5 ứng dụng chính của nhiên liệu sinh học trong cuộc sống

Từ chiếc xe bạn lái đến trường, đến máy bay chở bạn đi du lịch, từ điện trong nhà bạn cho đến xe buýt công cộng – nhiên liệu sinh học đang âm thầm thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch. Ở một số quốc gia như Brazil, nhiên liệu sinh học đã trở thành một phần không thể thiếu của hệ thống năng lượng. Hãy cùng khám phá những cách cụ thể mà nhiên liệu sinh học đang được sử dụng ngày nay.

Giao thông vận tải đường bộ: xe hơi, xe tải, và xe buýt

Ứng dụng lớn nhất và phổ biến nhất của nhiên liệu sinh học là trong giao thông vận tải đường bộ. Ethanol và biodiesel đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia, thường được pha trộn với xăng và diesel hóa thạch ở các tỷ lệ khác nhau.

Ethanol pha trộn là cách sử dụng phổ biến nhất. E10 (10% ethanol, 90% xăng) được sử dụng rộng rãi ở Hoa Kỳ, châu Âu, và nhiều nước khác. Hầu hết xe hơi hiện đại có thể sử dụng E10 mà không cần sửa đổi động cơ. Trên thực tế, theo Hiệp hội Nhiên liệu Tái tạo (Renewable Fuels Association), hơn 98% xăng được bán ở Hoa Kỳ hiện chứa một lượng ethanol nào đó, chủ yếu là E10.

E15 (15% ethanol) đang được mở rộng ở Hoa Kỳ và được EPA phê duyệt cho xe mô hình năm 2001 trở về sau. E85 (51-83% ethanol, tỷ lệ thay đổi theo mùa) được sử dụng trong xe nhiên liệu linh hoạt (flex-fuel vehicles – FFVs). Tại Hoa Kỳ, có khoảng 20 triệu FFVs trên đường, mặc dù nhiều chủ xe không nhận ra xe của họ có khả năng này.

Brazil là quốc gia hàng đầu về sử dụng ethanol. Kể từ giữa những năm 2000, tất cả xăng ở Brazil chứa 27% ethanol (E27), và hầu hết xe mới được bán là FFVs có thể chạy bằng bất kỳ hỗn hợp nào từ E27 cho đến E100 (ethanol thuần). Tính đến 2020, ethanol chiếm khoảng 40% thị phần nhiên liệu xe nhẹ ở Brazil – một thành tích đáng kinh ngạc.

Tiến sĩ Plínio Nastari, chủ tịch Datagro (một công ty tư vấn đường và ethanol hàng đầu ở Brazil), đã viết rằng “chương trình ethanol của Brazil đã chuyển đổi ngành giao thông vận tải của đất nước. Ngày nay, người lái xe Brazil có thể chọn giữa ethanol và xăng mỗi khi họ đổ xăng, dựa trên giá và sở thích cá nhân. Đây là tự do năng lượng thực sự”.

Biodiesel cũng được pha trộn rộng rãi với diesel hóa thạch. B5 (5% biodiesel) và B20 (20% biodiesel) là phổ biến nhất. EU có ủy nhiệm pha trộn biodiesel, với mức trung bình khoảng 7-8% (B7-B8). Indonesia và Argentina, hai nhà sản xuất biodiesel lớn, có ủy nhiệm B20 và B10 tương ứng.

Biodiesel đặc biệt phù hợp cho xe tải hạng nặng, xe buýt, và máy kéo nông nghiệp. Nhiều đội xe buýt công cộng trên thế giới sử dụng B20 hoặc thậm chí B100 (biodiesel thuần). Ở Đức, một số tàu hỏa khu vực chạy bằng biodiesel. Thiết bị nông nghiệp và xây dựng cũng ngày càng sử dụng biodiesel vì nó phân hủy sinh học và ít độc hại hơn diesel hóa thạch nếu bị tràn.

Hàng không: nhiên liệu sinh học cho máy bay

Ngành hàng không là một trong những lĩnh vực khó “khử carbon” nhất vì máy bay đòi hỏi nhiên liệu có mật độ năng lượng cao và điện khí hóa không khả thi cho hầu hết các chuyến bay. Nhiên liệu hàng không sinh học (sustainable aviation fuel – SAF) đang nổi lên như một giải pháp quan trọng.

SAF được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu bao gồm dầu mỡ tái chế, dầu từ tảo, chất thải nông nghiệp và lâm nghiệp. Công nghệ phổ biến nhất là HEFA (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids), chuyển đổi dầu và mỡ thành hydrocarbon giống với nhiên liệu máy bay hóa thạch. Các công nghệ khác bao gồm Fischer-Tropsch (từ khí hóa sinh khối) và alcohol-to-jet (chuyển đổi ethanol thành nhiên liệu máy bay).

SAF có lợi thế lớn là “drop-in” – có thể trộn với nhiên liệu máy bay hóa thạch (thường ở tỷ lệ 50:50) và sử dụng trong máy bay hiện có mà không cần sửa đổi động cơ hoặc hệ thống nhiên liệu. Nó đã được chứng nhận và phê duyệt cho sử dụng thương mại.

Nhiều hãng hàng không lớn đã bắt đầu sử dụng SAF. United Airlines cam kết mua 1.5 tỷ gallon SAF trong 20 năm. KLM vận hành các chuyến bay thường xuyên với 40% SAF từ dầu mỡ tái chế. Năm 2011, chuyến bay thương mại đầu tiên sử dụng SAF từ tảo đã bay từ Mexico City đến San Francisco.

Tuy nhiên, SAF hiện chỉ chiếm <0.1% tổng nhiên liệu hàng không toàn cầu. Thách thức chính là chi phí – SAF hiện đắt gấp 2-5 lần nhiên liệu máy bay hóa thạch – và nguồn cung hạn chế. Ngành hàng không đặt mục tiêu 2% SAF vào năm 2025 và carbon trung hòa vào năm 2050, đòi hỏi tăng sản xuất đáng kể.

Giáo sư James Hileman từ MIT, chuyên gia về nhiên liệu hàng không, đã viết rằng “SAF là con đường khả thi duy nhất để giảm đáng kể phát thải hàng không trong vài thập kỷ tới. Công nghệ đã sẵn sàng; thách thức là mở rộng sản xuất và giảm chi phí thông qua chính sách hỗ trợ và đổi mới”.

Phát điện và sưởi ấm: sinh khối và biogas

Nhiên liệu sinh học không chỉ cho giao thông vận tải mà còn được sử dụng rộng rãi để phát điện và cung cấp nhiệt. Đốt sinh khối rắn (gỗ, viên nén gỗ, bã mía) trong nhà máy điện sinh khối có thể tạo ra điện và/hoặc nhiệt (hệ thống phát điện nhiệt điện – CHP).

Sinh khối là nguồn năng lượng tái tạo lớn nhất trên toàn cầu, chiếm khoảng 10% cung cấp năng lượng toàn cầu (chủ yếu là gỗ để nấu ăn và sưởi ấm ở các nước đang phát triển). Trong các nước phát triển, sinh khối đang được sử dụng ngày càng nhiều trong các nhà máy điện hiện đại.

EU là người dùng lớn nhất năng lượng sinh khối để phát điện và sưởi ấm. Nhiều quốc gia châu Âu, đặc biệt là Phần Lan, Thụy Điển, và Đan Mạch, sử dụng sinh khối rộng rãi trong hệ thống sưởi ấm khu vực (district heating). Viên nén gỗ (wood pellets) – một dạng sinh khối được nén và chuẩn hóa – đã trở thành một hàng hóa toàn cầu được giao dịch quốc tế, với Hoa Kỳ và Canada là nhà xuất khẩu lớn cho EU.

Biogas từ phân hủy yếm khí được sử dụng rộng rãi để phát điện và/hoặc cung cấp nhiệt. Đức dẫn đầu với hơn 9,000 nhà máy biogas, chủ yếu ở trang trại, sử dụng phân gia súc và cây trồng năng lượng (chủ yếu là ngô). Biogas được đốt trong động cơ hoặc tuabin khí để phát điện, và nhiệt thải được sử dụng để sưởi ấm cho các tòa nhà hoặc quá trình công nghiệp.

Ở quy mô nhỏ hơn, các bể biogas gia đình được sử dụng rộng rãi ở nông thôn châu Á, đặc biệt là Trung Quốc, Ấn Độ, Nepal, và Việt Nam. Trung Quốc có hơn 40 triệu bể biogas hộ gia đình nhỏ, chuyển đổi phân lợn và bò thành khí nấu ăn cho hàng triệu gia đình nông thôn. Chương trình biogas quốc gia của Nepal đã lắp đặt hơn 400,000 hệ thống biogas hộ gia đình, cung cấp năng lượng sạch cho nấu ăn và chiếu sáng.

Tiến sĩ Felix Creutzig từ Viện Mercator về Chung Toàn cầu và Biến đổi Khí hậu đã viết rằng “biogas từ chất thải là một giải pháp ‘win-win’ thực sự – nó giải quyết quản lý chất thải, giảm phát thải methane từ phân gia súc, cung cấp năng lượng tái tạo, và tạo ra phân bón hữu cơ. Tiềm năng chưa được khai thác vẫn còn rất lớn”.

Nhiên liệu sinh học trong hàng hải và đường sắt

Ngành hàng hải và đường sắt, mặc dù nhận được ít chú ý hơn hàng không, cũng đang khám phá và sử dụng nhiên liệu sinh học.

Một số công ty vận chuyển đang thử nghiệm biodiesel và nhiên liệu sinh học tiên tiến. Maersk, công ty vận chuyển container lớn nhất thế giới, đã vận hành tàu container đầu tiên sử dụng biodiesel từ dầu mỡ tái chế vào năm 2020. IMO (Tổ chức Hàng hải Quốc tế) đặt mục tiêu giảm 50% phát thải GHG từ vận chuyển quốc tế vào năm 2050 so với mức 2008, tạo động lực cho nghiên cứu nhiên liệu sinh học hàng hải.

Trong đường sắt, biodiesel đang được sử dụng cho đầu máy diesel. Ở Ấn Độ, Indian Railways đang thử nghiệm B5 và B20. Một số tàu hỏa khách du lịch ở châu Âu chạy hoàn toàn bằng biodiesel. Điện khí hóa là giải pháp dài hạn cho đường sắt, nhưng nhiên liệu sinh học cung cấp giải pháp quá độ cho các tuyến không được điện khí hóa.

Các ứng dụng khác: hóa chất sinh học và vật liệu

Ngoài năng lượng, nhiên liệu sinh học và quy trình sản xuất của chúng cũng tạo ra các sản phẩm phụ có giá trị cho ngành hóa chất và vật liệu.

Glycerol từ sản xuất biodiesel được sử dụng trong sản xuất mỹ phẩm, dược phẩm, và chất chống đông. Ethanol không chỉ là nhiên liệu mà còn là nguyên liệu quan trọng cho ngành hóa chất, được sử dụng để sản xuất ethylene (cho nhựa), acetaldehyde, và nhiều hóa chất khác.

Biogas sau khi làm sạch thành CO₂ tinh khiết có thể được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm và đồ uống (cacbonat hóa đồ uống) hoặc trong nhà kính để tăng cường quang hợp. Digestate từ sản xuất biogas là phân bón hữu cơ giàu chất dinh dưỡng.

Các nhà máy ethanol cellulose tiên tiến có thể đồng sản xuất (co-produce) nhiều sản phẩm: ethanol, lignin (có thể được sử dụng để sản xuất vật liệu carbon hoặc hóa chất thơm), và xylose (đường có thể được chuyển đổi thành xylitol – chất tạo ngọt).

Nhiên liệu sinh học đã thoát khỏi phòng thí nghiệm và dự án thí điểm để trở thành một phần quan trọng của hệ thống năng lượng toàn cầu. Từ xe hơi đến máy bay, từ nhà máy điện đến bếp nấu ăn nông thôn – nhiên liệu sinh học đang cung cấp năng lượng cho nhiều khía cạnh của cuộc sống hiện đại. Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức về chi phí, quy mô, và bền vững, các ứng dụng thực tế này cho thấy nhiên liệu sinh học không chỉ là khả thi về mặt kỹ thuật mà đã là hiện thực thương mại. Trong bài cuối cùng của series, chúng ta sẽ cân bằng bức tranh bằng cách xem xét cả ưu điểm và nhược điểm của nhiên liệu sinh học – từ lợi ích môi trường cho đến mối lo ngại về an ninh lương thực, từ cơ hội kinh tế cho đến thách thức bền vững.

Tổng kết chủ đề: Nhiên liệu sinh học – Hy vọng, thách thức, và tương lai

Qua sáu bài viết của series này, chúng ta đã hành trình toàn diện qua thế giới nhiên liệu sinh học – từ định nghĩa cơ bản và lịch sử phát triển, qua các nguồn nguyên liệu đa dạng, so sánh với nhiên liệu hóa thạch, quy trình sản xuất phức tạp, ứng dụng thực tế, cho đến cuối cùng là đánh giá cân bằng về ưu và nhược điểm.

Nhiên liệu sinh học không phải là giải pháp ma thuật mà một số người từng hy vọng, nhưng cũng không phải là thảm họa môi trường mà một số người chỉ trích. Thực tế phức tạp hơn nhiều. Một số nhiên liệu sinh học – đặc biệt là ethanol mía, biodiesel từ dầu mỡ tái chế, và nhiên liệu sinh học tiên tiến từ cellulose hoặc chất thải – có lợi ích môi trường và kinh tế rõ ràng và vai trò quan trọng trong chuyển đổi năng lượng. Những loại khác – như ethanol ngô hoặc biodiesel từ dầu cọ trồng trên đất chuyển đổi từ rừng – có lợi ích đáng ngờ hoặc thậm chí có hại.

Bài học quan trọng nhất là: không phải tất cả nhiên liệu sinh học đều bằng nhau. Câu hỏi không nên là “nhiên liệu sinh học có hay không tốt?” mà là “nhiên liệu sinh học nào, từ nguồn nguyên liệu nào, được sản xuất như thế nào, và ở đâu?”. Chính sách cần tinh vi, dựa trên khoa học, và có tính đến phân tích chu trình sống đầy đủ, bao gồm tác động sử dụng đất, cạnh tranh lương thực, và bền vững dài hạn.

Tương lai của nhiên liệu sinh học có lẽ nằm ở nhiên liệu sinh học thế hệ tiên tiến – từ cellulose, chất thải, tảo, và thậm chí vi sinh vật được thiết kế gen qua sinh học tổng hợp. Những công nghệ này tránh được nhiều vấn đề của nhiên liệu sinh học thế hệ đầu nhưng vẫn đối mặt với thách thức về chi phí và quy mô.

Quan trọng là phải nhận ra rằng nhiên liệu sinh học là một phần, không phải tất cả, của giải pháp năng lượng bền vững. Chúng có vai trò quan trọng trong các lĩnh vực khó điện khí hóa như hàng không, hàng hải, và xe tải hạng nặng. Nhưng đối với xe hơi hành khách, xe điện có lẽ là giải pháp dài hạn tốt hơn. Đối với điện, năng lượng mặt trời và gió hiệu quả hơn nhiều so với đốt sinh khối.

Như Giáo sư Daniel Kammen từ UC Berkeley đã viết: “Chúng ta cần một danh mục đa dạng các giải pháp năng lượng sạch, mỗi giải pháp được áp dụng ở nơi nó có ý nghĩa nhất. Nhiên liệu sinh học có vai trò quan trọng trong danh mục này, nhưng chỉ khi được sản xuất một cách bền vững và sử dụng một cách thông minh”.

Thách thức của chúng ta là khai thác tiềm năng của nhiên liệu sinh học trong khi tránh các cạm bẫy, hỗ trợ đổi mới tiếp tục trong khi áp dụng các tiêu chuẩn bền vững nghiêm ngặt, và nhận ra cả cơ hội và giới hạn. Với chính sách đúng đắn, nghiên cứu liên tục, và cam kết với bền vững, nhiên liệu sinh học có thể là một phần quan trọng của giải pháp cho khủng hoảng khí hậu và năng lượng – nhưng chỉ một phần trong bức tranh năng lượng bền vững rộng lớn hơn.