Năng lượng sinh học

Rudolf Diesel đã phát triển động cơ nén tự cháy của mình vào những năm 1890, với mẫu thành công đầu tiên được hoàn thiện năm 1897. Tại Triển lãm Paris năm 1900, một động cơ Diesel nhỏ do công ty Otto của Pháp chế tạo đã được trình diễn chạy bằng dầu lạc theo yêu cầu của chính phủ Pháp. Động cơ này được thiết kế cho các loại dầu thông thường nhưng vẫn chạy bằng dầu thực vật mà không cần cải biến.

Sinh khối và nhiên liệu sinh học có thể được lưu trữ lâu dài và dùng bất cứ khi nào cần năng lượng, giúp các quốc gia đảm bảo an ninh năng lượng quanh năm. Tuy vậy, điều này phụ thuộc vào loại nhiên liệu sinh học, và vẫn có ngoại lệ. Thời gian lưu trữ khác nhau đáng kể tùy theo nhiên liệu, công thức và điều kiện bảo quản, và một số nhiên liệu sinh học kém ổn định hơn nhiều so với những loại khác ^{[58-64,66,68]}.

Ví dụ, viên nén gỗ và các loại sinh khối rắn khác đặc biệt bị ảnh hưởng bởi độ ẩm, nhiệt độ, thông gió và cách xử lý. Điều kiện kém có thể gây phân hủy sinh học, làm mất năng lượng hoặc tự nóng lên, còn bảo quản khô ráo và thông gió tốt có thể giữ được chất lượng ^[60,61].

Một loại nhiên liệu sinh học lưu trữ lâu dài như HVO (dầu thực vật xử lý bằng hydro) có khả năng chống oxy hóa cao và theo các nhà cung cấp, có thể để khoảng 10 năm trước khi xuống cấp, nếu duy trì điều kiện bảo quản phù hợp ^A. Nghiên cứu độc lập cũng ủng hộ độ ổn định tương đối cao của HVO, kể cả khi nó được pha vào hỗn hợp biodiesel - diesel ^[64]. Độ ổn định của biodiesel FAME (este metyl axit béo) phụ thuộc nhiều vào thành phần axit béo: FAME bão hòa thường ổn định hơn và để được lâu hơn FAME không bão hòa, tùy vào loại chất thải dùng để tạo ra chúng. Vì vậy, nguyên liệu đầu vào ban đầu dùng để sản xuất nhiên liệu sinh học có thể ảnh hưởng đáng kể đến thời gian lưu trữ ^[62,63].

Dù biodiesel dễ phân hủy sinh học, việc xuống cấp khi lưu trữ chủ yếu do oxy hóa và nhiễm bẩn chứ không phải do bản thân khả năng phân hủy sinh học. Nhiệt và việc tiếp xúc với không khí, ánh sáng, nước hoặc một số kim loại có thể đẩy nhanh quá trình xuống cấp, còn chất chống oxy hóa và điều kiện bảo quản phù hợp có thể làm chậm lại ^[58,62,63]. Một nghiên cứu cho biết biodiesel có thể lưu trữ 6 tháng trước khi bắt đầu xuống cấp, và sau một năm có thể không còn phù hợp để dùng trực tiếp trong động cơ ^[58,59].

Pha trộn các nhiên liệu sinh học (ví dụ pha biodiesel FAME với diesel dầu mỏ hoặc HVO) có thể cải thiện độ ổn định, kéo dài thời gian lưu trữ cũng như giữ hiệu quả của chúng như một loại nhiên liệu dùng trực tiếp cho động cơ tiêu chuẩn, dù kết quả phụ thuộc vào loại nhiên liệu và tỷ lệ pha ^{[58,59,62,64]}.

Các loại nano-biodiesel được pha chế đặc biệt có thêm hạt nano giúp giảm nguy cơ oxy hóa, nên có thể ổn định lâu hơn nhiều ^[59]. Chúng cũng có thể cải thiện quá trình đốt cháy nhiên liệu và hiệu suất năng lượng, đồng thời giảm một số chất ô nhiễm. Tuy vậy, tác động của chúng phụ thuộc vào vật liệu, nồng độ, nhiên liệu và động cơ, và một số công thức có thể làm tăng phát thải oxit nitơ ^B.

Nhiên liệu sinh học có hạn dùng ngắn hơn nhiên liệu hóa thạch thông thường (nhưng HVO là một ngoại lệ đáng chú ý). Dù vậy, chúng vẫn có thể giúp giải quyết vấn đề gián đoạn do năng lượng gió/mặt trời tạo ra: kể cả nhiên liệu sinh học chỉ được lưu trữ vài tháng thay vì vài năm vẫn có thể cung cấp điện dự phòng huy động nhanh và an ninh năng lượng trong những giai đoạn gió yếu hoặc điện mặt trời phát ít, miễn là có đủ nguồn dự trữ và thiết bị ^[23,66,68]. Khi nguyên liệu đầu vào và chuỗi cung ứng được quản lý bền vững, chúng có thể góp phần hướng tới trung hòa carbon và các nỗ lực giảm phát thải rộng hơn ^{[19-22,72-76]}.

^A Cách lưu trữ nhiên liệu HVO để bền lâu và an toàn | Vectec

^B Ứng dụng công nghệ nano trong các giai đoạn đốt cháy và sau đốt cháy biodiesel | Renewable and Sustainable Energy Reviews

Năng lượng sinh học không tự động trung hòa carbon. Tác động khí hậu của nó phụ thuộc vào nguyên liệu đầu vào, khả năng tái sinh, điều lẽ ra sẽ xảy ra với đất hoặc vật liệu đó, khí thải từ chuỗi cung ứng và thời gian cần để hấp thụ lại lượng CO₂ đã thải ra. Các con đường dùng chất thải và phụ phẩm có thể có lượng khí thải khá thấp, trong khi thay đổi mục đích sử dụng đất hoặc khai thác những khu rừng tái sinh chậm có thể tạo ra khoản nợ carbon kéo dài nhiều năm hoặc nhiều thập kỷ.

Xem: Hạch toán carbon cho nhiên liệu sinh học bền vững - Phân tích | IEA

Tại Brazil, hàng triệu hecta rừng mưa, xavan và các hệ sinh thái bản địa khác đã bị phát quang để phục vụ nông nghiệp, gồm sản xuất đậu nành và mía.

Trase liên hệ vụ thu hoạch đậu nành năm 2020 của Brazil với 562.000 hecta - 5.620 ki-lô-mét vuông - diện tích mới bị phá rừng và chuyển đổi thảm thực vật bản địa. Trong đó có khoảng 76.400 hecta ở Amazon và 23.600 hecta ở Rừng Đại Tây Dương, dù phần lớn diễn ra tại Cerrado và Pampas. Hệ sinh thái Cerrado, một vùng trọng điểm trồng đậu nành và mía, đã chứng kiến việc chuyển đổi đất đặc biệt rộng lớn ^[82,83]. Những con số này cho thấy sản xuất đậu nành ở Brazil gắn với việc chuyển đổi đất trên quy mô hàng nghìn ki-lô-mét vuông, gồm cả những vùng rừng mưa đáng kể.

Cả đậu nành lẫn mía đều liên quan tới ngành nhiên liệu sinh học của Brazil ^[78,80,81]. Khoảng một nửa lượng mía của Brazil được chế biến thành ethanol ^C. Đậu nành chủ yếu được trồng làm thức ăn chăn nuôi, nhưng cũng tạo ra dầu đậu nành như một sản phẩm phụ, cung cấp khoảng 70% biodiesel của cả nước ^D. Trên khắp Nam Mỹ, diện tích trồng đậu nành đã tăng hơn gấp đôi, từ 26,4 triệu hecta năm 2000 lên 55,1 triệu hecta năm 2019 ^[82]. Việc mở rộng các cây trồng này có thể trực tiếp gây phá rừng, khi cây trồng thay thế thảm thực vật bản địa, hoặc gián tiếp, khi việc mở rộng trên đất nông nghiệp sẵn có đẩy hoạt động chăn thả gia súc hay hoạt động khác sang các khu vực mới phát quang ^[78-82,84].

Nạn phá rừng liên quan tới đậu nành ở Brazil lớn hơn đáng kể so với việc phát quang trực tiếp để trồng mía ^[80-83]. Từ năm 2009, chính sách Phân vùng nông sinh thái mía đường (ZAE Cana) đã hạn chế mở rộng diện tích mía tại các hệ sinh thái quan trọng như Amazon và Pantanal (dù chính sách này bị bãi bỏ năm 2019, làm tăng lo ngại về phá rừng) ^[81]. Vì vậy, trồng mía trước đây chủ yếu tập trung ở các vùng trung tâm và phía nam ngoài Amazon, thường trên đất nông nghiệp sẵn có, đồng cỏ suy thoái hoặc Cerrado. Do đó, đóng góp trực tiếp của mía vào việc mất rừng mưa Amazon nhỏ hơn nhiều so với chăn nuôi gia súc hoặc đậu nành. Tuy vậy, việc mở rộng vào Cerrado hoặc lên đồng cỏ có thể thay thế thảm thực vật bản địa hay đẩy các hoạt động nông nghiệp khác đi nơi khác, làm tăng áp lực phá rừng nói chung ^[78,80,81]. Thực tế, một nghiên cứu mô hình hóa năm 2010 dự báo việc mở rộng ethanol từ mía có thể đã gián tiếp góp phần gây ra khoảng 50.000 km² (5 triệu hecta) phá rừng vào năm 2020, chủ yếu do đẩy đồng cỏ chăn nuôi gia súc về phía các vùng có rừng ^[85].

Vì vậy, nhu cầu nhiên liệu sinh học có thể góp phần gây phá rừng do làm tăng nhu cầu ethanol từ mía và dầu đậu nành làm biodiesel. Tuy nhiên, không thể quy toàn bộ diện tích bị ảnh hưởng cho riêng nhiên liệu sinh học: đậu nành còn cung cấp thức ăn chăn nuôi và thực phẩm, mía còn cung cấp đường, và phần lớn thảm thực vật bị chuyển đổi là xavan hoặc đồng cỏ chứ không phải rừng mưa. Dù vậy, xét quy mô chuyển đổi đất liên quan tới đậu nành cùng các tác động trực tiếp và gián tiếp của cả hai cây trồng, vẫn hợp lý khi ước tính ở cấp độ quy mô rằng hàng nghìn ki-lô-mét vuông rừng mưa Brazil đã bị phát quang một phần để cung cấp cây trồng làm nhiên liệu sinh học, dù đây không phải tổng số chính xác chỉ dành cho nhiên liệu sinh học ^[78-84].

^C Phân bổ mía của Brazil giữa đường và ethanol | Reuters

^D Khoảng 70% biodiesel của Brazil đến từ đậu nành | Reuters

Đọc thêm:

Cơn sốt mía ở Brazil đặt ra mối đe dọa mới cho rừng mưa Amazon | Sierra Club

Tăng trưởng mía ở Brazil có thể đáp ứng nhu cầu nhiên liệu sinh học mà không gây phá rừng: nghiên cứu | Mongabay

ĐÍNH CHÍNH: Khoảng 55% các cam kết SAF và thỏa thuận cung ứng được các hãng hàng không châu Âu công khai dự kiến sẽ đến từ dầu và mỡ đã qua sử dụng, gồm mỡ động vật, dầu ăn đã qua sử dụng và các loại dầu thải khác. Điều này mô tả các thỏa thuận và hợp đồng dự kiến, chứ không phải nhiên liệu đã được dùng như trong video.

BECCS chỉ có thể tạo ra phát thải ròng âm khi sinh khối tái sinh thực sự hút CO₂ khỏi khí quyển, và lượng CO₂ được lưu trữ vĩnh viễn nhiều hơn lượng thải ra trong toàn bộ quá trình. Trên thực tế, điều này không chỉ phụ thuộc vào phát thải tại cơ sở năng lượng sinh học. Nó còn phụ thuộc vào phát thải từ chuỗi cung ứng và sử dụng đất, cùng các cân bằng carbon dài hạn liên quan. Điều này gồm carbon mất đi từ thảm thực vật và đất; thời gian cần để sinh khối tái sinh; phát thải từ canh tác và phân bón, thu hoạch, chế biến, vận chuyển; năng lượng dùng để thu giữ, nén và bơm CO₂ xuống đất, cùng lượng CO₂ mà hệ thống thu giữ không thu được. Các khí nhà kính khác, như methane và nitrous oxide, cũng phải được tính đến. Vì vậy, cân bằng cuối cùng phụ thuộc vào nguyên liệu đầu vào, cách quản lý đất, tỷ lệ thu giữ, nguồn năng lượng và khung thời gian được xem xét ^{[72-76,97-102,118-121]}.

Để lưu trữ lâu dài, CO₂ thu giữ được thường được nén rồi bơm vào các tầng đá sâu, rỗng, như tầng chứa nước mặn hoặc các mỏ dầu khí đã cạn. Trên thực tế, CO₂ nằm trong những khoảng trống li ti trong đá, thay vì chỉ lấp đầy một hang ngầm lớn hoặc giếng mỏ. Chọn địa điểm kỹ, giếng an toàn, quản lý áp suất, giám sát và theo dõi lâu dài là điều thiết yếu để giữ CO₂ không thoát ra ^{[118,127,128]}.

Mối lo rò rỉ chính là CO₂ thu giữ được thoát ra trong lúc vận chuyển hoặc bơm xuống đất, hoặc về sau qua các đứt gãy, vết nứt hay giếng bị hỏng hoặc bịt kín kém. Bằng chứng trong [125-128] chủ yếu nói về các đường rò rỉ có thể xảy ra, thí nghiệm có kiểm soát, mô hình hóa và đánh giá rủi ro; nó không cho thấy rò rỉ là chuyện phổ biến ở các điểm lưu trữ thương mại được quản lý tốt. Các tầng địa chất được chọn và giám sát đúng cách được kỳ vọng sẽ giữ lại gần như toàn bộ CO₂ được bơm vào trong thời gian rất dài, dù không thể xem rủi ro là bằng không. Bất kỳ CO₂ nào thoát ra đều phải được trừ khỏi tổng lượng được tuyên bố là đã loại bỏ khỏi khí quyển và xử lý bằng giám sát, khắc phục liên tục.

Vi tảo có thể được nuôi trong ao hở hoặc lò phản ứng quang sinh học kín trên đất không canh tác được, đất thoái hóa, đất mặn hoặc đất giá trị thấp khác, tránh cạnh tranh trực tiếp với cây lương thực thông thường. Các địa điểm phù hợp vẫn cần đủ ánh sáng, nước, dinh dưỡng và CO₂, còn lượng đất cần thiết phụ thuộc vào loài tảo, khí hậu địa phương và hệ thống nuôi trồng. Vì tảo phát triển nhanh và có thể tạo ra nhiều nhiên liệu trên mỗi đơn vị đất hơn các cây trồng nhiên liệu sinh học thông thường, tổng diện tích đất cần dùng có thể thấp hơn đáng kể ^[129-134].

Rong biển không cần đất nông nghiệp hay nước ngọt. Các trang trại rong biển có thể tạo môi trường sống tạm thời cho cá và động vật không xương sống, hấp thụ dinh dưỡng dư thừa, tăng mức oxy và pH tại chỗ, đồng thời giảm năng lượng sóng. Lợi ích cho đa dạng sinh học phụ thuộc vào loài được nuôi, quy mô và bố trí trang trại, sự chuyển động của nước, vị trí và cách thu hoạch. Chọn địa điểm cẩn thận có thể tối đa hóa các lợi ích này mà vẫn tránh làm hại những môi trường sống sẵn có như thảm cỏ biển hoặc đưa vào các loài không bản địa ^[135-140].

Pin nhiên liệu vi sinh vật dùng vi khuẩn để phân hủy chất hữu cơ trong nước thải và chuyển các electron được giải phóng sang điện cực, tạo ra dòng điện. Loại bỏ chất hữu cơ này giúp làm sạch nước thải, dù MFC thường không tự thực hiện đủ mọi công đoạn xử lý: vẫn có thể cần xử lý thêm để loại bỏ chất hữu cơ còn lại, chất dinh dưỡng và mầm bệnh ^[141-144].

Trên thực tế, lợi ích kinh tế chính của chúng có thể đến từ việc giảm lượng điện cần cho xử lý, thay vì tạo ra lượng điện dư lớn để dùng ở nơi khác. Xử lý nước thải thông thường tốn khá nhiều năng lượng để bơm oxy vào nước. MFC có thể giảm bớt việc sục khí này, đồng thời thu hồi một phần nhỏ năng lượng hóa học của nước thải dưới dạng điện, qua đó có thể hạ tổng nhu cầu năng lượng của nhà máy xử lý. Gộp lại, các lợi ích này cuối cùng có thể giúp xử lý nước thải rẻ hơn. Tuy vậy, hiện tại chi phí xây dựng và vật liệu cao khiến điều này vẫn chưa được chứng minh một cách ổn định ở quy mô thương mại ^[141-143].

Để đạt tới điểm đó, có thể không cần MFC tối đa hóa sản lượng điện. Nói cách khác, hệ thống tạo ra nhiều điện nhất chưa chắc là hệ thống xử lý tiết kiệm nhất. Một nghiên cứu kỹ thuật-kinh tế cho thấy vật liệu điện cực rẻ hơn có thể giúp xử lý nước thải hiệu quả về chi phí hơn dù tạo ra ít điện hơn ^E. Điều này cho thấy việc phát triển MFC thực tế có thể sẽ có lợi hơn nếu ưu tiên xử lý với giá phải chăng thay vì sản lượng điện tối đa.

Tuy nhiên, sản lượng điện vẫn thấp, nhất là khi nước thải sạch hơn và còn ít chất hữu cơ để vi khuẩn tiêu thụ. Các hệ thống lớn hơn cũng phải vượt qua chi phí điện cực và màng, tình trạng bám bẩn, hiệu suất không đồng đều và độ tin cậy lâu dài. Một nghiên cứu thử nghiệm quy mô 1.000 lít đã cho thấy công nghệ này có thể vận hành với nước thải đô thị thực tế, nhưng chỉ xử lý một phần và tạo ra lượng điện khiêm tốn. Vì vậy, hiện tại MFC chủ yếu vẫn là một cách thử nghiệm để kết hợp xử lý nước thải với thu hồi năng lượng quy mô nhỏ, chứ không phải nguồn điện lớn ^[141-144].

^E Hy sinh công suất để xử lý hiệu quả về chi phí hơn: Cách tiếp cận kỹ thuật-kinh tế cho việc thiết kế pin nhiên liệu vi sinh vật | Chemosphere