Năm 2006, Hoa Kỳ tiêu thụ trung bình gần 20,6 triệu thùng dầu mỗi ngày, tương đương hơn 865 triệu gallon dầu [nguồn:Cơ quan Thông tin Năng lượng]. Dầu cung cấp năng lượng cho ô tô của bạn trong chuyến đi đến cửa hàng tạp hóa. Nó giúp ngành công nghiệp phát triển và thúc đẩy những tiến bộ công nghệ trong khoa học và y học. Nó cũng tạo ra một lượng của cải to lớn:Nền kinh tế toàn cầu phần lớn dựa vào hoạt động khoan, lọc dầu, vận chuyển và phân phối.
Tuy nhiên, dầu mỏ là một nguồn tài nguyên hữu hạn được sản xuất từ các tàn tích hóa thạch của các loài động thực vật biển cổ đại. Phải mất ít nhất 10 triệu năm để các tàn tích hóa thạch trở thành dầu thô và con người sử dụng dầu nhanh hơn nhiều so với lượng dầu được tạo ra. Cuối cùng sản lượng dầu sẽ đạt đỉnh, và chúng ta sẽ bắt đầu cạn kiệt. Một số ước tính rằng đỉnh này đã xảy ra; những người khác thấy nó diễn ra trong tương lai gần. Dù bằng cách nào, hầu hết mọi người đều tin rằng chúng ta đang ở giữa một cuộc khủng hoảng năng lượng sắp xảy ra. Suy cho cùng, xăng dầu đóng một vai trò to lớn như vậy đối với hoạt động hàng ngày của con người. Điều gì xảy ra khi chúng ta hết dầu?
Ngành năng lượng chi hàng tỷ USD cho công cuộc tìm kiếm các chất thay thế cho xăng dầu. Nhưng nguồn năng lượng tiếp theo phải làm được nhiều việc hơn là chỉ cung cấp năng lượng cho thế giới. Với những lo ngại ngày càng tăng về khí nhà kính (GHGs) từ nhiên liệu hóa thạch dẫn đến sự nóng lên toàn cầu, nhiên liệu tiếp theo cũng phải sạch. Nó phải có giá cả phải chăng và nó phải giúp duy trì nền kinh tế.
Thế hệ nhiên liệu tiếp theo cần nhanh chóng xuất hiện để giúp mọi người chuyển đổi từ dầu mỏ. Rốt cuộc, thế giới không thể dừng lại trong một hoặc hai thập kỷ trong khi nhiên liệu tiếp theo được phát triển và triển khai.
Tất cả những điều này kết hợp với nhau nghe có vẻ giống như một danh sách các nhu cầu không thể giặt được đối với bất kỳ nguồn nhiên liệu nào. Đó là lý do tại sao thật ngạc nhiên khi chỉ sau một vài năm nghiên cứu, một nguồn năng lượng dường như đáp ứng được tất cả các nghĩa vụ này đã xuất hiện.
Ethanol (rượu etylic) là một dạng nhiên liệu có nguồn gốc từ cacbohydrat phức hợp trong thực vật. Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã nhận thức được tiềm năng của nó như một loại nhiên liệu. Tuy nhiên, quy trình sản xuất etanol với chi phí thấp và hiệu quả vẫn còn rất khó nắm bắt - cho đến nay, một số nhà khoa học cho biết.
Một loại cỏ mọc nhanh được gọi là cỏ switchgrass có thể được tìm thấy trên khắp Hoa Kỳ, Canada, Trung và Nam Mỹ, và các vùng của Châu Phi. Và, nếu nó tiếp tục thể hiện lời hứa như hiện tại, nó có thể là thứ bạn sử dụng để cung cấp nhiên liệu cho chiếc xe của mình trong 20 năm tới. Vậy làm thế nào để cỏ có thể trở thành nhiên liệu? Đọc trang tiếp theo để tìm hiểu về dự báo nắng cho cỏ switchgrass như một câu trả lời cho cuộc khủng hoảng năng lượng sắp xảy ra.
Nội dung
Nghiên cứu các nguồn cung cấp nhiên liệu sinh học - nhiên liệu sinh học - đã bao gồm tất cả mọi thứ từ mỡ gà đến gỗ vụn. Nhưng việc xử lý hầu hết chúng mang lại tỷ lệ năng lượng ròng thấp - lượng năng lượng mà mỗi đơn vị sản xuất ra không nhiều hơn năng lượng đưa vào sản xuất của nó. Chi phí cũng là một vấn đề:Các kỹ thuật khai thác nhiên liệu từ các nguồn động thực vật hiện đang rất đắt đỏ, điều này sẽ được phản ánh ở máy bơm nhiên liệu. Nhưng càng nhiều nhà nghiên cứu xác định các con số về cỏ switchgrass, nó càng giống như một ứng cử viên sáng giá cho một nguồn nhiên liệu thay thế.
Cỏ switchgrass là một loài cây lâu năm bản địa ở châu Mỹ. Nó phát triển nhanh chóng và dễ dàng trên các vùng đồng bằng. Nó là một loài cứng rắn, cứng rắn - trong một số trường hợp, nó được coi là xâm lấn. Một nghiên cứu kéo dài ba năm ở North Dakota được công bố vào năm 2005 cho thấy rằng, khi để yên, một số giống cỏ có thể tạo ra năng suất trung bình hơn bảy tấn sinh khối. - nguyên liệu thực vật được thu hoạch - trên mỗi mẫu Anh, tùy thuộc vào lượng mưa và loại đất [nguồn:Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ].
Cỏ cũng có khả năng chịu hạn và cần ít phân bón, nếu có. Điều này có nghĩa là nó cần ít nhiên liệu hóa thạch hơn để sản xuất. Máy kéo được sử dụng để rải phân bón và cung cấp nhiên liệu cho các máy bơm tưới tiêu cho các cánh đồng cần sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Do đó, ít tưới hơn và ít phân bón hơn đồng nghĩa với việc giảm năng lượng đầu vào, do đó có nghĩa là ít chi phí hơn và ít phát thải khí nhà kính hơn. Hơn nữa, những người ủng hộ cỏ switchgrass nói rằng nhiên liệu được sản xuất từ nhà máy sẽ làm cho Hoa Kỳ an toàn hơn và độc lập hơn, vì nó có thể được trồng ở Mỹ chứ không phải nhập khẩu từ các quốc gia khác.
Nhiên liệu được sản xuất từ cỏ switchgrass nguyên liệu - nguyên liệu thô được sử dụng để sản xuất nhiên liệu chưng cất - là etanol xenlulo . Nhiên liệu có cồn này được tạo ra bởi một quá trình hóa học phá vỡ xenluloza - cấu trúc tạo nên thành tế bào ở thực vật. Khi xenluloza bị phân hủy thành các thành phần cơ bản, nấm men sẽ được thêm vào và nó được lên men thành rượu. Sau khi nó được tinh chế, etanol được sản xuất có thể được sử dụng làm nhiên liệu.
Càng có nhiều xenlulo để chiết xuất từ thực vật thì nó càng có giá trị như một nguồn sản xuất etanol. Và cỏ switchgrass có rất nhiều cellulose. Khoảng 70% thực vật được cấu tạo từ các loại carbohydrate phức hợp này [nguồn:BioCycle]. Tốt hơn nữa, lignin - một sản phẩm phụ được tạo ra khi nước được loại bỏ khỏi xenlulo - đã cho thấy nhiều hứa hẹn để sử dụng làm nhiên liệu cung cấp năng lượng cho các nhà máy sản xuất etanol. Nếu lignin có thể được khai thác, điều này có thể làm cho quá trình chế biến ethanol tự duy trì.
Bắt đầu với việc sản xuất phân bón dùng để trồng cỏ và kết thúc với việc vận chuyển để phân phối ethanol, nhà nghiên cứu Michael Wang của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne đã tính toán tỷ lệ năng lượng cho cỏ switchgrass. Ông phát hiện ra rằng cứ một đơn vị năng lượng đưa vào sản xuất etanol xenlulo từ cỏ switchgrass sẽ tạo ra năng lượng gấp 10 lần. Con số này cao hơn nhiều so với ethanol có nguồn gốc từ ngô. Ngược lại, xăng có tỷ lệ năng lượng từ 1 đến 0,81, có nghĩa là nó cần nhiều năng lượng hơn để sản xuất. Wang cũng phát hiện ra rằng ethanol từ cỏ switchgrass có thể cần ít hơn 70% lượng nhiên liệu hóa thạch để sản xuất so với xăng và ethanol E85 - hỗn hợp 85% etanol và 15% xăng - thải ra ít khí nhà kính hơn 86% so với xăng. [nguồn:Wang].
Có vẻ như cỏ switchgrass như một loại nhiên liệu thay thế có mọi thứ phù hợp với nó. Vì vậy, giữ lại là gì? Quá trình tinh chế có vẻ đơn giản, và trên thực tế, nói một cách tương đối. Nhưng việc sản xuất ethanol từ cỏ switchgrass phải đối mặt với một số thách thức. Đọc trang tiếp theo về khó khăn trong việc chưng cất ethanol từ cỏ switchgrass.
Trong khi việc công bố mỗi nghiên cứu mới về cỏ switchgrass ngày càng rõ ràng rằng loài cây này có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm năng lượng trong tương lai, thì từ "tương lai" là chìa khóa. Hiện nay, quá trình chiết xuất cellulose từ cây đang tỏ ra khó khăn và tốn kém.
Xenlulo có nguồn gốc từ nguyên liệu thực vật được tạo ra bởi bất kỳ loại enzim nào khác nhau , tùy thuộc vào loại nguyên liệu thực vật đang được sử dụng. Những chất xúc tác này ăn mòn cacbohydrat phức hợp, như đường, và loại bỏ xenlulo và cacbon đioxit như chất thải trong quá trình này. Tuy nhiên, những enzym này rất đắt, khoảng 20 xu cho mỗi gallon etanol tinh khiết [nguồn:Ủy ban Thương mại Liên bang]. Hơn nữa, quá trình lên men xenluloza với nấm men đòi hỏi một loại enzym khác, làm tăng thêm chi phí. Năm 2006, nhà di truyền học thực vật Albert Kausch cho biết với phương pháp canh tác và sản xuất hiện nay, giá mỗi gallon etanol xenlulo sẽ là 2,70 đô la. Giá đó vẫn rẻ hơn xăng, nhưng Kausch tin rằng nó có thể giảm xuống khoảng 1 đô la mỗi gallon [nguồn:Newswise]. Một trong những cách để đạt được mức giảm chi phí đáng kể này là phát triển các enzym rẻ hơn và tìm ra một loại enzym duy nhất có thể phân hủy xenlulo và lên men etanol.
Một trong những vấn đề khác đang phải đối mặt là đưa etanol từ các nhà máy lọc dầu đến các trạm nhiên liệu. Ethanol có tính ăn mòn cao và không thể vận chuyển qua đường ống như dầu và xăng. Điều này có nghĩa là nó phải được vận chuyển bằng xe tải, điều này vừa làm tăng thêm chi phí sản xuất vừa làm giảm tỷ lệ năng lượng, vì các xe tải chở dầu lớn đòi hỏi nhiều nhiên liệu hóa thạch hơn để vận chuyển ethanol đi phân phối.
Michael Wang của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne nói với HowStuffWorks rằng thách thức phân phối ethanol một phần có thể được khắc phục bằng cách sử dụng hệ thống đường sắt để vận chuyển nó đi xa nhất có thể. Ông nói:“Khi bạn tinh chỉnh nó ở Trung Tây và vận chuyển đến phương Tây, giao thông vận tải là một vấn đề. "Bạn sẽ phải sử dụng đường sắt. Nhưng khi vận chuyển nó trong khoảng cách ngắn, nó không tạo ra nhiều khác biệt [so với tỷ lệ năng lượng ròng]."
Vấn đề khác mà ethanol cỏ switchgrass hiện đang phải đối mặt là lượng đất có sẵn để trồng trọt. Một phân tích của Đại học Tennessee kết luận rằng Hoa Kỳ có thể sản xuất tổng cộng 153 triệu tấn cỏ switchgrass khô và phụ phẩm cây trồng. - những thứ còn sót lại sau quá trình thu hoạch và sản xuất nông nghiệp, như thân cây và hạt - hàng năm được coi là nguyên liệu cung cấp ethanol. Các số liệu của nó cho thấy điều này sẽ dẫn đến việc giảm 5,3% mức tiêu thụ xăng hàng năm ở Hoa Kỳ - ít hơn nhiều so với dự kiến và ít hơn nhiều so với 35 tỷ gallon nhiên liệu tái tạo mà Tổng thống George W. Bush đã kêu gọi vào năm 2017 vào năm 2006 của ông. Địa chỉ State of the Union.
Giống như nghiên cứu enzyme, công nghệ cũng có thể vượt qua rào cản này. Jason Grumet thuộc Ủy ban Quốc gia về Chính sách Năng lượng (NCEP) đề xuất phát triển các giống cỏ switchgrass có thể tăng năng suất hàng tấn trên mẫu Anh, tăng 1/3 hiệu quả sản xuất ethanol và tăng gấp đôi hiệu suất nhiên liệu của tất cả các phương tiện giao thông ở Mỹ [nguồn:Thượng viện Hoa Kỳ].
Chắc chắn có tiền để vượt qua những trở ngại này. Cả các công ty năng lượng và các tập đoàn nghiên cứu cây trồng đều đang đổ tiền vào các cơ sở sản xuất ethanol xenlulo. BP Amoco PLC đã trao cho Đại học California - Berkley và Đại học Illinois - Champaign tổng cộng 500 triệu đô la để tài trợ cho một cơ sở nghiên cứu. Tập đoàn Chevron đã trao cho Đại học California - Davis 25 triệu đô la và Viện Công nghệ Georgia 12 triệu đô la. Và Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge đã nhận được 125 triệu đô la từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho nghiên cứu etanol xenlulo [nguồn:DeMonte]. Tuy nhiên, nhiều công ty đang tìm kiếm chính phủ Hoa Kỳ để giúp thúc đẩy nghiên cứu và phát triển bằng cách cung cấp bảo lãnh đầu tư và giảm thuế cho các nhà tài chính đặt cược vào công nghệ xenlulo.
Với số tiền đổ vào nghiên cứu etanol xenlulo và khả năng còn nhiều hơn thế nữa - chưa kể đến sự nhiệt tình và ủng hộ của công chúng - thật khó để tưởng tượng rằng chỉ trong vài thập kỷ nữa, etanol từ cỏ switchgrass sẽ được lấp đầy ô tô của chúng tôi. Nhưng cỏ switchgrass cũng có những người hoài nghi. Một số không nghĩ rằng cỏ sống như mong đợi, và những người khác sợ hậu quả nếu nó xảy ra. Đọc về những người hoài nghi nhiên liệu sinh học trên trang tiếp theo.
Cạnh tranh gay gắt giữa ngô và cỏ switchgrass mà sẽ là nguyên liệu cho sản xuất etanol trong tương lai. Bởi vì một số khu vực trồng ngô không thể trồng cỏ switchgrass, và ngược lại, nhiều khu vực quan tâm đến kết quả của cuộc tranh luận về nhiên liệu thay thế. Dựa trên nghiên cứu về chi phí sản xuất, tỷ lệ năng lượng và phát thải khí nhà kính, có vẻ như ethanol làm từ ngô đơn giản là không thể cạnh tranh với ethanol làm từ cỏ switchgrass.
Nhưng trong khi ethanol làm từ hai loại cây này tương tự nhau ở nhiều khía cạnh, quy trình biến cỏ switchgrass thành nhiên liệu khiến nó trở thành lựa chọn ưu việt cho nhiều nhà nghiên cứu, chính trị gia và nhà hoạt động. Ví dụ, sản xuất ethanol từ ngô, chỉ sử dụng ngũ cốc (thứ bạn ăn) để sản xuất ethanol. Phần còn lại bị loại bỏ - mặc dù, trớ trêu thay, phụ phẩm cây trồng có thể được sử dụng trong sản xuất etanol xenlulo.
Một lợi thế khác của cỏ switchgrass so với ngô là số lượng và loại đất mà nó cần. Ở Iowa - một bang có đất tốt hơn trung bình - năng suất cây trồng trung bình là khoảng 4,8 tấn trên một mẫu Anh vào năm 2005. Nghiên cứu Bắc Dakota năm 2005, đã đề cập trước đây, cho thấy năng suất khoảng 7 tấn cỏ tắc trên một mẫu Anh. Và cỏ switchgrass không yêu cầu đất tốt nhất để phát triển tốt. Nó có thể được trồng trên đất hiện không được sử dụng cho cây trồng.
Một báo cáo do Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge thực hiện đã kết luận rằng việc cung cấp nhiên liệu cho một nửa số phương tiện lưu thông trên đường ở Hoa Kỳ ngày nay bằng ethanol sẽ cần tới 180 triệu mẫu đất để trồng cỏ switchgrass. Điều này chiếm 40% diện tích đất đã được sử dụng cho nông nghiệp ở Mỹ [nguồn:Thượng viện Hoa Kỳ].
Nhưng Jason Grumet của NCEP tin rằng với "tiến bộ ổn định nhưng không đáng kể" trong nghiên cứu và phát triển, chúng ta có thể nhận được lượng đất cần thiết để sản xuất nhiều ethanol đó xuống còn 30 triệu mẫu Anh trong 20 đến 30 năm. Grumet đề cập rằng đó là về diện tích trong Chương trình Dự trữ Bảo tồn (CRP), một chương trình liên bang trả tiền cho nông dân để dành đất hoang hóa để giảm tác động môi trường của nông nghiệp [nguồn:Thượng viện Hoa Kỳ].
Grumet không phải là người duy nhất ám chỉ rằng cỏ switchgrass có thể được trồng ở vùng đất biên. Rốt cuộc, nó đã được chứng minh là cải thiện đất nơi nó được trồng, và đất CRP có thể được hưởng lợi đồng thời với việc trồng nguyên liệu để sản xuất ethanol. Nhưng không phải ai cũng tin rằng sản xuất cỏ tắc công nghiệp là cách sử dụng tốt nhất cho đất CRP. Những người hoài nghi cho rằng hầu hết đất được tham gia vào Chương trình Dự trữ Bảo tồn đều được dành riêng vì đất sẽ không tạo ra cây trồng chất lượng cao. Nếu cỏ switchgrass trở thành nguồn nhiên liệu tiếp theo và các công ty lớn bơm một lượng lớn tiền vào sản xuất của nó, những người chỉ trích này cho rằng chính những công ty này sẽ muốn có năng suất cao nhất có thể. Điều này sẽ được thực hiện tốt nhất bằng cách sử dụng đất tốt nhất hiện có. Có nghĩa là một số diện tích đất canh tác sẽ chuyển từ sản xuất lương thực sang sản xuất năng lượng.
Ngày nay chúng ta sử dụng một phần nhỏ cây lương thực để làm nhiên liệu. Nếu chúng ta dựa vào nhiên liệu sinh học làm nguồn năng lượng, thì năng lượng và thực phẩm có thể cạnh tranh trực tiếp về tài nguyên, đặc biệt là đất đai.
Điều này liên quan đến một số người, trong đó có Tiến sĩ Eric Holt-Gimenez, thuộc Viện Chính sách Phát triển và Lương thực. Khi giá nhiên liệu tăng thì giá lương thực cũng vậy, do chi phí sản xuất và vận chuyển tăng. Holt-Gimenez lập luận rằng nếu lương thực và năng lượng cạnh tranh nhau về đất đai, thì giá lương thực có thể có tác động qua lại đối với giá năng lượng. Hơn nữa, ông nói rằng các chương trình thặng dư lương thực cho các nước đói có thể cạn kiệt vì lương thực dư thừa có thể được sử dụng làm sinh khối cho ethanol [nguồn:Holt-Gimenez].
Cũng có những lo ngại khác về etanol xenlulo. Một số người tin rằng những tuyên bố về tiềm năng của nó là quá hồng hào, dựa trên các nghiên cứu chứng minh rằng etanol xenlulo không có tỷ lệ năng lượng mà các nghiên cứu khác đưa ra. Nhưng những nghiên cứu này có số lượng ít hơn - và nhận được ít sự chú ý hơn - so với những nghiên cứu chứng minh tiềm năng của cỏ switchgrass. Và nếu kinh phí và ý kiến công chúng là những chỉ số cho sự tiến bộ, thì có vẻ như ethanol từ cỏ switchgrass là một lựa chọn tốt.
Để biết thêm thông tin về nhiên liệu sinh học, năng lượng và các chủ đề liên quan, hãy đọc trang tiếp theo.
8 Ô tô tiết kiệm nhiên liệu nhất ở UAE
15 Xe hơi phổ biến với hiệu suất siêu xe
Ô tô điện và ô tô chạy bằng nhiên liệu
3 ô tô có hộp số tay bạn có thể mua với giá dưới 20.000 đô la