Huy Lữ TRẦN VĂN ĐẠT
Nguyên Chánh Chuyên gia FAO - Rome

Năng lượng sinh học

NĂNG LƯỢNG SINH HỌC:

KHÓ KHĂN, TIẾN BỘ VÀ CƠ HỘI

 

Trần Văn Đạt, Ph. D.

 

Ngành nhiên liệu sinh học thế giới trải qua 3 thế hệ phát triển và có nhiều bước tiến bộ quan trọng dù còn gặp khó khăn do vấn đề kinh tế, con người và công nghệ sản xuất. Việt Nam là một nước nông nghiệp, có nguồn nguyên liệu để sản xuất năng lượng sinh học rất đa dạng và phong phú có sẵn trong nước từ nông sản như sắn, bắp, mía; cây có dầu; mỡ cá, tảo đến chất phế thải nông nghiệp, thành thị; nhưng khả năng sản xuất và sử dụng nhiên liệu sạch này hiện nay còn quá sơ khai.

Nhu cầu năng lượng thế giới ngày càng gia tăng trong khi năng lượng truyền thống sản xuất từ than, khí, dầu hỏa cạn kiệt, đồng thời gây ảnh hưởng nhà kính, thay đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường. Ngành khai thác năng lượng từ dầu khí ở nhiều nước không bắt kịp mức tiêu thụ hàng năm. Một số nhà nghiên cứu quốc tế cho biết trữ lượng dầu hỏa sẽ thiếu hụt khoảng 40 năm và khí đốt trong 60 năm, nếu không tăng tốc tìm kiếm nguồn năng lượng mới. Do đó, nhiều loại năng lượng xanh hay đúng hơn gọi là năng lượng sạch được nhiều quốc gia khuyến khích khai thác để thay thế như: năng lượng sản xuất từ gió, mặt trời, nước, đại dương, địa nhiệt, sinh khối, khí hydro…, chưa kể đến năng lượng nguyên tử. Tuy nhiên, sự thành công gần đây của công nghệ khai thác mỏ dầu diệp thạch (shale gas) sâu và dính chặt ở các tầng đá trong lòng đất của Mỹ đã cống hiến cho nhân loại nhiều hy vọng về nguồn trữ lượng dầu lớn có thể khai thác mà trước đây tưởng rằng không bao giờ dùng được. Công nghệ mới này có thể giúp một số nước có nền công nghiệp mạnh như Hoa Kỳ giải quyết nhu cầu năng lượng nội địa; nhưng ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường của nhiên liệu này vẫn còn là mối lo ngại của giới quan sát quốc tế, dù gần đây có những nổ lực hạn chế dùng than để kìm hãm nhiệt độ trái đất tăng lên trong tương lai. 

Trong 2012, thế giới đã đầu tư 296 tỉ Mỹ kim cho nghiên cứu, sản xuất năng lượng sạch, trong đó Trung Quốc chiếm 24%, Mỹ 13%, Liên Âu (ngoài Đức) 12%, Đức 9% và số nước còn lại trên thế giới 41%, cho thấy mức độ quan tâm về năng lượng tiêu thụ của các nước này (Hình 1 và bảng 1). 

 

                          Hình 1: Tỉ số đầu tư năng lượng sạch của một số quốc gia (Internet)

 

                                             

 (Internet) 

Trong các năng lượng sạch nêu trên, năng lượng sinh học tương đối dễ sản xuất tại bất cứ nơi đâu với đầu tư ít tốn kém, vì đó là một lọai năng lượng xanh, tái tạo, thân thiện môi trường và là một loại năng lượng có khả năng thay thế cho các loại năng lượng từ chất khoáng. Trong nhiều năm qua, ngành sản xuất năng lượng sạch này đã có một số tiến bộ đáng kể trong khâu nghiên cứu và sử dụng, cũng như cung cấp nhiều cơ hội phát triển kinh tế và xã hội ở nhiều nước. Thật đáng tiếc Việt Nam là một nước nông nghiệp, nhưng ngành sản xuất và sử dụng năng lượng sinh học hiện còn yếu kém, mặc dù nguyên liệu để sản xuất năng lượng này rất đa dạng và phong phú có sẵn trong nước, từ nông sản (sắn, bắp, mía,…); cây có dầu (dừa, cọ dầu, đậu phọng, mè); mỡ cá, tảo; và chất phế thải (sinh khối phế thải, rơm rạ, trấu, thân cây bắp, gỗ, bã mía, cà phê và thức ăn thừa). Cho nên, cần có chính sách đột phá minh bạch để khuyến khích các doanh nghiệp tích cực tham gia khai thác loại năng lượng này ở nông thôn, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường, đồng thời tạo thêm nhiều công việc làm mới, và cải thiện phần nào đời sống khó khăn của nông dân. 

Hiện nay, thế giới có khoảng 60 nước và lãnh thổ đang sử dụng năng lượng sinh học, nổi bật nhứt là Brazil sản xuất rượu ethanol từ cây mía (Hình 2); Mỹ sản xuất ethanol từ bắp và dầu diesel từ đậu nành; Liên Âu sản xuất diesel từ cây cải dầu; Ấn Độ sản xuất ethanol từ cây mía và diesel sinh học từ cây dầu mè (Jatropha curcas, L.); Trung Quốc sản xuất ethanol từ bắp, mía; Malaysia dùng dầu cọ; Philippines dùng dầu dừa... Năm 2010, thế giới sản xuất nhiên liệu sinh học đạt đến 105 tỉ lít (28 tỉ gallons), chiếm 2,7% nhiên liệu vận chuyển. Hoa Kỳ và Brazil đứng hàng đầu chiếm 90% sản lượng toàn cầu. Liên Âu chiếm 53% sản lượng diesel sinh học thế giới (4). Tuy vậy, sự phát triển loại năng lượng sạch này đã và đang gặp một số khó khăn, đặc biệt từ mặt kinh tế, xã hội, môi trường, công nghệ và chính sách bất định của nhà nước.  

                                                                                                    
                         

Hình 2: Cây xăng sinh học và mía ở Brazil (Internet)

 -       Về mặt kinh tế: Các nước này, nhứt là Âu Mỹ đều ấn định chỉ tiêu sản xuất nhiên liệu sinh học, nhưng chưa có chính sách minh bạch. Chính phủ thường linh động thuế khóa và thay đổi theo thị trường. Khi khai thác dầu khí phát triển mạnh, sự cạnh tranh của các loại nhiên liệu thay thế gặp khó khăn với hỗ trợ nhà nước. Ở Mỹ, ngoài giá xăng xuống thấp, hạn hán làm tăng giá đậu nành, bắp, nên các nhà sản xuất nhiên liệu sinh học gặp nhiều bất ổn. Sự cắt giảm ngân sách của nước này gần đây đang đe dọa đến chương trình hỗ trợ của chính phủ đối với các công nghệ năng lượng sạch từ mặt trời, gió, sản xuất ethanol và sản xuất các loại xe dùng nhiên liệu thay thế. Kỹ nghệ trích dầu từ các lớp đá sâu trong lòng đất là mối đe dọa lớn khác cho các công nghiệp phát triển năng lượng sạch thế giới trong tương lai. Tại các nước đang phát triển, khả năng sản xuất nhiên liệu sinh học với quy mô lớn còn giới hạn, do nguồn cung cấp không ổn định vì phụ thuộc vào thời tiết mỗi năm. Bên cạnh đó, giá thành sản xuất loại nhiên liệu này còn cao so với nhiên liệu truyền thống; do đó việc sử dụng nhiên liệu sinh học vào đời sống chưa phổ biến rộng rãi, chưa kể đến chính sách hỗ trợ của nhà nước chưa thích đáng.

 

-       An ninh lương thực: Việc sản xuất nhiên liệu sinh học từ các nguồn tinh bột hoặc các cây lương thực như bắp, đậu nành đang bị chỉ trích nặng nề từ các cơ quan lương nông quốc tế, do ảnh hưởng đến an ninh lương thực quốc gia và tạo nên sức ép cạnh tranh với nguồn nước và đất trồng. 

-       Khả năng làm tăng khí thải: Một số chỉ trích sản xuất năng lượng sinh học như trồng bắp, đậu nành, mía… cũng tạo ra khí thải CO2 hoặc làm ô nhiểm môi trường khi dùng đến phân hóa học, thuốc sát trùng, hóa chất diệt cỏ… Các nghiên cứu cho thấy dù chất sinh khối sản xuất cùng số lượng CO2 như nhiên liệu khoáng chất, nhưng mỗi khi cây trồng mới mọc ra, CO2 được cây hấp thụ từ bầu không khí qua hiện tượng quang hợp. Cho nên, sự phóng thích khí CO2 thật sự là zero bất cứ khi nào cây được trồng cho nhu cầu năng lượng sinh học. 

-       Công nghệ sản xuất năng lượng sinh học: Đến nay công nghệ sản xuất rượu ethanol từ chất mộc cellulose đã đạt tiến bộ đáng kể, nhưng chưa có bước đột phá từ chất lignocellulose hoặc bán mộc hemicellulose của thực vật để cải thiện hiệu suất và hạ giá thành. Có thể từ 5-10 năm nữa, công nghệ này mới được hoàn thiện và có thể đáp ứng được nhu cầu sản xuất và thương mại. 

Trong thế kỷ qua, ngành nhiên liệu sinh học phát triển không ngừng, đã trải qua ba thế hệ sản xuất tùy trình độ tiến bộ của công nghệ và các trở ngại khó khăn thực tế (9 và 11). 

Trong thế hệ thứ nhứt, nhiên liệu sinh học được tạo ra dễ dàng từ biến đổi sinh khối thảo mộc có hàm lượng đường cao và chứa nhiều chất tinh bột như bắp, mía, sắn ..., qua công đoạn lên men để sản xuất rượu ethanol dùng tạo ra các nhiên liệu sinh học lõng (gasohol) phục vụ ngành chuyên chở (xe hơi, máy bay, tàu thủy, xe lữa…). Cây trồng có nhiều dầu được ép sản xuất dầu thực vật, cùng với mỡ động vật (cá tra, heo…) được trộn với rượu ethanol hoặc methanol và chất xúc tác để tạo ra dầu diesel sinh học và glycerine bằng chuyển hóa ester. 

Ngoài ra, năng lượng sạch được sử dụng từ lâu dưới dạng khí sinh học ở miền quê, bằng cách ủ phân, rơm rạ, chất phế thải để lấy khí đốt. Khí sinh học là một loại khí hữu cơ gồm khí methane, CO2, hơi nước, N2, O2, H2S, CO,... Loại khí này được sản xuất từ quá trình thủy phân các sinh khối phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, trong điều kiện yếm khí và xúc tác bởi nhiệt độ từ 20-40 ºC (4). 

Thế hệ thứ hai: Sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhứt bị chỉ trích làm ảnh hưởng đến nguồn an ninh lương thực thế giới, cạnh tranh sử dụng nước, đất, giá thành sản xuất cao và làm ô nhiễm môi trường; cho nên, các nhà khảo cứu năng lượng sinh học cố gắng trích năng lượng từ nguồn sinh khối lignocellulose (gồm có cellulose, hemicellulose và lignin) từ gỗ, cỏ dại, chất phế thải của các vụ mùa, gỗ rừng, các loại cây không sản xuất thực phẩm; do đó không còn cạnh tranh với các chương trình an ninh lương thực, trái lại còn giúp giảm bớt ô nhiễm và ổn định môi trường. Cho nên, nhiều công nghệ phát triển mạnh trong lãnh vực xử lý các chất thải nông nghiệp (rơm rạ, trấu, bã mía…), chất thải từ biến chế thực phẩm, chất thải rắn đô thị, chất thải rừng, cũng như các loại cỏ lớn nhanh… để sản xuất các loại năng lượng như nhiệt, điện, khí, phân bón, thức ăn gia súc…, qua quá trình sinh hóa hoặc nhiệt hóa tùy loại sinh khối và mục đích sử dụng.

Ngành khảo cứu đã thành công bành trướng rất nhanh để thu hồi nhiên liệu sinh học từ chất mộc cellulose của các loại bắp ôn đới, lúa miến ngọt (Sorghum bicolor), cỏ “voi” Miscanthus × giganteus (cây lai M. sinensis và M. sacchariflorus), và switch grass (Panicum virgatum) gốc Bắc Mỹ, bằng quá trình thủy phân enzym (trước kia dùng acid thủy phân kém hiệu năng), với hiệu suất rất cao để chuyển hóa thành chất đường, được lên men để trở thành nhiên liệu ethanol. Chất mộc cellulose là một chuổi glucose, thành phần chính của sinh khối lignocellulose, nhưng không giống chất tinh bột là không tan trong nước. Hiệu quả trích nhiên liệu từ chất cellulose rất cao, độ 70% được chuyển hóa thành ethanol, khoảng 30 % còn lại ở các dạng protein đậm đặc dùng chế biến thức ăn gia súc, và lignin ở dạng bã được ép thành bánh làm nhiên liệu cho chưng cất ethanol. Một tấn rơm khô sản xuất 75 gallon ethanol, mỗi tấn cỏ voi khô cho ra 75-117 gallon ethanol-cellulosic. Trên 1 ha cây dừa cho 200 gallon, cây dầu cọ cho 500 gallon, bắp cho 300 gallon, nhưng trên 1ha cỏ voi cho tới 1.200 gallon ethanol. Nhờ đó, giá thành ethanol (từ cellulose) hạ xuống rất nhiều. Một gallon ethanol cellulosic của hãng Genencor chỉ có giá 0,1 - 0,2 USD; của hãng Novozymes Biotech 0,1 USD, giảm 30- 50 lần so với giá trước đây (trên dưới 5 USD). Bộ Năng lượng Mỹ đã tiên đoán, đến năm 2020, nước này có thể sử dụng các nguồn nguyên liệu sinh học ít nhất là 30 % tổng nhiên liệu của hoạt động vận chuyển (7, 10).

Gần đây, kỹ thuật tiền xử lý chất sinh khối cellulosic với ion lõng bằng chất muối thể lõng chứ không phải tinh thể ở nhiệt độ phòng trước khi phân giải. Kỹ thuật này không cần đến enzym đắc tiền, thu hoạch chất đường dễ dàng cho nhiên liệu sinh học và có thể tái sử dụng ion lõng (18).

Phương pháp trích năng lượng từ sinh khối lignocellulose bằng thủy phân enzym, lên men và chưng cất chưa được hữu hiệu và còn quá tốn kém. Gần đây các nhà khoa học đã thành công trong kết hợp sự thủy phân và lên men trong một quá trình được gọi là đường hóa và lên men cùng lúc, làm hạ thấp giá thành sản xuất. Còn một số kỹ thuật mới khác cũng đang được dùng tùy theo nguồn nguyên liệu, như kỹ thuật cùng đốt sinh khối với than hoặc khí; đây là công nghệ dễ sử dụng và có hiệu quả kinh tế cao cho sản xuất nhiên liệu sinh học đại trà. Kỹ thuật thủy phân plasma, do sự hũy hoại và hiệu năng giảm thấp cho bất cứ loại chất phế thải nào, rất thích hợp cho xử lý chất thải nhiều nguy hiểm. Kỹ thuật khí hóa nước siêu tới hạn (Supercritical water gasification) là phương pháp rất hứa hẹn để sản xuất khí hydro từ chất sinh khối, đặc biệt với hàm lượng nước cao (19).

Các nhà khoa học cũng phân loại enzym được các vi khuẩn trong ruột con mối gỗ dùng phân hóa sinh khối lignocellulose một cách tự nhiên. Họ hy vọng làm giảm bớt chất lignin mà không làm cho cây dễ bị sâu bệnh tấn công (chất lignin có nhiệm vụ bảo vệ cây). Họ cũng tìm thấy vi khuẩn trong ruột hươu cao cổ có thể biến đổi chất cellulose dưới bất cứ dạng nào thành nhiên liệu butanol. Vi khuẩn trong phân của gấu Panda có thể tạo nhiên liệu sinh học từ cây tre. Ngoài ra, họ cũng đang tạo ra các loại enzym hữu hiệu, tương đối rẻ tiền để dùng trong công nghệ chế biến nhiên liệu sinh học (4, 12).

            Dù tiến bộ như thế, hiện còn nhiều vấn đề cho sản xuất rượu ethanol từ lignocellulose, đặc biệt mức hiệu năng còn kém hơn sản xuất dầu khí và độ hòa tan trong nước cao làm xói mòn các ống dẫn dầu, động cơ. Cho nên, butanol, một loại rượu sản xuất từ lignocellulose, là một nguồn nhiên liệu sinh học mới có tiềm năng cao. Butanol được chế tạo từ tổng hợp chất khí từ sinh khối rồi dùng chất xúc tác với khuẩn Clostridium acetobutylicum chẳng hạn để biến đổi thành butanol. Bản đồ bộ gen - Genome của loại vi khuẩn này đã được hoàn tất sẳn sàng cho các công nghệ tiến bộ tương lai. Ngoài ra, khuẩn E. coli cũng được biết làm biến đổi gen để sản xuất butanol, nhưng năng suất nhiên liệu còn thấp hơn ethanol (11). Tuy vậy, các nhà khảo cứu tin tưởng rằng butanol sinh học sẽ là nguồn năng lượng thay thế bền vững trong tầm nhìn xa.

Nhiên liệu từ cây trồng C4 mới: Những loài cỏ đa niên C4 (các hợp chất trung gian đều chứa 4 nguyên tử carbon trong quá trình quang hợp, vì thế có tên gọi cây C4) như cỏ “voi” ôn đới (Miscanthus giganteus), lúa miến ngọt (sorghum bicolor), switch grass (Panicum virgatum)… (Hình 3) là những loài có tiềm năng lớn để sản xuất nhiều sinh khối cho thức ăn gia súc và nhiên liệu sinh học, do chu trình quang hợp hữu hiệu hơn so với loài thảo mộc C3, như cây lúa, lúa mì… có phân tử đường 3-carbon tồn tại trong chu trình quang hợp Calvin. Loài cây C4 có điểm bù CO2 thấp hơn thực vật C3, điểm bão hòa ánh sáng cao hơn thực vật C3, nhu cầu nước thấp hơn thực vật C3; do đó có năng suất sinh khối cao hơn thực vật C3 và chịu đựng được khí hậu khắc nghiệt.

Chẳng hạn, cỏ voi Miscanthus × giganteus là loại cây C4 đa niên dùng ít nước, ít phân trên đất kém màu mỡ nhưng sản xuất nhiều sinh khối. Một hecta cỏ Miscanthus có thể sản xuất đến 44 tấn sinh khối và 7.166 gallons nhiên liệu ethanol trong khi bắp chỉ sản xuất 16,8 t/ha chất sinh khối và 1.667 gallon ethanol. Gỗ cây rừng là nguồn cung cấp nhiên liệu ethanol thấp nhứt, khoảng 8,8 tấn/ha chất sinh khối và chỉ 1.147 gallons ethanol (4).

Hiện nay, các nhà khoa học đã hoàn tất bản đồ genome cỏ switch grass, hứa hẹn mang lại nguồn năng lượng sinh học phục vụ nhu cầu con người hữu hiệu hơn (6). Tuy nhiên, loại cỏ này không phát triển mạnh trong vùng khí hậu lạnh, nên một số nhà khoa học Tây phương chú ý đến cây C3 như poplar và cây dương liễu. Đặc biệt họ đang nghiên cứu về vận tốc cây lớn nhanh, thân to, đâm nhánh, hóa chất vách tế bào (cell wall) và khả năng cạnh tranh với ánh sáng (11).

 

           

Hình 3: Cỏ Miscanthus, switch grass và lúa miến ngọt (Internet)

Nhiên liệu từ công nghệ sinh học, genomics: Các nhà nghiên cứu và sản xuất đang áp dụng công nghệ sinh học tiến bộ để xử lý các nguồn nguyên liệu hiệu quả hơn qua phương pháp cấy, ghép tế bào, chuyển đổi gen, hoặc nuôi trồng được điều chỉnh bằng các yếu tố khác nhau để thay đổi cấu trúc các thành phần trong tế bào cây như lignin, mộc cellulose và bán mộc hemicellulose, nhằm tăng sinh khối trên diện tích nhỏ hơn trong thời gian ngắn hơn. Như trồng những siêu gỗ chuyển đổi gen, có sinh trưởng rất nhanh và mạnh mà ngành lâm nghiệp thế giới đang áp dụng “…chỉ cần trồng trên 5% diện tích đất cần thiết gây lại rừng là đủ cung cấp một số gỗ cho 100% đòi hỏi diện tích đất rừng trước đây” (3).

 Trong 2013, thế giới trồng tổng diện tích hoa màu biến đổi gen trên 175 triệu ha, trong đó Mỹ là nước dẫn đầu về diện tích cây trồng biến đổi gen với hơn 70 triệu ha bắp, đậu nành, bông vải, canola…, tiếp theo là Brazil (40 triệu ha đậu nành, bắp, bông vải), Argentina (24 triệu ha đậu nành, bắp, bông vải), Ấn Độ (11 triệu ha bông vải), Canada (10,8 triệu ha canola, bắp, đậu nành, củ cải ngọt…), và Trung Quốc (4 triệu ha bông vải, đu đủ, poplar, cà chua…). Giá trị cây trồng với công nghệ sinh học là  15,6 tỉ USD, tương ứng 22% và 35% thị trường bảo vệ mùa màng toàn cầu và thị trường giống (ISAAA Brief 46-2013: Executive Summary).

Ngành nông nghiệp trong tương lai sẽ thay đổi quan trọng hơn nữa khi các nhà khảo cứu tìm ra các “bộ gen” cho năng suất cao của từng loại cây trồng. Các nhà nghiên cứu đang sử dụng công nghệ genomics để hiểu biết tốt hơn làm sao phục hồi tối đa năng lượng từ các nguồn năng lượng thay thế khác nhau, như sinh khối lignin-cellulose, tảo & vi tảo, nấm và vi khuẩn cyanobacteria. Ngoài ra, họ còn dùng đến công nghệ biến đổi gen đối với các loại enzym (chất xúc tác) để làm tối hảo phát triển các loại nhiên liệu sinh học vững bền thay thế các nhiên liệu từ chất khoáng hóa.

Thế hệ thứ ba: Do vấn đề trích năng lượng từ nguồn tinh bột, đường và sinh khối lignocellulosic, nhứt là từ chất bán mộc hemicellulose và lignin còn kém hiệu quả, giá thành sản xuất cao, các nhà khoa học nhiên liệu sinh học đang bước sang nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba, với chú trọng đến các loài tảo, vi tảo, nấm và vi khuẩn để tìm nguồn năng lượng mới và tìm cách biến đổi thành năng lượng sinh học hiệu quả cao hơn và có thể dùng được. 

Trong thế hệ này, các nhà nghiên cứu dùng các loại tảo, vi tảo (rong, rêu, bèo), nấm và vi khuẩn cyano (Microalgae, fungi và Cyanobacteria) để sản xuất trực tiếp nhiên liệu sinh học, vì các loại này tạo ra nhiên liệu hữu hiệu hơn so với các phương pháp sản xuất thế hệ thứ nhứt và thứ hai từ nguồn chất đường, tinh bột hoặc sinh khối mộc lignocelulosic. Vi tảo (Hình 4) đã được nghiên cứu để sản xuất thức ăn hoặc dầu ở Mỹ từ đầu thập niên 1940s. Trong Thế chiến II, các nước khác như Đức, Nhựt, Anh… cũng bắt đầu nghiên cứu kỹ thuật sản xuất đại trà, đặc biệt trên loài Chlorella. Các loài vi tảo khác cũng được nghiên cứu như Botryococcus braunii, Dunaliella tertiolecta, Gracilaria, Pleurochrysis carterae, Sargassum (sản xuất 10 lần thể tích của Gracilaria) có hàm lượng lipid từ 30-70% trọng lượng khô.

Các vi tảo tổng hợp nước, CO2 và ánh sáng để tạo ra dầu tảo, rồi được biến chế thành dầu diesel sinh học với quá trình tinh lọc. Ưu thế của loài tảo và vi tảo là sinh sản trong nước nhanh, có thể sống trên đất ẩm, nước mặn, sản xuất sinh khối có năng lượng cao hơn ethanol; cho nên sản xuất nhiên liệu sinh học nguyên chất hữu hiệu hơn và được dùng trong hệ thống chuyên chở hiện tại (11). Ngoài ra, loại tảo dùng ít nhập lượng trợ nông, nhưng sản xuất nhiều năng lượng (30 lần) hơn sinh khối lignocelulosic để sản xuất nhiên liệu sinh học. Loài này còn bị thoái hóa sinh học nên không làm hư hại môi trường xung quanh. Ở Hoa Kỳ, trồng vi tảo trên diện tích 0,4 ha sản xuất dầu từ 20.000 đến 80.000 lít/năm. Theo ước tính của Bộ Năng Lượng, nước này cần một diện tích đất đai lớn độ 38.849 km2 để trồng loại tảo thay thế tất cả nhu cầu dầu hỏa hiện nay trong nước (5). 

   

Hình 4: Vi tảo và công nghệ sản xuất Hoa Kỳ (Internet)

 Tuy nhiên, trong thực hành còn phải tìm giải pháp cho đất đai để làm ao hồ, môi trường sản xuất tảo và vi tảo cũng như lựa chọn công nghiệp sản xuất dầu lợi ích kinh tế cao, có thể so sánh với sản xuất dầu khí truyền thống, chưa kể đến ảnh hưởng thường trực của giá dầu khí trên thế giới.

Khí hydro sinh học (Biohydrogen) là một loại nhiên liệu khác được chế tạo từ vi tảo và vi khuẩn cyano (trước kia gọi là rong xanh dương) với lợi thế là nhiên liệu sạch hoàn toàn cho môi trường. Loại vi tảo và vi khuẩn cyano có chứa những enzym “hydrogenase” nên có thể tạo ra chất thán khí (hydro) mà không cho ra khí carbon; nhưng trở ngại lớn trong sản xuất khí hydro là sự hiện diện của dưỡng khí (oxy) trong không khí làm năng suất khí hydro tạo ra thấp; do đó cần phải áp dụng công nghệ biến đổi gen để tối đa sản xuất khí hydro trong khi điều chỉnh mức độ chịu đựng của enzym hydrogenase đối với dưỡng khí (11). 

Năm 2008, một số nhà khoa học Nga của Viện Hàn Lâm Khoa Học đã báo cáo loại nấm một tế bào có thể sản xuất nhiều chất mỡ lipid được chuyển thành nhiên liệu sinh học dễ dàng. Loại nấm thuộc dòng Cunninghamella japonica và một số khác rất có triển vọng. Khám phá mới về nấm Gliocladium roseum được tìm thấy rất nhiều ở rừng nhiệt đới có thể chuyển đổi chất mộc cellulose thành dầu diesel myco (4).

Vài loại cây chịu nước mặn cũng đang được nghiên cứu như “thế hệ thứ 3” của tiền thân nhiên liệu sinh học, như là loại cây có thể trồng trong môi trường khó khăn và không cạnh tranh với cây lương thực để sản xuất nhiên liệu sinh học vừa bảo vệ môi trường (4).

Ở Việt Nam, hiện trạng, triển vọng sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ra sao? Theo Cục Thống kê, Việt Nam có tỉ trọng nông nghiệp chiếm đến 18,4% GDP trong 2013, trong khi Thái Lan ở mức dưới 12%; cho nên, nông nghiệp vẫn còn là lãnh vực quan trọng của đất nước, có tiềm năng rất lớn về sản xuất năng lượng sinh học; ngành này có thể tạo thêm nhiều công ăn việc làm ở nông thôn, giúp nông dân tăng gia lợi tức gia đình, giảm đói xóa nghèo, chưa kể đến những lợi ích quan trọng khác nêu trên. Thật vậy, VN có nguồn sinh khối lớn và đa loại từ gỗ củi, cây trồng, trấu, rơm rạ, bã cà phê, và bã mía. Hàng năm đất nước có gần 60 triệu tấn sinh khối từ phế phẩm nông nghiệp, trong đó, 90% sản lượng sinh khối được dùng để đun nấu trong khi chỉ có 2% được dùng làm phân hữu cơ và phân vi sinh; 0,5% được sử dụng để trồng nấm và khoảng 7,5% chưa được sử dụng (17). Chất thãi từ chế biến thức ăn, rơm rạ, bã mía và vỏ cà phê thường bị dứt bỏ, đốt cháy ngoài đồng.

 Theo Petrotimes (2014), các dự án khai thác năng lượng tái tạo (NLTT) đã tăng gấp đôi từ 2000-2010, tức khoảng 3,5% tổng công suất lắp đặt của hệ thống điện. Trong 2010, điện NLTT sản xuất 790MW, chủ yếu từ sinh khối và mặt trời. Đến năm 2030, theo quy hoạch, năng lượng gió và sinh khối sẽ chiếm 4,5% và 6% theo thứ tự. Năm 2010, nhà nước đã đề ra mục tiêu hằng năm: 100 nghìn tấn xăng E5 và 50 nghìn tấn dầu B5 hay tương đương 0,4% tổng nhu cầu xăng dầu cả nước; năm 2025, 1,8 triệu tấn xăng ethanol và dầu thực vật hay 5% nhu cầu xăng dầu. 

Từ năm 2011, Việt nam có chính sách sử dụng xăng sinh học E5 (5% Ethanol) để thay thế xăng A92 truyền thống. Theo lộ trình của nhà nước, từ 1-12-2014, 7 tỉnh, thành phố: Hà Nội, TP.HCM, Đà Nẵng, Hải Phòng, Quảng Ngãi, Cần Thơ, Bà Rịa - Vũng Tàu bắt buộc phải sử dụng xăng E5 (5% ethanol và 95% xăng) và từ 1-12-2015, xăng sinh học E5 sẽ được sử dụng cho toàn quốc. Còn xăng sinh học E10 (10% ethanol và 90% xăng) sẽ được sử dụng tại 7 tỉnh, thành phố kể trên từ 1-12-2016 và áp dụng trên toàn quốc từ 1-12-2017. 

Đến nay, theo Bộ Công thương (2014), VN có 6 nhà máy sản xuất ethanol sinh học từ nguyên liệu sắn lát: 2 nhà máy của PetroVietnam (PVN) tại Bình Sơn (Quảng Ngãi) và Bù Đăng (Bình Phước) với tổng công suất 200 triệu lít/năm và 4 nhà máy khác ngoài PVN với công suất khoảng 335 triệu lít/năm. Mạng lưới phân phối nhiên liệu sinh học hiện có 5 trạm chế biến (theo mẻ) tại Hải Phòng, TPHCM, Đà Nẵng, Vũng Tàu và Cần Thơ với công suất pha chế 72.000 m³ xăng E5/năm, trong tương lai thêm 2 trạm tại Hà Tĩnh và Cần Thơ. Thí điểm toàn xăng E5 để thay thế xăng A92 tại 9 cửa hàng xăng dầu ở 3 tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi và Bà Rịa-Vũng Tàu. Tuy nhiên, do tốc độ phát triển mạng lưới phân phối còn quá chậm, không bắt kịp tốc độ sản xuất ethanol trong nước nên 6 nhà máy đang sản xuất cầm chừng do càng sản xuất càng lỗ (lỗ 434 đồng/lít) (16), trong khi giới tiêu thụ chưa mặn mà lắm với loại xăng mới này do thiếu thông tin. Do đó, cần có chánh sách hỗ trợ thích đáng để khuyến khích các doanh nghiệp sản xuất và giới tiêu thụ trong khu vực này. Đặc biệt hơn hết, cần quan tâm đến quy hoạch hợp lý nguồn nguyên liệu sắn cho sản xuất ethanol trong nước với mục đích tránh phá rừng thiên nhiên, làm suy thoái đất đai do trồng đại trà loại cây mà nông dân không hề dùng đến phân bón để đáp ứng mức cung cầu gia tăng. 

 

 



Hình 6: Trạm xăng sinh học và cây sắn
(Internet) 

VN hiện mới chú trọng đến sản xuất rượu ethanol từ cây sắn, chưa quan tâm nhiều đến các nguồn sinh khối khác và chất phế thải nông nghiệp, cũng như thiếu chính sách hỗ trợ cho các loại cây có tiềm năng sản xuất nhiên liệu sinh học, như cây đậu phọng, mè, dừa, cây dầu mè (Jatropha curcas, L.), cỏ ngọt (Stevia rebaudiana) (Hình 5), lúa miến ngọt (cho vùng khô hạn), cỏ voi (Pennisetum purpurrerum), tảo và vi tảo.  Cần nghiên cứu các loại cây hoặc cỏ dùng sản xuất nhiên liệu sinh học có khả năng chịu đựng môi trường khắc nghiệt như khô hạn, ít nước, ít phân… để giảm giá thành. Cây cỏ voi dòng King grass ở Việt Nam hiện nay đòi hỏi đất tốt và nhiều phân bón để cho năng suất sinh khối cao.     


 



Hình 5: Cây dầu mè và cỏ ngọt,
 

Ngoài ra, trong những  năm  gần  đây, sản  lượng    tra, cá basa  làm nguyên liệu chế biến thực phẩm xuất khẩu của Đồng bằng sông Cửu Long đạt đến trên 250.000 tấn mỗi năm, trong đó lượng mỡ cá khoảng 30.000 tấn. Hầu hết mỡ cá vẫn được dùng trong ngành nuôi gia súc với giá thấp. Cho nên, Công ty xuất khẩu cá da trơn Agifish đã xây dựng dự án nhà máy sản xuất Diesel sinh học 10 triệu lít nhiên liệu/ năm, bằng cách trộn mỡ cá da trơn với Diesel để chạy động cơ như máy bơm nước, máy phát điện… Cần có chính sách tích cực hỗ trợ ngành này. 

Một nhà máy điện sinh khối khác sẽ được xây dựng tại tỉnh Bạc Liêu, sử dụng viên nén gỗ làm nhiên liệu chính nhưng đảm bảo không ô nhiễm môi trường, có công suất thiết kế 30MW/giờ. VN còn có một số dự án khác còn nằm trên bàn giấy. 

Hiện nay, có lẽ cần quan tâm hơn Khu liên hợp xử lý chất thải rắn Đa Phước ở TP. HCM đã được hoàn thành và hiện đang hoạt động với công suất 3.000 tấn rác/ngày dưới công suất thiết kế 10.000 tấn rác/ngày. Thành Phố có thể khuyến khích Khu liên hợp này mở rộng hoạt động xử lý chất thải và sinh khối nông nghiệp của vùng lân cận để vừa giúp nhà máy có đủ nguồn nguyên liệu hoạt động đạt công suất tối đa vừa tạo cơ hội cho nông dân tăng thêm lợi tức. Dự án Khu công nghệ Môi trường xanh Long An, một khu xử lý rác hiện đại nhứt trong tương lai sẽ sớm được khởi động cho Vùng kinh tế trọng điểm phía Nam (8 tỉnh và thành phố: TP HCM, Đồng Nai, Bình Dương, Bình Phước, Bà Rịa - Vũng Tàu, Tây Ninh, Long An và Tiền Giang), ngoài nhiệm vụ chính, có thể chế biến các sinh khối và chất thải nông nghiệp và các phế thải khác thành nhiên liệu lỏng và nhiên liệu hơi đốt, và tạo khí methane sản xuất điện năng an toàn và hợp vệ sinh theo công nghệ hiện đại Mỹ, có thể cung ứng năng lượng điện cho quốc gia và bảo vệ môi trường (20). Cho nên, với khuynh hướng đó các chương trình/ dự án sử dụng sinh khối và chất phế thải nông nghiệp để tạo năng lượng sinh học trong nước có thể thực hiện hiệu quả hơn nếu tích cực hợp tác với các khu xử lý rác, chất phế thải ở các vùng kinh tế trọng điểm khác của đất nước. 

Tóm lại, trong thời gian qua, ngành nhiên liệu sinh học đã được phát triển khá mạnh trên thế giới do nhu cầu của loại năng lượng sạch thay thế phần nào nhiên liệu dựa vào dầu mỏ, than đá để giảm bớt ô nhiễm môi trường dù gặp phải thăng trầm không ít. Nhiều quốc gia như Brazil, Hoa Kỳ, Liên Âu và một số nước Á Châu đã sử dụng đại trà ethanol trong pha trộn xăng dầu để sản xuất nhiên liệu xanh. Trong khi Việt Nam cũng bắt đầu khai thác loại nhiên liệu này từ đầu thập niên 2000 nhưng còn tình trạng sơ khai, tự phát, đang gặp phải một số khó khăn, thách thức mà lớn nhứt là diện kinh tế, chính sách hỗ trợ, quy hoạch và quản lý chưa hữu hiệu. Tiềm năng khai thác năng lượng tái tạo của VN rất đa dạng, hiện nay chú trọng đặc biệt đến thủy điện, gió, mặt trời, sinh khối và khí sinh học. Để thành công trong khai thác và sử dụng loại năng lượng sạch này, VN cần chủ động bước đột phá với chính sách phát triển năng động và hấp dẫn, nhằm khuyến khích xây dựng các dự án phát triển nông nghiệp có chu kỳ khép kín ở nông thôn để vừa đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, giảm bớt ảnh hưởng môi trường vừa cải tiến nền nông nghiệp trong nước, góp phần giải quyết nghèo khó lâu dài ở nông thôn. 

Ở VN, muốn phát triển ngành nhiên liệu sinh học tầng mức cao hơn, nhà nước cần tích cực thực hiện phối hợp hài hòa giữa quản lý và các doanh nghiệp hoạt động trong lãnh vực nhiên liệu sinh học từ cung cấp nguồn nguyên liệu thô đến biến chế nhiên liệu, hệ thống phân phối và chánh sách khuyến khích giới sử dụng. 


Tài liệu tham khảo: 

1.      Steve Hargreaves  @hargreavesCNN. 2013. China trounces U.S. in green energy investments.

2.      Jose Pagliery  @Jose_Pagliery. 2012. Why green energy startups are now 'toxic'.

3.      Tôn Thất Trình. 2010. Tiến bộ công nghệ sinh học ở ngành lâm: Cứu vãn địa cầu bằng trồng cây siêu gỗ, siêu mộc trong nhà máy, săn sóc bằng robot, tái lập rừng mưa. Trong Tuyển tập: Vài suy nghĩ về Phát triển nông nghiệp Việt Nam trong thế kỷ 21, ed. Trần Văn Đạt, NXB Nông Nghiệp TP/HCM, trang 329-332.

4.      Wikipedia.org.

5.      Hartman, A., 2006. A promising oil alternative: Algae energy. Washington Post

6.      Khoahoc.com.vn. 2012. Bước tiến mới trong phát triển năng lượng sinh học.

7.      Minh Quang. 2008. Sản xuất năng lượng sinh học có làm cạn kiệt nguồn lương thực?

8.      Renwable energy-World.com. 2014.

9.      Petro Times. 2014. Chính sách năng lượng tái tạo: Nên đầu tư trọng điểm. Năng lượng mới, số 303.

10.   Richard Hamilton, Richard B.Flavell và Robert B.Goldberg. 2005. Công nghệ sinh học cây trồng: Những tiến bộ trong thực phẩm. Tạp chí điện tử của Bộ Ngoại Giao Hoa Kỳ, tháng 10-2005. US Embassy.

11.  Davidson, S. 2008. Sustainable bioenergy: Genomics and biofuels development. Nature Education 1(1):175.

12.  © 2008 Nature Publishing Group Rubin, E. Genomics of cellulosic biofuels.

13.  Nature 454, 841 (2008).

14.  Lao Động. 2014. Cà Mau: Sẽ có nhà máy điện 30MW sử dụng gỗ viên. Báo Lao Động điện tử ngày 11-4-2014.

15.   Trần Văn Đạt. 2010. Nguồn năng lượng sinh học và cơ hội phát triển nông thôn. Trong Tuyển tập: Vài suy nghĩ về Phát triển nông nghiệp Việt Nam trong thế kỷ 21, ed. Trần Văn Đạt, NXB Nông Nghiệp TP/HCM, trang 81-100.

16.  Báo Mới. 2014. Trung Quốc: Ô nhiễm nặng nhất và đầu tư vào năng lượng sạch nhiều nhất).

17.  SGGP. 2014. 6 nhà máy xăng sinh học E5 đang sản xuât cầm chừng. SGGP online

18.  Hoàng Thị Thu Hường. 2014. Thực trạng năng lượng tái tạo Việt Nam và hướng phát triển bền vững (Kỳ 1). Diễn đàn Năng lượng Việt Nam

19.  DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory. 1913. New advance in biofuel production

20.  Linghong Zhang, Chunbao (Charles) Xu and Pascale Champagne. 2010. Overview of recent advances in thermo-chemical conversion of biomass. In Energy Conversion and Management, Volume 51, Issue 5, May 2010, Pages 969–982,

21.  Thu Hiền. 2014. Xúc tiến dự án khu công nghệ môi trường xanh hơn 700 triệu USD tại Long An. Trong Diễn đàn doanh nghiệp .