Tổng quan về nhiên liệu sinh học từ rơm rạ

Chia sẻ: Ho Ngoc Hoa Hoa | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

235
lượt xem 64
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các nhà nghiên cứu người Trung Quốc vừa mới phát minh ra kỹ thuật sơ chế rơm rạ cho phép biến phế phẩm của cây lúa thành một nguồn sản xuất nhiên liệu sinh...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tổng quan về nhiên liệu sinh học từ rơm rạ

TONG QUAN VE NHIEN LIEU SINH HOC TU RƠM RẠ Các nhà nghiên cứu người Trung Quốc vừa mới phát minh ra kỹ thuật sơ chế rơm rạ cho phép biến phế phẩm của cây lúa thành một nguồn sản xuất nhiên liệu sinh học có thể thay mới được. Trên thực tế, hiện đang có 3 cơ sở sản xuất của Trung Quốc đã sử áp dụng phương pháp này. Trung Quốc là nước sản xuất lúa lớn nhất thế giới. Mỗi năm, sau các vụ thu hoạch, có khoảng 230 triệu tấn rơm rạ được thải ra. Mặc dù người ta đã sử dụng rơm rạ vào một số mục đích như làm thức ăn cho gia súc hay làm giấy nhưng vẫn còn một số lượng đáng kể rơm rạ không dùng t ới hoặc đem đốt ở ngoài đồng, làm tăng mức độ ô nhiễm không khí và mang nhiều hiểm họa gây ra cháy. Trên lý thuyết, tất cả các loại vật chất sinh học có thể chuyển hóa được thành nhiên liệu sinh học nhờ có nhiều loại vi sinh vật phân hủy chúng thành các chất hóa học hữu ích. Đã có hơn 30 nước trên thế giới áp dụng cách này để biến bắp, mía và nhiều loại cây hoa màu khác thành nhiên liệu sinh học. Tuy nhiên, các nhà khoa học không chọn rơm để làm nhiên li ệu sinh học vì các loại vi sinh không thể dễ dàng bẻ gẫy các liên kết cellulose có trong rơm, vì cấu trúc hóa học và vật lý của những liên kết này quá phức tạp. Không bó tay trước khó khăn, các nhà nghiên cứu của trường đại học Hóa công nghệ Bắc Kinh tại Trung Quốc đã phát triển một kỹ thuật sơ chế rơm rạ làm tăng khả năng sản xuất nhiên liệu sinh học từ rơm rạ. Họ đã trộn rơm với dung dịch kiềm sodium hydroxide trước rồi mới cho ủ cho vi sinh vật gây men. Dung dịch kiềm giúp cho rơm dễ bị vi sinh vật phân hủy hơn. Tất cả quá trình trên đều được tiến hành ở nhiệt độ bình thường mà không cần phải tốn thêm một loại năng lượng nào. Chỉ cần thêm một chút nước để tiến trình phân hủy rơm diễn ra “đơn giản, nhanh chóng, ít tốn kém và thân thiện với môi trường”. Kỹ thuật sơ chế bằng dung dịch kiềm cho phép các nhà nghiên cứu tăng tới 65% sản lượng khí sinh học (biogas) sản xuất được. 3 nhà máy áp dụng công nghệ này hiện đang được xây dựng. Dự án nhằm mục đích xây dựng các trạm biogas tập trung để cung cấp nhiên liệu sinh học cho từng hộ gia đình ở thành thị thông qua các đường ống dẫn khí ngầm dưới đất. Bã rơm còn lại sau đó sẽ được chế thành phân hữu cơ bón cho các đồng ruộng. Bằng cách này, rơm rạ sẽ được tái chế hoàn toàn. Dự án này có một lợi điểm là không đe dọa đến an ninh lương thực thế giới. Mặt khác, nó có thể được ứng dụng ở nhiều nước.
Các nhà nghiên cứu sẽ đăng chi tiết kết quả nghiên cứu của mình trên t ạp chí Năng lượng và Nhiên liệu số ra ngày 16.7 sắp tới. Dự án nghiên cứu của họ được tài trợ tài chính từ Chương trình Phát triển và Nghiên cứu Công nghệ cao của Trung Quốc. gần đây, tôi có đọc được bài báo viết về dự án sản xuất năng lượng sinh học từ chất thải nông nghiệp có nguồn gốc là xenlulo, làm giảm ô nhiễm môi trường xin được đưa ra để mọi người tham khảo: Biến rơm rạ, trấu … thành năng lượng sinh học Khoa học & Đời sống, 25-01-2011, Tác giả: Quỳnh Hương!PGS. TS Phan Đình Tuấn cùng các cộng sự thuộc trung tâm nghiên cứu công nghệ lọc hóa dầu ( trường Đại học Bách khoa TPHCM ) đã thành công việc tinh chế chất thải từ nông nghiệp như rơm rạ, trấu … thành nguồn năng lượng sinh học. PGS. TS Phan Đình Tuấn, chủ nhiệm đề tài cho biết, Biomass là các chất hữu cơ có nguồn gốc động thực vật như phân súc vật, cây cỏ, rơm rạ … Biomass sau khi được phân hủy, tinh chế thành các chất hữu cơ cơ bản làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp, nhiên liệu khí biogas hoặc nhiên liệu lỏng là cồn nhiên liệu, dung để đốt trực tiếp hoặc làm nhiên liệu cho các loại động cơ. Bằng việc sử dụng chế phẩm enzyme của nước ngoài và giống nấm men xacaromycer cerevisea trong nước, nhóm nghiên cứu đã xử lý rơm rạ bằng hơi nước, thủy phân rơm rạ thành đường, lên men đường thành rượu ( cồn có nồng độ thấp khoảng 5 – 10% ), nồng độ thể tích sẽ được chuyển sang tháp chưng cất thô để nâng nồng độ cồn lên khoảng 50% thể tích, sau đó chuyển sang tháp chưng cất tinh chưng cất rượu thành cồn có nồng độ 95%. Trong công nghệ Biomass, quá trình tinh chế biogas cũng thay đổi, khử mùi hôi, loại bỏ những độc tố có hại cho con người và cho vật liệu. Phân sau khi bị phân hủy thành biogas sẽ trở nên ít mùi, ít độc hại. Qua tinh chế, biogas và cồn sinh học có thể được sử dụng trực tiếp để chạy động cơ hoặc làm nhiên liệu đốt và có thể vận chuyển đi xa. Bên cạnh đó khả năng tái tạo của biomass được đánh giá cao, có thể phân hủy theo một quy trình khép kín: biomass sau khi sử dụng sẽ thải khí CO2, cây trồng hút khí CO2 cùng với năng lượng mặt trời lại phát triển, sinh ra biomass … Sau gần 6 năm hợp tác nghiên cứu, vừa qua Cơ quan Hợp tác quốc tế Nhật Bản ( JICA ) và Bộ Khoa học & Công nghệ Nhật Bản ( JST ) đã chính thức tài trợ cho dự án “ Kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với công nghiệp Biomass”. Dự án triển khai tại trường Đại học Bách khoa TPHCM và xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi trong 5 năm. Mục tiêu là nghiên cứu và phát triển các công nghệ chế biến biomass ( phế phụ phẩm nông nghiệp ) thành năng lượng như biogas, biothenol phục vụ cho nông nghiệp, nhiên liệu động cơ, chất đốt gia đình, chất đốt công nghiệp, làm dung môi… Xây dựng một hệ thống mô hình thiết bị thử
nghiệm nghiên cứu, sản xuất ethanol từ nguyên liệu rơm rạ, trấu, các chất thải có nguồn gốc xenlulo, đồng thời xây dựng một xưởng sản xuất thử nghiệm có quy mô lớn tinh chế biogas đến độ sạch cần thiết để làm chất đốt sinh hoạt, chạy máy phát điện, động cơ như xe tải, xe máy, xe buýt… Đặc biệt, kết hợp giải quyết các vấn đề về môi trường, xây dựng thành công mô hình “ thị trấn sinh khối “, trong đó chất thải sẽ được tái sử dụng, thu năng lượng, đảm bảo vệ sinh môi trường, giảm thiểu khí nhà kính, tận dụng tối đa chất thải nông nghiệp. Các chuyên gia ước tính, với công suất vận hành khoảng 400 kg rơm/ mẻ, sản phẩm có thể thu được 80 kg cồn/ mẻ. Để có thể vận hành một mẻ cần thời gian từ 1 -2 tuần. Đây là xưởng thực nghiệm để các nhà khoa học ứng dụng các nghiên cứu tại phòng thí nghiệm vào quy mô lớn hơn. Những cải tiến và các thông số tối ưu quy trình tại xưởng thực nghiệm này sẽ được ứng dụng quy trình mới tại xã Thái Mỹ, Củ Chi ( TPHCM ), tận dụng tối đa chất thải nông nghiệp. Các cố vấn của chính phủ Anh thừa nhận nước này đang thờ ơ trước những lợi ích to lớn của nguồn năng lượng biomass (năng lượng sinh khối, hay năng lượng từ vật liệu hữu cơ). Biomass có thể giải quyết tình trạng thay đổi khí hậu, biến chất thải, phế phẩm của ngành nông, lâm nghiệp thành nhiệt và năng lượng. Cung cấp cả nhiệt lẫn điện Chu trình sản xuất điện và nhiệt bằng hệ thống khí hoá. Kết luận trên do Uỷ ban Ô nhiễm Môi trường Hoàng gia (RCEP) công bố trong báo cáo chi tiết mang tên Biomass Nguồn năng lượng tái sinh. Giáo sư Tom Blundell, chủ tịch RCEP, đồng thời là trưởng Khoa Hoá Sinh tại ĐH Cambridge, cho biết: \'\'Tôi rất thất vọng vì n ước Anh chưa phát triển năng lượng biomass nhanh như các quốc gia châu Âu khác. Biomass có thể đóng góp đáng kể vào mục tiêu chống thay đổi khí hậu của Anh. Chính sách của chính phủ Anh về biomass là đứt đoạn và sai hướng\'\'. Trước khi nghiên cứu bắt đầu vào tháng 8/2003, GS Blundell nói: \'\'Anh đang t ụt l ại đằng sau. Nếu chính phủ muốn đạt được các mục tiêu giảm khí nhà kính nh ư đã tuyên bố, việc cấp bách là nghiên cứu và ủng hộ các nguồn năng l ượng có th ể tái sinh này\'\'. Sử dụng biomass cũng sẽ cung cấp cơ hội mới cho nông nghi ệp và ng ư nghi ệp c ủa nước Anh, đồng thời cải thiện an ninh năng lượng của qu ốc gia này. U ỷ ban tin r ằng t ới năm 2050, biomass có thể cung cấp 10-15% tổng năng l ượng của Anh. RCEP cho biết năng lượng biomass khác các dạng năng l ượng tái sinh khác ở hai khía cạnh. Thứ nhất, không giống năng lượng gió và sóng, biomass có thể ki ểm soát đ ược.
Thứ hai, cùng một lúc biomass vừa cung cấp nhiệt, vừa sản xuất đi ện năng. Biomass có nhiều dạng: gỗ, sản phẩm phụ của ngành lâm nghiệp như mùn cưa, ch ất thải nông nghiệp chẳng hạn như rơm, phân chuồng, cây năng lượng (mía, liễu). Ngoài ra, còn có chất thải thực vật từ công viên, vườn, lề đường. Tất cả những nguồn năng lượng trên đều sẵn có ở Anh. Báo cáo của RCEP kêu gọi chính phủ Anh đưa ra quy định b ắt bu ộc các nhà cung c ấp nhiệt hiện nay (dầu, khí và điện) cung cấp một phần nhi ệt từ các ngu ồn năng l ượng tái sinh. Quy định này sẽ có hiệu lực vào một thời điểm cụ thể. Ngoài ra, c ần thành l ập diễn đàn biomass giữa chính phủ với ngành cung cấp nhiệt, đi ện. T ất c ả các d ự án phát triển mới đều phải lập kế hoạch xây dựng nhà máy sản xuất nhi ệt, đi ện k ết h ợp, sử dụng nhiên liệu biomass. Khai thác biomass Chu kỳ carbon. Biomass là vật liệu hữu cơ dự trữ ánh sáng mặt trời dưới dạng năng lượng hoá h ọc. Khi được đốt cháy, năng lượng hoá học này được giải phóng d ưới dạng nhi ệt. Cái mà chúng ta ngày nay gọi là biomass đã sưởi ấm cho các căn h ộ và toà nhà trên toàn th ế giới trong hàng nghìn năm. Trên thực t ế, biomass tiếp t ục là ngu ồn năng l ượng l ớn t ại các quốc gia đang phát triển. Gỗ vẫn là nguồn năng l ượng biomass l ớn nh ất trên th ế giới. Lợi ích môi trường, an ninh năng lượng thực sự của biomass s ẽ xu ất hi ện khi con người sử dụng một lượng lớn biomass để sản xuất điện năng, nhiệt và các lo ại nhiên liệu sinh học khác, do đó, giảm sử dụng nhiên li ệu hoá th ạch. Chu kỳ carbon là nguyên tắc đứng đằng sau công nghệ biomass. Khi thực vật sinh trưởng, chúng h ấp th ụ CO 2 trong môi trường và dự trữ nó thông qua quá trình quang h ợp. M ột l ượng CO 2 tương đương được giải phóng khi thực vật bị phân huỷ tự nhiên hoặc đốt cháy. Điều đó có nghĩa là biomass không đóng góp vào quá trình phát th ải khí nhà kính. Nhiên liệu sinh học. Không giống như các nguồn năng lượng tái sinh khác, biomass có thể được biến trực tiếp thành các loại nhiên liệu l ỏng - nhiên li ệu sinh h ọc - cho các phương tiện vận tải (ô-tô con, xe tải, xe buýt, máy bay, tàu hoả). Có hai d ạng nhiên li ệu sinh học phổ biến nhất là ethanol và diesel sinh học.
Ethanol có thể được sản xuất từ ngô. Ethanol là một loại cồn, tương tự như cồn trong bia và r ượu. Nó đ ược sản xu ất b ằng cách lên men bất kỳ loại biomass nào có hàm lượng carbohydrate cao (tinh b ột, đ ường hoặc celluloses) thông qua một quá trình t ương t ự nh ư lên men bia. Ethanol ch ủ y ếu được sử dụng làm phụ gia nhiên liệu để giảm lượng carbon monoxide và các lo ại khí thải gây sương khói khác từ xe cộ. Hiện đã có các loại xe sử dụng nhiên li ệu linh ho ạt gồm xăng và 85% ethanol. Diesel sinh học được sản xuất bằng cách kết hợp cồn (thường là methanol) v ới d ầu thực vật, mỡ động vật hoặc các loại mỡ nấu ăn được tái chế. Nó có thể được sử dụng làm chất phụ gia nhiên liệu để giảm lượng khí thải cho xe cộ (20%). Ở dạng thu ần khiết, diesel sinh học được sử dụng làm nhiên liệu cho các đ ộng c ơ diesel. Các loại nhiên liệu sinh học khác bao gồm methanol và các thành ph ần bi ến tính khác của xăng. Methanol, thường được gọi là cồn gỗ, hiện được sản xuất t ừ khí tự nhiên. Tuy nhiên, cũng có thể sản xuất nó từ biomass. Có một s ố cách bi ến biomass thành methanol song biện pháp phổ thông nhất là khí hoá. Khí hoá liên quan t ới vi ệc làm b ốc hơi biomass ở nhiệt độ cao, rồi loại bỏ các tạp chất từ khí nóng và cho nó đi qua m ột chất xung tác. Chất xúc tác biến khí thành methanol. Ph ần l ớn các thành ph ần bi ến tính của xăng được sản xuất từ biomass là những phụ gia nhiên li ệu gi ảm ô nhi ễm, chẳng hạn như methyl tertiary butyl ether (MTBE) và ethyl tertiary butyl ether (ETBE). Điện sinh học. Điện sinh học là việc sử dụng bimomass để sản xuất điện năng. Có sáu hệ thống điện sinh học lớn trên thế giới bao g ồm đ ốt biomass tr ực tiếp, đ ồng đ ốt cháy, khí hoá, tiêu hoá kỵ khí, nhiệt phân và h ệ th ống đi ện sinh h ọc nh ỏ, module. Ước tính tới năm 2020, sản lượng điện sinh học của thế giới là hơn 30.000 megawatt (MW). Mỹ là nước sản xuất điện biomass lớn nhất thế giới, có hơn 350 nhà máy điện sinh học, sản xuất trên 7.500MW điện mỗi năm, đủ để cung cấp cho hàng triệu hộ gia đình, đồng thời tạo ra 66.000 việc làm. Những nhà máy này sử dụng chất thải từ nhà máy giấy, nhà máy cưa, sản phẩm phụ nông nghiệp, cành lá từ các vườn cây ăn quả. Bộ Năng lượng Mỹ dự báo các công nghệ tiên tiến hiện đang được phát triển hiện nay sẽ giúp ngành điện biomass sản xuất trên 13.000MW vào năm 2010 và tạo thêm 100.000 việc làm. Năng lượng biomass
chiếm 4% tổng năng lượng được tiêu thụ ở Mỹ và 45% năng lượng tái sinh. Phần lớn các nhà máy điện sinh học trên thế giới sử dụng h ệ th ống đ ốt tr ực tiếp. H ọ đốt nguyên liệu sinh học trực tiếp để tạo hơi nước. Hơi nước đó bị tua-bin b ắt gi ữ và máy phát điện sau đó biến nó thành điện. Trong m ột s ố ngành công nghi ệp, h ơi n ước từ nhà máy điện cũng được sử dụng cho sản xuất hoặc để sưởi ấm cho các toà nhà. Những nhà máy điện này được gọi là nhà máy nhiệt - đi ện k ết h ợp. Ch ẳng h ạn nh ư phụ phẩm của gỗ (mùn cưa) thường được sử dụng để sản xuất cả đi ện và tạo nhi ệt ở các nhà máy giấy. Nhà máy điện biomass công suất 50MW ở California, sử dụng phụ phẩm gỗ từ các nhà máy cưa lân cận. Nhiều nhà máy điện đốt than có thể sử dụng các hệ thống đồng đốt cháy để gi ảm đáng kế lượng khí thải đặc biệt là sulfur dioxide. Đ ồng đ ốt cháy liên quan t ới vi ệc s ử dụng biomass như một nguồn năng lượng bổ sung trong các nồi h ơi hi ệu quả cao. Ch ỉ cần vài thay đổi nhỏ là các nhà máy điện đốt than có thể sử dụng h ệ th ống đ ồng đ ốt cháy. Do vậy, tiềm năng phát triển của nó trong tương lai là rất l ớn. Hệ thống khí hoá sử dụng nhiệt độ cao và môi trường hi ếm oxy để bi ến biomass thành một loại khí - khí biogas hay khí sinh học (hỗn hợp gồm hydrro, CO và methane). Lo ại khí này cung cấp nhiên liệu cho turbine khí để sản xuất điện năng. Cũng có m ột s ố nhà máy điện sử dụng chu trình hơi khác một chút. Nhiên li ệu biomass đ ược bi ến thành các loại khí đốt điều áp, nóng, trong bu ồng khí hoá. Chúng đ ược làm s ạch (lo ại bỏ tạp chất) để tránh làm bào mòn hệ thống sản xuất nhiệt, đi ện. Ti ếp đ ến, các lo ại khí sạch được đốt cùng với không khí trong buồng đốt trước khi đi vào m ột turbine đ ể sản xuất điện. Nhiệt đi ra từ tua-bin khí được dẫn vào buồng trao đ ổi nhi ệt đ ể làm nóng nước lạnh, cung cấp cho các hộ gia đình. Biomass phân huỷ tạo ra khí methane mà có thể được sử dụng làm năng l ượng. T ại các bãi chôn lấp (nơi ủ các vật liệu hữu cơ như phân, rau xanh, r ơm...), các gi ếng đ ược khoan để hút khí methane từ chất hữu cơ đang phân hu ỷ. Sau đó, các ống t ừ m ỗi giếng sẽ vận chuyển khí tới một nơi trung tâm để l ọc và làm sạch tr ước khi đ ốt. Methane cũng có thể được sản xuất từ biomass thông qua m ột quy trình đ ược g ọi là tiêu hoá kỵ khí. Tiêu hoá kỵ khí liên quan tới việc sử d ụng vi khuẩn đ ể phân hu ỷ ch ất hữu cơ trong điều kiện thiếu oxy. Methane có thể được sử dụng làm nhiên li ệu theo nhiều cách. Phần lớn các cơ sở đốt nó trong một nồi hơi, tạo h ơi n ước sản xuất đi ện hoặc sử dụng cho mục đích công nghiệp. Methane cũng có th ể đ ược s ử d ụng làm nhiên liệu trong tế bào nhiên liệu. Tế bào nhiên li ệu hoạt đ ộng gi ống nh ư pin song không cần tái nạp. Nó tạo điện chừng nào có nhiên li ệu. Ngoài khí, nhiên liệu lỏng cũng được sản xuất từ biomass thông qua m ột quy trình g ọi là nhiệt phân. Nhiệt phân xảy ra khi biomass được nung nóng trong đi ều ki ện thi ếu oxy.
Sau đó, biomass biến thành một chất lỏng g ọi là dầu nhi ệt phân. Có th ể đ ốt d ầu nhi ệt phân giống như xăng để sản xuất điện năng. Một hệ thống đi ện sinh h ọc s ử d ụng nhiệt phân hiện đang được thương mại hoá tại Mỹ. Các chế phẩm sinh học. Con người có thể sử dụng biomass để sản xuất mọi sản phẩm như họ đã làm từ nhiên liệu hoá thạch. Những sản phẩm sinh h ọc đó không ch ỉ được làm từ các nguồn tái sinh mà còn cần ít năng l ượng h ơn trong quá trình s ản xu ất. Biomass được sử dụng để sản xuất một loạt các sản phẩm chất dẻo, phân rã sinh học. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng tiến trình sản xuất nhiên liệu sinh học cũng có thể được sử dụng để sản xuất chất chống đông, chất dẻo, keo, chất làm ngọt và gel cho thuốc đánh răng. Khi biomass được nung nóng với một lượng oxy nhỏ, một lượng lớn carbon monoxide và hydro được tạo ra. Các nhà khoa học gọi hỗn hợp này là khí sinh tổng hợp. Khí sinh tổng hợp được sử dụng để tạo chất dẻo và a-xít. Khi biomass được nung nóng trong điều kiện không có oxy, nó hình thành d ầu nhi ệt phân. Một hoá chất có tên là phenol có thể được chiết xuất t ừ dầu nhi ệt phân. Phenol được sử dụng để chế tạo chất dán gỗ, chất dẻo đổ khuôn và nhiều chất khác. Khái niệm mới: Nhà máy lọc sinh học Nhiên liệu biomass được sử dụng ở Ấn Độ chiếm khoảng 30% tổng nhiên liệu được sử dụng tại quốc gia này, là nguồn nhiên liệu quan trọng nhất được sử dụng ở trên 90% hộ gia đình nông thôn và chừng 15% hộ gia đình đô thị, đặc biệt hữu ích đối với các gia đình có nuôi gia súc. Hiện nhiều nhà máy biogas đã được xây dựng ở Ấn Độ. Nhà máy lọc sinh học là một cơ sở kết hợp thiết bị và các tiến trình chuyển bi ến biomass để sản xuất nhiên liệu, điện năng và các hoá chất từ biomass. Khái ni ệm nhà máy lọc sinh học tương tự như các nhà máy lọc dầu ngày nay mà sản xuất nhi ều nhiên liệu cũng như sản phẩm từ dầu. Các nhà máy lọc sinh học công nghiệp đã đ ược coi là con đường hứa hẹn nhất dẫn tới việc tạo lập một ngành mới, dựa trên sinh h ọc ở Mỹ. Bằng cách sản xuất nhiều sản phẩm, một nhà máy lọc sinh học có th ể tận d ụng đ ược các thành phần khác nhau của biomass, đồng thời tối đa hoá giá tr ị thu đ ược t ừ biomass. Một nhà máy như vậy có thể sản xuất một hoặc nhiều hoá chất giá tr ị cao, khối lượng ít và một loại nhiên liệu lỏng cho vận t ải với giá trị thấp, kh ối l ượng l ớn. Đồng thời, nhà máy cũng sản xuất điện, nhiệt để sử dụng trong n ội b ộ và có l ẽ là th ừa
điện để bán ra ngoài. Sản phẩm giá trị cao tăng cường l ợi nhu ận, nhiên li ệu kh ối l ượng nhiều đáp ứng nhu cầu năng lượng quốc gia và sản xuất đi ện tránh phát th ải khí nhà kính cũng như giảm chi phí. Phòng Thí nghiệm Năng lượng tái sinh quốc gia của Mỹ đang th ực hiện Ch ương trình Biomass, liên quan tới sáu dự án nhà máy lọc sinh h ọc l ớn. Nh ững d ự án này t ập trung vào các công nghệ mới nhằm kết hợp việc sản xuất nhiên liệu t ừ biomass và các s ản phẩm khác trong cùng một cơ sở. The Economics of Biomass Production in the United States Robin L. Graham, Ph.D., Economist, ORNL, Oak Ridge, TN, USA Erik Lichtenberg, Ph.D., University of Maryland, College Park, MD, USA Vernon O. Roningen, Ph.D., Economist, ERS-USDA, Washington, DC, USA Hossein Shapouri, Ph.D., Economist, OENU-ERS-USDA, Washington, DC, USA Marie E. Walsh, Ph.D., Economist, ORNL, Oak Ridge, TN, USA Abstract Biomass crops (e.g. poplar, willow, switchgrass) could become important feedstocks for power, liquid fuel and chemical production. With successful research programs that boost crop yields and develop appropriate power and chemical conversion technologies, biomass might compete with fossil fuels for a broad range of uses. Compared to fossil fuels, biomass feedstocks can offer significant environmental benefits. For example, biomass crops do not add greenhouse gases to the atmosphere during their life cycle. This paper presents estimates of the potential production of biomass in the United States under a range of assumptions. Estimates of potential biomass crop yields and production costs from the Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratories (ORNL), are combined with measures of land rents from USDA's Conservation Reserve Program (CRP), to estimate a competitive supply of biomass wood and grass crops. Estimates are made for one potential biomass use--electric power production--where future costs of electricity production from competing fossil fuels set the demand price. The paper outlines the methodology used and limitations of the analysis. Currently, biomass-based electricity generation is a niche market where electricity is expensive and fuel is cheap or incurs a disposal cost, e.g. waste wood, sawdust, etc. However, if biomass production and usage systems demonstrate themselves to be workable at DOE's projected costs, biomass crops might become competitive for electricity production and other uses. Increases in fossil fuel prices, more rapid advances in gassification-gas turbine power generation technology, or rapid market development for biomass-based co-products such as pulp wood or chemicals could accelerate the production of biomass for electricity generation. Policies that discourage greenhouse gas emissions or encourage biomass production on idle land could also make biomass feedstocks more competitive with fossil fuels for a range of uses. Biomass crops could be produced on some of the land idled by farm programs in recent years. However, if biomass crop production should expand beyond 30 million acres, then the interaction of biomass with traditional agricultural crops, markets, and programs becomes important. While the outlook for biomass feedstocks for energy and other uses offers promise, the practical viability of biomass production and usage systems needs to be demonstrated. Given the uncertainty about the competitiveness of the biomass industry, projects that successfully
demonstrate biomass production and utilization systems hold the key to the future of biomass production in the United States Background This paper discusses the economic potential of biomass production and utilization. Biomass crops are being promoted as feedstocks for the production of electric power, liquid fuels, and chemicals. Biomass feedstocks have environmental advantages compared to fossil fuels. For example, they would not add greenhouse gasses to the atmosphere during their life cycle. These crops might be grown on fragile lands and could perform other environmental tasks such as the filtration of fertilizer and pesticide runoff. DOE research suggests that yields of biomass crops such as poplar, willow, and switchgrass could be increased significantly. If new generation efficient gassification systems and turbines were developed for power production, biomass might become competitive with fossil fuels as an energy source. Such a development would benefit farmers by adding energy crops to traditional food and fiber production. Rural communities would benefit from jobs created by biomass production and utilization. Methodology The supply of a product is the quantity that will be produced with a unit of resources at a price that is competitive with other uses for the same resources. Given a fixed amount of biomass production, the competitive price is set by the last unit of resources coming into production which just meets production expenses. The potential supply of biomass can be estimated given data on land productivity, biomass production costs, and the cost of land for alternative uses. Since biomass crops have a life cycle of several years, the stream of biomass revenues and costs has to be discounted in order to compare returns from biomass production with alternative investments (Strauss and Wright). The supply price estimates for biomass on an acre of land can be done by calculating the present value of estimated revenue and costs over a production cycle (n years). Let p=average annual biomass crop price per ton harvested, yt biomass yield per acre (in period t), ct total production cost per acre (including a competitive return to the land), and r the discount rate over the crop cycle period. For each acre of biomass, the discounted revenue , since p is defined as an average price over the crop cycle. This discounted revenue from biomass production must equal the discounted cost . Solving for p, p= . The average biomass supply price depends on the ratio of discounted production costs to discounted yields (resource productivity). This calculation was repeated for land units with differing productivity (yields) and value (rental rates). The quantity of biomass produced on a unit of land is simply the area times the average annual yield. The total quantity q supplied to the market at a price p is the sum of production on all land where the equivalent discounted price
average land rental values from the 12th sign-up of USDA's Conservation Reserve Program (Osborn,Liacuna, and Linsenbigier, 1992 ). Data on potential biomass yields and production costs by land class was assembled by ORNL for land suitable for biomass (crop, CRP, and pasture land with medium to high conversion potential) in the four regions shown in Figure 1. Calculations assume that biomass yields, production budgets, and CRP land rents applied to all land in a unit. Switchgrass was the representative grass crop while poplar was the wood crop for all regions except for willows in the North East. The yield scenarios (labeled by year) represented judgments about the potential success of biomass research programs: 2000 - yields attainable with current technology, 2005 - yields with improved management and clonal and varietal selection, and 2020 - yields that could be achieved with a sustained multi-regional genetic improvement program. Table 1 summarizes the data set used for estimation of the potential biomass supply in the U.S. Table 1: Potential Biomass Crops, Suitable Acreages, and Average Yields 1 Grass Wood Crops Crops Yield Scenari os Yield Scenarios (Dry (Dry Tons/Acre) Tons/A cre) Million Million Region Crop 2000 2005 2020 Crop 2000 2005 2020 Acres Acres North Switchgrass 200 4.2 4.8 6.0 Poplar 177 3.1 5.1 7.1 Central North East Switchgrass 36 3.7 4.3 5.3 Willow 36 4.2 6.4 8.1 South Switchgrass 64 5.1 5.9 7.4 Poplar 41 2.6 4.6 6.8 Central South East Switchgrass 22 6.0 6.9 8.6 Poplar 22 3.0 5.0 7.3 1 Production cycles assumed in ORNL biomass crop budgets were: switchgrass - 10 years, poplar - 7 years, and willow - 22 years. Regions included suitable acreage with adequate rainfall. Acreages shown overlap for grass and wood crops. The number of land class/rental observations were: North Central - 182, North East - 91, South Central - 61, and South East - 60. Land data 'included 12 land capability classes/subclasses with different potential yields assigned to each. Crop budgets were assigned to land classes by ORNL (5 switchgrass budgets, 3 poplar budgets, and 1 willow budget). Average CRP 12th sign-up rents (and standard deviations) in dollars/acre for the regions are: North Central -74 (41), North East - 78 (24), South Central - 49 (19), and South East - 42 (19). Figure 2 shows a sample ORNL switchgrass crop budget and associated average yield scenarios for 2000, 2005, and 2020 for the North Central region. Budgets included variable cash, labor, and operating capital costs of production. This data was combined with a 6.5 percent discount rate and a CRP rental rate for the land unit (representing the required return from the land to cover ownership costs, profits, and taxes) to calculate an annualized farmgate price (cost, per ton that would allow normal returns for the land owner, given estimated revenues and costs. Budgets
did include some variation in production costs associated with different yields (e.g. harvesting, transportation). Figure 2: Switchgrass Production Budget Spreadsheet for a North Central Region Unit of Land with ORNL Yields and CRP Land Rent A B C D E F G 2000 - 2005 - YRS 2020 - YRS. 2-10 2-10 YRS. 2-10 SWITCHG 2000 - YR. 2005- YR. 2020 - YR. ANNUAL ANNUAL ANNUAL RASS 1 ESTAB. 1 ESTAB. 1 ESTAB. MAINT., MAINT. MAINT., BUDGET COST COST COST HARV. HARV. HARV. 2 COST COST COST 3 VARIABLE CASH COSTS 4 Seed 14.63 14.63 14.63 5 Fertilizer 30.76 21.91 31.60 22.19 33.88 25.03 6 Chemicals 13.06 13.06 13.06 7 Fuels/Lube 4.41 0.38 4.41 0.38 4.41 0.38 8 Repairs 8.29 0.55 8.29 0.55 8.29 0.55 9 Harvest 17.61 18.55 20.9 17 COST OF OWNED RESOURCES 18 Capital 7.60 10.03 7.60 10.69 7.60 12.34 Replaceme nt 19 Other 3.65 4.51 3.65 4.80 3.65 5.59 Nonland Capital 21 Labor 9.60 13.54 9.60 14.67 9.60 15.45 24 Present Value (PV) Cos Calc. (1993 $/Acre) 25 Discount 8.065 Assumed rate (%) Transport Cost ($/T) 26 Annual 74 3.00 PV-2000 PV-2005 PV-2020 land rental rate- CRP data: 27 A=R. 4-8, Estab. 71.15 72.19 74.27
C. B,D,F Cost-yr. 1 28 B=R, 4-8, Maint. 269.24 277.36 311.91 C. C,E,G Harv. Cost- 2-10 29 C=R.18- Cap. Lab. 207.75 221.60 242.63 19,21; All Depr.-1-7 30 D=R.26, Land rental 566.55 566.55 566.55 C.B,D,F cost-1-10 31 =A + B + C 10 Y. Farm 1114.69 1137.70 1195.36 +D C. (94 $/A) 32 Yield Average Transport Calculations of annualized cost of switchgrass Assum. - (dry costs -yrs. production, given ORNL budgets, yields, and ORNL: tons/acre/yr 2- 10 land rental costs from CRP data source ) 33 2000 3.69 70.25 34 2005 4.22 80.34 35 2020 5.27 100.33 36 37 Annualiz. Annualized Farm Delivered Bolded areas show budget data used. C./Ton (93 Cost Italicized numbers are resulting annualized farm costs. $/Ton) 38 2000 47.60 50.60 39 2005 42.48 45.48 40 2020 35.74 38.74 Figure 2 shows the calculations for an observation with a CRP rent of 74 dollars per acre that is expected to yield 3.7 tons per acre of switchgrass in 2000, 4.2 tons in 2005, and 5.3 tons in 2020. When similar spreadsheet calculations were performed for all rental observations in the North Central region, they were sorted by price (annualized farmgate cost). Then total acreage and production was cumulated for all land units with equal or lower prices. This process yielded a supply estimate with the lowest "break even" farmgate price per ton (left axis) verses the total acreage of land used (bottom axis) shown in Figure 3. The left part of the supply response scenario estimates shows the minimum price needed to bring switchgrass into production in competition with existing land use while the right part of the figure indicates the price that would be needed to bring all of the land in the North Central region into switchgrass production. The point representing the results of the spreadsheet calculation shown in Figure 2 is marked with a vertical line. When the supply estimate is presented in terms of total acreage in a region, the
scenarios with increased yields move the supply prices downward, i.e. they lower supply costs. Improved yields in 2005 with a modest research program lower costs at the line shown Figure 3 from $47.60 per ton to $42.48, a reduction of $5.12 per dry ton or 11 percent. By 2020 with a long term research program, the costs are lowered to $35.74 per ton, down $11.86 or 25 percent from the costs projected in 2000. This calculation shows that given production costs and a variety of land prices and productivity; a) there is available that could produce switchgrass at a low price, e.g. $30 or less per ton, b) if research programs could successfully increase yields, switchgrass at $30 per ton would competitive on more acreage (or at any of the acreages shown in Figure 3, the competitive price would be reduced). The calculation of a national biomass supply estimate follows the same methodology, combining land data from the four regions shown in Figure 1. There is an important caveat about this type of analysis. The land rent distribution comes from a survey with existing crop production patterns in place. For example, the North Central region shown in Figure 1 has over 60 million acres in corn production, accounting for almost 80 percent of corn production land in the U.S. While Figure 3 suggests that all of this land could be converted to switchgrass production if prices approached $60 per ton, the resulting removal of 80 percent of U.S. corn production would raise feed grain, livestock, and food prices dramatically. In turn this would raise the prices required to maintain all of this land in switchgrass production. Therefore the supply estimates using this methodology are appropriate for smaller acreages or biomass on idle land that is not competing with mainstream crops (e.g. the 50 million acres in conservation and crop set-aside programs in recent years). If biomass crops were to seriously compete with traditional food and fiber crops, a full multi-commodity global market analysis would be needed to analyze the interaction of biomass crops with the existing farm economy. Biomass Supply Estimates for the United States Figure 4 shows supply estimates for switchgrass on the lowest cost 50 million acres. The downward shift of supply prices in each scenario results from the yield increases assumed to follow from stepped-up research programs. The numbers in the table below the acreage show the total switchgrass production expected with each scenario. For example, a price of 28 dollars per dry ton would encourage production of 128 million tons on 20 million acres in the scenario for 2000. For 2005, 20 million acres could produce 146 million tons at a price of 26 dollars per ton. The 2020 scenario suggests the same 20 moon acres could produce 159 million tons for less than 24 dollars per dry ton. The amounts that could be produced under 25 dollars per ton with research progress, constitute a niche market that might develop.
The quantities supplied in these estimates are very sensitive to price. This is consistent with the long run methodology used for the estimates and is appropriate for land currently idle. Experience with long-run multi-crop estimates suggests that each quantity produced would require higher prices if biomass production significantly displaced existing crops. Estimates for U.S. wood crop production on 50 million acres are shown in Figure 5. The interpretation is the same as for Figure 4. The left part of the estimates at lower prices represent lower costs associated with willow production (relative to poplar). The supply estimates in these two figures include much of the same land. Therefore an additional calculation is needed in terms of a common energy metric, allowing either grass or wood production, to determine how much of each particular biomass crop is produced. Since wood and grass crops have different energy contents per ton, a combined estimate can be made by converting wood and grass tonnage to common energy units and prices. Assuming wood and grass crops contain 16.5 and 14.5 million Btu of energy per dry ton, respectively, the tonnage and prices shown above (with transport costs added) were converted to energy units. Ranking the data for about 50 million acres by energy prices and cumulating the energy content gives the national biomass supply in Figure 6. The steeper line in Figure 6 shows an alternative biomass supply estimate by McCarl using a multi-crop model (Adams, et.
al.) for 2020. At lower prices, the McCarl analysis includes waste wood. As the biomass acreage climbs above 30 million acres and biomass crops compete with existing ones, the multi-crop methodology suggests that higher prices would be needed to cause biomass to displace existing crop production. Regardless of the estimated biomass supply in energy terms, additional assumptions about technology are required if biomass is to be evaluated exclusively for use as a fuel for electric power generation. Figure 7 summarizes some technical cost assumptions as three components of electricity prices. DOE and Electric Power Research Institute (EPRI) electric power cost assumptions for the three scenarios are shown at the right and are compared to other estimates using various energy sources, including biomass. Lower cost estimates in 2005 and 2020 basically assume greater cost and production efficiency using new generation gasification-gas turbine systems to convert biomass to electricity. Since capital and operation and maintenance costs make up over half of the electricity price, their reduction with new technology is crucial to the attainment of a 4 cents per kWh biomass based electricity price that is thought to be competitive with power production from other fuels in 2020 such as coal and natural gas. The power cost assumptions in Figure 7 are combined with the biomass energy supply estimates in Figure 6 to produce the potential biomass- based electricity supply for the three scenarios in Figure 8. An additional alternative scenario for 2020 assuming yields from 2000 gives electricity price estimates only 0.2 cents per kWh higher on average. Therefore the required cost reduction for competitive electricity production in 2020 in Figure 8 comes almost entirely from the new lower-cost electricity generation technology. If these cost assumptions hold true and if biomass production does not crowd out existing crops, then up to 50 million acres of competitive biomass crops might exist in the future.
These calculations and underlying assumptions lead to a distribution of biomass supply by region and crop shown in Figure 9. Willows could become a major wood crop in the North East while switchgrass could be a major biomass crop in the other regions. Low cost power technology and improved feedstock production systems are keys to this future. To summarize, biomass crops could become feedstocks for industrial uses, given optimistic assumptions about the success of research programs for production and utilization. The successful development of a new generation of efficient power generation technology could make biomass generated electricity a reality. Some low cost biomass production and biomass wastes such as wood make a niche biomass power market possible now. Successful biomass research programs, rising fossil fuel prices, and/or biomass incentive policies could expand the biomass industry. However, the optimistic U.S. biomass scenarios assume that improved production, harvesting, delivery, and utilization systems implied by crop budgets and power/utilization cost estimates are in place. Much hard engineering, organizational, and research work will be required to demonstrate the workability of these systems. Future biomass farmers and processors need to see practical and successful demonstration projects on the ground that before they begin to participate on a large scale. References Adams, Darius, Ralph Alig, J.M. Callaway, and Bruce A. McCarl. 1994. Forest and Agricultural Sector Optimization Model: Model Description, a report prepared for the Environmental Protection Agency. Boulder, CO. RCG/Hagier Bailly. Return to text Energy Information Administration (EIA), U.S. Department of Energy (DOE). 1995. Annual Energy Outlook 1995 With Projections to 2010. Washington, DC.
Energy Information Administration (EIA), U.S. Department of Energy (DOE). 1995. Supplement to the Annual Energy Outlook 1995. Washington, DC. Graham, Robin Lambert. 1994. "An Analysis of the Potential Land Base for Energy Crops in the Conterminous United States". In Biomass and Bioenergy, Vol. 6., No. 3. Oxford UK. Elsevier Science Ltd. Osborn, C. Tim, Felix Liacuna, and Michael Linsenbigler. 1992. The Conservation Reserve Program (CRP), Enrollment Statistics for Sign-up Periods 1-11 and Fiscal Years 1990-1992. Economic Research Service (ERS) Statistical Bulletin Number 843. Washington, DC. Return to text Strauss, Charles H., and Lynn L. Wright. 1990. "Woody Biomass Production Costs in the United States: An Economic Summary of Commercial Populus Plantation Systems". In Solar Energy, Vol. 45. No. 2. Permagon Press Inc. Return to text Union of Concerned Scientists. 1993. Powering the Midwest, Renewable Electricity for the Economy and the Environment, A Report by the Union of Concerned Scientists. Cambridge, pp. 109-118. Walsh, Marie E. and Robin L. Graham. 1995. "Biomass Feedstock Supply Analysis: Production Costs, Land Availability, Yields", a working report from the BioFuels Feedstock Development Program, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN. Return to text