bài giảng năng lượng tái tạo

Một khi ánh sáng Mặt Trời được hấp thụ bởi các vật liệu này, năng lượng Mặt Trời sẽ đánh bật các hạt điện tích electron năng lượng thấp trong nguyên tử của vật liệu bán dẫn, cho phép các

Thời lượng giảng dạy: 30 tiết

TP HỒ CHÍ MINH – 2016

LƯU HÀNH NỘI BỘ

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1

1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời 1

1.2 Nguồn năng lượng mặt trời 2

1.3 Chuyển năng lượng mặt trời thành điện (Quang điện) 7

1.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin quang điện 7

1.3.2 Các ứng dụng của Quang Điện 10

1.3.3 Các dạng hệ thống Quang Điện 12

1.4 Nhiệt mặt trời 15

1.4.1 Chuyển hóa nhiệt Mặt Trời thành điện 15

1.4.2 Các hệ thống thu hội tụ ánh sáng Mặt Trời 16

1.5 Các tác động về môi trường 20

1.6 Giá thành 21

CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI 22

2.1 Tổng quan về năng lượng sinh khối 22

2.2 Nguồn gốc của sinh khối 24

2.2.1 Chất bã của sinh khối đã qua xử lý 26

2.2.2 Bột giấy và các chất bã trong quá trình sản xuất giấy 26

2.2.3 Bã cây rừng (Forestry residues) 26

2.2.4 Bã nông nghiệp (Agricultural residues) 27

2.2.5 Chất thải từ gia súc (Livestock residues) 28

2.2.6 Các loại bã thải khác 30

2.2.7 Cây trồng năng lượng (Energy forestry/crops) 30

2.3 Ứng dụng của năng lượng sinh khối 32

2.3.1 Sản xuất nhiệt truyền thống 33

2.3.2 Nhiên liệu sinh khối 33

2.3.3 Sản xuất điện từ năng lượng sinh khối 36

2.4 Các tác động về môi trường 43

CHƯƠNG 3: NĂNG LƯỢNG GIÓ 46

3.1 Tổng quan về năng lượng gió 46

3.2 Tổng quan về năng lượng gió 47

3.3 Nguồn Năng Lượng Gió 50

3.3.1 Turbin gió 50

3.3.2 Vị trí đặt turbin 54

3.3.3 Đánh giá năng lượng sản sinh 56

3.4 Tác động về môi trường 57

3.4.1 Các mặt thuận lợi 57

3.4.2 Các mặt bất lợi 59

CHƯƠNG 4: NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT 60

4.1 Tổng quan về năng lượng địa nhiệt 60

4.2 Nguồn năng lượng địa nhiệt 61

4.3 Các ứng dụng của Địa Nhiệt 70

4.3.1 Đặc tính của chất bán dẫn 71

4.3.2 Biểu thức hiệu suất 77

4.3.2 Biểu thức hiệu suất 77

4.4 Các vấn đề môi trường khác 79

CHƯƠNG 5: CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG KHÁC 81

5.1 Thủy điện 81

5.1.1 Đánh giá tiềm năng thủy điện 83

5.1.2 Các đập thủy điện 86

5.1.3 Turbin thủy lực 87

5.1.4 Các tác động về môi trường 91

5.1.5 Các tác động về xã hội 93

5.2 Năng lượng thủy triều 93

5.3 Năng lượng sóng biển 99

5.4 Năng lượng nguyên tử 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

CHƯƠNG 1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời

Mặt Trời là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người có thể tận dụng được: sạch, mạnh mẽ, dồi dào, đáng tin cậy, gần như vô tận, và có ở khắp nơi dù ít hay nhiều Việc thu giữ năng lượng Mặt Trời (NLMT) gần như không có ảnh hưởng tiêu cực gì đến môi trường Việc sử dụng NLMT không thải ra khí và nước độc hại, do đó không góp phần vào vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính

Hai phương pháp phổ biến dùng để thu nhận và trữ năng lượng Mặt Trời là phương pháp thụ động và phương pháp chủ động Phương pháp thụ động sử dụng các nguyên tắc thu giữ nhiệt trong cấu trúc và vật liệu của các công trình xây dựng Phương pháp chủ động sử dụng các thiết bị đặc biệt để thu bức xạ nhiệt và sử dụng các hệ thống quạt và máy bơm để phân phối nhiệt Phương pháp thụ động có lịch sử phát triển dài hơn hẳn, trong khi phương pháp chủ động chỉ mới được phát triển chủ yếu trong thế kỷ 20

Riêng trong năm 2004, tổng công suất lắp đặt điện Mặt Trời toàn cầu đạt 927

MW, tăng gần gấp đôi so với năm 2003 (574) và gấp hơn 40 lần so với 20 năm trước Các quốc gia phát triển trên thế giới đang thúc đẩy mạnh mẽ các kế hoạch phát triển Điện Mặt Trời thông qua cải thiện kỹ thuật cũng như trợ vốn

1.2 Nguồn năng lượng mặt trời

Mặt Trời là một khối cầu có đường kính khoáng 1,4 triệu km với thành phần gồm các khí có nhiệt độ rất cao Nhiệt độ bên trong Mặt Trời đạt đến gần 15 triệu độ, với áp suất gấp 70 tỷ lần áp suất khí quyển của Trái Đất Đây là điều kiện lý tưởng cho các phản ứng phân hạch của các nguyên tử hydro Bức xạ gamma từ các phản ứng phân hạch này, trong qua trình được truyền từ tâm Mặt Trời ra ngoài, tương tác vơi các nguyên tố khác bên trong Mặt Trời và chuyển thành bức xạ có mức năng lượng thấp hơn, chủ yếu là ánh sáng và phần nhiệt của phổ năng lượng Bức xạ điện

từ này, với phổ năng lượng trải dài từ cực tím đến hồng ngoại, phát ra không gian ở mọi hướng khác nhau Quá trình bức xạ của Mặt Trời diễn ra từ 5 tỷ năm nay, và sẽ còn tiếp tục trong vài tỷ năm nữa

1.1.

Mỗi giây, Mặt Trời phát ra một khối năng lượng khổng lồ vào Thái Dương

Hệ, tuy nhiên chỉ một phần rất nhỏ tổng lượng bức xạ đến được Trái Đất Tuy nhiên, phần năng lượng này vẫn được xem là rất lớn, vào khoảng 1.367 MW/m2 ở ngoại tầng khí quyển của Trái Đất Một phần lớn bức xạ Mặt Trời phản xạ lại về không gian trên bề mặt các đám mây 99% bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất chuyển thành nhiệt và sau đó tỏa nhiệt lại về không gian Chỉ cần một phần nhỏ năng lượng Mặt Trời được sử dụng thì có thể đáp ứng được nhu cầu về năng lượng của thế giới

1.2.

1.3 Chuyển năng lượng Mặt Trời thành điện (QUANG ĐIỆN)

Các tấm pin Mặt Trời chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành điện năng, như thường được thấy trong các máy tính cầm tay hay đồng hồ đeo tay Chúng được làm

từ các vật liệu bán dẫn tương tự như trong các con bộ điện tử trong máy tính Một khi ánh sáng Mặt Trời được hấp thụ bởi các vật liệu này, năng lượng Mặt Trời sẽ đánh bật các hạt điện tích (electron) năng lượng thấp trong nguyên tử của vật liệu bán dẫn, cho phép các hạt tích điện này di chuyển trong vật liệu và tạo thành điện Quá trình chuyển đổi photon thành điện này này gọi là hiệu ứng quang điện Cho dù được phát hiện từ hơn 200 năm trước, kỹ thuật quang điện chỉ phát triển rộng rãi trong ứng dụng dân sự kể từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973

Các pin Mặt Trời thông thường được lắp thành một module khoảng 40 phiến pin, và 10 module sẽ được lắp gộp lại thành chuỗi Quang điện có thể dài vài mét Các chuỗi Pin Mặt Trời dạng phẳng này được lắp ở một góc cố định hướng về phía Nam, hoặc được lắp trên một hệ thống hiệu chỉnh hướng nắng để luôn bắt được nắng theo

sự thay đổi quĩ đạo của nắng Mặt Trời Qui mô hệ thống quang điện có thể từ mức 10-20 chuỗi quang điện cho các ứng dụng dân sự, cho đến hệ thống lớn bao gồm hàng trăm chuỗi quang điện kết nối với nhau để cung cấp cho các cơ sở sản xuất điện hay trong các ứng dụng công nghiệp

Một số dạng pin Mặt Trời được thiết kế để vận hành trong điều kiện ánh sáng Mặt Trời hội tụ Các Pin Mặt Trời này được lắp đặt thành các collector tập trung ánh sáng Mặt Trời sử dụng các lăng kính hội tụ ánh sáng Phương pháp này có mặt thuật lợi và bất lợi so với mạng Pin Mặt Trời dạng phẳng (flat-plate PV) Thuận lợi ở điểm

là sử dụng rất ít các vật liệu Pin Mặt Trời bán dẫn đắt tiền trong khi đó hấp tối đa ánh sáng Mặt Trời Mặt bất lợi là các lăng kính hội tụ phải được hướng thẳng đến Mặt Trời, do đó việc sử dụng các hệ hấp thu tập trung chỉ khai triển ở những khu vực có nắng nhiều nhất, đa số đòi hỏi việc sử dụng các thiết bị hiệu chỉnh hướng nằng tối tân, kỹ thuật cao

Hiệu quả của Pin Mặt Trời phụ thuộc trực tiếp vào hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành điện năng của phiến pin MặT TRờI Chỉ có ánh sáng Mặt Trời với mức năng lượng nhất định mới có thể chuyển đổi một cách hiệu quả thành điện năng, chưa

kể đến một phần lớn lượng ánh sáng bị phản chiếu lại hoặc hấp thu bởi vật liệu cấu thành phiến pin Do đó, hiệu suất tiêu biểu cho các loại pin Mặt Trời thương mại hiện nay vẫn tương đới thấp, khoảng 15% (tương đương với 1/6 bức xạ Mặt Trời chiếu đến pin được chuyển thành điện)

Hiệu suất thấp dẫn đến việc đòi hỏi tăng diện tích lắp đặt để đạt được công suất đưa ra, tức là tăng giá thành sản xuầt Do đó, mục tiêu hành đầu hiện nay của ngành công nghiệp ĐMT là tăng hiệu quả Pin và giảm giá thành trên đơn vị phiến pin

1.3.

1.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin quang điện

a) Phiến pin quang điện (Photovoltaic Cell)

Phiến pin quang điện là kỳ công của vật lý tinh thể và bán dẫn Nó được cấu tạo từ các lớp phẳng và mỏng của các vật liệu đặc biệt gọi là bán dẫn xếp chồng lên nhau (Hình 1.4)

1.4.

Có 3 lớp vật liệu chính: lớp trên cùng gọi là silicon loại n (n: negative, âm), vật liệu này có khả năng “phóng thích” các hạt tích điện âm gọi là electron một khi được đưa ra ngoài ánh sáng mặt trời Lớp dưới cùng gọi là lớp p, tích điện dương khi tiếp xúc với bức xạ Mặt Trời (p: positive, dương) Lớp vật liệu ở giữa gọi là lớp chèn (junction), lớp này có vai trò như một lớp phân cách (insulator) giữa lớp n và lớp p Các eletron được phóng thích từ lớp n sẽ di chuyển theo đường ít bị cản trở nhất, tức

là di chuyển từ lớp n tích điện âm ở bên trên về lớp p tích điện dương ở bên dưới Như vậy, nếu vùng p và vùng n được nối bởi một mạch điện tạo bởi các dây dẫn mỏng, dòng electron sẽ di chuyển trong mạch điện này, tạo ra dòng điện một chiều

có thể được sử dụng trực tiếp hoặc được “dự trữ” để dùng sau Cường độ dòng điện sinh ra phụ thuộc vào số lượng và phương thức nối các tế bào Mặt Trời trong pin Mặt Trời

Vật liệu bán dẫn cơ bản và được sử dụng rộng rãi nhất trong tế bào quang điện

là silicon đơn tinh thể Các tế bào silicon đơn tinh thể cũng có hiệu suất cao hơn cả, thông thường có thể chuyển đổi đến 23% năng lượng Mặt Trời thu nhận được thành điện Các tế bào này cũng rất bền và có tuổi thọ sử dụng cao Vấn đề chủ yếu là giá thành sản xuất Tạo nên silicon tinh thể lớn và cắt chúng thanh những miếng nhỏ và mỏng (0,1-0,3 mm) là rất tốn thời gian và chi phí cao Do lý do này, để giảm giá thành sản xuất, người ta phát triển nghiên cứu các vật liệu thay thế cho tế bào silicon đơn tinh thế, ví dụ như tế bào silicon đa tinh thể, các pin quang điện công nghệ “màng mỏng”, và các tổ hợp tập trung

b) Hệ thống Pin Quang Điện (Photovoltaic System)

Cơ chế quang điện cho thấy cường độ dòng quang điện tỷ lệ thuận với cường

độ ánh sáng Mặt Trời Dòng điện sinh ra truyền qua chuỗi các tế bào quang điện, hay còn gọi là module quang điện, có thể cung cấp điện ở bất cứ qui mô nào, từ vài miliwatt (mW) như trong máy tính bỏ túi cho đến vài megawatt (MW) như qui mô các nhà máy điện Dòng quang điện một chiều có thể được nạp vào bình acqui để dự trữ cho các sinh hoạt về ban đêm hoặc vào những ngày không có nắng Một bộ điều khiển thường được cài giữa module và bình ắc qui như một dạng ổn áp, giúp tránh trường hợp ắc qui bị sạc quá tải Toàn bộ các thiết bị này liên kết lại thành hệ thống Quang Điện sản xuất điện một chiều có điện thế do động từ 12 đến 24 volt Điện một chiều có thể được chuyển đổi thành điện xoay chiều thông qua bộ biến điện Bộ biến điện DC/AC ngày nay có công suất từ 100W - 20 KW và hiệu suất đạt tới 90%

Các module có thể được lắp nối với nhau một cách dễ dàng tạo thành chuỗi module có công suất đáp ứng với nhu cầu điện đặt ra (Hình 1.6) Một khi được lắp đặt, thì chi phí bảo trì cho module gần như không đáng kể

Module và các chuỗi quang điện thường được đánh giá dựa vào công suất tối

đa của chúng ở điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (Standard Test Conditions, viết tắt

là STC) STC được qui định là module vận hành ở nhiệt độ 250C với tổng lượng bức

xạ chiếu lên module là 1000 W/m2 và dưới phân bố phổ của khối khí 1,5 (Air Mass 1,5, góc nắng chiếu nghiêng 370) Do các điều kiện thử nghiệm trong phòng thí nghiệm là tương đối lý tưởng so với điều kiện thực tế của các khu vực lắp đặt ĐMT, các module chỉ đặt hiệu suất cỡ 85-90% hiệu suất thử nghiệm ở điều kiện chuẩn (STC) Các module quang điện ngày này rất an toàn, bền và đáng tin cậy, với tuổi thọ

sử dụng dao động từ 20-30 năm

c) Hiệu suất của Pin Mặt Trời

Hiệu suất tối đa của phần lớn pin MT hiện nay trên thị trường là 15%, tức là chỉ có 15% ánh nắng Mặt Trời được Pin Mặt Trời chuyển thành điện Mặc dù trên lý thuyết, hiệu suất tối đa của pin Mặt Trời có thể đạt đến 32,3% (tức là có giá trị kinh

tế rất lớn), trên thực tế hiệu suất thấp hơn hơn một nửa giá trị lý thuyết, và con số 15% không được các ngành công nghiệp năng lượng xem là mang lại lợi ích kinh tế Các tiến bộ kỹ thuật gần đây cho phép tạo ra trong phòng thí nghiệm các tế bào quang điện đạt hiệu suất tới 28,2% (Hình 1.5) Các pin Mặt Trời dạng này vẫn còn phải qua các thử nghiệm trong điều kiện thực tế Nếu thử nghiệm thành công trong các môi trường thử nghiệm khắc nghiệt trong tự nhiên, các pin Mặt Trời dạng này sẽ được xem là mang lại lợi ích kinh tế cụ thể và do đó việc phát triển điện Mặt Trời qui mô lớn là có tính khả thi về mặt kinh tế

1.3.2 Các ứng dụng của Quang Điện

Ngày nay, ứng dụng của ĐMT rất đa dạng Ở qui mô nhỏ, ĐMT được sử dụng

để cung cấp điện cho việc thắp sáng nhà cửa, tủ lạnh và các ứng dụng gia dụng và

kinh doanh ĐMT đặc biệt có giá trị ở vùng sâu vùng xa, khi việc kết nối với lưới

điện là rất tốn kém hoặc không khả thi Ở qui mô lớn hơn, các nhà máy ĐMT được

sử dụng để cung cấp điện bổ sung vào hệ thống lưới điện trung tâm

Các ứng dụng về viễn thông của ĐMT cũng rất đa dạng Pin Mặt Trời được

dùng trong thu phát vi sóng, các hệ thống đài vô tuyến cầm tay, các hệ thống điều

khiển từ xa, truyền thông vô tuyến, điện thoại, các hộp điện thoại khẩn cấp trên xa lộ

Nhiều ứng dụng trong thiết bị điện tử gia dụng như máy tính cầm tay, máy vi tính,

đồng hồ đo tay, máy thu hình

1.5.

Các hệ thống chiếu sáng từ xa cũng sử dụng rất rộng rãi ĐMT, phổ biến nhất

là các bảng quảng cáo, bảng tín hiệu giao thông, các trạm đỗ xe Các cơ sở công nghiệp, quân sự, giao thông vận tải và các ngành công nghiệp dầu khí cũng sử dụng các hệ thống ĐMT để vận hành các tín hiệu cảnh báo, các đèn hiệu cột mốc dẫn đường, các tín hiệu khẩn cấp, các bảng điều khiển giao thông, các tín hiệu xe lửa v.v

1.6.

Một trong những ứng dụng rộng rãi nhất ngày nay của ĐMT là cung cấp điện cho các trạm theo dõi dự báo đặt ở vùng sâu vùng xa Hầu hết trong số hơn 20 ngàn

hệ thống ĐMT phục vụ công tác dự báo sử dụng ngày nay trên khắp thế giới có công suất nhỏ hơn 200 W và dùng để theo dõi thời tiết, nhiệt độ và lưu lượng nước, giám sát lượng chất thải công nghiệp và rò rỉ đường ống…

Pin Mặt Trời còn có thể cung cấp điện cho hệ thống bơm nước phục vụ tưới tiêu, nước sinh hoạt hoặc nước sử dụng trong các nhà máy công nghiệp

1.3.3 Các dạng hệ thống Quang Điện

a) Hệ thống hòa mạng

Có hai dạng hệ thống quang điện kết mạng: trực tiếp và trữ ắc qui Module quang điện và bổ chuyển AC/DC là 2 thành phần thiết yếu trong cả 2 dạng hệ thống hòa mạng Module quang điện có vai trò chuyển đổi ánh sáng Mặt Trời thành dòng điện một chiều, và bộ chuyển AC/DC chuyển dòng điện một chiều này thành điện 2 chiều

Hệ thống quang điện nối mạng trực tiếp tương đối đơn giản hơn và hiệu quả hơn trong vài trường hợp Hệ thống này chuyển đổi tức thời dòng điện một chiều thành điện xoay chiều và kết nối vào đồng hồ điện trung tâm Tại đây, quang điện chia tải với hệ thống điện lưới và quay ngược đồng hồ điện bất cứ khi nào có thặng

dư điện Đây là dạng thiết kế giá thành thấp/tiết kiệm Hệ thống này không có biện pháp dự phòng vì nó không sử dụng bất cứ thiết bị trữ điện nào Nếu nguồn điện trung tâm bị cắt, thì sẽ xảy ra hiện tượng cúp điện ở đầu tải

Hệ thống quang điện sử dụng bình trữ điện ắc qui thì khắc phục được trường hợp mất điện khi nguồn điện trung tâm bị cắt Hệ thống bao gồm một bộ ắc qui và các thiết bị điều khiển điện tử phức tạp Một khi nguồn điện trung tâm bị cắt vào ban tối, điện dự trự từ ắc qui sẽ được sử dụng thay thế cho đến khi cạn nguồn dự trữ Nếu nguồn điện bị cắt vào ban ngày, hệ thống pin quang điện sẽ liên tục nạp ắc qui, từ đó kéo dài khả năng dự trữ điện cho ban tối

b) Hệ thống đơn lẻ (cục bộ - stand alone)

Các hệ thống quang điện cục bộ được thiết kế để vận hành một cách độc lập đới với mạng điện lưới Qui mô và thiết kế của hệ thống dạng này phù hợp cho các tải điện một chiều và/hoặc điện xoay chiều công suất nhỏ Hệ thống cục bộ có thể chỉ hoạt động dựa vào duy nhất các mạng module quang điện, hoặc có thể kết hợp với các nguồn khác khác như điện gió, máy phát diesel như nguồn phát thứ cấp (còn gọi là hệ quang điện liên kết – hybrid system, xem hình)

1.7.

Dạng đơn giản nhất của hệ thống quang điện cục bộ là hệ thống liên kết tải trực tiếp, tức là dòng điện một chiều phát ra từ module quang điện sẽ được dẫn trực tiếp vào tải mà không qua hệ thống trữ điện trung gian (như bình ắc qui) Đương nhiên là hệ thống này chỉ có tác dụng vào ban ngày vài những giờ nắng, cung cấp điện cho các tải nhỏ như hệ thống quạt lưu thông khí, hệ thống đun nước nhiệt Mặt Trời Phần thiết kế quan trọng nhất cho hệ thống trực tiếp là tính toán điện trợ tải sau cho phù hợp với công suất tối đa của chuỗi pin Mặt Trời Đối với một số loại tải như máy bơm nước, người ta gắn một dạng biến điện DC-AC điện từ, gọi là hệ thống theo dõi công suất tối đa, giữa nguồn và tải để có thể vận dụng tốt hơn công suất tối

đa của nguồn

Đối với hầu hết các hệ thống điện Mặt Trời gia dụng thì bình ắc qui được sử dụng để trữ điện Mặt Trời cho việc sử dụng vào buởi tới và vào các ngày không nắng hoặc nắng yếu Vào những ngày nắng tốt, bình ắc qui sẽ được sạc đầy nhờ dòng DC

từ module quang điện, và tải điện sẽ sử dụng điện sặc từ bình ắc qui

1.8.

1.4 Nhiệt Mặt Trời

1.4.1 Chuyển hóa nhiệt Mặt Trời thành điện

Năng lượng nhiệt Mặt Trời là nhiệt năng hấp thụ bởi hệ thống thu bắt nhiệt từ ánh sáng Mặt Trời, sử dụng để đun nóng nước (hoặc một số dung dịch khác) hoặc để tạo hơi nước Khác với các hệ nhiệt Mặt Trời công suất nhỏ sử dụng chảo thu mặt phẳng để thu nhiệt từ ánh sáng Mặt Trời, các nhà máy nhiệt Mặt Trời công suất lớn

sử dụng các thiết bị thu hội tụ ánh sáng Mặt Trời và từ đó đạt nhiệt độ cao cần thiết

để tạo hơi nước quay turbin Nước nóng được sử dụng trong nhà ở, công sở hoặc các

cơ sở công nghiệp Hơi nước được sử dụng để quay turbin và rồi vận hành phát điện Nhiệt Mặt Trời có ứng dụng rộng rãi trong việc cung cấp nước nóng và sản xuất điện, với công suất có thể đạt tới vài MW

Có 3 dạng tập trung năng lượng Mặt Trời tạo nhiệt đun là: trũng parabol, dĩa quay và tháp năng lượng Nếu được khai triển ở qui mô lớn, điện nhiệt Mặt Trời có tính cạnh tranh khá cao Ứng dụng thương mại của công nghệ này xuất hiện vào đầu những năm 80 và phát triển khá nhanh do các ưu điểm sau:

 Điện và nước nóng có thể được sản xuất cùng một lúc

 Qui mô của nhà máy có thể được thay đổi để thích ứng với các ứng dụng theo thời điểm, hoặc công suất của nhà máy có thể được điều tiết để đáp ứng nhu cầu điện ở lúc cao điểm vào ban ngày

 Nhà máy nhiệt Mặt Trời không gây ô nhiễm và có thể được hoàn tất xây dựng trong thời gian rất ngắn

1.4.2 Các hệ thống thu hội tụ ánh sáng Mặt Trời

Các nhà máy nhiệt Mặt Trời sử dụng các phương pháp thu hội tụ ánh sáng

khác nhau và có sự khác biệt đáng kể về qui mô

Hệ thống thu nhiệt trung tâm sử dụng ở các nhà máy lớn bao gồm các gương hội tụ ánh sáng Mặt Trời vào một dĩa thu duy nhất lắp trên đỉnh một tháp trung tâm (Hình 1.11) Bức xạ nhiệt của ánh sáng Mặt Trời sẽ làm nóng chảy muối bên trong chảo thâu, và nhiệt lượng của muối nóng chảy này sẽ được sử dụng để tạo điện thông quan các máy phát dạng hơi thông thường Nước hoặc dung dịch đun được bơm vào tháp sẽ được đun nóng để sử dụng trực tiếp hoặc chuyển thành hơi để quay turbine Các gương này có khả năng theo dõi và quay theo sự thay đổi của hướng nắng, từ đó luôn đảm bảo sự hội tụ tối đa của ánh sáng Mặt Trời trên dĩa thu Mặt thuận lợi của

hệ thống này là muối nóng chảy có khả năng giữ nhiệt rất hiệu quả, có thể kéo dài đến vài ngày trước khi được sử dụng để chuyển thành điện, có nghĩa là điện vận có thể được sản xuất trong những ngày âm u hoặc vào vài giờ sau hoàng hôn

1.9.

Một dạng thiết bị thu nhiệt Mặt Trời thứ hai là hệ thống hình dĩa (rất giống dạng dĩa thâu tín hiệu vệ tinh trong viễn thông, xem hình 1.12) Hệ thống này sử dụng dĩa phản chiếu hình parabol để hội tụ ánh sáng vào tâm thu ở tại tiêu điểm của dĩa Dung dịch đun được truyền vào dĩa thu để hấp thu nhiệt tại đó Nhiệt khi cho dung dịch đung dãn nở ralàm đẩy piston và từ đó quay turbin Phương pháp này cho phép tập trung ánh sáng từ 100 đến 2000 lần.

1.10.

1.11.

Dạng hệ thống còn lại là thiết bị hình trũng (hình 1.13) Thiết bị này là một gương cầu dài dùng hội tụ ánh sáng lên trên các ống dẫn chứa dung dịch đun (dầu-oil)

1.12.

1.13.

Dung dịch đun trong ống có thể đạt đến nhiệt độ 4000C như tại Solar Electric Generating Systems tại vùng Nam California Dung dịch đun nhiệt độ cao này được

sử dụng để đun nóng nước tạo hơi quay turbin và rồi vận hành máy phát điện

1.14.

Mỹ, Áo, TBN, Nhất Bản và Pháp là các quốc gia dẫn đầu về khai thác nhiệt Mặt Trời tạo điện thông qua các hệ thống tập trung ánh sáng có công suất lắp đặt lên đến hàng trăm MW (Hình 1.14) Chỉ riêng vào năm 1995, tại Cộng Đồng Châu Âu

đã có 6,5 triệu m2 diện tích lắp đặt gương tập trung ánh sáng Mặt Trời với tốc độ phát triển là 15% trong năm trước đó

Trong qua trình chế tạo một số loại pin QĐ, đặc biệt là Pin gallium arsenide, một số hóa chất độc có thể được sử dụng Các chất này được sinh ra trong các nhà máy, do

đó việc kiểm soát chặt chẽ quá trình sản xuất và quản lý hợp lý các chất thải độc hại, các nguy cơ làm ô nhiệm môi trường sẽ giúp giảm thiểu Việc xử lý các Pin Mặt Trời sau khi hết hạn sử dụng cũng là một vấn đề đáng lưu ý Tuy nhiên hầu hết các vật liệu

có khả năng gây hại đều có thể được tái chế

Gần đây người ta đưa ra một số lo ngại về vấn đề diện tích đất đòi hỏi để có thể sản xuất một số lượng lớn Điện Mặt Trời Tuy nhiên, thực tế là nếu tính gộp tất cả các giai đoạn đòi hỏi trong quá trình sản xuất điện, các mạng điện Mặt Trời chiếm một diện tích sử dụng (trên một đơn vị điện) ngang bằng với các nhà máy điện than hoặc điện nguyên tử Ngoài ra phải kể đến khả năng thích ứng của các hệ thống quan điện cục bộ với các cấu trúc xây dựng, ví dụ như lắp đặt các dàn pin Mặt Trời trên mái nhà hoặc là việc tận dụng các khu vực đất trống bỏ hoang (ít giá trị) như trên sa mạc

1.6 Giá thành

Giá thành chính là trở ngại lớn nhất trong việc khai triển Điện Mặt Trời, cho

dù trong 20 năm qua, giá thành của Điện Mặt Trời giảm hơn 40 lần, trung bình là 4% mỗi năm Đó là chủ yếu nhờ vào sử cải thiện về hiệu suất chuyển đổi năng lượng và qui mô sản xuất và lắp đặt ngày cành được mở rộng

Một hệ thống quang điện gia đình có giá thành dao động từ 8-10 USD/W Nếu được chính phủ trợ giá, đồng thời tận dụng việc giảm giá thành pin khi mua ở số lượng lớn, và giá lắp đặt dao động sẽ hạ xuống đến $3-4/W (hoặc 10-12 xu Mỹ/kWh) Đối với các hệ thống quang điện qui mô lớn, nếu không được trợ giá, thì giá thành Điện Mặt Trời sẽ dao động vào khoảng 22-40 xu Mỹ/KWh (với điều kiện khí hậu thuận lợi)

Nói chung, vốn đầu tư ban đầu là trở ngại lớn nhất Hầu hết tất cả các phương pháp khai triển điện Mặt Trời (trừ trường hợp hệ thống thu dạng phẳng) đều đòi hỏi một diện tích đất đai tương đới lớn để đạt được hiệu suất cần thiết Chính vì vậy mà giá thành tăng cao Hiệu suất điện Mặt Trời cũng phụ thuợc vào vị trí chiếu sáng của Mặt Trời, nhưng hiện nay trở ngại này đã được khắc phục nhờ việc sử dụng heliostat như

ở trong các dĩa thu hội tụ Giá thành Pin quang điện cao cũng là do việc ứng dụng các vật liệu bán dẫn, thậm chí có thể lên đến gấp đôi so với giá thành từ các dạng điện thông thường khác

CHƯƠNG 2 NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI

2.1 Tổng quan về năng lượng sinh khối

Sinh khối là một thuật ngữ có ý nghĩa bao hàm rất rộng dùng để mô tả các vật chất có nguồn gốc sinh học vốn có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng hoặc

do các thành phần hóa học của nó

2.1.

Với định nghĩa như vậy, sinh khối bao gồm cây cối tự nhiên, cây trồng công nghiệp, tảo và các loài thực vật khác, hoặc là những bã nông nghiệp và lâm nghiệp Sinh khối cũng bao gồm cả những vật chất được xem nhưng chất thải từ các xã hội con người như chất thải từ quá trình sản xuất thức ăn nước uống, bùn/nước cống, phân bón, sản phẩm phụ gia (hữu cơ) công nghiệp (industrial by-product) và các thành phần hữu cơ của chất thải sinh hoạt

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 turbin hơi, phân hủy yếm khí (anaerobic digestion), đốt kết hợp (co-firing), khí hóa (gasification) và nhiệt phân (pyrolysis)

Sinh khối còn có thể được xem như một dạng tích trữ năng lượng Mặt Trời Năng lượng từ Mặt Trời được "giữ" lại bởi cây cối qua quá trình quang hợp trong giai đoạn phát triển của chúng Năng lượng sinh khối được xem là tái tạo vì nó được bổ sung nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ bổ sung của năng lượng hóa thạch vốn đòi hỏi hàng triệu năm

Ngoài ra, việc sử dụng sinh khối để tạo năng lượng có tác động tích cực đến môi trường Hẳn nhiên việc đốt sinh khối không thể giải quyết ngay vấn đề mất cân bằng vể tỷ lệ CO2 hiện nay Tuy nhiên, vai trò đóng góp của sinh khối trong việc sản xuất năng lượng vẫn rất đáng kể trong việc bảo vệ cân bằng môi trường, vì nó tạo ra

ít CO2hơn năng lượng hóa thạch Một cách khái quát, CO2 tạo ra bởi việc đốt sinh khối sẽ được "cô lập" tạm thời (sequestered) trong cây cối được trồng mới để thay thế nhiên liệu Nói một cách khác, đó là một chu kỳ tuần hoàn kín với tác động hết sức nhỏ lên môi trường

Tóm lại, sinh khối là một nguồn năng lượng hấp dẫn bởi các lý do sau đây:

 Trước nhất, đây là một nguồn năng lượng tái tạo, nếu chúng ta có thể bảo đảm được tốc độ trồng cây thay thế

 Sinh khối được phân bố đồng đều hơn trên bề mặt Trái Đất hơn các nguồn năng lượng nhất định khác (nhiên liệu hóa thạch ), và có thể được khai thác

mà không cần đòi hỏi đến các kỹ thuật hiện đại phức tạp và tốn kém

 Nó tạo ra cơ hội cho các địa phương, các khu vực và các quốc gia trên toàn thế giới tự bảo đảm cho mình nguồn cung cấp năng lượng một cách độc lập

 Đây là một giải pháp thay thế cho năng lượng hóa thạch, giúp cải thiện tình hình thay đổi khí hậu đang đe dọa Trái Đất

 Nó có thể giúp nông dân địa phương trong lúc gặp khó khăn về vụ mùa thu hoạch và tạo việc làm tại các vùng nông thôn

Năng lượng sinh học hiện đã và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới, chiếm gần 11% tổng sản lượng tiêu thụ của toàn thế giới (IEA)

Tuy nhiên, các nước đang phát triển hiện nay vẫn có tỷ lệ sử dụng năng lượng sinh khối "cơ bản" đến 35% trong cơ cấu năng lượng nội địa Tỷ lệ này vẫn luôn khá cao đối với những quốc gia nghèo nhất thế giới vốn phụ thuộc và việc đốt sinh khối

để nấu nướng, sưởi ấm và làm nhiên liệu Mặc dù sinh khối sử dụng trong công nghiệp thì có tác động tích cực đối với môi trường, tình trạng thoát khí kém và việc sử dụng các lò đốt (lò nấu) có hiệu suất kém làm tăng độ ô nhiễm không khí trong nhà ở (indoor air pollution – IAP) và gây ra hiểm họa về sức khỏe rất lớn đối với người dân sống trong các khu vực nông thôn, kém phát triển Như vậy, sử dụng sinh khối một cách hiệu quả hơn cũng là một vấn đề lớn hiện nay trong quá trình cải thiện chất lượng cuộc sống và sức khỏe của con người

2.2 Nguồn gốc của sinh khối

Sinh khối là vật chất hữu cơ, đặc biệt là các chất cellulose hay ligno-cellulosic Sinh khối là các vật chất tái tạo, bao gồm cây cối, chất xơ gỗ, chất thải gia súc, chất thải nông nghiệp, và thành phần giấy của các chất thải rắn đô thị

2.2a.

Cây dự trữ năng lượng mặt trời trong các tế bào cellulose và lignin (chất gỗ) thông qua quá trình quang hợp Cellulose là một chuỗi polymer của các phân tử đường 6-carbon 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,

2.2b.

đồng thời thải ra khí CO2 và hơi nước Các sản phẩm phụ của phản ứng này có thể được thu thập và sử dụng để sản xuất điện năng Các chất này thường đươc gọi là năng lượng sinh học hoặc nhiên liệu sinh học

Các nguồn sinh khối trong nước bao gồm các chất dư thừa, chất bã của sinh khối đã được xử lý Các chất này gồm có bột giấy, chất thải nông lâm nghiệp, chất thải gỗ thành thị, 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 dược 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 đối với môi trường xung quanh Dưới đây là các mô

tả chi tiết của từng loại sinh khối:

2.2.1 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 Cac chất bã này có một lượng thế năng 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 2.2.2 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 suspend các sợi cellulose

để tạo ra giấy Các bột giấy dư thừa tạo nên chất bã Các chất bã này là các sản phẩm phụ của các quá trình đốn và xử lý gỗ Các quá trình xử lý gỗ để tạo ra sản phẩm, đồng thời thải ra mùn cưa, vỏ cây, nhánh cây, lá cây và bột giấy Thông thường, các nhà máy giấy hay dùng các chất thải này để tạo ra điện cho vận hành nhà máy

2.2.3 Bã cây rừng (Forestry residues)

Các chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ các quá trình làm thưa rừng nhằm giảm nguy cơ cháy rừng, sinh khối không được thu hoạch hoặc di dời ở nơi đốn gỗ cứng và mềm thương mại và các vật liệu dư thừa trong quá trình quản lý rừng như phát rừng và di dời các cây đã chết Một trong những thuận lợi của việc tận dụng bã cây rừng là một phần lớn các bã dạng này được tạo ra từ các nhà máy giấy hoặc các nhà máy xử lý gỗ, do đó phần lớn nguồn nguyên liệu có thể sử dụng ngay được Cũng

vì lý do này, việc tái sử dụng mùn cưa, bã gỗ để tạo năng lượng tập trung ở các nhà

máy công nghiệp giấy và gỗ, nhưng tiềm năng nguyên liệu thật sự là lớn hơn nhiều Theo WEC, tổng công suất dự đoán trên toàn cầu của bã thải từ rừng là 2.000 MWe

2.2.4 Bã nông nghiệp (Agricultural residues)

Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừa sau các vụ thu hoạch Chúng có thể được thu gom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặt hái Các chất thải nông nghiệp bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu Hằng năm, có khoảng 80 triệu cây bắp được trồng, cho nên vỏ bắp đươc dự đoán sẽ là dạng sinh khối chính cho các ứng dụng năng lượng sinh học Ở một số nơi, đặc biệt những vùng khô, các chất bã cần phải được giữ lại nhằm bổ sung các chất dinh dưỡng cho đất cho

vụ mùa kế tiếp Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất cả các chất dinh dưỡng từ cặn bã, các chất bã này không được tận dụng tối đa và bị mục rữa làm thất thoát năng lượng

Có nhiều thống kê khác nhau về tiềm năng công suất của năng lượng sinh khối dạng này Ví dụ như Smil (1999) ước lượng rằng cho đến giữa thập kỷ 90 thế kỷ 20, tổng lượng bã nông nghiệp là khoảng 3,5-4 tỷ tấn mỗi năm, tương đương với một 65

EJ năng lượng (1,5 tỷ toe) Hal và cộng sự (1993) tính toán rằng chỉ với lượng thu hoạch nông nghiệp cơ bản của thế giới (ví dụ như lúa mạch, lúa mì, gạo, bắp, mía đường ) và tỷ lệ thu hồi là 25% thì năng lượng tạo ra được là 38 EJ và giúp giảm được 350-460 triệu tấn khí thải CO2 mỗi năm Hiện trạng thực tế là một tỷ lệ khá lớn các bã nông nghiệp này vẫn còn bị bỏ phí hoặc sử dụng không đúng cách, gây các ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, sinh thái và lương thực Theo ước tính của WEC, tổng công suất toàn cầu từ nhiên liệu bã thải nông nghiệp là vào khoảng 4.500 MWt

Một trong các giải pháp được ứng dụng rộng rãi hiện nay và có tiềm năng đầy hứa hẹn là tận dụng các bã thải từ công nghiệp mía đường, xử lý gỗ và làm giấy

Các thống kê cho thấy hơn 300 triệu tấn bã mía và củ cải đường được thải ra mỗi năm, tập trung hầu hết ở các nhà máy đường Các số liệu của FAO cho thấy khoảng 1.248 tấn mía được thu hoạch vào năm 1997, trong đó là 25% bã mía ép (312 triệu tấn) Năng lượng của 1 tấn bã mía ép (độ ẩm 50%) là 2,85 GJ/tấn Đó là chưa

kể các phần thừa (barbojo, phần ngọn và lá) và phần thải trong quá trình thu hoạch mía Các phần này lại chiếm một tiềm năng năng lượng cao hơn cả (55%), thế nhưng hiện nay phần lớn vẫn chỉ bị đốt bỏ hoặc để phân rã ngoài đồng Nói cách khác, tiềm năng lớn này hầu hết vẫn đang bị bỏ phí Cho đến năm 1999, Châu Á vẫn dẫn đầu về sản lượng bã mía (131 triệu tấn), sau đó là đến Nam Mỹ (89 triệu tấn) Các nhà máy sản xuất đường đã có truyền thống tái sử dụng bã mía để đốt tạo hơi nước từ nhiều thế kỷ qua, nhưng hiệu suất vẫn còn rất thấp Cho đến gần đây, do sức ép kinh tế, các

nhà máy đường đã phải tìm các giải pháp khác hoặc cải thiện hiệu suất tái tạo năng lượng, một số nhà máy thậm chí còn bán điện thừa, đặc biệt là tại Brazil, Ấn Độ, Thái Lan

2.2.5 Chất thải từ gia súc (Livestock residues)

Chất thải gia súc, như phân trâu, bò, heo và gà, có thể được chuyển thành gas hoặc đốt trực tiếp nhằm cung cấp nhiệt và sản xuất năng lượng Ở những nước đang phát triển, các bánh phân được dùng như nhiên liệu cho việc nấu nướng Hơn nữa, phần lớn phân gia súc có hàm lượng methane khá cao Do vậy, phương pháp này khá nguy hiểm vì các chất đôc hại sinh ra từ việc đốt phân là nguy hại đối với sức khỏe người tiêu dùng, là nguyên nhân gây ra 1,6 triệu người chết mỗi năm ở các nước đang phát triển tạo ra một số lượng lớn phân gia súc tạo nên nguồn hữu cơ phức tạp cùng với các vấn đề môi trường Các trang trại này dùng phân đế sản xuất năng lượng với các cách thức thích hợp nhằm giảm thiểu các mối nguy hại đối với môi trường và sức khỏe cộng đồng Các chất thải này có thể được sử dụng để sản xuất ra nhiều loại sản phẩm và tạo ra điện năng thông qua các phương pháp tách methane và phân hủy yếm khí

Tiềm năng năng lượng toàn cầu từ phân thải được ước lượng vào khoảng 20

EJ (Woods & Hall, 1994) Tuy nhiên, con số này không nói lên được điều gì cụ thể

do bản chất rất đa dạng của nguồn nguyên liệu (các loại gia súc khác nhau, địa điểm, điều kiện nuôi dưỡng, chuồng trại) Ngoài ra, việc sử dụng phân súc vật để tạo năng lượng ở qui mô lớn vẫn còn là một câu hỏi lớn vì những yếu tố sau:

2.2c.

 Phân có giá trị tiềm năng lớn hơn ở những mục đích khác, ví dụ như để bón cây, tức là mang lại lợi ích cao hơn rõ ràng cho nông dân

 Phân là nhiên liệu có hiệu suất thấp, do đó người ta có khuynh hướng chuyển qua các dạng năng lượng sinh học khác có hiệu suất cao hơn

 Các tác động về môi trường và sức khỏe từ việc khai thác phân thải có phần

tiêu cực hơn các dạng nhiên liệu sinh học khác

2.2.6 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 Chất thải củi gỗ đô thị bao gồm các thân cây, phần thừa cây đã qua cắt tỉa Những vật liệu này có thể được thu gom dễ dàng sau các dự án công trường và cắt tỉa cây, sau đó có thể được chuyển thành phân trộn hay được dùng để cung cấp nhiên liệu cho các nhà máy năng lượng

sinh học

b) Chất thải rắn đô thị

Chất thải ở các trung tâm thương mại, cơ quan, trường hoc, nhà dân có một hàm lượng nhất định của các vật chất hữu cơ có xuất xứ từ cây, là một nguồn năng lượng tái tạo không nhỏ Giấy thải, bìa cứng, các tông, chất thải gỗ là những ví dụ

của nguồn sinh khối trong chất thải đô thị

Khí ở các bãi chôn lấp phần lớn trong quá trình phân hủy yếm khí, sản phẩm phụ tự nhiên của quá trình phânn hủy chất thải hữu cơ của vi sinh vật có một lượng lớn khí methane, có thể được thu thập, 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 nănh 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 cho việc quản lý chất thải một cách hiệu quả

2.2.7 Cây trồng năng lượng (Energy forestry/crops)

Các giống cây năng lượng là các giống cây, cây cỏ được xử lý bằng công nghệ sinh học để trở thành các giống cây tăng trưởng nhanh, được thu hoạch cho mục đích sản xuất năng lượng Các giống cây này có thể được trồng, thu hoạch và thay thế nhanh chóng

Cây trồng năng lượng có thể được sản xuất bằng 2 cách: i) Các giống cây năng lượng chuyên biệt trồng ở những vùng đất dành đặc biệt cho mục đích này và ii) trồng xen kẽ và các cây trồng bình thường khác Cả 2 phương pháp này đều đòi hỏi có sự quản lý tốt và phải được chứng minh là đem lại lợi ích rõ ràng cho người nông dân

về mặt hiệu quả sử dụng đất

a) Các giống cây cỏ (thảo mộc) năng lượng

Đây là các giống cây lâu năm được thu hoạch hằng năm sau 2-3 năm gieo trồng để đạt tới hiệu suất tối đa Các giống cây này bao gồm các loại cỏ như cỏ mềm (switchgrass) xuất xứ từ Bắc Mỹ, cỏ voi miscanthus, cây tre, cây lúa miến ngọt, cỏ đuôi trâu cao, lúa mì, kochia Các giống cây này thường được trồng cho việc sản

xuất năng lượng

b) Các giống cây gỗ năng lượng

Các giống cây gỗ có vòng đời ngắn là các giống cây phát triển nhanh và có thể thu hoạch sau 5-8 năm gieo trồng Các giống cây này bao gồm cây dương ghép lai, cây liễu ghép lai, cây thích bạc, cây bông gòn đông phương, cây tần bì xanh, cây

óc chó đen, sweetgum và cây sung

c) Các giống cây công nghiệp

Các giống cây này đang được phát triển và gieo trồng nhằm sản xuất các hóa chất và vật liệu đặc trưng nhất định Ví dụ như cây dâm bụt và rơm dùng trong sản xuất sợi, castor cho acid ricinoleic Các giống cây chuyển gen đang được phát triển nhằm sản xuất các hóa chất mong muốn giống như một thành phần của cây, chỉ đòi hỏi sự chiết xuất và tinh lọc sản phẩm

d) Các giống cây nông nghiệp (Agricultural Crops)

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

e) Các giống cây dưới nước (Aquatic crops, thủy sinh)

Nguồn sinh khối đa dạng dưới nước bao gồm tảo, tảo bẹ, rong biển, và các loại

vi thực vật biển Các giống dùng trong thương mại bao gồm chiết xuất của tảo bẹ

dùng cho các chất làm đặc và các chất phụ gia thực phẩm, chất nhuộm từ tảo, chất xúc tác sinh học được dùng trong các quá trình xử lý sinh học ở các môi trường khắc nghiệt

Cho đến nay, đã có một số các đồn điền trồng cây năng lượng.Ví dụ tại Brazil,

có khoảng 3 triệu hécta đồn điền eucalyptus sử dụng làm than gỗ Tại Trung Quốc đã

có chương trình phát triển đồn điều 13,5 triệu hécta cho nhiên liệu gỗ cho đến 202 Tại Thụy Điển, 5.000 hecta dương liễu được trồng để làm nguồn nguyên cho năng lượng

Tóm lại, nguyên liệu sinh khối hiện vẫn là nguồn nl tái tạo bền vững và dồi dào nhất hiện nay trên thế giới Tiềm năng của nl sinh học mỗi năm là 2.900 EJ, tuy nhiên chỉ có 270 EJ là được xem như có thể khai thác được trên tiêu chuẩn bền vững

và giá cả cạnh tranh Một điều cần nhấn mạnh ở đây là vấn đề còn lại không phải là nguồn nguyên liệu, mà là khả năng quản lý và luân chuyển tốt năng lượng tạo ra đến người sử dụng

Bã thải hiện nay vẫn là nguồn cung cấp chính năng lượng sinh khối và vẫn sẽ đóng vai trò chủ đạo trong tương lai gần, và các loại cây trồng năng lượng sẽ ngày càng trở nên quan trọng trong tương lai xa Sự phát triển của năng lượng sinh khối, đặc biệt là dưới các dạng hiện đại, sẽ có một ảnh hưởng quan trọng không chỉ đến lĩnh vực năng lượng, mà còn thúc đẩy quá trình hiện đại hóa nông nghiệp, và phát triển nông thôn

2.3 Ứng dụng của 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 Hầu hết các quá trình chuyển đổi sinh khối có thể được chia ra làm hai loại như sau:

 Chuyển đổi nhiệt hóa (thermochemical): bao gồm đốt nhiệt (combustion), khí hóa và nhiệt phân

 Chuyển đổi sinh hóa (biochemical): bao gồm phân hủy yếm khí (sản phẩm sinh khối và hỗn hợp methane và CO2) và lên men (sản phẩm ethanol)

Một quá trình khác là chiết xuất, chủ yếu là quá trình cơ học, được sử dụng để sản xuất energy carriers (chất tải năng lượng) từ sinh khối Cũng có các phân biệt những cách chiết suất khác nhau, phụ thuộc vào sản phẩm của quá trình này là nhiệt, điện năng hoặc nhiên liệu

2.3.1 Sản xuất nhiệt truyền thống

Quá trình khai thác sinh khối để tạo nhiệt có một lịch sử rất lâu dài, và vẫn tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong xã hội loài người trong thời kỳ hiện đại Nhiệt lượng từ việc đốt sinh khối được sử dụng để đốt sửa ấm, để nấu chín thức ăn, để đun nước tạo hơi Thành phần năng lượng trong sinh khối khô (dry biomass) dao động

tự 5.000 Btu/lb (rơm) cho đến 5.500 Btu/lb (gỗ) Xin đưa ra đây một ví dụ so sánh:

để nấu một bữa ăn thì cần khoảng 2.000 Btu, trong khi đó một gallon xăng thì tương đương 124.884 Btu

2.3.2 Nhiên liệu sinh khối

Sinh khối dạng rắn có thể được chuyển đổi thành nhiên liệu lỏng để cung cấp trong các xe hơi, máy cơ khí (trong đó có các máy phát điện diesel), và thậm chí trong các bộ phận sản xuất công nghiệp Ba dạng nhiên liệu phổ biến sản xuất từ sinh khối (biofuel) là methanol, ethanol, và biodiesel Không giống như xăng và dầu diesel, biofuels có chứa oxy Pha nhiên liệu sinh học vào các sản phẩm dầu khí sẽ gia tăng hiệu suất đốt của nhiên liệu và từ đó giảm ô nhiễm không khí

2.3.

a) Methanol

Methanol là cồn từ gỗ (wood alcohol) Methanol không có hiệu suất nhiên liệu cao như xăng nên chỉ được dùng chủ yếu như tác chất chống đông (antifreeze), hoặc được sử dụng trong quá trình sản xuất một số hóa chất khác, như formaldehyde

Ethanol và bioesel có thể được trộn lẫn với hoặc được dùng thay thế trực tiếp cho các dạng nhiên liệu từ nhiên liệu hóa thạch như xăng và dầu diesel Sử dụng nhiên liệu sinh học giúp giảm các chất khí thải độc hại, từ đó hạn chế hiệu ứng nhà kính, tăng khả năng độc lập năng lượng của quốc gia và đồng thời hỗ trợ phát triển nông nghiệp và kinh tế nông thôn

b) Ethanol (hoặc là cồn ethyl)

Ethanol là nhiên liệu dạng lỏng, không màu, trong suốt, dễ cháy Ethanol được dùng như phụ gia cho xăng, với mục đích tăng chỉ số octane và giảm khí thải hiệu ứng nhà kính Ethanol tan trong nước và phân hủy sinh học được Ethanol được sản xuất từ sinh khối có thành phần cellulose cao (như bắp), qua quá trình lên men tại lò khô hoặc lò ướt Tại cả hai lò này, bã men (hèm) được sản xuất và cung cấp cho gia súc tại các nông trại

Hầu hết các loại động cơ thông thường có thể dùng xăng pha cồn với nồng độ cồn tối đa là 24% Đối với các loại động cơ hiện đại nhất hiện nay, ví dụ như dạng động cơ FFV (flexible fuel vehicle), hỗn hợp "cồn pha xăng" với tỷ lệ cồn lên đến 85% (hay còn gọi là nhiên liệu E85) có thể được sử dụng Trên thế giới hiện nay đã

có các loại xe sử dụng E85 được sản xuất Brazil hiện nay là quốc gia có nhiều tham vọng nhất về việc sử dụng nhiên liệu động cơ từ nguồn gốc sinh học này

Ethanol hẳn nhiên có tác động môi trường tích cực hơn rất nhiều so với xăng thông thường, trong cả phương diện cơ sở sản xuất và tiêu thụ (đốt trong động cơ) Các nhà máy sản xuất Ethanol thải ra ít hơn các chất khí hiệu ứng nhà kính như CO2, CH4 Hỗn hợp xăng pha cồn 10%, hay còn gọi là E10, thải ra ít khí hiệu ứng nhà kính

2.4.

hơn xăng thông thường đến 26% Theo tính toán của ORNEL, sử dụng 1 tấn nhiên liệu Ethanol sẽ giảm được 2,3 tấn CO2 và các khí thải độc hại khác

Brazil và Mỹ hiện là 2 hai quốc gia tiên phong về sản suất Ethanol ở qui mô lớn, bỏ xa các nước còn lại như Cộng Đồng Châu Âu, Argentina, Kenya, Malawi Sản lượng Ethanol trên thế giới hiệu nay là 20-21 tỷ lít/năm Mỹ vẫn dẫn đầu về thị trường tiêu thụ, sau đó đến EU và Brazil Một số quốc gia khác cũng đang lên kế hoặch sản xuất nhiên liệu Ethanol ở qui mô nhỏ như Mexico, Ấn Độ, Colombia

c) Dầu diesel sinh học (biodiesel)

Biodiesel là sản phẩm của quá trình kết hợp cồn (trong đó có ethanol) với dầu chiết ra từ đậu nành, hạt nho, mỡ động vật, hoặc từ các nguồn sinh khối khác

2.3.3 Sản xuất điện từ năng lượng sinh khối

Cho đến ngày nay, có khá nhiều kỹ thuật chuyển sinh khối thành điện năng Các công nghệ phổ biến nhất bao gồm: đốt trực tiếp hoặc tạo hơi nước thông thường (direct-fired or conventional steam approach), nhiệt phân (pyrolysis), đốt kết hợp co-firing, khí hóa (biomass gasification), tiêu yếm khí (anaerobic digestion), sản xuất

điện từ khí thải bãi chôn lấp rác

a) Công nghệ đốt trực tiếp và lò hơi (Direct-fired, Conventional Steam Boiler)

Đây là 2 phương pháp tạo ra 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 (bioenergy-feedstock) để tạo hơi nước dùng quay turbin máy phát điện Hai phương pháp này được phân biệt ở cấu trúc bên trong buồng đốt hoặc lò nung Tại hệ thống đốt trực tiếp, sinh khối được chuyển vào từ đáy buồng đốt và không khí được cung cấp tại đáy bệ lò Trong khi đó, ở phương pháp lò hơi thông thường, draft được chuyển vào lò từ phía bên trên nhưng sinh khối vẫn được tải xuống phía dưới đáy lò Các hệ thống đốt trực tiếp truyền thống là hệ thống pile (sử dụng lò đốt song hành - two-chamber combustion chamber) hoặc lò hơi stoker Khí nóng sau đó được chuyển qua turbine và quay cánh turbine, vận hành rotor máy phát điện

Khi được sử dụng để đốt trực tiếp, sinh khối phải được hun khô, cắt thành mảnh vụn, và ép thành bánh than (hay còn gọi là briquetting)

Một khi quá trình chuẩn bị được hoàn tất, sinh khối được đưa vào lò nung/lò hơi để tạo nhiệt/hơi nước Nhiệt tạo ra từ quá trình đun, ngoài việc cung cấp cho turbin máy phát điện, còn có thể được sử dụng để điều nhiệt nhà máy và các công trình xây dựng khác, tức là để khai thác tối đa hiệu suất Nhà máy dạng này còn được gọi là nhà máy liên hợp nhiệt-năng lượng (Combined Heat Power – CHP), tức là tận dụng lẫn nhiệt và hơi nước để khai thác tối đa tiềm năng năng lượng được tạo ra, tránh lãng phí năng lượng

b) Phương pháp đốt liên kết (Hình 2.5)

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

2.5.