Biomass là gì? Các công bố nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và tổng quan về Biomass

Biomass (sinh khối) là thuật ngữ chỉ bất kỳ vật chất hữu cơ nào có nguồn gốc sinh học, bao gồm thực vật, vi sinh vật, động vật và các sản phẩm phụ của chúng. Trong lĩnh vực năng lượng và môi trường, sinh khối chủ yếu được hiểu là vật liệu tái tạo có thể sử dụng trực tiếp hoặc chuyển hóa để tạo ra năng lượng hoặc sản phẩm sinh học. Đây là nguồn năng lượng lâu dài, không cạn kiệt và góp phần giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Sinh khối có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như gỗ, tàn dư nông nghiệp, phân động vật, rác thải hữu cơ và sinh khối vi sinh vật (như tảo). Tùy vào dạng cụ thể, sinh khối có thể được đốt trực tiếp để sinh nhiệt, hoặc trải qua quá trình xử lý sinh học, nhiệt hoặc hóa học để tạo ra nhiên liệu sinh học như bioethanol, biodiesel, khí sinh học (biogas) hoặc nhiên liệu tổng hợp.

Sinh khối là nền tảng cho nền kinh tế sinh học và đóng vai trò trọng yếu trong chuyển dịch năng lượng toàn cầu sang hướng bền vững hơn. Theo IEA Bioenergy, sinh khối chiếm hơn 10% tổng tiêu thụ năng lượng thế giới, đặc biệt phổ biến ở các quốc gia đang phát triển, nơi sinh khối như củi, rơm rạ được sử dụng làm nhiên liệu nấu ăn và sưởi ấm.

Phân loại sinh khối

Sinh khối được phân chia thành nhiều loại dựa trên nguồn gốc, đặc tính vật lý và khả năng chuyển hóa năng lượng. Các phân loại chính bao gồm:

• Sinh khối gỗ: Bao gồm gỗ cây, cành nhánh, mùn cưa, vỏ cây, gỗ vụn từ khai thác hoặc chế biến gỗ.
• Sinh khối nông nghiệp: Là phế phụ phẩm từ sản xuất nông nghiệp như rơm rạ, bã mía, trấu, lõi ngô, vỏ hạt điều.
• Chất thải hữu cơ: Bao gồm rác thải thực phẩm, phân gia súc, bùn thải từ nhà máy xử lý nước thải.
• Sinh khối thủy sinh: Chủ yếu là tảo và rong biển, có tốc độ sinh trưởng nhanh và tiềm năng sản sinh nhiên liệu sinh học thế hệ mới.

Mỗi loại sinh khối có đặc tính khác nhau về hàm lượng ẩm, tỷ lệ chất xơ, tro và năng suất năng lượng, ảnh hưởng trực tiếp đến lựa chọn công nghệ chuyển hóa và hiệu quả sử dụng. Ví dụ, sinh khối gỗ có hàm lượng lignin cao, phù hợp cho đốt nhiệt hoặc nhiệt phân; trong khi sinh khối giàu carbohydrate như rơm lúa thích hợp cho lên men sinh học.

Dưới đây là bảng phân loại nhanh một số loại sinh khối tiêu biểu:

Loại sinh khối	Nguồn gốc	Ứng dụng chính
Gỗ, củi	Rừng trồng, khai thác lâm nghiệp	Đốt trực tiếp, nhiệt phân, khí hóa
Bã mía	Công nghiệp mía đường	Đốt đồng phát điện, làm viên nén
Phân động vật	Chăn nuôi	Sản xuất biogas qua phân hủy kỵ khí
Tảo vi sinh	Sinh khối nuôi cấy trong bể	Chiết xuất dầu sinh học, tạo bioethanol

Thành phần hóa học của Biomass

Về mặt hóa học, sinh khối được cấu thành chủ yếu từ các đại phân tử hữu cơ gồm cellulose, hemicellulose và lignin. Đây là các thành phần cấu trúc chính của tế bào thực vật, đặc biệt là thành tế bào. Tùy thuộc vào nguồn sinh khối, tỷ lệ giữa các thành phần này có thể dao động, ảnh hưởng đến khả năng phân hủy và giá trị năng lượng.

• Cellulose: Là chuỗi polysaccharide mạch thẳng, có thể chiếm đến 40–50% khối lượng khô của sinh khối thực vật, dễ bị thủy phân thành glucose trong điều kiện axit hoặc enzyme.
• Hemicellulose: Cấu trúc polymer phân nhánh, dễ phân hủy hơn cellulose, chiếm khoảng 20–30% sinh khối.
• Lignin: Polyme phức tạp không carbohydrate, cấu trúc thơm, không dễ phân hủy sinh học, nhưng có giá trị năng lượng cao và tạo than sinh học khi nhiệt phân.

Bên cạnh đó, sinh khối còn chứa thành phần phụ như protein, lipid, tro khoáng và nước. Các yếu tố này ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý và yêu cầu tiền xử lý. Độ ẩm cao sẽ làm giảm hiệu quả nhiệt trị trong quá trình đốt, trong khi hàm lượng tro cao có thể gây đóng cặn trong buồng đốt.

Công thức biểu diễn thành phần hóa học tổng quát của sinh khối lignocellulosic có thể viết như sau: $\text{Biomass} = \text{Cellulose} + \text{Hemicellulose} + \text{Lignin} + \text{Extractives} + \text{Ash}$

Các công nghệ chuyển hóa sinh khối

Sinh khối có thể được chuyển hóa thành năng lượng hoặc vật liệu giá trị cao thông qua ba hướng công nghệ chính: chuyển hóa nhiệt, sinh học và hóa học. Mỗi công nghệ có yêu cầu đầu vào riêng biệt và sản phẩm đầu ra khác nhau.

• Chuyển hóa nhiệt: Gồm đốt trực tiếp (combustion), nhiệt phân (pyrolysis) và khí hóa (gasification). Đốt trực tiếp tạo nhiệt và điện; nhiệt phân sản xuất bio-oil, biochar; khí hóa tạo syngas (hỗn hợp CO, H₂).
• Chuyển hóa sinh học: Sử dụng vi sinh vật để phân hủy sinh khối thành khí sinh học (CH₄, CO₂) hoặc cồn sinh học (ethanol, butanol) qua quá trình lên men.
• Chuyển hóa hóa học: Chủ yếu là quá trình transester hóa để tạo biodiesel từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Cần xúc tác kiềm hoặc axit để phản ứng xảy ra hiệu quả.

Việc lựa chọn công nghệ phụ thuộc vào loại nguyên liệu, mục tiêu sản phẩm và điều kiện kỹ thuật tại địa phương. Ví dụ, rơm rạ hoặc phân động vật thường phù hợp với lên men kỵ khí để tạo khí sinh học, trong khi gỗ và phế phẩm lâm nghiệp thường được khí hóa hoặc đốt trực tiếp. Chi tiết các công nghệ có thể tham khảo từ U.S. Department of Energy.

Hiệu suất và năng suất năng lượng

Hiệu suất chuyển hóa năng lượng từ sinh khối phụ thuộc vào loại nguyên liệu, công nghệ áp dụng và điều kiện vận hành. Mỗi quá trình chuyển hóa (nhiệt, sinh học, hóa học) có hiệu quả khác nhau, do sự khác biệt trong thành phần cấu tạo và đặc tính nhiệt của từng loại sinh khối. Ví dụ, sinh khối có độ ẩm cao sẽ làm giảm hiệu suất đốt do năng lượng bị tiêu hao vào việc bốc hơi nước.

Các chỉ số năng lượng quan trọng gồm:

• Giá trị nhiệt (calorific value): Mức năng lượng sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg vật liệu khô, thường đo bằng đơn vị MJ/kg.
• Hiệu suất năng lượng (energy conversion efficiency): Tỷ lệ phần trăm năng lượng hữu ích thu được so với tổng năng lượng đầu vào.

Dưới đây là bảng so sánh năng suất năng lượng của một số loại sinh khối tiêu biểu:

Loại sinh khối	Giá trị nhiệt (MJ/kg)	Công nghệ chuyển hóa	Hiệu suất trung bình (%)
Gỗ khô	15–20	Đốt, khí hóa	20–35
Bã mía	7–10	Đốt đồng phát	25–30
Khí sinh học	20–25 (methane)	Phân hủy kỵ khí	30–40
Tảo	16–23	Chiết xuất dầu + nhiệt phân	20–45

Ứng dụng thực tế của Biomass

Sinh khối được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như năng lượng, nông nghiệp, công nghiệp và môi trường. Trong lĩnh vực năng lượng, sinh khối được dùng để sản xuất điện, nhiệt, nhiên liệu rắn (viên nén gỗ), nhiên liệu lỏng (ethanol, biodiesel) và khí (biogas). Ở quy mô công nghiệp, công nghệ đồng phát điện (cogeneration) sử dụng bã mía hoặc trấu đang được triển khai tại nhiều nhà máy mía đường và chế biến lương thực.

Một số ứng dụng nổi bật:

• Nhiên liệu sinh học: Bioethanol từ ngô hoặc mía dùng thay thế xăng; biodiesel từ dầu thực vật thay thế dầu diesel.
• Sản xuất điện: Các nhà máy nhiệt điện sinh khối đốt gỗ viên hoặc bã mía để phát điện, thường kết hợp tận dụng nhiệt cho sưởi ấm.
• Biogas: Các trang trại chăn nuôi, nhà máy xử lý rác hữu cơ dùng hệ thống phân hủy kỵ khí để tạo khí methane cho nấu nướng hoặc phát điện.

Ngoài ra, sinh khối còn có vai trò trong xử lý môi trường và tuần hoàn dinh dưỡng. Ví dụ, sau khi sản xuất khí sinh học, phần bã còn lại (digestate) được sử dụng làm phân bón hữu cơ, giúp cải tạo đất và giảm phụ thuộc vào phân bón hóa học. Trong công nghiệp hóa chất, sinh khối còn được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhựa sinh học, dung môi sinh học và các dẫn xuất sinh học cao cấp khác.

Tiềm năng và thách thức

Sinh khối là nguồn năng lượng tái tạo lớn thứ hai thế giới sau thủy điện. Nguồn cung dồi dào từ nông nghiệp, lâm nghiệp và chất thải đô thị tạo điều kiện thuận lợi để khai thác, đặc biệt ở các quốc gia đang phát triển có sản lượng nông nghiệp lớn. Tuy nhiên, khai thác hiệu quả nguồn lực này không đơn giản và đối mặt nhiều thách thức kỹ thuật – kinh tế – xã hội.

Các thách thức chủ yếu gồm:

• Chi phí thu gom và logistics: Sinh khối thường phân bố rải rác, khối lượng lớn nhưng mật độ năng lượng thấp, gây khó khăn trong thu gom và vận chuyển.
• Cạnh tranh tài nguyên: Việc sử dụng cây trồng làm nguyên liệu năng lượng có thể cạnh tranh với sản xuất thực phẩm, gây lo ngại về an ninh lương thực.
• Cần đầu tư công nghệ: Một số công nghệ chuyển hóa hiện vẫn đắt đỏ và đòi hỏi hệ thống xử lý phức tạp.
• Vấn đề môi trường: Việc khai thác sinh khối không bền vững có thể dẫn đến suy thoái đất, mất đa dạng sinh học.

Để khai thác tiềm năng bền vững, cần phát triển chuỗi giá trị sinh khối hiệu quả, hỗ trợ nông dân và doanh nghiệp địa phương tiếp cận công nghệ hiện đại, cũng như xây dựng cơ chế hỗ trợ từ chính sách công và tài chính xanh.

Đóng góp của Biomass vào giảm phát thải carbon

Sinh khối được đánh giá là trung tính carbon (carbon neutral) vì lượng $CO_2$ sinh ra khi đốt được bù đắp bởi lượng $CO_2$ hấp thụ trong quá trình sinh trưởng của cây trồng. Điều này làm cho biomass trở thành lựa chọn quan trọng trong chiến lược giảm phát thải khí nhà kính và chống biến đổi khí hậu.

Một số ứng dụng sinh khối giúp giảm phát thải hiệu quả:

• Sử dụng biogas thay thế khí hóa thạch trong nấu ăn và phát điện.
• Đồng đốt biomass với than trong nhà máy nhiệt điện để giảm phát thải $CO_2$.
• Sản xuất biochar từ nhiệt phân sinh khối giúp cô lập carbon lâu dài trong đất.

Theo IEA Renewables 2023, biomass hiện đóng góp gần 6% tổng sản lượng điện tái tạo toàn cầu và có thể tăng gấp đôi vào năm 2030 nếu được hỗ trợ đúng cách. Đặc biệt, mô hình tích hợp sinh khối với sản xuất nông nghiệp và xử lý chất thải mang lại hiệu quả kép cả về năng lượng lẫn môi trường.

Chính sách và xu hướng toàn cầu

Nhiều quốc gia đang triển khai các chương trình thúc đẩy phát triển năng lượng từ sinh khối thông qua chính sách thuế ưu đãi, tài trợ đầu tư, hỗ trợ nghiên cứu và quy hoạch vùng nguyên liệu. Tổ chức Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA) và Liên minh châu Âu (EU) đều đánh giá biomass là trụ cột trong hệ thống năng lượng carbon thấp.

Các xu hướng chính gồm:

1. Biorafinery: Phát triển mô hình nhà máy sinh hóa đa sản phẩm như nhiên liệu, nhựa sinh học và phân bón.
2. Kinh tế tuần hoàn: Kết hợp xử lý chất thải và tái sử dụng phụ phẩm từ sinh khối thành sản phẩm thương mại.
3. Phi carbon hóa ngành công nghiệp: Thay thế than và khí tự nhiên bằng biomass trong luyện kim và xi măng.

Để phát huy hiệu quả, sinh khối cần được gắn kết với quy hoạch phát triển nông nghiệp, công nghiệp địa phương và chiến lược năng lượng quốc gia. Nguồn lực tài chính xanh và chuyển giao công nghệ sẽ đóng vai trò thiết yếu trong quá trình hiện đại hóa ngành sinh khối toàn cầu.