Môi trường sống đang rơi vào tình cảnh ô nhiễm trầm trọng bởi các hoạt động kinh tế – xã hội của con người. Chính vì vậy, hiện nay việc nghiên cứu và sản xuất ra các nguồn năng lượng sinh học thân thiện với môi trường trở thành ưu tiên hàng đầu. Thông qua giáo án STEM Hóa học này, người học có hiểu biết về 4 nguồn năng lượng sinh học đang được ứng dụng trong hiện nay và những kiến thức cơ bản trong việc sản xuất năng lượng sinh học.
Chuyên đề STEM liên quan: Năng lượng sinh học, Hoá học, Năng lượng, Toán học & Khoa học gia đình
Bậc học: Tiểu học (Lớp 4 – 5), THCS (Lớp 6-8), THPT (Lớp 9-12)
Tài liệu tải về: Đặc điểm các loại năng lượng sinh học
Mục tiêu chính
Người học nắm bắt được các kiến thức cơ bản về 4 nguồn năng lượng sinh học. Người học có thể tổng hợp và triển khai thông tin dưới dạng poster thông qua hình ảnh, số liệu, sơ đồ…
Kiến thức tích hợp
Dầu diesel sinh học (Biodiesel)
Dầu diesel sinh học là một loại Năng lượng sinh học được tạo ra từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Đây được xem là một loại năng lượng tái tạo với khả năng tương thích nên ứng dụng khá nhiều trong cuộc sống.
Cách sản xuất
Là quá trình tách glycerin trong dầu khỏi metyl este (tên hóa học của dầu diesel sinh học). Dầu diesel sinh học trên thị trường thường được pha chế với dầu diesel , tùy vào tỉ lệ dầu diesel sinh học có trong hỗn hợp mà người ta chia ra các loại:
- B20 – từ 0 đến 20%, có thể sử dụng bất kỳ động cơ diesel nào (không cần thay đổi chi tiết động cơ).
- B100 – 100% nguyên chất dầu diesel sinh học, có thể được sử dụng nhưng cần thay đổi chi tiết máy.
Ngoài ra, cò có B2, B5 và B20 đã được cho phép sử dụng trên khắp Thế giới.
Ưu điểm
- Dầu diesel sinh học có hàm lượng oxy cao, không chứa lưu huỳnh nên quá trình đốt cháy được ít bụi than, giảm cặn và ít khí thải độc hơn so với nhiên liệu thông thường hoặc nhiên liệu hóa thạch.
- Dầu diesel sinh học có thể tái tạo, an toàn và có thể phân hủy sinh học, đồng thời làm giảm các chất ô nhiễm không khí nghiêm trọng, bao gồm cả khí thải carbon dioxide, có có tác động tích cực hơn đến môi trường.
Nhược điểm
- Khí thải oxit nitơ (NOx) tăng nhẹ theo nồng độ của dầu diesel sinh học trong hỗn hợp. Vấn đề này đang được nghiên cứu và khắc phục.
- B100 và hỗn hợp diesel sinh học dễ bị đông trong thời tiết lạnh và có thể cần chất chống đông đặc biệt.
- Dầu diesel sinh học có thể lấy từ thực phẩm, vì vậy nó sẽ bị ràng buộc với giá của thực phẩm. Bên cạnh đó, Dầu diesel sinh học cò có thể bị nấm mốc nếu không sử dụng trong vòng 6 tháng kể từ khi sản xuất và có thể có hàm lượng nước cao nếu không được sản xuất đúng cách.
- Không thích hợp sử dụng cho các loại xe trước năm 1994 do các vấn đề với cao su và các thành phần khác trong thùng chứa.
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất (Corn Ethanol)
Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu lỏng hoặc rắn được sản xuất từ sinh khối là các chất hữu cơ có chứa năng lượng. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất được sản xuất từ đường, tinh bột, dầu thực vật hoặc mỡ động vật bằng công nghệ thông thường. Thường được dùng thay thế cho xăng. Hiện nay nguồn năng lượng sinh học này được sản xuất chủ yếu từ nguồn nhiên liệu hóa thạch dựa trên dầu mỏ như than và dầu (nguồn năng lượng từ thực vật và động vật đã chết hàng triệu năm trước).
Cách sản xuất
Quá trình sản xuất Etanol rất giống với quá trình sản xuất rượu hoặc giấm từ ngũ cốc. Các loại thực vật như ngô chứa đường glucose và fructose có thể bị phân hủy bởi nấm men để tạo thành khí carbon dioxide và Corn Ethanol. Corn Ethanol sau đó được tách ra khỏi hỗn hợp, thêm vào xăng và được bán tại các trạm xăng. Ví dụ: xăng E85 là 85% Etanol và 15% xăng.
Ưu điểm
- Hiện nay, các nguồn nguyên liệu chủ yếu dùng để sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất là các mỏ hóa thạch có sẵn trong tự nhiên.
- Etanol cũng có thể được chế tạo từ ngô – một nguyên liệu rẻ, dễ trồng.
Nhược điểm
- Nguồn cung cấp nhiên liệu từ các mỏ thực vật hóa thạch có hạn.
- Etanol có hại cho môi trường vì nguồn nhiên liệu này thải ra nhiều loại khí độc gây hại cho môi trường và con người.
- Ngô còn được dùng làm lương thực, thực phẩm nên việc sử dụng làm nhiên liệu còn gặp nhiều trở ngại.
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai (Cellulosic Ethanol)
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai, được tạo ra từ các nguồn sinh khối như gỗ, chất thải hữu cơ, chất thải thực phẩm và các loại cây trồng sinh khối. Nếu có thể cải tiến được công nghệ sản xuất thì đây là nguồn năng lượng sinh học thay thế rất đáng mong đợi.
Cách sản xuất
Sử phản ứng nhiệt hóa hoặc sinh hóa để tách các loại đường có trong sợi của cây ra. Sau đó tiến hành lên men để tách ethanol như quy trình tạo ra corn ethanol.
Đối với các nguyên liệu như rơm rạ… cần trải qua bước nhiệt hóa để tạo ra khí tổng hợp (hỗn hợp cacbon monoxit, hydro và các hydrocacbon khác). Hydro có thể được sử dụng làm nhiên liệu và các hydrocacbon khác có thể được sử dụng làm chất phụ gia cho dầu khí.
Ưu điểm
- Nguồn năng lượng sinh học này giải quyết nhiều vấn mà nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất (Corn Ethanol) gặp phải. Với nguyên liệu chủ yếu đến từ các loại thực vật không có vai trò cung cấp lương thực nên nguồn nguyên liệu để sản xuất dồi dào hơn.
- Các nguồn thực vật dùng để sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai đa dạng, dễ trồng và cho năng suất cao.
Nhược điểm
- Hiện tại công nghệ chế tạo nguồn năng lượng sinh học này còn non nớt và nhiều hạn chế.
- Quy trình sản xuất nhiên liệu thế hệ thứ hai phức tạp hơn, tốn kém hơn so với nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất.
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba (Algal Ethanol)
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba sử dụng các loại cây trồng khá đặc biệt như tảo làm nguồn nguyên liệu. Quá trình sản xuất và thu hoạch Tảo một khi được phát triển và cáp tiến hơn thì nhiên liệu sinh học dầu tảo là khả thi và có lợi vô cùng to lớn về mặt kinh tế.
Cách sản xuất
Người ta sẽ chiết xuất dầu có trong tảo. Sau đó, dầu được chuyển đổi thành dầu diesel sinh học thông qua quy trình tương tự như nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất. Hoặc tinh chế dầu từ tảo thành các loại nhiên liệu khác để thay thế cho nhiên liệu từ dầu mỏ.
Ưu điểm
- Tảo mang lại năng lượng dầu diesel sinh học cao hơn khoảng 30 lần so với đậu nành. Tảo còn dễ nuôi cấy và tích hợp với nhiều môi trường khác nhau. Đặc biệt Tảo có giá trị thấp và là nguồn nguyên liệu hoàn toàn có thể tái tạo được.
- Sản phẩm phụ của quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba là protein, có thể sử dụng làm thức ăn trong chăn nuôi.
- Ngay trong giai đoạn nuôi trồng Tảo đã góp phần bảo vệ môi trường. Vì, Tảo có thể được nuôi trồng bằng nước cống, nước thải hoặc nước mặn, một số chủng Tảo có thể hấp thụ có chọn lọc các ion kim loại nặng.
Nhược điểm
- Các khu vực ao/ hồ… để nuôi Tảo dễ bị ô nhiễm và cho năng suất thấp hơn.
- Công nghệ sản xuất năng lượng sinh học này còn hạn chế nên năng suất đạt được thấp hơn dự tính rất nhiều.
- Các lò phản ứng sinh học kín được sử dụng trong quá trình sản xuất khá tốn kém.
- Công tác thu hoạch và bảo quản Tảo còn gặp nhiều khó khăn.
Thực hành nghiên cứu Năng lượng Sinh học
Phân nhóm nhỏ. Dựa vào các thông tin cơ bản về 4 loại năng lượng sinh học: Dầu diesel sinh học, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất (Corn Ethanol)/ thế hệ thứ hai (Cellulosic Ethanol)/ Thế hệ thứ ba (Algal Ethanol) sáng tạo poster. Sau đó, cho từng nhóm trình bày sản phẩm trước cả lớp/ nhóm khác.
Lưu ý: Người dạy nên linh hoạt phương pháp giảng dạy và hướng dẫn sao cho phù hợp với đối tượng người học.
Câu hỏi
- Bạn nhận thấy sự khác biệt nào giữa Poster của mình và những nhóm khác?
- Thông tin có thể được trình bày theo cách khác không, trình bày như thế nào?
- Bạn có thấy hoạt động này khó khăn vì thời gian hạn chế không?
- Điều gì ở hoạt động này thực sự ấn tượng với bạn không? Tại sao?
Các thách thức
Người học sử dụng thông tin và tài liệu được cung cấp và tạo một Poster đơn giản nhưng đầy đủ các tiêu chí sau:
- Xác định loại năng lượng sinh học mà nhóm sẽ trình bày.
- Nhiên liệu sinh học của nhóm được sản xuất và phân phối như thế nào?
- Một số ứng dụng của nhiên liệu sinh học mà nhóm chọn là gì?
- Ưu điểm và nhược điểm của khi ứng dụng rộng rãi loại năng lượng sinh học này?
Người học sẽ sử dụng thông tin bằng văn bản, hình ảnh, biểu đồ, sơ đồ… để truyền tải thông tin trên Poster. Thời gian thực hành khá eo hẹp với giới hạn 25 phút để lập kế hoạch và sáng tạo poster và chỉ có 5 phút để trình bày sản phẩm.
Tiêu chí đánh giá
- Hoàn thiện poster trong thời gian quy định và trình bày thông tin cũng như thông điệp mà nhóm muốn truyền tải một cách rõ ràng, đầy đủ.
- Poster được trình bày đầy đủ thông tin theo như yêu cầu. Thông tin còn cần được trình bày logic, đúng, thích hợp nhưng vẫn đảm bảo sự sáng tạo và thẩm mỹ.
Quan sát kết quả thực hành
Tùy vào điều kiện mà người dạy có thể cho các nhóm trình bày sản phẩm của mình trên lớp hoặc giữa các nhóm với nhau. Các nhóm ngồi nghe hoàn toàn có thể đưa ra câu hỏi hoặc phản biện đối với sản phẩm hoặc thông tin, luận điểm của nhóm đang trình bày sản phẩm.
Sylvan Learning Việt Nam hy vọng với STEM và hoạt động STEM học đường bàn về Năng lượng sinh học trên sẽ giúp người dạy và người học có thêm những kiến thức bổ ích và giờ học thú vị.
