Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 6: Khí sinh học - Nguyễn Bá Thành

Chương này được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên:
Nguyên lý hình thành khí sinh học.
Tình hình phát triển khí sinh học của Việt Nam.
Cấu tạo hầm khí sinh học.
Một số ứng dụng của khí sinh học.
Câu hỏi chương 5:
Khí sinh học là gì?Nguyên lý hình thành khí sinh học?
Tình hình phát triển khí sinh học tại Việt Nam?
Một số ứng dụng của khí sinh học?
Chương 6 Khí sinh học
6.1 Nguyên lý sinh học hình thành biogas
6.1.1 Khái niệm khí sinh học (KSH)
Hình 6.1 Mô hình tạo KSH
Biogas hay còn gọi là khí sinh học (KSH), là một hỗn hợp khí được sản sinh ra từ sữ phân huỷ những chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí. Trong đó thành phần chủ yếu là khí mêtan (CH4).
Khí đốt thiên nhiên cũng có chất như KSH. Khí này được hình thành qua nhiều thời kỳ địa chất nên có hàm lượng mê tan rất cao, thường trên 90%.
Khí sinh học được sử dụng để: nấu nướng, thắp sáng, sưởi ấm, phát điện...
6.1.2 Nguyên lý hình thành khí sinh học
Để sản xuất khí sinh học, người ta xây dựng hoặc chế tạo các thiết bị KSH. Nguyên liệu để sản xuất KSH là những chất hữu cơ như phân động vật, các loại thực vật như bèo, cỏ, rơm rạ. Nguyên liệu được nạp vào các thiết bị KSH. Thiết bị giữ kín không cho không khí lọt vào nên nguyên liệu bị phân huỷ kỵ khí và tạo ra KSH (H2, H2S, NH3, CH4, C2H2, trong đó CH4 là sản phẩm khí chủ yếu (nên còn gọi là quá trình lên men tạo Metan). 
Việc nạp nguyên liệu được thực hiện theo 2 cách chủ yếu sau:
Nạp từng mẻ: toàn bộ nguyên liệu được nạp đầy vào các thiết bị một lần. Mẻ nguyên liệu này phân huỷ dần và cho khí sử dụng. Sau một thời gian đủ để nguyên liệu phân huỷ gần hết, toàn bộ nguyên liệu được lấy ra và thay bằng một mẻ nguyên liệu mới, thời gian mỗi mẻ thường kéo dài từ 3 – 5 tháng.
Nạp liên tục: nguyên liệu được nạp đầy lúc mới đưa thiết bị vào hoạt động. Sau một thời gian ngắn, nguyên liệu được bổ sungthường xuyên. Khi đó một phần nguyên liệu được phân huỷ được lấy đi để nhường chỗ cho phần nguyên liệu mới nạp vào. Trong quá trình phân huỷ, chỉ một phần nguyên liệu được chuyển hoá thành KSH, phần còn lại được lấy ra cùng với nước pha loãng gọi là bã thải.
6.2 Tình hình phát triển công nghệ khí sinh học ở Việt Nam
Công nghệ KSH được nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam từ những năm đầu của thập niên 60. Đặc biệt sau năm 1975 chương trình quốc gia về năng lượng mới và tái tạo (Chương trình 52C) ra đời góp phần thúc đẩy phong trào nghiên cứu và ứng dụng công nghệ KSH. Công tác nghiên cứu tập trung vào thiết kế các thiết bị KSH quy mô gia đình với thể tích từ 1 – 50m3. Kết quả là các đề tài trong giai đoạn này đã đưa ra nhiều mẫu thiết bị quan trọng được ứng dụng rộng rãi và được người dân chấp nhận như mẫu thiết bị nắp cố định NL-3 của Viện Năng lượng, mẫu thiết bị nắp nổi quy mô 100m3 của Sở KHCN Đồng Nai, mẫu thiết bị nắp cố định của Đại học Cần Thơ, 
Công tác nghiên cứu và ứng dụng công nghệ KSH phát triển mạnh từ sau năm 1995. Các cơ quan tham gia vào hoạt động nghiên cứu và triển khai công nghệ KSH là Viện Năng lượng, Viện Chăn nuôi, Viện Nông hoá – thổ nhưỡng, Trung tâm nghiên cứu Năng lượng, trường ĐH Bách khoa Hà nội, ĐH Khoa học tự nhiên, Viện Nghiên cứu Mỏ, ĐH Bách khoa Đà Nẵng, ĐH Nông lâm TP HCM, ĐH Cần Thơ, các sở KHCN ở các tỉnh, Trung tâm Khuyến nông Quốc giaCác dự án lớn trong giai đoạn này bao gồm:
Dự án “Ứng dụng KSH và bếp cải tiến tiết kiệm năng lượng” tài trợ bởi quỹ môi trường toàn cầu (GEF) tại huyện Bình Sơn tỉnh Quảng Ngãi (2001-2003), mục tiêu của dự án là xây dựng các thiết bị KSH và bếp đun cải tiến tại Quảng Ngãi để tiết kiệm năng lượng, củi gỗ và bảo vệ môi trường;
Dự án “Phát triển KSH giảm hiệu ứng nhà kính” tại xã Phù đổng huyện Gia Lâm -Hà nội (2000) tài trợ bởi Trung tâm năng lượng mặt trời Úc với mục tiêu xây dựng 100 công trình KSH xử lý chất thải chăn nuôi và bảo vệ môi trường giảm hiệu ứng nhà kính do chất thải chăn nuôi gây ra;
Dự án phát triển bếp đun cải tiến và bếp KSH nhằm tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường tại huyện Gia Viễn tỉnh Ninh Bình. Các hộ dân được trợ giá 1 triệu cho một công trình đồng thời được vay một khoản từ 2-3 triệu đồng với lãi suất thấp để xây dựng công trình.
Dự án “Phát triển Năng lượng tái tạo cho các tỉnh Bắc Trung Bộ” của Tổ chức Phát triển Hà Lan (2001-2003) dự án đã lắp đặt các tấm pin mặt trời, thuỷ điện nhỏ và động cơ gió phát điện cho các xã không có điện lưới ở ba tỉnh Thừa Thiên – Huế, Quảng Bình và Quảng Trị, đồng thời lắp đặt các công trình KSH phục vụ đun nấu và thắp sáng để tiết kiệm điện cũng tại 3 tỉnh nêu trên;
Dự án nước sạch và vệ sinh môi trường cho tỉnh Hà Tây (1999-2003) đây là dự án trình diễn về việc kết hợp lắp đặt các hệ thống KSH với cải tạo hệ thống chuồng trại, nhà tắm, nhà vệ sinh cho cộng đồng nông thôn với sự hỗ trợ của ngân sách nhà nước và ngân sách địa phương. Trong giai đoạn 5 năm của chương trình toàn tỉnh đã xây dựng được 7000 công trình trong đó huyện Đan Phượng là huyện có số lượng công trình lớn nhất trong tỉnh với 3650 công trình. Phân loại công trình KSH ở huyện Đan Phượng như bảng 6.1 dưới đây.
Bảng 6.1 Số lượng công trình KSH xây dựng tại Đan Phượng
Dự án “Chương trình KSH ở Quảng Ngãi” do tổ chức Plan tài trợ (2005-2006). Mục tiêu của chương trình là hỗ trợ xây dựng 76 công trình tại hai xã Nghĩa Điền và Nghĩa Mỹ để bảo vệ môi trường và cung cấp chất đốt. Công nghệ ứng dụng là thiết bị KSH nắp cố định vòm cầu của Viện Năng lượng (kiểu NL-5 và NL-6). Trong pha I của dự án chủ yếu triển khai các công trình có thể tích 3-5m3.
Hình 6.2 - Loại hình áp dụng công nghệ và tỷ lệ hỗ trợ đầu tư
Hình 6.3 So sánh tình hình hoạt động của các công trình trong và ngoài dự án
Dự án bảo vệ vùng đệm rừng quốc gia Ba Vì (tổ chức CARE – 2004-2006). Dự án được triển khai tại Ba Vì, Hà Tây và Tân Lạc Hoà Bình. Trong hai năm dự án đã xây dựng được 200 công trình cho hai huyện để sử dụng KSH làm nhiên liệu trong đun nấu giảm chặt gỗ củi từ rừng quốc gia. Công nghệ áp dụng trong dự án cũng là thiết bị KSH nắp cố định vòm cầu kiểu của Viện Năng lượng (NL5 và KT1).
Dự án bảo vệ vùng đệm quốc gia Tam Đảo (2005), được triển tại các tỉnh Vĩnh Phúc, Phú Thọ, Thái Nguyên và Yên Bái. Sau 3 năm dự án xây dựng được hơn 100 công trình.
- Dự án “Phát triển khí sinh học tại Ngọc Khê và Phong Nậm, huyện Trùng Khánh, Cao Bằng do tổ chức Bảo tồn loài Linh Chưởng FFI thực hiện (2004-2006). Dự án đã xây dựng 25 công trình KSH với mục tiêu cung cấp KSH thay thế củi gỗ trong đun nấu cho bà con các dân tộc ít người, giảm áp lực về việc thiếu hụt nhiên liệu trong sinh hoạt của khu vực và bảo vệ rừng Quốc gia cho các vấn đề về bảo tồn sinh thái và môi trường. Công nghệ được áp dụng trong dự án là kiểu KT1.
- “Dự án hỗ trợ chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt nam” pha I (2003-2005) được tài trợ bởi chính phủ Hà Lan. Dự án triển khai ở 12 tỉnh với mục tiêu xây dựng 12.000 công trình. Công nghệ được áp dụng trong dự án là thiết bị nắp cố định vòm cầu kiểu KT1 và KT2. Thực tế giai đoạn I dự án xây dựng được 18.000 công trình. Năm 2006 dự án mở rộng phạm vi hoạt động lên 20 tỉnh và xây dựng được 9600 công trình nâng tổng số công trình đã xây dựng lên 27600. Đến cuối 2007 dự án xây dựng được tổng cộng 43.000 công trình.
Hình 6.4 Tình hình hoạt động của các công trình thuộc dự khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam
Tóm lại về công nghệ các công trình KSH quy mô nhỏ như kiểu NL5, NL6, kiểu của Cần Thơ, KT1, KT2 hay thiết bị KSH nắp nổi .đã được ứng dụng trên diện rộng và được người dân thừa nhận đạt hiệu quả. Năm 2003 Bộ Nông nghiệp và PT Nông thôn cũng đã ban hành 10TCN về thiết bị KSH nhỏ, đây là cơ sở để cho công nghệ KSH quy mô nhỏ phát triển bền vững và nhân rộng ở Việt Nam.
Sau 10 năm phát triển (1995-2005) đến cuối năm 2006 trên toàn quốc đã xây dựng được khoảng 100.000 công trình các loại, trong đó chiếm nhiều nhất là kiểu thiết bị KSH nắp cố định vòm cầu của Viện Năng lượng (70%), sau đó đến loại thiết bị bằng túi chất dẻo theo mẫu của dự án SAREC do Hội Làm vườn Việt nam (VACVINA) triển khai ở phía Bắc và ĐH Nông lâm TP HCM triển khai ở phía Nam. Các công trình có thể tích trên 10m3 chiếm khoảng 80% và phổ biến ở các tỉnh phía Nam, các tỉnh phía Bắc tỷ lệ này vào khoảng 60-70%. Tỉnh có số lượng công trình nhiều nhất là Hà Tây, Tiền Giang, Đắc Lắc, Đồng Nai, Hải Dương,v.v..
KSH hiện tại chủ yếu sử dụng để đun nấu và thắp sáng bằng đèn mạng. Khoảng 2% số hộ có công trình KSH sử dụng cho đun nước nóng và khoảng 1% cho các sử dụng sản xuất . Việc sử dụng KSH phát điện đang được ứng dụng lẻ tẻ trong những năm gần đây và ở các hộ chăn nuôi từ 15-20 lợn trở lên. Viện Năng lượng, Đại học Bách Khoa Hà Nội (phối hợp với phân viện kỹ thuật công binh và phòng robot CAPIT – Bộ Quốc phòng), Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh và ĐH Đà Nẵng là những cơ quan nghiên cứu rất thành công các loại máy phát điện chạy bằng khí sinh học quy mô nhỏ từ 0,5 – 10kW. Các đơn vị triển khai lắp đặt chủ yếu là các công ty tư nhân, các nhóm thợ xây và kỹ thuật viên các tỉnh, huyện.
Các nghiên cứu chú trọng vào việc cải tạo các động cơ 4 thì chạy xăng hoặc diezel có sẵn trên thị trường sang chạy bằng khí sinh học chứ chưa sản xuất được các loại máy chạy bằng khí sinh học trực tiếp. Ưu điểm của các loại động cơ cải tạo là giá thành vừa phải, công tác cải tạo lắp đặt không phức tạp, người sử dụng đã quen thuộc với cách sử dụng các loại động cơ này từ trước; nhược điểm của các loại máy này là không có bộ phận lọc khí, chất lượng của máy phụ thuộc chặt chẽ vào tay nghề của thợ kỹ thuật, các bảo hành và dịch vụ sau lắp đặt chưa tốt. Hiệu suất của các loại máy này cũng không cao (50-60%), và phải sử dụng túi chứa khí để ổn định áp suất khí khi chạy máy. Chưa có dự án nào thuộc loại này được triển khai ở Việt Nam. Đại học Đà Nẵng đang hợp tác với quỹ TOYOTA dự kiến sẽ thiết kế một dự án triển khai công nghệ này ở Miền Trung và Tây Nguyên với mục tiêu sản xuất và lắp đặt khoảng 1000 mô hình từ 2009-2010.
Những hạn chế về triển khai các loại máy phát điện chạy bằng KSH chủ yếu là do các nguyên nhân sau:
Chi phí cao nếu dùng máy mới, nếu dùng các loại động cơ cũ để cải tạo thì chất lượng máy kém, hiệu suất thấp;
Chất lượng của đội ngũ kỹ thuật viên tại tuyến huyện, tỉnh chưa đồng đều do không được đào tạo mà chủ yếu tự tìm hiểu và dựa vào kinh nghiệm của bản thân;
Người sử dụng cũng không được đào tạo và hướng dẫn các thao tác vận hành bảo dưỡng hoặc sửa chữa nhỏ khi có sự cố, thợ kỹ thuật ở xa vì thế khi máy hỏng hóc phải chờ đợi và chi phí cho công tác này tăng lên;
Công tác tuyên truyền tiếp thị chưa tốt, chưa chuyên nghiệp do các mô hình trình diễn chưa phát huy tác dụng như mong muốn.
6.3 Cấu tạo hầm khí sinh học
Trong thực tế hầu hết các thiết bị KSH được áp dụng ở những dạng thiết bị đơn giản, hoạt động theo chế độ nạp nguyên liệu bổ sung thường xuyên hàng ngày. Các thiết bị này có 5 bộ phận như sau: 
Hình 6.5 Cấu tạo của thiết bị KSH
1. Bộ phận phân huỷ: là nơi chứa nguyên liệu đảm bảo những điều kiện thuận lợi cho quá trình phần huỷ kỵ khí sinh ra. Đây là bộ phận chủ yếu của thiết bị.
2. Bộ phận chứa khí: khí sinh ra từ bộ phận phân huỷ được thu và chứa ở đây. Yêu cầu cơ bản của bộ phận chứa khí là phải kín khí.
3. Lối vào: Là nơi nạp nguyên liệu bổ sung vào bộ phận phân huỷ.
4. Lối ra: Nguyên liệu sau khi phân huỷ được lấy ra qua đây để nhường chổ cho nguyên liệu mới bổ sung vào.
5. Lối lấy khí: khí được trích từ bộ tích khí tới nơi sử dụng qua lối lấy khí này.
6.4 Thiết kế hầm biogas quy mô nhỏ
Lựa chọn loại hầm thích hợp: Việc lựa chọn hầm còn tùy thuộc vào điều kiện của khu vực xây dựng hầm (loại đất, loại đá, ).
Quy mô của hầm: Tùy thuộc vào yêu cầu, điều kiện của người xây dựng, cũng như lượng nguyên liệu cung cấp có phong phú hay không.
Lựa chọn nền móng: tùy vào khí hậu, đất, nước ngầm.
Dung tích của hầm: dựa vào lượng khí cần cho việc tiêu thụ và khí được dùng ra sao. Đảm bảo 1,5-2m3 / người.
Tính toán – Thiết kế .
Ngoài ra, khi thiết kế còn phải chú ý đến các yếu tố sau ảnh hưởng đến quá trình lên men như sau:
Nhiệt độ
Độ pH
Tỷ lệ Carbon / Nitơ
Tỷ lệ pha loãng
Đặc tính nguyên liệu
Tốc độ bổ sung nguyên liệu
Có mặt không khí và độc tố
Ví dụ : Lựa chọn cỡ công trình KT2 cho gia đình ở Bình Định thường xuyên nuôi 2 lợn nái 200 kg/con và 10 lợn thịt (giữ lợn con lại để nuôi). Lợn nái trung bình đẻ mỗi lứa 10 con. Trọng lượng lợn con xuất chuồng trung bình 20kg/con. Trọng lượng lợn thịt xuất chuồng trung bình 70kg/con. Chuồng lợn lát gạch có rãnh thu nước tiểu và phân để nạp. Tỷ lệ pha loãng 1/1. Biết rằng lượng chất thải của lợn theo % khối lượng cơ thể là 5%.
Giải: Lượng chất thải nạp hàng ngày: (phân + nước tiểu).
Từ 2 nái: 200 × 5% × 2 = 20 kg/ngày
Từ 10 lợn con: 20 × 5% × 10 = 10 kg/ngày
Từ 10 lợn thịt: 70 × 5% × 15 = 35 kg/ngày
Tổng: = 65 kg/ngày
Tra bảng 4c của tiêu chuẩn -> chọn cỡ 7,6m3 tương ứng với lượng chất thải nạp hàng ngày là 75 kg/ngày (> 65 kg/ngày) và tỷ lệ pha loãng 1/1.
6.5 Các ứng dụng của biogas 
Bếp sử dụng biogas.
Máy phát điện chạy biogas.
Đèn sử dụng khí biogas.