Nhiên liệu sinh học từ tảo: Một giải pháp thay thế bền vững cho nhiên liệu hóa thạch

Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba từ sinh khối từ tảo có những lợi thế đáng kể so với nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất và thứ hai do tính dễ tiếp cận và tính linh hoạt của chúng (Muthuraman và Kasianantham, 2023); và trong thập kỷ qua, những tiến bộ khoa học đáng kể đã được thực hiện để biến nhiên liệu sinh học từ tảo thành một giải pháp thay thế quan trọng và khả thi cho nhiên liệu hóa thạch. 

Nhiên liệu sinh học từ tảo là gì? 

Nhiên liệu sinh học từ tảo, còn được gọi là nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba, được sản xuất từ ​​nhiều loài tảo khác nhau (bao gồm tảo siêu nhỏ và tảo lớn) có thể được nuôi trồng trong nước ngọt, nước mặn hoặc nước lợ, trong các hệ thống nuôi trồng khép kín (lò phản ứng quang sinh học), hệ thống mở (ao) hoặc hệ thống hybrid. 

Tảo chuyển đổi năng lượng mặt trời thành sinh khối thông qua quá trình quang hợp và sinh khối này có thể được xử lý để sản xuất các loại nhiên liệu sinh học khác nhau, chẳng hạn như biodiesel, bioethanol, biohydrogen, biobutanol và biogas. 

Theo Sarwan và cộng sự, (2024), nhiên liệu sinh học được định nghĩa là: "nguồn năng lượng có nguồn gốc từ các tế bào sống thông qua quá trình phân hủy sinh khối lignocellulosic hoặc cellulosic để sản xuất ethanol và diesel", trong khi "nhiên liệu được tạo ra với sự trợ giúp của vi sinh vật thông qua quá trình lên men được gọi là bioethanol và biodiesel". 

Nhiên liệu sinh học từ tảo 

Thuật ngữ “nhiên liệu sinh học từ tảo” dùng để chỉ bất kỳ nhiên liệu sinh học nào có nguồn gốc từ sinh khối tảo. Các loại nhiên liệu này có thể ở dạng lỏng, chẳng hạn như biobutanol, biodiesel, bioethanol và biohydrogen (Mahmood và cộng sự, 2023) hoặc dạng khí, chẳng hạn như biogas. Khả năng phát triển nhanh chóng của vi tảo với quá trình quang hợp, carbon dioxide và chất dinh dưỡng khiến chúng trở thành nguồn nhiên liệu sinh học lý tưởng (Neeti và cộng sự, 2023). Điều này, cùng với hiệu suất chuyển đổi năng lượng vượt trội hơn nhiều nguồn sinh khối khác, khiến chúng trở thành lựa chọn hấp dẫn để sản xuất nhiên liệu sinh học. 

Công dụng của nhiên liệu sinh học từ tảo 

Nhiên liệu sinh học từ tảo có nhiều ứng dụng trong cả lĩnh vực vận tải và sản xuất năng lượng: 

Vận tải: Dầu diesel sinh học và ethanol sinh học có nguồn gốc từ tảo có thể được sử dụng trong xe mà không cần thay đổi đáng kể. Các loại nhiên liệu này có thể được pha trộn với nhiên liệu hóa thạch hoặc sử dụng trực tiếp trong động cơ đã được cải tiến. 

Sản xuất năng lượng: Khí sinh học được sản xuất từ ​​tảo có thể được sử dụng để tạo ra điện và nhiệt. Các nhà máy điện sử dụng khí sinh học có thể được tích hợp vào lưới điện hiện có, cung cấp nguồn năng lượng tái tạo và đáng tin cậy. 

Sản phẩm hóa học: Ngoài nhiên liệu, tảo có thể được sử dụng để sản xuất nhiều loại sản phẩm hóa học, bao gồm nhựa phân hủy sinh học, phân bón và dược phẩm. Điều này làm tăng giá trị cho sinh khối tảo và đa dạng hóa các cơ hội thị trường. 

Sản xuất nhiên liệu sinh học từ tảo 

Quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học từ tảo bao gồm một số bước chính, từ nuôi tảo đến chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu. Sau đây là mô tả chung về các quy trình chính liên quan: 

Nuôi tảo: Tảo được nuôi trong ao hở hoặc lò phản ứng quang sinh học kín. Lò phản ứng quang sinh học cho phép kiểm soát chính xác hơn các điều kiện tăng trưởng và có thể tăng năng suất. 

Thu hoạch và sấy khô: Khi tảo đã phát triển đủ, chúng được thu hoạch và sấy khô để giảm hàm lượng nước. Bước này rất quan trọng để tăng hiệu quả chiết xuất lipid. 

Chiết xuất lipid: Lipid, là chất béo có trong tảo, được chiết xuất bằng dung môi hóa học hoặc phương pháp cơ học. Những lipid này là nguyên liệu thô để sản xuất biodiesel. 

Chuyển đổi thành nhiên liệu sinh học: Lipid được chiết xuất được chuyển đổi thành biodiesel thông qua một quá trình hóa học gọi là quá trình chuyển hóa este. Các phương pháp khác có thể bao gồm lên men để sản xuất bioethanol hoặc tiêu hóa kỵ khí để sản xuất biogas. 

Mahmood và cộng sự (2023) và Muthuraman và Kasianantham (2023) cung cấp mô tả chi tiết về quy trình sản xuất các loại nhiên liệu sinh học khác nhau. 

Các loại nhiên liệu sinh học được sản xuất từ ​​tảo

Đặc tính hóa học của nhiên liệu sinh học từ tảo 

Đặc tính hóa học của nhiên liệu sinh học từ tảo rất phức tạp và liên quan đến nhiều phản ứng hóa học khác nhau để chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu có thể sử dụng. Dưới đây là một số khía cạnh chính của hóa học nhiên liệu sinh học từ tảo: 

Quang hợp: Tảo sử dụng quang hợp để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành sinh khối, tạo ra oxy và glucose. Sinh khối này rất giàu lipid, carbohydrate và protein. 

Chiết xuất lipid: Lipid được chiết xuất từ ​​sinh khối tảo bằng các phương pháp vật lý hoặc hóa học. Lipid chiết xuất chủ yếu là triglyceride, có thể chuyển đổi thành biodiesel. 

Chuyển este hóa: Quá trình hóa học này chuyển đổi triglyceride thành biodiesel và glycerol bằng cách phản ứng với rượu, thường là methanol, khi có chất xúc tác. 

Lên men: Carbohydrate có trong sinh khối tảo có thể được lên men để sản xuất bioethanol, có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. 

Mô tả chi tiết hơn về hóa học của nhiên liệu sinh học từ tảo có thể được tìm thấy trong công trình của Alazaiza và cộng sự (2023). Ngoài ra, các nhà khoa học tại Đại học RUDN đã đánh giá quy trình hiệu quả nhất để thu được nhiên liệu sinh học từ tảo. 

Các phương pháp khác nhau để sản xuất nhiên liệu sinh học/năng lượng sinh học từ vi tảo 

Trang trại sản xuất nhiên liệu sinh học từ tảo 

Trang trại nhiên liệu sinh học từ tảo là cơ sở chuyên nuôi trồng tảo quy mô lớn để sản xuất nhiên liệu sinh học. Các trang trại này có thể khác nhau về quy mô và thiết kế, nhưng nhìn chung bao gồm hệ thống nuôi trồng tảo, cơ sở thu hoạch và chế biến, và các đơn vị chuyển đổi sinh khối để sản xuất nhiên liệu sinh học. Các trang trại tảo có thể nằm ở vùng ven biển, sa mạc hoặc thậm chí trên đất không phù hợp với nông nghiệp thông thường, khiến chúng trở thành giải pháp linh hoạt và bền vững. 

Lợi ích của nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba 

Nhiên liệu sinh học từ tảo mang lại nhiều lợi ích về môi trường, kinh tế và xã hội: 

Giảm phát thải khí nhà kính: Nhiên liệu sinh học từ tảo có thể giảm đáng kể lượng khí thải CO2 so với nhiên liệu hóa thạch. Trong quá trình phát triển, tảo hấp thụ CO2, giúp giảm thiểu biến đổi khí hậu. Mehta và cộng sự (2023) nhấn mạnh rằng việc sản xuất các nguồn năng lượng sinh học từ tảo siêu nhỏ có khả năng giảm phát thải khí nhà kính từ 4% đến 5%. 

Tính bền vững: Tảo có thể phát triển trong điều kiện bất lợi và không cạnh tranh với cây lương thực, khiến chúng trở thành nguồn sinh khối bền vững. Ngoài ra, chúng có thể được nuôi trồng bằng nước mặn hoặc nước thải, giúp giảm áp lực lên các nguồn nước ngọt. 

Năng suất cao: Tảo có năng suất trên một ha cao hơn nhiều so với các loại cây trồng nhiên liệu sinh học khác. Chúng có thể sản xuất nhiều năng lượng hơn tới 30 lần trên một đơn vị diện tích so với các loại cây trồng trên cạn. Hơn nữa, tảo có hiệu suất sử dụng ánh sáng tối đa và sản xuất nhiều lipid hơn từ 2 đến 15 lần so với các loại cây trồng có dầu khác, chẳng hạn như đậu nành và cải dầu (Mehta và cộng sự, 2023). 

Đa dạng hóa năng lượng: Nhiên liệu sinh học từ tảo góp phần đa dạng hóa ma trận năng lượng, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và cải thiện an ninh năng lượng. 

Sử dụng ít đất hơn: Tảo có thể được nuôi trồng trên đất không canh tác được, chẳng hạn như ao nước mặn hoặc cơ sở xử lý nước thải. Điều này có nghĩa là chúng không cạnh tranh với cây lương thực về đất, đây là một lợi thế lớn khác. 

Tiềm năng sản xuất quanh năm: Tảo có thể được trồng quanh năm, bất kể khí hậu. Điều này có nghĩa là chúng có thể cung cấp nguồn năng lượng đáng tin cậy, ngay cả ở những khu vực có khí hậu khắc nghiệt. 

Phục hồi sinh học: Tảo có thể được nuôi trồng trong nước NTTS hoặc nước thải sinh hoạt. Về vấn đề này, Raven et al. (2023) và Buzek (2024) báo cáo rằng nước thải đô thị và công nghiệp có thể đóng vai trò là nguồn dinh dưỡng để nuôi tảo nhằm sản xuất nhiên liệu sinh học. Ngoài ra, Merino et al. (2024) đã nêu bật tiềm năng sử dụng bùn từ quá trình phú dưỡng của một vịnh để sản xuất tảo vi mô Scenedesmus acutus phục vụ sản xuất nhiên liệu sinh học. 

Thách thức của nhiên liệu sinh học từ tảo 

Chi phí sản xuất 

Sản xuất nhiên liệu sinh học từ tảo vẫn còn tốn kém do chi phí canh tác, thu hoạch và chế biến cao. Cần phát triển các công nghệ hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn để giảm những chi phí này. Maroušek và cộng sự (2022) lưu ý rằng các rào cản công nghệ đối với việc mở rộng quy mô sản xuất tảo lên quy mô thương mại có nghĩa là giá giả định của nhiên liệu sinh học từ tảo còn lâu mới cạnh tranh được (292 euro/100 km) so với nhiên liệu hóa thạch thông thường (15,6 euro/100 km).

Trong khi đó, Quiroz và cộng sự (2023) đã xác định tiềm năng tối ưu cho năng suất toàn cầu, tác động môi trường và khả năng kinh tế của nhiên liệu sinh học từ tảo (Scenedesmus obliquus) bằng cách sử dụng các mô hình sinh học vật lý và bền vững đã được xác thực. Họ kết luận rằng phân tích kinh tế kỹ thuật cho thấy giá nhiên liệu sinh học từ tảo tối thiểu là 1,89–2,15 đô la cho một lít xăng tương đương là có thể ở Đông Nam Á và Venezuela. Tuy nhiên, như Maroušek và cộng sự (2023) kết luận, hầu hết các nghiên cứu về nhiên liệu sinh học từ tảo siêu nhỏ đều đưa ra những giả định lạc quan quá mức về mặt kinh tế vì chúng dựa trên các thí nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm. 

Khả năng mở rộng quy mô 

Mặc dù tảo có thể tạo ra năng suất cao, nhưng việc mở rộng quy mô lên mức công nghiệp đặt ra những thách thức đáng kể về mặt kỹ thuật và kinh tế. Cần phải đầu tư đáng kể vào cơ sở hạ tầng và công nghệ. Điều quan trọng cần lưu ý là thành phần sinh hóa của sinh khối tảo (bao gồm độ ẩm, lipid, carbohydrate, protein, nồng độ tro và hàm lượng lignin) ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo ra năng lượng sinh học (El-Sheekh và cộng sự, 2024). 

Tác động môi trường 

Sản xuất tảo quy mô lớn có thể gây ra tác động đến môi trường, chẳng hạn như phú dưỡng các vùng nước do sử dụng phân bón. Điều quan trọng là phải thực hiện các biện pháp bền vững và các quy định phù hợp để giảm thiểu những tác động này. 

Hiệu suất động cơ 

Nhiều nghiên cứu đã nhấn mạnh rằng biodiesel dẫn đến hiệu suất động cơ kém do giá trị nhiệt thấp và độ nhớt cao. Tuy nhiên, Meraz và cộng sự (2023) báo cáo rằng việc bổ sung các chất phụ gia nano vào hỗn hợp biodiesel tảo giúp cải thiện hiệu suất động cơ, đặc tính đốt cháy và giá trị nhiệt. 

Chi phí sản xuất nhiên liệu sinh học từ tảo