chung,
mang lại một cuộc sống xanh, sạch, đẹp cho nhân dân.
Mặc dù rất cố gắng nhƣng khó tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận đƣợc
những ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn./.
Học viên
Nguyễn Hữu Hiếu
5
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của tác giả, các
số liệu trong luận văn là trung thực, khách quan, dựa trên các kết quả nghiên cứu
thực tế và các tài liệu đã đƣợc công bố.
Hà Nội, ngày ….. tháng ….. năm 2016
Tác giả
Nguyễn Hữu Hiếu
6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
SK
Sinh khối
NLSK
Năng lƣợng sinh khối
NLTT
Năng lƣợng tái tạo
NLSH
Năng lƣợng sinh học
NLHT
Năng lƣợng hóa thạch
EVN
Tập đoàn điện lực Việt Nam
CDM
Cơ chế phát triển sạch
FAO
Tổ chức lƣơng thực và nông nghiệp của Liên hợp quốc
EPA
Cục bảo vệ môi trƣờng Hoa Kỳ
UNESCO
Tổ chức giáo dục, khoa học và văn hóa của Liên hiệp quốc
NASA
Cơ quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ
REEEP
Đối tác hiệu quả năng lƣợng và năng lƣợng tái tạo
UNEP
Chƣơng trình môi trƣờng Liên hiệp quốc
GEF
Quỹ môi trƣờng toàn cầu
PCF
Quỹ Prototype carbon của ngân hàng Thế giới
7
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
Nội dung
Trang
Bảng 2.1
CSE – Hệ số khai thác củi bền vững (tấn/ha/năm)
48
Bảng 2.2
Sản lƣợng củi khai thác (tấn)
49
Bảng 2.3
Tỉ lệ giữa phế thải và sản lƣợng thu hoạch
50
Bảng 2.4
Thống kê số lƣợng đàn gia súc, gia cầm tại Nghệ An
53
Bảng 2.5
Quy đổi ra dầu tƣơng đƣơng
54
Bảng 2.6
Tính toán tiềm năng sản lƣợng khí của Nghệ An và quy
đổi sang các dạng năng lƣợng khác
54
Bảng 3.1
Thông tin dự án phát điện bằng biogas
70
Bảng 3.2
Chi phí đầu tƣ dự án phát điện bằng biogas
75
Bảng 3.3
Chi phí hàng năm và định kỳ cho dự án biogas
76
Bảng 3.4
Các tham số tài chính của dự án biogas - trƣờng hợp 1
77
Bảng 3.5
Thu nhập hàng năm của dự án biogas – trƣờng hợp 1
77
Bảng 3.6
Chi phí và tiết kiệm/thu nhập của dự án biogas – TH1
78
Bảng 3.7
Khả năng tài chính của dự án biogas – trƣờng hợp 1
78
Bảng 3.8
Dòng tiền hàng năm của dự án biogas – trƣờng hợp 1
79
Bảng 3.9
Thu nhập hàng năm của dự án biogas – trƣờng hợp 2
82
Bảng 3.10
Chi phí và tiết kiệm/thu nhập của dự án biogas – TH2
82
Bảng 3.11
Khả năng tài chính của dự án biogas – trƣờng hợp 2
83
Bảng 3.12
Dòng tiền hàng năm của dự án biogas – trƣờng hợp 2
83
Bảng 3.13
Phân tích độ nhạy NPV của dự án
86
Bảng 3.14
Phân tích độ nhạy IRR của dự án
87
Bảng 3.15
Bảng phân tích rủi ro giá trị hiện tại thuần – NPV
88
Bảng 3.16
Bảng phân tích rủi ro IRR của dự án
89
Bảng 3.17
Thông tin dự án dùng máy phát điện diesel
90
Bảng 3.18
Phân tích phát thải dự án phát điện diesel
92
Bảng 3.19
Phân tích tài chính dự án phát điện diesel
93
8
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình
Nội dung
Trang
Hình 1.1
Các nguồn năng lƣợng sinh khối
13
Hình 1.2
Tác động của sinh khối đối với khí thải nhà kính
14
Hình 1.3
Dăm gỗ trong quá trình sản xuất giấy
15
Hình 1.4
Rơm rạ, thân cây ngô sau thu hoạch
16
Hình 1.5
Hồ chứa phân gia súc
17
Hình 1.6
Quá trình chuyển đổi NLSK thành điện năng
26
Hình 1.7
Công nghệ đốt trực tiếp và lò hơi
27
Hình 1.8
Sơ đồ mô tả quá trình đốt liên kết
28
Hình 1.9
Mô hình xây dựng hầm chứa
30
Hình 1.10
Quá trình xây dựng hầm chứa qui mô lớn
32
Hình 1.11
Hầm chứa biogas bằng bạt HDPE
32
Hình 1.12
Tháp hấp thụ H2S
35
Hình 1.13
Qui trình xử lý khí biogas
37
Hình 1.14
Máy phát điện công suất cỡ nhỏ (xách tay)
38
Hình 1.15
Máy phát điện công suất cỡ trung bình
38
Hình 1.16
Máy phát điện công suất cỡ lớn (công nghiệp)
38
Hình 1.17
Sơ đồ cung cấp khí vào máy phát
39
Hình 2.1
Bản đồ hành chính tỉnh Nghệ An
41
Hình 2.2
Trang trại bò sữa TH Milk
52
Hình 2.3
Chất thải chăn nuôi gây ô nhiễm môi trƣờng
53
Hình 3.1
Sơ đồ quá trình thực hiện dự án đầu tƣ
57
Hình 3.2
Toàn cảnh một góc trang trại bò sữa TH Milk
68
Hình 3.3
Máy phát JMS 620 GS-B.L chạy bằng khí biogas
71
9
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ
Biểu đồ 3.1
Nội dung
Biểu diễn chi phí và mức độ không chắc chắn của dự án
theo thời gian
Trang
59
Biểu đồ 3.2
Biểu đồ phụ tải trung bình tổng của trang trại
72
Biểu đồ 3.3
Dòng tiền tích lũy khi không có hỗ trợ CDM
80
Biểu đồ 3.4
Dòng tiền tích lũy khi có hỗ trợ CDM
84
Biểu đồ 3.5
Phân tích tác động giá trị hiện tại thuần (NPV)
88
Biểu đồ 3.6
Bảng phân tích rủi ro IRR của dự án
89
Biểu đồ 3.7
Biểu đồ dòng tiền lũy tích dự án phát điện diesel
93
10
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, nhân loại đang phải đối mặt với một cuộc khủng hoảng về năng lƣợng
khi các nguồn nhiên liệu hoá thạch đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trƣờng
nghiêm trọng. Giải pháp mà con ngƣời tìm đến để khắc phục những vấn đề đó chính
là các nguồn năng lƣợng mới [1,2,4] nhƣ năng lƣợng gió, mặt trời, sinh khối…
Khác với các nguồn năng lƣợng tái tạo khác, năng lƣợng sinh khối [1,2,4] không
chỉ thay thế năng lƣợng hoá thạch mà còn góp phần xử lý ô nhiễm môi trƣờng. Vì
vậy, năng lƣợng sinh khối thƣờng đƣợc gắn liền với nền kinh tế các-bon thấp hay
nền kinh tế hydro, bảo vệ môi trƣờng sinh thái, phát triển nông nghiệp, xóa đói,
giảm nghèo, làm cho đất nƣớc xanh hơn, sạch hơn.
Trang trại bò sữa TH Milk, tỉnh Nghệ An, hiện là trang trại chăn nuôi bò sữa tập
trung ứng dụng công nghệ cao lớn nhất châu Á với qui mô lên đến 37.000 ha, hơn
45 nghìn con bò. Tiềm năng để nghiên cứu phát triển nguồn vật liệu và năng lƣợng
sinh khối, góp phần tạo ra những dạng năng lƣợng, vật liệu sạch, rẻ, góp phần bảo
đảm an ninh năng lƣợng và bảo vệ môi trƣờng chính là một hƣớng đi tất yếu.
Xuất phát từ thực tế trên, tôi lựa chọn đề tài: “Đánh giá tiềm năng và khả năng
sử dụng năng lượng sinh khối để phát điện ở tỉnh Nghệ An và trang trại bò sữa TH
Milk thuộc tập đoàn TH”.
2. Lịch sử nghiên cứu
Nghệ An là một tỉnh có điều kiện tự nhiên thuận lợi cho việc phát triển nông
nghiệp, do đó lƣợng phụ phẩm nông nghiệp lớn. Với riêng trang trại bò sữa TH
Milk, chất thải từ chăn nuôi đang gây ô nhiễm, ảnh hƣởng lớn đến môi trƣờng, môi
sinh của nhân dân. Cho đến nay vẫn chƣa có nghiên cứu đƣa ra thống kê cụ thể về
tiềm năng, thực trạng sử dụng năng lƣợng sinh khối ở Nghệ An và trang trại bò sữa
TH Milk.
11
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn
-
Đánh giá tiềm năng năng lƣợng sinh khối để phục vụ cho công nghiệp phát
điện trong tƣơng lai tại tỉnh Nghệ An;
-
So sánh về mặt kinh tế, kỹ thuật và xã hội giữa các nhà máy điện chạy bằng
nhiên liệu diesel với nhà máy phát điện bằng khí sinh học biogas tại trang trại bò
sữa TH Milk để đƣa ra phƣơng án cấp điện phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và kinh tế
của trang trại.
Đối tƣợng nghiên cứu
-
Tiềm năng sinh khối tại Nghệ An;
-
Khả năng sản xuất điện từ khí sinh học biogas, đáp ứng cấp điện phục vụ cho
trang trại bò sữa TH Milk và bán lên lƣới điện quốc gia.
Phạm vi nghiên cứu
-
Thực trạng và tiềm năng năng lƣợng sinh khối tại Nghệ An. Đánh giá tiềm
năng phát điện bằng khí biogas của trang trại bò sữa TH Milk.
4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Nội dung luận văn đƣợc trình bày trong 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về năng lƣợng sinh khối
- Tổng quan về năng lƣợng sinh khối;
- Các dạng năng lƣợng sinh khối;
- Ƣu điểm và hạn chế của năng lƣợng sinh khối.
- Các công nghệ chuyển hóa NLSK sang các dạng năng lƣợng khác
- Công nghệ phát điện bằng khí sinh học biogas
Chƣơng 2: Đánh giá tiềm năng năng lƣợng sinh khối của tỉnh Nghệ An
- Tiềm năng năng lƣợng sinh khối của Nghệ An;
- Đƣa ra các số liệu thống kê về các dạng năng lƣợng sinh khối của Nghệ An.
Chƣơng 3: Sử dụng phần mềm RETScreen để đánh giá khả năng sử dụng năng
lƣợng sinh khối để phát điện của trang trại bò sữa TH Milk thuộc tập đoàn TH.
- Giới thiệu phần mềm RETScreen;
12
- Đánh giá 1 dự án nhà máy điện dùng biogas của trang trại bò sữa TH Milk
bằng phần mềm RETScreen;
- Đánh giá và so sánh 1 dự án nhà máy điện dùng diesel với nhà máy điện dùng
biogas của trang trại bò sữa TH Milk bằng phần mềm RETScreen;
- Qua các số liệu tính toán đƣa ra kết luận và khuyến nghị về tính khả thi của dự
án điện biogas cho trang trại bò sữa TH Milk. Đồng thời đƣa ra hƣớng nghiên cứu
tiếp theo để có thể phát triển dự án áp dụng vào thực tiễn.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết, thống kê số liệu, kết hợp phần mềm RETScreen để tính
toán kinh tế - kỹ thuật, đánh giá tiềm năng và khả năng sử dụng năng lƣợng sinh
khối để phát điện ở tỉnh Nghệ An và trang trại bò sữa TH Milk thuộc tập đoàn TH.
13
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG SINH KHỐI
1.1. Giới thiệu chung
1.1.1. Khái quát về sinh khối và năng lƣợng sinh khối
Sinh khối (SK) [1,2,4] 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 đƣợc sử dụng nhƣ một nguồn năng
lƣợng hoặc do các thành phần hóa học của nó. 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 đƣợc xem nhƣ chất thải
từ xã hội con ngƣời nhƣ chất thải từ quá trình sản xuất thức ăn, nƣớc uống, bùn,
nƣớc cống, phân bón, sản phẩm phụ gia (hữu cơ) công nghiệp và các thành phần
hữu cơ của chất thải sinh hoạt.
Thực chất sinh khối [1,2,4] là vật liệu sinh học bắt nguồn từ sự sống, có nghĩa là
có cả thực vật và động vật. Tổng số lƣợng sinh khối động vật (zoomass) và sinh
khối thực vật (phytomass) gọi tắt là sinh khối (biomass) đƣợc ƣớc tính là khoảng
560 tỷ tấn các-bon. Sinh khối còn có thể đƣợc phân chia nhỏ ra thành các thuật ngữ
cụ thể hơn, tùy thuộc vào mục đích sử dụng: tạo nhiệt, sản xuất điện năng hoặc làm
nhiên liệu cho giao thông vận tải. Các nguồn sinh khối đƣợc chuyển thành các dạng
năng lƣợng khác nhƣ điện năng, nhiệt năng, hơi nƣớc và nhiên liệu qua các phƣơng
pháp chuyển hóa nhƣ đốt trực tiếp và tua-bin hơi, phân hủy yếm khí (anaerobic
digestion), đốt kết hợp (co-firing), khí hóa (gasification) và nhiệt phân (pyrolysis).
Sinh khối [1,2,4] còn có thể đƣợc xem nhƣ một dạng tích trữ năng lƣợng mặt
trời. Năng lƣợng từ mặt trời đƣợc “giữ” lại bởi cây cối qua quá trình quang hợp để
biến chất vô cơ thành chất hữu cơ trong giai đoạn phát triển của chúng. Năng lƣợng
sinh khối đƣợc xem là tái tạo vì nó đƣợc bổ sung nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ
bổ sung của năng lƣợng hóa thạch vốn đòi hỏi hàng triệu năm. Trong tƣơng lai, khi
nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, năng lƣợng sinh khối có nhiều khả năng là
ứng viên thay thế.
14
1.1.2. Nguồn gốc của năng lƣợng sinh khối
Sinh khối [1,2,4] là vật chất hữu cơ. Sinh khối là các vật chất tái tạo, bao gồm
cây cối, chất xơ gỗ, chất thải gia súc, chất thải nông nghiệp và các chất rắn hữu cơ ở
các đô thị.
Hình 1.1. Các nguồn năng lượng sinh khối
Cây dự trữ năng lƣợng mặt trời trong các tế bào thông qua quá trình quang hợp
[2]. Cellulose là một chuỗi polymer của các phân tử đƣờng (C6H10O5)n. Lignin là
chất hồ kết dính các chuỗi cellulose với nhau. Khi đốt, các liên kết giữa các phân tử
đƣờng này vỡ ra và phóng thích năng lƣợng dƣới dạng nhiệt, đồng thời thải ra khí
CO2 và hơi nƣớc. Các chất này thƣờng đƣợc gọi là năng lƣợng sinh khối hay nhiên
liệu sinh khối.
15
Hình 1.2. Tác động của sinh khối đối với khí thải nhà kính
Các nguồn sinh khối trong nƣớc bao gồm các chất dƣ thừa, chất bã của sinh khối
đã đƣợc xử lý [1,2,4]. Các chất này gồm có bột giấy, chất thải nông lâm nghiệp,
chất thải rắn đô thị, khí ở các hố chôn lấp, chất thải của gia súc, các giống cây trên
cạn và dƣới nƣớc đƣợc trồng chủ yếu để khai thác năng lƣợng. Các giống cây này
đƣợc gọi là các giống cây năng lƣợng. Ở số lƣợng lớn, nguồn sinh khối đƣợc gọi là
nguyên liệu sinh khối. Sử dụng các chất thải thì hiệu quả hơn để chúng tự phân rã,
giảm mối nguy hại với môi trƣờng xung quanh. Dƣới đây là mô tả chi tiết của từng
loại sinh khối.
1.1.2.1. 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 [2]. Các chất bã này có một lƣợng năng lƣợng nhất định. Không phải
tất cả các chất bã đều có thể đƣợc sử dụng cho sản xuất điện năng, một số cần phải
đƣợc bổ sung với các chất dinh dƣỡng hay các nguyên tố hóa học. Tuy nhiên, việc
sử dụng các chất bã là rất đơn giản vì chúng đã đƣợc thu thập/ phân loại qua quá
trình xử lý.
16
1.1.2.2. Bột giấy và các chất bã trong quá trình sản xuất giấy
Cây cối có các thành phần nhƣ 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 tạo ra giấy. Các bột
giấy dƣ thừa tạo nên chất bã [2]. 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 cƣa, vỏ cây, nhánh cây, lá cây và bột giấy. Thông thƣờng, các nhà máy giấy
hay dùng các chất thải này để tạo ra điện và nhiệt cho vận hành nhà máy.
Hình 1.3. Dăm gỗ trong quá trình sản xuất giấy
Các chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ, các vật liệu dƣ thừa trong quá trình quản
lý rừng nhƣ phát rừng và di dời cây đã chết. Một trong những thuận lợi của việc tận
dụng bã cây rừng là một phần lớn các bã dạng này đƣợc tạo ra từ các nhà máy giấy
hoặc nhà máy xử lý gỗ, do đó nguồn nguyên liệu có thể sử dụng đƣợc ngay. Cũng
vì lý do này, việc tái sử dụng mùn cƣa, bã gỗ để tạo năng lƣợng tập trung ở các nhà
máy công nghiệp giấy và gỗ, nhƣng tiềm năng nguyên liệu thực sự lớn hơn nhiều.
Tổng công suất dự đoán trên toàn cầu của bã thải từ rừng là 10.000 MW.
1.1.2.3. Bã nông nghiệp
Chất thải nông nghiệp [2] là các chất dƣ thừa sau các vụ thu hoạch. Chúng có
thể đƣợc gom với các thiết bị thu hoạch thông thƣờng cùng lúc hoặc sau khi gặt hái.
17
Các chất thải nông nghiệp [2] bao gồm thân và lá ngô, rơm rạ, vỏ trấu … Hằng năm,
có khoảng 80 triệu cây ngô đƣợc trồng, cho nên ngô đƣợc dự đoán sẽ là dạng sinh
khối chính cho các ứng dụng năng lƣợng sinh học. Ở một số nơi, đặc biệt những
vùng khô, các chất bã cần phải đƣợc giữ lại nhằm bổ sung các chất dinh dƣỡng cho
đất cho vụ mùa kế tiếp. Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất cả các chất dinh
dƣỡng từ cặn bã, các chất bã này không đƣợc tận dụng tối đa và bị mục rữa làm thất
thoát năng lƣợng.
Hình 1.4. Rơm rạ, thân cây ngô sau thu hoạch
Có nhiều thống kê khác nhau về tiềm năng công suất của năng lƣợng sinh khối
dạng này. Theo ƣớc lƣợng rằng cho đến giữa thập kỷ 90 của thế kỷ 20, tổng lƣợng
bã nông nghiệp là khoảng 3,5-4 tỷ tấn mỗi năm, tƣơng đƣơng với 1,5 tỷ toe [2]. Chỉ
với lƣợng thu hoạch nông nghiệp cơ bản của thế giới và tỉ lệ thu hồi là 25% thì năng
lƣợng tạo ra đƣợc là 0,9 toe và giúp giảm đƣợc 350-460 triệu tấn khí thải CO2 mỗi
năm [2]. Hiện trạng thực tế là một tỉ lệ khá lớn các bã nông nghiệp này vẫn còn bị
bỏ phí hoặc sử dụng không đúng cách, gây các ảnh hƣởng tiêu cực đến môi trƣờng,
sinh thái và lƣơng thực. Theo ƣớc tính của WEC, tổng công suất toàn cầu từ nhiên
liệu bã thải nông nghiệp là vào khoảng 4.500 MW.
Một trong các giải pháp đƣợc ứng dụng rộng rãi hiện nay và có tiềm năng đầy
hứa hẹn là tận dụng các bã thải từ công nghiệp mía đƣờng, xử lý gỗ và làm giấy.
Các thống kê cho thấy hơn 300 triệu tấn bã mía và củ cải đƣờng đƣợc thải ra mỗi
năm, tập trung hầu hết ở các nhà máy đƣờng. Các số liệu của FAO cho thấy khoảng
18
1.248 tấn mía đƣợc thu hoạch vào năm 1997, trong đó là 25% bã mía ép (312 triệu
tấn). Năng lƣợng của 1 tấn bã mía ép (độ ẩm 50%) là 2,85 GJ/tấn [2]. Đó là chƣa kể
các phần thừa và phần thải trong quá trình thu hoạch mía. Thế nhƣng hiện nay phần
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.
1.1.2.4. Chất thải từ gia súc
Chất thải gia súc [2], nhƣ phân trâu, bò, lợn, gà … có thể đƣợc chuyển thành gas
hoặc đốt trực tiếp nhằm cung cấp nhiệt và sản xuất năng lƣợng. Ở những nƣớc đang
phát triển, các bánh phân đƣợc dùng nhƣ nhiên liệu cho việc nấu nƣớng. Hơn nữa,
phần lớn phân gia súc có hàm lƣợng mê-tan khá cao. Do vậy, phƣơng pháp này khá
nguy hiểm vì các chất đọc hại sinh ra từ việc đốt phân là nguy hại đối với sức khỏe
con ngƣời, là nguyên nhân gây ra 1,6 triệu ngƣời chết mỗi năm ở các nƣớc đang
phát triển.
Hình 1.5. Hồ chứa phân gia súc
Ở các trang trại chăn nuôi gia súc lớn, họ dùng phân để sản xuất năng lƣợng với
các cách thức thích hợp nhằm giảm thiểu các mối nguy hại đối với môi trƣờng và
sức khỏe cộng đồng. Các chất thải này có thể đƣợc sử dụng để sản xuất ra nhiều loại
sản phẩm và tạo ra điện năng thông qua các phƣơng pháp tách mê-tan và phân hủy
yếm khí.
19
Tiềm năng năng lƣợng toàn cầu từ phân thải đƣợc ƣớc lƣợng là rất lớn, tuy
nhiên, điều đó không nói lên đƣợc 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 dƣỡng, chuồng
trại).
1.1.2.5. Các loại bã thải khác
a. Chất thải củi gỗ đô thị
Chất thải củi gỗ là nguồn chất thải lớn nhất ở các công trƣờng nhƣ cây chống
giáo, ván khuôn, lô gỗ chứa cáp điện ... sau khi thải loại. Chất thải củi gỗ đô thị bao
gồm các thân cây, phần thừa cây đã qua cắt tỉa. Những vật liệu này có thể đƣợc thu
gom dễ dàng sau các dự án công trƣờng và cắt tỉa cây.
b. Chất thải rắn đô thị
Chất thải ở các trung tâm thƣơng mại, cơ quan, trƣờng học, nhà dân … có một
hàm lƣợng nhất định của các chất hữu cơ có xuất xứ từ cây, là một nguồn năng
lƣợng 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.
c. Khí ở các bãi chôn lấp
Trong quá trình phân hủy yếm khí, sản phẩm phụ tự nhiên của quá trình phân
hủy chất thải hữu cơ của vi sinh vật có một lƣợng lớn khí mê tan, có thể đƣợc thu
hồi, chuyển dạng và dùng để tạo ra năng lƣợng. Các chất thải này đƣợc thu gom, tái
tạo thông qua quá trình tiêu hóa và phân hủy yếm khí. Sự thu gom các chất thải
trong các bãi chôn lấp và dùng chúng nhƣ một nguồn năng lƣợng sinh học tái tạo có
rất nhiều lợi ích nhƣ: tăng cƣờng bảo vệ sức khỏe cộng đồng thông qua việc xử lý
chất thải, giảm diện tích đất sử dụng cho các bãi chôn lấp, giảm ô nhiễm môi trƣờng,
mùi hôi thối và giúp việc quản lý chất thải một cách hiệu quả.
1.1.2.6. Cây trồng năng lƣợng
Các giống cây năng lƣợng [1,2,4] là các giống cây, cây cỏ đƣợc xử lý bằng công
nghệ sinh học để trở thành các giống cây tăng trƣởng nhanh, đƣợc thu hoạch cho
mục đích sản xuất năng lƣợng. Các giống cây này có thể đƣợc trồng, thu hoạch và
thay thế nhanh chóng.
20
Cây trồng năng lƣợng có thể đƣợc sản xuất bằng 2 cách:
+ Các giống cây năng lƣợng chuyên biệt trồng ở những vùng đất dành đặc biệt
cho mục đích này.
+ Trồng xen kẽ và trồng các cây bình thƣờng khác.
Cả 2 phƣơng pháp này đều đòi hỏi có sự quản lý tốt và phải đƣợc chứng minh là
đem lại lợi ích rõ ràng cho ngƣời nông dân về mặt sử dụng đất.
a. Các giống cây cỏ năng lượng
Đây là giống cây lâu năm đƣợc thu hoạch hằng năm sau 2-3 năm gieo trồng để
đạt hiệu suất tối đa. Các giống cây này bao gồm các loại cỏ nhƣ cỏ mềm
(Switchgrass) xuất xứ từ Bắc Mỹ, cỏ voi Miscanthus, cỏ chè vè, cỏ Napier (châu
Phi), cây tre, cỏ đuôi trâu cao, lúa mì … Các giống cây này thƣờng đƣợc trồng cho
việc sản xuất năng lƣợng.
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 dƣơng ghép lai,
cây liễu ghép lai, cây thích bạc, cây bông gòn đông phƣơng, cây tần bì xanh, cây óc
chó đen và cây sung.
c. Các giống cây công nghiệp
Các giống cây này đang đƣợc phát triển và gieo trồng nhằm sản xuất các hóa
chất và cật liệu đặc trƣng nhất định. Ví dụ nhƣ cây dâm bụt và rơm dùng trong sản
xuất sợi, cây thầu dầu cho acid ricinoleic. Các giống cây chuyển gen đang đƣợc
phát triển nhằm sản xuất các hóa chất mong muốn giống nhƣ 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 nhƣ bột bắp
và dầu bắp, dầu đậu nành, bột xay thô, bột mì, các loại dầu thực vật khác và các
thành phần đang đƣợc phát triển cho các giống cây tƣơng lai. Mặc dù các giống này
thƣờng đƣợc dùng để sản xuất nhựa, các chất hóa học và các loại sản phẩm, chúng
thƣờng cung cấp đƣờng, dầu và các chất chiết xuất khác.
21
1.2. Những ƣu điểm và hạn chế của năng lƣợng sinh khối
1.2.1. Ƣu điểm của sinh khối
1.2.1.1. Kinh tế - Xã hội
a. Năng lượng sinh khối có thể giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa
thạch đắt đỏ, đang cạn kiệt
Do năng lƣợng sinh khối có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch sử dụng trong các
phƣơng tiện giao thông và các thiết bị năng lƣợng và đây còn là loại nhiên liệu bền
vững nên có thể thay cho các nguồn năng lƣợng hóa thạch đắt đỏ đang bị cạn kiệt.
b. Năng lượng sinh khối có thể tăng cường an ninh năng lượng quốc gia
Sự phụ thuộc vào dầu nhập khẩu có thể không những làm suy kiệt dự trữ ngoại
tệ của quốc gia, mà còn tạo ra sự mất ổn định về an ninh năng lƣợng của quốc gia
đó. Từ khi năng lƣợng sinh khối đƣợc sản xuất từ các nguồn nguyên liệu bản địa
của nhiều nƣớc châu Á, loại nhiên liệu này có vai trò là nhiên liệu thay thế cho các
nhiên liệu hóa thạch có thể giảm sự phụ thuộc nhập khẩu dầu và tăng cƣờng an ninh
năng lƣợng quốc gia.
c. Kỹ thuật và kinh tế năng lượng
Sản xuất và sử dụng năng lƣợng sinh khối đơn giản hơn so với các dạng nhiên
liệu hydro/ pin nhiên liệu. Khi sử dụng ethanol 20, B20 không cần cải biến động cơ,
sử dụng đƣợc cho các loại ô tô hiện có. Cũng không cần thay đổi hệ thống tồn chứa
và phân phối hiện có. năng lƣợng sinh khối và nhiên liệu khoáng có thể dùng lẫn
với nhau đƣợc.
Công nghệ sản xuất năng lƣợng sinh khối không phức tạp, có thể sản xuất ở quy
mô nhỏ (hộ gia đình) đến quy mô lớn. Tiêu hao nhiên liệu, công suất động cơ tƣơng
tự nhƣ dùng xăng dầu khoáng. Nhiều công trình nghiên cứu về cân bằng năng lƣợng
đã cho thấy:
Từ 1 đơn vị năng lƣợng dầu mỏ sản xuất đƣợc 0,87 đơn vị năng lƣợng xăng,
hoặc 2,05 đơn vị năng lƣợng ethanol [10]. Từ 1 đơn vị năng lƣợng dầu mỏ (dùng để
cày bừa, trồng trọt, chăm sóc, vận chuyển đến chế biến) sẽ tạo ra 1,2 đơn vị năng
lƣợng năng lƣợng sinh khối [10]. Nếu kể thêm các sản phẩm phụ (bã thải, sản phẩm
22
phụ) thì tạo ra 2-3 đơn vị năng lƣợng sinh khối. Nhƣ vậy, cân bằng năng lƣợng đầu
ra so với đầu vào là dƣơng. Hiện tại, giá năng lƣợng sinh khối còn cao do sản xuất
nhỏ, giá nguyên liệu cao. Khi sản xuất quy mô lớn với công nghệ mới sẽ giảm giá
thành. Nếu xăng dầu không bù giá thì năng lƣợng sinh khối có giá thành thấp hơn.
Có thể khẳng định, năng lƣợng sinh khối sẽ đem đến đa lợi ích.
d. Năng lượng sinh khối có thể góp phần thúc đẩy sự tham gia của các xí
nghiệp vừa và nhỏ vào nền kinh tế quốc dân
Khác với nhiên liệu dầu và khí, thậm chí là than cần phải xây dựng cơ sở hạ tầng
lớn để khai thác và xử lý, với sự tham gia của các tập đoàn lớn và các công ty đa
quốc gia, việc sản xuất năng lƣợng sinh khối sẽ không đòi hỏi đầu tƣ và xây dựng
các nhà máy xử lý tổng hợp lớn. Vì vậy, đầu tƣ và quy trình sản xuất năng lƣợng
sinh khối có thể nằm trong phạm vi quy mô vừa và nhỏ có thể chấp nhận đƣợc. Dựa
vào nguyên liệu đầu vào và khả năng đầu ra, công suất của các nhà máy sản xuất
năng lƣợng sinh khối có thể thiết kế phù hợp với yêu cầu đặc thù. Các hoạt động
sản xuất năng lƣợng sinh khối dựa vào các nguyên liệu nông nghiệp hoặc các hệ
thống modul có thể đƣợc thực hiện để sản xuất năng lƣợng sinh khối phục vụ cho
tiêu thụ cục bộ của các thiết bị có động cơ tại các trang trại. Đầu tƣ cho năng lƣợng
sinh khối có thể mở ra các cơ hội tham gia của các công ty trong nƣớc.
e. Nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp
Ngành kinh tế nông nghiệp ngoài chức năng cung cấp lƣơng thực thực phẩm,
nguyên liệu công nghiệp, giờ đây có thêm chức năng cung cấp năng lƣợng sạch cho
xã hội, đóng góp vào việc giảm thiểu khí nhà kính và khí độc hại. Việc sử dụng
năng lƣợng sinh khối sẽ tạo điều kiện phát triển nông nghiệp, nhất là ở những nƣớc
dƣ thừa đất đai (trung du, miền núi) có thể trồng mía, sắn và các cây có dầu. Đặc
biệt, khi phát triển năng lƣợng sinh khối có thể sử dụng các giống cây có dầu, chẳng
hạn nhƣ J.Curcas trồng trên các vùng đất hoang hóa hoặc đang sử dụng kém hiệu
quả, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng đất.
23
