Tại sao phải có nhiên liệu sinh học?
Đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai
Nhu cầu năng lượng dự đoán gia tăng từ các nước đang phát triển. Phần lớn năng lượng hiện nay có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch, một nguồn tài nguyên hạn chế, không thể tái tạo và gây ô nhiễm.
Brazil là quốc gia dẫn đầu thế giới về nhiên liệu sinh học, với 30% nhiên liệu vận tải hiện có nguồn gốc từ sinh khối. Ngoài ra, nhiều quốc gia đang thiết lập các sáng kiến mới về sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học cho giao thông vận tải. Việc chuyển sang sử dụng nhiên liệu sinh học cho nhu cầu vận tải sẽ giảm sự phụ thuộc năng lượng vào nhập khẩu dầu và có thể thúc đẩy phát triển nông thôn, mang lại cho nông dân một nguồn thu nhập bổ sung.
Một số quốc gia đã đặt mục tiêu tăng tỷ lệ nhiên liệu sinh học sử dụng cho giao thông vận tải: Hoa Kỳ có kế hoạch thay thế 30% lượng dầu mỏ lỏng bằng các sản phẩm có nguồn gốc từ sinh khối vào năm 2025.
Giảm phát thải nhà kính
Bất chấp sự không chắc chắn trong việc hiểu một thứ phức tạp như khí hậu toàn cầu, bằng chứng cho thấy việc phát thải khí nhà kính từ các hoạt động của con người đang dẫn đến sự nóng lên toàn cầu đáng kể. Nhiên liệu hóa thạch và tiêu thụ điện là nguồn chính tạo ra khí nhà kính. Nghị định thư Kyoto, một thỏa thuận quốc tế được thực hiện theo Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu (UNFCCC) được thành lập với mục đích ổn định nồng độ khí nhà kính trong khí quyển ở mức có thể ngăn chặn sự can thiệp nguy hiểm của con người vào khí hậu toàn cầu.

Hình: Công nghệ nhiên liệu sinh học gắn với phát triển bền vững (Ảnh sưu tầm).

Lợi ích môi trường của nhiên liệu sinh học
Ưu điểm chính về môi trường của nhiên liệu sinh học bắt nguồn từ thực tế là chúng không có carbon: lượng carbon dioxide mà chúng thải ra khi đốt ban đầu được chiết xuất từ khí quyển trong quá trình sản xuất sinh khối, dẫn đến lượng khí thải nhà kính ròng bằng không.
Nhiên liệu sinh học cũng làm giảm sự giải phóng các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, vì việc bổ sung ethanol vào xăng sẽ oxy hóa hỗn hợp nhiên liệu để nó cháy hoàn toàn hơn. Ethanol cũng loại bỏ sự cần thiết phải thêm chì. Ngoài ra, nhiên liệu sinh học có khả năng phân hủy sinh học và không độc hại, có nghĩa là sự cố tràn dầu có ít rủi ro hơn nhiều so với sự cố tràn dầu diesel hóa thạch.
Giá nhiên liệu sinh học
Chi phí của nhiên liệu sinh học cần được ước tính không chỉ về mặt năng lượng thu được mà còn về lượng năng lượng/tài nguyên cần thiết để sản xuất và phân phối nhiên liệu sinh học. Việc sản xuất cây năng lượng cần có đất, phân bón và máy móc nông nghiệp, trong khi quá trình lên men và chưng cất nhiên liệu sinh học cần sinh khối và nước. Tác động môi trường của việc sản xuất sinh khối bao gồm gia tăng xói mòn đất và ô nhiễm liên quan đến việc tăng cường sử dụng phân bón, thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ.
Tuy nhiên, việc tính toán hiệu quả sử dụng năng lượng là rất khó khăn vì chúng ta cũng phải tính đến các nguồn tài nguyên được tiết kiệm bằng cách thay thế nguồn năng lượng tái tạo bằng sản phẩm nhiên liệu hóa thạch, một nguồn tài nguyên không thể tái tạo. Tính toán hiệu quả năng lượng bao gồm nhiều giả định về cách trồng, thu hoạch và chế biến cây năng lượng cũng như về những nguồn tài nguyên nào được tiết kiệm, điều này khiến cho những tính toán này gây tranh cãi.
Ngoài ra, chi phí của nhiên liệu sinh học cuối cùng cũng sẽ phụ thuộc vào một số thông số cần được giải quyết tốt hơn và vốn rất khó định lượng. Trong số đó có: tăng cường an ninh nguồn cung; tác động đến biến đổi khí hậu; tạo việc làm; và tác động của việc mở rộng ngành năng lượng sinh học đối với nhu cầu đất đai và điều này sẽ ảnh hưởng như thế nào đến các mục đích sử dụng đất thay thế, chẳng hạn như sản xuất lương thực và bảo tồn đa dạng sinh học.
Chi phí nhiên liệu sinh học cũng có mối liên hệ chặt chẽ với chi phí nhiên liệu hóa thạch và có thể sẽ tiếp tục như vậy trong những thập kỷ tới. Vì vậy, hiện nay động lực chính cho sản xuất nhiên liệu sinh học là các chính sách của chính phủ. Sự phát triển thế hệ thứ hai của cây năng lượng thân gỗ lâu năm và việc cải thiện hiệu quả của các nhà máy lọc sinh học có thể sẽ chuyển đổi cán cân kinh tế theo hướng ứng dụng nhiên liệu sinh học có tính cạnh tranh kinh tế hơn.
Công nghệ sinh học thực vật và nhiên liệu sinh học
Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) ước tính cần một tỷ tấn sinh khối khô mỗi năm để thay thế 30% nhiên liệu vận tải bằng nhiên liệu sinh học. Theo nghiên cứu của USDA, lượng sinh khối này có thể được sản xuất vào năm 2050, với những tiến bộ công nghệ khả thi mà vẫn đáp ứng được nhu cầu lương thực, chất xơ và xuất khẩu. Sinh khối chủ yếu có nguồn gốc từ tàn dư cây trồng và từ việc trồng cây năng lượng lâu năm.
Do đó, thách thức đối với công nghệ sinh học là làm tăng đáng kể năng suất cây trồng, đồng thời phát triển các loại cây trồng có tập hợp các đặc tính vật lý và hóa học phù hợp để sản xuất năng lượng.
Tăng năng suất cây trồng
Sự phát triển của thực vật có thể được cải thiện bằng cách tăng hiệu quả thu ánh sáng trong quá trình quang hợp. Các phương pháp tiếp cận thành công nhất liên quan đến việc đưa các gen từ vi khuẩn quang hợp vào thực vật mà không gây ra những thay đổi về mức độ hoạt động của các gen đặc trưng của thực vật. Do đó, các kỹ thuật nhân giống thông thường không phù hợp để phát triển các loại cây trồng sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả hơn.
Cũng thành công là việc điều khiển các gen liên quan đến quá trình chuyển hóa nitơ, một yếu tố thiết yếu trong protein và DNA. Sự biểu hiện quá mức của gen tổng hợp glutamine (GS1) ở cây dương làm tăng đáng kể chiều cao của cây. Các chiến lược tiếp theo bao gồm kéo dài giai đoạn tăng trưởng của thực vật, bằng cách giảm thời gian ngủ của hạt hoặc bằng cách ngăn chặn hoặc trì hoãn sự ra hoa, vì thực vật dành phần lớn năng lượng của mình để tạo ra các cấu trúc sinh sản có thể được khai thác vào sinh trưởng sinh dưỡng.
Tăng cường bảo vệ thực vật trước các stress phi sinh học và sinh học
Stress phi sinh học là nguyên nhân chính gây mất mùa trên toàn thế giới, làm giảm năng suất trung bình hơn 50%. Thiệt hại thêm phát sinh do sự tấn công của sâu bệnh và mầm bệnh. Do đó, việc phát triển cây trồng có khả năng chống chọi với stress được cải thiện và trang bị cho cây trồng khả năng chống chịu sâu bệnh và mầm bệnh được nâng cao là trọng tâm của nhiều sáng kiến cải tiến cây trồng, cả bằng nhân giống thông thường và bằng phương pháp công nghệ sinh học mới. Ví dụ, cây lúa chuyển gen có khả năng chống chịu độ mặn của đất cao. Những sáng kiến như vậy sẽ có tác động cơ bản đến năng suất của cây trồng.
Bông Bt, một giống đã được biến đổi gen với gen diệt côn trùng từ vi khuẩn đất Bacillus thurengiensis là một ví dụ rất thành công về cây trồng công nghệ sinh học được phát triển với khả năng kháng sâu bệnh được cải thiện. Gen chuyển tạo ra một loại protein làm tê liệt ấu trùng của côn trùng gây hại, bao gồm sâu đục quả bông và sâu đục thân ngô châu Á và châu Âu. Theo một nghiên cứu gần đây, bông Bt đã đóng góp 8,12 tỷ USD cho ngành bông ở các nước áp dụng công nghệ này (8 năm 2005). Đóng góp kinh tế của bông Bt bắt nguồn từ việc tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất.
Tối ưu hóa các thuộc tính hóa học và vật lý của nguồn nhiên liệu sinh học
Việc chuyển đổi sang các nguồn sinh khối tái tạo cũng sẽ đòi hỏi phải phát triển một loạt cây trồng năng lượng phù hợp với các đặc tính vật lý và hóa học mong muốn.
Để sản xuất ethanol sinh học, cần phải chuyển sự chú ý từ hạt thực vật sang thân cây ngô (lá và thân khô), cây và cỏ lâu năm cũng như chất thải nông nghiệp và đô thị chi phí thấp. Một số phương pháp tiếp cận sẽ cải thiện hiệu quả sản xuất năng lượng từ các nguồn sinh khối. Vì quá trình sinh tổng hợp cellulose và lignin được đồng điều hòa nên việc giảm tỷ lệ lignin trong cây cũng sẽ làm tăng tỷ lệ cellulose. Sự thay đổi các đặc tính của thành tế bào cũng có thể là một chiến lược tạo điều kiện thuận lợi cho các tác nhân thủy phân quan trọng tiếp cận để giải phóng đường cho quá trình lên men hiệu quả hơn. Ngoài ra, cần có nghiên cứu để xác định các nguồn sinh khối tiềm năng mới.
Con đường đến nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học có thể thay thế 30% nhu cầu năng lượng vận tải hiện tại theo cách có trách nhiệm với môi trường mà không ảnh hưởng đến sản xuất lương thực toàn cầu bằng sự phát triển công nghệ hợp lý. Tuy nhiên, các thực tiễn hiện tại không làm cho nhiên liệu sinh học có tính cạnh tranh về mặt kinh tế cũng như không tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và các đặc tính phát thải.
Để nhiên liệu sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai, cần có cách tiếp cận đa ngành, trong đó có sự kết hợp hoạt động của các nhà sinh học, nhà nông học, kỹ sư, chuyên gia năng lượng và chuyên gia chính sách. Ngoài việc phát triển các loại cây năng lượng có năng suất cao cụ thể, tác động, hiệu quả và tính bền vững của các cơ sở tinh chế sinh học cần phải được cải thiện. Cần nghiên cứu để tăng cường cơ sở hạ tầng cho việc phát triển nhiên liệu sinh học (bao gồm chuỗi vận chuyển, phân phối và sản xuất), nhằm làm cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học bền vững về mặt kinh tế. Thương mại hóa và hỗ trợ chính sách là rất quan trọng để thành công.
Các mối quan tâm về kinh tế xã hội, chẳng hạn như thực tiễn quản lý đất đai và lựa chọn nguồn sinh khối, cần được giải quyết cẩn thận để việc sản xuất nhiên liệu sinh học không tác động tiêu cực đến sản xuất lương thực hoặc bảo tồn đa dạng sinh học.Điều quan trọng không kém là các nghiên cứu nhằm có được chẩn đoán rõ ràng về tác động môi trường của nhiên liệu sinh học cụ thể, về mặt phát thải do đốt cháy, thay đổi tùy theo loại nhiên liệu sinh học cụ thể được sử dụng; năng lượng đầu vào cần thiết để sản xuất nhiên liệu sinh học và về mặt tác động đến môi trường của phân bón và thuốc diệt cỏ được sử dụng trong quá trình sản xuất cây năng lượng.

TTTT