Các công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh khối Phần 2 4. Chuyển đổi hoá - sinh Hai phương pháp thường được sử dụng trong quá trình chuyển đổi hóa sinh là lên men và kỵ khí, cùng với đó có một cách khác nhưng ít được sử dụng hơn đó là chuyển đổi sinh khối bằng quá trình cơ học. 4.1. Lên men Lên men là phương pháp được sử dụng rộng rãi để sản xuất ethanol từ những cây trồng có lượng đường cao như mía đường, củ cải đường hay các loại cây trồng tinh bột như ngô, lúa, mì. Sinh khối và tinh bột được chuyển đổi bởi các enzyme thành đường, lên men rồi chuyển đổi đường thành ethanol. Theo ước tính mỗi tấn ngô khô sẽ sản xuất được khoảng 450 lít ethanol. Các sản phẩm phụ từ quá trình lên men được sử dụng như thức ăn cho gia súc. Và trong trường hợp chuyển đổi từ cây mía, bã mía có thể được sử dụng như một loại nhiên liệu cho nồi hơi hoặc cho quá trình khí hóa tiếp theo. Việc chuyển đổi các loại sinh khối như gỗ và các loại cỏ bằng phương pháp lên men sẽ phức tạp hơn, do sự có các phân tử polysaccharide theo chuỗi dài hơn và đòi hỏi phải có sự thủy phân của acid hoặc enzyme trước khi đường được lên men thành ethanol. Tuy nhiên kỹ thuật thủy phân này hiện vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm. 4.2. Kỵ khí Quá trình kỵ khí chuyển đổi trực tiếp các chất hữu cơ thành khí hay còn gọi là khí sinh học. Đây là một hỗn hợp chủ yếu gồm khí methane và carbon dioxide với một lượng nhỏ các khí khác như hydro, sunfua. Trong quá trình này, sinh khối được biến đổi bởi vi khuẩn trong môi trường yếm khí, sản phẩm là một hỗn hợp khí với hàm lượng năng lượng từ 20-40% nhiệt trị thấp của nguyên liệu. Kỵ khí là một công nghệ đã được chứng minh và được sử dụng rộng rãi để xử lý các chất thải hữu cơ có độ ẩm cao từ 80-90%. Khí sinh học sản xuất từ quá trình kỵ khí có thể được sử dụng trực tiếp cho động cơ và tua bin khí. Tuy nhiên chúng được nâng cấp lên chất lượng cao hơn như chất lượng của khí gas tự nhiên bằng việc loại loại bỏ bớt CO 2. Một quá trình điển hình cho xử lý sinh khối sử dụng quá trình kỵ khí được thể hiện trong Hình 6. Hình 6. Quá trình kỵ khí của sinh khối 4.3. Xử lý sinh khối bằng quá trình cơ học Đây là một quá trình chuyển đổi sinh khối sử dụng cơ học để sản xuất dầu, chẳng hạn như ép các hạt có dầu, ép thân cây bông và vỏ lạc. Quá trình sản xuất không chỉ thu được dầu mà các phụ phẩm còn được sử dụng làm thức ăn cho động vật. Theo thực tế, ba tấn hạt cải dầu sẽ sản xuất được một tấn dầu. Tuy nhiên, hạt cải dầu có thể được xử lý tốt hơn bằng cách phản ứng với rượu bằng cách sử dụng một quá trình gọi là este hóa để thu được Diesel sinh học. Loại nhiên liệu này đang được sử dụng ở một số nước châu Âu như là một loại bổ sung nhiên liệu cho hoạt động giao thông vận tải .Hình 7 mô tả một quá trình chung cho sản xuất dầu diesel sinh học và sản phẩm glycerin. Hình 7: Quá trình sản xuất của diesel sinh học và glycerin 5. Các hệ thống năng lượng sinh học, các chỉ số năng lượng và sản lượng năng lượng Để đánh giá hiệu suất của một hệ thống chuyển đổi năng lượng sinh học, cần nghiên cứu toàn bộ quá trình từ sản xuất sinh khối đến sản phẩm cuối cùng. Một tiêu chí quan trọng để so sánh các hệ thống năng lượng sinh học là tổng sản lượng năng lượng sản xuất ra trên mỗi ha. Tầm quan trọng của năng suất năng lượng và tác động môi trường của một loại sinh khối cụ thể sẽ khác nhau tùy thuộc vào các yếu tố kinh tế - xã hội và chính trị của mỗi vùng và mỗi nước. 5.1. Các tỷ số Năng lượng Cơ quan Năng lượng Quốc tế IEA đã làm một so sánh toàn diện các quá trình sản xuất năng lượng sinh học cho sản xuất ethanol từ ngô và củ cải đường; Diesel sinh học từ hạt cải dầu; methanol và điện từ gỗ. Trong đó, tỷ lệ năng lượng của một hệ thống năng lượng sinh học được thể hiện như tỷ lệ giữa sản lượng năng lượng đầu ra và năng lượng đầu vào trong chu kỳ của chuyển đổi nhiên liệu. Do đó, tỷ lệ năng lượng dưới 1 ngụ ý rằng các đầu vào năng lượng cao hơn sản lượng năng lượng đầu ra. Ethanol sản xuất từ lúa mì, ngô và củ cải, cho tỷ lệ năng lượng giữa 0,9 và 1,5, cho thấy rằng có thể không nên sản xuất năng lượng sinh khối trong một số tình huống nhất định, nếu năng lượng đầu vào yêu cầu được cung cấp bởi nhiên liệu hóa thạch. Do đó, hiện nay nếu công nghệ cải tiến và đầu vào thấp, cây trồng năng suất cao, tỷ lệ năng lượng có thể đạt tới từ 2 đến 3. Việc sản xuất dầu Diesel sinh học từ hạt cải dầu hiện nay có tỷ lệ năng lượng của khoảng 1,5 và giả định hệ thống sản xuất được cải tiến thì tỉ số này có thể lên đến 3. Việc sản xuất điện từ gỗ có tỷ lệ năng lượng là 6-7 và có thể đạt tới 10 đến 15 nếu công nghệ được cải tiến. Đối với methanol, dự kiến tỷ lệ năng lượng từ 6-12 có thể đạt được trong tương lai. 5.2. Sản lượng năng lượng Sản xuất điện từ gỗ là một lựa chọn trong nghiên cứu của IEA, mặc dù trong nghiên cứu sản xuất ethanol với nguyên liệu từ củ cải đường cũng có thể cung cấp một giá trị tương đối cao của sản xuất năng lượng trên mỗi ha. Bảng 1. Sản lượng năng lượng/ha/năm của một số cây trồng năng lượng Kiểu năng lượng sinh học Công nghệ hiện tại (GJ / ha / năm) Công nghệ tương lai (GJ / ha / năm) Ethanol từ ngũ cốc (thay thế xăng) Trung bình 2 36 Ethanol từ củ cải đư ờng (thay thế xăng) Trung bình 30 139 Diesel sinh học (thay thế diesel) 17 41 Điện từ gỗ (thay thế điện) 110 165 Tuy nhiên các nghiên cứu khác về sản lượng năng lượng đã đưa ra các đánh giá khác nhau làm nổi bật tiềm năng đa dạng có thể đạt được cho các hệ thống chuyển đổi năng lượng sinh học. Có thể thấy rằng trong điều kiện vận chuyển và lưu trữ, sinh khối chịu những bất lợi đáng kể so với nhiên liệu hóa thạch Bảng 2. So sánh mật độ năng lượng của sinh khối và nhiên liệu hóa thạch khí thiên nhiên Hóa lỏng 56 GJ / t Dầu Mỏ 42 GJ / t Than đá 28 GJ / t Sinh khối (gỗ, 50% độ ẩm) t 8 GJ / t So sánh các dữ liệu sản lượng năng lượng được thể hiện trong Bảng 1 trên cơ sở chi phí nhiên liệu thông thường, các tỷ lệ chi phí được thể hiện trong Bảng 3. Phạm vi chi phí lớn là do sự đa dạng trong phạm vi thực hiện của các hệ thống năng lượng sinh học. Bảng 3. Tỷ lệ chi phí của hệ thống năng lượng sinh học so với chi phí nhiên liệu truyền thống Hệ thống năng lượng sinh học Chi phí sản xuất nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học Sản xuất có tiềm năng trong tương lai (dựa trên thị trường thế giới / giá thấp nhất ) Sản xuất Ethanol t ừ lúa mì (thay thế xăng ) 4,7-5,9 2,9-3,5 S ản xuất Ethanol từ củ cải đường (thay thế x ăng 5-5,7 4,2-4,5 ) s ản xuất RME (thay thế dầu diesel) 5,5-7,8 2,8-3,3 s ản xuất Methanol từ gỗ (thay thế xăng ) Chưa xác định 1,9-2,2 Sản xuất điện từ gỗ (thay thế điện lưới) 1,3-1,9 0,8-1,1 6. Kết luận Sau khi xác định khí hóa, nhiệt phân, và kỵ khí là các quá trình chuyển đổi sinh khối hiệu quả, có chi phí hợp lý để sản xuất nhiên liệu phù hợp cho động cơ đốt trong, các nghiên cứu sâu hơn đã chỉ ra rằng trong khi tất cả các quy trình về mặt kỹ thuật có thể sản xuất được nhiên liệu phù hợp nhưng chỉ có khí hóa có khả năng thương mại. Phát hiện này dựa trên việc xem xét hiệu suất chuyển đổi tổng thể của sản xuất khí thông qua quá trình khí hóa và đã được chứng minh hoạt động của khí hóa bằng cách sử dụng với mục đích phát triển nhiên liệu sinh khối. Nhiệt phân là một công nghệ phát triển nhanh chóng với tiềm năng lớn nhưng quá trình này là phù hợp hơn để sản xuất nguyên liệu sử dụng trong động cơ diesel và tua bin khí. Kỵ khí cũng có vị trí của nó như là một quá trình chuyển đổi để cung cấp nhiên liệu khí và là một quá trình xử lý cho chất thải hữu cơ công nghiệp có độ ẩm cao, chẳng hạn như các chất thải sinh khối ướt hay bùn thải Về việc chọn một quy trình hiệu quả về mặt kinh tế để sản xuất nhiên liệu khí cho động cơ thì khí hóa là quá trình chuyển đổi phù hợp nhất. Trong bài tiếp theo sẽ trình bày các nghiên cứu sâu hơn về quá trình khí hóa này. . Các công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh khối Phần 2 4. Chuyển đổi hoá - sinh Hai phương pháp thường được sử dụng trong quá trình chuyển đổi hóa sinh là lên men và kỵ. lệ năng lượng của một hệ thống năng lượng sinh học được thể hiện như tỷ lệ giữa sản lượng năng lượng đầu ra và năng lượng đầu vào trong chu kỳ của chuyển đổi nhiên liệu. Do đó, tỷ lệ năng lượng. của sản xuất năng lượng trên mỗi ha. Bảng 1. Sản lượng năng lượng/ ha/năm của một số cây trồng năng lượng Kiểu năng lượng sinh học Công nghệ hiện tại (GJ / ha / năm) Công nghệ tương lai