Định nghĩa nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học (biofuel) là nhiên liệu được chế tạo trực tiếp hoặc gián tiếp từ các vật liệu hữu cơ - sinh khối, bao gồm hai nguồn chính từ thực vật và chất thải động vật, không đi từ các nguồn hóa thạch như dầu mỏ, than đá. Đến thời điểm hiện tại, nhiên liệu sinh học chiếm khoảng 20% tổng mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu. Cá biệt có một số quốc gia, việc sử dụng nhiên liệu sinh học còn lớn hơn thế, như Đức, Braxin, Ấn Độ…, đây chính là những nước đi đầu trong việc chứng minh tính khả dụng và ưu việt của nhiên liệu sinh học. Do các nguồn dự trữ năng lượng hóa thạch đang giảm nhanh chóng, cũng như việc sử dụng chúng gây ra nhiều hậu quả cho môi trường sống, năng lượng sinh học là bước phát triển tất yếu cho tương lai.

Các dạng nhiên liệu sinh học

Một số loại nhiên liệu sinh học điển hình được biết đến rộng rãi ngày nay bao gồm: etanol sinh học (bioetanol), diesel sinh học (biodiesel), diesel xanh (green diesel), kerosen sinh học (biokerosen-hay nhiên liệu phản lực sinh học), các loại alcol sinh học khác (metanol, butanol), ete sinh học, khí sinh học, khí tổng hợp, nhiên liệu sinh khối rắn. Trên thực tế, hai loại nhiên liệu sinh học được quan tâm hơn cả chính là bioetanol và biodiesel, bởi nhiều tính chất mà chúng có được như: sử dụng cho hai loại phương tiện giao thông phổ biến nhất (xe động cơ xăng và xe động cơ diesel); có nhiều tính chất tương đồng với nhiên liệu hóa thạch, nhưng sạch và cháy sạch hơn; được sản xuất từ những nguyên liệu dồi dào, tái tạo như đường, tinh bột, dầu mỡ động thực vật…

Nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học có thể tồn tại ở cả ba trạng thái rắn, lỏng, khí, đồng thời cũng được phân chia thành ba thế hệ. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất, còn gọi là nhiên liệu sinh học truyền thống, được chế tạo từ các sản phẩm dùng trong thực phẩm (như đường, tinh bột, dầu ăn, mỡ động vật…); Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai được sản xuất từ các loại phụ phẩm nông lâm nghiệp (dầu mỡ thải, dầu hạt cao su, rơm rạ, vỏ trấu, rác thải hữu cơ… ); Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba lấy từ các nguồn phi thực phẩm (như vi tảo biển, jatropha….). Các loại này dễ trồng và cho năng suất thu dầu rất lớn.

Mỗi thế hệ nhiên liệu đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, ví dụ sản xuất nhiên liệu từ thế hệ thứ nhất phải đối diện với vấn đề an ninh lương thực và thiếu thốn đất trồng; chế tạo nhiên liệu thế hệ thứ hai không gặp phải bất lợi này nhưng quá trình chuyển hóa từ sinh khối thành sản phẩm khó khăn hơn; nhiên liệu thế hệ thứ ba khắc phục tất cả các nhược điểm trên, nhưng giá thành hiện đang ở mức cao, nên cần các bước phát triển mang tính đột phá để thương mại hóa thành công.

Quy trình sản xuất nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học có thể được sản xuất theo nhiều quy trình, trong đó phổ biến như:

*Lên men: Thường sử dụng để sản xuất các loại rượu, đặc biệt quan trọng là bioetanol, đi từ nguyên liệu chứa cacbohydrat, sinh khối. Hiện nay, việc sản xuất bioetanol chủ yếu đi từ tinh bột hoặc mật rỉ đường. Ngoài ra, xenlulozơ cũng là một nguồn nguyên liệu rất tiềm năng. Có thể sử dụng quy trình lên men để sản xuất một số loại rượu khác như biobutanol…

Quy trình lên men sản xuất bioetanol

*Trao đổi este: Sử dụng để sản xuất biodiesel, biokerosen đi từ các loại dầu mỡ động thực vật:

Quy trình trao đổi este sản xuất biodiesel, biokerosen

*Cracking, hydrocracking xúc tác: Sản xuất các loại nhiên liệu xanh (gọi là greenfuel)) như xăng, kerosen, diesel xanh - là các hydrocacbon đi từ dầu, mỡ động thực vật và sinh khối. Các hydrocacbon này cháy sạch hơn, hiệu quả sử dụng cho động cơ cao hơn so với nhiên liệu hóa thạch.

*Hydrodeoxy hóa hoặc decacboxyl hóa: Sản xuất các loại nhiên liệu xanh từ sinh khối, theo nguyên tắc tách bỏ oxi. Bên cạnh đó, các dị tố khác như nitơ, lưu huỳnh cũng được tách loại trong quá trình này. Sản phẩm là các hydrocacbon thuộc nhiều phân đoạn nhiên liệu khác nhau (xăng, kerosen, diesel).

Sử dụng nhiên liệu sinh học

*Bioetanol: Sử dụng để pha trộn với xăng tạo xăng sinh học. Đây là loại nhiên liệu được sử dụng phổ biến nhất. Bioetanol nguyên chất được ký hiệu là E100, khi pha trộn thêm vào xăng sẽ được ký hiệu tùy theo lượng đưa vào, ví dụ xăng E5 tức là xăng sinh học có 5% thể tích bioetanol và 95% thể tích xăng đi từ dầu mỏ. Với hàm lượng pha trộn dưới 20% thể tích bioetanol, động cơ có thể hoạt động tốt mà không cần thay đổi kết cấu;

*Biodiesel: Sử dụng để pha trộn với diesel từ dầu mỏ tạo nhiên liệu diesel sinh học. Biodiesel tinh khiết ký hiệu là B100, khi pha trộn vào diesel sẽ có quy tắc ký hiệu tương tự đối với xăng sinh học, tức là cũng sẽ có các loại nhiên liệu B5, B10… dùng cho động cơ diesel. Cũng với hàm lượng dưới 20% biodiesel (B20), động cơ diesel có thể hoạt động tốt mà không cần thay đổi kết cấu động cơ;

*Xăng, kerosen, diesel xanh: Sử dụng để pha trộn vào các loại nhiên liệu đi từ dầu mỏ tương ứng. Ưu điểm là có nhiệt trị cao, không chứa lưu huỳnh, có thể pha trộn theo bất kỳ tỷ lệ nào mà không cần thay đổi kết cấu động cơ, miễn là đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của nhiên liệu đó;

*Các loại khí sinh học và nhiên liệu sinh học dạng rắn: Chủ yếu dùng để đốt tạo nhiệt, phát điện.

Lợi ích khi sử dụng nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm vượt trội so với nhiên liệu hóa thạch, đó là:

- Có thể chế tạo dễ dàng từ sinh khối;

- Phát triển bền vững nhờ khả năng tái tạo và phân hủy sinh học tốt;

- Không làm tăng lượng phát thải CO2 do nằm trong quy trình cân bằng CO2 của trái đất;

- Thân thiện với môi trường: Cháy sạch, cháy hoàn toàn, không chứa các hợp chất độc hại, đặc biệt là lưu huỳnh (S, khi cháy sinh ra SOx gây mưa axit, ô nhiễm trầm trọng không khí);

- Sử dụng nhiên liệu sinh học sẽ bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Dự báo trong vài chục năm tới, nhiên liệu sinh học sẽ phát triển với tốc độ nhanh chóng, song hành cũng với sự phát triển của nông nghiệp – ngành tạo ra sản phẩm, phụ phẩm làm nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học.

Các nghiên cứu cũng khẳng định, xu hướng tất yếu của nền kinh tế nhiên liệu là phải tăng thị phần của nhiên liệu sinh học, giảm khai thác và sản xuất nhiên liệu từ dầu mỏ, than đá…

GS.TS Đinh Thị Ngọ

Chuyên gia Hội Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam (Trường ĐHBK Hà Nội)