Biomass được chuyển đổi thành năng lượng thông qua các quá trình khác nhau, bao gồm:
Đốt trực tiếp (đốt) để tạo ra nhiệt
Chuyển đổi nhiệt hóa để sản xuất nhiên liệu rắn, khí và lỏng
Chuyển đổi hóa học để sản xuất nhiên liệu lỏng
Chuyển đổi sinh học để sản xuất nhiên liệu lỏng và khí
Đốt trực tiếp là phương pháp phổ biến nhất để chuyển đổi sinh khối thành năng lượng hữu ích. Tất cả sinh khối có thể được đốt trực tiếp để sưởi ấm các tòa nhà và nước, làm nhiệt quá trình công nghiệp và để tạo ra điện trong các tua-bin hơi nước.
Chuyển đổi nhiệt hóa sinh khối bao gồm nhiệt phân và khí hóa. Cả hai đều là quá trình phân hủy nhiệt, trong đó nguyên liệu đầu vào sinh khối được làm nóng trong các bình kín, có áp suất được gọi là thiết bị tạo khí ở nhiệt độ cao. Chúng chủ yếu khác nhau về nhiệt độ quá trình và lượng oxy có trong quá trình chuyển đổi.
Quá trình nhiệt phân đòi hỏi việc đốt nóng các vật liệu hữu cơ lên 800–900oF (400–500 oC) trong điều kiện gần như hoàn toàn không có oxy tự do. Nhiệt phân sinh khối tạo ra nhiên liệu như than củi, dầu sinh học, dầu diesel tái tạo, metan và hydro.
Hydrotreating được sử dụng để xử lý dầu sinh học (được sản xuất bằng cách nhiệt phân nhanh) với hydro dưới nhiệt độ và áp suất cao với sự có mặt của chất xúc tác để sản xuất dầu diesel tái tạo, xăng tái tạo và nhiên liệu phản lực tái tạo.
Quá trình khí hóa đòi hỏi phải làm nóng các vật liệu hữu cơ đến 1.400–1700oF (800–900oC) với việc bơm một lượng oxy tự do / hoặc hơi nước có kiểm soát vào bình để tạo ra khí cacbon monoxit và khí giàu hydro được gọi là khí tổng hợp hoặc khí tổng hợp. Syngas có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel, sưởi ấm và sản xuất điện trong tuabin khí. Nó cũng có thể được xử lý để tách hydro ra khỏi khí, và hydro có thể được đốt cháy hoặc sử dụng trong pin nhiên liệu. Khí tổng hợp có thể được xử lý thêm để sản xuất nhiên liệu lỏng bằng quy trình Fischer – Tropsch.
Một quá trình chuyển đổi hóa học được gọi là transesterification được sử dụng để chuyển đổi dầu thực vật, mỡ động vật và mỡ bôi trơn thành các metyl este của axit béo (FAME), được sử dụng để sản xuất dầu diesel sinh học.
Chuyển đổi sinh học bao gồm quá trình lên men để chuyển đổi sinh khối thành etanol và phân hủy kỵ khí để sản xuất khí tự nhiên tái tạo. Ethanol được sử dụng làm nhiên liệu cho xe cộ. Khí tự nhiên tái tạo – còn được gọi là khí sinh học hoặc biomethane – được sản xuất trong các hệ thống phân hủy kỵ khí tại các nhà máy xử lý nước thải và tại các cơ sở chăn nuôi và bò sữa. Nó cũng hình thành và có thể được thu giữ từ các bãi chôn lấp chất thải rắn. Khí tự nhiên tái tạo được xử lý thích hợp có các công dụng tương tự như khí tự nhiên nhiên liệu hóa thạch.
Các nhà nghiên cứu đang tìm cách cải tiến các phương pháp này và phát triển các cách khác để chuyển đổi và sử dụng nhiều sinh khối hơn cho năng lượng.
Bao nhiêu sinh khối được sử dụng cho năng lượng?
Vào năm 2020, sinh khối cung cấp khoảng 4,532 nghìn tỷ đơn vị nhiệt Anh (TBtu), tương đương khoảng 4,5 triệu tỷ Btu và bằng khoảng 4,9% tổng tiêu thụ năng lượng sơ cấp của Hoa Kỳ. Trong số đó, khoảng 2.101 TBtu là từ gỗ và sinh khối có nguồn gốc từ gỗ, 2.000 TBtu là từ nhiên liệu sinh học (chủ yếu là etanol), và 430 TBtu là từ sinh khối trong chất thải đô thị.
Lượng – tính bằng TBtu – và tỷ lệ phần trăm trong tổng mức sử dụng năng lượng sinh khối của Hoa Kỳ theo lĩnh vực tiêu dùng vào năm 2020 là:
công nghiệp — 2,246 TBtu — 50%
giao thông vận tải — 1.263 TBtu — 28%
khu dân cư — 458 TBtu — 10%
năng lượng điện — 424 TBtu — 9%
thương mại — 141 TBtu — 3%
Các lĩnh vực công nghiệp và giao thông vận tải chiếm tỷ trọng lớn nhất, xét về hàm lượng năng lượng và tỷ trọng phần trăm lớn nhất trong tổng lượng tiêu thụ sinh khối hàng năm của Hoa Kỳ. Các sản phẩm gỗ và ngành công nghiệp giấy sử dụng sinh khối trong các nhà máy nhiệt và điện kết hợp để xử lý nhiệt và tạo ra điện để sử dụng riêng. Nhiên liệu sinh học lỏng (ethanol và diesel dựa trên sinh khối) chiếm phần lớn lượng tiêu thụ sinh khối của ngành giao thông vận tải.
Các khu dân cư và thương mại sử dụng củi và viên gỗ để sưởi ấm. Ngành thương mại cũng tiêu thụ, và trong một số trường hợp, bán khí tự nhiên tái tạo được sản xuất tại các cơ sở xử lý nước thải thành phố và tại các bãi chôn lấp chất thải.
Ngành điện sử dụng gỗ và chất thải sinh khối để tạo ra điện bán cho các ngành khác.