Biến rác thành điện: giải pháp năng lượng sạch cho nông thôn trong kỷ nguyên Net Zero

Sơ đồ tổng thể hệ thống năng lượng tái tạo lai solar-wind-biomass.

Nhóm nghiên cứu cho biết, chất thải sinh hoạt và sản xuất vốn là gánh nặng môi trường, nhưng nếu được xử lý đúng cách, chúng lại trở thành một nguồn tài nguyên năng lượng đáng kể. Hiện nay, phần lớn rác thải sau tái chế vẫn phải đem chôn lấp, gây ô nhiễm đất, nước và làm phát thải khí CH₄ – loại khí nhà kính có mức độ gây hại gấp 20 lần CO₂. Trong khi đó, năng lượng sinh khối (biomass) lại được đánh giá có tiềm năng lớn, đứng thứ tư sau than đá, dầu mỏ và khí đốt. Khi biomass được chuyển hóa thành khí tổng hợp (syngas), CO₂ thải ra có thể được thực vật hấp thụ trở lại, giúp cân bằng carbon và giảm phát thải ròng.

Điểm đột phá của công trình nằm ở mô-đun điện-rác được tích hợp trong hệ thống năng lượng tái tạo lai (HRES), bao gồm năng lượng mặt trời, năng lượng gió, biomass và hydrogen xanh. Trong mô hình này, rác khó phân hủy được ép thành viên RDF để khí hóa, còn rác hữu cơ dễ phân hủy được sử dụng sản xuất biogas. Sau khi làm sạch, hai loại khí này được hòa trộn thêm hydrogen tạo ra từ quá trình điện phân nước bằng năng lượng tái tạo. Hỗn hợp nhiên liệu sạch sẽ được đưa vào động cơ đốt trong đã cải tiến để phát điện và hòa lưới.

Các phân tích bằng phần mềm HOMER cho thấy hệ thống điện-rác có sản xuất hydrogen không làm tăng chi phí so với mô hình thông thường, nhưng lại giúp giảm lượng phát thải CO₂ nhiều hơn. Việc sản xuất hydrogen còn mang lại lợi ích mới cho khu vực nông thôn, khi loại nhiên liệu này có thể được dùng cho xe gắn máy – phương tiện phổ biến nhất hiện nay. Xe máy sử dụng pin nhiên liệu hydrogen phát thải khí nhà kính chỉ bằng 15% so với xe điện dùng ắc quy, đồng thời được nạp nhiên liệu nhanh và có phạm vi hoạt động xa hơn.

Để nâng cao hiệu quả chuyển hóa biomass, nhóm nghiên cứu đã đề xuất hàng loạt cải tiến kỹ thuật quan trọng. Việc ép rác thành viên RDF giúp tăng mật độ năng lượng gấp 10 lần; sử dụng không khí giàu oxy giúp tăng nhiệt trị syngas lên gấp đôi; còn vật liệu lọc H₂S mới từ bentonite và zeolite tái sinh giúp bảo vệ động cơ và giảm chi phí vận hành. Bên cạnh đó, các động cơ tĩnh tại cũng được cải tiến bằng hệ thống vòi phun kép điều khiển điện tử, hỗ trợ sử dụng linh hoạt hỗn hợp syngas – biogas – hydrogen.

Một hướng nghiên cứu khác đầy triển vọng là kết hợp hydrogen với xăng sinh học. Với sự bổ sung hydrogen, những nhược điểm truyền thống của nhiên liệu ethanol – như khó khởi động ở nhiệt độ thấp, ăn mòn vật liệu hay giảm quãng đường di chuyển – đều được cải thiện đáng kể. Điều này giúp đẩy nhanh lộ trình tăng tỷ lệ E10, E20, E30 trong tương lai, đồng thời giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và thúc đẩy ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học trong nước.

Những kết quả nghiên cứu nói trên mở ra rất nhiều khả năng ứng dụng thực tế tại nông thôn: từ mô-đun sản xuất điện hộ gia đình, hệ thống năng lượng tái tạo lai phục vụ cộng đồng, đến việc cải tạo động cơ hiện có để chạy bằng hỗn hợp nhiên liệu sạch. Xa hơn, nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu hướng đến phương tiện chạy hydrogen – xăng sinh học và tiến tới xe máy pin nhiên liệu hydrogen, phù hợp với lộ trình dừng xe chạy nhiên liệu hóa thạch từ năm 2040.

Công trình của nhóm GS. Bùi Văn Ga không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn rất lớn, góp phần giảm ô nhiễm môi trường, hạn chế phát thải khí nhà kính, tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn. Trong bối cảnh Việt Nam đang quyết tâm chuyển đổi năng lượng và thực hiện cam kết Net Zero, mô-đun điện-rác tích hợp hydrogen xanh là một trong những giải pháp công nghệ đầy triển vọng, giúp nông thôn tự chủ năng lượng và phát triển bền vững hơn trong tương lai.