Năng Lượng Biogas- Khí Sinh Học

Tình trạng năng lượng ngày càng khan hiếm trên thế giới, đặc biệt là các loại năng lượng hoá thạch (fossil fuels) như dầu khí và than đá. Hiện nay, giá dầu thô đã bước qua ngưỡng cửa 90 Mỹ kim và có nhiều chỉ dấu sẽ tăng lên 100 Mỹ kim trong một tương lai không xa cũng như trữ lượng dầu ước ước tính sẽ cạn kiệt vào năm 2050. Tương tự, các mõ than cũng đang được khai thác tối đa tăng theo nhu cầu năng lượng của các nước trên thế giới đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ. Trung Quốc hiện tại là một nước tiêu thụ dầu hoả đứng thứ hai trên thế giới, chỉ sau Hoa Kỳ với mức tiêu thụ trên 16 triệu thùng dầu một ngày.

Trước tình trạng trên, từ hơn 20 năm qua, nhiều nhà khoa học trên thế giới đã bắt đầu truy tìm loại năng lượng khác nhất là các loại năng lượng tái lập (renewables). Bài viết nầy tập trung vào một loại năng lượng gần gũi với chúng ta nhất, đó là năng lượng có được từ rác hữu cơ từ gia đình và phân chuồng của gia súc như trâu, bò ngựa vân vân…

Theo định nghĩa biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane và một số khí khác phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ. Methane cũng là một khí tạo ra ảnh hưởng nhà kính gấp 21 lần hơn khí carbonic. Theo ước tính của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, nếu sử dụng tất cả nguồn nguyên liệu có thể tạo ra khí sinh học để dùng trong vận chuyển thì lượng năng lượng nầy có thể làm giảm 500 triệu tấn khí carbonic hàng năm, tương đương với với số lượng 90 triệu xe dùng trong một năm.

Năng lượng Biogas

Biogas được xem như là một loại năng lượng sinh học có được từ sự nén hoặc khữ (digestion) hay lên men (fermentation) trong điều kiện yếm khí (anaerobic) của những vật chất có nguồn gốc hữu cơ như phân chuồng, bùn (sludge) trong hệ thống cống rãnh), rác phế thải gia cư, hoặc các loại rác hữu cơ có thể bị sinh phân huỷ (biodegradable waste). Các biogas chính yếu trong những điều kiện kể trên gồm khí methane và khí carbonic (CO₂) và một số khí thải khác như nitrogen (N₂), Hydrogen (H₂), hydrogen sulphide (H₂S) và oxygen (O₂). Tuỳ theo nguồn gốc phát sinh ra khí , những loại năng lượng sinh học có nhiếu tên khác nhau như: khí ẩm ướt (swamp gas), khí ẩm từ cây cỏ (marsh gas), khí bãi rác (landfill gas), và khí nén (digester gas).

Trong tất cả khí phát thải qua phương pháp nén yếm khí (anaerobic digestion), methane là khí hữu dụng nhất , là một loại năng lượng tái tạo cho việc chạy xe, hay chạy máy phát điện. Methane còn dùng trong việc nấu ăn, đốt lò sưởi, làm đèn , hay tạo ra sức nóng v.v…

Sau đây là vài số liệu về mức sản xuất khí biogas. 22 quốc gia trong Liên Hiệp Âu Châu (EU) năm 2006 đã sản xuất 62.000 GWh, trong đó 32.000 GWh đến từ khí bãi rác và 11.000 đến từ khí ẩm ướt từ bùn trong hệ thống cống rãnh. Có 17.000 GWh đã được hoán chuyển thành điện năng. Đức là quốc gia sản xuất biogas nhiều nhất với 22.000 GWh.

Tại Hoa Kỳ, lượng biogas sản xuất chiếm 6% khí đốt thiên nhiên sử dụng cho toàn quốc vào năm 2006, tương đương 10 tỷ Gallons xăng. Ngày 4/8/2007 vừa qua quốc hội Hoa Kỳ mới vừa mang dự luật Khuyến khích sản xuất khí sinh học 2007 (Biogas Production Incentive Act 2007) nhằm mục đích: 1- dùng quỷ dự trử nông nghiệp để trả cho nhà sản xuất khí sinh học trước năm 2013; 2- tạo điều kiện thuận lợi cho việc vay nơ đầu tư, trợ cấp cho những nhà sàn xuất mới…Từ đây, dự luật một khi thành luật sẽ khuyến khích nông dân đẩy mạnh các dự án biến phế thải thành khí sinh học, giảm thiểm một số lượng không nhỏ trong việc sử dụng năng lượng và hạn chế sự hâm nóng toàn cầu qua việc giảm thiểm khí carbonic thải hồi vào không khí.

Phương pháp nén kỵ khí

Như đã nói trên, đây là một phương pháp dựa theo nguyên tắc phân huỷ sinh học của những vật chất hữu cơ trong điều kiện không có không khí. Do đó hệ thống nén yếm khí được chế tạo để khử tất cả phế thải hữu cơ, bùn hữu cơ, cùng phân chuồng để cho ra khí methane và một số khí khác. Tuỳ theo nguyên liệu sử dụng (phế thải) khí methane thu hoạch được chiếm khoảng từ 50 đến 75% tổng lượng khí hình thành, khí carbonic chiếm 25-50%, Nitrogen 0-10%, Hydrogen 0-1%, Hydrogen sulphide 0-3%, và Oxygen 0-2%. Khí sinh học từ phân chuồng cho 65% khí methane, lá cây khô cho 58%, và lá cây tươi được 70% methane.

Lượng khí sinh học sản xuất tuỳ theo nguyên uỷ của phế thải và phương pháp lên men, điều kiện nhiệt độ, các chủng loại lò khữ yếm khí, và thời gian phản ứng (retention time). Điều kiện tối ưu cho mức sản xuất khí là ở nhiệt độ 33^oC và thời gian phản ứng là 100 ngày. Thí dụ: 1 Kg phân chuồng (bò, ngựa, trâu) cho được 15 lít khí sinh học trong thời gian phản ứng 30 ngày dưới nhiệt độ 20^oC. Nếu thời gian phản ứng kéo dài lên 100 ngày dưới nhiệt độ 33^oC, lượng phân nầy sẽ cho 54 lít khí sinh học.

Lợi điểm trong việc sản xuất khí sinh học

Việc sản xuất khí sinh học tạo ra rất nhiều thuận lợi cho người dân nhất là nông dân, giải quyết được một số vần để năng lượng cho địa phương và ngay cả trên bình diện quốc gia, chính quyền trung ương có thể quân bình được cán cân phân phối và quân bình năng lượng và giảm thiểu được ngoại tệ do nhập cảng xăng dầu. Do đó, hai lãnh vực môi trường và kinh tế gặt hái được nhiều phúc lợi nhất.

Tại Hoa kỳ tính đến năm 2006 đã có 380 bãi rác lớn có hệ thống thu hồi khí methane và chuyển tải thành điện năng. Trong vài năm tới ước tính có đến 700 bãi rác sẽ lấp đặt hệ thống nầy. Một thí dụ điển hình tại Irvine, CA khí methane từ bãi rác Bowerman sẽ được dùng làm nguyên liệu cho hệ thống chuyên chở công cộng cho thành phố.

Về lợi ích môi trường, khí methane sinh hoc (biomethane) là một loại năng lượng sạch nhất tính đến ngày hôm nay. Nếu methane không được thu hồi từ các bãi rác, các đầm (lagoons) phế thải v.v… sẽ là một nguồn ô nhiễm ảnh hưởng đến hiệu ứng nhà kính nhiếu nhất. Nếu dùng methane thay thế các loại năng lượng hoá thạch có được nhiều lợi điểm vì phóng thích các loại khí thải ít hơn khi sử dụng. Và một lợi ích không nhỏ cho môi trường nữa là, hệ thống sinh khí sẽ giải toả được diện tích phế thải và tạo thêm nguồn thu nhập mới cho nông dân.

Đứng về phương diện kinh tế, khí sinh học ngày càng tăng trưởng sẽ giúp cho nhu cầu sử dụng năng lượng trong nước ổn định hơn và lần lần thay thế một số lượng không nhỏ các loại năng lượng hoá thạch đang dùng. Kỹ thuật sản xuất không phức tạp do đó có thể trãi rộng khắp nông thôn. Đặc biệt nông dân có thể dùng nguồn khí sinh học trong phạm vi gia đình để có được độc lập về khí đốt và phó phẩm của việc chuyển đổi phân chuồng thành khí sẽ là một nguồn phân bón hữu cơ rất thích hợp trong việc trồng tĩa.

Kết luận

Ngày nay, đối với các quốc gia đang phát triền trong đó có Việt Nam, khí đốt hiện vẫn đang là một khó khăn cho chính quyền trong việc phân phối đến những vùng sâu và xa. Vì vậy phát triển kỹ thuật tạo ra khí sinh học từ phân chuồng qua hệ thống nén yếm khí sẽ giúp cho nông dân tự túc được nhu cầu năng lượng nầy. Vấn đề được đặt ra là chính quyền cần hướng dẫn kỹ thuật là làm thế nào để che kính hầm phân hay các hồ phân (lagoon) đối với phân lõng vì đây là một phàn ứng sinh phân huỷ trong điều kiện không có không khí.

Tiến thêm lên một bước nữa, đối với những vùng có chăn nuôi kỹ nghệ, địa phương hay trung ương cần giúp tài chính ban đầu để thiết lập hệ thống nén kỵ khí có quy mô như một nhà máy. Từ đó sinh khí methane sẽ được phân phối đến tận nhà như ở thành phố.

Riêng tại Việt Nam, kỹ nghệ ủ phân chuồng hay lấp đặt hệ thống thu hồi khí hầu như còn trong tình trạng phôi thai và chưa được phổ biến, do đó, đây là một thất thoát lớn đối với nguồn năng lượng nầy. Thêm nữa, trong kỹ nghệ sản xuất rượu cồn (alcohol) qua quy trình lên men yếm khí cho ra một số lượng lớn khí methane nhưng cũng không được thu hồi. Ở một nhà máy sản xuất cồn tại Sài Gòn với công suất 20.000 lít/ngày, lượng sinh khí phát thải được ước tính khoảng 10.600 m³ phóng thích vào không khí, làm ô nhiễm môi trường và phí phạm một nguồn năng lượng không nhỏ. Mỗi mét khối sinh khí sinh ra 5.300 Kcal, hay nhà máy có khả năng sản xuất 56 triệu Kcal/ngày, tương đương với việc sử dụng 7,4 tấn dầu FO dùng để đốt lò hơi.

Nếu Việt Nam biết tận dụng và khai triển nguồn năng lượng sinh khí biogas, Việt Nam sẽ không còn lệ thuộc nhiều vào nguồn năng lượng hóa thạch như dầu hoả và than đá như hiện nay trong khi nhu cầu ngày càng tăng theo đà phát triển quốc gia.

Mai Thanh Truyết

West Covina, 11/2007