DMCA.com Protection Status

Kinh nghiệm xử lý rơm rạ và tận dụng làm nguồn nguyên liệu sản xuất năng lượng tại Nhật Bản  quan tâm

Được viết bởi: KNV

Cập nhật lúc 11:03 ngày 26/08/2018

Theo khung Nghị định thư Kyoto, Nhật Bản phải giảm lượng phát thải khí nhà kính tới 6% so với tỷ lệ của năm 1990. Do vậy, ngành công nghiệp năng lượng của Nhật Bản sẽ phải tiếp cận tới nguồn năng lượng tái tạo vốn chưa được chú trọng nghiên cứu cùng với các công nghệ bảo tồn năng lượng. Việc sử dụng năng lượng tái tạo hiện tại ở Nhật Bản mới ở tỷ lệ rất thấp. Luật Thúc đẩy Năng lượng mới được sửa đổi vào 25/1/2002 được ban hành để thúc đẩy việc áp dụng những hệ thống mới này. Sử dụng các phế thải dư thừa nông nghiệp lần đầu tiên được đưa ra bàn thảo, nghiên cứu một cách nghiêm túc bắt đầu từ quá trình cấm vận dầu mỏ của thấp niên 70 của thế kỷ trước. Tuy nhiên, khi giá dầu giảm sau khi sự cấm vận kết thúc, thì các sản phẩm bã nông nghiệp thải loại bị mất tính cạnh tranh đối với nhiên liệu hóa thạch. Kết quả là, hiện tại chưa có các loại bã nông nghiệp thải loại nào được sử dụng ở Nhật Bản. Bảng 10 cho thấy tiềm năng năng lượng của rất nhiều loại chất dư thừa nông nghiệp ở Nhật bản.

Bảng 10: Sản lượng các loại sản phẩm phụ nông nghiệp hàng năm (năm 2002)

 

Sản lượng (t/năm)

Tỷ lệ dư (-)

Sản lượng bã dư (t/năm)

Gạo

9.472.000

1,43

13.544.960

Lúa mỳ

688.200

2,53

1.741.146

Lúa mạch

192.200

2,5

490.500

Khoai lang

1.008.000

1,14

1.149.120

Khoai tây

2.844.000

1,14

3.242.160

Đậu tương

235.000

2,14

502.900

Rỉ đường

1.395.000

0,52

725.400

Ngô

5.287.000

1,1

5.815.700

Cây lúa miến (sorghum)

1.625.000

1,57

2.551.250

Tại Nhật Bản, rơm lúa hiện được sử dụng và tiêu hủy theo các cách sau: để cày xới lại vào đất trên đồng 61,5%, làm thức ăn cho động vật 11,6%, làm phân xanh 10,1%, lợp mái cho chuồng nuôi gia súc 6,5%, vật liệu che phủ trên ruộng 4%, đồ thủ công từ rơm 1,3%, các loại khác 0,3%, đốt cháy 4,6%. Chỉ có 4,6%, tỷ lệ tiêu hủy thông qua đốt cháy hiện tại, là có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng. Cách chính để phân hủy rơm rạ hiện tại ở Nhật vẫn là bón lại cho đồng.

Để sử dụng rơm rạ làm nguồn năng lượng, chúng phải được bảo quản bên ngoài đồng ruộng và được thu thập với khối lượng thích hợp với quy trình chuyển hóa năng lượng. Hiện tại, 60% rơm rạ được sản xuất ra theo cách cắt khúc tự động bằng các máy gặt liên hợp, được trải lên ruộng và sau đó được cày lẫn vào với đất. Khi nông dân muốn thu thập rơm rạ mà không cắt khúc họ phải gắn một thiết bị được gọi là “knotter” lên máy gặt liên hợp để bó rơm lại thành bó và sử dụng máy “roll bailer” để nhặt những bó rơm trên đồng.

Các công nghệ chuyển hóa năng lượng đối với rơm rạ

Các công nghệ chuyển hóa có khả năng áp dụng cho rơm rạ gồm đốt nhiệt trực tiếp, sản xuất nhiệt điện trực tiếp, khí hóa và sản xuất điện (động cơ chạy bằng khí, tuabin hơi, pin nhiên liệu), khí hóa và sản xuất methanol, nhiệt phân nhanh (flash Pyrolysis), axit hydrolysis và lên men ethanol, đốt cùng nguyên liệu khác (co-firing). Chỉ có hai trong số các công nghệ này, nhiệt đốt cháy và sản xuất nhiệt điện trực tiếp là đã được thương mại hóa. Các nồi hơi sôi thông thường và các bình đun nước nóng có khả năng áp dụng công nghệ đốt nhiệt trực tiếp và hệ thống này có thể được sử dụng ở các trường trung học và bệnh viện của Nhật Bản. Quy mô của các nồi đun sôi ở Nhật Bản là 400kg/h hơi. Tuy nhiên, cho tới nay công nghệ này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi ở Nhật Bản, do đòi hỏi lượng tiêu thụ rơm rạ rất lớn so với lượng rơm có thể thu hoạch và tích trữ được tại một vùng, ngoài ra khí hậu ôn hòa của Nhật Bản cũng làm hạn chế nhu cầu về nhiệt trực tiếp ngoại trừ một số vùng như Hokkaido. Những công nghệ khác như đốt cháy trực tiếp và phát điện tua bin hơi cũng có khả năng sử dụng rơm rạ, tuy nhiên những công nghệ thông thường này có chi phí cho việc sản xuất rất cao do quy mô quy trình xử lý nhỏ, chi phí cho các thiết bị thu hồi năng lượng cao. Các công nghệ khí hóa và phát điện (bằng động cơ khí, tuabin hơi, pin nhiên liệu) cũng cần phải có những cải tiến về mặt kỹ thuật cũng như giảm chi phí đối với việc sử dụng rơm rạ làm nguồn nhiên liệu.

Công nghệ đốt cùng nguyên liêu khác (co-firing) có đặc điểm là đạt được giá trị nhiệt cao hơn so với giá trị nhiệt của rơm rạ khi được đốt một mình. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn cần phải được nghiên cứu sâu hơn ở những khía cạnh như hàm lượng độ ẩm, hàm lượng tro và cần phải phát triển công nghệ tiền xử lý rơm rạ trước khi được đốt trong lò.

Các triển vọng sử dụng rơm rạ ngắn hạn và dài hạn

Ngắn hạn

Để đáp ứng các mục tiêu nghị định thư Kyoto đề ra cho giai đoạn 2008-2012, Chiến lược chính của Nhật bản sẽ là sử dụng rơm rạ với công nghệ thông thường. Rơm rạ sẽ được sử dụng với mục đích rõ ràng là nhằm làm giảm phát thải cácbon điôxit. Với vai trò là công nghệ thông thường, đốt nóng nhiệt trực tiếp (các nồi đun sôi và cung cấp nước nóng) và sản xuất điện đốt cháy trực tiếp là khả thi.

Dài hạn

Tương lai của việc tận dụng rơm rạ cho tới năm 2050 rất khó dự đoán, xét trên việc nó phụ thuộc nhiều vào chính sách cung cấp gạo của Nhật Bản. Tuy nhiên, có thể cải thiện hiệu suất chuyển hóa của rơm rạ bằng cách phát triển và đưa vào sử dụng những công nghệ đốt co-firing, khí hóa và phát điện. Thách thức đối với việc phát triển những công nghệ này có thể là tán bột đối với co-firing, xử lý hắc ín đối với khí hóa và giảm chi phí sản xuất của pin nhiên liệu đối với việc phát điện.

Gần đây, chính phủ Nhật Bản đã bắt đầu quan tâm nhiều hơn tới việc sử dụng rơm rạ. Năm 2008, chính phủ Nhật Bản đề ra kế hoạch phát triển quy trình sản xuất chi phí thấp ethanol sinh học xenlulo triết suất từ rơm rạ. Các quan chức của Bộ Nông Lâm Ngư nghiệp cho biết, công nghệ triết xuất ethanol sinh học từ rơm rạ hiện đã có tuy nhiên mới chỉ thành công ở quy mô trong phòng thí nghiệm. Bộ Nông Lâm Ngư nghiệp Nhật Bản dự kiến đưa công nghệ này thành một quy trình mang tính thương mại bằng cách xây dựng một quy trình từ tập hợp, vận chuyển rơm, cho tới sản xuất và sử dụng nhiên liệu tổng hợp được. Nhiên liệu sản xuất ra sẽ được sử dụng cho các phương tiện giao thông và các mục đích sử dụng khác. Quận Akita đã được chọn là nơi để tiến hành dự án thí điểm sử dụng xenlulo nhẹ. Dự án thí điểm này nhằm mục đích thực hiện các xét nghiệm kiểm tra để thiết lập nên công nghệ sản xuất ethanol sinh học từ sinh khối xenlulo nhẹ, ví dụ như rơm rạ và trấu. Nguyên liệu thô để sản xuất ethanol sinh học sẽ là rơm rạ và trấu của xã Ogata, một trong những khu vực trồng lúa gạo hàng đầu ở Nhật Bản. Công ty Akita Agriculture Public sẽ thu thập và vận chuyển nguyên liệu sinh khối, còn Hệ thống Nhà máy Kawasaki của Tập đoàn Công nghiệp Nặng Kawasaki (Kawasaki Heavy Industries Group) sẽ chịu trách nhiệm sản xuất nhiên liệu sinh học và thực hiện các xét nghiệm kiểm tra nhiên liệu sinh học từ giai đoạn tài khóa 2008 tới 2012. Được công bố vào 14/11/2008, hệ thống sản xuất ethanol sinh học đã được lắp đặt ở Tp. Katagami bao gồm các quy trình tiền xử lý, glycation, lên men và chưng cất. Quy trình glycation khai thác một công nghệ sản xuất ethanol sinh học tiên tiến bằng một hệ thống nhiệt mà Kawasaki đồng phát triển cùng với Cơ quan Phát triển Công nghệ Công nghiệp và Năng lượng mới (NEDO). Công suất sản lượng của hệ thống này được dự kiến đạt 200 lít/ngày, với công suất sản lượng tối đa là 22,5 kilo lít/năm cho 112 ngày vận hành. Bã lên men có thể được sử dụng để làm phân bón.

Tiến tới, chính phủ Nhật Bản còn dự kiến hỗ trợ cho Trung Quốc và Thái Lan trong việc xây dựng các nhà máy nhiên liệu sinh học và tiến hành sản xuất nhiên liệu.