Nhiên liệu sinh học tiên tiến: Hướng phát triển bền vững của nhiên liệu tái tạo

08:00 | 09/05/2018

|
Để đối phó với biến đổi khí hậu do hiệu ứng nhà kính, các nguồn năng lượng tái tạo đang được phát triển rất nhanh như năng lượng mặt trời và năng lượng gió, đặc biệt là nhiên liệu sinh học tiên tiến đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các công ty năng lượng hàng đầu thế giới.

Hồ Sĩ Thoảng. Hội Dầu khí Việt Nam. Email: hosithoang@gmail.com.

Tóm tắt

So với nhiên liệu sinh học truyền thống, nhiên liệu sinh học tiên tiến có hiệu quả giảm phát thải CO2 cao hơn, khoảng 60 - 90%, được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu bền vững, từ các loại cây trồng không phải là lương thực, cây có dầu trồng trên đất nghèo dinh dưỡng, các loại phế phẩm hoặc dầu ăn đã qua sử dụng, mỡ động vật… Từ các nguyên liệu đa dạng, các quy trình công nghệ chế biến và sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến dựa trên các chuyển hóa sinh - hóa, nhiệt - hóa cũng như nhiệt - xúc tác đang được triển khai ở quy mô khác nhau để tạo ra sản phẩm với giá thành ngày càng thấp, hướng tới cạnh tranh với các nhiên liệu khoáng.

Từ khóa:

1. Giới thiệu

Nhiên liệu sinh học đã xuất hiện từ lâu, tuy nhiên mới được quan tâm trong các thập kỷ gần đây do ảnh hưởng của hiệu ứng nhà kính trên toàn cầu. Trước năm 2006, sản lượng nhiên liệu sinh học tăng trưởng chậm. Hình 1 cho thấy, sản lượng nhiên liệu sinh học trên toàn thế giới giai đoạn 2006 - 2016 tăng từ khoảng 30 triệu tấn/năm lên khoảng 80 triệu tấn/năm [1].

Đến nay, nhiên liệu sinh học đóng góp vào cân bằng năng lượng toàn cầu khoảng 0,6%. Có 2 nguyên nhân chính dẫn đến nhiên liệu sinh học tăng trưởng chậm: thứ nhất là cho đến cách đây vài thập kỷ, nhiên liệu khoáng vẫn được sử dụng do chưa ý thức được biến đổi khí hậu gây ra bởi phát thải carbon dioxide; thứ hai là giá thành sản xuất nhiên liệu sinh học chưa cạnh tranh được với sản phẩm dầu mỏ. Giá dầu mỏ không ổn định, khó dự báo làm cho chính sách của các công ty năng lượng không nhất quán trong đầu tư. Những yếu tố quan trọng nhất quyết định giá thành là nguồn nguyên liệu và công nghệ chế biến.

Dựa vào nguồn nguyên liệu sinh khối, nhiên liệu sinh học được chia thành các thế hệ khác nhau, gồm thế hệ thứ nhất, thứ hai và thứ ba. Thế hệ thứ nhất - nguồn carbon cho nhiên liệu sinh học là đường, chất béo hoặc tinh bột được chiết xuất trực tiếp từ thực vật là những cây trồng cạnh tranh hoặc có khả năng cạnh tranh với cây lương thực. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có nguồn gốc từ cellulose, hemicellulose, lignin hoặc pectin, ví dụ, phế thải hoặc phế phẩm trong nông - lâm nghiệp, hoặc các nguyên liệu thực vật được trồng không nhằm làm lương thực (rừng trồng ngắn ngày, một số loại cỏ…). Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba có nguồn gốc từ sinh vật thủy sinh tự nhiên (các loại tảo) hình thành nhờ ánh sáng, carbon dioxide và các chất dinh dưỡng được bổ sung vào môi trường sinh trưởng. Joshua Kagan [2] đã phân tích nhược điểm của nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất và thứ hai, đồng thời cho rằng nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba và thứ tư, đặc biệt là thế hệ thứ tư, có đủ điều kiện để trở thành nguồn năng lượng chủ đạo thay thế nhiên liệu hóa thạch. Theo Joshua Kagan, các nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất và thứ hai (ethanol và biodiesel) có một số hạn chế nhất định, không thể thay thế dầu mỏ. Các nguyên liệu ban đầu để sản xuất nhiên liệu sinh học của 2 thế hệ trên, đặc biệt là thế hệ thứ nhất (ngô, mía, sắn, dầu đậu tương, dầu hạt cải, dầu hướng dương, dầu cọ…) cạnh tranh với cây lương thực về đất đai, phân bón và nước, đặc biệt khi dân số thế giới ngày càng tăng còn diện tích đất canh tác và nguồn nước ngọt ngày càng suy giảm. Các nhiên liệu này không thể sử dụng cho động cơ không chuyển đổi cũng như động cơ phản lực nếu vượt quá tỷ lệ pha trộn nhất định. Với chủ trương sản xuất 15 tỷ gallon ethanol để pha xăng sinh học vào năm 2015, Mỹ phải sử dụng 30% sản lượng ngô nhưng cũng chỉ bảo đảm được 6% nhu cầu xăng cho giao thông vận tải.

Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ tư không xác định theo nguồn nguyên liệu sản xuất mà dựa vào tính chất đặc thù là gần như không chứa oxy (cũng như các nguyên tố độc hại khác) nên được xếp vào loại tiên tiến. Như vậy, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ tư được hiểu là các nhiên liệu tổng hợp hoặc được sản xuất bởi các quá trình chuyển hóa các loại sinh khối khác nhau như: khí hóa, nhiệt phân, tổng hợp Fischer-Tropsch… Các nhiên liệu này được sử dụng trực tiếp không cần thay đổi động cơ và cơ sở hạ tầng (gọi là “drop-in fuel”) nhờ các đặc trưng hóa học giống các sản phẩm dầu mỏ, thậm chí tốt hơn.

2. Nhiên liệu sinh học tiên tiến

Theo các tài liệu tham khảo, nhiên liệu sinh học tiên tiến (advanced biofuels) hay nhiên liệu sinh học bền vững (sustainable biofuels) không nhất thiết chỉ gồm các nhiên liệu có các tính chất tiên tiến (không chứa oxy) mà các khái niệm này còn được dùng để chỉ các loại nhiên liệu sinh học sau: thuộc thế hệ thứ hai; phát thải khí CO2 thấp; (giảm hiệu ứng nhà kính GHG và không ảnh hưởng đến sản xuất lương thực. Như vậy, các tiêu chí để một loại nhiên liệu sinh học được coi là tiên tiến gồm: loại nguyên liệu sinh khối, công nghệ chuyển hóa được sử dụng và tính chất của các phân tử nhiên liệu được hình thành. Tùy vào mục đích sử dụng, các công ty/tổ chức khác nhau có thể dựa vào tất cả hoặc một trong các tiêu chí trên để xét một nhiên liệu sinh học có phải là tiên tiến hay không. Các cách phân loại khác nhau do sự đa dạng và các quy trình sản xuất nhiên liệu sinh học đang được triển khai để đạt được tiêu chuẩn về sự bền vững (sustainability) và chất lượng nhiên liệu, cũng như để đáp ứng nhu cầu sử dụng cho vận tải đường bộ, hàng không và hàng hải. Trên thực tế, nhiên liệu sinh học có thể được tiếp thị với các tên gọi là nhiên liệu tốt, nhiên liệu tái tạo, nhiên liệu bền vững hay nhiên liệu thế hệ kế tiếp (next generation).

Thường thuật ngữ nhiên liệu sinh học tiên tiến được áp dụng cho nhiên liệu sinh học sản xuất từ lignocellulose hoặc sinh khối cellulose, gồm một dãy các phân tử thực vật/vật liệu chứa cellulose với lượng lignin khác nhau, độ dài chuỗi và mức độ trùng hợp khác nhau. Trong thực tế, có một số vật liệu cellulose dễ bị phá vỡ để tạo thành các hợp chất (đường thực vật) giúp dễ dàng chuyển hóa thành các phân tử nhiên liệu, các cellulose phức tạp hơn (“gỗ hóa” hơn) sẽ khó bị phá vỡ và tốn kém chi phí hơn khi sản xuất nhiên liệu sinh học lỏng. Vì vậy, thuật ngữ nhiên liệu sinh học tiên tiến thường được sử dụng để mô tả như sau:

- Nhiên liệu sinh học sản xuất theo quy trình tiên tiến từ các nguyên liệu phi thực phẩm (phế thải, phế phẩm nông - lâm nghiệp, “cây năng lượng”, tảo). Sản phẩm cuối tương đương với nhiên liệu sản xuất bởi công nghệ thế hệ đầu tiên (ethanol hoặc FAME) hoặc một loại nhiên liệu sinh học tiên tiến khác (ví dụ, bioDME hoặc biokerosene). Những nhiên liệu sinh học thế hệ tiếp theo được coi là bền vững hơn do nguồn nguyên liệu và quy trình chế biến được sử dụng đã tạo ra mức giảm GHG lớn hơn và không cạnh tranh với cây lương thực.

- Nhiên liệu sinh học có các tính chất tiên tiến như dầu thực vật được xử lý bằng hydro (HVO), xăng sinh học, nhiên liệu phản lực sinh học, biobutanol... Các nhiên liệu này khá tương thích với cơ sở hạ tầng hiện có hoặc có ưu việt kỹ thuật trong phân phối và sử dụng nhiên liệu. Tuy nhiên, nhiên liệu sinh học với các tính chất hoàn thiện hơn cũng có thể được sản xuất từ các nguyên liệu khá đa dạng (từ các cây có dầu hoặc đường thực vật).

Như vậy, nhiên liệu sinh học tiên tiến được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu bền vững, từ các loại cây trồng không phải là lương thực hoặc các phế phẩm như cây có dầu trồng trên đất nghèo dinh dưỡng (marginal), hoặc dầu ăn đã qua sử dụng, mỡ động vật thông qua công nghệ thế hệ thứ nhất cũng có thể được gọi là nhiên liệu sinh học thế hệ kế tiếp hoặc bền vững, đôi khi được xếp vào nhóm nhiên liệu sinh học tiên tiến mặc dù công nghệ chế biến không tiên tiến.

nhien lieu sinh hoc tien tien huong phat trien ben vung cua nhien lieu tai tao
Sản lượng nhiên liệu sinh học giai đoạn 2008 – 2022

Theo Bộ Năng lượng Mỹ [3], trước năm 2009 nhiên liệu sinh học chỉ có “dạng truyền thống” (được hiểu là ethanol và biodiesel chủ yếu được sản xuất từ các nguồn lương thực - thực phẩm), sau đó các dạng nhiên liệu sinh học tiên tiến bắt đầu xuất hiện, từ năm 2015 sản lượng nhiên liệu sinh học truyền thống hàng năm gần như không tăng (Hình 2). Hình 2 cho thấy từ năm 2015 trở đi, quy mô sản xuất nhiên liệu sinh học truyền thống (ethanol và biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật và mỡ động vật) gần như không tăng và sản lượng hàng năm chỉ duy trì ở mức 15 tỷ gallon (khoảng 60 triệu tấn), trong khi quy mô sản xuất các dạng nhiên liệu tiên tiến/bền vững lại tăng nhanh. Điều này có nghĩa là từ năm 2015, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất dừng phát triển (quy mô sản xuất không được mở rộng). Đồng thời, theo các tác giả của quy trình công nghệ Ecofining [4], quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến (sản phẩm quá trình deoxy-hydro hóa/ deoxy-hydroisomer hóa các acid béo hoặc triglyceride) chỉ có thể được thương mại hóa rộng rãi nếu nguồn nguyên liệu ban đầu không cạnh tranh hoặc không có tiềm năng cạnh tranh với sản xuất lương thực.

Theo dự báo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) [5], nếu năm 2014 sản lượng nhiên liệu sinh học tiên tiến là 800 triệu gallon xăng quy đổi (khoảng 2 tỷ lít), thì năm 2017 sẽ tăng lên 1,7 tỷ gallon (khoảng 6,5 tỷ lít) tại 165 nhà máy sản xuất đã hoặc đang đưa vào vận hành thuộc 180 doanh nghiệp với vốn đầu tư khoảng 4 tỷ USD. Điểm đáng lưu ý là các quy trình sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến thuộc nhóm xử lý các dầu thực vật bằng hydro cung cấp trên 80% sản lượng các nhiên liệu sinh học tiên tiến.

So với nhiên liệu sinh học truyền thống, nhiên liệu sinh học tiên tiến có hiệu quả giảm phát thải CO2 cao hơn, khoảng 60 - 90%.

3. Một số quy trình công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến [6]

3.1. Chuyển hóa hóa - sinh

- Ethanol từ cellulose

Ethanol được sản xuất bằng quá trình thủy phân và lên men các phế thải nông nghiệp chứa lignocellulose (như rơm rạ, thân ngô…), từ cỏ năng lượng hoặc các cây năng lượng khác. Sản phẩm cuối cùng cũng giống như bioethanol thông thường, dùng để pha trộn với xăng. Năm 2014, Nhà máy sản xuất ethanol từ sinh khối chứa cellulose lớn nhất mang tên Liberty được đưa vào hoạt động tại Emmetsburg, bang Iowa do Liên doanh Poet-DSM (giữa Poet LLC là doanh nghiệp sản xuất ethanol lớn nhất Mỹ với một doanh nghiệp sản xuất enzyme của Hà Lan) đầu tư [7]. Mỗi năm nhà máy này chế biến 285 nghìn tấn phế thải cây ngô (thân, lá, vỏ) để sản xuất ra khoảng 25 triệu gallons ethanol (tương đương gần 95 triệu lít ethanol). Ethanol từ cellulose của Poet-DSM có các tính chất giống ethanol từ ngô, nhưng vì được tạo ra từ phế thải còn trên mặt đất sau khi thu hoạch ngô nên hàng năm chu trình sản xuất này làm giảm được khoảng 210.000 tấn carbon dioxide phát thải.

- Biobutanol

Biobutanol là alcohol, có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho các phương tiện vận tải. So với ethanol, butanol tương thích hơn với cơ sở hạ tầng và động cơ nhiên liệu hiện có. Các kỹ thuật lên men mới đang được phát triển để chuyển hóa đường thành butanol bằng cách sử dụng các dòng men biến tính.

- Nhiên liệu sinh học từ tảo (Algal biofuels)

Nhiên liệu sinh học có thể được sản xuất từ tảo vĩ mô (tảo biển) và vi tảo thông qua các quy trình công nghệ. Nhiều dự án và nhà máy thí điểm đang xác định loại tảo tốt nhất và các công nghệ sản xuất tối ưu nhất để sử dụng. Nhiên liệu sinh học từ tảo thu hút được sự quan tâm lớn vì không cạnh tranh với các loại cây lương thực trong sử dụng đất. Tuy nhiên, công nghệ nuôi trồng tảo khá phức tạp và chưa phát triển để sản xuất lớn với giá thành tốt như các nhiên liệu sinh học tiên tiến khác. Các nghiên cứu [8 - 10] cho rằng, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba từ tảo khắc phục được nhược điểm của nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất và thứ hai. Trên một diện tích tương đương, tảo có thể tạo ra một lượng dầu để sản xuất nhiên liệu sinh học gấp từ 15 đến 300 lần so với các loại nông sản truyền thống. Ngoài ra, các nông sản thường chỉ có thể thu hoạch một vài vụ trong năm, trong khi chu kỳ thu hoạch tảo chỉ trong khoảng 10 ngày tùy theo phương pháp nuôi trồng [11].

So với các thực vật cao cấp hơn, tảo có ưu việt sau [12]: tổng hợp và chứa được một lượng lipid trung tính cao (20 - 50% trong sinh khối khô); có thể thu hoạch quanh năm, do đó, hiệu suất dầu thu được cao hơn nhiều so với các cây có dầu khác; tiêu thụ nước ít hơn nhiều so với các cây trồng trên đất; nuôi tảo không cần sử dụng các hóa phẩm bảo vệ thực vật; thu hồi được carbon dioxide từ các nhà máy điện và các nguồn thải carbon dioxide khác (để có 1kg tảo khô cần 1,83kg CO2); làm sạch các nguồn nước thải chứa NH +, NO -, PO 3-; có thể nuôi trồng ở nước mặn, nước lợ, do đó, không cạnh tranh với đất nông nghiệp.

3.2. Chuyển hóa hóa học: Khí hóa và chuyển hóa xúc tác

- Chuyển sinh khối thành sản phẩm lỏng - Biomass to Liquid (BtL)

Đây là cách thức phổ biến để chuyển hóa nguyên liệu khoáng (than, dầu, khí) thành các hợp chất hóa học khác nhau làm nguyên liệu trung gian cho tổng hợp các sản phẩm cuối cùng, kể cả nhiên liệu. Vì vậy, công nghệ quy trình áp dụng cho nguyên liệu sinh khối không có khác biệt so với quy trình kinh điển trong công nghiệp hóa chất, nghĩa là quá trình khí hóa (gasification) tạo ra carbon monoxide và hydro (khí tổng hợp) từ các nguồn sinh khối khác nhau, bao gồm phế liệu - phế thải nông - lâm nghiệp, hoặc các cây năng lượng. Quá trình được tiến hành ở nhiệt độ cao. Tùy điều kiện và công nghệ áp dụng, quá trình khí hóa được nối tiếp bằng quá trình Fischer-Tropsch tạo nhiên liệu hoặc quá trình "methanol-to-gasoline" (MTG). Sản phẩm quá trình BtL được sử dụng trong động cơ diesel hoặc như nhiên liệu hàng không. Khí hóa plasma ở nhiệt độ cao có thể được sử dụng để sản xuất khí tổng hợp từ nhiều dạng sinh khối khó chuyển hóa hơn.

- BioDME (Bio-dimethyl ether)

Đây là một trong những cách sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối thông qua quá trình khí hóa rồi tiếp tục chuyển hóa khí tổng hợp thành methanol. Như vậy, BioDME có thể được sản xuất thông qua quá trình dehydrate hóa methanol hoặc tổng hợp trực tiếp từ khí tổng hợp. Ở nhiệt độ trên -25oC hoặc áp suất dưới 0,5MPa, dimethyl ether là chất khí, nên được sử dụng làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông tương tự LPG dầu mỏ.

- Khí tự nhiên sinh tổng hợp (Biosynthetic Natural Gas - BioSNG)

Sản phẩm của quá trình khí hóa sinh khối cũng có thể được tiếp tục xử lý và nâng cấp để được sử dụng tương tự như biomethane (biogas) được sản xuất thông qua quá trình lên men hiếm khí. Khí tổng hợp cũng có thể chuyển hóa thành nhiên liệu lỏng.

- Biohydro

Hydro có thể được sản xuất từ sinh khối bằng nhiều cách (đốt trực tiếp, chế tạo pin nhiên liệu). Quy trình sản xuất hydro thông qua quá trình khí hóa dưới điều kiện nhiệt độ cao (đến 700oC) và áp suất tới hạn HyPro-RING [13] cho thấy nếu giá khí thiên nhiên ở mức 4,5USD/GJ, biohydro có khả năng cạnh tranh với hydro được sản xuất từ khí thiên nhiên khi quy mô sản xuất đạt và vượt qua giới hạn nhất định (Hình 3). Đây có thể là phương pháp sản xuất có triển vọng trong tương lai để tạo ra hydro cho quá trình Fischer-Tropsch, đồng thời để sản xuất methanol thông qua hydro hóa carbon dioxide theo đề xuất của George A.Olah và các cộng sự [14] về “Nền kinh tế methanol”.

- Các loại dầu thực vật được xử lý bằng hydro/hydro hóa các ester và acid béo (HEFA)

Sản phẩm của các quá trình này là những hydrocarbon mạch thẳng (nếu thực hiện quá trình hydro - đồng phân hóa thì sẽ nhận được hỗn hợp hydrocarbon mạch thẳng và mạch nhánh) nhưng không chứa các hydrocarbon thơm; các hợp chất chứa lưu huỳnh và oxy và có trị số cetane cao, có thể được sử dụng làm nhiên liệu hàng không. So với các biodiesel “truyền thống” (các ester) thì các nhiên liệu sinh học này có nhiều ưu điểm khi sử dụng. UOP Honeywell là công ty đầu tiên sáng chế và áp dụng quy trình này để sản xuất diesel và xăng đạt công suất đến hàng trăm triệu gallon [15]. Hiện nay, mục đích của quá trình này là sản xuất HVO từ các nguồn nguyên liệu bền vững tức là các dầu thực vật không cạnh tranh với sản xuất lương thực.

nhien lieu sinh hoc tien tien huong phat trien ben vung cua nhien lieu tai tao
Giá thành hydro được sản xuất bằng khí hóa sinh khối và reforming hơi khí thiên nhiên
nhien lieu sinh hoc tien tien huong phat trien ben vung cua nhien lieu tai tao
Chuyển hóa sinh khối thành hydrocarbon chỉ trong 1 giai đoạn

3.3. Chuyển hóa hóa học: Nhiệt phân nhanh và chuyển hóa xúc tác

- Dầu sinh học (Bio-oil)

Là cách chuyển hóa sinh khối thành hóa phẩm và nhiên liệu mới được quan tâm trong thời gian gần đây. Dầu sinh học được sản xuất bằng quá trình nhiệt phân nhanh (Fast Pyrolysis/Rapid Thermal Pyrolysis - RTP). Quá trình nhiệt phân nhanh xảy ra trong thời gian rất ngắn (chỉ 1 - 2 giây) ở nhiệt độ khoảng 500oC có thể có chất xúc tác hoặc không, được tiến hành trong các loại bình phản ứng khác nhau. Công nghệ RTP đã được thương mại hóa tại các nhà máy ở Mỹ và Canada. Thực chất đây là quá trình depolymer hóa dưới tác dụng của nhiệt độ (Thermal Depolymerisation - TDP). Dầu sinh học có thể được sử dụng làm nhiên liệu sưởi ấm hoặc có thể được chuyển thành nhiên liệu sinh học tiên tiến.

- Hydro-deoxy hóa dầu sinh học (Hydrodeoxygenation of Bio-oil)

Là quá trình loại bỏ oxy (một phần hoặc tất cả trong các phân tử dầu sinh học) bằng phản ứng hydro hóa. Kết hợp RTP và xử lý bằng hydro (hydrodeoxygenation

- HDO) giúp chuyển hóa nhiều loại sinh khối khác nhau thành nhiên liệu sinh học thích hợp [15 - 17]. Giai đoạn RTP được tiến hành ở nhiệt độ tương đối thấp (dưới 500oC), áp suất khí quyển, có thể không cần chất xúc tác, tuy nhiên, với sự có mặt của các chất xúc tác thì quá trình hydro-deoxy hóa tiếp theo sẽ diễn ra thuận lợi hơn, với hiệu suất cao hơn [18]. Các chất xúc tác được sử dụng khá đa dạng, như các zeolite (HZSM-5, HY, Hbeta…), các vật liệu mao quản trung bình (Al-SBA-15, Al-MCM-41, Al-MCM-48…). Giai đoạn HDO cần được thực hiện trong điều kiện có mặt hydro và thường là dưới áp suất nhất định. Quá trình hydro hóa có thể thay thế bằng quá trình hydro - đồng phân hóa nếu cần sản xuất nhiên liệu có trị số octane cao. Ở Việt Nam, Viện Dầu khí Việt Nam [19] đã tiến hành nghiên cứu công nghệ RTP và HDO. Các phế thải nông nghiệp (rơm rạ, trấu, lõi ngô, bã mía) đã được thử nghiệm cho quá trình nhiệt phân nhanh. Dầu sinh học nhận được từ quá trình RTP với hiệu suất khá cao (50 - 60%), sau đó được nâng cấp chất lượng bằng các quá trình xúc tác như cracking hoặc hydro-deoxy hóa và hydro hóa. Những kết quả đầu tiên trong công trình này chứng tỏ khả năng sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ mới từ các nguyên liệu trên cơ sở phế thải nông nghiệp ở nước ta.

Trong thời gian gần đây, các chất xúc tác và công nghệ hydrodeoxy hóa sản phẩm của quá trình nhiệt phân các loại sinh khối được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Yongchun Hong và các cộng sự [20] đã thống kê các công trình trong khoảng 5 năm trở lại đây về chuyển hóa HDO dầu nhiệt phân trên các hệ xúc tác khác nhau, từ các xúc tác kim loại chuyển tiếp cho đến các xúc tác kim loại quý, đó là MoO3/SiO2, Ni/SiO2, Fe/C, Fe/SiO2, Ni- Fe/SiO2, Pd-Fe/Al2O3, Pt/MgO, Pt-Ni/Al2O3, Ru/TiO2… Theo Jan Horáček và các cộng sự [21], các chất xúc tác HDS

(hydrodesulfurization) truyền thống như MoO3/Al2O3, NiMo/Al2O3, CoMo/Al2O3 vẫn có thể được sử dụng, nhưng hoạt tính của các chất xúc tác này kém hơn các chất xúc tác chứa kim loại quý. Qineng Xia và các cộng sự [22] đã công bố trên Nature Communications về khả năng chuyển hóa trực tiếp sinh khối thành hydrocarbon chỉ trong 1 giai đoạn với sự có mặt của chất xúc tác Pt/NbOPO4 trong môi trường cyclohexane và điều kiện phản ứng tương đối nhẹ.

Quá trình phản ứng được tiến hành ở 190oC, áp suất hydro là 5MPa, thời gian - 20 giờ; hiệu suất tổng khối lượng các alkane đạt được trên 20%. Theo tính toán lý thuyết, tổng khối lượng các alkane trong sinh khối tối đa chỉ khoảng 50%, như vậy, loại bỏ được oxy trong khoảng một nửa khối lượng sinh khối thô là thành công. Các tác giả đã sử dụng sinh khối từ các loại gỗ khác nhau và nhận thấy tỷ lệ các sản phẩm alkane phụ thuộc vào thành phần lignocellulose của loại gỗ. Các tác giả cho thấy, hiệu suất tổng alkane nhận được trong RTP và HDO gỗ bạch dương (birch wood) ở dạng bột vụn (sawdust) trên xúc tác Pt/ NbOPO4 (28,1%) cao hơn nhiều so với trên các xúc tác khác là Pt/HZSM-5, Pt-ReOx/SiO2, Pt-ReOx/C, Pd/NbOPO4, Ru/NbOPO4 và Rh/NbOPO4 (từ 8,7% trên Pt/HZSM-5 đến 19,2% trên Ru/NbOPO4).

4. Kết luận

Nhiên liệu sinh học tiên tiến được sản xuất từ vật liệu cellulose và lignocellulose như phế phẩm và phế thải nông lâm nghiệp, hoặc cây năng lượng. Mục đích của việc phát triển cây năng lượng là sản xuất nhiều nhiên liệu hơn cho mỗi đơn vị đất sử dụng, đồng thời tiêu tốn ít hóa chất và năng lượng hơn trong sản xuất và thu hoạch nhưng cần đạt được năng suất cao nhất có thể về nhiệt trị được tạo ra trên một hecta đất sử dụng. Phương án tối ưu là trồng cây năng lượng trên đất nghèo dinh dưỡng (marginal), không cạnh tranh trực tiếp với đất cho cây lương thực. Ở châu Âu, tính khả dụng của các nguồn nguyên liệu sinh khối đang được đánh giá nhằm cân đối hóa nhu cầu cạnh tranh từ các ngành khác nhau để tối đa hóa hiệu quả của chuỗi cung ứng sinh khối. Đồng thời, cần hoàn thiện hệ thống logistics trong khâu cung cấp nguyên liệu; giá thành và tính bền vững của nguyên liệu phải luôn được quan tâm bảo đảm. Như vậy, để sử dụng tối ưu các nguồn nguyên liệu sinh khối, các quốc gia (hoặc khu vực, ví dụ EU) cần cách tiếp cận có điều phối chung để sử dụng các nguyên liệu thích hợp nhất cho sản xuất nhiên liệu với hiệu quả sử dụng cao nhất.

Tài liệu tham khảo

1. BP. BP statistical review of world energy. 2017.

2. Joshua Kagan. Third and fourth generations biofuels: Technologies, markets & economics through 2015. GreenTech Market Research. www.greentechmedia.com. 2010.

3. US Department of Energy/Energy Efficiency and Renewable Energy. Alternative fuels data center. www.afdc. energy.gov.

4. Honeywell UOP. UOP/Eni EcofiningTM process for green diesel production. www.uop.com.

5. Algae Biomass Organization. E2 advanced biofuels market report 2014. www.e2.org.

6. ETIP Bioenergy. European technology and innovation platform. www.etipbioenergy.eu.

7. POET-DSM Advanced Biofuels LLC. First commercial-scale cellulosic ethanol plant in the U.S. opens for business. www.poetdsm.com. 2014.

8. Poonam Singh Nigam, Anoop Singh. Production of liquid bioduels from renewable resources. Progress in Energy and Cumbustion Science. 2010; 37(1): p. 52 - 68.

9. Yusuf Chisti. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances. 2007; 25(3): p. 294 - 306.

10. Yanqun Li, Mark Horsman, Nan Wu, Christopher Q.Lan, Nathalie Dubois - Calero. Biofuels from microalgae. Biotechnology Progress. 2008; 24(4): p. 815 - 820.

11. Peer M.Schenk, Skye R.Thomas-Hall, Evan Stephens, Ute C.Marx, Jan H.Musgnug, Clemens Posten, Olaf Kruse, Ben Hankamer. Second generation biofuels: High-Efficiency microalgae for biofuel production. BioEnergy Research. 2008; 1(1): p. 20 - 43.

12. Giuliano Dragone, Bruno Fernandes, António A.Vicente, José A.Teixeira. Third generation biofuels from microalgae. Current Research, Technology and Education Topics in Applied Microbiology and Microbial Biotechnology. Formatex. 2010.

13. Meng Ni, Dennis Y.C.Leung, Michael K.H.Leung, K.Sumathy. An overview of hydrogen production from biomass. Fuel Processing Technology. 2006; 87(5): p. 461- 472.

14. George A.Olah, Alain Goeppert, G.K.Surya Prakash. Beyond oil and gas: The methanol economy. 2009.

15. Ajan Ray. Rapid Thermal Processing (PTP): A proven pathway to renewable liquid fuels. Workshop on Green Fuels in Vietnam, 2011.

16. Claudio Antonio Bertilli. Biofuels: Unlocking the potential. Workshop on Green Fuels in Vietnam, 2011.

17. A.V.Bridgwater. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading. Biomass and Bioenergy. 2012; 38: p. 68 - 94.

18. Yuxin Wang, Tao He, Kaituo Liu, Jinhu Wu, Yunming Fang. From biomass to advanced bio-fuel by catalytic pyrolysis/hydro-processing: hydrodeoxygenation of bio-oil derived from biomass catalytic pyrolysis. Bioresources Technology. 2012; 108: p. 280 - 284.

19. Phan Minh Quoc Binh, Duong Thanh Long, Nguyen Dinh Viet, Tran Binh Trong, Nguyen Huynh Hung My, Nguyen Huu Luong, Nguyen Anh Duc, Luu Cam Loc. Evaluation of the production potential of bio-oil from Vietnamese biomass resources by fast pyrolysis. Biomass and Bioenergy Journal. 2014; 62: p. 74 - 81.

20. Yongchun Hong, Alyssa Hensley, Jean- Sabin McEwen, Yong Wang. Perspective on catalytic hydrodeoxygenation of biomass pyrolysis oils: Essential roles of Fe-Based catalysts. Catalysis Letters. 2016; 146 (9): p. 1621 - 1633.

21. Jan Horáček, Gabriela Šťávová, Vendula Kelbichová, David Kubička. Zeolite-Beta-supported platinum catalysts for hydrogenation/hydrodeoxygenation of pyrolysis oil model compounds. Catalysic Today. 2013; 204: p. 38 - 45.

22. Qineng Xia, Zongjia Chen, Yi Shao, Xueqing Gong, Haifeng Wang, Xiaohui Liu, Stewart F.Parker, Xue Han, Sihai Yang, Yanqin Wang. Direct hydrodeoxygenation of raw woody biomass into liquid alkanes. Nature Communication. 2016.

Summary

ADVANCED BIOFUELS: SUSTAINABLE DEVELOPMENT FOR RENEWABLE FUELS

Ho Si Thoang

Vietnam Petroleum Association Email: hosithoang@gmail.com

In response to climate change caused by the greenhouse effect, renewable energy sources are being rapidly developed, such as solar and wind energy, especially advanced biofuels, which are attracting the attention of researchers and the world's leading energy com- panies. Compared to traditional biofuels, advanced biofuels are more effective in reducing CO2 emissions. About 60 - 90% of advanced biofuels are produced from sustainable sources ofmaterial, such as non-food crops, oil plants grown on barren soil, waste products, used cooking oil, and animal fats. From such diverse materials, advanced biofuel processing and production technologies based on biochem- ical, thermochemical, and thermocatalytic transformation have been applied on different scales to produce products with lower prices, with the aim to making them competitive with mineral fuels.

pvn.vn