Nhưng thực tế phức tạp hơn nhiều. Trong khi nhiên liệu sinh học thực sự có những lợi ích quan trọng, chúng cũng đi kèm với những đánh đổi đáng kể và tranh cãi gay gắt. Từ cuộc tranh luận “nhiên liệu hay thực phẩm” cho đến lo ngại về phá rừng, từ tiềm năng giảm phát thải cho đến vấn đề hiệu quả năng lượng – đánh giá cân bằng về nhiên liệu sinh học đòi hỏi chúng ta phải xem xét cả hai mặt của đồng xu.
Ưu điểm: những lợi ích của nhiên liệu sinh học
Tái tạo được và giảm phụ thuộc nhiên liệu hóa thạch
Lợi ích cơ bản nhất của nhiên liệu sinh học là chúng được sản xuất từ sinh khối tái tạo thay vì nhiên liệu hóa thạch hữu hạn. Trong khi dầu mỏ, than đá, và khí tự nhiên mất hàng triệu năm để hình thành và đang dần cạn kiệt, cây trồng sinh khối có thể được trồng hàng năm, cây năng lượng trong vài năm, và tảo trong vài ngày hoặc tuần.
Điều này mang lại an ninh năng lượng quan trọng. Các quốc gia có thể sản xuất nhiên liệu sinh học trong nước thay vì phụ thuộc vào nhập khẩu dầu mỏ từ các khu vực bất ổn địa chính trị. Brazil đã chứng minh điều này một cách ngoạn mục – từ một quốc gia phụ thuộc nặng nề vào dầu nhập khẩu trong những năm 1970, nước này đã trở thành gần như tự cấp tự túc về nhiên liệu giao thông vận tải thông qua ethanol mía và dầu mỏ trong nước.
Giáo sư José Goldemberg, kiến trúc sư chính của chương trình ethanol Brazil, đã viết rằng “an ninh năng lượng không chỉ là về có đủ năng lượng mà là về không phụ thuộc vào nguồn cung ngoại lai có thể bị gián đoạn bởi các sự kiện địa chính trị. Nhiên liệu sinh học cho phép các quốc gia kiểm soát số phận năng lượng của họ”.
Giảm phát thải khí nhà kính
Nhiên liệu sinh học có tiềm năng giảm đáng kể phát thải khí nhà kính so với nhiên liệu hóa thạch. Khi cây trồng phát triển, chúng hấp thụ CO₂ từ khí quyển qua quang hợp. Khi nhiên liệu sinh học được đốt, CO₂ được giải phóng trở lại – tạo ra một chu trình carbon “ngắn hạn” thay vì thêm carbon “mới” từ dưới lòng đất như nhiên liệu hóa thạch.
Tuy nhiên, mức độ giảm phát thải phụ thuộc nhiều vào loại nhiên liệu sinh học và cách sản xuất. Theo phân tích của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), ethanol mía từ Brazil có thể giảm phát thải GHG 70-90% so với xăng khi tính toán chu trình sống đầy đủ. Biodiesel từ dầu mỡ tái chế có thể giảm >80%. Ngay cả ethanol ngô – thường bị chỉ trích – có thể giảm 20-40% phát thải so với xăng với công nghệ sản xuất hiện đại.
Nhiên liệu sinh học cellulose từ phế phẩm nông nghiệp hoặc cây trồng không cạnh tranh với lương thực có tiềm năng giảm phát thải lên đến 90% vì ít năng lượng đầu vào hơn và không có tác động thay đổi sử dụng đất.
Tiến sĩ Michael Wang từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, người phát triển mô hình GREET – một trong những công cụ phân tích chu trình sống được sử dụng rộng rãi nhất – đã viết rằng “không phải tất cả nhiên liệu sinh học đều được tạo ra bằng nhau. Lợi ích khí hậu dao động rộng tùy thuộc vào nguyên liệu, quy trình sản xuất, và đặc biệt là tác động sử dụng đất. Chúng ta cần tiếp cận có sắc thái, không sơ đẳng hóa”.
Phát triển nông thôn và cơ hội kinh tế
Sản xuất nhiên liệu sinh học có thể tạo ra việc làm và thu nhập trong khu vực nông thôn, nơi thường thiếu cơ hội kinh tế. Trồng cây nhiên liệu, xây dựng và vận hành nhà máy nhiên liệu sinh học, và cơ sở hạ tầng phân phối đều tạo ra việc làm.
Tại Hoa Kỳ, ngành công nghiệp ethanol hỗ trợ khoảng 350,000 việc làm trực tiếp và gián tiếp. Tại Brazil, ngành mía và ethanol tạo ra hơn 1 triệu việc làm. Ở các nước đang phát triển, sản xuất nhiên liệu sinh học quy mô nhỏ có thể cung cấp thu nhập cho nông dân nhỏ.
Nhiên liệu sinh học cũng có thể đóng góp vào phát triển công nghiệp. Brazil đã xây dựng một ngành công nghiệp hoàn chỉnh xung quanh ethanol mía, từ chọn giống cây trồng và thiết bị nông nghiệp cho đến công nghệ sản xuất và động cơ flex-fuel, xuất khẩu công nghệ này sang các quốc gia khác.
Cải thiện chất lượng không khí
Ethanol là chất tăng octane sạch hơn và có thể thay thế các chất phụ gia có hại như MTBE (methyl tertiary-butyl ether) từng được sử dụng trong xăng nhưng gây ô nhiễm nước ngầm. Pha trộn ethanol cũng làm giảm phát thải một số chất gây ô nhiễm như carbon monoxide và các hạt siêu mịn.
Biodiesel giảm phát thải các hạt, carbon monoxide, và hydrocarbon không cháy hết so với diesel hóa thạch, mặc dù có thể tăng nhẹ nitrogen oxides. Việc sử dụng biodiesel trong xe buýt và xe tải đô thị có thể cải thiện chất lượng không khí địa phương.
Nhược điểm: những thách thức và tranh cãi
Cạnh tranh giữa nhiên liệu và lương thực
Đây có lẽ là tranh cãi lớn nhất xung quanh nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất. Sử dụng cây lương thực như ngô, lúa mì, và dầu thực vật để sản xuất nhiên liệu tạo ra sự cạnh tranh trực tiếp với sản xuất thực phẩm, có thể dẫn đến tăng giá lương thực và ảnh hưởng đến an ninh lương thực, đặc biệt ở các quốc gia nghèo.
Cuộc khủng hoảng giá lương thực toàn cầu năm 2007-2008 đã đặt vấn đề này vào tâm điểm chú ý. Giá ngô, lúa mì, và các hàng hóa khác tăng vọt, một phần do nhu cầu tăng cho nhiên liệu sinh học. Ngân hàng Thế giới ước tính rằng sản xuất nhiên liệu sinh học đã đóng góp 70-75% vào tăng giá lương thực trong giai đoạn này (mặc dù con số này bị tranh cãi).
Tiến sĩ Lester Brown, sáng lập viên Earth Policy Institute, đã cảnh báo rằng “siêu cường suất hiện đang cạnh tranh với 800 triệu người có ô tô và 800 triệu người đói cho cùng nguồn ngũ cốc. Kết quả là tăng giá lương thực đe dọa tiến bộ trong giảm nghèo và đói”.
Tuy nhiên, những người ủng hộ lập luận rằng nhiên liệu sinh học chỉ sử dụng một phần nhỏ sản lượng ngũ cốc toàn cầu (khoảng 2-3%), và vấn đề thực sự là sản xuất lương thực không hiệu quả, lãng phí thực phẩm (1/3 lương thực toàn cầu bị lãng phí), và phân phối không công bằng. Họ cũng chỉ ra rằng sản xuất ethanol tạo ra các sản phẩm phụ giàu protein (như DDGS – distillers dried grains with solubles) được sử dụng làm thức ăn gia súc.
Thay đổi sử dụng đất và phá rừng
Một mối lo ngại nghiêm trọng khác là thay đổi sử dụng đất (land use change – LUC) gây ra bởi mở rộng sản xuất nhiên liệu sinh học. Nếu rừng hoặc đồng cỏ tự nhiên bị chuyển đổi thành đồn điền sinh khối, lượng carbon được lưu trữ trong thực vật và đất bị giải phóng, có thể lớn hơn lượng carbon tiết kiệm được bằng cách thay thế nhiên liệu hóa thạch trong nhiều thập kỷ.
Vấn đề đặc biệt tệ với dầu cọ ở Indonesia và Malaysia, nơi rừng nhiệt đới và rừng than bùn – kho carbon khổng lồ – đã bị phá để mở rộng đồn điền cọ. Nghiên cứu cho thấy rằng biodiesel từ dầu cọ trồng trên đất chuyển đổi từ rừng nhiệt đới có thể có lượng khí thải GHG cao hơn diesel hóa thạch khi tính đến “nợ carbon” (carbon debt) từ phá rừng.
Thậm chí còn có thay đổi sử dụng đất gián tiếp (indirect land use change – ILUC). Nếu đất canh tác hiện có được chuyển sang sản xuất sinh khối, sản xuất lương thực có thể chuyển sang nơi khác, có thể gây ra phá rừng ở những khu vực khác. ILUC khó định lượng nhưng có thể đáng kể.
Tiến sĩ Tim Searchinger từ Princeton, người dẫn đầu nghiên cứu về ILUC, đã viết rằng “khi chúng ta xem xét tác động sử dụng đất toàn cầu, một số con đường nhiên liệu sinh học có thể thực sự làm tăng phát thải khí nhà kính thay vì giảm chúng. Đây là một lỗ hổng lớn trong chính sách nhiên liệu sinh học”.
Sử dụng nước và tác động môi trường khác
Sản xuất nhiên liệu sinh học có thể tiêu tốn lượng nước đáng kể, đặc biệt ở các khu vực khan hiếm nước. Trồng ngô cho ethanol ở Hoa Kỳ tiêu tốn khoảng 1,000-2,000 lít nước cho mỗi lít ethanol (chủ yếu là nước mưa, nhưng ở một số khu vực cần tưới tiêu). Mía chịu hạn tốt hơn nhưng vẫn cần nước. Tảo có tiềm năng sử dụng nước mặn hoặc nước thải, nhưng công nghệ vẫn chưa trưởng thành.
Canh tác cây nhiên liệu cũng có thể dẫn đến ô nhiễm nước từ phân bón và thuốc trừ sâu chảy ra, xói mòn đất, và mất đa dạng sinh học nếu trồng đơn canh quy mô lớn. Việc đốt bã mía (bagasse) và rơm rạ trong đồng ruộng – vẫn còn phổ biến ở một số nơi – gây ô nhiễm không khí.
Hiệu quả năng lượng thấp
Một tranh cãi là hiệu quả năng lượng của một số nhiên liệu sinh học, thường được đo bằng EROI (Energy Return on Investment – lượng năng lượng thu được chia cho năng lượng đầu vào). Ethanol ngô có EROI chỉ khoảng 1.3-1.8, có nghĩa là cứ 1 đơn vị năng lượng hóa thạch đầu vào chỉ tạo ra 1.3-1.8 đơn vị năng lượng ethanol. Ethanol mía tốt hơn nhiều (8-10), nhưng ethanol cellulose vẫn đang được cải thiện.
Giáo sư David Pimentel và Tad Patzek đã công bố các nghiên cứu gây tranh cãi lập luận rằng ethanol ngô có EROI âm (sử dụng nhiều năng lượng hơn tạo ra), mặc dù hầu hết các nghiên cứu khác không đồng ý. Tuy nhiên, ngay cả với EROI dương, hiệu quả thấp có nghĩa là nhiên liệu sinh học đòi hỏi diện tích đất lớn để tạo ra lượng năng lượng đáng kể.
Giáo sư Vaclav Smil, một trong những học giả năng lượng được tôn trọng nhất, đã viết rằng “quang hợp là cách không hiệu quả để thu giữ năng lượng mặt trời – chỉ khoảng 1-2% hiệu suất cho hầu hết cây trồng. Pin mặt trời hiệu quả hơn 10-20 lần. Nhiên liệu sinh học có vai trò, nhưng chúng không thể thay thế phần lớn nhiên liệu hóa thạch đơn giản vì hạn chế đất đai và hiệu quả”.
- Nhiên liệu sinh học là gì? Nguồn gốc và quá trình phát triển của nhiên liệu sinh học
- Nguồn nào được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học?
- Nhiên liệu sinh học khác nhiên liệu hóa thạch như thế nào?
- 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
Chi phí kinh tế và cần trợ cấp
Hầu hết nhiên liệu sinh học hiện không thể cạnh tranh về kinh tế với nhiên liệu hóa thạch mà không có trợ cấp đáng kể hoặc ủy nhiệm bắt buộc. Hoa Kỳ, EU, và nhiều quốc gia khác đã chi hàng tỷ đô la cho trợ cấp nhiên liệu sinh học – tiền thuế có thể được sử dụng cho giáo dục, y tế, hoặc nghiên cứu các công nghệ năng lượng khác.
Những người phê bình lập luận rằng tiền này có thể được sử dụng hiệu quả hơn cho các giải pháp giảm carbon khác như năng lượng mặt trời, gió, hoặc xe điện. Những người ủng hộ lập luận rằng nhiên liệu hóa thạch cũng nhận được trợ cấp lớn (ẩn và công khai) và không tính chi phí bên ngoài như biến đổi khí hậu và ô nhiễm không khí.
Nguồn nghiên cứu
- Goldemberg, J., & Guardabassi, P. (2009). Are biofuels a feasible option? Energy Policy, 37(1), 10-14.
- Wang, M., et al. (2012). Methodology for allocating co-product emissions. International Journal of Life Cycle Assessment, 17(6), 707-717.
- Brown, L. R. (2008). Why ethanol production will drive world food prices even higher in 2008. Earth Policy Institute.
- Searchinger, T., et al. (2008). Use of U.S. croplands for biofuels increases greenhouse gases. Science, 319(5867), 1238-1240.
- Pimentel, D., & Patzek, T. W. (2005). Ethanol production using corn, switchgrass, and wood. Natural Resources Research, 14(1), 65-76.
- Smil, V. (2010). Power Density: A Key to Understanding Energy Sources and Uses. MIT Press.
- Kammen, D. M. (2006). Bioenergy in developing countries. In Renewable Energy (pp. 1-35). Island Press.
- Fargione, J., et al. (2008). Land clearing and the biofuel carbon debt. Science, 319(5867), 1235-1238.
