Nhiên liệu và vật liệu từ sinh khối - Một hướng đi tất yếu
Thứ năm, 16/04/2020
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 như năng lượng gió, mặt trời, sinh khối…
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 như năng lượng gió, mặt trời, sinh khối…
Khác với các nguồn năng lượng tái tạo khác, năng lượng sinh khối 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 cácbon 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.
Tại Việt Nam, với đặc thù là một nước nông nghiệp, việc 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.
Nhiên liệu từ sinh khối
Nguồn sinh khối rất phong phú và đa dạng, nhưng thích hợp để sản xuất nhiên liệu thì chỉ có dầu béo. Những nghiên cứu hoá sinh về sự hình thành của các hợp chất hữu cơ trong cây, trong đó có dầu béo cho phép thấy rõ hơn con đường tạo nên nhiên liệu sinh khối. Theo đó, năng lượng sinh khối có thể được hình thành theo bốn cách như sau:
Đường, tinh bột, các hợp chất cenllulose, qua phản ứng lên men, có thể tạo ra cồn. Cồn được làm khan (sau khi loại bớt nước gọi là etanol, với hàm lượng C2H5OH trên 97%) để phối trộn với xăng, gọi là gasohol hay còn gọi là xăng sinh học (biofuel).
Dầu béo được tách ra khỏi cấu trúc triglyxerit bằng phản ứng tran-este hóa để tạo thành metyl este hay etyl este của dầu béo, và sử dụng như nhiên liệu diesel, gọi là diesel sinh học (biodiesel).
Những bộ phận khác của thực vật như cành, mảnh vụn, lá... được phơi khô, xay nhỏ, thêm phụ gia và ép viên để sử dụng như than củi. Hiện cũng đang có những nghiên cứu chuyển các hợp chất xellulozo của chúng thành những hợp chất cellulose có mạch ngắn hơn, lên men vi sinh để tạo thành cồn, sử dụng như biofuel, hay chuyển thẳng sang dạng hydrocacbon, được gọi là sunfuel.
Các phế thải có nguồn gốc sinh học, được chôn ủ trong các hầm yếm khí với phân và nước thải của các trang trại chăn nuôi sẽ tạo nên khí metan, được sử dụng dưới dạng biogaz.
Tại Việt Nam, năng lượng có nguồn gốc sinh khối hiện đang được sử dụng theo bốn cách: Sử dụng trực tiếp như than, củi, rơm, rạ dùng làm chất đốt; Khí biogas từ rơm rạ, chất thải chăn nuôi; Bioetanol từ sắn, mía, ngô và Biodiesel từ hạt có dầu, mở cá, mỡ động vật. Trong đó phổ biến nhất vẫn là sử dụng trực tiếp và khí Biogas. Các loại hình khác vẫn còn ở trong giai đoạn thử nghiệm.
Một vài số liệu đã được công bố sau đây có thể giúp chúng ta có cái nhìn đúng đắn hơn với nguồn tài nguyên sinh khối của nước nhà:
Bảng 1: Nguồn sinh khối từ gỗ
Bảng 2: Nguồn sinh khối từ nông nghiệp
Vật liệu từ sinh khối
Vật liệu từ sinh khối đã được sử dụng hàng ngàn năm nay như gỗ, tre, nứa, lá, mây làm nhà, những vật dụng trong đời sống con người từ thủa còn mông muội đến lụa, vải, đồ thủ công mỹ nghệ ngày nay.
Cấu tạo chính của sinh khối là cenllulose, hemicenllulose, lignin. Các chất này chiếm tỷ lệ trên 70% và là nguồn nguyên liệu chính cho ngành công nghiệp vật liệu không dầu mỏ. Ngày nay, các loại vật liệu thân thiện môi trường được quan tâm dưới tên gọi “composit xanh” đã và đang được nghiên cứu, sản xuất để phục vụ cho việc tạo ra nhiều loại vật liệu chất lượng cao trong nền kinh tế cacbon thấp.
Nghiên cứu ứng dụng nguồn nguyên liệu sinh khối tại Viện Khoa học vật liệu Ứng dụng
Trên cơ sở những cứ liệu khoa học, các nhà nghiên cứu của Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng (KHVLUD) thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tiến hành nghiên cứu và bước đầu đã có những thành công trong việc chế tạo các vật liệu và năng lượng từ nguồn sinh khối.
Trên cơ sở những cứ liệu khoa học, các nhà nghiên cứu của Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng (KHVLUD) thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tiến hành nghiên cứu và bước đầu đã có những thành công trong việc chế tạo các vật liệu và năng lượng từ nguồn sinh khối.
Về nhiên liệu sinh khối, các nhà khoa học đã hoàn thiện công nghệ sản xuất biodiesel từ dầu thực vật Việt Nam và cho kết quả tốt khi ứng dụng cho xe ô tô, xe máy và máy phát điện. Những kết quả nghiên cứu thăm dò của Viện cho thấy khả năng chuyển hóa sinh khối thành hydro cacbon dạng xăng (sunfuel) trên hệ xúc tác oxit kim loại có cấu trúc nano, mở ra khả năng sản xuất nhiên liệu từ các loại thực vật của rừng ngập mặn hay các sản phẩm của rừng phòng hộ chống cát như rừng dương…mà không qua con đường chuyển hóa sinh học.
Biodiesel từ dầu thực vật VN cho máy phát điện
Các sản phẩm phụ của quá trình sản xuất biodiesel cũng được sử dụng để sản xuất các phụ gia cho nhiên liệu và thuốc trừ sâu từ các chất có hoạt tính sinh học. Các nhà khoa học đã thành công trong việc chế tạo ra sản phẩm thuốc trừ sâu sinh học và phân bón cây 4 chức năng (trừ sâu, tăng khả năng quang hợp, tăng oxy trong đất, tăng số lượng rễ cây), cho kết quả tốt khi thử nghiệm trên một số cây trồng.
Đối với vật liệu đi từ sinh khối, các nhà nghiên cứu Viện KHVLUD đã xây dựng được công nghệ ổn định sản xuất vật liệu biopolymer phân huỷ sinh học từ nguyên liệu tinh bột và sợi tự nhiên là phế thải nông nghiệp và thuỷ sản. Công nghệ này được ứng dụng thực tế để chế tạo thành chất dẻo phân huỷ sinh học làm màng giữ hoa quả tươi lâu và bọc phân NPK hấp thụ, giữ nước tốt, nhả chậm theo thời gian mong muốn. Ứng dụng này đã được đăng ký nhãn hiệu hàng hoá và sáng chế hữu ích VINAPOL® .
Hiện nay, khi vấn đề biến đổi khí hậu đang trở nên cấp bách trên toàn cầu, và khả năng một phần diện tích đất đai của Việt Nam sẽ ngập trong nước biển thì những nghiên cứu chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu và vật liệu mới của Viện KHVLUD là một hướng đi đúng đắn, góp phần hiện thực hoá nhiệm vụ nghiên cứu sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thực vật của đất nước, góp phần giải quyết các hậu quả do biến đổi khí hậu gây ra trong tương lai.Khi cả thế giới đang lao vào một cuộc cách mạng trong lĩnh vực nhiên liệu và vật liệu mới, các nhà khoa học tại Viện Khoa học vật liệu ứng dụng không lặp lại hay tiếp tục các nghiên cứu đã thành thương phẩm của các nước phát triển mà tìm chỗ đứng riêng cho mình bằng cách tạo ra năng lượng, vật liệu rẻ và sạch, xuất phát từ đặc điểm, ưu thế và nhu cầu thực tế của nước nhà, trên cơ sở công nghệ do mình tạo ra.
Theo Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng