Nhiên-liệu-sinh-học (Biofuel hay Agrofuel) là loại chất đốt tái tạo sản xuất từ nguyên liệu động thực vật gọi là sinh-khối (biomass). Gọi là “tái tạo” (renewable) vì chất đốt cơ bản Carbon (C) nằm trong chu trình quang-tổng-hợp (photosynthesis) ngắn hạn - đốt nhiên-liệu-sinh-học sa thải khí CO₂, rồi thực vật canh tác hấp thụ lại CO₂ đó, để tạo thành sinh-khối chế biến nhiên-liệu-sinh-học - trên lý thuyết coi như không làm gia tăng CO₂ trong khí quyển. Nhiên-liệu-sinh-học có thể ở thể rắn như củi, than củi (than-đá thuộc loại cổ sinh, không tái tạo); thể lỏng (như xăng-sinh-học, diesel-sinh-học); hay thể khí như khí methane-sinh-học (sản xuất từ lò ủ chất phế thải). Nhiên liệu ở thể lỏng được ưa chuộng hơn vì có độ tinh khiết cao, chứa nhiều năng lượng, dể dàng chuyên chở, dể tồn trử và bơm vào bình nhiên liệu của xe. Xăng-sinh-học đề cập trong bài này gồm xăng-ethanol (E) và diesel-sinh-học (ở Việt nam gọi là B), tương ứng với xăng-cổ-sinh biến chế từ dầu mỏ là xăng (gasoline) và diesel.

Khuynh hướng sản xuất xăng-sinh-học đang trên đà phát triển, vì nhiều lý do: (i) giá xăng-cổ-sinh ngày càng mắc; (ii) trữ lượng dầu hoả ở các mỏ dầu có giới hạn và sẽ kiệt quệ trong tương lai (khoảng năm 2100); (iii) nhiều quốc gia muốn tuỳ thuộc ít vào việc nhập cảng nhiên liệu cổ sinh trong khi quốc gia họ có khả năng sản xuất nhiên liệu thay thế, và (iv) bị áp lực chính trị phải giảm lượng khí CO₂ sa thải để phù hợp với Thoả hiệp Kyoto (1997) quy định. Nhưng sản xuất và sử dụng xăng-sinh-học có phải là một biện pháp hửu hiệu để cứu vãn tai hoạ khí hậu toàn cầu không?

 

LỊCH SỬ

Nhiên-liệu-sinh-học ở thể rắn (gổ, củi, than củi, phế thải thực và động vật, v.v.) đã được loài người sử dụng từ khi khám phá ra lửa. Khi phát minh ra động-cơ-hơi-nước (steam engine) và máy-phát-điện, nhiên-liệu-sinh-học thể rắn (gỗ) được sử dụng một thời để phát triển kỹ nghệ ở thế kỷ 18 và 19, và gây nhiều ô nhiễm. Ở Việt Nam, xe lưả chạy bằng đốt gỗ cho tới khoảng 1956, mới thay thế bằng động cơ diesel. Ngày nay có khoảng 2 tỷ dân đốt nhiên-liệu-sinh-học ở thể rắn như gỗ, củi, trấu, mạt cưa, rơm rạ, lá khô, v.v. Mặc dầu chứa carbon-tái-tạo, nhưng cho nhiều khói, tro bụi, bồ hóng nên làm ô nhiểm môi trường.

 

Động cơ nổ đầu tiên trên thế giới do Nikolaus August Otto (người Đức) thiết kế sử dụng nhiên-liệu-sinh-học thể lỏng là rượu cồn – ethanol, Rudolf Diesel (người Đức) phát minh động cơ Diesel thiết kế chạy bằng dầu-đậu-phộng (groundnut oil), và Henry Ford (Mỹ) thiết kế xe hơi chạy bằng dầu-thực-vật (từ 1903 đến 1926) chế biến từ dầu chứa trong hạt và thân cây cần sa (hemp - Cannabis sativa).

 

Từ khi khám phá ra nhiên-liệu-cổ-sinh (than đá, dầu hoả, khí đốt) thì ngành kỹ nghệ sử dụng nhiên-liệu-cổ-sinh, vì có hiệu quả kinh tế hơn. Tuy nhiên mỗi khi có chiến tranh, bị địch phong toả khó chuyển vận dầu, hay thế giới có khủng hoảng chính trị, kinh tế, và để không tuỳ thuộc vào dầu hoả nhập cảng (từ Trung Đông), khuynh huớng sử dụng xăng-sinh-học lại bột phát trong những thời kỳ này. Chẳng hạn, Đức và Anh Quốc sản xuất xăng-sinh-học từ khoai tây và lúa mì trong thời kỳ Đệ nhị Thế Chiến. Khủng hoảng xăng dầu năm 1972 do khối OPEC gây ra, làm một số quốc gia có chủ trương tự túc nhiên liệu bằng cách sản xuất xăng-sinh-học từ tiềm năng nông nghiệp đồ sộ của mình. Brazil tiêu biểu cho chính sách này.

 

Kể từ 2000, các quốc gia trên thế giới lần lượt thật sự tuân thủ Thoả hiệp Rio de Janeiro (1992), rồi Kyoto (1997), tìm kỹ thuật hạn chế sa thải khí nhà kiếng (CO₂, methane, N₂O, v.v.) của nhiên-liệu-cổ-sinh, thay thế bằng năng-lượng-xanh (green energy như năng lượng mặt trời, gió, thuỷ điện, v.v.), nên nhiên-liệu-sinh-học đang trên đà bột phát.

 

XĂNG-SINH-HỌC

Xăng-Ethanol (E) thông dụng nhất hiện nay trên thế giới vì dễ dàng biến chế từ đường (sugar - của mía, củ cải đường, cao lương-đường) và tinh bột (starch – của ngũ cốc, khoai tây, khoai mì).

Ethanol (C₂H₅OH) 99.9% có thể chạy động cơ xe-hơi-chạy-bằng-xăng. Khi cháy, một phân tử ethanol sinh một nhiệt lượng 1409 kJ. Tuy nhiên, Ethanol chứa 33% năng lượng ít hơn xăng-cổ-sinh, nên cần nhiều ethanol hơn để xe chạy cùng một đoạn đường. Vì vậy, xe phải có bình chứa nhiên liệu lớn hơn. Thông thường, máy xe hơi chạy hiệu nghiệm với E15 (xăng pha 15% ethanol). Xăng-chứa-ethanol chứa nhiều octane hơn xăng thường nên động cơ mau nóng hơn, máy cũng mau hao mòn hơn, nhất là các vòng đệm cao su. Bất lợi của Ethanol là hút ẩm nên xăng-ethanol có chứa nhiều nước, làm máy khó “đề”, làm rỉ sét kim loại, hư mòn chất nhựa (plastic), nên đòi hỏi phải thay đổi vật liệu làm động cơ, phải bảo trì xe thường xuyên. Bồn chứa ethanol cũng phải làm từ kim loại đặc biệt, việc chuyên chở cũng khó khăn hơn xăng thường (bồn đặc biệt, đắt hơn, khoảng £120,000/xe bồn xăng ở Anh – USD 200,000), nên cuối cùng tổn phí cao (tại Anh, tổn phí sản xuất khoảng 35 pence/lít – 60 cents/lít). Nói tóm lại, nếu tính từ lúc canh tác cây, phân bón, thuốc sát trùng, tưới nước, thâu hoạch, lên men, chưng cất cho tới khi sử dụng, biến cải xe hơi, v.v. thì chạy xe bằng xăng-ethanol tốn kém hơn chạy bằng xăng thường.

 

Ngày nay mọi hiệu xe hơi đều có thể chạy xăng-ethanol E10 (xăng thường pha 10% ethanol), tuy nhiên để bảo đảm máy móc, khuyến cáo nên dùng xăng-ethanol E5 (Xăng pha 5% ethanol). Một vài loại động cơ xe hơi cải biến sử dụng xăng-ethanol E85 như ở Brazil. Cách đây một năm (2007), các trạm bán xăng thuộc một hệ thống siêu thị lớn ở Anh đã lầm lẫn bơm xăng-ethanol E85 vào các trạm bán xăng thông thường, làm cháy hỏng máy mấy ngàn chiếc xe hơi và phải bồi thường cho khách hàng.

 

Xăng pha với ethanol thải ít khí nhà kiếng hơn xăng thường. Chẳng hạn E85 sa thải 1 ppm khí NO₂ trong khi xăng-cổ-sinh thải 9 ppm. Nguy cơ bị ung thư ít hơn khi thở phải khí sa thải của xăng-sinh-học.

Butanol (C₄H₁₀O) cho nhiều năng lượng hơn ethanol và có thể đổ thẳng vào bình xăng xe mà không cần biến chế gì thêm. Chế biến từ dầu mỏ, hay từ lên men nguyên liệu sinh-khối do vi khuẩn Clostridium acetobutylicum.

Methanol (CH₃OH), còn gọi methyl-alcohol được điều chế từ khí methane (CH₄) của khí đốt của mỏ dầu. Methanol cũng được biến chế từ chất hửu cơ động thực vật qua phương pháp đun trong bình kín (không có oxy và hơi nước) ở nhiệt độ cao (pyrolysis).

 

Diesel-sinh-học: Theo phòng thí nghiệm Năng Lượng Tái Tạo Hoa Kỳ (U.S. National Renewable Energy), đốt diesel-sinh-học thải 50% carbon monoxide (CO) và 78% carbon dioxide (CO₂) ít hơn diesel. Cũng không có sa thải Sulphur SO₂. Diesel-sinh-học có những đặc tính vật lý tương tự diesel, thành phần hoá học chính là acít béo - Fatty acid methyl (hay ethyl) ester. Diesel-sinh-học chứa ít năng lượng hơn, nhiệt độ bắt cháy là 150°C, trong khi diesel là 70°C.

Dầu-thực-vật khi hun nóng thì trở nên lỏng, nhờn hơn, nên có thể chạy máy diesel. Dầu-thực-vật trích từ các thực vật chứa nhiều dầu như hột cải-dầu (Oil seed rape), dừa dầu (oil palm), dừa (coconut), đậu nành (soyabean), đậu phộng (groundnut), bông vải (cotton), hạt cao su (rubber), hướng dương (sunflower), cây và hột cần sa (hemp, Cannabis sativa), v.v. Tảo và trái dầu-lai (Jatropha curcas) là những nguồn dầu-thực-vật quan trọng mới ngày nay.

 

Thông thường, để cho động cơ an toàn, diesel-sinh-học được pha với diesel. Tuy nhiên, các loại dầu ăn tinh khiết bán trên thị trường, hay đã sử dụng, đều có thể thay thế diesel để chạy động cơ diesel loại củ (chỉ cần thay thế bộ phận bơm injection). Hiện nay nhiều loại xe hơi hiện đại có động cơ chạy được với dầu-ăn nguyên chất, hay diesel-sinh-học 100%. Chẳng hạn, động cơ xe hơi MAN B &W Diesel, Wartsila và Deutz AG có thể chạy từ dầu ăn nguyên chất. Dầu đã sử dụng (từ trong các tiệm Fast Food) chỉ cần lọc cặn và loại phần nước (do thức chiên xâm nhập) thì chạy được xe hơi. Xe Đức Volkswagen cũng chạy được với diesel-sinh-học 100%. Tuy nhiên, các hãng làm xe hơi khuyến cáo là nên pha 15% diesel-sinh-học với 85% diesel để xe ít bị hao mòn. Các nước Âu Châu hiện nay bán diesel pha 5% diesel-sinh-học ở mọi trạm xăng.

Ở Hoa Kỳ, hơn 80% xe vận tải và xe bus đều chạy bằng diesel-sinh-học, và càng ngày sử dụng diesel-sinh-học càng gia tăng, 25 triệu gallons năm 2004, 78 triệu gallons năm 2005, và khoảng 1 tỷ gallons vào 2007. Xe chở hàng và xe bus ở Âu châu đều chạy bằng diesel-sinh-học.

 

PHƯƠNG PHÁP BIẾN CHẾ XĂNG-SINH-HỌC

Trên nguyên tắc, bất cứ chất vật liệu sinh học nào chứa nhiều Carbon, hoặc dưới dạng đường, tinh bột, cellulose đều có thể chế biến thành ethanol, hoặc chứa nhiều acit béo thì chế biến diesel-sinh-học được. Thông thường nhất là từ thực vật có khả năng quang-tổng-hợp – biến CO₂ của khí quyển thành chất đường, tinh bột, cellulose, rồi protides, lipids, v.v. Trung bình cứ mỗi phân tử CO₂ cây hấp thụ và biến chế qua quang-tổng-hợp thành sinh-khối chứa 114 kilocalories. Khó khăn kỹ thuật hiện tại là làm sao biến toàn thể năng lượng C chứa trong sinh-khối thành xăng-sinh-học. Với kỹ thuật hiện nay (cổ điển), có 2 phương thức hửu hiệu:

(i) Cho lên men (nhờ men và enzymes trong điều kiện yếm khí) chất đường (từ mía, củ cải đường, v.v.), tinh bột [từ hạt ngủ cốc (bắp, lúa, lúa mì, v.v.) và củ (khoai tây, khoai mì, v.v.)], hay cellulose để tạo ra rượu Ethanol (CH₃OH), Propanol [CH₃CH₂CH₂OH; (CH₃)₂CHOH] và Butanol (C₄H₁₀O).

(ii) Trích dầu từ thực vật giàu chất dầu, hay mở từ động vật (ép với áp suất cao và nhiệt, hay bằng dung môi, hay phối hợp cả hai).

 

Về phương diện kỹ thuật (và kinh tế), chia làm 3 loại nguyên liệu:

Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 1: chế biến từ đường (mía, củ cải đường, sorgho-đường) và tinh bột của nông phẩm (từ hạt của bắp, lúa mì, lúa, v.v., hay từ củ như khoai tây, khoai mì, v.v.) để tạo ethanol; hay từ dầu (của hạt dừa-dầu, đậu nành, đậu phộng, v.v.) để biến chế diesel-sinh-học. Kỹ thuật đơn giản và kinh tế nhất.

Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 2: từ cellulose, chất xơ của dư thừa thực vật (rơm, rạ, thân bắp, gổ, mạt cưa, bả mía, v.v.), hay thực-vật-hoang (non-crop) (như cỏ voi, vetiver, lục bình). Chẳng hạn, một ha mía cho khoảng 25 tấn bã mía (bagasse, xác mía sau khi ép), và mỗi tấn bã mía sản xuất 285 lít ethanol. Kỹ thuật hiện nay chưa hoàn hảo, hiệu năng còn kém, con men chưa hửu hiệu và giá đắt, chỉ một phần cellulose và lignin biến thành ethanol, nên giá thành sản xuất còn cao.

Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 3: từ tảo (algae), kỹ thuật đang phát triển.

 

Biến chế Ethanol

Biến chế từ đường. Kỹ thuật dễ dàng, hiệu năng cao, và ít tổn phí nhất là cho lên men (yếm khí) từ đường, hay nước mật (molasse), hay trực tiếp từ nước mía ép, hay nước củ-cải đường ép, như theo lối thủ công hay công nghiệp xưa nay. Ngày nay đã tuyển chọn được nhiều dòng men hửu hiệu, biến đường thành nhiều rượu hơn. Mặc dầu tổn phí biến chế thấp, nhưng đường, và cả phụ phẩm nước mật, là thức ăn của người và gia súc, có giá cao, nên ethanol biến chế từ đường có giá thành cao hơn ethanol sản xuất từ tinh bột. Theo lý thuyết, cứ 1 tấn đường sucrose sản xuất được 678 lít ethanol, tuy nhiên hiệu năng cao nhất hiện nay là 587 lít. 1 tấn đường đen cho 562 lít ethanol, 1 tấn đường cát cho 587 lít. Thân mía chứa khoảng 10-15% đường sucrose, thân cây cao lương-đường khoảng 15-23% sucrose, còn củ-cải-đường khoảng 16-18% sucrose. Trung bình, tại các nhà máy đường ở Hoa Kỳ, cứ sản xuất 100 kg đường thì cho ra 25 lít nước mật (molasse), nước mật có độ đường 49.2%.

Tại Hoa Kỳ, trung bình cứ 1 tấn mía (thân) sản xuất được 81 lít ethanol, 1 tấn nước mật (molasse) cho 289 lít ethanol. Năng suất mía trung bình toàn quốc ở Hoa Kỳ là 65 tấn/ha, cho khoảng 3.90 tấn đường. Riêng tại Hawaii năng xuất tới 170 tấn thân mía/ha (vì mùa trồng dài hơn). Với các giống mía “di-truyền-biến-cải” (GM, genetically modified) tại Brazil, năng xuất tới 240 tấn mía/ha, với độ đường 14.6%. Năng suất mía tại Việt Nam khoảng 35 đến 50 tấn mía/ha. Trung bình 1 ha mía tại Brazil sản xuất được 5,600 lít ethanol, 1 ha củ-cải-đường tại Pháp sản xuất 6,700 lít ethanol, và 1 ha bắp ở Hoa Kỳ sản xuất 3,000 lít ethanol. Năng xuất mía và đường ở Brazil tăng gấp đôi trong thời gian 30 năm 1975-2005, nhờ trồng giống cải thiện, nhất là các giống mía “biến-cải-di-truyền” ngày nay.

 

Biến chế từ tinh bột. Để biến chế ethanol từ tinh bột, tinh bột trước hết phải được điều chế thành đường, rồi từ đó mới lên men rượu. Hạt bắp chứa khoảng 70-72% tinh bột, hạt cao lương khoảng 68-70%, gạo 70-80%. Muốn vậy, hạt ngủ được xay nghiền thành bột, pha với nước, nấu ở 70°C (để biến thành đường) rồi nấu chín ở 100-110°C (vừa diệt trùng vừa thêm đường), để nguội rồi trộn men, cho lên men 48 giờ ở nhiệt độ 36°C. Men dùng thường là vi nấm Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus oryzae, Mucor, Rhizopus, vi khuẩn Zymomonas mobilis. Sau đó, dùng máy ly tâm tách rời chất hèm để làm thức ăn gia súc. Phần chất lỏng, có độ cồn (rượu) 5-15%, được chưng cất ở lò chưng nhiều tầng để tăng độ cồn. Để đạt độ cồn 99.9%, trước đây dùng benzene và cyclohexane (đắt tiền, không tái sử dụng được, và độc gây bịnh) để loại nước. Kỹ thuật ngày nay dùng “chất sàng phân tử” (molecular sieve, như silica gel, zeolite, hút thấm nước nhưng không hút rượu, vì rượu có phân tử lớn hơn) thay thế, rẻ tiền và hiệu quả hơn. Việt Nam có mỏ Zeolite (một loại sét) ở vùng Lâm Đồng.

Một kỹ thuật mới được áp dụng hiệu quả hơn, không cần phải nấu tinh bột (tiết kiệm năng lượng) là sử dụng một loại men (yeast) mới, giúp lên men biến tinh bột thành đường ở nhiệt độ 32°C.

Trung bình, cứ 1 tấn bắp sản xuất được 409 lít ethanol.

 

Biến chế từ chất xơ. Nói chung đó là cellulose, hemicellulose, lignin trong thân lá, rơm rạ, trấu, gỗ, v.v. Cellulose là đường polysaccharide, có công thức (C₆H₁₀O₅)_n, mà số n biến thiên từ 7,000 đến trên 15,000 phân tử glucose. Hemicellulose cũng là đường polysaccharides chứa khoảng 200 đơn vị đường, là thành phần của màng tế bào thực vật. Cây thực vật chứa khoảng 33% cellulose, gỗ khoảng 50%, riêng sợi bông vải (cotton) 90%. Động vật ăn cỏ, mối (termite) tiêu hoá được cellulose nhờ vi-sinh-vật sống cộng sinh trong bào tử (như Cellulomonas), một số vi khuẩn có khả năng biến cellulose ra đường, nhờ chúng sản xuất enzyme cellulase biến cellulose ra đường.

Vì vậy, để biến cellulose thành rượu, bắt chước theo bộ tiêu hoá của động vật ăn cỏ và mối, trước hết phải biến hoá cellulose ra đường đơn giản như hexose, pentose, bằng thuỷ phân (hydrolysis) nhờ một số acid (như trong dịch vị) và enzyme cellulase. Hemicellulose tương đối dể dàng biến thành đường-chứa-5C như Xylose (C₅H₁₀O₅), nhưng xylose không biến chế thành ethanol được. Cũng vậy, với kỹ thuật hiện tại, chưa có cách biến lignin ra ethanol. Vì vậy trước tiên phải loại lignin và hemicellulose, chỉ còn lại thành phần cellulose. Loại lignin bằng sulfuric acid đậm đặc, hay bằng đun sôi trong nước với sodium carbonate, hay butanol. Cellulose sau đó cho lên men với cellulase ở nhiệt độ khoảng 71°C trong vài ngày để biến thành đường.

Hiện tại, sản xuất enzyme cellulase để biến cellulose thành đường khá phức tạp, tốn kém, chiếm khoảng 40% chi phí sản xuất rượu vì gồm 3 loại cellulases:

(i) Endo-p-glucanase, 1,4-ß-D-glucan glucanohydrolase, CMCase, phá huỷ các cầu của chuổi cellulose để biến thành đường glucose và oligo-saccharide.

(ii) Exo-P-glucanase, 1,4-ß - D-glucan cellobiohydrolase, Avicelase, C1: biến thành đường cellobiose (C12).

(iii) ß-glucosidase, cellobiase: thuỷ phân đường cellobiose thành glucose.

 

Vi nấm Trichoderma sản xuất nhiều endo-ß-glucanase và exo-ß-glucanase, nhưng rất ít ß-glucosidase, ngược lại Aspergillus sản xuất nhiều endo-ß-glucanase và ß-glucosidase, nhưng ít exo-ß- glucanase. Vì vậy, muốn có nhiều hiệu quả phải tuyển chọn nhiều dòng nấm. Kết quả cho biết dòng nấm Trichoderma reesei QM-9414 có hiệu quả tốt nhất trong việc biến cellulose thành đường. Trong số dòng này, tuyển chon lại thành dòng KY-746. Phương pháp sản xuất enzyme cellulase từ men Trichoderma reesei dòng KY-746 hửu hiệu và tương đối rẻ tiền và được sử dụng hiện nay. Ngày nay nhiều công ty sản xuất men rượu dùng kỷ thuật “biến-cải-di-truyền” tạo được nhiều dòng men sản xuất enzyme cellulase, xylanase và hemicellulase.

Nguyên liệu chứa nhiều thành phần cellulose như bã mía (41% là cellulose), rơm lúa (35%), gỗ (40-50%) được thái nhỏ trước khi khử với NaOH (nồng độ khoảng 1 – 1.2 N) ở nhiệt độ 45°C trong 24 giờ, tiếp theo là rửa trong nước ấm để loại chất lignin. Dung dịch cellulose được cho lên men với Trichoderma reesei để biến cellulose thành đường.

Hiệu năng biến chế thành rượu ethanol từ chất xơ còn kém, chưa có hiệu quả kinh tế nhiều ở kỹ thuật hiện nay, vì sản xuất cellulase còn rất mắc, thời gian lên men lâu nên dể bị nhiểm trùng làm hư cả bồn lên men.

Để tăng hiệu quả lên men biến các thành phần cellulose, lignin trong nguyên liệu thực vật thành xăng-sinh-học, các nhà vi sinh học đã thành công cấy vào bộ máy di truyền (genome) của vi khuẩn Escherichia coli thêm 2 gen của vi khuẩn Zymomonas mobilis để giúp lên men chất đường và tinh bột thành ethanol, và một gen của vi khuẩn Acinetobacter baylyi để biến chất dầu trong thực vật thành diesel-sinh-học.

Với kỹ thuật hiện tại, biến rơm rạ của lúa và ngũ cốc ra xăng-sinh-học chưa kinh tế. Các nhà khoa học Đài Loan thành công trong phòng thí nghiệm biến chế ethanol từ rơm lúa, cứ mỗi 10 kg rơm rạ lúa biến chế được 2 lít alcohol 99.5% để pha làm xăng-sinh-học (Taipei Times, 19/2/2008), nhưng phải mất vài năm nữa mới có thể sản xuất thương mại quy mô. Các nghiên cứu ở Trung quốc cho thấy xăng-sinh-học sản xuất từ rơm rạ mắc hơn xăng-cổ-sinh khoảng 250 USD/tấn. Ngày 14/1/2008, hảng General Motors của Hoa Kỳ tuyên bố hợp tác với đại công ty sản xuất ethanol Coskata để bắt đầu sản xuất quy mô ethanol từ thân bắp vào cuối năm 2008, và kể từ 2011 sẽ sản xuất 50 – 100 triệu gallons/năm, với giá 1 USD/gallon.

 

Biến chế diesel-sinh-học.

Diesel-sinh-học được chế chế biến từ dầu-thực-vật hay từ mở-động-vật bằng phương pháp ester-hoá. Dầu-thực-vật (hay mỡ) được trộn với sodium hydroxide (NaOH) và methanol (hay ethanol), cùng chất xúc tác (catalyst), phản ứng hoá học xảy ra, cho diesel-sinh-học và glycerol.1 phần glycerol được sinh ra khi tạo được 10 phần diesel-sinh-học. Trước đây, chất xúc tác lấy từ hoá chất của kỹ nghệ lọc dầu hoả, hay Acit sulphuric (đắt tiền và không tái tạo được). Ngày nay, đã khám phá thêm nhiều chất xúc tác mới hữu hiệu, rẻ tiền biến dầu thành nhiều diesel-sinh-học hơn.

 

Điều chế Methanol

Điều chế rượu methanol từ khí methane (CH₄) của khí đốt dầu hoả hay methane-sinh-học. Một cách tổng quát, tất cả nguyên liệu sinh-khối (biomas) đều chứa các nguyên tố chính Carbon (C), Hydrogen (H), Oxy (O), Nitrogen (N), Sulfur (S).

Lên men yếm khí trong lò ủ, chất hửu cơ huỷ hoại thành khí methane (CH₄):

HONS + H₂O → CH₄ + CO₂ + H₂ + H₂O + NH₄ + HS

Khí methane sản xuất từ lò ủ yếm khí chiếm khoảng 65% và CO₂ khoảng 35% thể tích. Sau đó, methane được tổng hợp thành ethanol, hay methanol.

Trong sản xuất kỹ nghệ, khí methane phản ứng với hơi nước ở áp suất 10-20 atmospheres (1-2 MPa) và 850°C với Nickel làm chất xúc tác sẽ cho ra Hydrogen và Carbon monoxide:

CH₄+ H₂O → CO + 3 H₂

Với một chất xúc tác khác (gồm hợp chất đồng, oxit kẻm và nhôm), ở áp suất 50-100 atmospheres (5-10 MPa) và 250°C, tổng hợp Hydrogen và Carbon monoxide tạo thành methanol:

CO + 2 H₂ →  CH₃OH

Với kỹ thuật này cũng sản xuất được khí Hydrogen rẻ tiền, cũng là một nhiên-liệu-thể khí.

Một phương pháp khác là công-nghệ-khí-hoá (gasification), phân hủy nhiệt nhiên liệu khối rắn để tạo ra nhiên liệu khí, dựa trên biến đổi plasma. Đun chất hửu cơ ở nhiệt độ rất cao, trong điều kiện không có oxy, để phá huỷ các “cầu nối” (bond) của phân tử hửu cơ thành “khí-tổng-hợp” (synthesis gas, syngas), rồi dùng các khí này biến chế ethanol hay diesel-sinh-học. Trong trường hợp rác-gia-cư, dùng nhiệt độ cao (250°C) với áp suất thật cao (40 MPa hay 400 atmospheres) đủ để sản xuất khí-tổng-hợp. Chẳng hạn, cứ mỗi 10 kg vỏ-bánh-xe-hơi củ tạo được 15.4 lít ethanol.

Một khám phá mới của Đại học Arkansas (Hoa Kỳ) cho biết vi khuẩn kỵ khí Clostridium ljungdahlii trong bao tử gà có thể biến khí chứa 1 C như methane (CH₄), Carbon monoxide (CO) của lò ủ yếm khí thành methanol.

 

NGUỒN NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT XĂNG-SINH-HỌC

Tất cả thực vật quang-tổng-hợp đều có thể biến chế thành xăng-sinh-học.

Cây nông phẩm chứa đường gồm mía, củ cải đường, cao lương-đường; nông phẩm chứa tinh bột gồm hạt ngủ cốc như lúa mì, lúa, bắp, sorgho, v.v.; củ như khoai tây, khoai mì, khoai lang.

Mía có hiệu quả kinh tế nhất vì cho năng suất thân (khoảng 170-200 t/ha ở Brazil, 80-100 t/ha ở Úc, Việt Nam khoảng 35-50 t/ha), biến chế ethanol thẳng từ nước ép, bã mía dùng làm năng lượng chạy máy ép và chưng cất ethanol. Mía sản xuất trung bình 15,500 lít ethanol/ha/năm, và cứ 1 tấn chất khô mía sản xuất được 438 lít ethanol. Brazil sản xuất ethanol chính từ mía. Cao lương-đường hiện được ưa chuộng hơn mía ở một số vùng nhiệt đới khô hạn, có hiệu quả kinh tế hơn mía. Cao lương-đường canh tác ở Hoa Kỳ cho 28,500 lít ethanol/ha/vụ-4-tháng.

Nông phẩm chứa dầu như đậu nành (sản xuất 379 kg dầu/ha/năm, hay 450 lít dầu/ha/năm), đậu phộng (sản xuất 887 kg dầu/ha/năm), hột-cải-dầu (hột chứa 55% dầu; sản xuất 999 kg dầu/ ha/năm, hay 1,188 lít/ha/năm), hạt bắp (140 lít dầu/ha/năm), v.v.

Cây kỹ nghệ cho dầu như dừa-dầu (oil palm, sản xuất 7,061 kg dầu/ha/năm), dừa (coconut, sản xuất 2,260 kg dầu/ha/năm), cây dầu-lai (Jatropha curcas, sản xuất 1,588 kg dầu/ha/năm), thầu dầu (castor bean, sản xuất 1,188 kg dầu/ha/năm), hướng dương (sunflower, sản xuất 801 kg dầu/ha/năm, hay 954 l/ha/năm), safflower (556 l/ha/năm), v.v.

Thực vật hoang dại: tảo (algae) nước ngọt, tảo biển, lục bình (Eichornia crassipes), cỏ Vetiver, cỏ voi (elephant grass, Pennisetum purpureum, sản xuất 13,700 lít ethanol/ha/năm), lác (Cyperus), cỏ tranh (Imperata cylindrica), v.v.

Phó sản thực vật từ sản xuất cây nông phẩm và cây kỹ nghệ: rơm rạ, bả mía, thân, gổ, mạt cưa, trấu, hột cao su (sản xuất 217 kg dầu/ha/năm), hạt bông vải (sản xuất 273 kg dầu/ha/năm.

Giấy phế thải: 1 tấn giấy củ sản xuất khoảng 416 lít ethanol.

Rác thành phố: 1 tấn rác sản xuất khoảng 227 lít ethanol.

Uế thải chuồng trại gia súc: phân chuồng (tạo methane-sinh-học rồi chế methanol).

 

HIỆN TRẠNG XĂNG-SINH-HỌC TRÊN THẾ GIỚI

Mặc dầu xăng-sinh-học đắt hơn xăng-cổ-sinh, mọi quốc gia trên thế giới đều dần dần chuyển hướng đến sử dụng xăng-sinh-học, vì lý do chính trị muốn ít tuỳ thuộc vào Trung Đông, vì tuân thủ theo quy ước Kyoto giảm sa thải khí nhà kiến và sức ép của giới môi sinh, đồng thời phát triển nông nghiệp tạo công ăn việc làm cho vùng thôn quê.

 

Brazil: Bắt nguồn từ khủng hoảng dầu hoả 1972, Brazil có kế hoạch sản xuất xăng-sinh-học, và hiện nay dẫn đầu thế giới về sản xuất và sử dụng xăng-ethanol và diesel-sinh-học. Hiện tại (2006) Brazil đã có trên 325 nhà máy ethanol, và khoảng 60 nhà máy khác đang xây cất, để sản xuất xăng-ethanol từ mía (đường, nước mật, bã mía), và bắp. Để sản xuất diesel-sinh-học từ hạt cải-dầu và đậu nành, hiện có 10 nhà máy, và 40 nhà máy khác đang xây cất.

Năm 2005, Brazil sản xuất 16 tỷ lít ethanol, chiếm 1/3 sản xuất toàn cầu. Năm 2006, Brazil sản xuất được 17.8 tỷ lít ethanol, dự trù sẽ sản xuất 38 tỷ lít vào năm 2013. Chính phủ Brazil mới đây ra chỉ tiêu 2% diesel-sinh-học cho 2008, và 5% cho năm 2013.

Ngày nay, diện tích trồng mía ở Brazil là 10.3 triệu ha, một nửa sản lượng mía dùng sản xuất xăng-ethanol, nửa kia dùng sản xuất đường. Tiên đoán là Brazil sẽ canh  tác 30 triệu ha mía năm 2020. Vì lợi nhuận khổng lồ, các công ty tiếp tục phá rừng Amazon để canh tác mía, bắp, đậu nành cho mục tiêu xăng-sinh-học vừa tiêu thụ trong nước vừa xuất cảng. Giá xăng-ethanol được bán bằng nửa giá xăng thường tại Brazil.

 

Hoa Kỳ: Hoa kỳ sản xuất Ethanol từ hạt bắp, hạt cao lương và thân cây cao lương-đường, và củ cải-đường. Khoảng 17% sản lượng bắp sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ dùng để sản xuất ethanol. Hoa Kỳ đặt chỉ tiêu sản xuất E10 để cung cấp 46% nhiên liệu cho xe hơi năm 2010, và 100% xe hơi vào 2012. Hãng General Motor đang thực hiện dự án sản xuất E85 từ cellulose (thân bắp), và hiện có khoảng hơn 4 triệu xe hơi chạy bằng E85. Hảng Coskata đang có 2 nhà máy lớn sản xuất xăng-ethanol. Hiện tại nông dân Hoa Kỳ chuyển hướng sản xuất lúa mì và bắp cho xăng-sinh-học, vì vậy số lượng xuất cảng hạt ngũ cốc giảm từ nhiều năm nay, làm giá nông phẩm thế giới gia tăng Vì giá cả xăng-sinh-học còn cao hơn xăng thường, chính phủ Mỹ phải trợ cấp, khoảng 1.9 USD cho mỗi gallon (=3.78 lít) xăng-sinh-học, trợ cấp tổng cộng khoảng 7 tỷ USD/năm.

 

Canada: Chỉ tiêu cho năm 2010 là 45% toàn quốc tiêu thụ xăng E 10.

 

Âu Châu: Cộng-đồng Âu châu (EU) ra biểu quyết chung là mỗi quốc gia phải sản xuất cung cấp 5.75% xăng-sinh-học vào năm 2010, và 10% năm 2020 cho nước mình.

 

Đức là nước tiêu thụ nhiều nhất xăng-sinh-học trong cộng đồng Âu châu, khoảng 2.8 triệu tấn diesel-sinh-học, 0.71 triệu tấn dầu-thực-vật (tinh khiết) và 0.48 triệu tấn ethanol. Công ty sản xuất diesel-sinh-học lớn nhất là ADM Oelmühle Hamburg AG (của Hoa Kỳ), kế đến là MUW (Mitteldeutsche Umesterungswerke GmbH & Co KG) và EOP Biodiesel AG. Nguyên liệu chánh là củ cải-đường để sản xuất ethanol, và dầu-cải và dừa-dầu (nhập cảng từ Mả Lai, Indonesia) cho diesel-sinh-học.

 

Pháp là nước thứ hai tiêu thụ nhiều ethanol-sinh-học trong cộng đồng Âu châu năm 2006, khoảng 1.07 triệu tấn ethanol và diesel-sinh-học. Công ty Diester sản xuất diesel-sinh-học và Téréos sản xuất ethanol là 2 đại công ty của Pháp.

 

Thuỵ Điển có chương trình chấm dứt hoàn toàn nhập cảng xăng cho xe hơi vào năm 2020, thay vào đó là tự túc bằng xăng-sinh-học. Hiện nay, 20% xe ở Thuỵ Điển chạy bằng xăng-sinh-học, nhất là xăng-ethanol. Thuỵ Điển đang chế tạo xe-hơi-lai vừa chạy bằng ethanol vừa bằng điện. Để khuyến khích sử dụng xăng-sinh-học, chính phủ Thuỵ Điển không đánh thuế lên xăng-sinh-học, trợ cấp xăng-sinh-học rẻ hơn 20% so với xăng cổ sinh, không phải trả tiền đậu xe ở thủ đô và một số thành phố lớn, bảo hiểm xe cũng rẻ hơn.

 

Vương quốc Anh: chỉ tiêu 5% xe giao thông sử dụng xăng-sinh-học năm 2010. Hiện tại các xe bus đều chạy xăng-sinh-học. Hảng Hàng Không Virgin (Anh quốc) bắt đầu sử dụng xăng-sinh-học cho máy bay liên lục địa.

Các nước Âu châu nhập cảng dừa-dầu (oil palm) từ Mả Lai và Indonesia để chế diesel-sinh-học.

 

Á Châu

Trung quốc: Năm 2005, Trung quốc sản xuất 920,000 tấn ethanol và khoảng 200,000 tấn diesel-sinh-học. Chỉ tiêu sản xuất 4 triệu tấn ethanol và 2 triệu tấn diesel-sinh-học vào năm 2010, và 300 triệu tấn ethanol vào 2020.

Hiện tại sản xuất xăng E10 ở 5 tỉnh phía nam, cung cấp 16% nhiên liệu cho toàn xe hơi ở Trung quốc. Trung quốc cũng trợ cấp khoảng 163 USD cho mổi tấn xăng-ethanol (nhưng không trợ cấp diesel-sinh-học).

Vì giá cả nông phẩm gia tăng, và sợ thiếu thực phẩm, hiện nay Trung quốc chỉ cho phép canh tác khoai mì, cao lương-đường và một số hoa màu không quan trọng khác trên đất biên tế (nghèo), không thích ứng sản xuất nông phẩm như ở Shangdong và Xinjiang Uygur.

Hiện tại, Trung quốc có 2 nhà máy lớn là Longyan Zhuoyue New Energy Development (thiết lập năm 2001) và Xiamen Zhuoyue Biomass Energy Co. (thiết lập năm 2006), cả 2 đều ở tỉnh Fujian nam Trung quốc. Ngoài ra còn khoảng hơn 100 nhà máy quốc doanh nhỏ ở Guizhou, Guangxi, Shandong, và Anhui, với khả năng sản xuất từ 300 đến 600,000 tấn diesel-sinh-học/năm, biến chế từ dừa-dầu (nhập cảng từ Mã Lai), hay từ dầu-ăn-phế-thải, dầu hạt-cải (trồng ở thung lủng sông Hoàng Hà), dầu bông vải, dầu trẩu (Aleurites moluccana), hạt dầu-lai (jatropha, trồng vùng đồi núi ở Guizhou, Sichuan, và Yunnan trong chương trình xoá đói giảm nghèo) và các phế thải hửu cơ khác.

Hàng năm, Trung quốc tiêu thụ khoảng 22 triệu tấn dầu ăn trong kỹ nghệ thực phẩm, sa thải khoảng 4.5 triệu tấn dầu đã-sử-dụng (sau khi chiên xào rồi) để chạy vào dây chuyền sản xuất diesel-sinh-học.

Để tìm nguồn nguyên liệu khác, các nhà khoa học Trung quốc nghiên cứu cho biết có 1553 loài cây rừng chứa nhiều dầu có khả năng khai thác sản xuất diesel-sinh-học, trong đó là Pistacia chinensis Bungo chứa 40% dầu trong thân mọc trên đồi núi. Trung quốc cũng dự trù trồng 670,000 ha cây dầu-lai (jatropha) để sản xuất diesel-sinh-học.

 

Ấn Độ: Chính phủ có chính sách sử dụng xăng-ethanol E5 hiện nay, sẽ tăng lên E10 và E20 trong những năm tới. Ần Độ gia tăng diện tích trồng cây dầu-lai để sản xuất diesel-sinh-học, và diện tích canh tác mía cho xăng-ethanol.

 

Mả Lai và Indonesia đã phá rừng canh tác thêm dừa-dầu (oil palm) để xuất cảng dầu cho thị trường Âu châu, Hoa Kỳ và Trung quốc cho mục tiêu sản xuất diesel-sinh-học. Hai quốc gia này dự trù cung cấp 20% nhu cầu dầu cho kỹ nghệ diesel-sinh-học của Âu châu vào 2009. Chẳng hạn, tại Tây Kalimantan thuộc Indonesia trong thập niên 1990s có nửa triệu ha cây dừa-dầu, nay (2006) diện tích dừa dầu tăng lên hơn 3.2 triệu ha, và sẽ gia năng lên nữa trong tương lai. Indonesia có chương trình phá rừng để gia tăng diện tích dừa-dầu toàn quốc lên 20 triệu ha. Liên Hiệp Quốc đã cảnh cáo Indonesia về việc phá rừng quy mô này, và tiên đoán rằng 98% rừng Indonesia sẽ bị phá huỷ vào 2022 với đà phá rừng trồng dừa-dầu hiện nay.

 

Thái Lan. Từ năm 1985, Thái Lan đã bắt đầu nghiên cứu sản xuất xăng-sinh-học. Uỷ ban Nhiên-liệu-sinh-học được thành lập năm 2001 để điều hành, và xăng E10 đã bắt đầu bán ở các trạm xăng từ 2003.

 

XĂNG-SINH-HỌC CÓ THẬT SỰ LÀ CỨU TINH TRÁI ĐẤT?

Toàn cầu đang trên đà gia tăng nhiệt độ, lý do chính là do gia tăng số lượng khí nhà kiến phóng thích vào khí quyển do cuộc sống văn minh con người gây nên.

 

Lợi ích của xăng-sinh-học.

Đốt xăng-sinh-học sa thải 18-30% khí nhà kiếng ít hơn đốt xăng-cổ-sinh. Ngoài ra, số khí CO₂ sa thải này được cây hấp thụ lại để tái tạo xăng-sinh-học, như vậy coi như không có làm gia tăng khí CO₂ trong khí quyển. Tường trình của Viện Nghiên Cứu EMPA Thuỵ Sỉ cho biết trong số 26 loại xăng-sinh-học biến chế từ các nguồn nguyên liệu thực vật khác nhau có 21 loại xăng thải 30% khí-nhà kiến ít hơn xăng-cổ-sinh.

 

Đại học Minnesota cho biết ethanol-sinh-học sản xuất từ bắp sa thải CO₂ ít hơn 12% so với xăng, và diesel-sinh-học 41% CO₂ ít hơn so với diesel từ dầu mỏ. Ô nhiễm môi trường sẽ ít hơn, và sức khoẻ con người nhờ vậy tốt hơn.

Biến chế xăng-sinh-học cần nguyên liệu thực vật nên tạo nhiều công ăn việc làm mới cho nông dân. Trung quốc và Ấn độ khuyến khích sản xuất xăng-sinh-học một phần nằm trong chương trình xoá đói giảm nghèo ở các vùng đất khô cằn, không thích ứng trồng cây lương thực.

Ngoài ra, đây cũng là cơ hội giúp khoa học tiến nhanh, tiến mạnh trong nghiên cứu đi tìm năng-lượng-xanh hiệu quả cho toàn cầu, thay thế năng lượng từ nhiên-liệu-cổ-sinh sẽ kiệt quệ vào cuối thế kỷ này.

 

Bất lợi của xăng-sinh-học

Mặc dầu xăng-sinh-học sa thải ít khí-nhà-kiếng hơn xăng-cổ-sinh, tường trình của Viện Nghiên Cứu EMPA Thuỵ Sỉ cũng cho biết là có 12 loại xăng-sinh-học có ảnh hưởng xấu trầm trọng vào môi sinh thế giới hơn xăng-cổ-sinh, trong số đó là ethanol biến chế từ bắp của Hoa Kỳ, từ mía của Brazil, diesel-sinh-học từ đậu nành của Brazil và từ dừa-dầu của Mả Lai và Indonesia.

Nhà khoa học được giải thưởng Nobel là Paul Crutzen cho biết lượng khí N₂O thải từ đốt xăng-sinh-học chế từ dầu-cải, dừa-dầu và bắp góp phần vào gia tăng nhiệt toàn cầu còn mảnh liệt hơn đốt nhiên-liệu-cổ-sinh, bởi vì xăng-sinh-học thật sự thải vào không khí nhiều khí-nhà-kiếng hơn xăng-cổ sinh. Nếu chỉ tính từ việc đốt xăng thì xăng-sinh-học quả thật cho ít khí-nhà-kiếng, nhưng nếu tính từ lúc sửa soạn đất đai, canh tác, phân bón, thuốc sát trùng, tưới nước, thâu hoạch, chế biến, v.v. để thành xăng-sinh-học, tất cả các khâu này đều cần rất nhiều năng lượng lấy từ nhiên-liệu-cổ-sinh, thì sử dụng xăng-sinh-học, vừa đắt tiền hơn, vừa sa thải nhiều khí-nhà-kiến hơn xăng-cổ-sinh, chưa kể tai hại thảm khốc vào môi sinh khi phá thêm rừng Amazon của Nam Mỷ (để trồng thêm mía và đậu nành), rừng nhiệt đới ở Đông Nam Á (để trồng dừa-dầu) và Phi châu (bắp, sorgho), khai khẩn đất than-bùn ở Âu Châu (củ cải-đường). Chẳng hạn, để sản xuất ethanol từ bắp ở Hoa Kỳ, người ta tính rằng cần tới 35 % năng lượng nhiều hơn (kể từ khi gieo đến khi thành ethanol) số năng lượng mà ethanol cho ra khi đốt. Trung bình, để sản xuất được 1 lít ethanol 95% từ bắp thì cần 1.1 lít xăng-cổ-sinh để canh tác và biến chế. Tuy nhiên, số năng lượng để sản xuất ethanol từ bắp này, thay vì lấy từ nhiên-liệu-cổ sinh, nay có thể lấy từ nguồn năng lượng tái tạo khác như mặt trời, gió, hay sinh-khối, v.v. Ngoài ra, hiệu quả năng lượng chạy động cơ của diesel-sinh-học biến chế từ hạt hướng-dương chỉ bằng 46% tổng năng lượng để tạo ra (kể từ lúc gieo trồng). Năng lượng chế tạo ra diesel-sinh-học từ đậu nành (kể từ gieo trồng) cao gấp 3.2 lần năng lượng cần để khai thác xăng-cổ-sinh. Đại học Princeton (Hoa Kỳ) cũng cho biết thay vì tiết kiệm 20% khí CO₂ thải vào khí quyển, canh tác bắp và phương pháp biến chế xăng-ethanol hiện nay thật sự làm gia tăng gấp đôi khí-nhà-kiến sa thải (Science, 2008, Vol. 319, No. 5867, trang 1238-1240).

 

Xăng-sinh-học cạnh tranh với nông phẩm của người và gia súc, làm giá nông phẩm gia tăng trên thị trường thế giới hiện nay (khoảng 50% so với 3 năm trước đây), làm ảnh hưởng đến chăn nuôi gia súc và tôm cá, làm cạn kiệt kho thực phẩm an toàn của thế giới. Để có lợi nhuận nhiều, nông dân ở Hoa Kỳ và Âu châu chuyển hướng giảm diện tích lúa mạch (barley, làm rượu bia, không lợi để làm ethanol), đồng cỏ để trồng bắp, lúa mì, củ-cải-đường. Ngoài ra, vì để sản xuất xăng-sinh-học các quốc gia giàu đã giảm viện trợ nông phẩm thặng dư cho các nước nghèo đói. Chẳng hạn, trung bình hàng năm Anh quốc sản xuất thặng dư 3.5 triệu tấn lúa mì, số lượng này đủ tạo xăng-ethanol cung ứng 3.5% xăng tiêu thụ ở Anh quốc. Thay vì số lúa mì này bán cho chính phủ trong chương trình viện trợ dân nghèo ở Phi Châu như trước kia, nông dân bán cho các công ty sản xuất xăng-ethanol. Chương trình viện trợ nông phẩm thặng dư của Hoa Kỳ PL 480 (Thực phẩm cho Hoà bình, Food for Peace) cho các quốc gia nghèo cũng bị ảnh hưởng tương tự.

 

Gia tăng phá rừng. Hiện nay, khoảng 12 triệu ha – tức khoảng 1% diện tích canh tác toàn thế giới – được dùng sản xuất xăng-sinh-học: mía và bắp để biến chế ethanol; dầu-hạt-cải (oil seed rape) và dừa-dầu (oil palm) để biến chế diesel-sinh-học. Năng lượng dùng canh tác phải tính từ lúc cày xới, máy gieo hạt, phân bón, thuốc sát trùng, tưới nước, máy thâu hoạch, phơi sấy khô, lên men, chưng cất v.v. Tổng số năng lượng này cao hơn năng lượng sinh ra từ xăng-sinh-học. Ngoài ra, khi phá rừng, cày xới đất, chất hữu cơ trong đất bị thiêu huỷ và số lượng CO₂ sa thải vào khí quyển rất lớn.

Nghiên cứu của Đại Học Minnesota (Hoa Kỳ) cho biết phá rừng nhiệt đới (như Brazil, Malaysia, Indonesia hiện nay), biến cải đất than bùn và đồng cỏ (như Hoa Kỳ và Âu Châu hiện nay) để canh tác cho mục tiêu xăng-sinh-học sẽ là một tai hoạ cho thế giới, vì sẽ sa thải CO₂ vào khí quyển từ 17 đến 420 lần nhiều hơn số lượng của số xăng-cổ-sinh tương đương sa thải. Các nghiên cứu gần đây cho biết cứ mỗi ha rừng nhiệt đới bị phá huỷ để trồng dừa-dầu hay bắp hay đậu nành, khoảng 700 tấn CO₂ phóng thích vào không khí, và lượng CO₂ tiết kiệm được từ sử dụng xăng-sinh-học chỉ là một phần nhỏ, phải mất 300 đến 400 năm mới huề vốn CO₂ này (Science, 2008, Vol. 319, No 5867, trang 1235-1238).

Thế giới sẽ không còn đất để sản xuất nông phẩm, bởi vì, giả sử rằng Hoa Kỳ muốn tự túc bằng sử dụng hoàn toàn xăng-sinh-học, thì cần phải sử dụng 75% diện tích canh tác của toàn thế giới để canh tác mới đủ xăng-sinh-học cho Hoa Kỳ.

Vì vậy, sản xuất xăng-sinh-học từ sản phẩm lương thực của con người và gia súc, chuyển hướng lấy đất màu mở vốn trồng cây lương thực, việc phá rừng, phá đồng cỏ, cải tạo đất than-bùn để canh tác sản xuất nguyên liệu biến chế xăng-sinh-học, dùng nhiên-liệu cổ-sinh để canh tác và biến chế xăng-sinh-học sẽ là tai hoạ cho nhân loại chứ không phải là vị cứu tinh để thoát khỏi ám ảnh hâm nóng toàn cầu.

Xăng-sinh-học thật sự là vị cứu tinh nếu được biến chế từ các phế thải rác rến thành phố, dư thừa thực vật (rơm, rạ,..), phó sản của nhà máy (mạc cưa, trấu, bã mía, ..), từ thực vật hoang dại, hay thực vật được canh tác trên vùng đất biên tế không thích ứng cho cây lương thực. Năng lượng để sản xuất và biến chế xăng-sinh-học cũng phải “xanh”.

 

VIỆT NAM VÀ XĂNG-SINH-HỌC.

Trong thời kỳ Đệ nhị thế chiến, xe hơi ở Việt Nam chạy ethanol chế biến từ gạo. Mặc dầu có nhiều mỏ dầu với trử lượng rất khổng lồ (khoảng 600 triệu barrel ước tính năm 2006, 1 barrel ≈ 159 lít), nhưng Việt Nam phải nhập cảng xăng và diesel cho xe cộ và kỹ nghệ còn phôi thai của mình. Chẳng hạn năm 2005, Việt Nam khai thác được 32,4 triệu tấn than và 18,5 triệu tấn dầu thô, nhưng đã phải nhập 11,45 triệu tấn xăng và diesel.

Trước trào lưu sử dụng xăng-sinh-học của thế giới, Việt nam cũng đã bị lôi cuốn theo trào lưu này. Từ cả chục năm nay, báo chí trong nước cũng thường đề cập đến việc phát triển xăng-sinh-học trên thế giới, nhất là khi giá cả xăng dầu tăng vọt. Tháng 7/2006 tại Sài Gòn, và tháng 10/2007 tại Hà Nội, hàng trăm nhà khoa học và kinh doanh ở Việt Nam hội thảo chung quanh vấn đề xăng-sinh-học. Qua các cuộc hội thảo này và báo chí trong nước vào thời điểm này thì chính phủ Việt Nam chưa chuẩn bị gì cho chiến lược, ngoài một số cá nhân chuyên gia và nhà kinh doanh có tầm nhìn xa, chạy trước thời cuộc. Chẳng hạn, về nguyên liệu thì bàn về sử dụng lúa gạo, mía đường, để tạo ethanol; cây dầu-lai (miền Bắc gọi là cây dầu-mè – Jatropha curcas), mở cá ba-sa (khoảng 40,000 tấn/năm). Hội thảo cũng cho biết 3 lý do chính chưa phát triển ngành xăng-sinh-học là: (i) số lượng nguyên liệu sản xuất xăng-sinh-học là tinh bột ngủ cốc, mật rỉ đường và mỡ cá ba-sa còn hạn chế; (ii) chưa có đầu tư thích đáng vì chưa có hỗ trợ của chính phủ, (iii) chính phủ chưa có chính sách. Chung qui, các nhà khoa học và kinh doanh đang mong chờ chính phủ ban hành chính sách và luật lệ rỏ ràng. Các công ty mía đường (như Lam Sơn ở Thanh Hoá), Sài Gòn Petro, Công ty Rượu Bình Tây, Công ty Chí Hùng, v.v. cũng đã có dự án sản xuất ethanol làm nhiên liệu, khi chánh phủ phất cờ cho phép. Tuy nhiên, hiện nay chưa có một nhà kinh doanh nào dám bỏ tiền vào nghiên cứu và đầu tư khi chính phủ chưa có chính sách quy định, chưa có phối hợp ăn khớp giữ các Bộ, thủ tục nhiêu khê: thủ tục đất đai canh tác thì quản lý bởi Bộ Nông nghiệp; quy định tiêu chuẩn sản xuất pha chế xăng-sinh-học thì quản lý bởi Bộ Khoa học-Công nghệ; và sử dụng xăng dầu phải có ý kiến của Bộ Giao thông-Vận tải, v.v.

Theo báo “Khoa Học Phổ Thông” ngày 14/12/2006, thì “Bộ Công nghiệp VN đang xây dựng đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2020”, theo đó “Giai đoạn 2011-2015, sẽ phát triển mạnh sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế nhiên liệu truyền thống, mở rộng quy mô sản xuất và mạng lưới phân phối phục vụ cho giao thông và các ngành sản xuất công nghiệp khác. Đến năm 2020, công nghệ sản xuất sinh học ở VN sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giới, với sản lượng đạt khoảng 5 tỷ lít xăng E10 và 500 triệu lít dầu biodiesel B10/năm”

Ngày 20/11/2007, Thủ tướng chính phủ đã ký phê duyệt “Đề án phát triển nhiên-liệu-sinh-học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” trong đó đặt mục tiêu đến năm 2015, sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 20% nhu cầu xăng dầu của cả nước bằng xăng E5 (pha 5% cồn) và dầu B5 (Diesel pha 5% dầu sinh học), và đến năm 2025, đạt 1.8 triệu tấn, đáp ứng 100% nhu cầu của cả nước bằng xăng dầu pha nhiên liệu sinh học trên. Và khoảng thời gian từ nay đến 2010 là nghiên cứu và ban hành luật lệ liên quan đến sản xuất và sử dụng xăng-sinh-học.

Việt Nam với đất hẹp (diện tích canh tác khoảng 9.3 triệu ha), dân đông (85 triệu năm 2007, trung bình mổi đầu người 0.11 ha), lại nghèo (GDP trung bình toàn dân là US$726/đầu người năm 2006, của nông dân chỉ khoảng 1/2), vùng sản xuất nông nghiệp chính là đồng bằng Cửu Long và Sông Hồng đã quá tải. Đất canh tác hiện nay phải tiếp tục sản xuất nông phẩm thiết yếu cho đời sống người dân (chánh yếu là lúa, hoa màu phụ, cây kỹ nghệ) để tự túc và xuất cảng. Vì vậy Việt Nam phải tìm nguồn nguyên liệu thực vật nào để sản xuất xăng-sinh-học mà:

(i) không tranh dành đất đai với canh tác hoa màu, chăn nuôi gia súc, nuôi cá tôm hiện tại,

(ii) không được phá thêm rừng,

(iii) thích hợp trên diện tích đất bỏ hoang cằn cổi, sa mạc hoá, tổng cộng khoảng 10 triệu ha, gồm đất đồi trọc ở Miền Bắc (4.77 triệu ha), Bắc Trung Việt (1.9 triệu ha), phía Nam Trung Việt (1.63 triệu ha), và Tây nguyên (1.05 triệu ha),

(iv) có hiệu quả kinh tế cao, và

(v) tăng lợi tức, giúp xoá đói giảm nghèo cho nông dân.

Sau đây, tác giả gợi ý một vài nguyên liệu.

1. Sản xuất diesel-sinh-học từ hạt cao-su. Việt nam hiện nay đã có 250,000 ha cao su trưởng thành, và diện tích sẽ gia tăng nhiều trong tương lai (có thể tới 1 triệu ha). Nếu thu góp được tất cả hạt của 250,000 ha này, ngay từ bây giờ Việt Nam có thể sản xuất được 54,250 tấn dầu-cao-su, tương ứng với 1 triệu tấn diesel-sinh-học B5. Dầu hột cao su chứa 18.9% saturated acid (palmitic acid và stearic acid), và 80% unsaturated acid (oleic acid, 24.6 %; linoleic acid, 39.6 %; và linolenic acid, 16.3 %). Hột cao su chín rụng rộ vào khoảng tháng 7 và 8 dương lịch, rất thuân tiện cho các em học sinh nghỉ hè kiếm lợi tức trong việc thu lượm hột. Các cơ sở đồn điền cao su đều đã có sẳn máy móc và phương tiện ép dầu.

2. Canh tác cao lương-đường (Sweet sorghum) trong mùa hạn trên vùng ruộng sạ ở đồng bằng Cửu Long. Trước 1960, sau khi gặt lúa sạ, tại An Giang Châu Đốc đất bỏ hoang từ tháng 1 đến tháng 5 dương lịch là lúc mùa khô, thiếu nước canh tác. Bắt đầu khoảng sau 1965, nông dân trồng cao lương-hạt (grain sorghum, lúa miến) trong các tháng này trên đất thiếu nước bơm để làm thực phẩm gia súc và cá, và lúa thần-nông trên một số ruộng đất dọc sông rạch có khả năng bơm nước. Hiện nay, đa số đất còn bỏ hoang trong mùa nắng vì thiếu nước, hay không lợi khi canh tác lúa (vì giá xăng, phân, thuốc quá cao).

Các vùng ấm hay nóng ở miền Nam Hoa Kỳ đã canh tác cao lương-đường từ hàng trăm năm nay để sản xuất xi-rô (sirup). Các giống Hoa Kỳ này cho năng xuất hột thấp nhưng thân có nhiều đường. Viện Nghiên Cứu Quốc Tế Nông Nghiệp Vùng Khô Hạn (ICRISAT) dùng các giống này để lai tạo thành các “giống lai” vừa cho năng xuất hột cao, năng xuất thân cao và độ đường cao ở cả hột và thân. Thân cao lương-đường chứa 15 đến 23% đường, thân mía chứa 12-15% đường. Chẳng hạn giống lai “Madhura” được lai tạo để có thân chứa nhiều đường (sweet-stem sorghum hybrid) dùng để chế biến ethanol, sirup và đường kẹo. Giống lai Madhura ngắn hạn (120 ngày), trồng 2 vụ/năm cho năng xuất hột tổng cộng từ 2 đến 4 tấn/ha, 5-7 tấn lá khô (cho trâu bò ăn), 15-20 tấn bã (thân sau khi ép lấy đường, làm thức ăn trâu bò), 3-6 tấn đường kẹo hay 5-9 tấn sirup (75% đường), hay 3000 - 4000 lít ethanol 95%. Giống SSH-104 có chu kỳ sinh trưởng 100 – 115 ngày, thân chứa 23% đường, một vụ trồng (4 tháng) cho năng suất thân cây 95-125 tấn/ha, so với mía khoảng 65-90 tấn/ha với vụ trồng dài 10-12 tháng.

Tại vùng Imperial Valley của California, 1 ha trồng cao lương-đường trong 1 vụ 4 tháng sản xuất: 5,600 lít ethanol + 20 tấn xác bã khô (có thể biến thành 10 Megawatt-giờ điện).

Cao lương chịu hạn hán, chịu được đất phèn, đất mặn, đất kiềm, chịu được nước ngập, ít sâu bọ bệnh tật, ít đòi hỏi phân bón, ít tốn nước tưới (chỉ bằng 1/4 nhu cầu nước của mía). Mới đây, các khoa học gia đã cài vào bộ máy di truyền cao lương-đường gen chịu đựng đất phèn nặng vì nhôm. Vùng đất phèn Tứ Giác Long Xuyên nên chọn các giống chịu phèn này.

Cao lương-đường, cũng như cao lương hạt, chịu được khô hạn, nhu cầu nước tối thiểu là 175 m³/ha/vụ, chỉ bằng 1/4 nhu cầu nước để canh tác mía (700 m³/ha/vụ), trong lúc lúa nước cần từ 9,000 đến 15,000 m³/ha/vụ . Lá cao lương có một lớp sáp ngăn chận thoát hơi nước, nên cao lương sử dụng nước hiệu quả hơn các ngũ cốc khác. Chồi và hoa được sinh sản và phát triển trong một thời gian dài, nên khi gặp khô nóng ngắn hạn không bị ảnh hưởng vào thụ phấn. Nếu khô hạn kéo dài, phát hoa ít và nhỏ hơn, trong lúc thân cây chứa nhiều đường hơn. Cao lương cần 310 lít nước để sản xuất 1 kg chất khô, trong khi bắp cần 370 lít nước. Chỉ cần 4000 m³ nước để canh tác, cao lương-đường sản xuất được 1000 lít ethanol, trong lúc mía phải cần tới 36,000 m³ nước để cho kết quả tương đương. Tổng hợp hết mọi chi phí tại Hoa Kỳ kể từ canh tác cho tới chế biến xong xuôi, sản xuất 1000 l ethanol từ cao lương-đường tốn 81.6 USD, từ bắp tốn 89.2 USD, và từ mía tốn 111.5 USD. Năng suất toàn cây trung bình 90-120 tấn/ha/vụ (4 tháng).

Năng suất đường, cũng như năng suất toàn cây cao nhất khi nhiệt độ không khí trung bình 26-27°C, nhiệt độ đất 18-20°C. Quang-tổng-hợp tối đa ở nhiệt độ ban ngày 32°C. Trong một mùa canh tác (4 tháng), 1 ha cao lương hấp thụ 40 tấn C từ không khí qua quang-tổng-hợp.

Năng lượng cần thiết để biến nước ép từ thân cao lương-đường (chính là đường) ra ethanol chỉ bằng 50% năng lượng cần thiết để biến hạt bắp (chính là tinh bột) ra ethanol.

Ần độ cũng nghiên cứu tuyển chọn dòng men hửu hiệu để lên men nước ép từ thân sorgho-đường thành rượu, cho biết dòng men NCIM 3319 hữu hiệu nhất, biến 90% đường thành rượu trong 48-72 giờ.

Cây dầu-lai (Jatropha curcas L.). Cũng còn gọi là cây-dầu-mè hay cây-hàng-rào, cùng họ với khoai mì, cao su (Euphorbiaceae). Trên thế giới có khoảng 175 loài, Việt Nam có 5 loài, trong số đó có cây dầu-lai (Jatropha curcas L.). Cây dầu-lai gốc Trung Mỷ, trồng ở Việt Nam từ lâu đời để lấy dầu từ hạt, hạt chứa khoảng 40% dầu. Cây cao 1-5 m, trồng được nơi khô hạn với vũ lượng 200 mm/năm cho tới nơi có vũ lượng 1200 mm/năm, lý tưởng là 600 – 1000 mm/năm. Khô hạn liên tục 3 năm chỉ làm lá rụng nhưng cây không chết. Vùng duyên hải khô cằn Ninh Thuận Bình Thuận với vũ lượng trung bình 600 mm/năm, hiện bỏ hoang, là nơi thích hợp canh tác cây-dầu lai. Cũng canh tác được trên các đồi trọc (vừa bảo vệ chống xói mòn, vừa cho dầu), đất đang sa-mạc-hoá, đất kiềm vùng duyên hải Trung Việt. Cây không chịu được úng nước, hay đất dốc quá 30 độ, và đất acit (pH <7), pH thích hợp 8-9, thích hợp vùng đất cà giang duyên hải Trung Việt. Không có sâu bọ hay bệnh tật, ngoại trừ đốm lá do Cercospora. Cây trồng bằng hột hay bằng nhánh giâm dể dàng. Nhánh giâm cho trái sau một năm, trồng bằng hạt sau 2 năm. Khoảng cách trồng 2m x 2 m, khoảng 2500 cây/ha. Cho năng xuất hạt cao kể từ năm thứ 4, và thọ khoảng 50 năm. Một cây đơn độc cho 2 kg trái/cây, trung bình năng suất hột từ 3 đến 6 tấn hột/ha/năm, tuỳ đất tốt hay xấu. Trên đất xấu, cho trung bình 0.9 tấn dầu/ha/năm, đất trung bình 1.6 – 2 tấn dầu/ha/năm. Trung bình 4 kg hột ép được 1 lít dầu. Cây dầu-lai có thể trồng xen kẽ với cà phê, cây ăn trái và rau hoa. Dầu có chất độc (không ăn được), trước đây dùng làm đèn cầy, xà phòng, ngày nay làm diesel-sinh-học. Ấn độ dự trù canh tác 14 triệu ha để sản xuất diesel-sinh-học.

Lục bình (Eichornia crassipes). Lục bình xưa nay coi như cỏ dại, sống bềnh bồng trên sông, rạch, ao, hồ, cản trở ghe tàu lưu thông, ngăn cản dòng nước chảy, v.v. Tuy nhiên, nghiên cứu gần đây cho biết lục bình là một nguyên liệu hữu hiệu để sản xuất khí-đốt-sinh-học và xăng-sinh-học. Lục bình cũng dùng để lọc nước phế thải từ nhà máy biến chế thực phẩm, trại chăn nuôi, nước cống rãnh thành phố. Rễ lục bình hấp thụ các kim loại độc trong nước phế thải như chì, thuỷ ngân, strontium, v.v. và chứa các chất này trong rễ với nồng độ gấp 10,000 lần nồng độ kim loại chứa trong nước. Phần cây tươi chứa 95.5% nước, 0.04% N, 0.06% P2O5, 0.2% K2O, 1% chất tro, và 3.5% chất hửu cơ. Lục bình được dùng làm thức ăn cho trâu bò (lên men dưa lục bình với 2% muối, hay ăn tươi), phơi khô đun bếp, tro làm phân, cọng lục bình phơi khô dùng đan giỏ, thủ công, v.v.

Lục bình tăng trưởng rất nhanh, mỗi năm có thể thâu hoạch 4 lần, tổng năng xuất chất tươi/ha/năm biến thiên giữa 20 và 200 tấn ở Florida canh tác từ trong nước sông hồ (không phân bón), cho 300 tấn nếu canh tác trong nước sa thải của thành phố, từ chưồng trại gia súc. Canh tác tại Ấn độ cho năng xuất khoảng 150 tấn chất tươi/ha/năm. Lục bình không sống được ở nước mặn chứa quá 5 g muối/l.

Lục bình sản xuất chất khô (dry matter) khoảng 60-80 tấn/ha/năm ở miền nam Hoa Kỳ (không phân bón), như vậy cao hơn cỏ voi (57 tấn), mía (55 tấn), cao lương (37 tấn), cây rừng bạch đàn Eucalyptus (15 tấn), thông (9 tấn), hướng dương (6 tấn) canh tác với phân bón.

Năng lượng chứa trong 1 tấn chất khô lục bình tương đương với 2.4 barrels dầu hoả (= 381 lít). Cứ mỗi kg chất khô lục bình sản xuất 370 lít khí-sinh-học cho năng lượng 22,000 KJ/m³ (580 Btu/ft³), còn methane ròng 100 % cho 895 Btu/ft³. NAS của Hoa kỳ ước lượng rằng 1 ha lục bình ở miền nam Hoa Kỳ sản xuất 70,000 m³ khí-sinh-học (gồm 70% methane, 30% CO₂). Nước phế thải từ lên men sản xuất khí-sinh-học dùng làm phân hửu cơ.

 

Tại Ấn độ, 1 tấn lục bình phơi khô (không phải chất khô) cho khoảng 50 lít ethanol và 200 kg chất phế thải dùng làm phân bón. Lên men yếm khí 1 tấn lục bình khô cho 750 m³ khí-sinh-học (600 Btu), trong đó chứa 51.6% methane, 25.4% hydrogen, 22.1% CO₂, và 1.2% oxygen. Với kỹ thuật hoá-khí (gasification) ở nhiệt độ cao (800°C) với hơi nước, 1 tấn chất khô lục bình sản xuất 1,100 m³ khí-đốt-tổng-hợp (syngas) chứa 16.6% H₂, 4.8% methane, 21.7% CO, 4.1% CO2, và 52.8% N.

Hiện nay, trên sông Tiền Giang, Hậu Giang và một số sông rạch lớn, một số ít nông dân đóng cọc dọc bờ sông trồng lục bình để lấy sợi dùng đan lác thủ công xuất cảng (như mủ, giỏ xách, ..). Các dề lục bình này cũng bảo vệ được bờ sông tránh xói lở do sóng ghe tàu gây nên, trong khi giữa dòng sông trống trải để ghe tàu lưu thông. Cần phát triển trồng lục bình dọc sông rạch bên trong các cọc, như nông dân canh tác hiện nay. Đặc biệt, lục bình có năng xuất rất cao ở những ao hồ thanh lọc nước thải ở các nhà máy biến chế hải sản, chăn nuôi gia súc, nơi thải nước cống thành phố.

 

Tảo (Algae): là nguồn thực vật đầy hứa hẹn để sản xuất diesel-sinh-học. Cũng cần biết rằng dầu hoả bắt nguồn từ huỷ hoại tảo, chất hửu cơ trầm tích, phiêu sinh, vi sinh vật ở thời cổ đại. Tảo là thực vật có khả năng quang-tổng-hợp, lấy năng lượng mặt trời biến CO₂ thành đường, từ đó tạo protids và lipids. Tảo mọc trong nước ngọt hay nước mặn, từ trong vủng nước nhỏ, ao hồ hay biển. Tuỳ theo loại, tảo giàu protein (như Spirulina maxima chứa 60-70%; Chlorella vulgaris chứa 51-58% protein trọng lượng chất khô), chất bột (carbohydrates) (như Botryococcus braunii chứa 86%, Spirogyra sp. chứa 33-64%; Porphyridium cruentum chứa 40-57% trọng lượng chất khô), và lipids (như Scenedesmus dimorphus, chứa 16-40%; Prymnesium parvum chứa 22-40%).

Các vi sinh gồm tảo, diatoms, và cyanobasteria được gọi chung là “vi-tảo” (microalgae) chứa nhiều dầu và chất béo (trên 30%) là nguyên liệu chế diesel-sinh-học.

Tảo có thể canh tác trong thùng (tank), trong ao, hồ, biển. Quan trọng là phải đầy đủ ánh sáng (mặt trời hay đèn), đầy đủ CO₂ hoà tan trong nước (bằng cách bơm không khí vào nước như nuôi cá, hay bơm khí CO₂), chất dinh dưởng như phân bón hoá học, chất hửu cơ như nước thải từ cống rảnh. Nếu canh tác tảo ngoài biển, cần phải bón thêm phân chứa sắt (iron). Loại tảo xanh Chlorophyceae (green algae) cho nhiều carbohydrates hơn lipids, tăng trưởng mạnh ở 30°C, cần nhiều ánh sáng và nước có độ dẩn điện 55 mmho/cm. Tảo cho tỷ lệ dầu cao khi canh tác trong môi trường thiếu chất dinh dưởng, nhưng năng xuất tảo kém nên năng xuất dầu cũng kém ở môi trường canh tác này.