Cung cấp năng lượng cho Trái đất – Chương 7: Năng lượng từ Mặt trời (Phần 4)

Powering Planet Earth:
Energy Solutions for the Future

by Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani, Nick Serpone

Chapter 7: Energy from the Sun – Chương 7: Năng lượng từ Mặt trời (Phần 4)

Sinh khối và nhiên liệu sinh học: Đúng, nhưng …!

Hiện nay, quá trình quang hợp tự nhiên hàng năm tạo ra khoảng 230 tỷ tấn vật chất của thực vật trên cạn và dưới nước. Lượng sinh khối này là nhiên liệu mặt trời (solar fuel) đúng nghĩa, có thể tích trữ và vận chuyển, nhưng với một mật độ năng lượng trung bình thấp hơn nhiều so với nhiên liệu hóa thạch (fossil fuels).

Sinh khối có thể được đốt để tạo ra nhiệt. Tuy vậy, hiện nay sinh khối được quan tâm nhiều theo hướng có thể được dùng để tạo ra nhiên liệu sinh học (biofuels) mà có thể được sử dụng cùng với nhiên liệu hóa thạch hoặc được sử dụng độc lập để thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Dầu diesel sinh học được tạo ra chủ yếu nhờ quá trình xử lý hóa học các loại dầu thực vật khác nhau – ví dụ như dầu hạt cải và hạt hướng dương.

Cồn ethanol sinh học được tạo ra bằng cách lên men các sản phẩm nông nghiệp giàu tinh bột và đường, ví dụ như ngô ngọt, mía đường, và củ cải đường. Brazil sử dụng mía đường, trong khi ngô ngọt được sử dụng ở Mỹ. Cồn sinh học có thể được sử dụng nguyên chất trong các động cơ được thiết kế đặc biệt, hoặc có thể được sử dụng kết hợp với xăng (gasoline). Brazil đã dùng nhiên liệu cồn sinh học thay thế gần 40% xăng cho hệ thống giao thông của nước này. Tuy nhiên, có những nghi ngờ về việc các khu vực khác trên thế giới có thể đạt được thành tựu tương tự, khi mà những điều kiện địa hình và khí hậu đặc biệt của Brazil khó có thể tìm thấy ở một nơi nào khác.

Trên thực tế, tầm quan trọng của nhiên liệu sinh học không dễ để đánh giá vì một loạt lý do được liệt kê ở Hình 21:

  • ŸĐể tạo ra nhiên liệu sinh học cần trải qua không dưới mười quá trình khác nhau (chuẩn bị phân bón, rải đều phân bón lên mặt đất, cày đất, thu hoạch, vận chuyển, v.v…) đòi hỏi tiêu tốn nhiều năng lượng, và thường được lấy từ nhiên liệu hóa thạch. Nhiều học giả có uy tín lập luận rằng, khi đặt lên bàn cân, thì năng lượng đầu vào để tạo ra lượng nhiên liệu sinh học nhất định (ví dụ như cồn sinh học từ ngô) vượt quá năng lượng thu được từ việc sử dụng nhiên liệu sinh học tương ứng;
  • ŸĐòi hỏi nhiều diện tích đất với lượng nước khổng lồ cho việc tưới tiêu để thu được lượng lớn nhiên liệu sinh học;
  • ŸViệc thâm canh vì mục đích năng lượng có thể dẫn tới phá vỡ hệ sinh thái quý giá cho cân bằng của sinh quyển – ví dụ, các rừng mưa nhiệt đới;
  • ŸKhó có thể đánh giá mức độ thuận lợi hay tiện ích mà nhiên liệu sinh học(*) mang lại trong việc giảm phát thải khí nhà kính, khi cân nhắc tới lượng lớn năng lượng (chủ yếu là dầu và khí đốt) cần thiết phải dùng để trồng và chế biến sinh khối;

ŸTrong một thế giới vẫn còn hàng trăm triệu người bị ảnh hưởng bởi nạn đói, sẽ là một câu hỏi về đạo đức khi trồng các sản phẩm để nuôi sống các cỗ máy cơ khí của những người khác mà thực chất đã giàu có và no nê. Ví dụ, việc tăng giá được ghi nhận từ giữa tháng 3 năm 2007 tới tháng 3 năm 2008 cho ngô (31%), gạo (74%), đậu tương (87%) và lúa mì (130%) có thể quy cho, ít nhất là một phần, việc tăng sử dụng đất nông nghiệp để sản xuất nhiên liệu sinh học trước đó. Có lẽ sẽ tốt hơn khi sản xuất cồn sinh học từ chất xơ (second-generation bioethanol – cồn sinh học thế hệ thứ hai) sử dụng các nguyên liệu ban đầu từ những loại cây nhất định mà được trồng trên những mảnh đất bỏ hoang. Tuy vậy, quá trình này vẫn ở trong giai đoạn thử nghiệm bước đầu.

Hình 21. Quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học yêu cầu không chỉ sử dụng đất trồng trọt, mà còn một lượng lớn năng lượng hóa thạch. 

Mỗi vấn đề ở trên đều cần một giải pháp khá xử lý dài hạn, nhất là khi ngành công nghiệp đang trong tình trạng phát triển nóng. Những nghiên cứu đang được tiến hành để tạo ra xăng butanol sinh học từ các quá trình lên men của vi khuẩn, trong khi dầu diesel sinh học được tạo ra từ tảo và thậm chí từ mỡ động vật.

Sự phát triển của nhiên liệu sinh học chắc chắn là có những triển vọng thú vị. Tuy vậy, nhiên liệu sinh học có lẽ cũng chỉ đóng góp được một phần nhỏ vào việc giải quyết vấn đề năng lượng. Người ta ước đoán  rằng nếu Châu Âu và Mỹ muốn thay thế chỉ 5% lượng tiêu thụ xăng và dầu diesel của họ bằng nhiên liệu sinh học được sản xuất bởi các công nghệ hiện có, thì họ cần sử dụng tới 20% diện tích đất canh tác của mình.

Liên minh Châu Âu mới đây đặt mục tiêu tới năm 2020 nhiên liệu sinh học sẽ đóng góp 10% vào khu vực giao thông vận tải. Một tài liệu từ Hội Hoàng Gia (Vương Quốc Anh) cho rằng mục tiêu này là không thực tế.

Quang hợp nhân tạo

Từ đầu thế kỷ trước, khi dầu mỏ và khí thiên nhiên còn chưa được sử dụng phổ biến, sự phát triển trong nước và công nghiệp chủ yếu dựa vào việc tiêu thụ lượng than đá khổng lồ, gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng. Sau đó, một vài nhà khoa học bắt đầu băn khoăn rằng tại sao con người phải sử dụng nhiên liệu hóa thạch không sạch có nguồn gốc từ mặt trời (dirty solar-based fossil fuel) mà không phải là năng lượng sạch và phong phú mà Trái Đất liên tục nhận được từ Mặt Trời để thỏa mãn nhu cầu năng lượng đang tăng lên này. Trong số các nhà khoa học này có Giacomo Ciamician, sau đó trở thành giáo sư của Đại học Bologna, đã đóng vai trò quan trọng trong cuộc tranh luận. Không phải tình cờ khi Khoa Hóa Học của trường Đại học Bologna được đặt tên để vinh danh ông.

Tại Hội nghị Hóa học Ứng dụng Quốc tế lần thứ 8, được tổ chức ở Thành phố New York năm 1912, Ciamician đã trình bày bài giảng về Quang Hóa học của Tương lai. Ông đã đặt ra vấn đề năng lượng bằng những ngôn từ mạnh mẽ đầy hấp dẫn trong đó thể hiện tầm nhìn của ông. Ông đã nói rõ, trong số nhiều vấn đề khác nhau:

Nền văn minh hiện đại là con đẻ của than đá. Con người hiện đại sử dụng nó với nhiệt tình ngày càng tăng và sự lãng phí thiếu suy nghĩ cho công cuộc chinh phục thế giới. Trái đất vẫn còn một lượng than đá khổng lồ nhưng không phải là vô tận. Vấn đề của tương lai bắt đầu thu hút sự quan tâm từ chúng ta.

“Modern civilization is the daughter of coal. Modern man uses it with increasing eagerness and thoughtless prodigality for the conquest of the world. The Earth still holds enormous quantities of it, but coal is not inexhaustible. The problem of the future begins to interest us.”

Bị hấp dẫn bởi khả năng tận dụng ánh sáng mặt trời của thực vật, Ciamician kỳ vọng vào một ngày mà những bí mật của chúng sẽ được sáng tỏ và được khai thác bởi con người để giải quyết các vấn đề năng lượng:

Những rừng ống thủy tinh sẽ phát triển bao phủ thực vật và những nhà kính sẽ mọc lên ở khắp nơi; trong đó sẽ diễn ra quá trình quang hóa mà cho tới nay vẫn còn là bí mật được bảo vệ của thực vật, nhưng điều đó sẽ sớm được kiểm soát bởi nền công nghiệp của loài người – phương tiện sẽ biết làm cách nào để sinh nhiều quả ngọt hơn cả tự nhiên, bởi vì tự nhiên thì không cần vội vàng nhưng loài người thì cần. Và nếu trong một tương lai xa nguồn cung than đá trở nên hoàn toàn cạn kiệt, nền văn minh sẽ không bị dừng lại bởi điều này, bởi vì cuộc sống và nền văn minh sẽ vẫn tiếp tục chừng nào mặt trời vẫn còn chiếu sáng!

“Forests of glass tubes will extend over the plants and glass buildings will rise everywhere; inside of these will take place the photochemical processes that hitherto have been the guarded secret of the plants, but that will have been mastered by human industry which will know how to make them bear even more abundant fruit than nature, for nature is not in a hurry and mankind is. And if in a distant future the supply of coal becomes completely exhausted, civilization will not be checked by that, for life and civilization will continue as long as the sun shines!”

Nếu thay từ “than đá”, nhiên liệu duy nhất được sử dụng tại thời điểm đó, bằng từ “nhiên liệu hóa thạch”, thì câu nói này sẽ vẫn đúng thậm chí cho tới ngày nay. Cả sự lo lắng và bất an trong nền văn minh của chúng ta, như Ciamician đã đề cập, đều đã tăng lên khi đối mặt với những vấn đề đã trở nên quá phức tạp để kiểm soát – ô nhiễm sinh quyển, hiệu ứng nhà kính, sự tăng trưởng bất bình bằng trong phân phối của cải, sự tăng dân số, và sự suy giảm tài nguyên thiên nhiên đang lan rộng.

Bí mật của quang hợp tự nhiên ngày nay đã được khám phá và hiểu rõ. Nhưng loài người, thậm chí còn đang trong tình cảnh vội vàng hơn nhiều, vẫn chưa thể chế ngự điều đó để đưa vào sản xuất nhiên liệu nhân tạo thông qua việc chuyển đổi năng lượng mặt trời. Hiện thực hóa giấc mơ của Ciamician là một trong những thử thách lớn nhất mà khoa học ngày nay phải đối mặt để sống sót qua thời kỳ khủng hoảng năng lượng và sinh thái đang lờ mờ hiện ra.

Nghiên cứu về quang hợp nhân tạo nhằm mục đích tạo ra nhiên liệu từ hai chất tồn tại phổ biến: nước và khí carbon dioxide. Ví dụ, nước sẽ phải được phân tách thành hydro và oxy, theo phản ứng 2:

H2O  ———-> H2 + ½ O2                                 (2)
(xúc tác: ánh sáng và chất diệp lục nhân tạo)

Khí carbon dioxide trong khi đó cần được khử dần thành methanol (CH3OH), đồng thời tạo ra oxy phân tử. Nhưng vì quá trình sau thực sự rất phức tạp, thậm chí là trên giấy, nên tất cả sự chú ý của các nhà nghiên cứu được tập trung vào việc phân tách nước thành hydro và oxy, mà sẽ tạo ra một vòng khép kín trong quá trình tạo ra năng lượng. Chúng ta bắt đầu với nước, một phân tử tương đối trơ với mức năng lượng thấp (và do đó có nhiều trên Trái đất), mà khi được bổ sung năng lượng ở dạng ánh sáng mặt trời sẽ dẫn tới sự phân rã thành hai thành phần vốn tạo nên nó, được gọi là hydro (một nhiên liệu) và oxy (một chất oxy hóa) – xem Hình 22. Khi hai thành phần này được kết hợp lại với nhau trong quá trình đốt (hoặc trong một khoang nhiên liệu) chúng tạo ra năng lượng nhiệt (hoặc công suất) qua việc giải phóng năng lượng tích trữ và tạo ra nước như là một sản phẩm duy nhất. Tuy vậy, để tách phân tử nước, cần có sự can thiệp của các chất có khả năng hấp thụ ánh sáng và điều hòa quá trình, như vai trò của chất diệp lục (chlorophyll) trong quang hợp tự nhiên.

Hình 22: Mô tả quy trình của một hệ thống quang hợp nhân tạo để phân ly nước; WOC = Water Oxidation Catalist (xúc tác oxy hóa nước); PRC = Proton Reduction Catalyst (xúc tác khử proton). Trích từ D. Gust, T. A. Moore và A. L. Moore, Farday Discuss. 2012, 155, trang 9 – 26. Bản quyền năm 2012 của Hiệp Hội Hóa học Hoàng gia (The Royal Society of Chemitry).

Một vài mục tiêu riêng lẻ đã đạt được gần đây, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết: ví dụ như việc tìm kiếm các chất xúc tác đủ mạnh và hiệu quả có khả năng chuyển tiếp giữa các quá trình trong việc giải phóng hydro và oxy ở cuối chuỗi phản ứng. Sẽ cần tới vài năm cộng với công sức của nhiều nhà khoa học để đạt tới việc sản xuất hydro từ nước thông qua con đường quang hóa. Tuy nhiên, trong hiện tại, hydro đã trở thành một từ đầy ấn tượng và một huyền thoại trên các phương tiện truyền thông đại chúng.

 

(*) Chú thích của tác giả:

Trong phản hồi tới một bài báo được xuất bản năm 2008 trên tạp chí khoa học uy tín Science, một cuộc tranh luận sôi nổi về sự bền vững của quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học đã diễn ra sau đó. Theo một số nhà khoa học, cân bằng giữa môi trường và năng lượng sinh học là rất tiêu cực, nhưng thị trường được duy trì một cách nhân tạo bởi những hỗ trợ ưu đãi công mạnh mẽ.

Hết phần 4 – Chương 7 (còn tiếp)

Người dịch: Đoàn Công Điển

Biên tập: Phạm Thu Hường &  Đào Thu Hằng

© copyright Zanichelli and Wiley-VCH

Permission granted for translating into Vietnamese and publishing solely on dotchuoinon.com for non-commercial purposes.

Trả lời

Điền thông tin vào ô dưới đây hoặc nhấn vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất /  Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất /  Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất /  Thay đổi )

Connecting to %s