Năng lượng sinh khối [kỳ 1]: Bản chất khoa học, chu kỳ, sản lượng sinh khối

KỲ 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SINH KHỐI (BẢN CHẤT KHOA HỌC, CHU KỲ/VÒNG ĐỜI, SẢN LƯỢNG SINH KHỐI)

Bản chất khoa học và thành phần hóa học của sinh khối:

Về bản chất khoa học, sinh khối (biomass) như một dẫn xuất hóa học của năng lượng mặt trời, là một trong những nguồn tài nguyên phổ biến và linh hoạt nhất trên trái đất.

Theo đó, sinh khối là bất kỳ một chất hữu cơ nào (gỗ, cây trồng, rong biển, chất thải động vật) đáp ứng các điều kiện:

1/ Có chứa/tồn tại trong hệ sinh thái hay trong các thành phần của hệ sinh thái mà không phụ thuộc vào việc chúng được hình thành và tích lũy từ bao giờ.

2/ Có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng (NL).

Như vậy, theo định nghĩa trên, thì:

- Biomass là những vật liệu sinh học, bao gồm cả các chất thải của thực vật và động vật.

- Con người đã biết sử dụng biomass từ lâu hơn so với bất kỳ nguồn NL nào khác.

- Than bùn cũng được coi là biomass (vì chúng chưa hóa thạch như than đá và vẫn tồn tại trong một thành phần của hệ sinh thái và, vì lý do này, trong nhiều tài liệu, các viên nén từ than bùn vẫn được coi là viên nén sinh khối).

Nhờ vậy, sinh khối cho phép con người có được không chỉ thực phẩm mà còn cả năng lượng, vật liệu xây dựng, giấy, vải, dược liệu, hóa chất v.v... Sinh khối đã được sử dụng cho mục đích năng lượng kể từ khi con người khám phá ra lửa. Ngày nay, nhiên liệu sinh khối có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, từ sưởi ấm nhà cửa đến tạo ra điện và nhiên liệu cho ô tô.

Thành phần hóa học của sinh khối có thể khác nhau tùy thuộc vào chủng loại của nó. Thông thường, thực vật bao gồm:

- 25% lignin - là một loại polyme hữu cơ phức hợp tạo thành vật liệu cấu trúc chính trong các mô nâng đỡ của hầu hết các loại cây. Lignin đặc biệt quan trọng trong việc hình thành thành tế bào, đặc biệt là trong gỗ và vỏ cây, vì chúng tạo độ cứng và không dễ mục nát. Về mặt hóa học, lignin là các polyme được tạo ra bởi các tiền chất phenol liên kết chéo.

- 75% carbohydrate, hoặc sacarit (có công thức chung là Cn(H2O)m).

Phần hydrocacbon bao gồm nhiều phân tử sacarit liên kết với nhau thành chuỗi polyme dài. Cellulose là một trong những loại hydrocarbon quan trọng nhất. Phần lignin bao gồm các phân tử thuộc loại không phải sacarit. Thiên nhiên sử dụng các phân tử cellulose cao phân tử dài để tạo thành các mô giúp thực vật khỏe mạnh. Có thể ví, lignin là “chất keo” kết dính các phân tử cellulose lại với nhau.

Về mặt khoa học, với tư cách là nguồn NL, khi được đốt như một nguồn nhiên liệu, biomass cũng gây ô nhiễm môi trường xung quanh, nhưng ít hơn so với các nguồn NL hóa thạch khác. Đặc biệt, đã từ lâu, người ta ghi nhận việc đốt sinh khối không phải là nguyên nhân gây ra các trận mưa xít, vì lượng lưu huỳnh phát thải từ đốt sinh khối nhỏ hơn rất nhiều so với đốt nhiên liệu hóa thạch.

Ngoài ra, việc trồng cây để làm nhiên liệu sinh khối còn góp phần làm giảm chất thải khí nhà kính CO2 vì chúng hấp thụ CO2 và thải ra O2.

Sản lượng và năng suất của sinh khối:

Sản lượng (hay năng suất tăng trưởng) của sinh khối trong hệ sinh thái, một giá trị đặc trưng cho sự gia tăng về lượng của chất hữu cơ được hình thành trong một thời gian nhất định bởi các sinh vật tự dưỡng. Ví dụ, cây xanh, hoặc vi khuẩn lam từ các thành phần vô cơ đơn giản. Do nguồn carbon cho các sinh vật tự dưỡng, theo quy luật, là CO2 (carbon dioxide), sản lượng sơ cấp hiện nay thường được ước tính bằng lượng carbon bị hấp thụ trong một thời gian nhất định bởi thảm thực vật trên cạn, hoặc thực vật phù du (hồ) đại dương trên một đơn vị diện tích. Trong trường hợp thực vật phù du, được đặc trưng bởi tốc độ hình thành chất hữu cơ cao trên một đơn vị sinh khối, sản lượng sơ cấp được ước tính trong thời gian ngắn, thường là trong một ngày.

Nếu chúng ta đang nói về thảm thực vật trên cạn, trong đó tốc độ hình thành chất hữu cơ trên một đơn vị sinh khối thấp hơn đáng kể, thì sản lượng sơ cấp được ước tính theo năm, hoặc theo mùa (vụ) sinh trưởng.

Hình 1: Bản đồ phân bố năng suất ròng của sinh khối trên toàn cầu. Nguồn: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Seawifs_global_biosphere.jpg; http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/SeaWiFS/BACKGROUND/Gallery/index.html và từ:Image:Seawifs global biosphere.jpg

Bản đồ phân phối năng suất sơ cấp ròng trên toàn cầu nêu trên được lập theo dữ liệu trung bình cho khoảng thời gian từ tháng 9 năm 1997 đến tháng 8 năm 2000 (được cung cấp bởi Dự án SeaWiFS, Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard và ORBIMAGE ). Đối với đại dương (tỷ lệ ở phía dưới bên trái) và các ước tính được đưa ra cho hàm lượng chất diệp lục trong nước bề mặt (mg/m3). Đối với đất liền (tỷ lệ ở dưới cùng bên phải), một giá trị tương đối được sử dụng - một chỉ số cho thấy mức độ phát triển của thảm thực vật.

Bản đồ trên cho thấy rõ:

- Trên đại dương, các khu vực trung tâm rất nghèo thực vật phù du, trong khi các khu vực có vĩ độ cao lại có năng suất cao hơn.

- Trên đất liền, các hệ sinh thái rừng nhiệt đới (trong đó có Việt Nam) có năng suất cao nhất.

Năng suất cỉa sinh khối (kcal/m2/năm) trên các vùng đất khác nhau được tổng hợp như sau:

Hình 2: Năng suất của sinh khối trên các vùng đất khác nhau.

Tổng năng suất sinh khối (Ecal/năm) trên các vùng khác nhau của thế giới được tổng hợp như sau:

Hình 3: Năng suất sinh học trên các vùng khác nhau của thế giới. Nguồn: https://www.grandars.ru/shkola/geografiya/produktivnost-ekosistem.html

Để so sánh:

- 1 Ecal (exacalorie) = 1 triệu tỷ kcal.

- Toàn nhân loại hiện đang sử dụng 50÷100 Ecal/năm.

- Sản lượng điện thế giới tương đương với khoảng 10 Ecal/năm.

Năng suất của hệ sinh thái:

Năng suất của một hệ sinh thái (là khả năng các cơ thể sống sản sinh ra chất hữu cơ) được chia ra thành năng suất sơ cấp (gồm năng suất gộp, năng suất thuần), và năng suất thứ cấp.

Năng suất sơ cấp - chất hữu cơ so sinh khối tạo ra trong quá trình quang hợp và tổng hợp hóa học. Đơn vị đo của năng suất cây trồng tính theo trạng thái tươi, hoặc khô là g, kg, tấn và tính theo đơn vị năng lượng là kcal, hoặc J.

Năng suất sơ cấp gộp - tổng khối lượng sản phẩm của quang hợp, được tính bằng đơn vị g/m2/năm.

Năng suất sơ cấp thuần - bằng năng suất gộp trừ đi năng lượng hô hấp của cây, và cũng được đo bằng g/m2/năm. Ở các vùng khí hậu ôn đới và nhiệt đới, chi phí cho hô hấp của cây trồng chiếm 40÷70%. Và phần lớn các cây nông nghiệp có chi phí cho hô hấp khoảng 40%.

Năng suất thứ cấp - sinh khối và năng lượng, cũng như các chất bay hơi sinh học do tất cả các khách hàng sản sinh ra trên một đơn vị diện tích trong 1 năm, g/m2/năm.

Reimers N.F đã đưa ra 3 qui luật có liên quan đến năng suất của hệ sinh thái như sau:

Thứ nhất: Quy luật về tăng khả năng sinh sản: Các thủ thuật và các phương pháp quản lý tiên tiến trong nông nghiệp đang ảnh hưởng đến thực tế canh tác sẽ dẫn đến tăng năng suất cây trồng.

Thứ hai: Quy luật về giảm hiệu suất năng lượng trong quản lý thiên nhiên: Chi phí năng lượng tính trên một đơn vị sản phẩm thu được từ thiên nhiên và chi phí năng lượng tính trên một đầu người đang tăng lên.

Hình 4: Tổng tiêu hao năng lượng tính trên đầu người qua các thời kỳ.

Thứ ba: Quy luật giảm cường độ thiên nhiên trong thành phẩm: Tỷ trọng của hàm lượng thiên nhiên trong một đơn vị của sản phẩm xã hội bình quân đang không ngừng giảm từ trước đến nay.

Vòng đời/chu kỳ của sinh khối:

Carbon dioxide từ khí quyển và nước từ đất tham gia vào quá trình quang hợp để tạo ra carbohydrate (sacarit), tạo thành "gạch xây" của sinh khối. Do đó, năng lượng mặt trời được sử dụng trong quang hợp được lưu trữ ở dạng hóa học trong cấu trúc sinh khối. Nếu chúng ta đốt cháy sinh khối một cách hiệu quả (thu hồi năng lượng hóa học), thì oxy từ khí quyển và carbon trong thực vật sẽ phản ứng để tạo thành carbon dioxide và nước. Quá trình này diễn ra theo chu kỳ vì carbon dioxide có thể tái tham gia vào quá trình sản xuất sinh khối mới.

Hình 5: Chu kỳ của sinh khối.

Ngoài giá trị thẩm mỹ như hệ thực vật trên cạn, sinh khối còn là một nguồn tài nguyên hữu ích và quan trọng đối với con người. Trong nhiều thiên niên kỷ, con người đã khai thác năng lượng của mặt trời, được lưu trữ dưới dạng năng lượng liên kết hóa học, bằng cách đốt cháy sinh khối để làm nhiên liệu, hoặc ăn nó bằng cách sử dụng năng lượng của đường và tinh bột.

Trong vài thế kỷ qua, nhân loại đã học cách khai thác sinh khối hóa thạch, đặc biệt là ở dạng than đá. Nhiên liệu hóa thạch là kết quả của quá trình biến đổi hóa học rất chậm của polysacarit thành các hợp chất hóa học tương tự như phần lignin. Kết quả là, thành phần hóa học của than cung cấp một nguồn năng lượng có mật độ cao hơn. Tất cả các loại nhiên liệu hóa thạch mà nhân loại tiêu thụ - than đá, dầu mỏ, khí đốt tự nhiên đều là sinh khối cổ xưa. Trải qua hàng triệu năm trên trái đất, phần còn lại của thực vật biến thành nhiên liệu. Mặc dù thực tế là nhiên liệu hóa thạch bao gồm các thành phần giống nhau - hydro và carbon - như sinh khối "tươi", nhưng chúng không thể được coi là nguồn NL tái tạo, vì quá trình hình thành của chúng mất nhiều thời gian (vài trăm triệu năm).

Một sự khác biệt quan trọng khác giữa sinh khối và nhiên liệu hóa thạch là tác động môi trường của chúng. Khi sinh khối phân hủy, hóa chất được giải phóng vào khí quyển. Ngược lại, nhiên liệu hóa thạch bị "nhốt" sâu dưới lòng đất và không ảnh hưởng đến bầu khí quyển cho đến khi chúng được đốt cháy.

Gỗ/củi là ví dụ nổi tiếng nhất về sinh khối. Trong quá trình đốt cháy, năng lượng mà cây đã hấp thụ bằng cách hấp thụ các tia nắng mặt trời được giải phóng. Ngoài gỗ, các loại sinh khối khác cũng có thể được sử dụng như:

- Chất thải nông nghiệp (ví dụ bã mía, thân cây ngô, rơm rạ và trấu, vỏ hạt, phân từ các trang trại chăn nuôi gia súc và gia cầm).

- Chất thải lâm nghiệp (ví dụ như mùn cưa, tàn dư khai thác gỗ, dăm gỗ).

- Chất thải công nghiệp (ví dụ công nghiệp giấy).

- Chất thải sinh hoạt.

- Các loại cây phát triển nhanh (như cây dương, hoặc cây liễu và các loại cỏ như cỏ kê, hoặc cỏ voi...).

Sinh khối được coi là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng của tương lai. Ngày nay, nó cung cấp 14% mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp. Đối với 3/4 dân số sống ở các nước đang phát triển, sinh khối là nguồn năng lượng quan trọng nhất. Tăng dân số và tăng tiêu thụ năng lượng trên đầu người, cũng như cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ dẫn đến nhu cầu về sinh khối tăng nhanh ở các nước đang phát triển. Tính trung bình, sinh khối cung cấp khoảng 38% năng lượng sơ cấp ở các nước đang phát triển (ở một số nước lên tới 90%).

Rất có thể, sinh khối sẽ vẫn là nguồn năng lượng toàn cầu quan trọng ở các nước đang phát triển trong suốt thế kỷ 21.

Đón đọc kỳ tới...

PHAN NGÔ TỐNG HƯNG - PHÓ CHỦ TỊCH VEA

NGUYÊN THÀNH SƠN - CHUYÊN GIA TƯ VẤN NĂNG LƯỢNG