Nhiên liệu sinh học, hiện trạng và xu thế phát triển

Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng toàn cầu, các vấn đề ô nhiễm môi trường đang ngày một ra tăng, cần phải tìm ra những nguồn năng lượng mới, tái tạo, sạch và bền vững hơn để dần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng bị cạn kiệt. Thuật ngữ Nhiên liệu sinh học (NLSH hay biofuel) được đưa ra vào cuối những năm 1980 để chỉ các loại nhiên liệu có khả năng tái tạo (renewable fuels), thân thiện với môi trường, không có nguồn gốc từ dầu mỏ và có thể thay thế dầu mỏ trong tương lai (Sudarsan and Anupama, 2006). NLSH thường được sản xuất từ sinh khối (biomass) chủ yếu là các sản phẩm của nông nghiệp.

NLSH bao gồm cả nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng. NLSH dạng lỏng bao gồm ethanol sinh học (bioethanol), methanol sinh học (biomethanol), diesel sinh học (biodiesel); dạng khí gồm hydro sinh học (biohydro) và methane sinh học (biomethane) (Đoàn Thị Thái Yên và cs., 2010).

Năng lượng sinh học, năng lượng của tương lai

Tổng kết chung, sự phát triển của NLSH đã và đang trải qua 3 giai đoạn chính như sau:

* Giai đoạn NLSH thế hệ thứ nhất

            NLSH thế hệ thứ nhất được tạo ra từ các nguồn nguyên liệu carbohydrate như gạo, ngô, lúa mạch, lúa mỳ, củ cải đường...; các loại hạt có dầu như dầu cọ, đậu tương, dầu hạt cải... hoặc từ mỡ động vật. Các loại NLSH thế hệ thứ nhất bao gồm: dầu thực vật, diesel sinh học, ethanol sinh học, khí sinh học (biogas), NLSH thể rắn, khí đốt tổng hợp (syngas). NLSH thế hệ thứ nhất đã được sử dụng từ rất lâu. Sử dụng nguồn NLSH thế hệ thứ nhất tuy làm giảm đáng kể khí CO₂ phát thải so với nhiên liệu hóa thạch, nhưng không thực sự phát triển bền vững vì nguyên liệu được sử dụng thường là một phần nguồn thức ăn cho người và động vật nuôi. Gia tăng sử dụng nguồn nguyên liệu nêu trên sẽ làm gia tăng giá cả các loại cây trồng này và bất ổn lương thực, quỹ đất trồng cho các loại cây lương thực bị cạnh tranh gây ảnh hưởng đến an ninh lượng thực của mọi quốc gia. Chính vì vậy, cần phải tìm kiếm các loại nhiên liệu thay thế đảm bảo an ninh lương thực và năng lượng quốc gia cũng như cải tiến hơn về mặt công nghệ đã được đặt ra. Chính vì vậy NLSH thế hệ thứ hai đã ra đời.

* Giai đoạn NLSH thế hệ thứ hai           

NLSH thế hệ thứ hai ra đời nhằm hạn chế những nhược điểm của NLSH thế hệ thứ nhất, sử dụng các nguồn nguyên liệu phế thải của nông nghiệp hay các cây nguyên liệu được trồng trên đất bạc màu, bỏ hoang (NLSH được sản xuất từ cellulose), ví dụ như cỏ switchgrass, cây cọc rào (Jatropha)… (Naik và cs., 2010).

Mặc dù nguyên liệu thô cho sản xuất NLSH thế hệ 2 rất phong phú, sẵn có tùy thuộc ở từng địa phương, nhưng việc sản xuất NLSH từ nguyên liệu này vẫn chưa thực sự có hiệu quả kinh tế do chi phí để chuyển hóa cellolose thành đường đắt hơn so với chi phí chuyển tinh bột thành đường.

NLSH thế hệ thứ hai về cơ bản có thể không đe dọa đến an ninh lương thực của thế giới, nhưng nó sẽ là nguyên nhân làm nảy sinh một loạt các vấn đề rất quan trọng khác như: gây ô nhiễm và cạn kiệt nguồn tài nguyên nước, giảm diện tích rừng, nguy cơ từ sự độc canh... Nếu chúng ta giải quyết các vấn đề này không thỏa đáng thì sẽ làm nảy sinh nhiều vấn đề bất cập khác. Chính vì vậy, NLSH thế hệ thứ 3 đã ra đời, được cho là có thể giải quyết được hầu hết các vấn đề đang tồn tại.

* Giai đoạn NLSH thế hệ thứ ba

Có thể nói NLSH từ tảo - chính là NLSH thế hệ thứ 3. Việc dùng tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học thay thế dầu mỏ giống như một mũi tên bắn trúng hai đích: vừa tạo ra năng lượng vừa góp phần làm sạch môi trường. Mỗi tế bào tảo là một nhà máy sinh học nhỏ, sử dụng quá trình quang hợp để chuyển hóa CO₂ và ánh sáng mặt trời thành năng lượng dự trữ trong tế bào và tạo ra các sản phẩm thứ cấp có giá trị cao. Hoạt động chuyển đổi của chúng hiệu quả đến mức sinh khối có thể tăng gấp nhiều lần trong một ngày. Ngoài ra, trong quá trình quang hợp, tảo còn sản xuất ra dầu ngay trong tế bào của chúng. Trên cùng một đơn vị diện tích, lượng dầu mà tảo tạo ra nhiều gấp 30 lần lượng dầu từ đậu nành. Đồng thời tảo có thể tăng khả năng sản xuất dầu bằng cách bổ sung khí CO₂ trong quá trình nuôi trồng chúng hoặc sử dụng các môi trường giàu chất hữu cơ (như nước thải) để nuôi trồng (Chisti, 2007; Đoàn Thị Thái Yên và cs., 2010). Điều này vừa tạo ra NLSH, vừa làm giảm lượng CO₂ cũng như làm sạch môi trường.

Quy trình sản xuất năng lượng sinh học từ vi tảo

Tuy nhiên, trở ngại lớn nhất hiện nay đối với NLSH thế hệ thứ ba là vấn đề về công nghệ sản xuất sinh khối tảo có hàm lượng lipid và dầu cao với giá thành rẻ, cạnh tranh được với các nguồn nguyên liệu truyền thống khác cũng như giá thành của việc chiết xuất dầu từ sinh khối tảo... Hiện nay, việc sản xuất dầu tảo vẫn có giá thành cao hơn nhiều so với sản xuất nhiên liệu diesel từ dầu mỏ (Zhiyou và cs., 2009).

ThS. Bùi Đình Lãm