Khoa Kỹ thuật - Công nghệ

Sự nóng lên toàn cầu và thay đổi về khí hậu đã tác động rõ rệt đến hệ sinh thái và môi trường tự nhiên. Những nỗ lực hiện nay nhằm giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu chủ yếu tập trung vào việc giảm phát thải khí nhà kính, thông qua các chiến lược năng lượng sạch hơn. Nhiều nghiên cứu phát triển công nghệ sản xuất khí sinh học được thực hiện trên thế giới và tại Việt Nam đã chỉ ra rằng việc sản xuất năng lượng thông qua quá trình phân hủy kỵ khí các phế thải nông nghiệp, chất thải đô thị và công nghiệp có nguồn gốc hữu cơ để tạo ra khí methane và carbon dioxide sẽ mang lại lợi ích cho các vùng miền, khu vực bằng cách cung cấp nhiên liệu sạch dưới dạng khí sinh học. 

Công nghệ sản xuất khí sinh học, bên cạnh khả năng xử lý chất thải hữu cơ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường còn có thể giúp khắc phục tình trạng khan hiếm năng lượng, vốn là rào cản thường xuyên đối với sự phát triển kinh tế. Tại Việt Nam, quá trình phân hủy kỵ khí một lượng lớn chất thải nông nghiệp và đô thị bằng công nghệ sinh học kỵ khí đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển bền vững. Tuy nhiên, bên cạnh thói quen và nhu cầu sử dụng chưa cao, việc phát triển khí sinh học còn nhiều hạn chế về vấn đề văn hóa - xã hội, tình hình kinh tế, nguồn lực kỹ thuật hay chính sách triển khai phát triển khí sinh học. 

Khác với các hệ thống năng lượng tái tạo diesel sinh học và ethanol sinh học, hệ thống sản xuất khí sinh học tương đối đơn giản và có thể vận hành ở nhiều quy mô khác nhau từ nhỏ đến rất lớn ở cả nông thôn và thành thị. Triển vọng phát triển của công nghệ sản xuất khí sinh học được ghi nhận trong nhiều nghiên cứu tập trung vào các đánh giá sau:
⦁ Nguồn năng lượng sạch và bền vững: Công nghệ sản xuất khí sinh học đóng góp quan trọng vào hệ thống năng lượng sạch toàn cầu. Khí sinh học có thể được sử dụng trực tiếp như một loại nhiên liệu cho sản xuất điện, sưởi ấm, hoặc làm nguyên liệu cho các phương tiện giao thông vận tải. Ngoài ra, nó có thể được xử lý thành biomethane để thay thế khí tự nhiên, giúp giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch và giảm phát thải khí nhà kính [2].
⦁ Giảm thiểu ô nhiễm môi trường: Việc xử lý chất thải hữu cơ thông qua sản xuất khí sinh học giúp giảm lượng chất thải ra môi trường, hạn chế sự ô nhiễm đất và nước. Hơn nữa, khí sinh học còn giúp giảm phát thải khí metan tự nhiên từ chất thải hữu cơ, một loại khí nhà kính có tiềm năng gây hiệu ứng nhà kính cao hơn carbon dioxide gấp 28-36 lần [3].
⦁ Phát triển kinh tế địa phương: Việc phát triển các dự án khí sinh học có thể tạo ra việc làm và thu nhập cho cộng đồng địa phương, đặc biệt là ở các vùng nông thôn. Các dự án này không chỉ cung cấp năng lượng mà còn sản xuất phân bón hữu cơ từ bã thải, góp phần vào nền nông nghiệp bền vững [1].

Tại Việt Nam, việc nghiên cứu sản xuất và ứng dụng khí sinh học được quan tâm đáng kể từ hơn 30 năm qua. Các công trình khí sinh học hộ gia đình được thiết kế ở quy mô nhỏ để xử lý các chất thải nông nghiệp và chất thải đô thị. Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Việt Nam năm 2021, hầu hết các doanh nghiệp chế biến tinh bột sắn đều trang bị hệ thống hầm thu hồi khí sinh học từ nước thải, lượng khí này sau đó được đốt để sấy khô sắn và bã sắn. Tại một số vùng nông thôn, khí sinh học hiện được xem là nguồn cung cấp năng lượng hiệu quả nhằm đáp ứng nhu cầu chất đốt sinh hoạt, thay thế các loại nhiên liệu khác như củi, trấu, than,... hoặc được sử dụng cho các mục đích khác như phát điện, lò sấy, đèn thắp sáng, hệ thống nước nóng, các tủ lạnh chạy bằng gas tại các trang trại chăn nuôi gia súc. Bên cạnh xu hướng toàn cầu, triển vọng phát triển công nghệ sản xuất khí sinh học với những lợi ích tiềm năng về kinh tế xã hội và môi trường tại Việt Nam còn được đánh giá dựa vào: 
⦁ Cơ hội tận dụng nguồn nguyên liệu phong phú: Từ chất hữu cơ, phế thải trong hoạt động nông nghiệp, chăn nuôi, và chế biến thực phẩm. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các dự án sản xuất khí sinh học. Các vùng nông thôn và các trang trại chăn nuôi lớn có tiềm năng lớn trong việc triển khai các hệ thống khí sinh học quy mô nhỏ và vừa [4]. 
⦁ Chính sách hỗ trợ và đầu tư từ chính phủ: Việt Nam đã có những chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo, bao gồm khí sinh học. Các chương trình khuyến khích, hỗ trợ tài chính và kỹ thuật đã được triển khai nhằm thúc đẩy các dự án khí sinh học. Ví dụ, dự án "Biogas Program for the Animal Husbandry Sector of Vietnam" đã hỗ trợ xây dựng hàng chục nghìn bể biogas quy mô hộ gia đình, góp phần cải thiện đời sống và môi trường.

Mặc dù được coi là nguồn cung cấp năng lượng hiệu quả và phù hợp với những lợi ích tiềm năng về kinh tế xã hội và môi trường, tuy nhiên, việc phát triển và quản lý thành công nghệ sản xuất khí sinh học vẫn còn tồn tại nhiều yếu tố gây cản trở liên quan đến chuyên môn kỹ thuật, các vấn đề kinh tế xã hội cũng như hành vi của con người. Một số nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam đã chỉ ra các vấn đề cụ thể như sau:

(1) Hạn chế nguồn nguyên liệu, cạnh tranh tài nguyên và các vấn đề về môi trường: Một trong những hạn chế lớn nhất của công nghệ sản xuất khí sinh học là sự phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu. Ở nhiều nơi, nguồn nguyên liệu này không ổn định về số lượng và chất lượng. Các nguyên liệu phổ biến bao gồm phân động vật, chất thải nông nghiệp, và rác thải hữu cơ. Tuy nhiên, không phải lúc nào nguồn nguyên liệu này cũng đủ để đáp ứng nhu cầu sản xuất. Ví dụ, việc thu thập và vận chuyển chất thải nông nghiệp có thể gặp khó khăn ở các khu vực có điều kiện địa lý phức tạp. Hơn nữa, sự biến động về chất lượng và số lượng nguyên liệu cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất khí sinh học. Ngoài ra, việc sử dụng chất thải hữu cơ để sản xuất khí sinh học có thể cạnh tranh với các nhu cầu sử dụng khác như làm thức ăn chăn nuôi hoặc phân bón, dẫn đến các vấn đề về quản lý tài nguyên. 

Dù công nghệ sản xuất khí sinh học được coi là một giải pháp xanh, nó vẫn tiềm ẩn một số vấn đề môi trường. Việc quản lý bùn thải sau quá trình sản xuất khí sinh học còn nhiều hạn chế. Bùn thải này, nếu không được xử lý đúng cách, có thể gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước. Điều này đòi hỏi các biện pháp quản lý và xử lý bùn thải nghiêm ngặt hơn [3]. Ngoài ra, trong trường hợp hệ thống bị rò rỉ, khí methane, có thể thoát ra môi trường và góp phần vào hiện tượng nóng lên toàn cầu.

(2) Chi phí đầu tư và hiệu quả kinh tế: Việc xây dựng các nhà máy sản xuất khí sinh học cần vốn đầu tư lớn, bao gồm chi phí thiết bị, cơ sở hạ tầng, và công nghệ xử lý. Ngoài ra, việc bảo trì và vận hành hệ thống cũng đòi hỏi nguồn kinh phí cao, đặc biệt là trong việc duy trì các điều kiện tối ưu cho sự phát triển của vi sinh vật kỵ khí. Mặc dù có tiềm năng kinh tế, nhưng chi phí sản xuất khí sinh học vẫn cao hơn so với một số nguồn năng lượng khác. Điều này thể hiện rõ khi so sánh với giá nhiên liệu hóa thạch trong ngắn hạn [4].

(3) Thách thức kỹ thuật và công nghệ: Quá trình phân hủy kỵ khí để sản xuất khí sinh học phức tạp và yêu cầu kiểm soát chặt chẽ các điều kiện môi trường như nhiệt độ, pH, và tải lượng hữu cơ. Các sự cố kỹ thuật, ví dụ như sự tắc nghẽn hệ thống hoặc rò rỉ khí, có thể dẫn đến mất mát năng lượng và ảnh hưởng đến an toàn môi trường.
Hiệu suất chuyển đổi của quá trình sản xuất khí sinh học thường không ổn định và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại nguyên liệu, điều kiện vận hành và thiết kế hệ thống. Quá trình phân hủy kỵ khí không hoàn toàn, hoặc do vi sinh vật không hoạt động hiệu quả, có thể dẫn đến sản lượng khí thấp hơn mong đợi. Ngoài ra, tỷ lệ khí methane trong khí sinh học cũng có thể thay đổi, ảnh hưởng đến giá trị năng lượng của sản phẩm.

Ở Việt Nam, công nghệ sản xuất khí sinh học còn khá hạn chế và chủ yếu tập trung vào các hệ thống quy mô nhỏ và trung bình. Thiếu hụt về kỹ thuật và công nghệ hiện đại, cũng như thiếu hụt nguồn nhân lực có kỹ năng là những rào cản lớn đối với việc phát triển các dự án quy mô lớn và có hiệu quả kinh tế cao [5].

(4) Hạn chế về chính sách và thể chế: Mặc dù có nhiều chính sách hỗ trợ, nhưng các quy định và chính sách liên quan đến phát triển khí sinh học tại Việt Nam còn thiếu tính nhất quán và đồng bộ. Việc thiếu các cơ chế khuyến khích rõ ràng và hiệu quả, cũng như thiếu các công cụ tài chính hỗ trợ, đã làm giảm hiệu quả của các chương trình và dự án khí sinh học [4].

Công nghệ sản xuất khí sinh học có triển vọng lớn trong việc cung cấp năng lượng tái tạo và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tuy nhiên cũng có nhiều hạn chế cần phải vượt qua, từ các thách thức về nguyên liệu, kỹ thuật, rủi ro môi trường đến các vấn đề chính sách và kinh tế. Tại Việt Nam, với nguồn tài nguyên hữu cơ phong phú và sự hỗ trợ của chính phủ, công nghệ này có tiềm năng phát triển mạnh mẽ, tuy nhiên cần có các chính sách khuyến khích phù hợp, đầu tư vào công nghệ và nâng cao năng lực kỹ thuật để tối ưu hóa tính hiệu quả và bền vững của công nghệ sản xuất khí sinh học.

Tài liệu tham khảo:
1. FAO. (2019). The future of biogas in the world: Challenges and opportunities. Food and Agriculture Organization of the United Nations.
2. IEA. (2021). Renewable energy market update. International Energy Agency.
3. IPCC. (2014). Climate Change 2014: Synthesis Report. Intergovernmental Panel on Climate Change.
4. Nguyen, D. V., Hoang, V. Q., & Pham, T. L. (2020). Environmental impact assessment of biogas production in Vietnam. Environmental Engineering and Management Journal.
5. Le, Q. T., Nguyen, T. L., & Doan, T. H. (2021). Biogas production in Vietnam: Current status and future potential. Renewable Energy and Environmental Sustainability.
Hình ảnh minh họa:

Sản xuất khí sinh học từ chất thải hữu cơ – mô hình phát triển bền vững cho mục tiêu giảm thiểu chất thải môi trường và cung cấp năng lượng sạch. (Nguồn: FNR e.V. – Clean Energy Wire).

TS. Nguyễn Thị Mai Linh (Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Văn Hiến)