Panicum virgatum
Ứng dụng > Năng lượng sinh học

Cỏ switchgrass đã được nghiên cứu làm cây trồng cho năng lượng sinh học tái sinh kể từ giữa những năm 1980, bởi vì nó là một loại cỏ bản địa sống lâu năm trong mùa ấm áp với khả năng cho năng suất từ trung bình đến cao ở các vùng đất nông nghiệp khó trồng trọt. Hiện nay nó đang được xem xét để sử dụng trong vài quy trình chuyển hóa năng lượng sinh học, bao gồm sản xuất ethanol xen-lu-lo, khí sinh học, và chất đốt trực tiếp cho các ứng dụng nhiệt năng. Những thuận lợi chính về mặt nông nghiệp của cỏ switchgrass khi sử dụng làm thực vật năng lượng sinh học là thời gian sống lâu, chịu được hạn hán và lũ lụt, yêu cầu lượng thuốc diệt cỏ và phân bón tương đối thấp, dễ kiểm soát, sống khỏe mạnh trong đất nghèo dinh dưỡng và các điều kiện khí hậu khác nhau, và khả năng thích nghi rộng rãi ở những vùng khí hậu ôn đới. Ở một vài vùng phía nam ấm và ẩm, chẳng hạn như Alabama, cỏ switchgrass có khả năng cho sản lượng lên đến 25 tấn cỏ sấy khô bằng lò mỗi Hec-ta ((oven dry tonne) ODT/ha). Một bản tóm tắt về sản lượng cỏ switchgrass qua 13 khu nghiên cứu thử nghiệm ở Hoa Kỳ cho thấy hai loại cỏ tốt nhất ở mỗi thử nghiệm cho sản lượng từ 9.4 đến 22.9 tấn/ha, với sản lượng trung bình là 14.6 ODT/ha. Tuy nhiên, những chỉ số này được ghi nhận lại dựa trên các thử nghiệm quy mô nhỏ, và các cánh đồng thương mại có thể được mong đợi với sản lượng ít nhất là thấp hơn 20% so với các kết quả trên. Ở Hoa Kỳ, sản lượng cỏ switchgrass có vẻ là cao nhất ở các vùng ấm và ẩm với các mùa phát triển lâu dài chẳng hạn như vùng Đông Nam Hoa Kỳ và thấp nhất ở các vùng có mùa khô ngắn hạn tại phía Bắc Great Plains. Năng lượng đầu vào cần thiết để trồng cỏ switchgrass rất thuận lợi khi so sánh với các cây cho hạt hàng năm chẳng hạn như ngô, đậu tương, hay cải dầu, mà có thể yêu cầu nguồn năng lượng đầu vào tương đối cao khi gieo trồng, sấy khô hạt, và bón phân. Các nguồn nhập liệu từ cả thân cỏ dạng C4 thân thảo sống lâu năm đều là các nguồn nhập liệu mong muốn cho sinh khối năng lượng, vì chúng cần nguồn năng lượng hóa thạch đầu vào ít hơn để trồng và có thể đón được năng lượng mặt trời một cách hiệu quả bởi vì hệ thống quang hợp C4 và bản chất sống lâu năm của chúng. Một nghiên cứu chỉ ra rằng sẽ mất khoảng từ 0.97 đến 1.3 GJ (Giga Joule) để sản xuất 1 tấn cỏ switchgrass, so với 1.99 đến 2.66 GJ để sản xuất một tấn bắp. Một nghiên cứu khác cho thấy cỏ switchgrass sử dụng 0.8 GJ/ODT năng lượng hóa thạch so với hạt bắp là 2.9 GJ/ODT. Vậy là cỏ switchgrass có chứa xấp xỉ 18.8 GJ/ODT sinh khối, tỉ lệ đầu vào và ra về mặt năng lượng của cây nó có thể lên đến 20:1. Tỉ lệ rất triển vọng này là do năng lượng đầu ra tương đối cao trên mỗi hec-ta và năng lượng đầu vào cho sản xuất thấp.
Những cố gắng đáng kể đang được thực hiện trong việc phát triển cỏ switchgrass làm cây trồng sản xuất ethanol xen-lu-lô tại Hoa Kỳ. Trong một bài diễn văn vào năm 2006, tổng thống Bush đề xuất sử dụng cỏ switchgrass để sản xuất ethanol; kể từ đó, hơn 100 triệu USD đã được đầu tư vào việc nghiên cứu cỏ switchgrass làm nguồn nhiên liệu sinh học tiềm năng. Cỏ switchgrass có tiềm năng sản xuất lên đến 380 lít ethanol cứ mỗi tấn cỏ thu hoạch được. Tuy nhiên, kỹ thuật chuyển hóa sinh khối thực vật thân thảo thành ethanol hiện tại là khoảng 340 lít trên mỗi tấn. Trái lại, lượng ethanol từ ngô cho khoảng 400 lít mỗi tấn ngô.
 Có vài cố gắng đáng kể nhằm làm tăng lượng ethanol trích từ ngô:
(Ngô) Lượng ethanol đã được cải thiện từ 2.4 gallon trên mỗi giạ vào những năm 1980 đến 2.8 gallon hiện nay. Các giống ngô lai được phát triển đặc biệt để sản xuất ethanol đã chứng minh được rằng lượng ethanol tăng lên được 2.7 % - và khi sử dụng xen-lu-lô (sợi) trong hạt ngô, ngoài tinh bột ra, có thể tăng thêm lượng ethanol từ 10 đến 13 %. Với sự kết hợp của các giống lai và sự tối ưu hóa các quy trình, lượng ethanol theo lý thuyết khoảng 3.51 gallon mỗi giạ là có thể được – mà không gặp các tác động tiêu cực với hàm lượng protein hay dầu trong phần bã thực vật cho gia súc ăn.
Sự cải thiện các quy trình trong ngành công nghiệp sử dụng ngô theo phương pháp cũ là dựa trên các kỹ thuật mới chẳng hạn như sủi bọt, sử dụng chất xúc tác và enzyme mới..
Thuận lợi chính của việc sử dụng cỏ switchgrass thay cho ngô để làm nguyên liệu sản xuất ethanol là chi phí sản xuất, mà thường chỉ bằng ½ so với hạt ngô, mà lại thu được nhiều sinh khối năng lượng hơn. Do đó, ethanol xen-lu-lô từ cỏ switchgrass sẽ cho lượng ethanol trên mỗi hec-ta với chi phí thấp hơn. Tuy nhiên điều này sẽ phụ thuộc vào việc chi phí xây dựng và vận hành nhà máy sản xuất ethanol xen-lu-lô có được giảm đáng kể hay không. Sự cân bằng năng lượng trong ngành công nghiệp sản xuất ethanol từ cỏ switchgrass cũng được xem là tốt hơn đáng kể so với từ ngô. Trong suốt quy trình chuyển hóa sinh học, phân đoạn lignin (gỗ) của cỏ switchgrass có thể được đốt để cung cấp đầy đủ hơi nước và điện năng để vận hành nhà máy tinh luyện sinh học. Các nghiên cứu đã nhận thấy rằng cứ mỗi đơn vị năng lượng đầu vào cần thiết để tạo ra nhiên liệu sinh học từ cỏ switchgrass, ta được 4 đơn vị năng lượng. Trái lại, ethanol từ bắp cho khoảng 1.28 đơn vị năng lượng cứ mỗi năng lượng đầu vào. Một nghiên cứu gần đây từ Great Plains  chỉ ra rằng để sản xuất ethanol từ cỏ switchgrass, thì con số này là 6.4, tức là, 540% năng lượng nữa được trữ trong ethanol đã tạo ra hơn là được sử dụng để trồng cỏ switchgrass và chuyển hóa nó thành nhiên liệu dạng lỏng. Tuy nhiên, vẫn còn một vài rào cản thương mại hóa sự phát triển của kỹ thuật sản xuất ethanol xen-lu-lô. Những dự án vào đầu những năm 1990 để thương mại hóa ethano, xen-lu-lô trước năm 2000 vẫn chưa được thực hiện. Sự thương mại hóa ethanol xen-lu-lô vì vậy chứng minh rằng nó là một thử thách rất quan trọng, dù có những nỗ lực nghiên cứu đáng kể.
Những ứng dụng nhiệt năng cho cỏ switchgrass có vẻ như sẽ sớm vượt trội so với ethanol xen-lu-lô về mặt công nghiệp hoặc các ứng dụng quy mô nhỏ. Ví dụ, cỏ switchgrass có thể được nén thành nhiên liệu rắn mà thường được đốt trong lò để sưởi ấm (tiêu biểu là bã ngô nén hoặc gỗ nén). Cỏ switchgrass đã được thử nghiệm rộng rãi để làm chất nền cho than để phát điện. Dự án được nghiên cứu rộng rãi nhất cho đến hiện nay là dự án Chariton Valley ở Iowa. Liên doanh Show-Me-Energy (SMEC) ở Missouri  đang sử dụng cỏ switchgrass và các loại cỏ sinh trưởng trong mùa ấm áp khác, cùng với dăm gỗ, làm nguyên liệu chế tạo nhiên liệu dạng rắn để sử dụng trong các nhà máy năng lượng đốt than. Ở phía đông Canada, cỏ switchgrass đang được sử dụng trên quy mô thử nghiệm để làm nguồn nguyên liệu cho các ứng dụng vè nhiệt năng thương mại. Các nghiên cứu về sự cháy của cỏ switchgrass đã được đảm nhận và có vẻ như rất phù hợp để làm nhiên liệu lò hơi thương mại. Người ta đang nghiên cứu để phát triển nhiên liệu rắn từ cỏ switchgrass bởi vì lượng dăm gỗ bị thiếu ở phía đông Canada, do sự sụt giảm của ngành công nghiệp gỗ vào năm 2009 và kết quả là sự thiếu hụt dăm gỗ ép ở vùng Đông Bắc Mỹ. Nói chung, việc đốt trực tiếp cỏ switchgrass cho các ứng dụng nhiệt năng có thể cung cấp năng lượng thực thu được và tỉ lệ chuyển hóa năng lượng cao nhất từ các qua trình chuyển hóa sinh học. Nghiên cứu nhận thấy rằng, khi cỏ switchgrass được ép thành hạt và sử dụng làm nhiêu liệu sinh học dạng rắn, thì nó là một "ứng viên" tuyệt vời để thay thế các loại nhiên liệu hóa thạch. Cỏ switchgrass dạng hạt ép được xác nhận là có tỉ lệ chuyển hóa năng lượng 14.6:1, tốt hơn đáng kể so với tỉ lệ chuyển hóa của nhiên liệu sinh học dạng lỏng từ các sản phẩm trồng trên đất nông nghiệp. Vì là thực vật chiến lược trong việc giảm khí thải nhà kính, cỏ switchgrass dạng hạt ép được nhận thấy là một cách hiệu quả để sử dụng đất nông nghiệp làm giảm khí thải nhà kính với thứ bậc là 7.6 – 13 tấn CO2 mỗi hecta. Trái lại, ethanol xen-lu-lô từ cỏ switchgrass và ethanol từ ngô được nhận thấy là ở bậc 5.2 và 1.5 tấn CO2 mỗi hec-ta.
Trước đây, vấn đề chính ngăn cản sự phát triển của các ứng dụng nhiệt năng từ cỏ switchgrass là sự khó khăn khi đốt cỏ trong lò hơi dạng cũ, vì những vấn đề về chất lượng sinh khối của cỏ có thể có liên quan đặc biệt trong các ứng dụng đốt. Những vấn đề về kỹ thuật này giờ đây xem ra đã được giải quyết hiệu quả thông quan việc kiểm soát tích cực chẳng hạn như gặt vào mùa thu và thu hoạch vào mùa xuân để cho phép hiện tượng lọc xảy ra, mà kết quả là giảm đi sự hình thành các hợp chất huyền phù (chẳng hạn như Kali và Clo) và Nito trong cỏ. Điều này giảm sự tạo thành các mảng chất và sự ăn mòn trong cỏ switchgrass, và nó có thể trở thành một nguồn nhiên liệu đốt sạch để sử dụng trong các đồ gia dụng nhiệt nhỏ. Cỏ thu hoạch vào mùa thu có vẻ phù hơn để ứng dụng nhiều hơn vào các lò hơi công nghiệp và thương mại lớn. Cỏ switchgrass cũng đang được sử dụng để sưởi ấm các nông trang và các tòa nhà công nghiệp ở Đức và Trung Quốc thông qua một quy trình chế tạo chất thay thể rẻ tiền cho gas.