Nghiên cứu khám phá tiềm năng đôi bên cùng có lợi của sản xuất năng lượng từ cỏ
của Đại học Tiểu bang Iowa
Một máy tiêu hóa kỵ khí được Cơ sở Kiểm soát Ô nhiễm Nước của thành phố Ames sử dụng. Một trong hai nghiên cứu khả thi gần đây của nhóm nghiên cứu Đại học Tiểu bang Iowa khám phá việc sử dụng cỏ thảo nguyên để tạo ra nhiên liệu sinh học đã mô phỏng một mạng lưới máy tiêu hóa kỵ khí mở rộng ở Ames. Nguồn: Lisa Schulte Moore/Đại học Tiểu bang Iowa.
Việc trồng cỏ lâu năm một cách chiến lược trên khắp các cánh đồng ngô và đậu nành giúp giải quyết những hậu quả không mong muốn về môi trường khi trồng các loại cây trồng hàng loạt chiếm ưu thế, bao gồm xói mòn đất, dòng chảy phân bón và khí thải nhà kính.
Nhưng việc chuyển đổi một phần đất nông nghiệp trở lại đồng cỏ phải có ý nghĩa về mặt tài chính đối với người nông dân, đó là lý do tại sao một nhóm nghiên cứu do nhà sinh thái học cảnh quan của Đại học Tiểu bang Iowa Lisa Schulte Moore đứng đầu đã dành sáu năm qua để nghiên cứu cách biến cỏ đã thu hoạch thành khí đốt tự nhiên tái tạo có lợi nhuận một cách hiệu quả.
"Chúng tôi đang xem xét các thị trường hiện có, nơi đã có nhu cầu, sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có để giảm chi phí chuyển đổi năng lượng và tạo ra lợi ích trong nhiều hạng mục. Chúng tôi muốn lợi ích cho nông dân, lợi ích cho doanh nghiệp, lợi ích cho các thành phố và lợi ích cho xã hội", Schulte Moore, giáo sư về sinh thái và quản lý tài nguyên thiên nhiên và là giám đốc của Liên đoàn Nuôi dưỡng Doanh nghiệp tái tạo con người và tự nhiên (C-CHANGE), cho biết.
"Chúng ta có thể có những cuộc thảo luận tuyệt vời về những gì có thể xảy ra, nhưng nếu không mang lại lợi ích cho tất cả mọi người dọc theo chuỗi cung ứng này, thì điều đó sẽ không xảy ra".
Một cặp bài báo mới được công bố của nhóm nghiên cứu của Schulte-Moore đã mô hình hóa tính khả thi về mặt kinh tế của việc sản xuất cỏ thành khí đốt trong các bối cảnh khác nhau và từ nhiều góc độ khác nhau, phân tích giúp làm rõ tiềm năng đôi bên cùng có lợi của hệ thống.
"Để thay thế khí đốt tự nhiên bằng các nguồn tài nguyên phục hồi nền nông nghiệp bền vững, chúng ta phải có khả năng định lượng được lượng năng lượng chúng ta có thể sản xuất và chứng minh rằng nó có thể tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường", phó giáo sư kỹ thuật cơ khí Mark Mba-Wright, đồng tác giả của các nghiên cứu cho biết.
Kịch bản dựa trên thành phố
Nghiên cứu đang tiến hành tập trung vào việc tối ưu hóa và mở rộng việc sử dụng các máy tiêu hóa kỵ khí. Khí sinh học được giải phóng trong quá trình tiêu hóa kỵ khí, quá trình phân hủy sinh học tự nhiên của chất hữu cơ mà không cần oxy. Được thu giữ trong các máy tiêu hóa giống như bể chứa, khí sinh học có thể được xử lý thành nhiên liệu dễ dàng thay thế cho khí tự nhiên có nguồn gốc từ dầu mỏ. Nó cũng có thể cung cấp năng lượng cho máy phát điện và sản xuất phân bón.
Trong một nghiên cứu được công bố trên BioEnergy Research, các nhà nghiên cứu của Đại học Iowa State đã mô hình hóa cách một mạng lưới các máy tiêu hóa trong và xung quanh Ames có thể cung cấp nhu cầu nhiệt và điện của thành phố. Phân gia súc, sản phẩm phụ của nhiên liệu sinh học, chất thải thực phẩm và nước thải sẽ kết hợp với sinh khối cỏ làm nguồn cung cấp nguyên liệu cho tối đa 10 máy tiêu hóa. Địa điểm, quy mô và số lượng cơ sở phụ thuộc vào việc mạng lưới được thiết kế chủ yếu để sản xuất khí tự nhiên hay điện.
Phân tích cho thấy khí tự nhiên tái tạo là trọng tâm thực tế nhất về mặt kinh tế, với chi phí bình quân gấp khoảng hai lần giá trung bình lịch sử của khí tự nhiên truyền thống. Các ưu đãi hỗ trợ sản xuất năng lượng sạch có thể thúc đẩy giá cả cạnh tranh. Bất chấp điều đó, việc nhìn thấy chuỗi cung ứng máy tiêu hóa sẽ hoạt động như thế nào để phục vụ nhu cầu của thành phố giúp các nhà lãnh đạo thành phố hình dung ra các khả năng, Mba-Wright cho biết.
"Chúng tôi muốn xem xét tính theo mùa của cung và cầu trong một năm để đưa ra cho thị trưởng, chẳng hạn, các kịch bản để xem xét và lập chiến lược", ông nói.
Các nhà nghiên cứu đã thảo luận về quá trình tiêu hóa kỵ khí với các viên chức xử lý nước thải của thành phố tại một số thành phố ở Iowa và nhìn chung họ rất tò mò, Schulte Moore, đồng giám đốc Viện Kinh tế sinh học và là Học giả MacArthur năm 2021 cho biết.
"Nhu cầu cấp thiết của họ là cung cấp dịch vụ cho khách hàng 24–7. Nhưng họ làm việc theo các mốc thời gian lập kế hoạch từ 15 đến 30 năm, vì vậy họ cũng đang nghĩ đến tương lai", bà nói.
Lộ trình từ cỏ đến khí
Một nghiên cứu khác, được công bố trên GCB Bioenergy, đã mô hình hóa tác động kinh tế và môi trường của hai máy tiêu hóa giả định xử lý sinh khối cỏ ở lưu vực Grand River ở phía tây bắc Missouri và phía tây nam Iowa.
Trong suốt vòng đời dự kiến 20 năm của chúng, các máy tiêu hóa sẽ tạo ra tổng lợi nhuận hơn 400 triệu đô la trong điều kiện tốt nhất, dựa trên phân tích của các nhà nghiên cứu. 45 triệu gigajoule khí đốt tự nhiên tái tạo được tạo ra trong hai thập kỷ—tương đương với khoảng 12,5 tỷ kilowatt giờ—sẽ có lượng khí thải carbon thấp hơn 83% so với khí đốt tự nhiên có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch. Lượng khí thải cũng dự kiến sẽ thấp hơn lượng khí thải từ ethanol từ ngô hoặc biodiesel từ đậu nành.
Hầu hết các máy tiêu hóa kỵ khí hiện có sản xuất khí đốt tự nhiên tái tạo đều chạy bằng phân chuồng từ sữa, vì vậy, điều cần thiết là phải phác thảo cách chúng hoạt động trên chế độ ăn cỏ, Mba-Wright cho biết.
"Đây là việc chấm các chữ 'i' và gạch các chữ 't' của chúng tôi để xác nhận những lợi ích là những gì chúng tôi mong đợi. Chúng tôi đang cung cấp một lộ trình để giúp xây dựng cơ sở hạ tầng, điều này sẽ giảm chi phí trong tương lai", ông nói.
Các kịch bản có lợi nhuận được xem xét trong nghiên cứu dựa trên các chương trình tín dụng carbon hiện có, bao gồm Tiêu chuẩn nhiên liệu carbon thấp của California và Tiêu chuẩn nhiên liệu tái tạo của liên bang. Các kết quả có giá trị nhất cũng đòi hỏi phải khôi phục đồng cỏ và thảo nguyên năng suất cao trên một số vùng đất nông nghiệp kém năng suất nhất.
Các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu thực tế nhất có thể trong cả hai nghiên cứu, tính đến tất cả các chi phí đã biết—bao gồm cả chi phí vốn. Nhưng chúng sẽ chính xác hơn nữa trong những năm tới, khi các phương pháp được cải thiện và các kết quả nghiên cứu mới được đưa ra, Schulte Moore cho biết.
"Trong tương lai, chúng tôi sẽ tinh chỉnh các mô hình của mình bằng cách đưa dữ liệu mà nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã thu thập ngay tại Iowa", bà nói.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
