Sinh học - Chương 5: Năng lượng và chất đốt sinh học

CHƯƠNG 5 Năng lượng và chất đốt sinh học TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi trường và Tài nguyên Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh Giớùi thiệäu chung ™ Việäc sửû dụïng năngê lượïng tăngê lênâ theo sựï pháùt triểån củûa côngâ nghiệäp ™ Nhu cầàu năngê lượïng biếán độäng ởû mỗiã quốác gia, liênâ quan đếán sựï tiêuâ thụï nhiênâ liệäu vàø nângâ cao điềàu kiệän sốáng ™ Hiệän nay, khoảûng 85% năngê lượïng củûa thếá giớùi đềàu từø cáùc nhiênâ liệäu hóùa thạïch ™ Nhiênâ liệäu hóùa thạïch chủû yếáu làø than, dầàu vàø khí thiênâ nhiênâ Sử dụng năng lượng của thế giới năm 2006 Than 28.02% Dầu lửa 35.27%Khí tự nhiên 23.35% Sinh khối, địa nhiệt dùng cho phát điện 0.5% Năng lượng từ địa nhiệt, ASMT, gió, gỗ, chất thải 0.86% Năng lượng điện nguyên tử 5.76% Năng lượng thủy điện 6.24% Sư û d u ï n g n a ê n g l ư ơ ï n g ™ Trong xu thếá pháùt triểån, năngê lượïng nguyênâ tửû, khí thiênâ nhiênâ vàø dầàu dầàn thay thếá than ™ Việäc sửû dụïng nhiênâ liệäu hóùa thạïch liênâ quan đếán nhiềàu vấán đềà vềà môiâ trườøng như: Pháùt sinh khí nhàø kính vàø cáùc chấát ôâ nhiễmã kháùc. ™ Khí thiênâ nhiênâ cóù thểå thay thếá than trong pháùt điệän vì ít khí thảûi vàø năngê lượïng cao hơn. ™ Năngê lượïng đượïc sửû dụïng vàøo cáùc mụïc đích kháùc nhau Giớùi thiệäu chung Mụïc đích sửû dụïng năngê lượïng ™ Sinh ra khí CO2, SO2, NOx, vàø bụïi ™ Gâyâ nênâ hiệäu ứùng nhàø kính ẢÛnh hưởûng củûa việäc đốát cháùy nhiênâ liệäu hóùa thạïch ™ Chặët pháù rừøng, đốát nhiênâ liệäu hóùa thạïch làøm gia tăngê nồàng độä cáùc khí nhàø kính Hoạït độäng củûa con ngườøi Phát sinh khí nhà kính do hoạt động của con người Phát thải khí nhà kính toàn cầu ™ Tăngê cườøng cáùc “bểå chứùa” CO2 như rừøng, biểån khơi ™ Giảûm pháùt thảûi khí nhàø kính vàø cáùc khí kháùc bằèng cáùch tăngê hiệäu quảû sửû dụïng năngê lượïng ™ Xửû lýù khí CO2 đãõ đượïc pháùt thảûi ™ Sửû dụïng nguồàn năngê lượïng thay thếá khôngâ pháùt thảûi CO2 Cáùc biệän pháùp làøm giảûm ảûnh hưởûng củûa việäc đốát nhiênâ liệäu hóùa thạïch ™ Trồàng lạïi hoặëc trồàng mớùi cáùc cáùnh rừøng ™ Táùch CO2 từø khí thảûi vàø đem chônâ trong lòøng biểån hoặëc vàøo cáùc bểå chứùa đãõ lấáy hếát khí tựï nhiênâ . ™ Sửû dụïng vi tảûo đểå hấáp thu CO2 vàø sửû dụïng vi tảûo như làø nguồàn dinh dưỡngõ sơ cấáp ™ Xửû lýù khí CO2 bằèng cáùc côngâ nghệä hiệän đạïi (hấáp thu CO2) Cáùc biệän pháùp xửû lýù CO2 Sư û d u ï n g C O 2 đ e å t a ï o r a s i n h k h o á i Phương thứùc xửû lýù CO2 (đem chônâ ) Xửû lýù CO2 bằèng vi tảûo Xửû lýù CO2 bằèng vi tảûo Dùng vi tảo vừa xử lý nước thải vừa xử lý CO2 ™ Cáùc nhàø máùy pháùt điệän dùøng than đun sôiâ nướùc đểå chạïy máùy pháùt điệän, hiệäu suấát năngê lượïng chỉ đạït 37% ™ SO2 làø nguyênâ nhânâ làøm giảûm hiệäu suấát đốát nhiênâ liệäu. Xửû lýù lưu huỳønh trướùc khi đốát than hoặëc dùøng loạïi than cóù chứùa ít lưu huỳønh. ™ Dầàu chứùa ít lưu huỳønh hoặëc khí thiênâ nhiênâ thườøng đượïc sửû dụïng ™ Cóù thểå làøm giảûm pháùt thảûi lưu huỳønh, nhưng khôngâ thểå giảûm pháùt thảûi CO2 trong cáùc quáù trình Tăngê hiệäu suấát sửû dụïng nhiênâ liệäu ™ Năngê lượïng nguyênâ tửû ™ Năngê lượïng thủûy điệän ™ Năngê lượïng thủûy triềàu ™ Năngê lượïng sóùng ™ Năngê lượïng gióù ™ Năngê lượïng địa nhiệät ™ Năngê lượïng mặët trờøi ™ Cáùc quáù trình sinh họïc Nguồàn năngê lượïng thay thếá nhiênâ liệäu hóùa thạïch Nhà máy điện hạt nhân (năng lượng nguyên tử) „ Cho năngê lượïng lớùn „ Ít khí thảûi „ Tạïo ra/ròø rỉ phóùng xạï (nguy hiểåm) „ Khóù xửû lýù sau khi hếát sửû dụïng Hiện trạng phát triển năng lượng nguyên tử trên thế giới Nhà máy thủy điện Có những tác động về môi trường như: lũ lụt, giảm dòng chảy, vỡ đập Sạch, không ô nhiễm Sử dụng lâu dài và tái phục hồi được Năng lượng gió Năng lượng địa nhiệt Sử dụng năng lượng địa nhiệt năm 2005 Năngê lượïng từø áùnh sáùng mặët trờøi Vai tròø năngê lượïng từø áùnh sáùng mặët trờøi „ Tráùi đấát nhậän 1/2.109 năngê lượïng ASMT pháùt ra. „ 34% phảûn xạï „ 42% sưởûi ấám tráùi đấát „ 23% cho vòøng tuầàn hoàøn nướùc „ 1% tạïo gióù vàø dòøng chảûy đạïi dương „ 0.023% cho quang hợïp Vai tròø năngê lượïng từø áùnh sáùng mặët trờøi „ Năngê lượïng điềàu khiểån khí quyểån, đạïi dương, sinh quyểån. „ Năngê lượïng mặët trờøi cấáp nhiệät đểå sưởûi ấám, lưu chuyểån cáùc khốái khí, chuyểån thàønh điệän năngê „ Năngê lượïng cung cấáp cho tráùi đấát tùøy thuộäc vàøo vĩ độä vàø cao độä củûa mỗiã vùøng Mạïng lướùi bứùc xạï mặët trờøi trênâ mặët đấát Bứùc xạï mặët trờøi Hấáp thu năngê lượïng Hấáp thu năngê lượïng ASMT Quang hợïp củûa thựïc vậät Hấáp thu năngê lượïng ASMT Sửû dụïng năngê lượïng ASMT Chuyểån thàønh điệän năngê Chuyểån thàønh nhiệät năngê Biếán năngê lượïng ASMT thàønh điệän năngê Sơ đồ khối so sánh các nguồn năng lượng Sử dụng toàn cầu 15 TW Năng lượng gió 370 TW Năng lượng mặt trời 89.000 TW Năngê lượïng sinh họïc Năngê lượïng sinh họïc „ Vậät liệäu sinh họïc luônâ đượïc xem làø mộät nguồàn năngê lượïng „ Việäc sửû dụïng vậät liệäu sinh họïc mớùi giúùp làøm giảûm việäc đốát nhiênâ liệäu hóùa thạïch, giảûm pháùt thảûi khí nhàø kính „ Năngê lượïng từø vậät liệäu sinh họïc cóù thểå đượïc sửû dụïng trựïc tiếáp như đốát hoặëc chuyểån thàønh nhiênâ liệäu sinh họïc như methane, ethanol „ Cáùc nguồàn năngê lượïng sinh họïc: „Đốát sinh khốái, sảûn xuấát methane vàø ethanol, dầàu thựïc vậät „ Sảûn xuấát hydrogen Các nguồn tái tạo được Các nguồn tiềm năng tương lai Đốát sinh khốái „ Sinh khốái liênâ quan chấát hữũ cơ trong sinh vậät sốáng vàø chếát „ Sinh khốái từø cáùc nguồàn nôngâ nghiệäp, chấát thảûi sinh hoạït vàø côngâ nghiệäp „ Nhiềàu phương pháùp đượïc sửû dụïng đểå thu năngê lượïng từø sinh khốái: đốát trựïc tiếáp, khí hóùa, nhiệät phânâ Nhữngõ vấán đềà khi sảûn xuấát năngê lượïng sinh họïc ởû quy môâ lớùn „ Sựï cóù sẵün củûa đấát „ Năngê suấát củûa cáùc loàøi đượïc nuôi/trô ààng „ Sựï bềàn vữngõ củûa môiâ trườøng „ Cáùc yếáu tốá xãõ hộäi „ Sựï nhạïy cảûm vềà kinh tếá So sáùnh cáùc nguồàn năngê lượïng phụïc hồài vàø khôngâ phụïc hồài đượïc Biogas (Khí sinh họïc) Khí sinh họïc „ Làø kếát quảû củûa quáù trình xửû lýù kỵ khí chấát thảûi cóù BOD cao „ Khí sinh họïc chứùa khoảûng 50-75% làø methane „ ỞÛ cáùc nướùc pháùt triểån, trong khu xửû lýù nướùc thảûi, khí sinh họïc đượïc sửû dụïng đểå chạïy máùy bơm bùøn/nướùc thảûi vàø cấáp nhiệät cho hệä thốáng xửû lýù kỵ khí „ Dùøng cho nấáu ănê vàø thắép sáùng „ Nguồàn khí sinh họïc kháùc làø từø Bãiõ chônâ lấáp cũngõ đượïc sửû dụïng đểå cấáp năngê lượïng hoặëc chạïy máùy pháùt điệän Hầm Biogas Dầàu sinh họïc „ Làø nhiênâ liệäu cóù thểå thay thếá nhiênâ liệäu lỏûng hóùa thạïch trong chạïy máùy „ Dầàu thựïc vậät khi đốát cháùy ít sinh ra SO2 vàø loạïi nhiênâ liệäu dễã dàøng bị phânâ hủûy sinh họïc. „ Dầàu thựïc vậät khi đượïc sửû dụïng đểå chạïy máùy thườøng hay làøm nghẽnõ độäng cơ do cóù chứùa nhiềàu sáùp vàø độä nhớùt cao „ Việäc sửû dụïng hỗnã hợïp dầàu thựïc vậät vàø nhiênâ liệäu hóùa thạïch cóù tính khảû thi cao hơn. „ Việäc chiếát dầàu thựïc vậät cũngõ làøm tăngê giáù thàønh sửû dụïng loạïi nhiênâ liệäu nàøy Ethanol „ Vi sinh vậät cóù khảû năngê sảûn xuấát ethanol từø đườøng „ Ethanol (20%) trộän vớùi nhiênâ liệäu hóùa thạïch cóù thểå dùøng đểå chạïy máùy 90 - 10099Chỉ sốá octane 1345Điểåm cháùy (0C) 293855Nhiệät hóùa hơi 44.027.2Nhiệät đốát cháùy (MJ/kg) 0.740.79Tỉ trọïng (kg/L) 35-20078Nhiệät độä sôiâ (0C) Dầàu lửûaEthanolTính chấát BẮP THÙNG CHỨA XAY RỬA NGUYÊN LIỆU LÊN MEN CHƯNG CẤT LY TÂMHÓA HƠI SẤY KHÔ ĐÔNG KHÔ SÀNG LỌC CO2 Sảûn xuấát Ethanol Sản xuất Ethanol trên thế giới (Triệu lít) So s a ù n h c o â n g n g h e ä s a û n x u a á t e t h a n o l Công nghệ truyền thống Công nghệ mới Sảûn xuấát Hydrogen ™ Hydrogen làø nhiênâ liệäu lýù tưởûng, khôngâ gâyâ ôâ nhiễmã môiâ trườøng vì khi đốát sảûn phẩåm tạïo ra chỉ làø nướùc ™ Hydrogen cóù thểå đượïc sửû dụïng đểå chạïy máùy hoặëc pháùt điệän ™ Hydrogen cóù thểå đượïc sảûn xuấát bằèng cáùc hệä thốáng Quang điệän, Điệän phânâ nướùc hoặëc bằèng cáùc hệä thốáng sinh họïc ™ Nềàn tảûng củûa NC nàøy hình thàønh cáùch đâyâ 100 nămê , khi Benemann pháùt hiệän ra 1 loạïi vi khuẩån lam (Anabena cylindrica) cóù khảû năngê sinh H2 Dùøng năngê lượïng ASMT đểå sảûn xuấát Hydrogen H2O Hệ QH I Hệ QH II Ferredoxin Hydrogenase H2 O2 O2 Ức chế Quá trình sản xuất hydrogen bởi vi tảo Tóùm lượït năngê lượïng sinh họïc Butanol Tách chiết Thủy phân Hóa khí Nhiệt phân Tăng cường H Lên men Khí tổng hợp Chuyển ester hóa S I N H K H O Á I Kếát luậän ™ Việäc sửû dụïng nhiênâ liệäu khôngâ phảûi hóùa thạïch dầàn đượïc chấáp nhậän do việäc tăngê nhanh củûa giáù dầàu thôâ vàø khí đốát ™ Thuậän lợïi củûa nhiênâ liệäu khôngâ phảûi hóùa thạïch làø: ™ Đa dạïng vềà nguồàn vàø định dạïng (lỏûng, khí, rắén) ™ Sạïch, khôngâ pháùt thảûi hoặëc giảûm pháùt thảûi ™ Không/â ít sinh khí CO2. làøm giảûm sựï ấám lênâ toàøn cầàu ™ Táùi tạïo đượïc, khóù cạïn kiệät ™ Chấát thảûi tạïo ra giảûm, táùi chếá đượïc