Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 7: Nhiên liệu sinh học - Nguyễn Bá Thành

Chương này được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên:
Khái niệm nhiên liệu sinh học.
Các loại nhiên liệu sinh học.
Công nghệ sản xuất cồn, dầu sinh học.
Câu hỏi chương 7:
Nhiên liệu sinh học là gì?
Các loại nhiên liệu sinh học?
Cách sản xuất cồn, dầu sinh học như thế nào?
Chương 7 Nhiên liệu sinh học
7.1 Nhiên liệu sinh học là gì?
Là một dạng năng lượng tái tạo, được hình thành từ các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ thực vật, động vật (sinh vật) như: tinh bột ngũ cốc (gạo, mì, ngô, khoai, sắn), dầu mỡ động thực vật, phế thải nông nghiệp (rơm, rạ, phân), phế thải công nghiệp (mùn cưa, vỏ bào). Nó được tôn vinh là nhiên liệu xanh, bởi những tính chất ưu việt: thân thiện với môi trường và là nguồn nhiên liệu vô tận. Điều này khác với nhiên liệu truyền thống (dầu mỏ, khí thiên nhiên, than đá) vốn có hạn, khi sử dụng phát thải ra khí dioxyt cacbon (CO2) gây hiệu ứng nhà kính, làm trái đất nóng lên, biến đổi khí hậu.
Để sản xuất nhiên liệu sinh học, nguyên liệu cơ bản đầu tiên phải có là ethanol sinh học. Những năm cuối thế kỉ XX, tất cả các nước trên thế giới đã ồ ạt sử dụng các loại lương thực thực phẩm để sản xuất ethanol. Ở Brazin, ethanol sinh học được sản xuất từ mía; ở Mỹ và Nam Phi là từ ngô; ở Thái Lan, Philippin là từ sắn, cơm dừa Tuy nhiên, lợi bất cập hại. Việc sử dụng lương thực, thực phẩm để sản xuất nhiên liệu sinh học đã đẩy giá lương thực, thực phẩm lên cao, gây ra tình trạng thiếu hụt lương thực, thực phẩm phục vụ con người và gia súc, đồng thời ảnh hưởng đến an ninh lương thực trên toàn thế giới. Bởi vậy hiện nay, nhiều nước đã đình chỉ việc sản xuất Ethanol sinh học từ lương thực, thực phẩm. Hiện tại, Mỹ và các nước châu Âu chỉ sản xuất diesel sinh học từ loại đậu tương biến đổi gen, chưa được phép dùng cho người và gia súc.
Từ thập kỷ 70 của thế kỷ trước, người dân Thái Lan đã coi sắn là “cây thần kỳ”, “cây giảm nghèo”. Thái Lan đã trở thành nước xuất khẩu sắn đứng đầu thế giới với 7 triệu tấn sắn lát/năm và các sản phẩm chế biến từ sắn ra 100 nước trên thế giới. Tuy nhiên mấy năm trở lại đây, năng suất cũng như sản lượng sắn ở Thái lan đã giảm sút rất nhiều vì điều kiện khí hậu không thuận lợi, dịch bệnh hoành hành, đất trồng sắn bị tàn phá bạc màu. Ở nhiều vùng quê, nông dân đã bỏ cây sắn để trồng những cây có giá trị kinh tế cao hơn (mía, cao su, măng cụt). Gần đây, nhu cầu thế giới về sắn để sản xuất nhiên liệu sinh học tăng cao nên nguồn sắn của Thái Lan lại càng bị giảm sút nghiêm trọng. Ngay cả trong nước, các nhà máy chế biến liên quan đến sắn cũng đang trong tình trạng thiếu nguyên liệu khoảng 10 triệu tấn/năm, phải chờ nhập khẩu. Thái Lan đã phát triển hàng loạt nhà máy sản xuất ethanol từ sắn nhưng cũng vì thiếu nguyên liệu nên không thể hoạt động. Nhà máy ethanol NPK lớn nhất Thái Lan đặt tại NaKhon Ratche Sima khởi công đã 3 năm đang đứng trước nguy cơ ngừng sản xuất vì thiếu nguyên liệu.
Vì vậy, xu thế mới của thế giới về nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học là xóa bỏ nguyên liệu lương thực, thực phẩm chuyển sang sử dụng nguyên liệu phi lương thực là chất xơ xenlulo gồm: xác thân cây mía, rơm rạ lúa mì, các phế phẩm của nông lâm nghiệp, chăn nuôi, công nghiệp vải sợi, các loại hạt có dầu (không phải là lương thực, thực phẩm). Đồng thời, chú trọng trồng những loại cây hoang dại, chi phí trồng trọt thấp nhưng phát triển nhanh chóng, sản lượng lớn, không cạnh tranh với đất đai sản xuất nông nghiệp như cây cọc rào (cây bã đậu Jatropha) để lấy dầu, cây nho Kudzu (nhập từ Nhật Bản), cây Purple loosestrigle (một loại cây hoang dại nhập từ châu Âu ) sinh sản rất nhanh, đã mọc tràn lan, phủ kín các đầm lầy mênh mông ở Mỹ và Canada. Đi xa hơn, các nhà khoa học đã và đang tiến tới nghiên cứu sản xuất (đã có những thành công bước đầu) nhiên liệu sinh học tiên tiến (advanced - biofueles), trong đó có nhiên liệu sinh học từ sinh khối tảo biển và nhiên liệu xanh trong không trung.
7.2 Phân loại nhiên liệu sinh học
Có 3 loại phân loại nhiên liệu sinh học. Thế hệ đầu tiên, thứ hai và thứ ba của các loại nguyên liệu được sử dụng để sản xuất nhiên liệu.
Thế hệ 1: sản xuất từ đường (mía, củ cải đường) và tinh bột của nông phẩm (hạt bắp, lúa mì, lúa, hay từ củ khoai tây, khoai mì,) để tạo cồn sinh học; hay từ dầu (hạt dừa-dầu, đậu nành, đậu phộng, ) để tạo dầu sinh học. Kỹ thuật đơn giản và kinh tế nhất.
Thế hệ 2: sản xuất từ cellulose, chất xơ của dư thừa thực vật (rơm, rạ, thân bắp, gỗ, mạt cưa, bã mía,), hay thực-vật (cỏ voi, lục bình). Kỹ thuật hiện nay chưa hoàn hảo, hiệu năng còn kém, con men chưa hữu hiệu và giá đắt, chỉ một phần cellulose và lignin biến thành ethanol, nên giá thành sản xuất còn cao.
Thế hệ 3: sản xuất từ tảo, kỹ thuật này đang phát triển.
7.3 Cồn sinh học (bio-ethanol)
Cồn sinh học là một loại nhiên liệu thay thế dạng cồn, được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột như bắp, lúa mì, lúa mạch. Hoặc sản xuất từ cây, cỏ có chứa cellulose.
Cồn sinh học là chất phụ gia để tăng trị số Octane (trị số đo khả năng kích nổ) và giảm khí thải độc hại của xăng. 
Trong chính sách năng lượng của mình, từ khối EU đến Mỹ, Trung Quốc, Australia, Nhật Bản đều chú trọng đến ứng dụng ethanol.
Ưu nhược điểm của cồn sinh học:
Ưu điểm: 
Chỉ số Octan cao hơn xăng, cháy sạch hơn, phát thải ít CO hơn và giảm đáng kể lượng buội than, SOx.
Nhiệt ẩn hóa hơi cao nên có hiện tượng làm mát bên trong và điều này cho phép xylanh nạp đầy hơn.
Không cần thay đổi nhiều kết cấu của phương tiện khi dùng nhiên liệu cồn.
Động cơ xăng khi sử dụng hỗn hợp xăng _cồn với hàm lượng nhỏ hơn 20%, thì không cần thiết cải tạo lại động cơ cũ.
Cồn có thể kết hợp với 10% nhiên liệu diesel. Mức độ phát thải ô nhiễm NOx, HC giảm đáng kể khi dùng nhiên liệu diesel pha cồn.
Nhược điểm: 
Cồn có chứa axít axêtic gây ăn mòn kim loại, ăn mòn các chi tiết máy động cơ làm giảm thời gian sử dụng động cơ.
Nhiệt trị cồn thấp, thùng nhiên liệu lớn.
Đầu tư ban đầu cao.
Ngọn lửa của nhiên liệu cồn cháy không có màu, gây khó khăn trong việc nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu cồn.
Các độc chất tiềm ẩn trong nhiên liệu cồn vẫn đang trong quá trình nghiên cứu.
7.4 Dầu sinh học (bio-diesel)
Dầu sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật.
Dầu sinh học nói riêng, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại năng lượng tái tạo. Nhìn theo phương diện hóa học thì dầu sinh học là methyl este của những axít béo.
Ưu nhược điểm của dầu sinh học:
- Ưu điểm:
Có chỉ số cetan cao hơn diesel.
Có điểm chớp cháy cao hơn diesel.
Có tính bôi trơn tốt. 
Sử dụng không cần cải thiện bất kì chi tiết nào của động cơ.
Giải quyết ô nhiễm môi trường.
Đồng thời đa dạng hoá nền nông nghiệp và tăng thu nhập ở vùng miền nông thôn.
Hạn chế nhập khẩu nhiên liệu diesel.
- Nhược điểm:
Phải trồng các cây trồng luân canh, do đó tăng sản xuất nguyên liệu là một việc khó khăn.
Việc sản xuất diesel sinh học từ cây thực vật cần dùng rất nhiều năng lượng cho phân bón và xử lý tiếp theo và vì thế tiêu hủy một phần lớn tiềm năng tiết kiệm năng lượng.
7.5 Công nghệ sản xuất cồn sinh học và dầu sinh học
7.5.1 Công nghệ sản xuất cồn sinh học
Công nghệ sản xuất cồn sinh học gồm 3 công nghệ chính như sau:
Công nghệ chế biến cồn sinh học từ nhiên liệu chứa tinh bột.
Hình 7.1 Quy trình sản xuất ethanol từ tinh bột
Công nghệ chế biến cồn sinh học từ nhiên liệu chứa rỉ đường.
Hình 7.2 Quy trình sản xuất cồn từ rỉ đường
Công nghệ chế biến cồn sinh học từ nhiên liệu chứa chất xơ.
Hình 7.3 Quy trình sản xuất ethanol từ các chất xơ
7.5.1 Công nghệ sản xuất dầu sinh học
Hình 7.4
Hình 7.5 Quy trình sản xuất dầu sinh học