Nhiên liệu sinh học – được tạo ra từ cây trồng, chất thải hữu cơ, và thậm chí cả tảo – không phải là ý tưởng mới mà có nguồn gốc từ buổi bình minh của nền văn minh. Từ động cơ diesel đầu tiên chạy bằng dầu lạc cho đến máy bay phản lực hiện đại sử dụng nhiên liệu từ tảo, câu chuyện của nhiên liệu sinh học là câu chuyện về sự sáng tạo, tranh cãi, và hy vọng cho một tương lai năng lượng sạch hơn.
Nhiên liệu sinh học là gì?
Nhiên liệu sinh học (biofuels) là nhiên liệu được sản xuất từ sinh khối (biomass) – vật chất hữu cơ có nguồn gốc từ thực vật, động vật, hoặc vi sinh vật sống gần đây, thay vì từ các nguồn hóa thạch hình thành qua hàng triệu năm. Theo định nghĩa của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (International Energy Agency – IEA), nhiên liệu sinh học là “nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí được sản xuất từ vật liệu sinh học”.
Điểm phân biệt quan trọng giữa nhiên liệu sinh học và nhiên liệu hóa thạch là khung thời gian hình thành. Trong khi dầu mỏ, than đá, và khí tự nhiên được tạo thành từ sinh vật sống cổ đại qua hàng triệu năm dưới nhiệt độ và áp suất cực cao, nhiên liệu sinh học được sản xuất từ sinh khối đương đại trong thời gian ngắn hơn nhiều – từ vài tháng đến vài năm.
Các loại nhiên liệu sinh học chính bao gồm bioethanol (cồn sinh học) – được sản xuất chủ yếu từ cây trồng giàu đường hoặc tinh bột như mía, ngô, hoặc sắn thông qua quá trình lên men; biodiesel (diesel sinh học) – được sản xuất từ dầu thực vật, mỡ động vật, hoặc dầu mỡ tái chế thông qua quá trình gọi là transesterification; và biogas (khí sinh học) – được tạo ra từ phân hủy yếm khí các chất hữu cơ như phân gia súc, rác thải đô thị, hoặc bùn thải.
Giáo sư Lee Lynd từ Đại học Dartmouth, một chuyên gia hàng đầu về nhiên liệu sinh học cellulose, đã viết rằng “nhiên liệu sinh học đại diện cho một trong những cơ hội lớn nhất để giảm phụ thuộc vào dầu mỏ và giảm phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực giao thông vận tải – một ngành khó ‘khử carbon’ nhất”.
Nguồn gốc lịch sử: từ ý tưởng tiên phong đến hiện thực
Lịch sử của nhiên liệu sinh học bắt đầu sớm hơn nhiều người nghĩ. Vào thế kỷ 19, khi động cơ đốt trong mới được phát minh, các nhà tiên phong đã thử nghiệm nhiều loại nhiên liệu, bao gồm cả nhiên liệu từ thực vật.
Rudolf Diesel, người phát minh động cơ diesel, đã thiết kế động cơ của mình để chạy bằng nhiều loại nhiên liệu khác nhau, bao gồm dầu thực vật. Tại Hội chợ Thế giới Paris năm 1900, ông đã trình diễn động cơ diesel chạy bằng dầu lạc. Diesel tin rằng “việc sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu động cơ có thể có vẻ không đáng kể ngày nay, nhưng theo thời gian sẽ trở nên quan trọng như dầu mỏ và sản phẩm từ than đá hiện nay”.
Henry Ford, người sáng lập Ford Motor Company, cũng là người ủng hộ nhiên liệu từ thực vật. Model T của ông, được giới thiệu năm 1908, được thiết kế để chạy bằng ethanol, xăng, hoặc hỗn hợp của cả hai. Ford tin tưởng vào “nhiên liệu nông trại” và thấy tiềm năng to lớn trong việc kết nối nông nghiệp với ngành công nghiệp ô tô.
Tuy nhiên, sự khám phá ra các mỏ dầu mỏ khổng lồ vào đầu thế kỷ 20, đặc biệt là ở Texas và Trung Đông, đã làm cho xăng trở nên rẻ và dễ kiếm hơn nhiều so với nhiên liệu sinh học. Kết quả là, nhiên liệu hóa thạch đã thống trị trong phần lớn thế kỷ 20, và ý tưởng về nhiên liệu sinh học gần như bị lãng quên.
Sự hồi sinh: khủng hoảng năng lượng những năm 1970
Cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973, khi Tổ chức các nước Xuất khẩu Dầu mỏ (OPEC) áp đặt lệnh cấm vận dầu mỏ, đã tạo ra cú sốc lớn cho các nước phụ thuộc vào dầu nhập khẩu. Giá dầu tăng vọt, và các chính phủ đột nhiên nhận ra sự mong manh của an ninh năng lượng dựa hoàn toàn vào nhiên liệu hóa thạch.
Brazil đã phản ứng mạnh mẽ nhất. Năm 1975, chính phủ Brazil ra mắt Proálcool (Chương trình Quốc gia Ethanol), một trong những chương trình nhiên liệu sinh học quy mô lớn đầu tiên trên thế giới. Chương trình này khuyến khích sản xuất ethanol từ mía và sử dụng nó làm nhiên liệu ô tô. Đến giữa những năm 1980, hơn 90% ô tô mới được bán ở Brazil chạy bằng ethanol thuần túy.
Tiến sĩ José Goldemberg, cựu Bộ trưởng Giáo dục và Môi trường Brazil và kiến trúc sư chính của chương trình Proálcool, đã viết rằng “chương trình ethanol của Brazil đã chứng minh rằng một quốc gia có thể giảm đáng kể phụ thuộc vào dầu mỏ nhập khẩu thông qua nhiên liệu sinh học. Nó không phải là không có vấn đề, nhưng nó đã thành công”.
Hoa Kỳ cũng bắt đầu đầu tư vào nhiên liệu sinh học trong thời kỳ này, đặc biệt là ethanol từ ngô. Luật An ninh và Bảo tồn Năng lượng năm 1980 đã cung cấp các ưu đãi thuế cho sản xuất và sử dụng ethanol. Tuy nhiên, khi giá dầu giảm vào giữa những năm 1980, nhiều chương trình nhiên liệu sinh học mất đà.
Thế hệ nhiên liệu sinh học
Các nhà khoa học và nhà chính sách phân loại nhiên liệu sinh học thành các “thế hệ” dựa trên công nghệ sản xuất và nguồn nguyên liệu.
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất được sản xuất từ cây trồng lương thực – ngô, mía, lúa mì cho ethanol; đậu nành, cọ, cải dầu cho biodiesel. Đây là công nghệ đơn giản và đã được chứng minh, nhưng gây ra tranh cãi vì cạnh tranh với sản xuất lương thực và có thể dẫn đến tăng giá thực phẩm và chuyển đổi mục đích sử dụng đất.
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai được sản xuất từ cellulose và lignocellulose – thành phần cấu trúc của thực vật không thể ăn được như rơm rạ, gỗ, cỏ chuyển đổi, hoặc phần không thể ăn được của cây trồng. Công nghệ này không cạnh tranh trực tiếp với lương thực, nhưng phức tạp hơn về mặt kỹ thuật vì cellulose khó phá vỡ hơn đường hoặc tinh bột.
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba dựa trên tảo (algae) – vi sinh vật quang hợp có thể sản xuất dầu, có năng suất cao hơn nhiều so với cây trồng trên cạn và có thể trồng trên đất không phù hợp cho nông nghiệp. Tảo là nguồn nguyên liệu hứa hẹn nhưng vẫn còn nhiều thách thức về chi phí sản xuất quy mô lớn.
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ tư sử dụng sinh học tổng hợp (synthetic biology) để thiết kế vi sinh vật có thể sản xuất nhiên liệu hiệu quả hơn hoặc chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu theo cách mới. Đây là công nghệ tiên tiến nhất và vẫn chủ yếu ở giai đoạn nghiên cứu.
Giáo sư Daniel Kammen từ UC Berkeley đã viết rằng “mỗi thế hệ nhiên liệu sinh học đại diện cho một cố gắng để giải quyết các hạn chế của thế hệ trước – giảm cạnh tranh lương thực, tăng hiệu quả, giảm tác động môi trường. Thách thức là làm cho các công nghệ tiên tiến này kinh tế khả thi ở quy mô thương mại”.
Bối cảnh hiện đại: biến đổi khí hậu và năng lượng tái tạo
Thế kỷ 21 đã chứng kiến sự quan tâm mới đến nhiên liệu sinh học, được thúc đẩy không chỉ bởi mối quan tâm về an ninh năng lượng mà còn bởi nhu cầu cấp bách để giảm phát thải khí nhà kính và giải quyết biến đổi khí hậu.
Nghị định thư Kyoto (1997) và sau đó là Thỏa thuận Paris (2015) đã tạo ra áp lực quốc tế để giảm phát thải carbon. Lĩnh vực giao thông vận tải, chiếm khoảng 24% phát thải CO₂ toàn cầu liên quan đến năng lượng, là mục tiêu chính. Trong khi xe điện đang phát triển, nhiên liệu sinh học được xem là giải pháp quan trọng cho giao thông vận tải hạng nặng, hàng không, và hàng hải – những lĩnh vực khó điện khí hóa.
Theo IEA, sản xuất nhiên liệu sinh học toàn cầu đã tăng từ khoảng 16 tỷ lít năm 2000 lên hơn 160 tỷ lít năm 2019. Hoa Kỳ là nhà sản xuất lớn nhất (chủ yếu ethanol từ ngô), tiếp theo là Brazil (ethanol từ mía), và EU (biodiesel chủ yếu).
Nhiều quốc gia đã đặt ra các ủy nhiệm hoặc mục tiêu pha trộn nhiên liệu sinh học. EU đã đặt mục tiêu 10% năng lượng giao thông vận tải đến từ nguồn tái tạo vào năm 2020 (chủ yếu là nhiên liệu sinh học). Hoa Kỳ có Tiêu chuẩn Nhiên liệu Tái tạo (Renewable Fuel Standard) yêu cầu khối lượng nhất định của nhiên liệu sinh học được pha trộn vào nguồn cung nhiên liệu giao thông vận tải.
Tuy nhiên, nhiên liệu sinh học cũng đối mặt với các thách thức và tranh cãi đáng kể, đặc biệt là liên quan đến bền vững, cạnh tranh lương thực, và lợi ích khí hậu thực tế khi tính đến “thay đổi sử dụng đất gián tiếp” (indirect land use change – ILUC). Chúng ta sẽ khám phá những vấn đề phức tạp này trong các bài sau của series.
Nhiên liệu sinh học có một lịch sử phong phú và phức tạp, từ những thí nghiệm tiên phong của Diesel và Ford cho đến các chương trình quốc gia quy mô lớn và công nghệ tiên tiến ngày nay. Chúng đại diện cho một trong những hy vọng quan trọng nhất để giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm nhẹ biến đổi khí hậu, nhưng cũng đặt ra những câu hỏi khó về bền vững, công bằng, và hiệu quả kinh tế. Trong bài tiếp theo, chúng ta sẽ đi sâu vào các nguồn nguyên liệu cụ thể được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học – từ ngô và mía quen thuộc cho đến tảo và chất thải có triển vọng.
Nguồn nghiên cứu
- Lynd, L. R., et al. (2008). How biotech can transform biofuels. Nature Biotechnology, 26(2), 169-172.
- Goldemberg, J. (2007). Ethanol for a sustainable energy future. Science, 315(5813), 808-810.
- Kammen, D. M., & Lipman, T. E. (2003). Bioenergy in developing countries. Annual Review of Environment and Resources, 28, 349-378.
- International Energy Agency (2020). Renewables 2020: Analysis and Forecast to 2025. IEA Publications.
- 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.
- Somerville, C., et al. (2010). Feedstocks for lignocellulosic biofuels. Science, 329(5993), 790-792.
