Khí sinh học là khí nhiên liệu được tạo ra từ sinh khối, bằng quá trình phân hủy hoặc hóa học. Khí sinh học chứa 50% đến 75% khí mê-tan, trong khi tỷ lệ còn lại là carbon dioxide và dấu vết của các hợp chất khác.
Khi được giảm xuống gần như khí mê-tan tinh khiết, khí mê-tan sinh học có thể thay thế “khí tự nhiên” dựa trên nhiên liệu hóa thạch để sản xuất điện, vận chuyển, sưởi ấm và nấu ăn tại nhà. Tại Hoa Kỳ, gần như toàn bộ khí sinh học được sản xuất để sử dụng trong sản xuất điện.
Khí sinh học được tạo ra như thế nào?
Hình ảnh VectorMine / Getty
Các chất hữu cơ tự nhiên như tàn dư cây trồng, phân động vật, cũng như chất thải lâm nghiệp và chế biến gỗ, được phân hủy trong các bể phân hủy sinh học, sử dụng quá trình phân hủy kỵ khí (không có oxy) để tạo ra khí sinh học. Khí sinh học cũng có thể đến từ việc thu hồi khí mêtan từ các bãi chôn lấp và từ bùn của nhà máy xử lý nước thải.
Tiêu hóa kỵ khí là gì?
Quá trình phân hủy kỵ khí sử dụng vi sinh vật để phân hủy vật liệu sinh học mà không cần oxy. Đó là một quá trình gồm nhiều bước: Vi khuẩn biến chất hữu cơ thành các dẫn xuất hòa tan, sau đó được các vi khuẩn khác phân hủy thành đường đơn, axit amin và axit béo. Sau đó, chúng được chuyển đổi tiếp thành axit axetic, amoniac, hydro, carbon dioxide và các hợp chất khác, cuối cùng thành metan, carbon dioxide và các hợp chất vi lượng khác.
Hầu hết khí sinh học ở Hoa Kỳ đến từ chất thải rắn đô thị (bãi chôn lấp), trong khi ở châu Âu nó đến từ chất thải cây trồng và phân động vật, còn ở Trung Quốc chủ yếu là từ phân bón.
Lợi ích môi trường của khí sinh học
Khí sinh học có thể có những lợi ích về môi trường, một số lợi ích rõ ràng hơn những lợi ích khác. Ví dụ, không giống như năng lượng gió và mặt trời, khí sinh học có thể được sử dụng theo yêu cầu khi các nguồn tài nguyên tái tạo khác không có sẵn. Phát triển nhiên liệu sinh học tái tạo như một nguồn cung cấp năng lượng dự phòng cho phép phát triển năng lượng gió và mặt trời không có carbon đồng thời loại bỏ hoặc ít nhất là giảm nhu cầu về năng lượng nhiên liệu hóa thạch không tái tạo.
Giảm phát thải bãi chôn lấp
Các bãi chôn lấp đóng góp tới 20% lượng khí thải mêtan do con người tạo ra và ở Hoa Kỳ, đây là nguồn phát thải khí mêtan đứng thứ ba. Thu giữ khí bãi rác và chuyển đổi nó thành khí sinh học là một phần trong nỗ lực của nhiều quốc gia nhằm giảm phát thải khí nhà kính (GHG). Nhưng việc chuyển đổi những nguồn khí bãi rác này thành khí sinh học trước khi chúng đến bãi rác là cách sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn và giảm các vấn đề ô nhiễm khác.
Ví dụ, biến bùn thải thành khí sinh học tốn ít năng lượng hơn so với chuyển nó thành phân trộn. Việc chuyển đổi phân động vật và chất thải cây trồng thành khí sinh học sẽ ngăn chặn các chất ô nhiễm tiềm ẩn này chảy vào đường thủy. Đốt khí sinh học từ lá cây đã được xử lý trước cũng tạo ra ít khí thải nhà kính hơn so với việc ủ phân. Sự đánh đổi là sự giảm bớt sự sẵn có của một loại phân bón hữu cơ quan trọng.
Chất thải mía được vận chuyển đến hầm khí sinh học.
Ảnh Dinodia / Hình ảnh Getty
Khoảng 30% đến 40% thực phẩm bị lãng phí và được đưa vào các bãi chôn lấp, khiến rác thải thực phẩm trở thành loại vật liệu chôn lấp lớn nhất. Mang lại giá trị kinh tế cho thực phẩm lãng phí sẽ làm giảm sự hiện diện của nó trong các bãi chôn lấp và giảm chi phí đô thị cũng như lượng khí thải mêtan từ thực phẩm thối rữa.
Chống phá rừng
Khí sinh học có thể giúp giảm nạn phá rừng ở những khu vực trên thế giới nơi củi là nguồn nhiên liệu chính để nấu ăn và sưởi ấm tại nhà. Một nửa sản lượng gỗ rừng trên toàn thế giới là để lấy củi, 1/3 trong số đó được khai thác không bền vững. Ở châu Phi cận Sahara, ước tính 70% nạn phá rừng là do lấy củi.
Chuyển sang sử dụng khí sinh học có thể giảm gần một nửa mức tiêu thụ củi. Kết quả là, nó cũng giảm tới một nửa thời gian dành cho việc lấy củi, công việc thường được phụ nữ và trẻ em trong độ tuổi đi học thực hiện, giảm gánh nặng lao động cho những người trước đây và tăng cơ hội học tập cho những người sau này.
Sạch hơn nhiên liệu hóa thạch
So với động cơ diesel, sử dụng biomethane làm nhiên liệu cho xe giúp giảm tới 75% lượng khí thải nhà kính và các hạt vật chất. So với việc đốt khí mê-tan hóa thạch để sản xuất điện, khí mê-tan sinh học làm giảm lượng khí thải GHG từ 62% đến 80%. Việc kết hợp nhà máy điện đốt khí sinh học với công nghệ thu hồi carbon có thể giảm lượng khí thải nhà kính hơn nữa (tới 87%), mặc dù công nghệ thu hồi và lưu trữ carbon vẫn chưa đạt được khả năng thương mại.
Hậu quả của việc đốt Biogas
Mặc dù có thể tái tạo và mang lại lợi ích cho môi trường, nhưng việc đốt khí sinh học vẫn thải ra khí nhà kính và các chất ô nhiễm khác vào khí quyển.
Có thể tái tạo nhưng bền vững như thế nào?
Vận chuyển và lưu trữ cả sinh khối và khí sinh học đều dẫn đến phát thải CO2 và chất dạng hạt. Giống như khí mê-tan từ nhiên liệu hóa thạch, lượng khí thải nhất thời là mối lo ngại tại các nhà máy khí sinh học. Trong cả hai trường hợp, lượng khí thải mêtan phát sinh khi khí sinh học bị đốt cháy không hoàn toàn. Khi việc lưu trữ các bể phân hủy kỵ khí không được phát hiện, lợi ích phát thải khí nhà kính của khí sinh học so với khí mê-tan hóa thạch sẽ biến mất.
Chu trình carbon liên quan đến việc sử dụng các sản phẩm nông nghiệp để sản xuất khí sinh học có thể được tái tạo. Tuy nhiên, xem xét toàn bộ vòng đời sản xuất khí sinh học – bao gồm khí thải nông nghiệp, vận chuyển, tinh chế và đốt cháy – việc sử dụng khí sinh học làm nguồn nhiên liệu không có nghĩa là trung hòa cacbon.
Chất gây ô nhiễm không khí
Quá trình đốt khí sinh học cũng có thể dẫn đến phát thải sulfur dioxide, carbon monoxide, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) và đáng kể nhất là các oxit nitơ, trong đó lượng phát thải khí sinh học cao hơn so với đốt khí tự nhiên. Các thành phần vết của các chất gây ô nhiễm khác tại các nhà máy khí sinh học, bao gồm các chất gây ung thư như asen, cũng được tìm thấy ở mức cao hơn so với các nhà máy khí đốt tự nhiên.
Các dự án chuyển hóa phân thành khí sinh học và các dự án khí sinh học khác dựa trên hoạt động chăn nuôi công nghiệp thường được thực hiện gần các cộng đồng thu nhập thấp hoặc cộng đồng da màu, khiến họ tiếp xúc với các chất ô nhiễm và thải nitrat vào nước ngầm địa phương. Những trường hợp này làm cho việc sản xuất khí sinh học trở thành mối lo ngại về công bằng môi trường.
Thay đổi sử dụng đất
Việc phát triển khí sinh học không nên gây tổn hại đến rừng.
hình ảnh hohl / Getty
Khi thị trường khí sinh học phát triển thì việc sử dụng đất cũng có những thay đổi tiêu cực, nơi cây trồng được trồng đặc biệt để sản xuất khí sinh học. Ở Ý và Đức, sản xuất khí sinh học đã mở rộng đáng kể trong thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 21, dẫn đến giá lương thực và tiền thuê đất tăng cao do việc giải phóng mặt bằng cho sản xuất nông nghiệp thâm canh tăng lên.
Ở Indonesia, việc sử dụng nước thải từ dầu cọ làm tăng lợi nhuận của ngành công nghiệp dầu cọ, khuyến khích việc mở rộng các đồn điền cọ dầu vào một trong những khu rừng già quan trọng nhất thế giới.
Khí sinh học có cacbon trung tính không?
Khí sinh học được quảng cáo là “có thể tái tạo”, “bền vững” và “trung hòa carbon” hầu hết bởi những người quảng bá nó. Nhưng gọi khí sinh học là carbon trung tính không xét đến toàn bộ vòng đời của sản phẩm.
Carbon được giải phóng khi đốt khí sinh học có nguồn gốc từ thực vật và các nguồn khác ban đầu lấy carbon đó từ khí quyển, làm cho việc đốt vật liệu đơn thuần trở thành trung tính carbon. Nhưng nhìn vào toàn bộ vòng đời của khí sinh học, bao gồm cả quá trình sản xuất và vận chuyển, cũng như tất cả lượng carbon có trong thiết bị được sử dụng trong các quá trình đó, khiến ngành công nghiệp khí sinh học trở thành nguồn cung cấp carbon ròng cho khí quyển.