CHƯƠNG 2
NĂNG LƯỢNG TỪ BIOMASS
2.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ BIOMASS
2.1.1. Khái niệm về biomass
Biomass là các chất hữu cơ có thể sinh nhiệt năng (trừ nhiên liệu hóa thạch), bao
gồm gỗ, củi, rơm rạ, thân cây cỏ, phân động vật khô, ….
Năng lượng từ biomass đã được con người biết đến và sử dụng từ lâu. Tuy nhiên
biomass bị quên lãng do sự lấn át của các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng cả trên
phương diện kỹ thuật, công nghệ và kinh tế. Gần đây, nhu cầu về năng lượng cung
cấp cho các phương tiện chuyển động ngày càng tăng đồng thời ý thức về môi trường
cũng tăng lên trong khuôn khổ toàn cầu đã buộc chúng ta phải suy nghĩ lại về việc sử
dụng biomass.
Hàng năm khối lượng biomass được sản xuất ra trên toàn cầu là rất lớn. Biomass
có thể được đốt cháy trực tiếp để sinh nhiệt hoặc được chế biến thành các dạng nhiên
liệu rắn, lỏng hoặc khí. Hình 2.1. trình bày tổng quát các phương pháp sử dụng
biomass.

Hình 2.1. Các phương pháp sử dụng biomass.
Theo lý thuyết, năng lượng hữu ích lấy ra từ biomass gấp khoảng 6 lần nhu cầu
năng lượng hiện nay trên toàn thế giới. Tuy nhiên, để có thể thay thế nhiên liệu hoá
thạch bằng năng lượng từ biomass là cả một vấn đề lớn, lâu dài, bởi vì bên cạnh
63
Nguồn Biomass: gỗ,
thân cây, cành cây,
rơm rạ, phân gia súc,
Các quá
trình chế
biến: nhiệt
phân, lên
men, yếm
khí, …

9. Không gây hại cho hệ sinh thái và an toàn đối với môi trường.
10.Không làm tăng lượng khí nhà kính CO
2
trong khí quyển.
- Hạn chế:
1. Đòi hỏi diện tích đất sử dụng lớn, cạnh tranh với đất canh tác
2. Nguồn cung cấp không chắc chắn trong thời gian đầu.
3. Yêu cầu chi phí về phân bón, đất và nước.
4. Cồng kềnh, khó khăn trong khâu vận chuyển và dự trữ.
5. Thay đổi thất thường theo điều kiện khí hậu.
2.1.2. Các nguồn nguyên liệu biomass
Các nguồn nguyên liệu để sản xuất năng lượng sinh học bao gồm phế thải nông
nghiệp, các loại thực vật cho năng lượng, thực vật biển và tảo. Các nguồn biomass
này trải rộng trên toàn cầu và được coi là nguồn nhiên liệu bổ sung quan trọng cho
dầu mỏ.
a) Nguồn phế thải nông nghiệp
- Phế thải thực vật
Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để xác định số lượng phế thải thực vật
được sản xuất trên nhiều vùng khác nhau. Thông tin thu thập được từ các chương
trình nghiên cứu này bao gồm: sản lượng hàng năm, cách sử dụng hiện tại, phương
pháp sử dụng đề nghị và những cản trở việc sử dụng phế thải đúng cách.
Các phế thải dễ tiếp cận như vỏ trấu, thân, cành cây, lá, cuống hoa, dây leo và rễ
luôn là những nguồn năng lượng quan trọng ở vùng nông thôn tại các nước đang phát
triển. Số lượng phế thải của mỗi loại cây trồng được ước tính dựa vào hệ số phế thải
như trình bày trong bảng 2.1. Khoảng giá trị của mỗi hệ số tương đối rộng do
phương pháp thu hoạch khác nhau, đồng thời có thể do số liệu thu thập không chính
xác, nhưng một điều hiển nhiên là số lượng phế thải thu được hàng năm là rất lớn.
64
Khi nhân hệ số phế thải này với diện tích canh tác các loại cây trồng có thể ước tính
lượng phế thải sản xuất ở các nước khác nhau và trên toàn thế giới (bảng 2.2).

1 Nam Mỹ 430 3 2 5 440 19
2 Châu Âu 330 22 4 - 356 15
3 Liên Xô (cũ) 203 18 8 - 229 10
4 Mỹ Latin 118 9 7 58 192 8
5 Châu Phi 99 15 8 10 132 6
6 Châu Á 836 44 38 54 972 41
7 Châu Đại Dương 29 - - 5 34 1
8 Các nước phát
triển
1035 46 14 13 1108 47
9 Các nước đang
phát triển
1009 66 53 119 1247 53
10 Toàn thế giới 2044 112 67 132 2355 100
Không phải tất cả các loại phế thải đều có thể sử dụng làm nhiên liệu. Phế thải
nói chung có rất nhiều công dụng, như làm thức ăn cho gia súc, làm phân bón, làm
nguyên liệu công nghiệp và nguyên liệu chế biến. Cần phân biệt lượng phế thải tổng
cộng và lượng phế thải có thể sử dụng được trong thực tế. Một loại phế thải có thể có
nhiều công dụng khác nhau. Ví dụ: thân cây lúa (rơm rạ) có thể sử dụng để che phủ
bảo vệ đất, giữ ẩm cho đất, cung cấp năng lượng cho vi sinh vật hoạt động, tăng khả
65
năng trao đổi cation và giảm cacbonic. Năng lượng chứa trong phế thải thực vật có
thể tính theo số liệu ở bảng 2.3.
Bảng 2.3. Năng suất phế thải từ ngũ cốc ở các nước đang phát triển
STT Tên nước
Năng suất cây trồng
(t/ha.năm)
Tỷ số cây
trồng/phế
thải

Trung bình tại các nước đang phát triển 5,6
- Phân động vật là một dạng phế thải quan trọng ở các nước đang phát triển.
Cũng như phế thải thực vật, phân động vật có thể được sử dụng theo nhiều cách như
bón thẳng ra ruộng, ủ để làm phân hữu cơ hoặc sản xuất khí sinh hoc (biogas).
b) Cây trồng làm nhiên liệu
- Cây hàng năm: Nhiều loại cây trồng hàng năm có thể sử dụng làm nguyên
liệu để sản xuất nhiên liệu như ngô, mía, củ cải đường, … Tỷ số năng lượng của các
66
loại cây này (là tỷ số giữa năng lượng đầu ra so với tổng năng lượng đầu vào để sản
xuất và chế biến một loại nhiên liệu từ biomass) nằm trong khoảng 1 ÷17. Tuy nhiên
hiện nay việc chế biến nhiên liệu từ sản phẩm của cây trồng hàng năm còn gặp nhiều
khó khăn do tính kinh tế thấp và tính cạnh tranh với cây lương thực.
- Cây rừng và cây lâu năm: Mặc dù rất khó đo đếm, nhưng phải thừa nhận rằng
nguồn tài nguyên rừng trên thế giới là vô cùng lớn. Theo ước tính, tổng diện tích
rừng trên thế giới vào khoảng 3800.10
6
ha, hàng năm có thể cho 19.10
9
m
3
gỗ với
51% từ các vùng nhiệt đới. Trong tổng sản lượng gỗ nói trên, có 11% đang được sử
dụng – 2% cho công nghiệp và 9% làm nhiên liệu.
Mặc dù diện tích rừng rất lớn và trải rộng nhưng phân bố không đều. Nạn phá
rừng đang là vấn đề nghiêm trọng ở nhiều nước đang phát triển, và nhiều thảm hoạ đã
xảy ra ở những vùng mà tốc độ khai thác gỗ làm củi đun nhanh hơn tốc độ phát triển
của cây rừng hàng năm.
- Cây lấy dầu: Gần đây người ta quan tâm nhiều đến các cây lấy dầu như hướng
dương, đậu tương, lạc, cải dầu, cọ, đậu cọc rào, … Nhiều chương trình nghiên cứu về
kỹ thuật sản xuất, ép dầu và tinh chế dầu thực vật làm nhiên liệu đang được tiến hành

mạnh ở Đan Mạch.
2.2.2. Nhiên liệu lỏng từ biomass
Nhiên liệu lỏng sản xuất từ biomass gồm ba loại chính: methanol sản xuất bằng
việc tổng hợp các chất khí; ethanol là sản phẩm lên men từ đường, tinh bột hoặc các
chất xenlulô; dầu thực vật được sản xuất từ các loại hạt thực vật có dầu dùng làm
nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
Việc sản xuất rượu cồn từ vật liệu sinh học (bioethanol) xuất phát từ thực vật
chứa đường, tinh bột hoặc xenlulô. Trọng tâm của phương pháp là một quá trình lên
men để phân giải đường. Thực vật chứa đường như mía, củ cải đường là vật liệu có
khả năng chuyển hoá thành rượu nhanh nhất. Trong khi đó thực vật chứa xenlulô cần
phải qua rất nhiều cấp chuẩn bị để chuyển hoá xelulô thành đường. Trong quá trình
lên men thường phải trải qua nhiều cấp mới có thể lấy được rượu. Ở điều kiện khí
quyển có thể lấy được rượu 96%. Nếu muốn dùng rượu này để trộn lẫn với nhiên liệu
hoá thạch thì cần tách nước còn lại. Để bổ sung làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong
cần thêm một cấp xử lý để tăng trị số ốc tan.Nói chung việc sản xuất bioethanol là
một quá trình có chi phí lớn làm cho sản phẩm bioethanol có giá thành cao nên hiện
nay chưa được sử dụng rộng rãi.
Dầu thực vật để làm nhiên liệu (biodiesel) được sản xuất bằng các phương pháp
và thiết bị khác nhau đều có chung một nguyên lý giống như sản xuất dầu ăn. Hiện
nay có thể chia làm 2 dạng sản xuất chủ yếu: ép dầu tập trung và ép dầu phân tán.
Phương pháp ép dầu tập trung được sử dụng trong các đơn vị sản xuất lớn trong đó có
hai cấp chiết dầu: chiết cơ học lấy được khoảng 85% và sau đó là chiết hoá học lấy
được khoảng 14%, đạt mức tận thu đến 99%. Tuy nhiên phương pháp này yêu cầu
đầu tư lớn. Ngược lại ở những nơi sản xuất phân tán sử dụng dây chuyền rút ngắn với
thiết bị nhỏ gọn, mức lấy dầu thấp hơn do bỏ qua công đoạn chiết dầu hoá học. Để
tách tạp chất có thể sử dụng các bộ lọc kiểu áp suất hoặc đơn giản hơn là nhờ phương
pháp lắng lọc.
2.2.3. Sản xuất nhiên liệu khí từ biomass
Nhiên liệu khí là sản phẩm của quá trình hoá khí các nguyên liệu biomass thô
thông qua các quá trình hoá học. Biomass thô là hợp chất của xenlulô, lignin và các

trình cần được giữ đúng ở nhiệt độ hoá tro của nguyên liệu để đảm bảo hoạt động của
quá trình.
Các quá trình hoá khí và sản phẩm của chúng được trình bày tổng quát trên hình
2.2..
69
70
Hình 2.2. Các quá trình hoá khí và sản phẩm.
Đầu vào
BIOMASS
Không
khí
Ôxy
Hydro
Nhiệt
Hoá khí dùng
không khí
Hoá khí dùng
ôxy
Hoá khí dùng
hydro
Hoá khí
nhiệt phân
Khí năng lượng
thấp (N
2
)
Khí năng lượng
trung bình
Dầu nhiệt phân Than củi
Cơ năng

Tỷ lệ giữa các chất trong hỗn hợp phụ thuộc vào loại nguyên liệu và diễn biến
của quá trình sinh học.
Bảng 2.5. Thành phần của các chất khí trong biogas
Loại khí Tỷ lệ (%)
CH
4
50 70
CO
2
30 45
N
2
0 3
H
2
0 3
O
2
0 3
H
2
S 0 3
Mêtan (CH
4
) là thành phần chủ yếu của khí sinh học. Nó là chất khí không
màu, không mùi và nhẹ bằng nửa không khí, ít hòa tan trong nớc. ở áp suất khí
quyển, mêtan hóa lỏng ở nhiệt độ 161,5
0
c.
Khi Mêtan cháy sẽ tạo ra ngọn lửa màu lơ nhạt và tỏa nhiều nhiệt lợng

loại thực vật nh bèo, cỏ, rơm rạ, phế thải hữu cơ sinh hoạt Khả năng khai thác
biogas và năng lợng từ một số nguyên liệu khác nhau đợc trình bày trong bảng 2.6.
Bảng 2.6. Khả năng khai thác biogas và năng lợng của một số vật liệu hữu cơ.
STT Vật liệu Khả năng khai thác
biogas (l/kg v.c.khô)
Năng lợng hàm chứa
(kWh/kg v.c. khô)
1 Thân lúa mạch 200 310 1,19 1,85
2 Thân cây ngô 380 460 2,27 2,75
3 Thân cây khoai tây 280 490 1,67 2,93
4 Lá củ cải đờng 400 500 2,39 2,99
5 Rau bỏ đi 330 360 1,97 2,15
6 Phân bò 200 400 1,19 2,39
7 Phân lợn 340 350 2,02 3,28
8 Phân gà 330 620 1,97 3,70
9 Bùn 310 740 1,85 4,42
10 Phế thải lò mổ 1200 1300 7,16 7,76
11 Bã mía 450 2,69
12 Vỏ quả 379 2,21

Việt Nam là nớc có nguồn nguyên liệu để sản xuất khí sinh học rất đa dạng.
Do là một nớc nông nghiệp nên lợng chất thải hữu cơ trong chăn nuôi, trồng trọt và
sinh hoạt gia đình là rất lớn. Việc xây dựng các hầm ủ khí sinh học là vấn đề đang
đợc Nhà nớc và các địa phơng quan tâm vì nó không những giải quyết đợc vấn đề
môi trờng mà còn tạo ra đợc một lợng lớn khí sinh học, một nguồn năng lợng sạch và
rẻ tiền phục vụ cho sinh hoạt gia đình đem lại lợi ích kinh tế đáng kể cho các hộ
nông dân.
Việc phân hủy yếm khí xảy ra tốt nhất khi tỷ lệ giữa cácbon và nitơ (C/N) trong
vật liệu nằm ở khoảng 30 tức là vi khuẩn trong quá trình lên men sử dụng C nhanh hơn
N đến 30 lần. Tỷ lệ C/N ở một số vật liệu thông thờng đợc giới thiệu ở bảng 2.7.

40
0
C. Nhiệt độ thấp hoặc thay đổi đột ngột đều làm cho quá trình sinh mêtan yếu
đi. Nhiệt độ môi trờng phân hủy xuống dới 10
0
C thì quá trình phân hủy gần nh dừng
lại. Vì vậy ở những vùng lạnh cần đảm bảo cách nhiệt tốt để giữ ấm cho thiết bị.
Việc xây dựng công trình ngầm dới lòng đất là biện pháp tốt để giữ ổn định nhiệt độ
cho môi trờng phân hủy.
Tỷ lệ C/N của nguyên liệu: Tỷ lệ giữa trọng lợng của C và N có trong thành
phần nguyên liệu là chỉ tiêu đánh giá khả năng phân hủy của nó. Vi khuẩn tiêu thụ
cácbon nhiều hơn nitơ khoảng 30 lần. Vì vậy tỷ lệ C/N của nguyên liệu bằng 30 là
tối u. Tỷ lệ quá cao thì quá trình phân hủy xảy ra chậm, ngợc lại tỷ lệ này quá thấp
thì quá trình phân hủy ngừng trệ vì tích lũy nhiều amôniăc là một loại độc tố đối với
vi khuẩn ở nhiệt độ cao. Nói chung phân trâu, bò và phân lợn có tỷ lệ C/N thích hợp
nhất, phân ngời và phân gia cầm có tỷ lệ C/N thấp. Các nguyên liệu thực vật có tỷ lệ
C/N cao. Để đảm bảo tỷ lệ C/N thích hợp ta nên dùng hỗn hợp các loại nguyên liệu
chẳng hạn dùng phân ngời, phân gia cầm kết hợp với rơm rạ
Hàm lợng chất khô: Khi ta sấy khô nguyên liệu nớc sẽ bay hơi hết và còn lại là
phần chất khô của nguyên liệu. Hàm lợng chất khô là tỷ lệ giữa trọng lợng chất khô
và tổng trọng lợng của nguyên liệu và đợc tính bằng phần trăm (%).
Quá trình phân hủy sinh mêtan xảy ra thuận lợi nhất khi môi trờng có hàm lợng
chất khô thích hợp. Đối với các loại phân hàm lợng chất khô tối u vào khoảng 7
9%. Đối với bèo tây hàm lợng này là 4 5%. Đối với rơm ra hàm lợng chất khô tối -
u là 5 8%. Nguyên liệu ban đầu thờng có hàm lợng chất khô cao hơn giá trị tối u
nên khi nạp vào thiết bị cần phải pha thêm nớc. Tỷ lệ pha loãng thích hợp là từ 1 3
lít nớc cho 1kg phân.
65