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

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu  Mục đích nghiên cứu của luận văn - Đánh giá tiềm năng năng lượng sinh khối để phục vụ cho công nghiệp phát điện trong tư

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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI 14

1.1 Giới thiệu chung 14

1.1.1 Khái quát về sinh khối và năng lượng sinh khối 14

1.1.2 Nguồn gốc của năng lượng 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 lượng 20

1.2 Những ưu điểm và hạn chế của năng lượng sinh khối 22

1.2.1 Ưu điểm của sinh khối 22

1.2.1.1 Kinh tế - Xã hội 22

1.2.1.2 Lợi ích về mặt môi trường 24

1.2.1.3 Nhiên liệu sinh học và vấn đề phát triển bền vững 26

1.2.2 Hạn chế của năng lượng sinh khối 27

1.3 Công nghệ sản xuất năng lượng sinh khối 27

1.3.1 Sản xuất điện từ năng lượng sinh khối 28

1.3.2 Phát điện bằng khí biogas 31

1.3.2.1 Tìm hiểu khái quát về khí biogas 31

1.3.2.2 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

CHƯƠNG 2 ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG 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 lượng 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

2.3.2 Tiềm năng 55

CHƯƠNG 3 SỬ DỤNG PHẦN MỀM RETSCREEN ĐỂ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG 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 phương 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 Phương pháp giá trị tương đương (Net Present Value – NPV) 65

3.1.5.3 Phương 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 lưới ở trang trại 72

3.2.2.3 Mô hình năng lượng 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

3.4 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 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 99

1 Kết luận 99

2 Khuyến nghị 100

3 Hướng nghiên cứu tiếp theo 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới ban giám hiệu trường 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 hướng 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 nhưng khó tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được 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

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

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

SK Sinh khối

NLSK Năng lượng sinh khối

NLTT Năng lượng tái tạo

REEEP Đối tác hiệu quả năng lượng và năng lượng tái tạo

UNEP Chương trình môi trường Liên hiệp quốc

GEF Quỹ môi trường toàn cầu

PCF Quỹ Prototype carbon của ngân hàng Thế giới

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 CSE – Hệ số khai thác củi bền vững (tấn/ha/năm) 48 Bảng 2.2 Sản lượng củi khai thác (tấn) 49 Bảng 2.3 Tỉ lệ giữa phế thải và sản lượng thu hoạch 50 Bảng 2.4 Thống kê số lượng đàn gia súc, gia cầm tại Nghệ An 53 Bảng 2.5 Quy đổi ra dầu tương đương 54 Bảng 2.6 Tính toán tiềm năng sản lượng khí của Nghệ An và quy

đổi sang các dạng năng lượng khác 54 Bảng 3.1 Thông tin dự án phát điện bằng biogas 70 Bảng 3.2 Chi phí đầu tư 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 - trường hợp 1 77 Bảng 3.5 Thu nhập hàng năm của dự án biogas – trường 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 – trường hợp 1 78 Bảng 3.8 Dòng tiền hàng năm của dự án biogas – trường hợp 1 79 Bảng 3.9 Thu nhập hàng năm của dự án biogas – trường 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 – trường hợp 2 83 Bảng 3.12 Dòng tiền hàng năm của dự án biogas – trường 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

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Các nguồn năng lượng 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 trường 53 Hình 3.1 Sơ đồ quá trình thực hiện dự án đầu tư 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

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 3.1 Biểu diễn chi phí và mức độ không chắc chắn của dự án

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

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, nhân loại đang phải đối mặt với một cuộc khủng hoảng về năng lượng khi các nguồn nhiên liệu hoá thạch đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Giải pháp mà con người tìm đến để khắc phục những vấn đề đó chính

là các nguồn năng lượng mới [1,2,4] như năng lượng gió, mặt trời, sinh khối… Khác với các nguồn năng lượng tái tạo khác, năng lượng sinh khối [1,2,4] không chỉ thay thế năng lượng hoá thạch mà còn góp phần xử lý ô nhiễm môi trường Vì vậy, năng lượng sinh khối thường được gắn liền với nền kinh tế các-bon thấp hay nền kinh tế hydro, bảo vệ môi trường sinh thái, phát triển nông nghiệp, xóa đói, giảm nghèo, làm cho đất nước 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 lượng sinh khối, góp phần tạo ra những dạng năng lượng, vật liệu sạch, rẻ, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường chính là một hướng 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 lượng phụ phẩm nông nghiệp lớn Với riêng trang trại bò sữa TH Milk, chất thải từ chăn nuôi đang gây ô nhiễm, ảnh hưởng lớn đến môi trường, môi sinh của nhân dân Cho đến nay vẫn chưa có nghiên cứu đưa ra thống kê cụ thể về tiềm năng, thực trạng sử dụng năng lượng sinh khối ở Nghệ An và trang trại bò sữa

TH Milk

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

 Mục đích nghiên cứu của luận văn

- Đánh giá tiềm năng năng lượng sinh khối để phục vụ cho công nghiệp phát điện trong tương 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 đưa ra phương án cấp điện phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và kinh tế của trang trại

 Đối tượng 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 lưới điện quốc gia

 Phạm vi nghiên cứu

- Thực trạng và tiềm năng năng lượng 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 được trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về năng lượng sinh khối

- Tổng quan về năng lượng sinh khối;

- Các dạng năng lượng sinh khối;

- Ưu điểm và hạn chế của năng lượng sinh khối

- Các công nghệ chuyển hóa NLSK sang các dạng năng lượng khác

- Công nghệ phát điện bằng khí sinh học biogas

Chương 2: Đánh giá tiềm năng năng lượng sinh khối của tỉnh Nghệ An

- Tiềm năng năng lượng sinh khối của Nghệ An;

- Đưa ra các số liệu thống kê về các dạng năng lượng sinh khối của Nghệ An Chương 3: Sử dụng phần mềm RETScreen để đánh giá khả năng sử dụng năng lượng sinh khối để phát điện của trang trại bò sữa TH Milk thuộc tập đoàn TH

- Giới thiệu phần mềm RETScreen;

- 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 đưa ra kết luận và khuyến nghị về tính khả thi của dự

án điện biogas cho trang trại bò sữa TH Milk Đồng thời đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo để có thể phát triển dự án áp dụng vào thực tiễn

5 Phương 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 lượng sinh khối để phát điện ở tỉnh Nghệ An và trang trại bò sữa TH Milk thuộc tập đoàn TH

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Khái quát về sinh khối và năng lượng 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 được sử dụng như một nguồn năng lượng 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 được xem như chất thải

từ 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

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 lượng sinh khối động vật (zoomass) và sinh khối thực vật (phytomass) gọi tắt là sinh khối (biomass) được ước tính là khoảng

560 tỷ tấn các-bon Sinh khối còn có thể được 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 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 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 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 để biến chất vô cơ thành chất hữu cơ 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 Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, năng lượng sinh khối có nhiều khả năng là ứng viên thay thế

1.1.2 Nguồn gốc của năng lượng 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 lượng mặt trời trong các tế bào thông qua quá trình quang hợp [2] Cellulose là một chuỗi polymer của các phân tử đường (C6H10O5)n Lignin là chất hồ kết dính các chuỗi cellulose với nhau Khi đốt, các liên kết giữa các phân tử đường này vỡ ra và phóng thích năng lượng dưới dạng nhiệt, đồng thời thải ra khí

CO2 và hơi nước Các chất này thường được gọi là năng lượng sinh khối hay nhiên liệu sinh khối

Hình 1.2 Tác động của sinh khối đối với khí thải nhà kính

Các nguồn sinh khối trong nước bao gồm các chất dư thừa, chất bã của sinh khối

đã được 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 dưới nước được trồng chủ yếu để khai thác năng lượng Các giống cây này được gọi là các giống cây năng lượng Ở số lượng lớn, nguồn sinh khối được 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 trường xung quanh Dưới 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 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

1.1.2.2 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 tạo ra giấy Các bột giấy dư 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 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 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 dư thừa trong quá trình quản

lý rừng như 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 được tạo ra từ các nhà máy giấy hoặc nhà máy xử lý gỗ, do đó nguồn nguyên liệu có thể sử dụng được ngay 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 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 dư thừa sau các vụ thu hoạch Chúng có thể được gom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặt hái

Các chất thải nông nghiệp [2] bao gồm thân và lá ngô, rơm rạ, vỏ trấu … Hằng năm,

có khoảng 80 triệu cây ngô được trồng, cho nên ngô được 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

Hình 1.4 Rơm rạ, thân cây ngô sau thu hoạch

Có nhiều thống kê khác nhau về tiềm năng công suất của năng lượng sinh khối dạng này Theo ước lượng rằng cho đến giữa thập kỷ 90 của thế kỷ 20, tổng lượng

bã nông nghiệp là khoảng 3,5-4 tỷ tấn mỗi năm, tương đương với 1,5 tỷ toe [2] Chỉ với lượng thu hoạch nông nghiệp cơ bản của thế giới và tỉ lệ thu hồi là 25% thì năng lượng tạo ra được là 0,9 toe và giúp giảm được 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 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 MW

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 [2] Đó là chưa kể các phần thừa và phần thải trong quá trình thu hoạch mía Thế nhưng 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], như phân trâu, bò, lợn, 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 mê-tan khá cao Do vậy, phương pháp này khá nguy hiểm vì các chất đọc hại sinh ra từ việc đốt phân là nguy hại đối với sức khỏe con người, là nguyên nhân gây ra 1,6 triệu người chết mỗi năm ở các nước 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 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 mê-tan và phân hủy yếm khí

Tiềm năng năng lượng toàn cầu từ phân thải được ước lượng là rất lớn, tuy nhiên, điều đó 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)

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 trường như 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 được thu gom dễ dàng sau các dự án công trường và cắt tỉa cây

b Chất thải rắn đô thị

Chất thải ở các trung tâm thương mại, cơ quan, trường học, nhà dân … có một hàm lượng nhất định của các 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

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 lượng lớn khí mê tan, có thể được thu hồi, chuyển dạng và dùng để tạo ra năng lượng Các chất thải này được 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 như một nguồn năng lượng sinh học tái tạo có rất nhiều lợi ích như: tăng cường 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 trường, mùi hôi thối và giúp việc quản lý chất thải một cách hiệu quả

1.1.2.6 Cây trồng năng lượng

Các giống cây năng lượng [1,2,4] 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 trồng các cây 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 sử dụng đất

a Các giống cây cỏ năng lượng

Đây là giống cây lâu năm được 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 như 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 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 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 cật liệu đặc trưng nhất định Ví dụ như cây dâm bụt và rơm dùng trong sản xuất sợi, cây thầu dầu 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 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

1.2 Những ưu điểm và hạn chế của năng lượng sinh khối

1.2.1 Ưu điểm của sinh khối

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 lượng của quốc gia

đó Từ khi năng lượng sinh khối được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu bản địa của nhiều nước 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 cường an ninh năng lượng quốc gia

c Kỹ thuật và kinh tế năng lượng

Sản xuất và sử dụng năng lượng 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 được cho các loại ô tô hiện có Cũng không cần thay đổi hệ thống tồn chứa

và phân phối hiện có năng lượng sinh khối và nhiên liệu khoáng có thể dùng lẫn với nhau được

Công nghệ sản xuất năng lượng 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 tương

tự như dùng xăng dầu khoáng Nhiều công trình nghiên cứu về cân bằng năng lượng

đã cho thấy:

Từ 1 đơn vị năng lượng dầu mỏ sản xuất được 0,87 đơn vị năng lượng xăng, hoặc 2,05 đơn vị năng lượng ethanol [10] Từ 1 đơn vị năng lượng dầu mỏ (dùng để cày bừa, trồng trọt, chăm sóc, vận chuyển đến chế biến) sẽ tạo ra 1,2 đơn vị năng lượng năng lượng sinh khối [10] Nếu kể thêm các sản phẩm phụ (bã thải, sản phẩm

phụ) thì tạo ra 2-3 đơn vị năng lượng sinh khối Như vậy, cân bằng năng lượng đầu

ra so với đầu vào là dương Hiện tại, giá năng lượng 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 lượng sinh khối có giá thành thấp hơn

Có thể khẳng định, năng lượng 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 lượng sinh khối sẽ không đòi hỏi đầu tư và xây dựng các nhà máy xử lý tổng hợp lớn Vì vậy, đầu tư và quy trình sản xuất năng lượng sinh khối có thể nằm trong phạm vi quy mô vừa và nhỏ có thể chấp nhận được Dựa vào nguyên liệu đầu vào và khả năng đầu ra, công suất của các nhà máy sản xuất năng lượng sinh khối có thể thiết kế phù hợp với yêu cầu đặc thù Các hoạt động sản xuất năng lượng sinh khối dựa vào các nguyên liệu nông nghiệp hoặc các hệ thống modul có thể được thực hiện để sản xuất năng lượng sinh khối phục vụ cho tiêu thụ cục bộ của các thiết bị có động cơ tại các trang trại Đầu tư cho năng lượng sinh khối có thể mở ra các cơ hội tham gia của các công ty trong nước

e Nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp

Ngành kinh tế nông nghiệp ngoài chức năng cung cấp lương thực thực phẩm, nguyên liệu công nghiệp, giờ đây có thêm chức năng cung cấp năng lượng sạch cho

xã hội, đóng góp vào việc giảm thiểu khí nhà kính và khí độc hại Việc sử dụng năng lượng sinh khối sẽ tạo điều kiện phát triển nông nghiệp, nhất là ở những nước

dư thừa đất đai (trung du, miền núi) có thể trồng mía, sắn và các cây có dầu Đặc biệt, khi phát triển năng lượng sinh khối có thể sử dụng các giống cây có dầu, chẳng hạn như J.Curcas trồng trên các vùng đất hoang hóa hoặc đang sử dụng kém hiệu quả, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng đất

f Đóng góp vào phát triển kinh tế- xã hội của các cộng đồng địa phương và các ngành kinh tế đang phát triển

Vai trò của ngành nông nghiệp trang trại trong dây chuyền sản xuất năng lượng sinh khối sẽ mở ra cơ hội cho các cộng đồng địa phương kết hợp hoạt động và thu được các lợi ích nhất định để có thể tạo ra phát triển kinh tế-xã hội Việc trồng rừng, kích thích và thu hoạch nhiên liệu đầu vào như cây mía, ngô, sắn và dầu cọ đòi hỏi phải tăng lực lượng lao động và các công việc thủ công Việc mở rộng sản xuất nông nghiệp do tăng nhu cầu các nguyên liệu thô cho sản xuất năng lượng sinh khối

có thể tạo ra việc làm mới và thu nhập nhiều hơn cho nông dân Tạo cơ hội việc làm trong sản xuất năng lượng sinh khối là rất lớn Ví dụ sản xuất năng lượng sinh khối

từ cây dầu mè làm nhiên liệu đầu vào được trồng như loại cây trồng chuyên dụng để sản xuất diesel sinh học, một diện tích cây mè 10.000 ha có thể thu được 30 triệu lít dầu diesel sinh học/năm có thể tạo ra 4.000 việc làm trực tiếp [4]

Xét về góc độ tạo việc làm trực tiếp của các thành viên trong hộ gia đình, cho thấy tác động của ngành công nghiệp này đối với cộng đồng địa phương là rất to lớn Việc tạo ra việc làm mới và các doanh nghiệp có thể tạo ra các hoạt động khác đem lại các lợi ích kinh tế-xã hội khác nữa cho cộng đồng Nhiều hoạt động kinh tế xuất hiện sẽ tạo ra lợi nhuận cho các chủ doanh nghiệp tại địa phương Cơ sở hạ tầng hoàn chỉnh có thể tạo ra đường xá mới hoặc được nâng cấp, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển các nhiên liệu đầu vào phục vụ cho sản xuất Kỹ năng làm việc của nhiều công nhân làm việc trong các dự án được nâng cao, tăng năng lực của các thành viên trong cộng đồng Hơn nữa, lợi ích kinh tế mà các cộng đồng được hưởng có thể lan tỏa và tạo ra các lợi ích xã hội khác nữa, như các dịch vụ chăm sóc sức khỏe, giáo dục, phúc lợi xã hội và các dịch vụ công cộng… Nếu quản

lý tốt, sản xuất năng lượng sinh khối có khả năng tạo điều kiện phát triển kinh tế-xã hội và đặc biệt là đóng góp vào công cuộc giảm đói nghèo

1.2.1.2 Lợi ích về mặt môi trường

Việc khám phá ra dầu mỏ đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong lịch sử phát triển của xã hội loài người Tuy nhiên, nó cũng làm phát sinh những vấn đề nan giải

trong quá trình khai thác và sử dụng dầu mỏ gây ra, đáng kể nhất là sự ô nhiễm môi trường do khí thải của quá trình đốt cháy nhiên liệu

Khí thải từ các hoạt động có liên quan đến sản phẩm dầu mỏ và nhiên liệu hóa thạch chiếm khoảng 70% tổng lượng khí thải trên toàn thế giới Hằng năm, toàn thế giới phát thải khoảng 25 tỷ tấn khí độc hại và khí nhà kính Nồng độ khí CO2 (loại khí nhà kính chủ yếu) tăng trên 30% so với thời kỳ tiền công nghiệp (từ 280 ppm tăng lên 360 ppm), nhiệt độ trái đất tăng 0,2- 0,4ºC Nếu không có giải pháp tích cực, thì đến năm 2050, tác hại của khí độc hại và nồng độ khí nhà kính có thể tăng lên 400 ppm và sẽ gây ra hậu quả khôn lường về môi trường sống [3,10]

Sử dụng năng lượng sinh khối là giảm thiểu ô nhiễm môi trường vì nguyên liệu

sử dụng để sản xuất năng lượng sinh khối là cồn và dầu mỡ động thực vật, không chứa các hợp chất thơm, hàm lượng lưu huỳnh cực thấp, không chứa chất độc hại

Sử dụng năng lượng sinh khối so với xăng dầu giảm khoảng được 70% khí CO2 và 30% khí độc hại, do năng lượng sinh khối chứa một lượng cực nhỏ lưu huỳnh, chứa 11% oxy, nên cháy sạch hơn năng lượng sinh khối phân hủy sinh học nhanh, ít gây

ô nhiễm nguồn nước và đất [3,10]

Các cây trồng nông nghiệp và các nguyên liệu sinh khối khác được coi là các nguyên liệu góp phần làm trung hòa các-bon bởi chu kỳ sống thực tế của nó, thực vật thu các-bon đi-ô-xít thông qua quá trình quang hợp Tuy nhiên, các nguyên liệu đầu vào sử dụng trong quá trình sản xuất năng lượng sinh khối được coi là nguyên liệu tái tạo và có khả năng làm giảm phát thải khí nhà kính

Tuy nhiên, cho dù các nhiên liệu đầu vào tự chúng có khả năng trung hòa bon, thì quá trình chuyển đổi các vật liệu thô thành năng lượng sinh khối có thể gây phát thải các-bon vào khí quyển Vì vậy, năng lượng sinh khối phải góp phần vào giảm phát thải các bon, chúng phải được chứng minh giảm thải thực sự khí nhà kính trong tất cả chu trình sản xuất và sử dụng năng lượng sinh khối

các-Bên cạnh đó, năng lượng sinh khối khi thải vào đất bị phân hủy sinh học cao gấp

4 lần so với nhiên liệu dầu mỏ và do đó giảm được rất nhiều tình trạng ô nhiễm đất

và nước ngầm

Vì vậy, việc sử dụng năng lượng sinh khối giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, giảm thiểu khí nhà kính giúp ngăn chặn vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu

1.2.1.3 Nhiên liệu sinh học và vấn đề phát triển bền vững

a Nguyên tắc của chiến lược phát triển bền vững

Giảm nhu cầu năng lượng hoàn nguyên và ưu tiên giảm nhu cầu dầu thô và sản phẩm dầu [2,10] vì:

 Dầu thô đã được thanh lọc thành sản phẩm dầu thỏa mãn gần một nửa nhu cầu năng lượng có khả năng sử dụng

 Có nhiều áp dụng công nghiệp bắt buộc phải tiêu thụ dầu thô hay sản phẩm dầu làm nguyên liệu

 Dầu thô là nguồn năng lượng cơ bản trong tương lai sẽ cạn trước nhất

Chú trọng đồng đều đến phát triển bền vững của ba ngành giao thông vận tải, công nghiệp và tiện nghi nhà ở vì mỗi ngành đó chia nhau gần đồng đều ba phần tư tổng lượng năng lượng khả dụng và những ngành khác chia nhau phần tư còn lại

b Các tác động áp dụng chiến lược phát triển bền vững

 Gia tăng hiệu suất năng lượng để giảm nhu cầu về năng lượng và giảm lượng khí có hiệu ứng nhà kính thải ra khí quản

 Chuyển sang một nguồn năng lượng khác dồi dào, tái tạo, ô nhiễm ít hơn để dành nguồn năng lượng đang dùng cho những công nghệ bắt buộc phải dùng đến năng lượng đó

 Chuyển sang những công nghệ khác đạt một hay cả hai hiệu quả trên

c Phát triển nhiên liệu sinh học hiệu quả bền vững

Phát triển nhiên liệu sinh học góp phần cân đối nhiên liệu, giảm lượng xăng dầu nhập, cải thiện cán cân thương mại, nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp theo hướng phát triển bền vững do việc thúc đẩy tăng năng suất các loại nguyên liệu mới thân thiện với môi trường [2,10]

Sử dụng nhiên liệu sinh học khá thuận tiện, đơn giản, hạn chế thấp nhất chi phí thay thế hay cải biến động cơ, giá thành thường thấp hơn các loại sản phẩm năng lượng từ nguồn nguyên liệu hóa thạch khác nên có tính hiệu quả kinh tế

Nguyên liệu làm nhiên liệu sinh học rất đa dạng bao gồm nguyên liệu chứa đường (mía, củ cải đường, cao lương ngọt…), chứa tinh bột (ngô, sắn, cao lương), chứa dầu (mỡ động thực vật, tảo, bèo dâu kể cả dầu đã qua sử dụng), chứa cellulose (phế liệu nông lâm nghiệp…) và những nguyên liệu khác chứa lipid và hydrat các-bon

Nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học ưu tiên lựa chọn với tiêu chí không dùng làm lương thực thực phẩm, có năng suất và hiệu suất chuyển hóa nhiên liệu cao, có tiềm năng trồng trên đất nghèo dinh dưỡng và ao hồ hoang hóa Đặc biệt, loại nguyên liệu này phải có giá thành thấp như là các phế liệu nông lâm nghiệp và công nghiệp chế biến Đồng thời, phát triển nhiên liệu sinh học để đảm bảo an ninh năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính [2,10]

1.2.2 Hạn chế của năng lượng sinh khối

 So với năng lượng hóa thạch thì hiệu suất sản sinh năng lượng của sinh khối thấp Chi phí đầu tư cao, và năng suất có thể thấp hơn khi sử dụng các công nghệ khác Tuy nhiên về mặt phát triển lâu dài thì hoàn toàn khả thi

 Khó sử dụng, quá trình chuyển đổi năng lượng phức tạp

 Việc thu gom tập trung và lưu trữ khó khăn, phụ thuộc vào mùa vụ, thời tiết

 Việc sử dụng nguồn sinh khối từ gỗ nhiều sẽ gây tác động tiêu cực đến môi trường, phá rừng gây xói mòn đất, sa mạc hóa và nhiều hậu quả nghiêm trọng khác

 Chịu sự cạnh tranh lớn từ các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống và những nhu cầu sử dụng sinh khối cho các mục đích khác

1.3 Công nghệ sản xuất năng lượng sinh khối

Sinh khối có thể được xử lý ở nhiều dạng chuyển đổi khác nhau để tạo ra năng lượng, nhiệt lượng, hơi và nhiên liệu [2,6,10] Hầu hết các quá trình chuyển đổi sinh khối có thể được chia ra làm hai loại như sau:

 Chuyển đổi nhiệt hóa: bao gồm đốt nhiệt, khí hóa và nhiệt phân

 Chuyển đổi sinh hóa: bao gồm phân hủy yếm khí (sản phẩm sinh khối và hỗn

hợp methane và CO2) và lên men (sản phẩm ethanol)

Hình 1.6 Quá trình chuyển đổi NLSK thành điện năng

Một quá trình khác là chiết xuất, chủ yếu là quá trình cơ học, có nhiều cách chiết suất khác nhau, phụ thuộc vào sản phẩm của quá trình này là nhiệt, điện năng hoặc nhiên liệu

1.3.1 Sản xuất điện từ năng lượng sinh khối

Cho đến ngày nay, có khá nhiều kỹ thuật chuyển sinh khối thành điện năng [2,5,6,9,10] Các công nghệ phổ biến nhất bao gồm: đốt trực tiếp hoặc tạo hơi nước thông thường, nhiệt phân đốt kết hợp co-firing, khí hóa, phân hủy yếm khí, sản xuất điện từ khí thải bãi chôn lấp rác

a Công nghệ đốt trực tiếp và lò hơi

Đây là 2 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 2 dạng hệ thống này đều đốt trực tiếp các nguồn nguyên liệu sinh học để tạo hơi nước dùng quay tua-bin 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, 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 dụng

lò đốt 2 cấp – two-chamber combustion chamber) hoặc lò hơi stoker Khí nóng sau

đó được chuyển qua tua-bin và quay cánh tua-bin, vận hành rô-to máy phát điện

Hình 1.7 Công nghệ đốt trực tiếp và lò hơi

Khi được sử dụng để đốt trực tiếp, sinh khối phải được hun khô, 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 để tạo nhiệt Nhiệt tạo ra từ quá trình đun, ngoài việc cung cấp cho tua-bin 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), 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

Hình 1.8 Sơ đồ mô tả quá trình đốt liên kết

Trong quá trình đốt liên kết, sinh khối bắt nguồn từ gỗ và cây cỏ như gỗ dương liễu, cỏ mềm có thể được trộn một phần vào nguyên liệu cho nhà máy than thông thường Quá trình này, sinh khối có thể chiếm tỉ lệ 1%-15% tổng năng lượng của nhà máy than 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

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

Về thành phần chính: thành phần chính của biogas là CH4 (50-60%) và CO2(>30%) còn lại là các chất khác như N2, O2, H2S, CO,CH4… tạo ra sự cháy khi tiếp xúc với oxy do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ và chạy máy phát Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng vì

H2S là một khí rất độc tạo nên hỗn hợp nổ với không khí Khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ và làm ô nhiễm môi trường không khí, sản phẩm của nó là

SOX cũng là một khí rất độc Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kế đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỉ lệ không khí/ nhiên liệu của biogas

Do đó để có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu, việc đầu tiên là phải lọc các tạp chất có hại Sử dụng biogas nói riêng và các nguồn năng lượng tái sinh có nguồn

gốc từ năng lượng mặt trời nói chung không làm tăng nồng độ CO2 trong bầu khí quyển

b Mô hình xây dựng hầm chứa

Hình1.9 Mô hình xây dựng hầm chứa

 Cấu tạo hầm chứa khí biogas bao gồm:

1 Đường ống dẫn các chất thải động vật, hay các chất thải hữu cơ

2 Bể chứa kín để lên men quá trình phân hủy

3 Đường ống dẫn đến nơi tiêu thụ

4 Túi trữ khí

 Nguyên lý làm việc của bể sinh khí biogas:

Chất thải động vật, hay chất thải các chất hữu cơ và nước được đưa vào bộ phận nạp liệu, ở đây chúng được hoà trộn cho đều rồi pha loãng với chất khô và nước tạo thành hỗn hợp nguyên liệu đưa vào bộ phận phân huỷ thông qua ống dẫn liệu vào Trong bộ phận phân huỷ, do hoạt động của các vi sinh vật lên men kỵ khí các chất hữu cơ tạo ra sản phẩm cuối cùng là khí sinh vật Các hợp chất hữu cơ còn lại trong chất liệu nhão là một thứ phân có chất lượng rất cao Khí mê-tan được sinh ra tụ lại trong một bộ phận chứa khí, từ đó được dẫn đến nơi tiêu thụ với các mục đích khác nhau

 Chất lượng khí biogas cũng bị ảnh hưởng do các yếu tố:

- Do nhiệt độ môi trường

Trong điều kiện tự nhiên, nhiệt độ thích hợp nhất đối với chúng là 30ºC đến 400ºC Nhiệt độ thấp hoặc thay đổi đột ngột đều làm cho quá trình sinh khí mê-tan yếu đi Nhiệt độ môi trường xuống dưới 100ºC thì quá trình phân hủy gần như ngừng hẳn Vì vậy tại những vùng lạnh cần bảo đảm cách nhiệt tốt để giữ ấm cho thiết bị

- Mức độ kỵ khí

Khí sinh vật được sinh ra do hoạt động của rất nhiều vi sinh vật, trong đó các vi khuẩn mê-tan là quan trọng nhất Những vi khuẩn này chỉ sống trong môi trường tuyệt đối không có oxy Vì vậy đảm bảo cho môi trường tuyệt đối kỵ khí là yếu tố quan trọng đầu tiên

- Hàm lượng chất khô

Khi ta sấy khô nguyên liệu, nước sẽ bay hơi hết và còn lại là phần chất khô của nguyên liệu Hàm lượng chất khô là tỉ lệ giữa trọng lượng chất khô và tổng trọng lượng của nguyên liệu, thường được biểu thị bằng phần trăm

- Thời gian lưu

Thời gian lưu là thời gian nguyên liệu nằm trong bể phân hủy của thiết bị khí biogas Chính trong thời gian này nguyên liệu bị phân hủy kị khí và sinh ra khí biogas

- Tỉ lệ các-bon và ni-tơ

Các chất hữu cơ gồm các nguyên tố hóa học, chủ yếu là các-bon(C), hydro(H2), oxy (O2), lưu huỳnh (S), phốt-pho (P) và ni-tơ (N2) Tỉ lệ giữa trọng lượng của các-bon và nitơ (C/N) có trong thành phần nguyên liệu là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá khả năng phân hủy của nó

- Các độc tố

Hoạt động của vi khuẩn chịu ảnh hưởng của một số hóa chất Khi hàm lượng của những chất này vượt quá một thời hạn nhất định, các vi khuẩn có thể bị tiêu diệt

c Một số hình ảnh hầm chứa biogas qui mô lớn

Hình 1.10 Quá trình xây dựng hầm chứa qui mô lớn

Hình 1.11 Hầm chứa biogas bằng bạt HDPE

1.3.2.2 Điều chế khí sạch cho máy phát điện

Khí biogas là hợp chất khí bao gồm: khí mê-tan chiếm khoảng 60-70%, khí CO2chiếm lớn hơn 30% và một số tạp chất khí khác như: H2S, N2, Khí CH4 sản sinh ra

sự cháy, CO2 làm giảm khả năng đốt cháy của khí, khí H2S làm gây tắt thở khi hít phải và khi đốt cháy nó sinh ra lượng axít H2SO4 làm ăn mòn kim loại Để có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu, việc đầu tiên là phải lọc các tạp chất có hại Do đó ta phải tìm cách loại bỏ các khí này khi đưa vào máy phát điện

a Khử các tạp chất của khí biogas

Trên cơ sở thực tiễn và đã thành công ở nhiều nơi, việc loại bỏ các tạp chất trong khí biogas thường được thực hiện bằng phương pháp hấp phụ Đây là một phương pháp đơn giản, rẻ tiền có ứng dụng hiệu quả thành công cao

 Phương pháp hấp phụ [6,9,10] là gì?

Khác với quá trình hấp thụ, trong quá trình hấp phụ người ta dùng chất rắn xốp

để hút các chất khí độc có trong khí thải trên bề mặt chất rắn được gọi là chất hấp phụ và các cấu tử khí được hút vào bề mặt chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ Phương pháp này được dùng phổ biến nhất trong việc thu hồi các nguyên tử kim loại quý để sử dụng lại trong công nghiệp hóa chất

Trong kĩ thuật xử lý ô nhiễm không khí, phương pháp hấp phụ được dùng để thu hồi và sử dụng lại hơi của các chất hữu cơ, khử mùi thải ra của các nhà máy sản xuất thực phẩm, thuộc da, nhuộm, chế biến khí tự nhiên, công nghệ tổng hợp hữu

cơ…

b Hấp phụ loại bỏ H 2 S

Trong các thành phần trên, H2S dù chỉ chiếm một

tỉ lệ rất nhỏ, nhưng là khí có hại nhất Khi sử dụng để

nấu bếp, H2S gây ăn mòn các ống dẫn, bếp nấu, và

làm cho biogas có mùi hôi khó chịu H2S khi cháy tạo

thành SO2 cũng là khí độc hại đối với sức khỏe con

người Khi sử dụng cho động cơ, H2S gây ăn mòn các

chi tiết của đường ống nạp-thải và buồng cháy, làm

giảm tuổi thọ của động cơ

độ oxy hóa Phản ứng oxy hóa phoi sắt diễn ra như sau:

Fe + 1/2 O2 → FeO 2Fe + 3/2O2 → Fe2O33Fe + 2O2 → Fe3O4Oxít sắt tạo thành là hỗn hợp của các oxít FeO, Fe2O3, Fe3O4 Các phản ứng trên

có thể được xúc tiến nhanh hơn bằng cách tưới nước trên phoi sắt Quá trình oxy hóa sắt đạt yêu cầu khi bề mặt phoi sắt chuyển từ màu xám sang màu vàng xốp, hoặc đỏ xốp

Khi khí biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxít sắt, H2S được tách ra theo các phản ứng sau:

Fe2O3 + 3H2S → Fe2S3 + 3H2O

Fe3O4 + 4H2S → FeS+Fe2S3 + 4H2O FeO + H2S → FeS + H2O

Khi hiệu suất của thiết bị giảm thấp, chúng ta có thể tái sinh lõi lọc bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí Để gia tốc quá trình tái sinh, chúng ta có thể đốt phoi sắt đã sử dụng trong 15 phút Tuy nhiên quá trình này tạo ra chất khí ô nhiễm

SO2:

Fe2S3 + 9/2O2 → Fe2O3 + 3SO2FeS + 3/2O2 → FeO + SO2Phoi sắt có thể được tái sử dụng từ 3-5 lần Phoi sắt sau khi đốt được trộn với vỏ bào cưa với tỉ lệ 1:1 về thể tích, sau đó được cho vào thiết bị lọc

Hình 1.12 Tháp hấp phụ H 2 S

c Hấp phụ loại bỏ khí CO 2

Là chất khí không cháy, không màu, không mùi

Nặng gấp 1.5 lần không khí Nếu khí này chiếm tỉ lệ cao

trong khí sinh học sẽ làm cho chất lượng khí sinh học

kém đi Khí CO2 tuy không gây ăn mòn như H2S, nhưng

sự hiện diện của nó với hàm lượng lớn làm giảm nhiệt

trị của nhiên liệu Thành phần hơi nước cũng gây ảnh

Được đặc trưng bởi tính kỵ nước

Vì vậy, nó được ứng dụng rộng rãi để

xử lý khí có các dạng ẩm khác nhau

Than hoạt tính có thể được chế tạo từ

các nguyên liệu giàu các-bon như:

Than bùn, than đá, các thực vật (gỗ,

mùn cưa, gáo dừa…) Than hoạt tính

là một chất gồm chủ yếu là nguyên tố

Carbon ở dạng vô định hình (bột), một

phần nữa ở dạng tinh thể vụn graphit

(ngoài các-bon thì phần còn lại thường

là tàn tro, mà chủ yếu là các kim loại

- Nhiệt độ càng tăng thì khả năng hấp phụ của than hoạt tính càng giảm

- Mặt khác vì chiều cao lớp vật liệu hấp phụ tăng thì thời gian tiếp xúc giữa dòng khí và vật liệu hấp phụ tăng do vậy hiệu suất hấp phụ cũng tăng theo chiều cao

- Ở nhiệt độ môi trường 300ºC là nhiệt độ tốt nhất để than hấp phụ