minhbao171
Pearl
Động cơ đốt là một trong những phát minh vĩ đại nhất của con người. Tuy nhiên, lượng phát thải kinh khủng của nó là cái giá phải trả rất lớn về mặt môi trường.
Một nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học (Ảnh: photosbyjim/iStock)
Trong nhiều thập kỷ qua, đã có những bước tiến khoa học kỹ thuật về mặt hiệu suất và kiểm soát khí thải cho động cơ đốt. Tuy nhiên, con người không bao giờ có thể ước tính được lượng khí thải, như CO2, đã được thải ra môi trường. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu nhiên liệu cho động cơ đốt có thể “trồng” được thay vì phải “đào” như trước đây?
Và trong những thập niên gần đây, nhiên liệu sinh học được hứa hẹn sẽ có thể giúp giải quyết được vấn đề trên. Dù vậy, mọi thứ đều có mặt trái của nó, và cả thứ năng lượng sạch “thần thánh” này cũng vậy.
Chính vì vậy, sinh khối còn được dùng để chỉ các loại vật liệu thô là nguồn gốc của nhiên liệu sinh học; hoặc chỉ nhiên liệu rắn được biến đổi từ nguyên liệu thô bằng nhiệt hoặc hoá học thành các những loại chất đốt như viên nén hoặc than bánh chẳng hạn.
Ảnh: YinYang/iStock
Có khá nhiệu loại nhiên liệu sinh học đã được tạo ra, nhưng được dùng phổ biến nhất là ethanol (đôi lúc còn được gọi là bioethanol) và biodiesel.
Ethanol là một loại chất cồn và thường được sử dụng để pha với các loại nhiên liệu, như xăng, để tăng chỉ số octane, giảm khí CO và khói thải ra môi trường ở động cơ đốt. Dạng xăng pha ethanol phổ biến nhất là E10, là hỗn hợp gồm 10% ethanol và 90% xăng.
Trên một số loại phương tiện hiện đại, hay còn gọi là xe nhiên liệu linh hoạt, có thể hoạt động với xăng pha ethanol có tên E85 với lượng ethanol chiếm từ 51 – 83%. Theo Bộ Năng lượng Mỹ, khoảng 98% lượng xăng bạn bơm vào phương tiện của mình có chứa một tỉ lệ ethanol.
Đa số ethanol dùng làm nhiên liệu được sản xuất từ tinh bột và đường thực vật, nhưng có ngày càng nhiều loại nhiên liệu sinh học được phát triển sử dụng cellulose và hemicellulose. Đây là những loại chất xơ không ăn được tạo thành phần lớn vật chất thực vật. Đến nay, đã có một số nhà máy sản xuất ethanol sinh học từ cellulose với quy mô thương mại đang hoạt động tại Mỹ.
Một số loại cây phổ biến nhất được dùng làm nguyên liệu trong sản xuất ethanol là ngô, ngũ cốc và mía.
Cùng với quá trình sản xuất cồn, tương tự sản xuất bia và rượu, bioethanol được tạo ra từ quá trình ủ lên men. Đối với những đồ uống có cồn, các vi sinh vật (như nấm và men) sử dụng đường thực vật như một nguồn năng lượng và ethanol được tạo ra dưới dạng chất thải của quá trình đó. Sau đó, ethanol sẽ được tách chiết, chưng cất và cô đặc để làm nhiên liệu lỏng. Đến đây, mọi thứ đã cơ bản hình thành, nhưng để có thể trộn với xăng vẫn cần nhiều bước nữa.
Ảnh: Seanpanderson/Wikimedia Commons
Bộ Năng lượng Mỹ giải thích rằng “ethanol chứa ít năng lượng hơn xăng, theo nhiều mức độ, tuỳ vào tỉ lệ của ethanol trong hỗn hợp. Ethanol biến tính (98% ethanol) chứa lượng năng lượng ít hơn xăng khoảng 30%. Tác động của ethanol đối với khả năng tiết kiệm nhiên liệu phụ thuộc vào hàm lượng ethanol trong nhiên liệu và động cơ có được tối ưu hoá để chạy bằng xăng hay ethanol”.
Bên cạnh ethanol, biodiesel là loại nhiên liệu sinh học phổ biến thứ hai. Biodiesel được tạo ra từ chất béo thực vật và mỡ động vật, và được xem là loại nhiên liệu sạch để thay thế cho dầu diesel. Loại nhiên liệu này không độc hại, có khả năng phân huỷ sinh học và được sản xuất bằng cách kết hợp cồn và dầu thực vật, mỡ động vật, hoặc tái sử dụng dầu mỡ chế biến thực phẩm. Biodiesel là một loại mono-alkyl ester được tạo ra từ phản ứng trao đổi giữa cồn và ester, trong đó, nguyên liệu thô phản ứng với cồn (như methanol) với sự có mặt của chất xúc tác để tạo ra biodiesel và glycerin.
Tương tự ethanol, biodiesel có thể pha với dầu diesel để tạo thành một loại nhiên liệu thân thiện với môi trường hơn. Loại nguyên liệu này được xếp loại từ dầu diesel B100 (không pha) cho đến loại phổ biến nhất là B20 với 20% biodiesel và 80% dầu diesel từ nhiên liệu hoá thạch.
So với các loại nhiên liệu truyền thống thì biodiesel cũng có những vấn đề riêng của nó. Ví dụ như nó có xu hướng kết tinh khi gặp môi trường lạnh. Nói cách khác, trong môi trường nhiệt độ thấp, hàm lượng biodiesel càng ít thì hiệu suất của nhiên liệu càng cao. Vấn đề này có thể khắc phục bằng cách thêm chất phụ gia chống đông vào thành phần nhiên liệu.
Ngoài ra còn có một loại biodiesel khác cũng khá phổ tiếng được gọi là “dầu diesel xanh”, hay dầu diesel tái tạo. Loại dầu này được tạo ra bằng quá trình hydrocracking dầu thực vật hoặc mỡ động vật (hoặc thông quá quá trình khí hoá, nhiệt phân hoặc các công nghệ hoá sinh và nhiệt hoá khác) để tạo ra một sản phẩm có tính chất giống với dầu diesel thông thường.
Ảnh: razvanchirnoaga/iStock
Còn có một số loại nhiên liệu sinh học khác, như biogas hay biomethane, được tạo ra thừ quá trình tiêu hoá (hay còn gọi là thối rữa) kỵ khí các vật chất hữu cơ. “Khí tổng hợp” (syngas) cũng là một loại nhiên liệu sinh học dạng khí, được tạo ra bằng cách trộn carbon monoxide, hydrogen và các loại hydrocarbon khác thông qua đốt cháy một phần kinh khối.
Năm 2021, sản lượng nhiên liệu sinh học trên toàn thế giới đạt khoảng 161 triệu mét khối, chiếm khoảng 4% tổng lượng nhiên liệu sử dụng cho hoạt động vận tải đường bộ toàn cầu. Một số tổ chức, như Cơ quan Năng lượng Quốc tế, hy vọng rằng đến năm 2050, con số này sẽ tăng lên 25%.
Một trong số các hoạt động phát thải chính là từ xe ô tô khách và ô tô tải. Trên thực tế, đây là một trong những nguyên nhân phát thải carbon chính của con người. Theo một số nguồn thì con số ước tính là khoảng một phần tư tổng lượng phát thải toàn cầu.
Ngành giao thông vận tải cũng là một trong những ngành phát triển nhanh nhất thế giới, xu hướng sử dụng xe ô tô cá nhân cũng được đẩy mạnh ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, đại đa số vẫn đang sử dụng các dòng xe động cơ đốt thay vì những giải pháp “sạch” hơn như phát triển thị trường xe điện.
Ảnh: Mailson Pignata/iStock
Điều này cần có sự thay đổi và vì thế, nhiên liệu sinh học được xem là “giải pháp” tiềm năng nhất.
Đầu tiên là vì nhiên liệu sinh học được hình thành từ việc trồng và thu hoạch các loại thực vật làm nguyên liệu thay cho các nguồn hydrocarbon tích tụ sâu bên dưới lòng đất như nhiên liệu hoá thạch. Dấu hỏi lớn nhất là nhiên liệu sinh học có thể giảm được bao nhiêu carbon dioxide (CO2) giải phóng ra khi bị đốt cháy, nhiều hơn hay ít hơn? Nguyên nhân là vì mô thực vật và trong đất trồng đều có chứa carbon.
Trên thực tế, chúng là “carbon trung tính” và một số trường hợp đã được chứng minh là carbon âm tính – hay nói cách khác là lượng carbon chúng loại bỏ khỏi khí quyển nhiều hơn lượng carbon chúng giải phóng khi được thu hoạch, chế biến và đốt cháy/chuyển đổi.
Ngoài ra cũng có những lợi ích khác đối với nguồn nguyên liệu đầu vào, bao gồm nhưng không hạn chế, các loại phụ phẩm (như đạm) có thể được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi. Quá trình này giúp tiết kiệm lượng năng lượng mà các phương tiện khác sẽ dùng để sản xuất số thức ăn chăn nuôi tương ứng (nhờ đó giảm lượng phát thải CO2).
Để đạt được mục tiêu đó, nhiều quốc gia đã có định hướng phát triển rõ ràng, như Brazil đã thiết lập nền công nghiệp bioethanol từ khoảng 40 năm trước. Các nước khác bắt đầu chạy theo sau đó. Năm 2005, Mỹ thiết lập tiêu chuẩn quốc gia đầu tiên về nhiên liệu tái tạo theo “Đạo luật Chính sách năng lượng”. Đạo luật này hướng đến mục tiêu đến năm 2012 đạt mức tiêu thụ nhiên liệu sinh học hằng năm là 28,5 triệu mét khối.
Đạo luật này cũng yêu cầu các công ty sản xuất nhiên liệu hoá thạch phải pha trộn nhiên liệu sinh học với các loại nhiên liệu lỏng phổ thông để giảm thiểu tác động dài dạn đối với môi trường. Năm 2008, Liên minh Châu Âu cũng đưa ra chính sách tương tự với “Chỉ thị về Năng lượng tái tạo”, yêu cầu các nước thành viên đến năm 2020 phải chuyển đổi ít nhất 10% tổng lượng phương tiện giao thông sang sử dụng nhiên liệu tái tạo.
Những yêu cầu này đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học trên toàn thế giới. Nhưng liệu tuyên bố nhiên liệu sinh học tốt cho môi trường hơn nhiên liệu hoá thạch có chính xác?
Ảnh: kallerna/Wikimedia Commons
Ví dụ, tuyên bố cho rằng nhiên liệu sinh học là carbon trung tính, thậm chí là carbon âm tính, không hoàn toàn chính xác. Nhiều nghiên cứu về vấn đề này đã chỉ ra rằng khi so sánh với xăng, các loại nhiên liệu sinh học khác nhau có mức độ phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính khác nhau.
Nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhiên liệu sinh học chứa rất nhiều chi phí trong quá trình sản xuất, như chi phí thu hoạch, xử lý, vận chuyển, chúng thường không được đưa vào bảng tính hoặc bị bỏ qua hoàn toàn. Trong một vài trường hợp, tuỳ vào phương pháp được ứng dụng trong sản xuất nguyên liệu đầu vào và quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học, lượng phát thải carbon có thể cao hơn cả nhiên liệu hoá thạch.
Từ đầu đến giờ, chúng ta chỉ mới tập trung vào khí CO2, nhưng đây cũng chỉ là một trong những loại khí thải độc hại nhất. Các nitơ oxit, hay NOx, cũng là loại khí thải cần quan tâm.
NOx không chỉ là thành phần quan trọng tạo nên những hiệu ứng thời tiết độc hại như mưa axit, mà nó còn là nguyên nhân dẫn đến “nguy cơ ấm lên toàn cầu”, ước tính mạnh hơn CO2 khoảng 300 lần. Không chỉ thế, các nitơ oxit còn tồn tại trong khí quyển lâu hơn nhiều so với CO2, 114 năm so với 4 năm.
NOx cũng có tác động tiêu cực đến tầng ozone và không chỉ có thế.
NOx cũng được tạo ra trong các giai đoạn khác nhau của quá trình sản xuất và trong quá trình đốt cháy nhiên liệu sinh học khi sử dụng trong động cơ đốt.
Ảnh: aydinmutlu/iStock
Thẳng thắn mà nói thì mọi phương thức canh tác nông nghiệp đều thải ra NOx ở một mức độ nào đó. Do vậy cũng không thể đổ lỗi cho nhiên liệu sinh học làm tăng lượng NOx phát thải trong khí quyển trong những thập kỷ gần đây. Tuy nhiên, vì nhiều chính phủ đang thúc đẩy mạnh việc sử dụng nhiên liệu sinh học nên cần có những nghiên cứu sâu hơn về tác động của nhiên liệu sinh học liên quan đến NOx.
Một điểm khác biệt quan trọng khác giữa nhiên liệu sinh học và nhiên liệu hoá thạch truyền thống là lượng phát thải carbonyl. Carbonyl là một nhóm chức bao gồm một nguyên tử carbon (C) liên kết cộng hoá trị đôi với một nguyên tử oxi (O), và thường là một phần trong các nhóm chức lớn hơn trong các hợp chất như axit cacboxylic, este, anhydrit, acyl halogenua, amit, quinon….
Một số loại carbonyl có thể rất độc hại đối với sức khoẻ con người. Một số nghiên cứu phát hiện ra rằng nhiên liệu sinh học, như biodiesel, thải ra nhiều carbonyl hơn so với dầu diesel không pha, trong đó có formaldehyde, acetaldehyde, acrolein, aceton, propionaldehyde và butyraldehyde.
Một số nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng việc đốt cháy các loại nhiên liệu sinh học dẫn đến sự gia tăng các loại chất thải gây hại cho sức khoẻ con người như các hợp chất dễ bay hơi (VOC), hydrocarbon thơm đa vòng và kim loại nặng.
Một vấn đề khác của nhiên liệu sinh học cũng quan trọng không kém là sự phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính trực tiếp và gián tiếp khi thay đổi mục đích sử dụng đất. Ví dụ việc phá rừng và đồng cỏ để lấy đất sản xuất nhiên liệu sinh học gây ra những tác động rất nghiêm trọng đối với môi trường.
Ảnh: Scharfsinn86/iStock
Một số nghiên cứu cho thấy hoạt động này có thể thải ra hàng trăm đến hàng nghìn tấn CO2 mỗi héc-ta đổi lại là mục tiêu “giảm thiểu” 1,8 tấn/ha/năm khi trồng ngô phục vụ sản xuất bioethanol, hay 8,6 tấn/ha/năm đối với trồng cỏ bụi switchgrass. Đất đai cũng được chuyển đổi mục đích từ trồng cây lương thực sang trồng cây sinh khối phục vụ sản xuất nhiên liệu.
Thông tin này chỉ mới được củng cố gần đây thông qua một nghiên cứu về việc sử dụng nhiên liệu bioethanol sản xuất từ ngô tại Mỹ. Nghiên cứu xác định nhu cầu tiêu thụ ngô tăng cao để phục vụ sản xuất nhiên liệu sinh học khiến chúng bị đẩy giá, và vì vậy dẫn đến việc chuyển đổi mục đích sử dụng đất sang trồng ngô.
Những nghiên cứu khác cũng chỉ ra một khoảng “chi phí cơ hội” lớn khi sử dụng đất có giá trị theo cách này. Nếu các chính phủ thật sự nghiêm túc trong việc giảm thiểu CO2 trong khí quyển, thì đất đai (nếu được chuyển đổi từ đất rừng) lẽ ra phải được giữ nguyên trạng. Chiếc lược tốt hơn là tái trồng rừng tại các khu đất nông nghiệp hiện có đã được chuyển đổi sang trồng cây phục vụ sản xuất nhiên liệu sinh học.
Rõ ràng việc chuyển đổi đất tự nhiên sang đất canh tác phục vụ sản xuất nhiên liệu sinh học cũng gây tác động mạnh đến sự đa dạng sinh học và môi trường sống bản địa. Nghiên cứu cũng chỉ ra qủa trình sản xuất nguyên liệu đầu vào cho nhiên liệu sinh học, như ngô và đậu nành, có thể làm gia tăng tình trạng ô nhiễm nguồn nước do dư lượng phân bón, thuốc trừ sâu, trầm tích và làm cạn kiệt tầng ngậm nước.
Phân huỷ sinh học cũng là một khía cạnh cần phải xem xét khi nói đến chủ đề này. Nhiều nghiên cứu cho thấy trong điều kiện tự nhiên, nhiên liệu sinh học, dầu thực vật, biodiesel và dầu diesel 2-D có xu hướng phân huỷ nhanh hơn so với xăng hay dầu diesel thông thường.
Trong điều kiện có kiểm soát, các loại nhiên liệu trên phân huỷ nhanh gấp 5 lần so với xăng/dầu diesel, và quá trình phân huỷ cũng tạo ra ít chất thải nguy hại hơn nhiều. Đây là thông tin rất tích cực và cho thấy những vụ tai nạn tràn dầu sẽ giảm bớt thiệt hại hơn nếu các bồn chứa nhiên liệu sinh học.
Ảnh: BanksPhotos/iStock
Một số giải pháp cũng đã được đề cập đến, như tăng mục tiêu tái trồng rừng. Ngoài ra, cũng có những giải pháp khác.
Trong đó, quan trọng hơn hết là chuyển đổi nguồn năng lượng và cải thiện hiệu suất. Dù động cơ đốt đã gây ra tác động tiêu cực lên môi trường trong nhiều thập kỷ, nhưng nó vẫn là loại động cơ tốt nhất để chuyển đổi nhiên liệu thành những công việc hữu ích mà nhân loại từng tạo ra.
Sự ra đời của động cơ đốt thật sự là một cuộc cách mạng. Nếu chúng ta tập trung hơn vào việc cải thiện hiệu suất thay vì tìm cách cấm chúng, thì theo thời gian, có thể sẽ có những cải thiện rõ rệt về lượng khí thải.
Theo một số nghiên cứu tại Mỹ, chỉ cần cải thiện hiệu suất động cơ thêm 0,425 km/lít cho mỗi phương tiện là đã có thể làm giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính nhiều hơn tất cả các khoản mà toàn bộ quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học có thể “giảm thiểu”. Nhiều phương pháp cải tiến khác cũng đang được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất của động cơ đốt.
Ví dụ như Transient Plasma Ignition, là bộ phận đánh lửa thay thế cho bugi truyền thống, có thể gia tăng hiệu suất động cơ đốt thêm đến 20%. Bộ phận đánh lửa mới này cũng có tuổi thọ cao hơn so với bugi thông thường.
Tuy nhiên, những giải pháp này vẫn dựa vào khai thác và sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Với mục tiêu khử carbon của nhiều nền kinh tế, những công nghệ này thực tế chỉ là giải pháp ngắn hạn cho động cơ đốt trong.
Tuy vậy, không có nghĩa là việc nghiên cứu và phát triển trên lĩnh vực này cần lược bỏ. Bất kỳ cải tiến nào có thể tăng hiệu suất của động cơ đốt trong cũng có thể tăng hiệu suất của động cơ đốt sử dụng nhiên liệu sinh học, mặc dù là gián tiếp.
Ảnh: Keeratikorn Suttiwong/iStock
Trên một số mặt, rõ ràng nhiên liệu liệu sinh học vẫn mang lại nhiều lợi ích hơn. Các loại chất thải hữu cơ từ quá trình sản xuất của các ngành công nghiệp khác có thể được dùng để sản xuất nhiên liệu sinh học thay vì vứt bỏ. Một vài ví dụ như sử dụng thức ăn thừa để sản xuất biogas/bio-LPG hoặc dùng các phụ phẩm từ quá trình sản xuất bia để sản xuất nhiên liệu sinh học.
Suy cho cùng thì đây mới chính là lợi ích vượt trội của nhiên liệu sinh học so với các loại nhiên liệu hoá thạch. Nếu tập trung hơn vào việc tái sử dụng chất thải từ quy trình sản xuất đã có để tạo ra nhiên liệu sinh học thay vì chuyển đổi đất tự nhiên hay đất nông nghiệp sang trồng cây nguyên liệu, thì chúng ta mới có thể phát huy lợi ích của nhiên liệu sinh học và giảm thiểu tối đa chi phí môi trường.
Và tất nhiên, đó là trong điều kiện con người vẫn tiếp tục sử dụng các nguồn nhiên liệu đốt. Và xu hướng này vẫn sẽ còn duy trì trong nhiều năm tới trước khi bị thay thế bởi những nguồn năng lượng khác, như điện chẳng hạn.
Theo Interesting Engineering
Trong nhiều thập kỷ qua, đã có những bước tiến khoa học kỹ thuật về mặt hiệu suất và kiểm soát khí thải cho động cơ đốt. Tuy nhiên, con người không bao giờ có thể ước tính được lượng khí thải, như CO2, đã được thải ra môi trường. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu nhiên liệu cho động cơ đốt có thể “trồng” được thay vì phải “đào” như trước đây?
Và trong những thập niên gần đây, nhiên liệu sinh học được hứa hẹn sẽ có thể giúp giải quyết được vấn đề trên. Dù vậy, mọi thứ đều có mặt trái của nó, và cả thứ năng lượng sạch “thần thánh” này cũng vậy.
Nhiên liệu sinh học là gì?
Đúng như tên gọi của nó, nhiên liệu sinh học (biofuel) là các loại nhiên liệu dạng lỏng và khí được tạo ra một cách “tự nhiên” thông qua chuyển đổi một số loại sinh vật. Dù định nghĩa này có thể bao gồm cả những loại nhiên liệu rắn, như gỗ chẳng hạn, nhưng chúng thường được gọi là sinh khối (biomass) hơn là nhiên liệu sinh học.Chính vì vậy, sinh khối còn được dùng để chỉ các loại vật liệu thô là nguồn gốc của nhiên liệu sinh học; hoặc chỉ nhiên liệu rắn được biến đổi từ nguyên liệu thô bằng nhiệt hoặc hoá học thành các những loại chất đốt như viên nén hoặc than bánh chẳng hạn.
Có khá nhiệu loại nhiên liệu sinh học đã được tạo ra, nhưng được dùng phổ biến nhất là ethanol (đôi lúc còn được gọi là bioethanol) và biodiesel.
Ethanol là một loại chất cồn và thường được sử dụng để pha với các loại nhiên liệu, như xăng, để tăng chỉ số octane, giảm khí CO và khói thải ra môi trường ở động cơ đốt. Dạng xăng pha ethanol phổ biến nhất là E10, là hỗn hợp gồm 10% ethanol và 90% xăng.
Trên một số loại phương tiện hiện đại, hay còn gọi là xe nhiên liệu linh hoạt, có thể hoạt động với xăng pha ethanol có tên E85 với lượng ethanol chiếm từ 51 – 83%. Theo Bộ Năng lượng Mỹ, khoảng 98% lượng xăng bạn bơm vào phương tiện của mình có chứa một tỉ lệ ethanol.
Đa số ethanol dùng làm nhiên liệu được sản xuất từ tinh bột và đường thực vật, nhưng có ngày càng nhiều loại nhiên liệu sinh học được phát triển sử dụng cellulose và hemicellulose. Đây là những loại chất xơ không ăn được tạo thành phần lớn vật chất thực vật. Đến nay, đã có một số nhà máy sản xuất ethanol sinh học từ cellulose với quy mô thương mại đang hoạt động tại Mỹ.
Một số loại cây phổ biến nhất được dùng làm nguyên liệu trong sản xuất ethanol là ngô, ngũ cốc và mía.
Cùng với quá trình sản xuất cồn, tương tự sản xuất bia và rượu, bioethanol được tạo ra từ quá trình ủ lên men. Đối với những đồ uống có cồn, các vi sinh vật (như nấm và men) sử dụng đường thực vật như một nguồn năng lượng và ethanol được tạo ra dưới dạng chất thải của quá trình đó. Sau đó, ethanol sẽ được tách chiết, chưng cất và cô đặc để làm nhiên liệu lỏng. Đến đây, mọi thứ đã cơ bản hình thành, nhưng để có thể trộn với xăng vẫn cần nhiều bước nữa.
Bộ Năng lượng Mỹ giải thích rằng “ethanol chứa ít năng lượng hơn xăng, theo nhiều mức độ, tuỳ vào tỉ lệ của ethanol trong hỗn hợp. Ethanol biến tính (98% ethanol) chứa lượng năng lượng ít hơn xăng khoảng 30%. Tác động của ethanol đối với khả năng tiết kiệm nhiên liệu phụ thuộc vào hàm lượng ethanol trong nhiên liệu và động cơ có được tối ưu hoá để chạy bằng xăng hay ethanol”.
Bên cạnh ethanol, biodiesel là loại nhiên liệu sinh học phổ biến thứ hai. Biodiesel được tạo ra từ chất béo thực vật và mỡ động vật, và được xem là loại nhiên liệu sạch để thay thế cho dầu diesel. Loại nhiên liệu này không độc hại, có khả năng phân huỷ sinh học và được sản xuất bằng cách kết hợp cồn và dầu thực vật, mỡ động vật, hoặc tái sử dụng dầu mỡ chế biến thực phẩm. Biodiesel là một loại mono-alkyl ester được tạo ra từ phản ứng trao đổi giữa cồn và ester, trong đó, nguyên liệu thô phản ứng với cồn (như methanol) với sự có mặt của chất xúc tác để tạo ra biodiesel và glycerin.
Tương tự ethanol, biodiesel có thể pha với dầu diesel để tạo thành một loại nhiên liệu thân thiện với môi trường hơn. Loại nguyên liệu này được xếp loại từ dầu diesel B100 (không pha) cho đến loại phổ biến nhất là B20 với 20% biodiesel và 80% dầu diesel từ nhiên liệu hoá thạch.
So với các loại nhiên liệu truyền thống thì biodiesel cũng có những vấn đề riêng của nó. Ví dụ như nó có xu hướng kết tinh khi gặp môi trường lạnh. Nói cách khác, trong môi trường nhiệt độ thấp, hàm lượng biodiesel càng ít thì hiệu suất của nhiên liệu càng cao. Vấn đề này có thể khắc phục bằng cách thêm chất phụ gia chống đông vào thành phần nhiên liệu.
Ngoài ra còn có một loại biodiesel khác cũng khá phổ tiếng được gọi là “dầu diesel xanh”, hay dầu diesel tái tạo. Loại dầu này được tạo ra bằng quá trình hydrocracking dầu thực vật hoặc mỡ động vật (hoặc thông quá quá trình khí hoá, nhiệt phân hoặc các công nghệ hoá sinh và nhiệt hoá khác) để tạo ra một sản phẩm có tính chất giống với dầu diesel thông thường.
Còn có một số loại nhiên liệu sinh học khác, như biogas hay biomethane, được tạo ra thừ quá trình tiêu hoá (hay còn gọi là thối rữa) kỵ khí các vật chất hữu cơ. “Khí tổng hợp” (syngas) cũng là một loại nhiên liệu sinh học dạng khí, được tạo ra bằng cách trộn carbon monoxide, hydrogen và các loại hydrocarbon khác thông qua đốt cháy một phần kinh khối.
Năm 2021, sản lượng nhiên liệu sinh học trên toàn thế giới đạt khoảng 161 triệu mét khối, chiếm khoảng 4% tổng lượng nhiên liệu sử dụng cho hoạt động vận tải đường bộ toàn cầu. Một số tổ chức, như Cơ quan Năng lượng Quốc tế, hy vọng rằng đến năm 2050, con số này sẽ tăng lên 25%.
Vì sao nhiên liệu sinh học được cho là thân thiện với môi trường?
Để trả lời đầy đủ cho câu hỏi này, chúng ta cần quay ngược về quá khứ một chút. Vào giai đoạn cuối thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21, nhiều chính phủ trên thế giới đang phải vò đầu bứt tai để tìm cách xử lý lượng phát thải carbon mà quốc gia của họ tạo ra.Một trong số các hoạt động phát thải chính là từ xe ô tô khách và ô tô tải. Trên thực tế, đây là một trong những nguyên nhân phát thải carbon chính của con người. Theo một số nguồn thì con số ước tính là khoảng một phần tư tổng lượng phát thải toàn cầu.
Ngành giao thông vận tải cũng là một trong những ngành phát triển nhanh nhất thế giới, xu hướng sử dụng xe ô tô cá nhân cũng được đẩy mạnh ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, đại đa số vẫn đang sử dụng các dòng xe động cơ đốt thay vì những giải pháp “sạch” hơn như phát triển thị trường xe điện.
Điều này cần có sự thay đổi và vì thế, nhiên liệu sinh học được xem là “giải pháp” tiềm năng nhất.
Đầu tiên là vì nhiên liệu sinh học được hình thành từ việc trồng và thu hoạch các loại thực vật làm nguyên liệu thay cho các nguồn hydrocarbon tích tụ sâu bên dưới lòng đất như nhiên liệu hoá thạch. Dấu hỏi lớn nhất là nhiên liệu sinh học có thể giảm được bao nhiêu carbon dioxide (CO2) giải phóng ra khi bị đốt cháy, nhiều hơn hay ít hơn? Nguyên nhân là vì mô thực vật và trong đất trồng đều có chứa carbon.
Trên thực tế, chúng là “carbon trung tính” và một số trường hợp đã được chứng minh là carbon âm tính – hay nói cách khác là lượng carbon chúng loại bỏ khỏi khí quyển nhiều hơn lượng carbon chúng giải phóng khi được thu hoạch, chế biến và đốt cháy/chuyển đổi.
Ngoài ra cũng có những lợi ích khác đối với nguồn nguyên liệu đầu vào, bao gồm nhưng không hạn chế, các loại phụ phẩm (như đạm) có thể được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi. Quá trình này giúp tiết kiệm lượng năng lượng mà các phương tiện khác sẽ dùng để sản xuất số thức ăn chăn nuôi tương ứng (nhờ đó giảm lượng phát thải CO2).
Để đạt được mục tiêu đó, nhiều quốc gia đã có định hướng phát triển rõ ràng, như Brazil đã thiết lập nền công nghiệp bioethanol từ khoảng 40 năm trước. Các nước khác bắt đầu chạy theo sau đó. Năm 2005, Mỹ thiết lập tiêu chuẩn quốc gia đầu tiên về nhiên liệu tái tạo theo “Đạo luật Chính sách năng lượng”. Đạo luật này hướng đến mục tiêu đến năm 2012 đạt mức tiêu thụ nhiên liệu sinh học hằng năm là 28,5 triệu mét khối.
Đạo luật này cũng yêu cầu các công ty sản xuất nhiên liệu hoá thạch phải pha trộn nhiên liệu sinh học với các loại nhiên liệu lỏng phổ thông để giảm thiểu tác động dài dạn đối với môi trường. Năm 2008, Liên minh Châu Âu cũng đưa ra chính sách tương tự với “Chỉ thị về Năng lượng tái tạo”, yêu cầu các nước thành viên đến năm 2020 phải chuyển đổi ít nhất 10% tổng lượng phương tiện giao thông sang sử dụng nhiên liệu tái tạo.
Những yêu cầu này đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học trên toàn thế giới. Nhưng liệu tuyên bố nhiên liệu sinh học tốt cho môi trường hơn nhiên liệu hoá thạch có chính xác?
Nhiên liệu sinh học có thật sự tốt cho môi trường?
Cũng như bất kỳ điều gì trong cuộc sống này, không có một giải pháp nào là hoàn hảo cả, chỉ có giải pháp tốt hơn mà thôi. Với tất cả những lợi ích mà các sản phẩm nhiên liệu sinh học mang lại, chúng cũng có một số nhược điểm quan trọng và thậm chí là có những tác động đến môi trường mà chúng ta không thể bỏ qua nếu thật sự thẳng thẳn nhìn nhận.
Ví dụ, tuyên bố cho rằng nhiên liệu sinh học là carbon trung tính, thậm chí là carbon âm tính, không hoàn toàn chính xác. Nhiều nghiên cứu về vấn đề này đã chỉ ra rằng khi so sánh với xăng, các loại nhiên liệu sinh học khác nhau có mức độ phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính khác nhau.
Nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhiên liệu sinh học chứa rất nhiều chi phí trong quá trình sản xuất, như chi phí thu hoạch, xử lý, vận chuyển, chúng thường không được đưa vào bảng tính hoặc bị bỏ qua hoàn toàn. Trong một vài trường hợp, tuỳ vào phương pháp được ứng dụng trong sản xuất nguyên liệu đầu vào và quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học, lượng phát thải carbon có thể cao hơn cả nhiên liệu hoá thạch.
Từ đầu đến giờ, chúng ta chỉ mới tập trung vào khí CO2, nhưng đây cũng chỉ là một trong những loại khí thải độc hại nhất. Các nitơ oxit, hay NOx, cũng là loại khí thải cần quan tâm.
NOx không chỉ là thành phần quan trọng tạo nên những hiệu ứng thời tiết độc hại như mưa axit, mà nó còn là nguyên nhân dẫn đến “nguy cơ ấm lên toàn cầu”, ước tính mạnh hơn CO2 khoảng 300 lần. Không chỉ thế, các nitơ oxit còn tồn tại trong khí quyển lâu hơn nhiều so với CO2, 114 năm so với 4 năm.
NOx cũng có tác động tiêu cực đến tầng ozone và không chỉ có thế.
NOx cũng được tạo ra trong các giai đoạn khác nhau của quá trình sản xuất và trong quá trình đốt cháy nhiên liệu sinh học khi sử dụng trong động cơ đốt.
Thẳng thắn mà nói thì mọi phương thức canh tác nông nghiệp đều thải ra NOx ở một mức độ nào đó. Do vậy cũng không thể đổ lỗi cho nhiên liệu sinh học làm tăng lượng NOx phát thải trong khí quyển trong những thập kỷ gần đây. Tuy nhiên, vì nhiều chính phủ đang thúc đẩy mạnh việc sử dụng nhiên liệu sinh học nên cần có những nghiên cứu sâu hơn về tác động của nhiên liệu sinh học liên quan đến NOx.
Một điểm khác biệt quan trọng khác giữa nhiên liệu sinh học và nhiên liệu hoá thạch truyền thống là lượng phát thải carbonyl. Carbonyl là một nhóm chức bao gồm một nguyên tử carbon (C) liên kết cộng hoá trị đôi với một nguyên tử oxi (O), và thường là một phần trong các nhóm chức lớn hơn trong các hợp chất như axit cacboxylic, este, anhydrit, acyl halogenua, amit, quinon….
Một số loại carbonyl có thể rất độc hại đối với sức khoẻ con người. Một số nghiên cứu phát hiện ra rằng nhiên liệu sinh học, như biodiesel, thải ra nhiều carbonyl hơn so với dầu diesel không pha, trong đó có formaldehyde, acetaldehyde, acrolein, aceton, propionaldehyde và butyraldehyde.
Một số nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng việc đốt cháy các loại nhiên liệu sinh học dẫn đến sự gia tăng các loại chất thải gây hại cho sức khoẻ con người như các hợp chất dễ bay hơi (VOC), hydrocarbon thơm đa vòng và kim loại nặng.
Một vấn đề khác của nhiên liệu sinh học cũng quan trọng không kém là sự phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính trực tiếp và gián tiếp khi thay đổi mục đích sử dụng đất. Ví dụ việc phá rừng và đồng cỏ để lấy đất sản xuất nhiên liệu sinh học gây ra những tác động rất nghiêm trọng đối với môi trường.
Một số nghiên cứu cho thấy hoạt động này có thể thải ra hàng trăm đến hàng nghìn tấn CO2 mỗi héc-ta đổi lại là mục tiêu “giảm thiểu” 1,8 tấn/ha/năm khi trồng ngô phục vụ sản xuất bioethanol, hay 8,6 tấn/ha/năm đối với trồng cỏ bụi switchgrass. Đất đai cũng được chuyển đổi mục đích từ trồng cây lương thực sang trồng cây sinh khối phục vụ sản xuất nhiên liệu.
Thông tin này chỉ mới được củng cố gần đây thông qua một nghiên cứu về việc sử dụng nhiên liệu bioethanol sản xuất từ ngô tại Mỹ. Nghiên cứu xác định nhu cầu tiêu thụ ngô tăng cao để phục vụ sản xuất nhiên liệu sinh học khiến chúng bị đẩy giá, và vì vậy dẫn đến việc chuyển đổi mục đích sử dụng đất sang trồng ngô.
Những nghiên cứu khác cũng chỉ ra một khoảng “chi phí cơ hội” lớn khi sử dụng đất có giá trị theo cách này. Nếu các chính phủ thật sự nghiêm túc trong việc giảm thiểu CO2 trong khí quyển, thì đất đai (nếu được chuyển đổi từ đất rừng) lẽ ra phải được giữ nguyên trạng. Chiếc lược tốt hơn là tái trồng rừng tại các khu đất nông nghiệp hiện có đã được chuyển đổi sang trồng cây phục vụ sản xuất nhiên liệu sinh học.
Rõ ràng việc chuyển đổi đất tự nhiên sang đất canh tác phục vụ sản xuất nhiên liệu sinh học cũng gây tác động mạnh đến sự đa dạng sinh học và môi trường sống bản địa. Nghiên cứu cũng chỉ ra qủa trình sản xuất nguyên liệu đầu vào cho nhiên liệu sinh học, như ngô và đậu nành, có thể làm gia tăng tình trạng ô nhiễm nguồn nước do dư lượng phân bón, thuốc trừ sâu, trầm tích và làm cạn kiệt tầng ngậm nước.
Phân huỷ sinh học cũng là một khía cạnh cần phải xem xét khi nói đến chủ đề này. Nhiều nghiên cứu cho thấy trong điều kiện tự nhiên, nhiên liệu sinh học, dầu thực vật, biodiesel và dầu diesel 2-D có xu hướng phân huỷ nhanh hơn so với xăng hay dầu diesel thông thường.
Trong điều kiện có kiểm soát, các loại nhiên liệu trên phân huỷ nhanh gấp 5 lần so với xăng/dầu diesel, và quá trình phân huỷ cũng tạo ra ít chất thải nguy hại hơn nhiều. Đây là thông tin rất tích cực và cho thấy những vụ tai nạn tràn dầu sẽ giảm bớt thiệt hại hơn nếu các bồn chứa nhiên liệu sinh học.
Vậy nhiên liệu sinh học có lợi hay không?
Có thể có nhưng cũng có thể không. Một số loại nhiên liệu sinh học rõ ràng là có lợi cho môi trường hơn so với việc tiếp tục khoan xuống lòng đất để khai thác nhiên liệu hoá thạch. Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách cần phải có cái nhìn toàn diện hơn. Không phải mọi loại nhiên liệu sinh học và phương pháp sản xuất đều có mức độ tác động giống nhau.
Một số giải pháp cũng đã được đề cập đến, như tăng mục tiêu tái trồng rừng. Ngoài ra, cũng có những giải pháp khác.
Trong đó, quan trọng hơn hết là chuyển đổi nguồn năng lượng và cải thiện hiệu suất. Dù động cơ đốt đã gây ra tác động tiêu cực lên môi trường trong nhiều thập kỷ, nhưng nó vẫn là loại động cơ tốt nhất để chuyển đổi nhiên liệu thành những công việc hữu ích mà nhân loại từng tạo ra.
Sự ra đời của động cơ đốt thật sự là một cuộc cách mạng. Nếu chúng ta tập trung hơn vào việc cải thiện hiệu suất thay vì tìm cách cấm chúng, thì theo thời gian, có thể sẽ có những cải thiện rõ rệt về lượng khí thải.
Theo một số nghiên cứu tại Mỹ, chỉ cần cải thiện hiệu suất động cơ thêm 0,425 km/lít cho mỗi phương tiện là đã có thể làm giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính nhiều hơn tất cả các khoản mà toàn bộ quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học có thể “giảm thiểu”. Nhiều phương pháp cải tiến khác cũng đang được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất của động cơ đốt.
Ví dụ như Transient Plasma Ignition, là bộ phận đánh lửa thay thế cho bugi truyền thống, có thể gia tăng hiệu suất động cơ đốt thêm đến 20%. Bộ phận đánh lửa mới này cũng có tuổi thọ cao hơn so với bugi thông thường.
Tuy nhiên, những giải pháp này vẫn dựa vào khai thác và sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Với mục tiêu khử carbon của nhiều nền kinh tế, những công nghệ này thực tế chỉ là giải pháp ngắn hạn cho động cơ đốt trong.
Tuy vậy, không có nghĩa là việc nghiên cứu và phát triển trên lĩnh vực này cần lược bỏ. Bất kỳ cải tiến nào có thể tăng hiệu suất của động cơ đốt trong cũng có thể tăng hiệu suất của động cơ đốt sử dụng nhiên liệu sinh học, mặc dù là gián tiếp.
Trên một số mặt, rõ ràng nhiên liệu liệu sinh học vẫn mang lại nhiều lợi ích hơn. Các loại chất thải hữu cơ từ quá trình sản xuất của các ngành công nghiệp khác có thể được dùng để sản xuất nhiên liệu sinh học thay vì vứt bỏ. Một vài ví dụ như sử dụng thức ăn thừa để sản xuất biogas/bio-LPG hoặc dùng các phụ phẩm từ quá trình sản xuất bia để sản xuất nhiên liệu sinh học.
Suy cho cùng thì đây mới chính là lợi ích vượt trội của nhiên liệu sinh học so với các loại nhiên liệu hoá thạch. Nếu tập trung hơn vào việc tái sử dụng chất thải từ quy trình sản xuất đã có để tạo ra nhiên liệu sinh học thay vì chuyển đổi đất tự nhiên hay đất nông nghiệp sang trồng cây nguyên liệu, thì chúng ta mới có thể phát huy lợi ích của nhiên liệu sinh học và giảm thiểu tối đa chi phí môi trường.
Và tất nhiên, đó là trong điều kiện con người vẫn tiếp tục sử dụng các nguồn nhiên liệu đốt. Và xu hướng này vẫn sẽ còn duy trì trong nhiều năm tới trước khi bị thay thế bởi những nguồn năng lượng khác, như điện chẳng hạn.
Theo Interesting Engineering
