Sinh khối là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa sinh khối

Sinh khối (biomass) là vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật sống hoặc vừa mới chết, đặc biệt là thực vật, vi sinh vật, chất thải sinh học từ động vật và con người. Sinh khối được sử dụng rộng rãi như một nguồn năng lượng tái tạo để sản xuất nhiệt, điện, nhiên liệu sinh học và các sản phẩm công nghiệp sinh học khác.

Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, sinh khối bao gồm các loại như gỗ, phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ, vỏ trấu), phân động vật, chất thải hữu cơ đô thị, và cây trồng năng lượng (như cỏ switchgrass, cây dương liễu). Do có khả năng tái tạo nhanh và giảm phát thải khí nhà kính khi so với nhiên liệu hóa thạch, sinh khối được xem là một thành phần cốt lõi trong hệ thống năng lượng bền vững.

Sinh khối chứa năng lượng được tích lũy qua quá trình quang hợp, nơi thực vật hấp thu năng lượng Mặt Trời và chuyển đổi thành năng lượng hóa học trong tế bào. Khi đốt hoặc phân hủy, năng lượng này được giải phóng trở lại dưới dạng nhiệt hoặc khí, hỗ trợ nhiều quá trình sản xuất công nghiệp và dân dụng.

Phân loại sinh khối

Sinh khối có thể được phân loại dựa trên nguồn gốc vật liệu, tính chất vật lý và mục đích sử dụng. Phân loại theo nguồn gốc là cách tiếp cận phổ biến nhất trong nghiên cứu và ứng dụng năng lượng sinh học.

Các nhóm sinh khối chính gồm:

• Sinh khối thực vật: gồm cây gỗ, cây trồng năng lượng, cỏ switchgrass, rong biển.
• Phế phẩm nông nghiệp: rơm rạ, bã mía, vỏ trấu, lõi ngô.
• Chất thải đô thị hữu cơ: giấy, bìa carton, rác thực phẩm, lá cây.
• Chất thải chăn nuôi: phân bò, gà, heo dùng trong sản xuất khí sinh học (biogas).
• Vi sinh vật và tảo: có khả năng sinh trưởng nhanh, tạo ra hàm lượng dầu và protein cao.

Theo IEA Bioenergy, mỗi loại sinh khối có giá trị năng lượng và khả năng xử lý khác nhau. Việc phân loại chính xác là bước đầu tiên để xác định công nghệ chuyển hóa phù hợp và đánh giá hiệu quả kinh tế – môi trường của quá trình sử dụng sinh khối.

Thành phần hóa học của sinh khối

Thành phần chính của sinh khối là các hợp chất hữu cơ có khả năng phân hủy hoặc cháy sinh nhiệt. Ba thành phần cơ bản thường được phân tích trong sinh khối gỗ và cây trồng là cellulose, hemicellulose và lignin. Tỷ lệ giữa các hợp chất này quyết định hiệu suất đốt, tiềm năng sinh khí và khả năng xử lý hóa học.

Thành phần sinh khối trung bình (trong gỗ mềm) có thể được mô tả trong bảng sau:

Ngoài ra, sinh khối còn chứa tro khoáng (canxi, kali, silica), lipid (ở tảo và vi sinh vật), protein, và các chất dễ bay hơi. Tỷ lệ nước trong sinh khối cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chuyển hóa, đặc biệt là trong quá trình đốt và nhiệt phân.

Biết rõ thành phần hóa học giúp lựa chọn công nghệ xử lý tối ưu (như lên men, nhiệt phân, khí hóa) và dự đoán sản phẩm cuối cùng (ethanol, methane, dầu sinh học...).

Tiềm năng năng lượng của sinh khối

Sinh khối là nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng to lớn để thay thế nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt tại các quốc gia có ngành nông nghiệp phát triển. Giá trị năng lượng của sinh khối phụ thuộc vào loại nguyên liệu, độ ẩm, mức tro, và tỷ lệ lignin.

Giá trị nhiệt trị điển hình (tính trên sinh khối khô):

• Gỗ cứng: 18–20 MJ/kg
• Bã mía: 15–18 MJ/kg
• Rơm lúa: 13–16 MJ/kg
• Phân gia súc khô: 12–14 MJ/kg

Công thức tính tổng năng lượng thu được từ sinh khối:

$Q = m \cdot H$

Trong đó:
Q là năng lượng sinh ra (MJ), m là khối lượng sinh khối (kg), và H là nhiệt trị (MJ/kg).

Theo IRENA, sinh khối có thể cung cấp tới 60 EJ/năm vào năm 2050, chiếm 25–30% nhu cầu năng lượng tái tạo toàn cầu nếu được khai thác hiệu quả, kết hợp với chính sách môi trường và công nghệ xử lý tiên tiến.

Các phương pháp chuyển hóa sinh khối

Sinh khối có thể được chuyển hóa thành nhiệt, điện hoặc nhiên liệu sinh học thông qua ba nhóm công nghệ chính: nhiệt, hóa học và sinh học. Mỗi phương pháp phụ thuộc vào đặc tính nguyên liệu và mục tiêu sản phẩm đầu ra. Hiệu suất và chi phí xử lý cũng thay đổi đáng kể theo công nghệ được lựa chọn.

1. Chuyển hóa nhiệt: phổ biến nhất trong thực tế, gồm các kỹ thuật sau:

• Đốt trực tiếp: đơn giản, hiệu quả thấp, chủ yếu để sưởi hoặc phát điện quy mô nhỏ.
• Nhiệt phân (pyrolysis): phân hủy sinh khối trong điều kiện yếm khí ở 400–600°C, tạo ra dầu sinh học, than sinh học (biochar) và khí dễ cháy.
• Khí hóa (gasification): xử lý ở 800–1000°C với lượng oxy hạn chế để tạo hỗn hợp khí tổng hợp (syngas), gồm CO, H₂, CH₄.

2. Chuyển hóa hóa học: được ứng dụng trong sản xuất biodiesel. Quá trình este hóa dầu thực vật hoặc mỡ động vật với methanol, dưới xúc tác kiềm, tạo ra methyl ester (biodiesel) và glycerin.

3. Chuyển hóa sinh học: tận dụng vi sinh vật và enzyme để phân hủy sinh khối thành sản phẩm năng lượng:

• Lên men (fermentation): chuyển đường từ tinh bột hoặc cellulose thành ethanol.
• Tiêu hóa kỵ khí (anaerobic digestion): phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện không oxy để tạo ra khí methane (biogas).

Ứng dụng thực tiễn của sinh khối

Sinh khối đã và đang được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp và đời sống, đóng vai trò thay thế nhiên liệu hóa thạch và giảm áp lực xử lý chất thải hữu cơ. Các ứng dụng chính bao gồm:

• Sản xuất điện: đốt sinh khối trong lò hơi để tạo hơi nước vận hành tua-bin hoặc kết hợp đồng phát (CHP) nhiệt và điện.
• Giao thông vận tải: ethanol (từ mía, ngô) dùng phối trộn với xăng; biodiesel (từ dầu thực vật) thay thế diesel truyền thống.
• Sản xuất hóa chất sinh học: như acid lactic, ethanol công nghiệp, furfural, có thể thay thế hóa dầu.
• Nông nghiệp: ủ phân compost từ phế phẩm sinh học để tạo phân hữu cơ chất lượng cao.

Tại Đức, hơn 9.000 nhà máy biogas đang hoạt động, cung cấp năng lượng cho hàng triệu hộ dân. Brazil sử dụng ethanol sinh học làm nhiên liệu cho hơn 50% ô tô cá nhân. Những ví dụ này cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn to lớn của sinh khối khi được đầu tư và quản lý đúng cách.

Lợi ích môi trường

Sử dụng sinh khối thay cho nhiên liệu hóa thạch mang lại nhiều lợi ích về môi trường. Sinh khối có chu trình carbon khép kín: khi thực vật phát triển, chúng hấp thụ CO₂ từ khí quyển và sau đó thải lại CO₂ khi bị đốt hoặc phân hủy – điều này giúp cân bằng tổng lượng khí nhà kính trong không khí.

So với than hoặc dầu mỏ, sinh khối có mức phát thải sulfur và kim loại nặng thấp hơn, giảm nguy cơ mưa axit và ô nhiễm đất. Ngoài ra, tận dụng chất thải hữu cơ làm nhiên liệu giảm áp lực lên hệ thống chôn lấp, hạn chế rò rỉ nước rỉ rác và phát sinh khí metan không kiểm soát.

Nghiên cứu từ IEA Renewables 2023 cho thấy, nếu sinh khối được khai thác bền vững, có thể giảm tới 80% lượng phát thải CO₂ so với điện sản xuất từ than đá.

Hạn chế và thách thức

Mặc dù có tiềm năng lớn, sinh khối cũng tồn tại nhiều hạn chế cần vượt qua để ứng dụng rộng rãi và bền vững. Một trong những thách thức lớn nhất là chi phí thu gom và logistics, do sinh khối phân tán, cồng kềnh và dễ phân hủy. Khối lượng lớn khiến vận chuyển và lưu trữ tốn kém nếu không xử lý trước (nén viên, sấy khô...).

Chất lượng nhiên liệu sinh khối cũng biến động do độ ẩm, loại nguyên liệu và thành phần hóa học không đồng nhất. Điều này ảnh hưởng đến hiệu suất đốt và độ ổn định trong vận hành nhà máy. Một số loại sinh khối khi đốt còn có thể phát thải khí độc như NO_x, VOC nếu không xử lý khí thải đúng chuẩn.

Việc phát triển cây năng lượng quy mô lớn mà không kiểm soát có thể dẫn đến cạnh tranh đất đai với sản xuất lương thực, suy thoái đất, mất rừng. Do đó, sinh khối cần được quản lý chặt chẽ về chuỗi cung ứng và đánh giá vòng đời môi trường (LCA).

Xu hướng phát triển và nghiên cứu

Trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng toàn cầu, sinh khối đang được nghiên cứu để nâng cao hiệu suất và mở rộng phạm vi ứng dụng. Các hướng chính bao gồm:

• Tảo sinh học: năng suất cao, không chiếm đất trồng, tạo ra biodiesel, protein và vật liệu sinh học.
• Carbon hóa nhanh (fast pyrolysis): chuyển sinh khối thành dầu sinh học giàu năng lượng, dễ lưu trữ và vận chuyển hơn gỗ thô.
• Kết hợp AI – IoT: ứng dụng cảm biến và thuật toán để theo dõi chất lượng sinh khối, tối ưu hóa vận hành và logistics.
• Hệ thống hybrid: tích hợp sinh khối với điện mặt trời hoặc địa nhiệt để tăng hiệu suất và độ ổn định lưới điện.

Các sáng kiến chính sách như Biofuture Platform đang hỗ trợ chia sẻ công nghệ, tài chính và mô hình quản lý sinh khối tại hơn 20 quốc gia thành viên, hướng tới phát triển năng lượng sinh học trên quy mô toàn cầu.

Kết luận

Sinh khối là một trong những giải pháp năng lượng tái tạo có tính thực tiễn và linh hoạt cao, góp phần giảm phát thải khí nhà kính, tận dụng tài nguyên sinh học và thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn. Tuy nhiên, để tối ưu hóa tiềm năng này, cần đầu tư vào công nghệ chuyển hóa hiện đại, xây dựng chuỗi cung ứng hiệu quả và ban hành chính sách hỗ trợ cụ thể. Với cách tiếp cận bền vững, sinh khối có thể trở thành trụ cột quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng sạch và phát triển nông nghiệp – công nghiệp xanh trong tương lai.