Các nhà khoa học đã xác định được một nguồn nhiên liệu giao thông ít ai ngờ tới, có thể được sản xuất với chi phí chỉ khoảng 2,75 USD/gallon khi đạt quy mô thương mại. Phát hiện này mở ra triển vọng về một loại nhiên liệu thay thế xăng và dầu diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ, đồng thời giúp giảm đáng kể lượng khí thải gây ra hiệu ứng nhà kính.

Nguồn nhiên liệu đó là tre – một loại cây quen thuộc ở Việt Nam thuộc họ Hòa thảo, phát triển nhanh, vốn thường được biết đến nhiều hơn trong sản xuất đồ nội thất, xây dựng và hàng tiêu dùng. Các nhà nghiên cứu tại Viện Bách khoa Worcester (WPI), bang Massachusetts, Mỹ đã phát hiện tre có thể được chuyển hóa thành một loại dầu thô sinh học, sau đó tiếp tục tinh chế thành nhiên liệu lỏng dùng cho giao thông vận tải.

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Sustainable Energy & Fuels, kết hợp các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm với mô hình kinh tế và môi trường nhằm đánh giá khả năng cạnh tranh thương mại của nhiên liệu sản xuất từ tre.

Nghiên cứu ước tính, trong điều kiện sản xuất thương mại đã đạt độ hoàn thiện, nhiên liệu từ tre có thể được sản xuất với chi phí tương đương 2,75 USD cho mỗi gallon (khoảng 18.793 VNĐ một lít) xăng. Đây là chi phí sản xuất được tính toán theo mô hình, không phải giá bán lẻ tại trạm xăng và chưa cho biết mức giá cuối cùng mà người tiêu dùng có thể phải trả.

Các nhà khoa học cũng nhận thấy nhiên liệu từ tre có thể tạo ra lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính thấp hơn 26 lần so với dầu diesel truyền thống có nguồn gốc từ dầu mỏ, theo các giả định được sử dụng trong đánh giá vòng đời sản phẩm.

“Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy tre có thể đóng một vai trò trong tương lai của ngành nhiên liệu”, Michael Timko, Giáo sư kiêm Trưởng khoa Kỹ thuật Hóa học của WPI cho biết trong thông báo của trường vào ngày 14/10.

Ông Timko cùng các cộng sự gồm Timothy Woodard, Charles Cai thuộc Đại học Aalto ở Phần Lan và James Walters thuộc công ty Avos BioEnergy đã nghiên cứu khả năng sử dụng tre như một nguồn nhiên liệu thay thế có tính kinh tế so với các loại cây trồng truyền thống dùng để sản xuất nhiên liệu.

Một trong những phát hiện ấn tượng nhất liên quan đến diện tích đất nông nghiệp. Các nhà nghiên cứu ước tính rằng, dựa trên giả định về năng suất cây trồng và tỷ lệ chuyển hóa nhiên liệu, tre có thể tạo ra năng lượng tương đương với tổng sản lượng ethanol từ ngô hiện tại của Mỹ mà chỉ cần sử dụng khoảng 13% diện tích đất canh tác.

Chuyển đổi tre thành nhiên liệu bằng nhiệt độ và áp suất cao

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp hóa lỏng thủy nhiệt (hydrothermal liquefaction), trong đó vật liệu thực vật được xử lý ở nhiệt độ và áp suất cao với sự hiện diện của nước. Quá trình này chuyển sinh khối thành dầu thô sinh học – một chất có đặc tính giống dầu, có thể tiếp tục được tinh chế thành nhiên liệu giao thông.

Khác với quy trình sản xuất ethanol truyền thống, thường sử dụng quá trình lên men để chuyển hóa đường thành cồn, phương pháp hóa lỏng thủy nhiệt xử lý vật liệu thực vật thông qua nhiệt độ, áp suất và các phản ứng hóa học.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm một loài tre có tên khoa học là Phyllostachys nuda. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, vật liệu được xử lý ở nhiệt độ 300 độ C trong 10 phút, không bổ sung chất xúc tác. Kết quả cho thấy tỷ lệ dầu thô sinh học thu được đạt 35,6% khối lượng nguyên liệu.

Theo các giả định của nhóm nghiên cứu về khả năng lưu trữ carbon trong đất, việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu từ tre sẽ tạo ra khoảng 3,5 gram CO₂ tương đương cho mỗi megajoule năng lượng.

Ước tính đó bao phủ toàn bộ vòng đời của nhiên liệu theo mô hình tính toán, chứ không chỉ riêng lượng phát thải khi đốt cháy nhiên liệu. Nhóm nghiên cứu đã tính toán chi phí cắt giảm phát thải là khoảng 35,20 USD cho mỗi tấn CO₂ tương đương được giảm thiểu khi tính đến lợi ích lưu trữ carbon trong đất từ việc thay đổi mục đích sử dụng đất. Nếu không tính lợi ích này, chi phí sẽ tăng lên 43,80 USD.

Tuy nhiên, những kết quả trên phụ thuộc vào các giả định của nghiên cứu về quy trình sản xuất và sử dụng đất. Khả năng này vẫn chưa được chứng minh trong các hoạt động sản xuất nhiên liệu ở quy mô thương mại.

Liệu tre có thể thay thế ngô trong ngành nhiên liệu Mỹ?

Ngô hiện giữ vai trò chủ đạo trong ngành sản xuất ethanol của Mỹ. Phần lớn xăng bán ra tại nước này là hỗn hợp giữa xăng có nguồn gốc từ dầu mỏ và ethanol.

Theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Mỹ (EIA), gần như toàn bộ ethanol làm nhiên liệu được sản xuất tại “xứ sở cờ hoa” hiện nay có nguồn gốc từ tinh bột ngô. Loại xăng pha phổ biến nhất chứa khoảng 10% ethanol, thường được gọi là xăng E10.

Trung tâm Dữ liệu Nhiên liệu Thay thế thuộc Bộ Năng lượng Mỹ xác định các vật liệu thực vật phi lương thực, bao gồm cỏ, phụ phẩm nông nghiệp và phế thải gỗ, là những nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến.

Một số loại nguyên liệu này có thể được trồng trên những vùng đất không thích hợp với các cây lương thực thông thường. Dù vậy, việc thu gom, vận chuyển và xử lý chúng với chi phí hợp lý vẫn là một thách thức.

Lợi thế tiềm năng của tre nằm ở sự kết hợp giữa tốc độ sinh trưởng nhanh, năng suất sinh khối cao và nhu cầu đầu vào nông nghiệp tương đối thấp.

Dẫu vậy, so sánh về diện tích đất canh tác trong nghiên cứu mới chỉ là một ước tính lý thuyết, chưa phải bằng chứng cho thấy các vùng trồng tre hiện có có thể ngay lập tức thay thế sản lượng ethanol từ ngô của Mỹ.

Việc thương mại hóa nhiên liệu từ tre cũng đòi hỏi thêm nhiều nghiên cứu để bảo đảm nguồn cung nguyên liệu ổn định, mở rộng năng lực chế biến và tinh chế dầu thô sinh học thành nhiên liệu đáp ứng các tiêu chuẩn sử dụng trong giao thông vận tải.

Nghiên cứu được công bố trong bối cảnh Mỹ tiếp tục mở rộng các yêu cầu về sử dụng nhiên liệu tái tạo.

Tháng 3, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA) đã hoàn tất các tiêu chuẩn nhiên liệu tái tạo cho năm 2026 và năm 2027, quy định sản lượng bắt buộc đối với nhiều nhóm nhiên liệu sinh học, trong đó có nhiên liệu cellulose được sản xuất từ sợi thực vật.

Cơ quan này cũng quyết định miễn trừ một phần yêu cầu về nhiên liệu sinh học cellulose trong năm 2025, do sản lượng thực tế thấp hơn mục tiêu đã đặt ra trước đó.

Các nhà nghiên cứu tại WPI tin rằng tre cuối cùng có thể đóng góp vào việc sản xuất nhiên liệu cho các ngành kinh tế mà việc thay thế xăng dầu bằng điện vẫn còn gặp nhiều khó khăn, bao gồm vận tải hạng nặng và ngành hàng không.