Năng lượng địa nhiệt là gì & tiềm năng để sản xuất điện

Năng lượng địa nhiệt là năng lượng thu được từ nhiệt tự nhiên của Trái đất, lượng nhiệt này có thể thu được bằng cách khoan giếng, nhiệt độ trong giếng sẽ tăng trung bình 1°C mỗi 36 mét và nó thường tồn tại dưới dạng hơi nước hoặc nước nóng. Nhiệt lượng này có thể được sử dụng trực tiếp để sưởi ấm nhà cửa và các tòa nhà, cũng như để tạo ra điện.

Nguyên tắc sản xuất điện địa nhiệt là tận dụng nhiệt để làm bốc hơi nước (hoặc isopentane), hơi nước nóng được nén sẽ có áp suất lớn làm quay tua-bin, từ đó tạo ra điện. Sau khi đi qua tuabin, hơi nước lạnh và ngưng tụ, quay trở lại bể chứa, tạo thành một chu trình khép kín. Quy trình này hoàn toàn giống với nhiệt điện (như đốt than, dầu…).

Theo nhiều ước tính khác nhau, nhiệt độ ở tâm Trái đất ít nhất là 6650°C, dòng nhiệt truyền từ lòng Trái đất qua bề mặt của nó là 47±2 TW nhiệt (400 nghìn TWh mỗi năm – gấp 17 lần so với sản lượng tiêu thụ của toàn bộ năng lượng trên thế giới) và nhiệt năng do Trái đất tạo ra do độ phân rã phóng xạ của uranium, thorium và kali-40, ước tính khoảng 13 – 61 TW (1TW = 1000GW). Do đó năng lượng địa nhiệt là một nguồn sản xuất điện rất tiềm năng của thế giới!

I. Lịch sử năng lượng địa nhiệt

Ý tưởng sử dụng hơi nước thu được từ các nguồn địa nhiệt lần đầu tiên được kỹ sư và doanh nhân người Pháp Francois de Larderel đưa ra vào đầu thế kỷ 19. Gần 100 năm sau, vào năm 1904, doanh nhân người Ý Piero Conti đã thử nghiệm máy phát điện địa nhiệt lần đầu tiên tại thị trấn Larderello. Ở đó, 7 năm sau, nhà máy điện địa nhiệt đầu tiên trên thế giới (GeoPP) đã được khánh thành và vẫn đang hoạt động cho đến ngày nay.

• Năm 1960: Các công cụ phát triển quy mô thương mại đầu tiên được đặt ở California tại The Geysers, 10MW thuộc sở hữu của Pacific Gas & Electric.
• Năm 1970: Việc bơm lại nước địa nhiệt đã qua sử dụng trở lại bể chứa sản xuất đã được đưa vào như một cách để xử lý nước thải và để kéo dài tuổi thọ của hồ chứa.
• Năm 1972: Cải tiến công nghệ khoan giếng sâu giúp việc khoan hồ chứa sâu hơn và tiếp cận nhiều tài nguyên hơn.
• Năm 1974: Các nhà khoa học bắt đầu phát triển hồ chứa đá khô nóng (HDR) đầu tiên tại Fenton Hill, New Mexico. Một cơ sở điện HDR đã được thử nghiệm tại địa điểm này vào năm 1978 và bắt đầu tạo ra điện hai năm sau đó.
• Năm 1982: Công suất phát điện đạt mức cao mới là 1.000MW.
• Năm 1991: Giếng thăm dò magma đầu tiên trên thế giới được khoan ở Dãy núi Sierra Nevada ở độ sâu 2.312m.
• Năm 1995: Công suất điện trên toàn thế giới đạt 6.000 megawatt.
• Năm 2004: Chi phí năng lượng địa nhiệt giảm từ 0,10 – 0,16 USD mỗi kilowatt giờ xuống còn 0,5 – 0,8 USD mỗi kilowatt giờ.

II. Tiềm năng sản xuất điện địa nhiệt có khả thi?

Kể từ 2010, bất chấp nhiều khó khăn, nhiều quốc gia vẫn có ý định đầu tư vào năng lượng địa nhiệt trong thời gian tới. Các nhà máy điện địa nhiệt được xây dựng ở Kamchatka, Iceland, Kenya, New Zealand – bất cứ nơi nào có nguồn nhiệt độ cao tương đối dễ tiếp cận (>100°Ci), ví dụ, tại Nhà máy điệnPauzhetskaya (Lãnh thổ Kamchatka) các giếng có độ sâu từ 366m đến 1205m. Tổng cộng, các nước EU dự định đầu tư 7.4 tỷ USD vào nguồn năng lượng này.

1. Ưu điểm của năng lượng địa nhiệt

Ưu điểm là ở tính vô tận và sự độc lập tuyệt đối với mọi yếu tố bên ngoài. Không một nguồn năng lượng thay thế nào có thể đạt được hiệu suất sử dụng năng lượng GeoPP đã lắp đặt như năng lượng địa nhiệt – tới 80%.

• Rất thân thiện với môi trường vì nó hầu như không có phát thải khí nhà kính.
• Khả năng tái tạo. Một nguồn năng lượng vô tận (sử dụng ~1% năng lượng của trái đất có thể đáp ứng toàn bộ nhu cầu năng lượng của nhân loại).
• Hiệu quả cao. Đối với 1 kW năng lượng tiêu thụ (chủ yếu dùng để cung cấp điện cho máy nén hơi nước), bơm nhiệt, tùy theo điều kiện thì có khả năng sản xuất 4–5 kW năng lượng nhiệt.

2. Nhược điểm của năng lượng địa nhiệt

Nhược điểm lớn nhất là chi phí khoan giếng cao vì để đạt được nhiệt độ “phù hợp”, bạn phải khoan đến độ sâu đủ lớn tầm hơn 1km đến vài km. Một vấn đề khác là việc bơm nước vào tầng chứa  nước ngầm cũng đòi hỏi thêm chi phí và rất kỳ nguy hiểm vì nó có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng cho môi trường do hàm lượng kim loại độc hại cao – chì, cadmium, kẽm…

Ngoài ra, hoạt động khoan giếng cũng cần tính đến hoạt động địa chấn của khu vực đó nếu không có thể gây ra động đất.

3. Ngành điện địa nhiệt trên toàn cầu

Tính đến năm 2020, tất cả các nhà máy điện địa nhiệt trên thế giới đã tạo ra gần 95.100 GWh với công suất lắp đặt khoảng 15.951MW.

Phân tích của Rystad cho thấy công suất điện địa nhiệt toàn cầu sẽ tăng từ 16GW vào cuối năm 2020 lên 24GW vào năm 2025. Nếu vào năm 2019, 223 giếng được khoan trên thế giới thì đến năm 2025 số lượng của chúng sẽ tăng lên 380. Từ năm 2010 đến năm 2020, 40 tỷ USD đã được đầu tư vào các dự án mới.

Nhiều dự án mới vẫn đang trong giai đoạn phát triển và sẽ phải cạnh tranh với các nguồn tái tạo khác như gió và mặt trời. Tuy nhiên, không giống như gió và mặt trời, năng lượng địa nhiệt có ưu điểm là cần ít diện tích trên mỗi MW hơn.

Calpine và Omat là hai chủ sở hữu các nhà máy điện địa nhiệt lớn nhất thế giới, mỗi nhà máy có công suất lắp đặt khoảng 1.200MW. Công ty dầu khí duy nhất lọt vào danh sách các nhà khai thác địa nhiệt hàng đầu là Chevron, công ty trước đây có công suất địa nhiệt lắp đặt khoảng 1 GW ở Philippines và Indonesia. Công ty đã bán những doanh nghiệp đó vào năm 2017 với giá khoảng 3 tỷ USD.