Năng lượng từ sinh khối nông nghiệp kinh nghiệm và yếu tố quyết định thành công

Năng lượng từ sinh khối nông nghiệp Kinh nghiệm và Yếu tố quyết định thành công
Diễn đàn Đức - Việt
về Năng lượng sinh học ở Việt Nam
Ngày 16 tháng 09 năm 2013,
Khách sạn Intercontinental Asiana Sài Gòn, thành phố Hồ Chí Minh (Việt Nam)

(Mirko Barz)


Chất thải nơng nghiệp - Nguồn năng lượng
Có thể sản xuất năng
g lượng
ợ g sinh học
ọ từ chất thải nông
g nghiệp
g ệp như
§

phế phẩm nơng nghiệp:
- Rơm rạ (phế phẩm ở ngoài đồng) hay
- vỏ trấu (p
(phế phẩm
p
tại cơ sở chế biến))

§

Phân và chất thải gia súc

§

Phụ phẩm sản sinh trong q trình xử lý các sản phẩm nơng nghiệp:
- bã mía trong
g ngành
g
sản xuất đường
g
- quả rỗng trong ngành sản xuất dầu cọ
- chất thải trong ngành chế biến thực phẩm

Đặc điểm khác biệt chính giữa các loại chất thải này là
có những loại khơ (như rơm rạ) Ỉ phù hợp để xử lý nhiệt - hóa học
và có những loại ướt (như chất thải gia súc) Ỉ phù hợp để xử lý sinh học.


Một số phế phẩm nông nghiệp phù hợp để sản xuất năng lượng
Phâ gia
Phân
i súc
ú

Vỏ dừa

Qủa rỗng
Rơm
Trấu

Bã mía
Nguồn: Phạm Quang Hà, Nguyễn Văn Bộ

Chất thải nông nghiệp - Nguồn năng lượng sinh học
-Hiện nay các nước trên thế giới thải ra khoảng 5,1 tỷ tấn
chất thải nông nghiệp (IEA, 2010)
s
-Con
Con số này tương đương khoảng 75 EJ hay
15% nhu cầu năng lượng chính của thế giới (500EJ)

Picture source: Ecopanel Systems Ltd.

-Ước
Ước tính,
tính tùy khu vực mà 25 - 50% lượng chất thải nông nghiệp được sử dụng để sản
xuất năng lượng sinh học bền vững


Vai trò của sinh khối trong nền kinh tế năng lượng tái tạo
Sinh khối có thể cung cấp năng lượng đáng kể cho tương lai !!!
(I) Chất thải nông, lâm nghiệp ~ 100 EJ,
(II) Vật liệu dư thừa khi quản lý rừng ~ 80EJ,
(III) Cây trồng năng lượng ~ 120 EJ
(IV) Cây trồng năng lượng bổ sung (tại các khu vực đất
suy thối và an ninh nước trung bình) ~70 EJ
(V) Các nguồn tiềm năng khác khi năng suất nông n
ghiệp tăng nhanh hơn, do đó sản xuất ra nhiều
thực phẩm hơn nhu cầu ~140 EJ

Nguồn: Báo cáo chính “Năng lượng sinh học – nguồn năng lượng bền vững và đáng tin cậy.
Đánh giá hiện trạng và triển vọng” của IEA, 2009

Chất thải nông nghiệp - Nguồn năng lượng sinh học

Nguồn:
g
www.fao.org
g ... Năng
g lượng
ợ g sinh khối của các q
quốc g
gia thành viên Hiệp
ệp hội
ộ các q
quốc gia
g Đông
g Nam Á


Chất thải nông nghiệp - Nguồn năng lượng sinh học
Thuận
ậ li:

Đ

Mi quan h Thc phm v Nhiờn liu ặ tỏi chế chất thải nông nghiệp không gây ảnh hưởng đối
với thực phẩm;

§

Khơng địi hỏi bố trí thêm đất;

§

Có thể giảm tác động đến mơi trường (giảm lượng khí thải độc hại phát sinh khi đốt và giảm tiêu thụ
nhiên liệu hố thạch do đó bớt gây hiệu ứng nhà kính)

§

Khi thực hiện ở các địa phương thì biện pháp này giúp:
- tạo thu nhập,
Hệ thống năng lượng
dựa vào cộng đồng
- phỏt trin nụng thụn

Nhc im:
Đ

Nm ri rỏc ặ khụng phự hợp để vận chuyển nhiên liệu đường dài

§

Mang tính mùa vụ

§

Chất thải nơng nghiệp cịn được sử dụng vào các mục đích khác như làm thức ăn cho gia súc hoặc
làm phân bón đất

Chất
ấ thải nơng nghiệp được chia làm hai loại chính

có những loại khơ (như rơm rạ) Ỉ phù hợp để chuyển đổi nhiệt - hóa học
và có những loại ướt (như chất thải gia súc) Ỉ phù hợp để xử lý sinh học.


Các dạng chuyển đổi

Agricultural residues

Pre-conversion logistics
Harvesting / collecting – Transportation – Preparation - Storage

Chất thải khơ,
ví dụ: rơm rạ

Thermo-chemical conversion

Combustion

Gasification

Pyrolysis

Bio-chemical conversion

Alcohol
fermentaiton

Biogas
fermentation

Chất thải ướt
Ví dụ:
d chất
hất thải
gia súc

Physico-chemical conversion

Compacting

Solid / liquid / Gaseous fuels

Electric energy

Thermal energy

Combustion

Dạng chuyển đổi phổ biến nhất khi sản xuất nhiệt và điện từ chất thải nông nghiệp khô là:
- A) đốt nhiệt trực tiếp rơm rạ và kết hợp với lò hơi truyền thống
- B) Nhiệt phân/Khí hố rơm rạ để tạo ra dầu nhiệt phân hoặc khí sinh học dùng trong
tuốc bin chạy bằng ga, IGE hay FC’s
- C) Cơng nghệ Khí hố than (BIGCC - Biomass Integrated Gasification Combined Cycle)
Dạng chuyển đổi phổ biến nhất khi sản xuất nhiệt và điện từ chất thải nông nghiệp ướt là:
- Hệ thống biogas (bể phản ứng yếm khí kín nối với bể CSTR và UASB).


Ví dụ: “Rơm – Nguồn năng lượng”
Rơm là phụ phẩm của nhiều loại cây trồng như các cây ngũ cốc (mỳ
(mỳ,

gạo, ngô), hướng dương và các loại cho hạt lấy dầu khác (nho), v.v..
Ø Rơm là một trong những chất thải nông nghiệp
dồi dào nhất và phù hợp để sản xuất năng lượng
Ø Ước tính mỗi năm, các nước trên thế giới thải ra
khoảng 2,5 – 3 tỷ tấn rơm (khô)

Nguồn ảnh: Thrän, D. (DBFZ)

Ø Chỉ một lượng nhỏ trong số này được sử dụng trong các hoạt động sản xuất nơng
nghiệp hoặc sản xuất năng lượng
Ø Lượng rơm có thể dùng để sản xuất năng lượng phụ thuộc vào điều kiện địa phương
và rất khác nhau (từ 0 – 60% lượng rơm thải ra)


Ví dụ: “Rơm – Nguồn năng lượng”
Rơm
Quốc
gia:lúa

ở các q
quốc gia
g Châu Sản
Á lượng gạo
(triệu tấn/năm)

Tổng lượng rơm rạ thải ra
(triệu tấn/năm)

Trung Quốc

184,1

138,1

Ấn Độ

139,1

104,4

Việt Nam

35,8

26,9

Cam-pu-chia

6,3

4,7

Lào

27
2,7

20
2,0

Thái Lan

29,3

22,0

Myanmar

30,6

23,0

Malaysia

2,2

1,6

Indonesia

54,5

40,8

Phi-lip-pin

15,3

11,5

Các quốc gia Đông Nam Á

176,6

132,4

Tổng

499,8

374,9


Ví dụ: “Rơm – Nguồn năng lượng”
Sinh khối có thể sản xuất ra nhiều loại
ạ năng
g lượng
ợ g khác nhau
như nhiệt, điện, xăng dầu vận tải
Năng lượng hố học tích luỹ

Sinh khối
rơm rạ

Chuyển đổi
thành nhiên liệu
lỏng (khí hóa)

Đốt trực tiếp

Liên kết Nhiệt –
Năng lượng

Nhiệt

Nhiệt
Điện

Năng lượng hố học tích luỹ

Động cơ đốt
(trong xe ô tô)

Cơ năng,
động năng


Ví dụ: “Rơm – Nguồn năng lượng”
Thuận lợi của cơng nghệ đốt trực tiếp rơm rạ:
-

Nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu rắn có hiệu quả
cao
Cơng nghệ đã được chứng minh và đang phát triển nhanh
chóng
hó
Hệ thống đốt rơm rạ đã được thực hiện ở nhiều nước trên
thế giới từ hơn 20 năm qua (ví dụ như ở Đan Mạch)
Cơng nghệ này cũng có thể được cung cấp cho Việt
Nam!

Ví dụ: “Rơm – Nguồn năng lượng”
Các đơn vị bán công nghệ của Đức như ERK đang chào bán nồi hơi
và
à hệ thố
thống đốt có
ó chất
hất llượng hà
hàng đầ
đầu th
theo hợp
h
đồng
đồ bản
bả quyền
ề

Nhà máy điện sinh khối công suất 10
MW ở Banbueng (Thái Lan) …. Áp
dụng công nghệ nồi hơi của ERK


Nghiên cứu điển hình: Xây dựng nhà máy sản xuất điện từ đốt rơm rạ,
công suất 10 MW ở Thái Lan
Nguồn: M
M.K.
K Delivand; “Đánh
Đánh giá tính khả thi Hệ thống xử lý rơm lúa phục vụ sản xuất năng lượng
ở Thái Lan”, Luận án tốt nghiệp về Năng lượng và Môi trường, trường Công nghệ Thonburi

Nhu cầu nhiên liệu của nhà máy điện công suất 10MW
Yêu cầu
Công suất danh nghĩa của nhà máy

10 MWe

Số g
giờ hoạt
ạ động
ộ g trong
g năm

6000 g
giờ

Hiệu quả chung của dự án, đánh giá theo nhiệt trị thấp

23%

Nhiệt trị thấp của rơm

12.39 MJ/kg

Độ
ộ ẩm

11%
%

Nhu cầu rơm khô hàng năm (db)

75.798 tấn db /năm

Nhu cầu rơm ướt hàng năm (wb)

84.135 tấn wb /năm

Tỷ lệ thất thoát rơm trong quá trình vận chuyển
chuyển, tồn trữ

10%

Nhu cầu rơm thực tế hàng năm của nhà máy

92.549 tấn/năm


Nghiên cứu điển hình: Xây dựng nhà máy sản xuất điện từ đốt rơm rạ,
công suất 10 MW ở Thái Lan
Nguồn: M.K. Delivand; “Đánh giá tính khả thi Hệ thống xử lý rơm lúa phục vụ sản xuất năng lượng ởThái Lan”,
Luận án tốt nghiệp về Năng lượng và Môi trường
trường, trường Cơng nghệ Thonburi
100
00 THB/kW

90

Chi tiết chi phí đầu tư

80
70
60

Chi phí do
cơng ty sản xuất nồi hơi Thái chi trả

50
40

Các hợp phần chính

30
5

10
Capacity MWe

% tổng vốn đầu tư cơ bản
5 MWe

10 MWe

20 MWe

Nồi hơi, bao gồm hệ thống cấp nhiên
liệu quạt và bơm
liệu,

38,17

36,39

36,18

Tuốc bin hơi và bình ngưng

15,27

14,05

17,63

Bộ tản nhiệt

3,31

3,31

3,25

Cơng trình, nhà xưởng

10,69

9,92

9,28

Truyền tải điện

8,91

9,09

8,35

Xử lý khói

3,82

5,79

6,03

Thiết bị khác

19,85

21,49

19,29

Tổng

100

100

100

20


Nghiên cứu điển hình: Xây dựng nhà máy sản xuất điện từ đốt rơm rạ,
công suất 10 MW ở Thái Lan
Nguồn: M.K. Delivand; “Đánh giá tính khả thi Hệ thống xử lý rơm lúa phục vụ sản xuất năng lượng ởThái Lan”,
Luận án tốt nghiệp về Năng lượng và Môi trường
trường, trường Công nghệ Thonburi

Kết quả
Các chỉ số kinh tế của phương án đầu tư: 30% vốn chủ sở hữu, 70% vốn vay
(dựa trên mơ hình DEDE Ỉ Phân tích kinh tế - tài chính hoạt động phát triển năng lượng tái tạo ở Thái Lan

Thông số

Công suất
5 Mwe

Công suất
10 MWe

Cơng suất
20 MWe

Gía trị hiện tại thuần (triệu
Bath)

18

255

733

Tỷ suất hồn vốn nội bộ
(%)

9

22

31

PB (năm)

8

4

3,2

•Xét về mặt kinh tế, việc sử dụng rơm để sản xuất năng lượng rất hứa hẹn!
•Tuy nhiên, vẫn có một số vấn đề cần giải quyết như:
- mất nhiều công sức để thu gom và lưu giữ rơm,
- cchi p
phí đầu tư và
à cchi p
phí ttrang
a g tthiết
ết bị tốn

tố kém
é hơn
ơ so với
ớ nhà
à máy
áy sả
sản xuất
uất năng
ă g lượng
ượ g cchỉ dùng
dù g ssinh khối
ố gỗ,
- Thái Lan chưa có kinh nghiệm và kiến thức kỹ thuật về công nghệ này
- ...........
Các trường đại học, đơn vị sản xuất và nhà đầu tư có thể giải quyết các vấn đề này
khi hợp tác với nhau.


Lịch sử sử dụng khí ga sinh học ở Việt Nam
Giai đoạn đầu tiên (1960 – 1975)
- Ở miền Bắc, Bộ Công nghiệp ban hành tài liệu biên dịch từ nước ngồi về "Cách thức sản xuất khí
mêtan nhân tạo và thu hồi khí"
1964- "nhà máy sản xuất khí mêtan" đầu tiên của Việt Nam được xây dựng ở tỉnh Bắc Thái (Bộ
g nghiệp),
g ệp), sau đó một
ộ số nhà máy
y sản xuất khí biogas
g được
ợ xây
y dựng

ự g trong
g những
g năm 1965Công
1975 ở miền Bắc (Hà Nội, Hà Nam Ninh và Hải Hưng)

- Trong lúc đó ở miền Nam, Cục Nông lâm và nghiên cứu vật nuôi bắt đầu nghiên cứu cách thức sản
xuất khí mêtan từ phân thải động vật, tuy nhiên hoạt động này chưa được thực hiện trên thực tế.
Khó khăn:
Sau một thời gian vận hành ngắn, nhiều nhà máy sản xuất khí biogas phải đóng cửa do quản lý yếu kém
và các vấn đề kỹ thuật.

Giai đoạn thứ hai (1976 – 1980)
- Viện Năng lượng Việt Nam bắt đầu nghiên cứu, tập trung vào thiết kế, xây dựng và thử nghiệm hầm
biogas.
Khó khăn:
Do chưa hợp tác kỹ thuật và thiếu vốn, hệ thống này không hoạt động đúng kỹ thuật.


Lịch sử sử dụng khí ga sinh học ở Việt Nam
Giai đoạn
ạ thứ ba ((1981 – 1990))
-Cả nước có hơn 2000 hệ thống biogas quy mơ gia đình, kích thước từ 3m2 - 10m2,
-Công nghệ đơn giản:
Hệ thống nắp nổi của Ấn Độ

Nguồn ảnh: GIZ

Hệ thống nắp cố định của Trung Quốc

Hệ thống bằng nhựa giá rẻ

History of Biogas Utilization in Vietnam
Giai đoạn hiện nay (từ năm 1991 đến nay)
- Công nghệ sản xuất biogas phát triển nhanh chóng ở Việt Nam (với sự hỗ trợ mạnh mẽ của Chính phủ
và các tổ chức quốc tế)
- Hiện nay, cả nước có khoảng 200.000 hệ thống biogas quy mơ gia đình (5 - 20m2)
- hệ thống đơn giản, khí ga được sử dụng để nấu ăn/ thắp sáng
- Việt Nam mới chỉ có một nhà máy sản xuất biogas quy mô công nghiệp (tổng công suất 2 MW
MW, bao gồm
4 nhà máy công suất 0,5MW),
- Nhiều hệ thống quy mơ trung bình (quy mơ trang trại) sử dụng thiết bị hình ống dịng chảy đều được
xây dựng trong những năm gần đây

Nguồn ảnh: SNV

hầm dung tích 500m3 của trang trại ông Châu
ở Quảng Ninh gần xây xong, tháng 10/2012

- Hiện Việt Nam chưa quy định mơ hình chuẩn hầm biogas quy mơ trung bình, do vậy hầm biogas này
được thiết kế phù hợp với điều kiện cụ thể của từng địa phương
- Có thể là hầm hình vng, hình trịn, hình trụ, v.v. bằng chất liệu bê tông, gạch, PVC hay phủ
-tấm nhựa đen; mỗi loại thiết kế đều có ưu - nhược điểm, hiệu quả và nhu cầu vốn khác nhau.
- Các hệ thống này đều dễ xây, hầu hết sử dụng phân thải vật nuôi làm chất nền.


Hiện trạng sử dụng khí ga sinh học ở Việt Nam
- Mặc dù là quốc gia nơng nghiệp có nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất biogas, hiện
nay Việt Nam mới chủ yếu sử dụng hai nguồn nguyên liệu
sau:

- phân thải vật ni, ví dụ phân lợn
- nước thải từ các nhà máy chế biến tinh bột sắn.
- Là quốc
ố gia nơng nghiệp, Việt Nam có tiềm
ề năng lớn để
ể sản xuất
ấ biogas từ bã nông
nghiệp hoặc cây trồng năng lượng.
- Cho đến nay quốc gia này hầu như chưa khai thác tiềm năng sản xuất năng lượng từ bã
nông nghiệp. thác.
- Tới nay, Việt Nam mới chỉ thực hiện một số
ố ít nghiên cứu tìm cách tối
ố ưu hóa hoạt động
sản xuất và sử dụng khí biogas quy mơ trung bình và lớn, về các mặt:
- hiệu quả,
- thời gian và
- tính ổn
ổ định
- Xét về cơng nghệ và quy trình (chủ yếu sử dụng hầm kín hay hệ thống dòng chảy tĩnh),
hoạt động sản xuất biogas quy mơ trung bình và lớn ở Việt Nam cịn sơ khai,

- Đức được
ợ Việt
ệ Nam đánh giá
g là quốc
q
gia
g có công
g nghệ
g ệ sản xuất

biogas hiện đại hàng đầu thế giới.


Câu chuyện phát triển
ể lĩnh vực sản xuất biogas thành công ở Thái
Lan là một minh chứng về hợp tác phát triển Đức
§ Thái Lan biết đến cơng nghệ sản xuất biogas lần đầu tiên
vào khoảng năm 1950 với hệ thống nắp nổi của Ấn Độ
§ Năm 1988, Chương trình phát triển biogas Thái - Đức,
sáng kiến chung của Chính phủ Thái Lan,
Lan Cơ quan hợp
tác quốc tế Đức GTZ (sau này đổi thành GIZ) và trường
đại học Chiang Mai bắt đầu thực hiện nhằm thúc đẩy
phát triển lĩnh vực sản xuất biogas của Thái Lan bằng
cách giới thiệu các cơng nghệ cải tiến.
(Chương trình giới thiệu cơng nghệ thu hồi biogas mới để giảm thiểu
các quan ngại ngày càng tăng về tác động môi trường do chôn lấp rác
thải lộ thiên)


Ngày nay Thái Lan đã phát triển lĩnh vực sản xuất biogas và có khả năng Nghiên
cứu - Phát triển tốt (ví dụ ở Viện Nghiên cứu và Phát triển năng lượng (Đại học
Chiang Mai)

Từ năm 2005 đến năm 2010, sản lượng điện từ biogas đã tăng từ 2 lên 214 GWh
Với mục tiêu đặt ra cho năm 2022 nêu trong Dự án phát triển năng lượng nông thôn (2008),
Thái Lan đã xác định mục tiêu mới về phát triển hoạt động sản xuất biogas
(kế hoạch mới đặt chỉ tiêu sản xuất 600MW biogas vào năm 2021)

Hỗ trợ mới cho hoạt động sản xuất biogas của Thái Lan
Tháng 02/2013, Hội đồng Chính sách Năng lượng quốc gia Thái Lan mới thơng qua Chương trình hỗ trợ
mới "Khuyến khích các doanh nghiệp cộng đồng sản xuất xanh".
Mục tiêu mới là thúc đẩy phát triển hoạt động sản xuất biogas từ cây trồng năng lượng và tăng cường
phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo phân phối và dựa vào cộng đồng.
§ Mục tiêu chính sách: xây dựng các nhà máy sản xuất biogas mới có cơng suất 10.000MW trong vịng
10 năm.
§ Với chính sách mới này, chính phủ Thái Lan sẽ hỗ trợ các nhà máy sản xuất biogas có cơng suất nhỏ
hơn 1MW ở mức 4,5 baht (tương đương €11,24 Cent) mỗi kWh trong vòng 20 năm.
Thái Lan dự kiến
g các nhà đầu tư
sẽ thu hút thành cơng
vì quốc gia này đã phát triển cơng nghệ
sản xuất biogas

Liệu Việt Nam có chính sách hỗ trợ tương tự không?


Chất nền phù hợp để
ể sản xuất biogas (ngoài phân thải vật ni)
ở Việt Nam
§ Sử dụng
ụ g bã thải của lĩnh vực
ự chế biến nông
g sản như:
-Vỏ quả rỗng sau khi sản xuất dầu cọ,
-Bã thải của nhà máy chế biến tinh bột sắn,
-Vỏ cà phê,
-Vỏ dứa,,
-Phụ phẩm từ trồng chuối, v.v.

§ Rác thải hữu cơ đơ thị
§ Cơ hội sử dụng cây trồng năng lượng hoặc thảo mộc làm chất nền.
Để sản xuất biogas hiệu quả từ bã thải nông nghiệp và/hoặc cây trồng năng lượng, cần áp
dụng công nghệ tiên tiến với các thiết bị khuấy trộn cải tiến hoạt động ở nhiệt độ trung bình
(thậm chí nhiệt độ cao).


Yêu cầu công nghệ khi sử dụng cây trồng năng lượng và/hoặc bã
thải nơng nghiệp có hàm lượng chất rắn cao làm chất nền
Do hầ
D
hầm bi
biogas d
dạng kh
khuấy
ấ ttrộn
ộ liê
liên ttục có
ó thể xử
ử lý nguyên
ê liệ
liệu có
ó thà
thành
h phần
hầ
chất rắn lơ lửng cao, dự kiến công nghệ này cũng có thể áp dụng ở Việt Nam
để sản xuất biogas trong tương lai.