Nhưng sự khác biệt về thời gian – vài tháng so với hàng triệu năm – tạo ra những khác biệt sâu sắc về tính chất, tác động môi trường, và bền vững. Hiểu những khác biệt này là cần thiết để đánh giá vai trò thực sự của nhiên liệu sinh học trong chuyển đổi năng lượng và giải quyết biến đổi khí hậu.
Nguồn gốc và thời gian hình thành
Sự khác biệt cơ bản nhất giữa nhiên liệu sinh học và nhiên liệu hóa thạch nằm ở nguồn gốc và khung thời gian hình thành của chúng. Nhiên liệu hóa thạch – dầu mỏ, than đá, khí tự nhiên – được hình thành từ tàn dư của sinh vật sống cổ đại (chủ yếu là phytoplankton biển và thực vật trên cạn) qua hàng triệu năm dưới nhiệt độ, áp suất, và điều kiện yếm khí cực độ.
Quá trình hình thành nhiên liệu hóa thạch bắt đầu khi sinh vật chết chìm xuống đáy đại dương hoặc đầm lầy và được chôn vùi nhanh chóng bởi trầm tích, ngăn chặn phân hủy hoàn toàn. Qua hàng triệu năm, nhiệt độ và áp suất tăng lên khi các lớp trầm tích tích tụ, biến đổi vật chất hữu cơ. Carbon được tập trung, oxy và hydro bị loại bỏ, và cuối cùng tạo thành hydrocarbon – từ khí methane đơn giản cho đến dầu phức tạp và than đá.
Giáo sư Vaclav Smil từ Đại học Manitoba, một trong những học giả năng lượng được tôn trọng nhất, đã viết rằng “nhiên liệu hóa thạch là dạng ‘quang hợp cổ đại’ – năng lượng mặt trời được bắt giữ hàng trăm triệu năm trước và lưu trữ ở dạng cực kỳ tập trung. Chúng ta đang tiêu thụ trong vài thế kỷ những gì mất hàng triệu năm để hình thành”.
Ngược lại, nhiên liệu sinh học được sản xuất từ sinh khối đương đại – cây trồng trồng hàng năm, cây năng lượng phát triển trong vài năm, hoặc tảo nuôi trồng trong vài ngày hoặc tuần. Quá trình chuyển đổi từ sinh khối thành nhiên liệu có thể diễn ra trong vài giờ (lên men) đến vài tuần (phân hủy yếm khí). Điều này có nghĩa là nhiên liệu sinh học có thể được sản xuất liên tục, được tái tạo trong khung thời gian con người.
Chu trình carbon: ngắn hạn so với dài hạn
Sự khác biệt về thời gian hình thành dẫn đến sự khác biệt quan trọng trong chu trình carbon. Khi đốt nhiên liệu hóa thạch, carbon đã được lưu trữ ngầm trong hàng triệu năm được giải phóng vào khí quyển dưới dạng CO₂. Đây là carbon “mới” đối với chu trình carbon hiện đại – nó đã được loại bỏ khỏi khí quyển hàng triệu năm trước và bây giờ đang được bổ sung trở lại, làm tăng tổng lượng CO₂ trong khí quyển.
Ngược lại, khi đốt nhiên liệu sinh học, CO₂ được giải phóng là carbon “gần đây” – carbon đã được hấp thụ từ khí quyển bởi cây trong vài tháng hoặc năm trước qua quang hợp. Về lý thuyết, nếu cây mới được trồng để thay thế, chúng sẽ hấp thụ lại cùng lượng CO₂, tạo ra một chu trình carbon ngắn hạn, gần như cân bằng.
Đây là cơ sở cho quan niệm rằng nhiên liệu sinh học là “carbon neutral” hoặc ít nhất là có lượng carbon thấp hơn nhiều so với nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, câu chuyện không đơn giản như vậy. Trong thực tế, sản xuất nhiên liệu sinh học đòi hỏi năng lượng đầu vào (thường từ nhiên liệu hóa thạch) cho canh tác, vận chuyển, xử lý, và chuyển đổi. Ngoài ra, thay đổi sử dụng đất – như phá rừng để trồng cây nhiên liệu – có thể giải phóng carbon được lưu trữ trong đất và sinh khối, đôi khi vượt quá lợi ích khí hậu của việc thay thế nhiên liệu hóa thạch.
Tiến sĩ Timothy Searchinger từ Đại học Princeton đã dẫn đầu nghiên cứu về “nợ carbon” (carbon debt) và thay đổi sử dụng đất gián tiếp (ILUC). Ông viết rằng “không phải tất cả nhiên liệu sinh học đều tốt như nhau. Ethanol mía ở Brazil có cân bằng carbon tốt, nhưng ethanol ngô ở Hoa Kỳ và biodiesel từ dầu cọ ở Indonesia có thể thực sự làm tăng phát thải khi tính đến thay đổi sử dụng đất”.
Tính chất hóa học và năng lượng
Nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu sinh học cũng khác nhau về tính chất hóa học và mật độ năng lượng. Dầu mỏ là hỗn hợp phức tạp của hydrocarbon – phân tử chứa chỉ carbon và hydro. Tỷ lệ hydro trên carbon cao làm cho nhiên liệu hóa thạch có mật độ năng lượng rất cao. Xăng chứa khoảng 32-34 megajoules năng lượng mỗi lít, diesel khoảng 36-38 MJ/L.
Ethanol, nhiên liệu sinh học phổ biến nhất, chứa oxy (C₂H₅OH), làm giảm hàm lượng năng lượng trên mỗi đơn vị thể tích. Ethanol chỉ chứa khoảng 21-23 MJ/L – khoảng 67% năng lượng của xăng. Điều này có nghĩa là một xe chạy ethanol thuần (E100) sẽ có phạm vi hoạt động ngắn hơn khoảng 30% so với xăng cho cùng một thể tích nhiên liệu.
Biodiesel có mật độ năng lượng cao hơn ethanol – khoảng 33-35 MJ/L, gần với diesel hóa thạch (36-38 MJ/L). Điều này làm cho biodiesel dễ thay thế diesel hơn so với ethanol thay thế xăng. Tuy nhiên, biodiesel có một số vấn đề như độ nhớt cao hơn ở nhiệt độ thấp (có thể đông đặc trong thời tiết lạnh) và ổn định oxy hóa kém hơn (có thể bị phân hủy theo thời gian nếu lưu trữ không đúng cách).
Nhiên liệu sinh học tiên tiến như BTL (biomass-to-liquids) được sản xuất qua khí hóa sinh khối và tổng hợp Fischer-Tropsch có thể có tính chất rất giống với diesel hóa thạch, với mật độ năng lượng tương đương và hiệu suất động cơ tốt. Tuy nhiên, quá trình sản xuất phức tạp và đắt đỏ hơn.
Giáo sư John Sheehan, một chuyên gia nhiên liệu sinh học từ NREL (National Renewable Energy Laboratory), đã viết rằng “một trong những thách thức lớn nhất với nhiên liệu sinh học là tạo ra nhiên liệu ‘drop-in’ – nhiên liệu có thể thay thế hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch mà không cần sửa đổi động cơ hoặc cơ sở hạ tầng. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai và thứ ba đang tiến gần hơn đến mục tiêu này”.
Cơ sở hạ tầng và tương thích
Nhiên liệu hóa thạch có lợi thế to lớn về cơ sở hạ tầng hiện có. Hệ thống toàn cầu để khai thác, vận chuyển, lọc, phân phối, và sử dụng dầu mỏ, than đá, và khí tự nhiên đã được xây dựng trong hơn một thế kỷ, với đầu tư hàng nghìn tỷ đô la. Hàng tỷ động cơ đốt trong trên toàn thế giới được thiết kế để chạy bằng nhiên liệu hóa thạch.
Nhiên liệu sinh học phải hoặc tương thích với cơ sở hạ tầng này hoặc đòi hỏi xây dựng cơ sở hạ tầng mới – cả hai đều có thách thức. Ethanol có thể được pha trộn với xăng ở nồng độ thấp (E10 – 10% ethanol) mà không cần sửa đổi động cơ, và hầu hết xe hiện đại có thể chấp nhận E15. Tuy nhiên, nồng độ ethanol cao hơn (E85) đòi hỏi động cơ nhiên liệu linh hoạt (flex-fuel vehicles – FFVs) được thiết kế đặc biệt.
Ethanol cũng có tính ăn mòn và không thể vận chuyển qua đường ống xăng hiện có vì nó hấp thụ nước và có thể làm hỏng vật liệu đường ống nhất định. Điều này đòi hỏi hệ thống phân phối riêng biệt, tăng chi phí.
Biodiesel tương thích tốt hơn – nó có thể được pha trộn với diesel hóa thạch ở nhiều tỷ lệ (B5, B20, B100) và sử dụng trong hầu hết động cơ diesel hiện đại mà không cần hoặc cần sửa đổi tối thiểu. Tuy nhiên, như đã đề cập, nó có vấn đề với thời tiết lạnh và ổn định lưu trữ.
Biogas sau khi được làm sạch và nâng cấp (loại bỏ CO₂ và tạp chất) thành biomethane có tính chất giống với khí tự nhiên và có thể được bơm vào lưới khí hiện có hoặc sử dụng làm nhiên liệu xe khí nén (CNG).
Tác động môi trường so sánh
So sánh tác động môi trường của nhiên liệu sinh học và hóa thạch phức tạp và phụ thuộc nhiều vào phương pháp phân tích và ranh giới hệ thống. Phân tích chu trình sống (Life Cycle Assessment – LCA) cố gắng tính toán tất cả tác động từ “giếng đến bánh xe” (well-to-wheel) hoặc “cánh đồng đến bánh xe” (field-to-wheel).
Về phát thải khí nhà kính, nghiên cứu cho thấy nhiên liệu sinh học nói chung thấp hơn nhiên liệu hóa thạch, nhưng mức độ khác biệt rất đa dạng. Theo tổng hợp của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA, 2020), ethanol mía từ Brazil có thể giảm phát thải GHG 70-90% so với xăng, trong khi ethanol ngô từ Hoa Kỳ chỉ giảm 20-40%. Biodiesel từ đậu nành giảm khoảng 40-60%, trong khi biodiesel từ dầu mỡ tái chế có thể giảm hơn 80%.
Nhưng tác động môi trường vượt xa phát thải carbon. Sản xuất nhiên liệu sinh học có thể có tác động đáng kể lên sử dụng đất, sử dụng nước, đa dạng sinh học, chất lượng đất, và ô nhiễm nước (từ phân bón và thuốc trừ sâu). Nhiên liệu hóa thạch có tác động khác như ô nhiễm không khí từ lọc dầu và đốt cháy, tràn dầu, và tác động của khai thác trên hệ sinh thái.
Tiến sĩ David Tilman từ Đại học Minnesota đã viết rằng “câu hỏi không đơn giản là ‘nhiên liệu sinh học hay nhiên liệu hóa thạch?’ mà là ‘nhiên liệu sinh học nào, được sản xuất như thế nào, và ở đâu?’. Một số con đường nhiên liệu sinh học rõ ràng tốt hơn nhiên liệu hóa thạch cho khí hậu và môi trường. Những con đường khác có thể tệ hơn”.
- Nhiên liệu sinh học là gì? Nguồn gốc và quá trình phát triển của nhiên liệu sinh học
- Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng nhiên liệu sinh học
- Nguồn nào được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học?
- Nhiên liệu sinh học được sản xuất từ thực vật như thế nào?
- 5 ứng dụng chính của nhiên liệu sinh học trong cuộc sống
Kinh tế và bền vững dài hạn
Về mặt kinh tế, nhiên liệu hóa thạch hiện có lợi thế chi phí đáng kể trong hầu hết trường hợp. Giá dầu mỏ dao động nhưng thường ở mức mà nhiên liệu sinh học không thể cạnh tranh mà không có trợ cấp hoặc ủy nhiệm chính phủ. Tuy nhiên, đánh giá này không tính đến “chi phí bên ngoài” (externalities) của nhiên liệu hóa thạch – chi phí xã hội của ô nhiễm không khí, biến đổi khí hậu, và rủi ro an ninh năng lượng.
Về bền vững dài hạn, sự khác biệt là rõ ràng. Nhiên liệu hóa thạch là nguồn năng lượng hữu hạn. Mặc dù chúng ta vẫn chưa cạn kiệt chúng trong tương lai gần, trữ lượng có thể khai thác kinh tế là giới hạn, và mở rộng khai thác ngày càng đắt đỏ, rủi ro hơn (như khoan nước sâu hoặc dầu đá phiến), và có tác động môi trường lớn hơn.
Nhiên liệu sinh học, nếu được sản xuất một cách bền vững, có thể tái tạo vô thời hạn – miễn là có ánh sáng mặt trời, đất, và nước. Thách thức là đảm bảo rằng sản xuất thực sự bền vững, không làm suy kiệt đất, cạn kiệt nước, phá hủy rừng, hoặc đe dọa an ninh lương thực.
Nhiên liệu sinh học và nhiên liệu hóa thạch đại diện cho hai cách tiếp cận cơ bản khác nhau đối với năng lượng giao thông vận tải. Nhiên liệu hóa thạch là di sản của quá khứ địa chất – tập trung, mạnh mẽ, nhưng hữu hạn và có carbon cao. Nhiên liệu sinh học là năng lượng đương đại – tái tạo, có tiềm năng carbon thấp, nhưng ít tập trung hơn và đối mặt với các thách thức về đất đai, nước, và bền vững. Không có sự thay thế đơn giản; chuyển đổi sang nhiên liệu sinh học đòi hỏi cân nhắc cẩn thận về công nghệ, nguồn nguyên liệu, và chính sách. Trong bài tiếp theo, chúng ta sẽ đi sâu vào quy trình sản xuất cụ thể – làm thế nào chúng ta chuyển đổi cây trồng và sinh khối thành nhiên liệu có thể sử dụng, từ lên men ethanol cho đến sản xuất biodiesel và biogas.
Nguồn nghiên cứu
- Smil, V. (2017). Energy and Civilization: A History. MIT Press.
- Searchinger, T., et al. (2008). Use of U.S. croplands for biofuels increases greenhouse gases through emissions from land-use change. Science, 319(5867), 1238-1240.
- Sheehan, J., et al. (1998). Life Cycle Inventory of Biodiesel and Petroleum Diesel for Use in an Urban Bus. NREL Report SR-580-24089.
- International Energy Agency (2020). Are aviation biofuels ready for take off? IEA Commentary.
- Tilman, D., et al. (2009). Beneficial biofuels—The food, energy, and environment trilemma. Science, 325(5938), 270-271.
- Fargione, J., et al. (2008). Land clearing and the biofuel carbon debt. Science, 319(5867), 1235-1238.
- Hill, J., et al. (2006). Environmental, economic, and energetic costs and benefits of biodiesel and ethanol biofuels. PNAS, 103(30), 11206-11210.
