Năng lượng sinh khối là gì? Ưu nhược điểm và Phân loại chi tiết

Định nghĩa năng lượng sinh khối là gì?

Năng lượng sinh khối (biomass energy) là dạng năng lượng được tạo ra từ các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc sinh học, bao gồm thực vật, động vật và các chất thải hữu cơ. Đây là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, có khả năng thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch và góp phần giảm phát thải khí nhà kính, hướng tới phát triển bền vững.

Sinh khối lưu trữ năng lượng từ mặt trời dưới dạng các liên kết hóa học trong quá trình quang hợp. Khi sinh khối được đốt cháy hoặc chuyển hóa bằng các phương pháp khác, năng lượng này được giải phóng dưới dạng nhiệt, điện hoặc nhiên liệu.

Nguồn gốc và phân loại năng lượng sinh khối

1. Phân loại theo nguồn gốc

1.1. Sinh khối từ nông nghiệp

Nguyên liệu sinh khối nông nghiệp là loại phổ biến nhất, xuất phát từ các hoạt động trồng trọt. Bao gồm:

• Phụ phẩm nông nghiệp: như rơm rạ, trấu, bã mía, thân ngô, vỏ và xơ dừa, vỏ cà phê – những vật liệu thường bị bỏ đi nhưng có giá trị năng lượng cao.
• Cây trồng năng lượng: như mía đường, sắn, ngô, dầu cọ, đậu nành – được canh tác chuyên biệt để sản xuất nhiên liệu sinh học như ethanol hoặc biodiesel.

1.2. Sinh khối từ lâm nghiệp

Nguồn sinh khối này có từ các hoạt động khai thác và trồng rừng gồm:

• Gỗ nhiên liệu: gồm củi, gỗ đốt truyền thống và than củi – vẫn là nguồn năng lượng quan trọng ở nhiều khu vực nông thôn.
• Phụ phẩm khai thác gỗ: như vỏ cây, cành nhánh, gốc rễ, mùn cưa – được tận dụng để sản xuất nhiệt hoặc ép thành viên nén sinh khối.
• Rừng trồng năng lượng: bao gồm các loại cây như keo, bạch đàn, phi lao được trồng chuyên dụng để khai thác năng lượng.

1.3. Sinh khối từ chăn nuôi

Nguồn sinh khối này bao gồm:

• Phân gia súc, gia cầm: như phân bò, phân lợn, phân gà – được sử dụng phổ biến để sản xuất khí sinh học (biogas).
  Chất thải giết mổ: như mỡ động vật, xương, da – có thể chế biến thành biodiesel hoặc đốt lấy nhiệt.

1.4. Sinh khối từ chất thải đô thị và công nghiệp

Đây là nguồn sinh khối tiềm năng ở các khu đô thị và khu công nghiệp:

• Rác thải hữu cơ đô thị: như thực phẩm thừa, giấy, bìa carton, gỗ thải – có thể được phân loại và xử lý để sản xuất điện, nhiệt hoặc khí sinh học.
• Nước thải: bùn thải từ xử lý nước thải chứa nhiều chất hữu cơ, có thể dùng trong quá trình phân hủy kỵ khí.
• Chất thải công nghiệp: như phụ phẩm từ chế biến thực phẩm, giấy, gỗ – nếu được xử lý đúng cách sẽ trở thành nguồn năng lượng quý giá.

1.5. Sinh khối từ thủy sinh

Nguồn này đang được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng nhiều:

• Tảo: đặc biệt là vi tảo và tảo biển – có khả năng tạo ra dầu sinh học hoặc ethanol nhờ tốc độ sinh trưởng nhanh.
• Thực vật thủy sinh: như bèo tây, lục bình, cỏ biển – có thể thu hoạch làm nguyên liệu sản xuất khí sinh học hoặc than sinh học.

2. Phân loại theo trạng thái vật lý

2.1. Sinh khối rắn

Gồm các dạng vật liệu rắn như gỗ, rơm rạ, trấu, bã mía, mùn cưa. Ngoài ra, sinh khối còn có thể được nén thành:

• Viên nén sinh khối (pellets): có dạng hình trụ nhỏ, đốt cháy hiệu quả.
• Thanh nhiên liệu sinh khối (briquettes): dạng nén lớn hơn, dùng trong công nghiệp hoặc hộ gia đình.

2.2. Sinh khối lỏng (nhiên liệu sinh học lỏng)

Bao gồm các loại nhiên liệu có thể thay thế xăng dầu truyền thống:

• Ethanol sinh học: sản xuất từ ngô, mía, sắn qua quá trình lên men.
• Diesel sinh học (biodiesel): chiết xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật.
• Dầu sinh học (bio-oil): tạo ra từ quá trình nhiệt phân nhanh.

2.3. Sinh khối khí

• Khí sinh học (biogas): hình thành từ phân hủy kỵ khí chất hữu cơ.
• Khí tổng hợp (syngas): gồm CO và H₂, thu được từ khí hóa sinh khối.
• Khí mê-tan tinh chế (biomethane): là biogas đã qua xử lý nâng cao chất lượng, có thể sử dụng như khí tự nhiên.

3. Phân loại theo công nghệ chuyển đổi

3.1. Chuyển đổi nhiệt hóa

• Đốt trực tiếp: đốt sinh khối để tạo nhiệt hoặc sản xuất điện.
• Khí hóa: chuyển sinh khối thành syngas để đốt hoặc làm nguyên liệu tổng hợp.
• Nhiệt phân: xử lý sinh khối trong môi trường yếm khí để tạo than sinh học, dầu sinh học và khí.
• Hóa lỏng: sử dụng nhiệt và áp suất để tạo nhiên liệu lỏng từ sinh khối.

3.2. Chuyển đổi sinh hóa

• Lên men: chuyển đường hoặc tinh bột trong nguyên liệu thành ethanol.
• Phân hủy kỵ khí: vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ để tạo biogas.
• Chiết xuất dầu: tách dầu từ các loại hạt chứa dầu như cọ, đậu nành.

3.3. Chuyển đổi hóa học

• Chuyển hóa este (transesterification): biến dầu thực vật và mỡ động vật thành biodiesel.
• Thủy phân: phá vỡ cellulose thành các loại đường đơn giản để lên men thành nhiên liệu.

Ưu nhược điểm của năng lượng sinh khối

Năng lượng sinh khối là một trong những nguồn năng lượng tái tạo đang được quan tâm phát triển trên toàn cầu nhờ vào tính bền vững và khả năng tận dụng các nguồn tài nguyên sẵn có. Tuy nhiên, giống như bất kỳ nguồn năng lượng nào khác, năng lượng sinh khối cũng tồn tại song song cả ưu điểm lẫn hạn chế.

Ưu điểm của năng lượng sinh khối

• Là nguồn năng lượng tái tạo, giúp giảm phát thải khí nhà kính.
• Tận dụng chất thải nông nghiệp, chăn nuôi, công nghiệp… giúp giảm ô nhiễm và tăng giá trị kinh tế.
• Sản xuất và sử dụng tại chỗ, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu, nâng cao an ninh năng lượng.
• Đa dạng nguồn nguyên liệu và công nghệ chuyển đổi (đốt, khí hóa, lên men…).
• Tạo việc làm, thúc đẩy phát triển kinh tế nông thôn.

Hạn chế của năng lượng sinh khối

• Mật độ năng lượng thấp hơn so với than, dầu, khí.
• Chi phí vận chuyển và lưu trữ cao nếu không nén hoặc xử lý trước.
• Có thể cạnh tranh với đất trồng lương thực khi trồng cây năng lượng.
• Hiệu suất chuyển đổi còn thấp ở một số công nghệ.
• Vì quá trình đốt cháy tạo ra lượng khí thải carbon dioxide cao gây ảnh hưởng có hại đến con người trong khi quá trình sản xuất năng lượng sinh khối thải ra ít carbon dioxide hơn, thân thiện với môi trường.
• Do thiếu nhận thức và các biện pháp phù hợp, đặc biệt là ở các vùng nghèo, việc sản xuất sinh khối có thể gây ra những mối nguy hiểm nghiêm trọng cho sức khỏe hoặc rủi ro đối với sức khỏe con người.
• Tùy thuộc vào nguồn tài nguyên được sử dụng, nạn phá rừng, suy thoái đất và xâm lấn có thể là những vấn đề chính liên quan đến sản xuất sinh khối.

Ứng dụng thực tiễn của năng lượng sinh khối

Do có tính chất chuyển đổi linh hoạt thành nhiệt, điện và nhiên liệu, năng lượng sinh khối được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống và sản xuất

1. Sản xuất nhiệt

Một trong những ứng dụng truyền thống và phổ biến nhất của năng lượng sinh khối là sản xuất nhiệt.

• Đốt gỗ, viên nén sinh khối để sưởi ấm và đun nấu: Ở nhiều vùng nông thôn và khu vực có khí hậu lạnh, gỗ và viên nén sinh khối (pellets) được sử dụng để sưởi ấm cho nhà ở và nấu ăn. So với đốt than hoặc dầu hỏa, sinh khối rắn sạch hơn và có thể tái tạo.
• Lò hơi sinh khối trong công nghiệp và thương mại: Trong các nhà máy chế biến thực phẩm, giấy, dệt may, và cả trong các khu resort sinh thái, lò hơi sử dụng mùn cưa, trấu, hoặc bã mía làm nhiên liệu để tạo ra hơi nước phục vụ sản xuất và sưởi ấm.

2. Sản xuất điện

Sinh khối không chỉ tạo nhiệt mà còn được dùng để phát điện, góp phần vào lưới điện quốc gia hoặc sử dụng cục bộ.

• Nhà máy điện sinh khối đốt trực tiếp: Các nhà máy này đốt trực tiếp sinh khối như bã mía, trấu, mùn cưa để tạo hơi nước, vận hành tuabin phát điện. Đây là mô hình phổ biến tại các nhà máy đường, nhà máy chế biến gỗ.
• Nhà máy điện khí sinh học: Sử dụng biogas sinh ra từ phân gia súc, chất thải hữu cơ để vận hành máy phát điện. Mô hình này rất phù hợp với trang trại chăn nuôi lớn, khu xử lý rác hữu cơ.
• Nhà máy đồng phát điện và nhiệt (CHP - Combined Heat and Power): Đây là mô hình hiệu quả cao, trong đó sinh khối được sử dụng để đồng thời tạo ra điện và nhiệt. Nhiệt dư thừa từ quá trình phát điện được tận dụng để sưởi ấm hoặc cung cấp hơi cho các quy trình công nghiệp.

3. Sản xuất nhiên liệu

Một trong những hướng phát triển quan trọng hiện nay là chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu thay thế cho giao thông và công nghiệp.

• Nhiên liệu sinh học cho giao thông: Ethanol sinh học được sản xuất từ mía, ngô hoặc sắn, trong khi biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Hai loại nhiên liệu này đang được pha trộn với xăng dầu truyền thống để giảm phát thải khí nhà kính.
• Khí sinh học tinh chế thành biomethane: Khí biogas sau khi được xử lý, loại bỏ CO₂ và tạp chất sẽ trở thành biomethane có chất lượng tương đương khí thiên nhiên. Biomethane có thể được nén để sử dụng làm nhiên liệu cho xe chạy khí nén (CNG) hoặc đưa vào hệ thống cung cấp khí.

4. Ứng dụng kết hợp

Ngoài những ứng dụng trực tiếp cho năng lượng, sinh khối còn được tận dụng để xử lý chất thải và phục vụ nông nghiệp bền vững.

• Sản xuất phân bón từ phụ phẩm sinh khối: Sau quá trình nhiệt phân, sinh khối tạo ra than sinh học (biochar), loại vật liệu có khả năng giữ nước, giữ dinh dưỡng và cải tạo đất. Biochar không chỉ giúp tăng năng suất cây trồng mà còn lưu giữ carbon trong đất lâu dài.
• Xử lý chất thải kết hợp thu hồi năng lượng: Các nhà máy xử lý rác thải hữu cơ hoặc nước thải có thể kết hợp phân hủy kỵ khí để tạo ra khí sinh học, đồng thời giảm ô nhiễm môi trường. Phân bùn sau xử lý có thể tiếp tục sử dụng làm phân bón hoặc cải tạo đất.

Với nhiều ưu điểm nổi bật và tiềm năng phát triển lớn, năng lượng sinh khối đang ngày càng được quan tâm trong chiến lược chuyển dịch sang năng lượng sạch. Tuy vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục, nhưng nếu được khai thác hợp lý, đây sẽ là giải pháp hiệu quả cho an ninh năng lượng và phát triển bền vững.