Năng lượng từ sinh khối nông nghiệp - Kinh nghiệm và Yếu tố quyết định thành công

Năng lượng từ sinh khối nông nghiệp - Kinh nghiệm và Yếu tố quyết định thành công Diễn đàn Đức - Việt về Năng lượng sinh học ở Việt Nam Ngày 16 tháng 09 năm 2013, Khách sạn Intercontinental Asiana Sài Gòn, thành phố Hồ Chí Minh (Việt Nam) (Mirko Barz) Chất thải nông nghiệp - Nguồn năng lượng Có thể sản xuất năng lượng sinh học từ chất thải nông nghiệp như § phế phẩm nông nghiệp: - Rơm rạ (phế phẩm ở ngoài đồng) hay - vỏ trấu (phế phẩm tại cơ sở chế biến) § Phân và chất thải gia súc § Phụ phẩm sản sinh trong quá trình xử lý các sản phẩm nông nghiệp: - bã mía trong ngành sản xuất đường - quả rỗng trong ngành sản xuất dầu cọ - chất thải trong ngành chế biến thực phẩm Đặc điểm khác biệt chính giữa các loại chất thải này là có những loại khô (như rơm rạ) Æ phù hợp để xử lý nhiệt - hóa học và có những loại ướt (như chất thải gia súc) Æ phù hợp để xử lý sinh học. Một số phế phẩm nông nghiệp phù hợp để sản xuất năng lượng Vỏ dừaPhâ i ú n g a s c Qủa rỗng Trấu Rơm Bã mía Nguồn: Phạm Quang Hà, Nguyễn Văn Bộ Chất thải nông nghiệp - Nguồn năng lượng sinh học -Hiện nay các nước trên thế giới thải ra khoảng 5,1 tỷ tấn chất thải nông nghiệp (IEA, 2010) s Con số này tương đương khoảng 75 EJ hay- 15% nhu cầu năng lượng chính của thế giới (500EJ) Picture source: Ecopanel Systems Ltd. Ước tính tùy khu vực mà 25 50% lượng chất thải nông nghiệp được sử dụng để sản- , - xuất năng lượng sinh học bền vững Vai trò của sinh khối trong nền kinh tế năng lượng tái tạo Sinh khối có thể cung cấp năng lượng đáng kể cho tương lai !!! (I) Chất thải nông, lâm nghiệp ~ 100 EJ, (II) Vật liệu dư thừa khi quản lý rừng ~ 80EJ, (III) Cây trồng năng lượng ~ 120 EJ (IV) Cây trồng năng lượng bổ sung (tại các khu vực đất suy thoái và an ninh nước trung bình) ~70 EJ (V) Các nguồn tiềm năng khác khi năng suất nông n ghiệp tăng nhanh hơn, do đó sản xuất ra nhiều thực phẩm hơn nhu cầu ~140 EJ Nguồn: Báo cáo chính “Năng lượng sinh học – nguồn năng lượng bền vững và đáng tin cậy. Đánh giá hiện trạng và triển vọng” của IEA, 2009 Chất thải nông nghiệp - Nguồn năng lượng sinh học Nguồn: www.fao.org ... Năng lượng sinh khối của các quốc gia thành viên Hiệp hội các quốc gia Đông Nam Á Chất thải nông nghiệp - Nguồn năng lượng sinh học Thuận lợi: § Mối quan hệ Thực phẩm và Nhiên liệu Æ tái chế chất thải nông nghiệp không gây ảnh hưởng đối với thực phẩm; § Không đòi hỏi bố trí thêm đất; § Có thể giảm tác động đến môi trường (giảm lượng khí thải độc hại phát sinh khi đốt và giảm tiêu thụ nhiên liệu hoá thạch do đó bớt gây hiệu ứng nhà kính) § Khi thực hiện ở các địa phương thì biện pháp này giúp: - tạo thu nhập, phát triển nông thôn Hệ thống năng lượng dựa vào cộng đồng- Nhược điểm: § Nằm rải rác Æ không phù hợp để vận chuyển nhiên liệu đường dài § Mang tính mùa vụ § Chất thải nông nghiệp còn được sử dụng vào các mục đích khác như làm thức ăn cho gia súc hoặc làm phân bón đất ấCh t thải nông nghiệp được chia làm hai loại chính có những loại khô (như rơm rạ) Æ phù hợp để chuyển đổi nhiệt - hóa học và có những loại ướt (như chất thải gia súc) Æ phù hợp để xử lý sinh học. Các dạng chuyển đổi Agricultural residues Chất thải ướt Ví d hất thảiPre-conversion logistics Harvesting / collecting – Transportation – Preparation - Storage Physico-chemical conversionBio-chemical conversionThermo-chemical conversion Chất thải khô, ví dụ: rơm rạ ụ: c gia súc Gasification PyrolysisCombustion Alcohol fermentaiton Biogas fermentation Compacting Solid / liquid / Gaseous fuels Electric energy Thermal energy Combustion Dạng chuyển đổi phổ biến nhất khi sản xuất nhiệt và điện từ chất thải nông nghiệp khô là: - A) đốt nhiệt trực tiếp rơm rạ và kết hợp với lò hơi truyền thống - B) Nhiệt phân/Khí hoá rơm rạ để tạo ra dầu nhiệt phân hoặc khí sinh học dùng trong tuốc bin chạy bằng ga, IGE hay FC’s - C) Công nghệ Khí hoá than (BIGCC - Biomass Integrated Gasification Combined Cycle) Dạng chuyển đổi phổ biến nhất khi sản xuất nhiệt và điện từ chất thải nông nghiệp ướt là: - Hệ thống biogas (bể phản ứng yếm khí kín nối với bể CSTR và UASB). Ví dụ: “Rơm – Nguồn năng lượng” Rơm là phụ phẩm của nhiều loại cây trồng như các cây ngũ cốc (mỳ Ø Rơm là một trong những chất thải nông nghiệp dồi dào nhất và phù hợp để sản xuất năng lượng , gạo, ngô), hướng dương và các loại cho hạt lấy dầu khác (nho), v.v.. Ø Ước tính mỗi năm, các nước trên thế giới thải ra khoảng 2,5 – 3 tỷ tấn rơm (khô) Nguồn ảnh: Thrän, D. (DBFZ) Ø Chỉ một lượng nhỏ trong số này được sử dụng trong các hoạt động sản xuất nông nghiệp hoặc sản xuất năng lượng Ø Lượng rơm có thể dùng để sản xuất năng lượng phụ thuộc vào điều kiện địa phương và rất khác nhau (từ 0 – 60% lượng rơm thải ra) Ví dụ: “Rơm – Nguồn năng lượng” Rơm lúa ở các quốc gia Châu ÁQuốc gia: Sản lượng gạo Tổng lượng rơm rạ thải ra (triệu tấn/năm) (triệu tấn/năm) Trung Quốc 184,1 138,1 Ấn Độ 139,1 104,4 Việt Nam 35,8 26,9 Cam-pu-chia 6,3 4,7 Lào 2 7 2 0, , Thái Lan 29,3 22,0 Myanmar 30,6 23,0 Malaysia 2,2 1,6 Indonesia 54,5 40,8 Phi-lip-pin 15,3 11,5 Các quốc gia Đông Nam Á 176,6 132,4 Tổng 499,8 374,9 Ví dụ: “Rơm – Nguồn năng lượng” Sinh khối có thể sản xuất ra nhiều loại năng lượng khác nhau như nhiệt, điện, xăng dầu vận tải Năng lượng hoá học tích luỹ Đốt trực tiếpSinh khối rơm rạ Nhiệt Chuyển đổi NhiệtLiên kết Nhiệt – Năng lượng thành nhiên liệu lỏng (khí hóa) Điện Năng lượng hoá học tích luỹ Động cơ đốt (trong xe ô tô) Cơ năng, động năng Ví dụ: “Rơm – Nguồn năng lượng” Thuận lợi của công nghệ đốt trực tiếp rơm rạ: - Nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu rắn có hiệu quả cao - Công nghệ đã được chứng minh và đang phát triển nhanh hóc ng - Hệ thống đốt rơm rạ đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới từ hơn 20 năm qua (ví dụ như ở Đan Mạch) - Công nghệ này cũng có thể được cung cấp cho Việt Nam! Ví dụ: “Rơm – Nguồn năng lượng” Các đơn vị bán công nghệ của Đức như ERK đang chào bán nồi hơi à hệ thố đốt ó hất l hà đầ th h đồ bả ềv ng c c ượng ng u eo ợp ng n quy n Nhà máy điện sinh khối công suất 10 MW ở Banbueng (Thái Lan) . Áp dụng công nghệ nồi hơi của ERK Nghiên cứu điển hình: Xây dựng nhà máy sản xuất điện từ đốt rơm rạ, công suất 10 MW ở Thái Lan Nguồn: M K Delivand; “Đánh giá tính khả thi Hệ thống xử lý rơm lúa phục vụ sản xuất năng lượng Nhu cầu nhiên liệu của nhà máy điện công suất 10MW . . ở Thái Lan”, Luận án tốt nghiệp về Năng lượng và Môi trường, trường Công nghệ Thonburi Yêu cầu Công suất danh nghĩa của nhà máy 10 MWe Số giờ hoạt động trong năm 6000 giờ Hiệu quả chung của dự án, đánh giá theo nhiệt trị thấp 23% Nhiệt trị thấp của rơm 12.39 MJ/kg Độ ẩm 11% Nhu cầu rơm khô hàng năm (db) 75.798 tấn db /năm Nhu cầu rơm ướt hàng năm (wb) 84.135 tấn wb /năm Tỷ lệ thất thoát rơm trong quá trình vận chuyển tồn trữ 10% , Nhu cầu rơm thực tế hàng năm của nhà máy 92.549 tấn/năm Nghiên cứu điển hình: Xây dựng nhà máy sản xuất điện từ đốt rơm rạ, công suất 10 MW ở Thái Lan Nguồn: M.K. Delivand; “Đánh giá tính khả thi Hệ thống xử lý rơm lúa phục vụ sản xuất năng lượng ởThái Lan”, Luận án tốt nghiệp về Năng lượng và Môi trường trường Công nghệ Thonburi 50 60 70 80 90 0 0 T H B / k W Chi tiết chi phí đầu tư Chi phí do công ty sản xuất nồi hơi Thái chi trả , 30 40 5 10 20 Capacity MWe 1 0 0 Các hợp phần chính % tổng vốn đầu tư cơ bản 5 MWe 10 MWe 20 MWe Nồi hơi, bao gồm hệ thống cấp nhiên liệu quạt và bơm 38,17 36,39 36,18 , Tuốc bin hơi và bình ngưng 15,27 14,05 17,63 Bộ tản nhiệt 3,31 3,31 3,25 Công trình, nhà xưởng 10,69 9,92 9,28 Truyền tải điện 8,91 9,09 8,35 Xử lý khói 3,82 5,79 6,03 Thiết bị khác 19,85 21,49 19,29 Tổng 100 100 100 Nghiên cứu điển hình: Xây dựng nhà máy sản xuất điện từ đốt rơm rạ, công suất 10 MW ở Thái Lan Nguồn: M.K. Delivand; “Đánh giá tính khả thi Hệ thống xử lý rơm lúa phục vụ sản xuất năng lượng ởThái Lan”, Luận án tốt nghiệp về Năng lượng và Môi trường trường Công nghệ Thonburi Các chỉ số kinh tế của phương án đầu tư: 30% vốn chủ sở hữu, 70% vốn vay Kết quả (dựa trên mô hình DEDE Æ Phân tích kinh tế - tài chính hoạt động phát triển năng lượng tái tạo ở Thái Lan , Thông số Công suất 5 Mwe Công suất 10 MWe Công suất 20 MWe Gía trị hiện tại thuần (triệu Bath) 18 255 733 Tỷ suất hoàn vốn nội bộ (%) 9 22 31 PB (năm) 8 4 3,2 •Xét về mặt kinh tế, việc sử dụng rơm để sản xuất năng lượng rất hứa hẹn! •Tuy nhiên, vẫn có một số vấn đề cần giải quyết như: - mất nhiều công sức để thu gom và lưu giữ rơm, - chi phí đầu tư và chi phí trang thiết bị tốn kém hơn so với nhà máy sản xuất năng lượng chỉ dùng sinh khối gỗ, - Thái Lan chưa có kinh nghiệm và kiến thức kỹ thuật về công nghệ này - ........... Các trường đại học, đơn vị sản xuất và nhà đầu tư có thể giải quyết các vấn đề này khi hợp tác với nhau. Lịch sử sử dụng khí ga sinh học ở Việt Nam Giai đoạn đầu tiên (1960 – 1975) - Ở miền Bắc, Bộ Công nghiệp ban hành tài liệu biên dịch từ nước ngoài về "Cách thức sản xuất khí mêtan nhân tạo và thu hồi khí" 1964- "nhà máy sản xuất khí mêtan" đầu tiên của Việt Nam được xây dựng ở tỉnh Bắc Thái (Bộ Công nghiệp), sau đó một số nhà máy sản xuất khí biogas được xây dựng trong những năm 1965- - Trong lúc đó ở miền Nam, Cục Nông lâm và nghiên cứu vật nuôi bắt đầu nghiên cứu cách thức sản xuất khí mêtan từ phân thải động vật, tuy nhiên hoạt động này chưa được thực hiện trên thực tế. 1975 ở miền Bắc (Hà Nội, Hà Nam Ninh và Hải Hưng) Khó khăn: Sau một thời gian vận hành ngắn, nhiều nhà máy sản xuất khí biogas phải đóng cửa do quản lý yếu kém và các vấn đề kỹ thuật. Giai đoạn thứ hai (1976 1980) – - Viện Năng lượng Việt Nam bắt đầu nghiên cứu, tập trung vào thiết kế, xây dựng và thử nghiệm hầm biogas. Khó khăn: Do chưa hợp tác kỹ thuật và thiếu vốn, hệ thống này không hoạt động đúng kỹ thuật. Lịch sử sử dụng khí ga sinh học ở Việt Nam Giai đoạn thứ ba (1981 – 1990) -Cả nước có hơn 2000 hệ thống biogas quy mô gia đình, kích thước từ 3m2 - 10m2, -Công nghệ đơn giản: Hệ thống nắp nổi của Ấn Độ Hệ thống nắp cố định của Trung Quốc Hệ thống bằng nhựa giá rẻ Nguồn ảnh: GIZ History of Biogas Utilization in Vietnam Giai đoạn hiện nay (từ năm 1991 đến nay) - Công nghệ sản xuất biogas phát triển nhanh chóng ở Việt Nam (với sự hỗ trợ mạnh mẽ của Chính phủ và các tổ chức quốc tế) - Hiện nay, cả nước có khoảng 200.000 hệ thống biogas quy mô gia đình (5 - 20m2) - hệ thống đơn giản, khí ga được sử dụng để nấu ăn/ thắp sáng - Việt Nam mới chỉ có một nhà máy sản xuất biogas quy mô công nghiệp (tổng công suất 2 MW bao gồm , 4 nhà máy công suất 0,5MW), - Nhiều hệ thống quy mô trung bình (quy mô trang trại) sử dụng thiết bị hình ống dòng chảy đều được xây dựng trong những năm gần đây Nguồn ảnh: SNV - Hiện Việt Nam chưa quy định mô hình chuẩn hầm biogas quy mô trung bình, do vậy hầm biogas này được thiết kế phù hợp với điều kiện cụ thể của từng địa phương hầm dung tích 500m3 của trang trại ông Châu ở Quảng Ninh gần xây xong, tháng 10/2012 - Có thể là hầm hình vuông, hình tròn, hình trụ, v.v. bằng chất liệu bê tông, gạch, PVC hay phủ -tấm nhựa đen; mỗi loại thiết kế đều có ưu - nhược điểm, hiệu quả và nhu cầu vốn khác nhau. - Các hệ thống này đều dễ xây, hầu hết sử dụng phân thải vật nuôi làm chất nền. Hiện trạng sử dụng khí ga sinh học ở Việt Nam - Mặc dù là quốc gia nông nghiệp có nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất biogas, hiện nay Việt Nam mới chủ yếu sử dụng hai nguồn nguyên liệu sau: - phân thải vật nuôi, ví dụ phân lợn - nước thải từ các nhà máy chế biến tinh bột sắn. ố ề ể ấ- Là qu c gia nông nghiệp, Việt Nam có ti m năng lớn đ sản xu t biogas từ bã nông nghiệp hoặc cây trồng năng lượng. - Cho đến nay quốc gia này hầu như chưa khai thác tiềm năng sản xuất năng lượng từ bã nông nghiệp. thác. ố ố- Tới nay, Việt Nam mới chỉ thực hiện một s ít nghiên cứu tìm cách t i ưu hóa hoạt động sản xuất và sử dụng khí biogas quy mô trung bình và lớn, về các mặt: - hiệu quả, - thời gian và ổ- tính n định - Xét về công nghệ và quy trình (chủ yếu sử dụng hầm kín hay hệ thống dòng chảy tĩnh), hoạt động sản xuất biogas quy mô trung bình và lớn ở Việt Nam còn sơ khai, - Đức được Việt Nam đánh giá là quốc gia có công nghệ sản xuất biogas hiện đại hàng đầu thế giới. ểCâu chuyện phát tri n lĩnh vực sản xuất biogas thành công ở Thái Lan là một minh chứng về hợp tác phát triển Đức § Thái Lan biết đến công nghệ sản xuất biogas lần đầu tiên vào khoảng năm 1950 với hệ thống nắp nổi của Ấn Độ § Năm 1988, Chương trình phát triển biogas Thái - Đức, sáng kiến chung của Chính phủ Thái Lan Cơ quan hợp , tác quốc tế Đức GTZ (sau này đổi thành GIZ) và trường đại học Chiang Mai bắt đầu thực hiện nhằm thúc đẩy phát triển lĩnh vực sản xuất biogas của Thái Lan bằng cách giới thiệu các công nghệ cải tiến. (Chương trình giới thiệu công nghệ thu hồi biogas mới để giảm thiểu các quan ngại ngày càng tăng về tác động môi trường do chôn lấp rác thải lộ thiên) Ngày nay Thái Lan đã phát triển lĩnh vực sản xuất biogas và có khả năng Nghiên cứu - Phát triển tốt (ví dụ ở Viện Nghiên cứu và Phát triển năng lượng (Đại học Chiang Mai) Từ năm 2005 đến năm 2010, sản lượng điện từ biogas đã tăng từ 2 lên 214 GWh Với mục tiêu đặt ra cho năm 2022 nêu trong Dự án phát triển năng lượng nông thôn (2008), Thái Lan đã xác định mục tiêu mới về phát triển hoạt động sản xuất biogas (kế hoạch mới đặt chỉ tiêu sản xuất 600MW biogas vào năm 2021) Hỗ trợ mới cho hoạt động sản xuất biogas của Thái Lan Tháng 02/2013, Hội đồng Chính sách Năng lượng quốc gia Thái Lan mới thông qua Chương trình hỗ trợ mới "Khuyến khích các doanh nghiệp cộng đồng sản xuất xanh". Mục tiêu mới là thúc đẩy phát triển hoạt động sản xuất biogas từ cây trồng năng lượng và tăng cường phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo phân phối và dựa vào cộng đồng. § Mục tiêu chính sách: xây dựng các nhà máy sản xuất biogas mới có công suất 10.000MW trong vòng 10 năm. § Với chính sách mới này, chính phủ Thái Lan sẽ hỗ trợ các nhà máy sản xuất biogas có công suất nhỏ hơn 1MW ở mức 4,5 baht (tương đương €11,24 Cent) mỗi kWh trong vòng 20 năm. Thái Lan dự kiến sẽ thu hút thành công các nhà đầu tư vì quốc gia này đã phát triển công nghệ sản xuất biogas Liệu Việt Nam có chính sách hỗ trợ tương tự không? ểChất nền phù hợp đ sản xuất biogas (ngoài phân thải vật nuôi) ở Việt Nam § Sử dụng bã thải của lĩnh vực chế biến nông sản như: -Vỏ quả rỗng sau khi sản xuất dầu cọ, -Bã thải của nhà máy chế biến tinh bột sắn, -Vỏ cà phê, -Vỏ dứa, -Phụ phẩm từ trồng chuối, v.v. § Rác thải hữu cơ đô thị § Cơ hội sử dụng cây trồng năng lượng hoặc thảo mộc làm chất nền. Để sản xuất biogas hiệu quả từ bã thải nông nghiệp và/hoặc cây trồng năng lượng, cần áp dụng công nghệ tiên tiến với các thiết bị khuấy trộn cải tiến hoạt động ở nhiệt độ trung bình (thậm chí nhiệt độ cao). Yêu cầu công nghệ khi sử dụng cây trồng năng lượng và/hoặc bã thải nông nghiệp có hàm lượng chất rắn cao làm chất nền D hầ bi d kh ấ t ộ liê t ó thể ử lý ê liệ ó thà h hầo m ogas ạng u y r n n ục c x nguy n u c n p n chất rắn lơ lửng cao, dự kiến công nghệ này cũng có thể áp dụng ở Việt Nam để sản xuất biogas trong tương lai. Giải pháp khác để sử dụng Biogas ở Việt Nam - khí mêtan sinh học Phương pháp sử dụng biogas tiềm năng là sản xuất và bổ sung khí mêtan sinh học vào các đường ống dẫn khí đốt tự nhiên . Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là có thể sử dụng khí mêtan sinh học như nguồn năng lượng trong các hoạt động mà nó mang lại hiệu quả lớn nhất về các mặt: • Liên kết nhiệt và năng lượng khi sản xuất đồng thời cả điện và nhiệt lượng. • Sử dụng như là nhiên liệu thay thế khí đốt tự nhiên trong các thiết bị chạy bằng khí thiên nhiên (Việt Nam hiện đang bắt đầu phát triển phương tiện chạy bằng khí thiên nhiên... Gần đây thành phố Hồ Chí Minh đang chuẩn bị sản xuất 300 xe buýt sử dụng khí nén thiên nhiên để thay thế các xe chạy bằng dầu Diesel) Khí sinh học dùng cho phương tiện sử dụng khí thiên nhiên Số k ô tô ử d m xe s ụng khí mê tan sinh học sản xuất từ 1ha cây trồng năng lượng chạy được. ểCông nghệ, Kinh nghiệm và Bí quyết của Đức có th giúp Việt Nam phát triển hạ tầng cho khí mêtan sinh học Hiện trạng hoạt động sản xuất khí mêtan sinh học ở Đức - Hiện nay nước Đức có 105 nhà máy chuyển đổi khí biogas thành khí mêtan sinh học đang hoạt động. - Hầu hết các nhà máy (32 nhà máy) áp dụng phương pháp làm sạch bằng hóa chất và 31 nhà máy áp dụng phương pháp làm sạch bằng nước áp lực, - xuất phát từ nỗ lực tái tạo amin hỗ trợ quy trình làm sạch bằng hóa chất (nhu cầu năng lượng), dự kiến tỷ lệ lọc bằng nước sẽ gia tăng trong tương lai - Lọc khí sinh học bằng nước áp lực có thể giải pháp phù hợp để sản xuất khí mêtan sinh học ở Việt Nam. ểKiến nghị thực hiện Nghiên cứu và Phát tri n chung trong hoạt động sản xuất biogas § Thực hiện Nghiên cứu và Phát triển để nghiên cứu các nhân tố cơ bản đảm bảo sự ổn định của hoạt động sản xuất biogas từ bã thải nông nghiệp ở Việt Nam § Đánh giá Kinh tế - Kỹ thuật/ Đánh giá các công nghệ khác nhau (nghiên cứu xu hướng và các giải pháp phù hợp cho Việt Nam) § Chuyển giao công nghệ phù hợp § Phát triển khái niệm hệ thống an toàn § Đánh giá sinh thái (Đánh giá vòng đời môi trường) § Đánh giá xã hội và kinh tế vĩ mô (Đánh giá vòng đời xã hội) § Chuẩn bị tài liệu và nội dung tập huấn cho các hợp phần § Tiếp tục nghiên cứu khoa học § . Liê hện : Giáo sư, Tiến sỹ Mirko Barz barz@htw-berlin.de