Năng lượng sinh khối [kỳ 2]: Mức độ sử dụng, vấn đề lương thực và năng lượng

Năng lượng sinh khối [kỳ 1]: Bản chất khoa học, chu kỳ, sản lượng sinh khối Khai bút đầu xuân Quý Mão, Tạp chí Năng lượng Việt Nam xin giới thiệu chuyên đề về năng lượng sinh khối của các tác giả: Phan Ngô Tống Hưng - Phó Chủ tịch Hiệp hội Năng lượng Việt Nam (VEA), Nguyễn Thành Sơn - Chuyên gia tư vấn năng lượng. Nội dung các bài báo bao gồm: Bản chất khoa học, thành phần hóa học; sản lượng, năng suất; vòng đời/chu kỳ; mức độ sử dụng sinh khối; vấn đề lương thực và năng lượng; sử dụng đất cho sinh khối; sinh khối và môi trường, biến đổi khí hậu v.v... Rất mong được bạn đọc cùng chia sẻ và đóng góp ý kiến.

KỲ 2: NGUỒN TÀI NGUYÊN SINH KHỐI TRÊN TRÁI ĐẤT, MỨC ĐỘ SỬ DỤNG, VẤN ĐỀ LƯƠNG THỰC VÀ NĂNG LƯỢNG

Các nhà sinh vật học Mỹ đã tiến hành phân tích định lượng về sự phân bố toàn cầu của sinh khối trên trái đất. Kết quả cho thấy: Tổng trọng lượng carbon trong thành phần của tất cả các sinh vật sống lên tới 550 tỷ tấn (hoặc 550 gigaton). Bài báo đăng trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ.

Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng 450 gigaton (80% tổng khối lượng) carbon có trong thực vật. 70 gigaton carbon khác (khoảng 13%) nằm trong các tế bào của vi khuẩn và 12 gigaton (2%) - nấm.

Toàn bộ vương quốc động vật chiếm hai tỷ tấn, trong đó một nửa là côn trùng, lớp nhện và động vật giáp xác. Đối với con người, tổng trọng lượng của chúng là 0.06 gigaton (khoảng 0.01%), nhiều hơn một chút so với khối lượng carbon trong cơ thể của tất cả các loài động vật có vú hoang dã. Nhưng, tổng cộng vật nuôi (gia súc, gia cầm và những loài chăn nuôi khác) nặng gấp 20 lần so với động vật có vú hoang dã. (Nguồn: WWW.KP.RU: https://www.kp.ru/daily/26829/3873023/).

Nguồn sinh khối sơ cấp:

Mức độ (sản lượng) sinh khối sơ cấp được hình thành tự nhiên trên 1 m2 điện tích trong một năm tính bằng trọng lượng (gram) của nguyên tố cacbon (C) ở các khu vực trên thế giới được trình bày trong hình sau:

Hình 6: Năng suất hình thành sinh khối hàng năm trên thế giới.

Hình vẽ trên cho thấy khu vực gần đường xích đạo (trong đó có Việt Nam) có sản lượng sinh khối rất cao từ 2.000 ÷ 2.500 gC/m2/năm.

Tổng diện tích đất trên thế giới ước tính gần 15 tỷ ha, trong đó gồm: 10% đất canh tác, 23% đồng cỏ, 26% rừng, 40% sa mạc và khoảng <2% đất xây dựng.

Như vậy, tổng diện tích đất cho sinh khối nhân tạo và sinh khối tự nhiên đạt tới 59%.

Nguồn tài nguyên sinh khối trên thế giới:

Nguồn tài nguyên sinh khối trên hành tinh xanh được đánh giá với các thông số sau:

- Tổng khối lượng vật chất sống (bao gồm cả độ ẩm): 2.000 tỷ tấn.

- Tổng khối lượng thực vật trên đất liền: 1.800 tỷ tấn.

- Tổng khối lượng rừng: 1.600 tỷ tấn.

- Lượng sinh khối trên mặt đất trên mỗi cư dân: 400 tấn/người.

- Lượng năng lượng được lưu trữ bởi sinh khối trên mặt đất: 25.000 EJ (1 EJ = 1018 J).

- Tăng trưởng sinh khối hàng năm: 400 tỷ tấn/năm.

- Lưu trữ năng lượng của sinh khối trên mặt đất: 3000 EJ/năm (tương đương với 95 TW).

- Tổng mức tiêu thụ của tất cả các loại năng lượng: 400 EJ/năm (tương đương 12 TW).

- Tiêu thụ năng lượng sinh khối: 55 EJ/năm (1,7 TW).

Như vậy, về tiềm năng của sinh khối: Chỉ riêng lượng sinh khối được tái tạo hàng năm đã gấp hàng chục lần tổng sản lượng khai thác của nhiên liệu hóa thạch (không tái tạo). Còn về mức độ sử dụng sinh khối: Công nghệ hiện tại mới chỉ cho phép sử dụng hơn 1,8% sinh khối được tái tạo.

Mức độ sử dụng sinh khối:

Như trên đã nêu, mức độ sử dụng sinh khối của loài người còn rất thấp (chỉ đạt 1,8%), trong khi việc sử dụng cũng chưa đồng đều, tập trung chủ yếu ở châu Á (43,6%) và châu Phi (21,1%).

Tỷ trọng sử dụng sinh khối của các khu vực trên thế giới được trình bày trong đồ thị sau:

Hình 7: Tỷ trọng sử dụng sinh khối trên thế giới (%).

Tiêu thụ sinh khối cũng đang tăng nhanh ở các nước phát triển. Ở một số nước phát triển, sinh khối được sử dụng rất mạnh mẽ. Ví dụ, Thụy Điển và Áo cung cấp 15% nhu cầu năng lượng sơ cấp từ sinh khối. Thụy Điển có kế hoạch tăng mức tiêu thụ sinh khối trong tương lai, đi kèm với sự tăng trưởng này là việc đóng cửa các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch và điện hạt nhân.

Tại Mỹ, nơi 4% năng lượng đến từ sinh khối (gần bằng điện hạt nhân), trước năm 2000 có 9.000 MW nhà máy điện sinh khối đang vận hành. Sinh khối có thể dễ dàng cung cấp hơn 20% nhu cầu năng lượng của một quốc gia. Nói cách khác, nguồn tài nguyên đất đai sẵn có và cơ sở hạ tầng nông nghiệp cho phép thay thế tất cả các nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động mà không làm thay đổi giá lương thực. Hơn nữa, việc sử dụng sinh khối để sản xuất ethanol có thể giảm 50% lượng dầu nhập khẩu.

Hình 8: Động thái sử dụng sinh khối trong quá khứ của 5 quốc gia đứng đầu thế giới. (Nguồn:https://ru.wikipedia.org).

Sinh khối tại các nước đang phát triển:

Mặc dù việc sử dụng sinh khối rộng rãi ở các nước đang phát triển, nhưng nó thường không hiệu quả. Hiệu quả tổng thể của việc sử dụng sinh khối truyền thống chỉ là 5 - 15%. Ngoài ra, sử dụng sinh khối ít thuận tiện hơn so với nhiên liệu hóa thạch. Trong một số trường hợp, việc sử dụng nó có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe, chẳng hạn như khi sử dụng sinh khối để nấu ăn ở những khu vực thông gió kém. Điều này có thể tạo ra các hạt vật chất, CO, NOx, formaldehyde và các chất hữu cơ khác, nồng độ của chúng có thể vượt quá mức khuyến cáo của WHO (Tổ chức Y tế Thế giới). Hơn nữa, việc sử dụng sinh khối truyền thống (thường là đốt gỗ) thường liên quan đến sự khan hiếm ngày càng tăng của gỗ trồng trọt, cạn kiệt chất dinh dưỡng, các vấn đề phá rừng và mở rộng sa mạc.

Có một tiềm năng to lớn về sinh khối có thể được khai thác nếu việc sử dụng các nguồn tài nguyên hiện có được cải thiện và năng suất cây trồng được tăng lên. Năng lượng sinh học có thể được hiện đại hóa bằng cách sử dụng các công nghệ hiện đại để chuyển đổi sinh khối thô thành các dạng chất mang năng lượng hiện đại và có thể sử dụng được (như điện, nhiên liệu lỏng, khí, nhiên liệu rắn đã điều chế). Kết quả là, nhiều năng lượng hơn hiện nay có thể được khai thác từ sinh khối. Điều này có thể mang lại lợi ích kinh tế, xã hội đáng kể cho cả người dân nông thôn và thành thị. Hạn chế hiện tại trong việc tiếp cận các nguồn tài nguyên thuận tiện đã hạn chế chất lượng cuộc sống của hàng triệu người trên thế giới, đặc biệt là ở các vùng nông thôn của các nước đang phát triển. Canh tác sinh khối là một quy trình nông thôn đòi hỏi nhiều nguồn nhân lực. Nếu nó phát triển, nó có thể tạo ra nhiều việc làm trong các khu vực nông nghiệp và hạn chế sự di cư của dân cư nông thôn đến các thành phố. Đồng thời, canh tác sinh khối có thể cung cấp nguồn năng lượng thuận tiện cho các ngành công nghiệp đang phát triển ở khu vực nông thôn.

Vấn đề lương thực và năng lượng liên quan đến sinh khối:

Phần lớn những lời chỉ trích về việc sử dụng sinh khối, đặc biệt là trong sản xuất nhiên liệu quy mô lớn, bắt nguồn từ những lo ngại rằng nó đang chuyển hướng nông nghiệp khỏi sản xuất lương thực, đặc biệt là ở các nước đang phát triển. Lập luận chính là các chương trình cây năng lượng cạnh tranh với cây lương thực theo nhiều cách khác nhau (nông nghiệp, đầu tư vào nông thôn, cơ sở hạ tầng, nước, phân bón, nguồn nhân lực được đào tạo, v.v...) và điều này có thể dẫn đến thiếu lương thực và tăng giá.

Tuy nhiên, cái gọi là cuộc tranh luận "thực phẩm so với nhiên liệu" này hóa ra lại bị phóng đại trong nhiều trường hợp. Vấn đề phức tạp hơn nó thường được cho là bởi chính sách xuất khẩu nông sản, thực phẩm là yếu tố hết sức quan trọng. Các lập luận nên được phân tích có tính đến tình hình thực tế trên thế giới, một quốc gia hoặc khu vực cụ thể với việc cung cấp và nhu cầu lương thực (thặng dư lương thực ngày càng tăng ở hầu hết các nước công nghiệp và một số nước đang phát triển), việc sử dụng lương thực làm thức ăn cho gia súc, việc sử dụng không đúng mức về tiềm năng nông nghiệp, tiềm năng ngày càng tăng của sản xuất nông nghiệp và những thuận lợi, hoặc khó khăn của việc sản xuất nhiên liệu sinh học.

Tình trạng thiếu lương thực và tăng giá ở Brazil vài năm trước đây thường được quy cho việc thực hiện chương trình ProAlcool. Tuy nhiên, việc xem xét kỹ lưỡng không xác nhận rằng việc sản xuất ethanol có tác động tiêu cực đến thị trường lương thực, vì Brazil vẫn là một trong những nhà xuất khẩu nông sản lớn nhất và tốc độ tăng trưởng sản xuất lương thực đang vượt xa tốc độ tăng trưởng dân số.

Sản lượng ngũ cốc của Brazil năm 1976 là 416 kg mỗi người và năm 1987 - 418 kg. Trong số 55 triệu ha đất dành cho trồng cây lương thực, chỉ có 4,1 triệu ha (7,5%) được sử dụng để trồng mía, chỉ chiếm 0,6% tổng diện tích phù hợp cho mục đích kinh tế của cả nước, hoặc 0,3% lãnh thổ Brazil. Tuy nhiên, chỉ có 1,7 triệu ha được sử dụng để sản xuất ethanol. Vì vậy, mâu thuẫn giữa cây lương thực và cây năng lượng là không nghiêm trọng. Hơn nữa, việc thay thế cây trồng bằng mía đã dẫn đến sự gia tăng sản lượng lương thực, vì bã mía (mía thủy phân) và men khô được sử dụng để làm thức ăn cho động vật.

Tình trạng thiếu lương thực và tăng giá lương thực của Brazil là do sự kết hợp của các nguyên nhân chính trị và kinh tế - chính sách mở rộng xuất khẩu, siêu lạm phát, mất giá đồng tiền, kiểm soát giá đối với các sản phẩm sản xuất trong nước v.v... Trong những điều kiện này, bất kỳ tác động tiêu cực nào của việc sản xuất ethanol có thể được coi là một phần của các vấn đề tổng thể, nhưng không phải là vấn đề duy nhất. Vì vậy, mâu thuẫn giữa cây lương thực và cây năng lượng là không nghiêm trọng. Hơn nữa, việc thay thế cây trồng bằng mía đã dẫn đến sự gia tăng sản lượng lương thực, vì bã mía (mía thủy phân) và men khô được sử dụng để làm thức ăn cho động vật.

Điều quan trọng cần lưu ý là các nước đang phát triển đang gặp phải cả vấn đề về lương thực và năng lượng. Do đó, việc điều chỉnh các thực hành nông nghiệp phải tính đến điều này và phát triển các phương pháp hiệu quả sử dụng đất sẵn có và các nguồn tài nguyên khác để đáp ứng cả nhu cầu lương thực, cũng như năng lượng bằng cách sử dụng hệ thống nông lâm kết hợp.

Sử dụng đất cho sinh khối:

Sự khác biệt cơ bản giữa sinh khối và các loại nhiên liệu khác là cần có đất để trồng sinh khối. Điều này đặt ra câu hỏi là vùng đất này sẽ được sử dụng như thế nào và bởi ai. Có hai cách tiếp cận cơ bản để xác định cách sử dụng đất:

Thứ nhất: Cách tiếp cận "kỹ trị" xem xét các nhu cầu, sau đó xác định các nguồn sinh học, các khu vực canh tác và các tác động môi trường có thể xảy ra. Cách tiếp cận này bỏ qua nhiều tác động cục bộ và các đồn điền sinh khối thường cũng bỏ qua ý kiến ​​đóng góp của nông dân địa phương, những người hiểu biết về điều kiện tại chỗ. Kết quả là, nhiều dự án trong quá khứ đã thất bại.

Thứ hai: Cách tiếp cận "tích hợp" đặt ra câu hỏi đất đai nên được sử dụng như thế nào để phát triển bền vững và xem xét cách thức sự kết hợp giữa các thực hành canh tác và cây trồng nào sẽ dẫn đến việc sử dụng tối ưu một mảnh đất cụ thể cho lương thực, nhiên liệu, thức ăn gia súc, phát triển xã hội... Cách tiếp cận này đòi hỏi sự hiểu biết đầy đủ về các vấn đề sử dụng đất phức tạp.

Cần lưu ý rằng, năng suất sinh khối có thể tăng lên vì ở nhiều nơi hiện nay năng suất sinh khối thấp, dưới 5 tấn/ha mỗi năm đối với các loài cây trong điều kiện quản lý kém hiệu quả. Nâng cao hiệu quả là chìa khóa cho cả giá cả cạnh tranh và sử dụng đất phù hợp tốt hơn. Cải thiện có thể bao gồm việc xác định các loài sinh trưởng nhanh, nhân giống thành công và sử dụng kết hợp cây trồng, kiến ​​thức mới về canh tác cây trồng và công nghệ sinh học có thể dẫn đến năng suất cây trồng gấp 5 đến 10 lần so với sự phát triển tự nhiên của chúng.

Ngày nay, với sự quản lý tốt, nghiên cứu và canh tác các loài thực vật được chọn trên vùng đất thích hợp, có thể thu được 10 đến 15 tấn/ha mỗi năm ở vùng ôn đới và 15 đến 25 tấn/ha mỗi năm ở các nước nhiệt đới. Giá trị kỷ lục 40 tấn/ha mỗi năm (trọng lượng khô) đã đạt được trong việc trồng bạch đàn ở Brazil và Ethiopia. Năng suất sinh khối cao có thể đạt được từ sản xuất cỏ nếu tồn tại các điều kiện sinh thái nông nghiệp phù hợp.

Ví dụ: Ở Brazil, năng suất mía trung bình đã tăng từ 47 lên 65 tấn/ha (trọng lượng cây trồng) trong 15 năm qua, trong khi ở các vùng như Hawaii, Nam Phi và Queensland (Úc), 100 tấn/ha được coi là năng suất điển hình.

Có thể nói, năng suất sinh khối có thể tăng gấp ba lần đối với nhiều loại cây trồng khác nhau, như đã được thực hiện được đối với ngũ cốc trong 45 năm qua. Tuy nhiên, điều này sẽ đòi hỏi những nỗ lực phù hợp và cần phát triển cơ sở hạ tầng.

Đón đọc kỳ tới...

PHAN NGÔ TỐNG HƯNG - PHÓ CHỦ TỊCH VEA

NGUYÊN THÀNH SƠN - CHUYÊN GIA TƯ VẤN NĂNG LƯỢNG