Thực tế, các quốc gia, các nhà khoa học, các nhà sản xuất năng lượng đang chạy đua với thời gian trong việc tìm các nguồn năng lượng không hoặc ít phát thải CO₂ thay thế các nhiên liệu khoáng. Năng lượng mặt trời và năng lượng gió hiện đang được các quốc gia khác nhau, trong đó Việt Nam, tăng cường đầu tư phát triển.

Theo thống kê (năm 2016), các nhiên liệu khoáng chiếm tỷ lệ trên 85% cân bằng năng lượng toàn cầu, còn lại là tỷ phần của các dạng năng lượng khác gồm thủy điện, điện hạt nhân, năng lượng mặt trời, năng lượng gió… và nhiên liệu sinh học (xăng sinh học và diesel sinh học). Ở đây không tính đến tỷ phần các nhiên liệu thô như cây cỏ, củi, than gỗ, v.v… Tuy nhiên, theo dự báo, trạng thái cân bằng năng lượng sẽ thay đổi nhanh chóng nhờ sự tăng trưởng của tỷ phần các dạng năng lượng tái tạo mà trước hết là năng lượng mặt trời, năng lượng gió và nhiên liệu sinh học (NLSH).

Cùng với năng lượng mặt trời và năng lượng gió cũng như một số dạng năng lượng tái tạo khác, NLSH đang góp phần quan trọng làm giảm phát thải CO₂ ra bầu khí quyển để cứu trái đất khỏi những tai họa do sự ấm lên gây ra. Mặc dầu NLSH đã được các nhà chế tạo ô tô sử dụng từ thế kỷ 18, nhưng gần như bị lãng quên do không cạnh tranh được với các sản phẩm dầu mỏ với giá rẻ hơn và tiện lợi hơn trong sử dụng, cho nên chỉ từ khi có khủng hoảng dầu mỏ do chiến tranh ở Trung Đông năm 1973 gây ra, một số nhà sản xuất nhiên liệu mới quay trở lại với NLSH. Tuy vậy, do giá dầu lúc lên lúc xuống khó đoán định, các nhà sản xuất nhiên liệu cũng lúc muốn lúc không đầu tư cho sản xuất NLSH để thay thế một phần xăng dầu.

Ngoài ra, cho đến cuối thế kỷ 20, những hậu quả môi trường - sinh thái do phát thải quá mức CO₂ gây ra đối với thế giới cũng chưa thật rõ ràng, cho nên sự tăng trưởng tỷ phần NLSH trong cân bằng năng lượng toàn cầu vẫn còn rất chậm chạp. Đó là những lý do trong gần ba thập kỷ cuối thế kỷ 20 lượng NLSH được sản xuất hằng năm trên toàn thế giới hầu như không đáng kể. Sang thế kỷ 21 sản xuất NLSH gồm xăng sinh học (pha ethanol sinh học vào xăng) và diesel sinh học (pha este của dầu thực vật vào dầu diesel) mới có bước tăng trưởng đáng kể. Xăng sinh học chủ yếu được sản xuất ở Hoa Kỳ và Brazil (ethanol được sản xuất từ ngô và mía) còn diesel sinh học chủ yếu được sản xuất ở Tây Âu (nguyên liệu là các loại dầu thực vật).

Trong vòng 10 năm, từ 2006 đến 2016 sản lượng NLSH trên thế giới đã tăng một cách ấn tượng từ khoảng 28 triệu tấn lên khoảng 80 triệu tấn, trong đó xăng sinh học, tức xăng trên cơ sở ethanol, chiếm tỷ lệ áp đảo. Sản lượng NLSH ở các quốc gia khác, trong đó có Việt Nam, còn chiếm tỷ lệ thấp, chỉ khoảng 10%.

Bản thân ethanol cũng là một nhiên liệu với trị số octan trên 100, cho nên khi pha ethanol vào xăng, dù với tỷ lệ nào thì trị số octan của sản phẩm đều tăng lên; hàm lượng ethanol càng lớn thì trị số octan của sản phẩm càng cao. Hiện nay có nhiều chủng loại xăng sinh học với tỷ lệ pha ethanol khác nhau, nhỏ nhất là 5%. Kết quả các nghiên cứu về tỷ lệ pha trộn ethanol với xăng có nguồn gốc từ dầu mỏ đã khẳng định tỷ lệ pha ethanol vào xăng dưới 10% vẫn bảo đảm hoạt động bình thường của động cơ đốt trong và không gây phương hại đến động cơ. Nếu hàm lượng ethanol cao hơn nữa cần có những thay đổi trong thiết kế động cơ để đáp ứng sự thay đổi áp suất hơi bão hòa của nhiên liệu (một số cấu tử hydrocarbon trong xăng có nhiệt độ sôi thấp hơn ethanol, cho nên ethanol thêm vào làm giảm khả năng bay hơi của nhiên liệu) và ức chế tác động ăn mòn kim loại.

Với hàm lượng chỉ 5% ethanol, việc sử dụng xăng E5 không gây bất kỳ bất tiện nào cũng như không có bất kỳ ảnh hưởng tiêu cực nào đến sự vận hành cũng như sự an toàn của động cơ. Những kết luận tương tự cũng được rút ta từ các khảo sát tác động của việc sử dụng diesel sinh học cho các động cơ diesel. Lợi ích của việc sử dụng xăng sinh học hay các NLSH khác đối với môi trường thì rất rõ. Thành phần khí thải của động cơ sử dụng NLSH không chứa hoặc chứa ít hơn các hợp chất độc hại (các hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ, kim loại…) so với khí thải của động cơ chạy bằng nhiên liệu khoáng.

Còn đối với phát thải CO₂ thì, ngoài việc giảm phát thải của động cơ, có thể coi đây là chu trình chuyển hóa một phần nhiên liệu thành năng lượng mà không làm tăng hàm lượng CO₂ trong khí quyển. Ví dụ, đối với xăng pha ethanol, CO₂ do ethanol (trong xăng) cháy thải ra được hấp thu bởi hiện tượng quang hợp của thực vật tạo ra sinh khối để sinh khối này lại được chuyển hóa thành (nguyên liệu tạo ra) ethanol, nghĩa là trong chu trình này CO₂ có thể được coi là một cấu tử của chất mang năng lượng chứ không làm tăng phát thải ra môi trường. Đó chính là chu trình hóa học tạo ra năng lượng không thải carbon dioxide (carbon neutral cycle) trong đó chỉ có NLSH mới thực hiện được chức năng chất mang năng lượng.

Mối quan tâm của các nhà khoa học và các nhà sản xuất nhiên liệu hiện nay là làm sao sản xuất được nhiều NLSH với giá thành cạnh tranh được với các sản phẩm dầu mỏ. Ở Hoa Kỳ, Brazil và nhiều quốc gia khác, nhờ những tiến bộ trong canh tác nông nghiệp, giá thành sản xuất NLSH đã có tính cạnh tranh, nhà sản xuất không bị lỗ dù trong bối cảnh giá dầu mỏ vẫn còn dao động. Như vậy, về mặt kinh tế, ở một số quốc gia, NLSH đã có sức cạnh tranh với các sản phẩm dầu mỏ thuần túy. Tuy nhiên, thế hệ các NLSH hiện nay được coi là “không bền vững”, bởi ethanol sinh học để pha xăng chủ yếu được sản xuất từ những nguyên liệu có nguồn gốc lương thực-thực phẩm hoặc có khả năng cạnh tranh với sản xuất lương thực-thực phẩm (ngô, sắn, mía,…), còn các loại dầu thực vật để chế tạo các este pha vào diesel phần lớn cũng là dầu ăn được (dầu hướng dương, dầu hạt cải, dầu đậu nành, dầu cọ…) hoặc có khả năng cạnh tranh với sản xuất lương thực-thực phẩm (kể cả cây jatropha đã được quan tâm ở Việt Nam).

Vấn đề an toàn lương thực đối với toàn thế giới cũng không kém tầm quan trọng; nạn đói vẫn đang hiện hữu ở một số nơi và tiềm ẩn những nguy cơ. Cho nên, hướng sản xuất NLSH có khả năng cạnh tranh với lương thực-thực phẩm không được khuyến khích và, trong thực tế, sản lượng hằng năm của các NLSH loại này có xu thế không tăng trưởng nữa. Theo dự báo, từ 2016 đến 2022, sản lượng hằng năm đối với NLSH có nguồn gốc từ lương thực-thực phẩm hầu như giữ nguyên, trong khi sản lượng các “NLSH bền vững”, tức được sản xuất từ các nguyên liệu không liên quan đến sản xuất lương thực-thực phẩm có xu thế tăng nhanh. Nếu năm 2016 sản lượng “NLSH bền vững” mới chiếm tỷ lệ khoảng 30% thì đến 2022 dự báo nó sẽ chiếm khoảng trên 60% tổng sản lượng NLSH được sản xuất trên thế giới.

Các “NLSH bền vững” (hay còn gọi là “NLSH tiên tiến”) là những nhiên liệu được sản xuất từ bất kỳ dạng sinh khối nào, từ rơm rạ, thân ngô, lõi ngô, bã mía… đến các dạng phế phẩm và phế thải lâm nghiệp là những vật liệu chứa celluolose có cấu trúc mạng khá bền vững. Tất nhiên quá trình sản xuất các nhiên liệu này đòi hỏi công nghệ phức tạp hơn, có nghĩa là đầu tư phải lớn hơn so với sản xuất ethanol và biodiesel từ các nguyên liệu ăn được. Thách thức này đang được vượt qua nhờ những công nghệ mới tiên tiến hơn; công nghệ càng tiên tiến thì số lượng các nhà máy ở quy mô công nghiệp càng tăng lên.

Tính đến đầu năm 2015 trên thế giới đã có 67 nhà máy sản xuất “NLSH bền vững” từ các nguồn nguyên liệu khác nhau và sử dụng các công nghệ khác nhau, trong đó 24 nhà máy đã đi vào vận hành quy mô thương mại hóa (Hoa Kỳ 9, châu Âu 5, châu Á - Thái Bình Dương 4, châu Phi 3, Nam Mỹ 3); các nhà máy khác ở quy mô pilot hoặc demo. Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu đang tìm tòi những quy trình công nghệ có khả năng chuyển các dạng sinh khối khó phân hủy nhưng có sản lượng hết sức dồi dào là phế thải và phế phẩm nông-lâm nghiệp, rừng trồng để lấy cây sản xuất nhiên liệu… thành NLSH với giá thành cạnh tranh được với nhiên liệu khoáng. Đây chính là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất NLSH đối với tất cả các quốc gia, trong đó có Việt Nam.

Ở nước ta, theo thống kê sơ bộ, có đến hàng chục triệu tấn phế thải nông nghiệp (rơm rạ, trấu, bã mía, thân và lõi ngô…), chưa kể các nguồn sinh khối khác cũng không kém dồi dào. Trên quy mô toàn cầu, lượng sinh khối hằng năm có thể sử dụng được cho chuyển hóa thành NLSH lên đến trên trăm tỉ tấn. Những tiến bộ đạt được trong nghiên cứu rất lạc quan; càng ngày càng xuất hiện những quy trình công nghệ tiến bộ hơn trước. Đầu năm 2014 nhà máy sản xuất ethanol từ phế thải cây ngô (thân, lá, vỏ) lớn nhất tại bang Iowa do Liên doanh Poet-DSM (giữa công ty Poet LLC là công ty sản xuất ethanol lớn nhất Hoa Kỳ với một công ty sản xuất enzym của Hà Lan) đầu tư đã được khánh thành. Được xây dựng liền kề với một nhà máy ethanol từ ngô đã được xây dựng trước đó, nhà máy này có công suất chế biến 260 ngàn tấn nguyên liệu cho ra khoảng 95 triệu lít ethanol. Sau nhà máy này, hai nhà máy khác cũng đã được xây dựng ngay trong năm 2014 tại khu vực này. Ethanol từ cenlulose của Poet-DSM có các tính chất giống ethanol từ (hạt) ngô, nhưng vì nó được tạo ra từ phế thải còn lại trên mặt đất sau khi thu hoạch ngô cho nên hằng năm chu trình sản xuất này tránh được khoảng 210.000 tấn carbon dioxide phát thải.

Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, nếu sử dụng ethanol từ ngô có thể giảm phát thải CO₂ từ 18 đến 28% so với sử dụng xăng từ dầu mỏ thì sử dụng ethanol từ cellulose mức giảm có thể đến 87%. Tại buổi khánh thành nhà máy lớn nhất đầu tiên kể trên, ông Jeff Broin, người sáng lập ra Công ty Poet, đã tuyên bố: "Chúng ta đang chứng kiến ​​những gì tôi tin là nền tảng của sự thay đổi hoàn toàn việc cung cấp năng lượng và nền kinh tế của chúng ta". Thiết nghĩ câu nói đó có lẽ đã vẽ ra tương lai ngành sản xuất nhiên liệu của thế giới đang tiến dần tới thời đại không phát thải carbon dioxide.

GS.TSKH Hồ Sĩ Thoảng

Chủ tịch danh dự Hội Xúc tác và hấp phụ Việt Nam