Sản xuất viên nén sinh khối để phát điện - Nhìn từ cách làm của Ấn Độ

Năng lượng sinh khối [kỳ 3]: Giá trị năng lượng và môi trường của sinh khối Ở hai kỳ trước, tác giả đã giới thiệu đến bạn đọc tổng quan về năng lượng sinh khối và nguồn tài nguyên sinh khối trên trái đất (bản chất khoa học, chu kỳ, sản lượng sinh khối; mức độ sử dụng, vấn đề lương thực và năng lượng...). Để tạm kết chuyên đề này, tác giả sẽ giới thiệu về giá trị năng lượng và môi trường của sinh khối.

Năng lượng sinh khối [kỳ 2]: Mức độ sử dụng, vấn đề lương thực và năng lượng Tổng hợp dưới đây cho thấy, chỉ riêng tiềm năng lượng sinh khối trên thế giới 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, hiện công nghệ mới chỉ cho phép sử dụng hơn 1,8% sinh khối được tái tạo và tập trung chủ yếu ở các quốc gia đang phát triển.

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.

Tổng quan điện từ viên nén sinh khối trên thế giới:

Năng lượng sinh học hiện đại đang được các nhà hoạch định chính sách trên toàn thế giới quan tâm và công nhận là nguồn tài nguyên carbon thấp. Vai trò của năng lượng sinh học trong sản xuất điện đang được quan tâm vì mục tiêu trung hòa carcbon, hay Net Zero đang đến gần. Các nhà khoa học Ấn Độ vừa công bố báo cáo đánh giá tính khả thi kinh tế, kỹ thuật của việc sản xuất điện từ viên nén sinh khối (BPBP) tại quốc gia này.

Theo đánh giá, sự có sẵn của nguyên liệu sinh khối từ ngành nông nghiệp và lâm nghiệp được ước tính là 242 triệu tấn và sẽ tăng lên 281 triệu tấn vào năm 2030 - 2031 do nhu cầu lương thực tăng mạnh.

Về công suất, tiềm năng của các dự án BPBP được ước tính là 35 GW cho giai đoạn 2030 - 2031. Chi phí điện quy dẫn được ước tính là 0,12 EUR/kWh đối với các dự án BPBP so với 0,10 EUR/kWh đối với các nhà máy điện chạy than nhập khẩu. Ở các tiểu bang của Ấn Độ có biểu giá điện sinh khối thấp hơn, giá carbon hòa vốn cho các dự án BPBP, ước tính là 18 EUR mỗi tấn.

Ngoài ra, các dự án BPBP sẽ tạo thêm việc làm cho hơn 5 triệu người/tháng trong xây dựng các nhà máy điện sinh khối và hơn 200.000 việc làm toàn thời gian trong quá trình vận hành các nhà máy BPBP và sản xuất viên nén sinh khối.

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA): Năng lượng sinh học (bao gồm cả sinh khối truyền thống) là nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất, cung cấp 10% nguồn cung năng lượng toàn cầu. Hầu hết số này được tiêu thụ ở các nước đang phát triển cho mục đích đun nấu, sưởi ấm, gây tác động đáng kể đến sức khỏe con người (ô nhiễm không khí trong nhà) và môi trường. Sinh khối hiện đại được sản xuất theo cách bền vững để sản xuất điện/nhiệt và nhiên liệu sinh học cho ngành vận tải trong khi sinh khối truyền thống được sản xuất theo cách không bền vững và được sử dụng như một nguồn phi thương mại trong các bếp kém hiệu quả.

Năm 2010, tỷ lệ năng lượng sinh học nói chung chiếm 12% tổng mức tiêu thụ năng lượng cuối cùng của thế giới. Trong đó, 9% đến từ các nguồn truyền thống và 3% từ năng lượng sinh học hiện đại. Do đó, việc tăng nhanh sử dụng sinh khối hiện đại là điều cần thiết để đạt được các mục tiêu quốc tế nhằm tăng gấp đôi thị phần năng lượng tái tạo toàn cầu vào năm 2030. Sản lượng năng lượng sinh học toàn cầu có thể tăng lên 180 EJ vào năm 2050 (so với 50 EJ vào năm 2010 theo kịch bản thông thường).

Những nỗ lực nhằm giảm các đặc tính khó xử lý của nhiên liệu sinh khối (tức là tỷ trọng thấp và kết quả là mật độ năng lượng/thể tích thấp, cấu trúc không đồng nhất) đã dẫn đến sự quan tâm ngày càng tăng đối với sự phát triển của quá trình đóng bánh và tạo viên sinh khối. Khi so sánh với các loại năng lượng sinh học hiện đại khác, viên nén là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất.

Theo Cơ quan Nông - Lương LHQ (FAO): Trong năm 2016, có 29,1 triệu tấn viên nén đã được sản xuất trên toàn thế giới tại hơn 800 nhà máy với quy mô công suất trên 10.000 tấn/năm. Tốc độ tăng trưởng hàng năm của sản xuất viên nén sinh khối đạt gần 20% trong thập kỷ qua và đã tăng đáng kể trong những năm gần đây, chủ yếu là do nhu cầu từ các chính sách và mục tiêu sử dụng năng lượng sinh học của EU tạo ra.

Các nhà sản xuất hàng đầu là EU (49%), Hoa Kỳ (22%), Canada (10%), Việt Nam (5%) và Nga (3%).

Tại châu Âu, các mục tiêu chính sách của EU năm 2020 đối với các nguồn năng lượng tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính là một trong những động lực chính cho việc sử dụng viên nén gỗ trên quy mô lớn. Sản xuất và xuất khẩu viên nén gỗ từ phía Đông Nam Hoa Kỳ đã tăng gấp đôi kể từ năm 2011 chủ yếu do nhu cầu của EU tăng mạnh.

Ở các nước đang phát triển, việc giảm khả năng cung cấp củi đốt đòi hỏi phải có những nỗ lực để sử dụng hiệu quả hơn các nhiên liệu sinh khối truyền thống. Ví dụ, ước tính khoảng 25% tổng năng lượng tiêu thụ ở Ấn Độ được đáp ứng từ các nguồn sinh khối khác nhau (tức là phụ phẩm nông nghiệp, phân động vật, chất thải rừng, củi v.v...). Ấn Độ tạo ra một lượng lớn phụ phẩm/chất thải nông nghiệp và lâm nghiệp. Phần lớn được sử dụng cho các hoạt động sinh hoạt, thương mại, công nghiệp (tức là thức ăn cho gia súc, nhiên liệu để nấu ăn, vật liệu xây dựng cho nhà ở nông thôn, nhiên liệu công nghiệp cho nồi hơi, sản xuất bìa cứng và các ứng dụng tương tự khác). Sinh khối chiếm hơn 85% mức tiêu thụ nhiên liệu năng lượng ở nông thôn của Ấn Độ vào năm 2005, phần lớn được sử dụng để đáp ứng nhu cầu nấu nướng.

Tuy nhiên, việc sử dụng sinh khối truyền thống có nhiều nhược điểm, đặc biệt tỷ trọng thấp.

Để cải thiện các đặc tính bất lợi này khi vận chuyển, lưu trữ, đốt cháy, cần phải nâng cấp các phụ phẩm nông nghiệp và lâm nghiệp thô bằng cách tăng tỷ trọng của chúng thông qua đóng bánh, hoặc tạo viên nén. Quá trình ép viên làm tăng tỷ trọng của sinh khối lên hơn 1.000 kg/m3.

Khi so sánh với các loại năng lượng sinh học hiện đại khác, viên nén là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất. Ngoài việc tăng nhiệt trị theo thể tích của sinh khối thô, quá trình tạo viên còn làm tăng hiệu quả chuyển đổi nhiệt hóa do độ ẩm ổn định. Ở dạng viên, quá trình đốt cháy sinh khối không phải gỗ có thể tạo ra hàm lượng tro thấp hơn so với quá trình đốt cháy nguyên liệu thô không đồng nhất.

Việc sử dụng các viên sinh khối trong lò hơi cho các ứng dụng sản xuất điện và nhiệt theo quy trình có thể được thực hiện theo hai cách:

- Lò hơi có thể được đốt riêng bằng các viên sinh khối.

- Các viên sinh khối được đốt đồng thời với than.

Trong khi rủi ro tạo xỉ và cặn bẩn của một số nhiên liệu sinh khối do hàm lượng kiềm, silic, hoặc clo cao hiện đang hạn chế ứng dụng của chúng trong quá trình đốt cháy, các chất phụ gia dựa trên các thành phần hóa học khác nhau và các tác động đối kháng có thể được sử dụng để giảm thiểu các vấn đề liên quan đến tro trong quá trình đốt cháy sinh khối.

Khi thêm hắc ín gỗ (10% trọng lượng), nhiệt trị tăng từ 4.630 kcal/kg (viên nén gỗ không có chất phụ gia) lên 4.800 kcal/kg (viên nén gỗ có chất phụ gia). Chưa hết, với sự gia tăng lượng phụ gia vào viên nén gỗ, chiều dài và tỷ trọng riêng của viên nén gỗ tăng lên.

Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng: Không có sự gia tăng đáng kể trong quá trình tạo xỉ do đồng đốt sinh khối cùng với than, miễn là sinh khối đóng góp bị giới hạn ở mức tối đa 20% mặc dù tỷ lệ tối ưu của đồng đốt sinh khối với than khác nhau đối với từng trường hợp nghiên cứu.

Các nghiên cứu phân tích sử dụng các mối tương quan thực nghiệm khác nhau cho thấy rằng: Gỗ ép viên 100% có lượng xỉ từ trung bình đến cao so với các kết hợp nhiên liệu khác.

Sử dụng viên nén sinh khối để phát điện ở Ấn Độ:

Viên nén gỗ ở Ấn Độ chủ yếu được sử dụng để nấu ăn và sưởi ấm, hoặc cho mục đích thương mại. Hơn 400.000 bếp lò Oorja (sự kết hợp giữa thiết bị hoặc bếp “khí hóa vi mô” được thiết kế độc đáo và nhiên liệu là dạng viên làm từ sinh khối) đã được bán từ năm 2006 đến 2010 tại thị trường Ấn Độ.

Ngược lại, viên nén sinh khối đang được sử dụng ngày càng nhiều để phát điện ở nhiều quốc gia. Ở châu Âu, Bắc Mỹ và châu Á (ví dụ Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc), viên nén gỗ chủ yếu được sử dụng để đồng đốt tại các nhà máy nhiệt điện than .

Tại Ấn Độ, Đạo luật Điện lực năm 2003 yêu cầu Ủy ban Điều tiết Điện lực Nhà nước (SERC) thực hiện nghĩa vụ mua năng lượng tái tạo (RPO). Để đạt được mục tiêu đặt ra trong Kế hoạch hành động quốc gia về biến đổi khí hậu (NAPCC) Chính phủ Ấn Độ đã đưa ra cơ chế Chứng chỉ năng lượng tái tạo (REC) vào tháng 11 năm 2010.

Trước thềm Hội nghị COP21, Ấn Độ đã đưa ra tuyên bố rằng: “Dự kiến tăng công suất lắp đặt sinh khối lên 10 GW vào năm 2022 từ công suất hiện tại là 4,4 GW” như một phần của mục tiêu tổng thể nhằm tăng tỷ lệ công suất phát điện từ nhiên liệu phi hóa thạch lên 40% trong tổng lượng điện của đất nước vào năm 2030. Phát điện từ viên nén sinh khối và/hoặc đồng đốt viên nén sinh khối với than có thể giúp đáp ứng các mục tiêu RPO của SERC ở các bang có nguồn năng lượng gió, mặt trời thấp (và đất hoang hạn chế), có nhiều phụ phẩm nông nghiệp, lâm nghiệp, hoặc các bang này có thể thu hút đầu tư thông qua cơ chế REC.

Sản xuất than trong nước đang tăng chủ yếu nhờ những cải cách đối với ngành than và giá than quốc tế cũng tăng đáng kể. Dựa trên hai yếu tố này, việc nhập khẩu than của Ấn Độ (thông thường khoảng 25%), trong tương lai sẽ không tăng về tỷ lệ trong tổng lượng than tiêu thụ.

Về lâu dài, nếu chi phí sản xuất điện từ viên nén sinh khối trở nên cạnh tranh với chi phí sản xuất từ than, thì một phần nhập khẩu than cũng có thể được thay thế bằng nhập khẩu sinh khối. Các yêu cầu nghiêm ngặt về chính sách khí hậu buộc Ấn Độ phải bắt đầu suy nghĩ nghiêm túc về việc nhập khẩu viên nén sinh khối.

Chỉ riêng lượng sinh khối thặng dư từ ngành nông nghiệp (133 triệu tấn trong năm 2015 - 2016) đã đủ để thay thế khoảng 25% mức tiêu thụ than hiện tại là 531 triệu tấn trong ngành điện (thông qua đồng đốt than với sinh khối viên). Tiềm năng giảm thiểu CO2 liên quan có sẵn thông qua việc thay thế than được ước tính lần lượt là 192 và 205 tấn CO2tđ (tương đương) trong các năm 2020- 2021 và 2030 - 2031 sử dụng mức cơ sở là 0,82 kg CO2tđ/kWh nếu toàn bộ sinh khối dư thừa có sẵn từ nông nghiệp và các lĩnh vực lâm nghiệp, đất hoang đã được chuyển hướng để phát điện.

Ngoài giảm CO2 từ thay thế than đá, việc sử dụng viên sinh khối ở Ấn Độ có thể giúp sử dụng hiệu quả các phụ phẩm nông nghiệp, lâm nghiệp. Nông dân có truyền thống đốt lượng phụ phẩm nông nông nghiệp như một cách xử lý nhanh chóng. Ước tính có khoảng 7 - 8 triệu tấn phụ phẩm lúa được đốt cháy mỗi năm ở Punjab, Ấn Độ.

Tại Ấn Độ, khi đánh giá kinh tế, kỹ thuật sản xuất điện từ viên nén, các nhà khoa học phát hiện thấy: Giá thị trường của viên nén sinh khối năm 2015 ở Ấn Độ là 0,17 EUR đến 0,21 EUR/kg (chủ yếu được sử dụng cho dịch vụ nấu ăn).

Việc sử dụng quy mô lớn các viên sinh khối để phát điện có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc kích thích nền kinh tế địa phương và thúc đẩy phát triển công nghiệp. Cơ hội việc làm trong lĩnh vực phát triển viên nén sinh khối sẽ chủ yếu đến từ việc thu gom, vận chuyển, xử lý nguyên liệu sinh khối (phụ phẩm nông nghiệp, lâm nghiệp) và từ sản xuất viên nén sinh khối.

Ví dụ hãng Nishant Bioenergy Ltd. ở Mohali, Punjab đã tạo thêm nhiều việc cho các nhà máy sinh khối với công suất 1.500 kg/giờ (9.000 tấn/năm). Đặc biệt là vận chuyển phụ phẩm nông nghiệp từ trang trại/khu công nghiệp đến nhà máy viên nén sinh khối...

Việc làm bổ sung sẽ được tạo ra trong quá trình xây dựng các nhà máy điện sinh khối. Một dự án điện sinh khối 10 MW có thể tạo việc làm cho khoảng 100 công nhân trong giai đoạn xây dựng 18 tháng, 25 công nhân toàn thời gian để vận hành cơ sở và 35 công nhân để thu gom, xử lý và vận chuyển nguyên liệu sinh khối. Một nhà máy điện sinh khối (sử dụng viên nén) 30 GW cho năm 2010 - 2011 và tăng lên khoảng 35 GW cho năm 2030 - 2031 thì sẽ có hơn 6,3 triệu tháng công trong xây dựng và 87.500 việc làm toàn thời gian trong việc vận hành các nhà máy điện sinh khối vào giai đoạn này.

Tiềm năng phát điện hàng năm từ viên nén sinh khối được ước tính là 244 TWh vào năm 2030 - 2031 trên tổng số 4.000 TWh sản xuất điện ở Ấn Độ vào năm 2030 - 2031.

Với vị thế là một nền kinh tế chủ yếu dựa vào nông nghiệp, Ấn Độ trở thành ứng cử viên hoàn hảo cho mô hình sản xuất năng lượng và phát triển bền vững dựa trên năng lượng sinh học, tận dụng khối lượng lớn phụ phẩm nông nghiệp, lâm nghiệp còn sót lại của đất nước, cũng như chất thải dân sự, đồng thời tạo ra thu nhập, cơ hội việc làm, đặc biệt là khu vực nông thôn.

Cuối cùng, khoảng cách vận chuyển là một yếu tố quyết định trong tính kinh tế của các nhà máy BPBP. Các quốc gia nên đánh giá tiềm năng tương ứng của mình trong việc tận dụng tối đa phụ phẩm nông nghiệp, lâm nghiệp, xác định mục tiêu đối với việc phát điện dựa trên sinh khối, từ đó, đưa ra các chiến lược sử dụng sinh khối dạng viên và không dạng viên thích hợp trong các nhà máy điện.

Ngoài ra, quy mô sản xuất nông nghiệp cũng là một yếu tố cần được cân nhắc cho việc phát triển sản xuất điện từ viên nén sinh khối (quy mô sản xuất nhỏ cá thể và sản xuất quy mô trang trại lớn) có thể có ảnh hưởng rất khác nhau đến tính khả thi của nguồn nhiên liệu năng lượng này./.

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Link tham khảo:

1. https://link.springer.com/article/10.1007/s11356-018-2960-8

2. https://www.drax.com/sustainable-bioenergy/what-is-a-biomass-wood-pellet/