Discovery : 100 Greatest Discoveries Ep4 Earth Sciences - Thuyết minh VTC
Phần 4 : Những khám phá vĩ đại về hành tinh Trái đất

Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất . Năng lượng này có nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt Trái Đất. Năng lượng địa nhiệt đã được sử dụng để nung và tắm kể từ thời La Mã cổ đại, nhưng ngày nay nó được dùng để phát điện. Có khoảng 10 GW công suất điện địa nhiệt được lắp đặt trên thế giới đến năm 2007, cung cấp 0,3% nhu cầu điện toàn cầu. Thêm vào đó, 28 GW công suất nhiệt địa nhiệt trực tiếp được lắp đặt phục vụ cho sưởi, spa, các quá trình công nghiệp, lọc nước biển và nông nghiệp ở một số khu vực.^[1]

Khai thác năng lượng địa nhiệt có hiệu quả về kinh tế, có khả năng thực hiện và thân thiện với môi trường, nhưng trước đây bị giới hạn về mặt địa lý đối với các khu vực gần các ranh giới kiến tạo mảng. Các tiến bộ khoa học kỹ thuật gần đây đã từng bước mở rộng phạm vi và quy mô của các tài nguyên tiềm năng này, đặc biệt là các ứng dụng trực tiếp như dùng để sưởi trong các hộ gia đình. Các giếng địa nhiệt có khuynh hướng giải phóng khí thải nhà kính bị giữ dưới sâu trong lòng đất, nhưng sự phát thải này thấp hơn nhiều so với phát thải từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch thông thường. Công nghệ này có khả năng giúp giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu nếu nó được triển khai rộng rãi.

Prince Piero Ginori Conti đã thí nghiệm máy phát điện địa nhiệt vào ngày 4 tháng 7 năm 1904 ở một cánh đồng khô ở Larderello, Ý.^[2] Một tổ hợp các nhà máy điện địa nhiệt lớn nhất trên thế giới đặt ở các mạch nước phun, một cánh đồng địa nhiệt ở California, Hoa Kỳ.^[3] Năm 2004, năm quốc gia (El Salvador, Kenya, Philippines, Iceland, và Costa Rica) sản xuất hơn 15% lượng điện của họ từ các nguồn địa nhiệt.

Hai mươi bốn quốc gia sản xuất tổng cộng 56.786 GWh (204 PJ) điện từ năng lượng địa nhiệt trong năm 2005,chiếm 0,3% lượng điện tiêu thụ toàn cầu. Lượng điện này đang tăng hàng năm khoảng 3% cùng với sự gia tăng số lượng các nhà máy cũng như nâng cao hệ số năng suất. Do các nhà máy năng lượng địa nhiệt không dựa trên các nguồn năng lượng không liên tục, không giống với tuốc bin gió hoặc tấm năng lượng mặt trời, nên hệ số năng suất của nó có thể khá lớn và người ta đã chứng minh là đạt đến 90%.^[4] Năng suất trung bình toàn cầu đạt 73% trong năm 2005.^[1] Năng suất toàn cầu đạt 10 GW năm 2007.

Các nhà máy điện địa nhiệt cho đến gần đây được xây dựng trên rìa của các mảng kiến tạo, nơi mà có nguồn địa nhiệt nhiệt độ cao nằm gần mặt đất. Sự phát triển của các nhà máy điện tuần hoàn kép và sự tiến bộ của kỹ thuật khoan giếng cũng như kỹ thuật tách nhiệt đã mở ra một hy vọng rằng chúng sẽ là một nguồn phát điện trong tương lai. Một dự án thử nghiệm đã được hoàn thành gần đây ở Landau-Pfalz, Đức, và các dự án khác đang trong giai đoạn xây dựng ở Soultz-sous-Forêts, Pháp và Cooper Basin, Úc.

Bài chi tiết: Sưởi bằng địa nhiệt

Có khoảng 20 quốc gia sử dụng trực tiếp địa nhiệt để sưởi với tổng năng lượng là 270 PJ (1PJ = 10¹⁵  J) trong năm 2004. Hơn phân nửa trong số đó được dùng để sưởi trong phòng và 1/3 thì dùng cho các hồ bơi nước nóng. Lượng còn lại được dùng trong công nghiệp và nông nghiệp. Sản lượng toàn cầu đạt 28 GW, nhưng hệ số năng suất có xu hướng giảm (khoảng 20%) khi mà nhu cầu sưởi chủ yếu sử dụng trong mùa đông. Số liệu nêu trên bao gồm 88 PJ dùng cho sưởi trong phòng được tách ra từ các máy bơm nhiệt địa nhiệtvới tổng sản lượng 15 GW. Năng suất bơm nhiệt địa nhiệt toàn cầu tăng khoảng 10% mỗi năm.^[1]

Các ứng dụng trực tiếp của nhiệt địa nhiệt cho sưởi trong phòng hơi khác so với sản xuất điện và có các yêu cầu về nhiệt độ thấp hơn. Nó có thể từ nguồn nhiệt thải được cung cấp bởi co-generation từ một máy phát điện địa nhiệt hoặc từ các giếng nhỏ hơn hoặc các thiết bị biến nhiệt lắp đặt dưới lòng đất ở độ sâu nông. Ở　những nơi có suối nước nóng tự nhiên, nước có thể được dẫn trực tiếp tới lò sưởi. Nếu nguồn nhiệt gần mặt đất nóng nhưng khô, thì các ống chuyển đổi nhiệt nông có thể được sử dụng mà không cần dùng bơm nhiệt. Nhưng thậm chí ở các khu vực bên dưới mặt đất quá lạnh để cung cấp một cách trực tiếp, nó vẫn ấm hơn không khí mùa đông. Sự thay đổi nhiệt độ mặt đất theo mùa là rất nhỏ hoặc không bị ảnh hưởng bên dưới độ sâu 10m. Nhiệt độ đó có thể được chiết tách bằng bơm nhiệt địa nhiệt thì hiệu quả hơn là nhiệt được tạo ra bởi các lò sưởi thông thường.^[5] Các bơm nhiệt địa nhiệt có thể được sử dụng như là một nhu cầu thiết yếu ở bất kỳ nơi nào.

Có nhiều ứng dụng rộng rãi khác nhau của nhiệt địa nhiệt. Các ống nước nóng từ các nhà máy địa nhiệt bên dưới các con đường và vỉa hè của các thành phố Reykjavík và Akureyridùng để làm tan chảy tuyết. Các ứng dụng sưởi trong phòng sử dụng mạng lưới đường ống nước nóng để cung cấp nhiệt cho các tòa nhà trong toàn khu vực.^[5] Lọc nước biển bằng địa nhiệt cũng đã được thử nghiệm.

Krafla Geothermal Station in northeast Iceland

Các dòng nước nóng được bơm lên từ dưới sâu trong lòng đất có thể chứa một vài khí đi cùng với nó như điôxít cacbon và hydro sunfua. Khi các chất ô nhiễm này thoát ra ngoài môi trường, nó sẽ góp phần vào sự ấm lên toàn cầu, mưa axít, và các mùi độc hại đối với thực vật xung quanh đó. Các nhà máy phát điện địa nhiệt hiện hữu phát thải trung bình 90–150 kg CO₂ trên 1MWh điện, và cũng là một phần nhỏ so với các nhà máy phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch.^[1] Một số nhà máy được yêu cầu phải có hệ thống kiểm soát lượng phát thải nhằm làm giảm lượng axít và các chất bay hơi.

Bên cạnh các khí hòa tan, nước nóng từ nguồn địa nhiệt có thể chứa các nguyên tố vết nguy hiểm như thủy ngân, arsen và antimon nếu nó được thải vào các con sông có chức năng cung cấp nước uống. Các nhà máy địa nhiệt về mặt lý thuyết có thể bơm các chất này cùng với khí trở lại lòng đất ở dạng cô lập cacbon.

Việc xây dựng các nhà máy phát điện có thể ảnh hượng ngược lại đến sự ổn định nền đất của khu vực xung quanh. Đây là mối quan tâm lớn cùng với hệ thống địa nhiệt nâng cao, ở đây nước được bơm vào trong đá nóng và khô không chứa nước trước đó.

Địa nhiệt cũng chiếm một diện tích đất tối thiểu; các nhà máy địa nhiệt hiện hữu sử dụng 1-8 hecta/1MW so với các nhà máy điện hạt nhân là 5-10ha/MW và 19 ha/MW đối với nhà máy điện chạy bằng than.^[6].

Năng lượng địa nhiệt không cần nhiên liệu và cũng không phụ thuộc vào giá cả nhiên liệu nhưng chi phí đầu tư ban đầu sẽ cao. Chi phí cho một nhà máy điện địa nhiệt phải kể đến các chi phí chính như chi phí khoan giếng và thăn dò các nguồn dưới sâu vì chúng chứa đựng nhiều rủi ro về mặt tài chính rất cao. Hiện tại, chi phí xây dựng các nhà máy điện địa nhiệt và các giếng chiếm khoảng 2-5 triệu € (Euro)/1MW công suất thiết kế, trong khi chi phí vận hành chiếm khoảng 0,04-0,10€/1kWh.^[1]

Năng lượng địa nhiệt cũng có những cấp độ khác nhau: các nhà máy địa nhiệt lớn có thể cung cấp năng lượng cho toàn bộ các thành phố trong khi đó các nhà máy nhỏ hơn chỉ có thể cung cấp cho các khu vực nông thôn hoặc một số hộ gia đình.^[7]

Tập đoàn Chevron là một nhà sản xuất năng lượng địa nhiệt lớn nhất trên thế giới, trong khi đó các công ty Reykjavik Energy Invest thì xây dựng các nhà máy điện địa nhiệt trên khắp thế giới.^[8]

Hệ thống địa nhiệt tăng cường

Lượng nhiệt của Trái Đất vào khoảng 10³¹ Jun^[1]. Lượng nhiệt này trồi lên mặt đất một cách tự nhiên bởi sự truyền nhiệt với tốc độ 45 TW, hay gấp 3 lần lượng nhiệt con người tiêu thụ từ tất cả các nguồn năng lượng nguyên thủy. Tuy nhiên, phần lớn dòng nhiệt này bị khuếch tán do các điều kiện địa lý (trung bình 0.1 W/m²) nên khó thu hồi. Vỏ Trái Đất ứng xử một cách hiệu quả như là một lớp cách ly dày mà các ống dẫn dung dịch (magma, nước và các dạng khác) có thể xuyên qua để giải phóng nhiệt trong lòng đất.

Cùng với lượng nhiệt có nguồn gốc từ dưới sâu trong lòng đất, còn có lượng nhiệt từ năng lượng mặt trời được tích tụ trong lớp đất dày 10 m từ mặt đất trong mùa hè, và giải phóng chúng trong mùa đông. Năng lượng theo mùa được dự trữ theo cách này thì rất nhỏ, nhưng tốc độ dòng nhiệt thì rất lớn, dễ tiếp cận hơn, và thậm chí phân bố trên toàn cầu. Bơm nhiệt địa nhiệt có thể tách đủ lượng nhiệt từ nguồn nhiệt nông trên toàn cầu để cung cấp cho việc sưởi vào mùa đông.

Sản xuất điện địa nhiệt đòi hỏi các nguồn có nhiệt độ cao mà chỉ có thể khai thác từ dưới sâu. Nhiệt phản được mang lên bề mặt bởi dòng nước tuần hoàn, hoặc từ các ống dẫn magma, suối nước nóng, dòng tuần hoàn nhiệt dịch, giếng dầu, giếng nước khoan, hoặc kết hợp các cách trên. Dòng tuần hoàn này đôi khi tồn tại một cách tự nhiên trong hầu hết các khu vực có triển vọng, nơi mà vỏ Trái Đất mỏng: các ống dẫn mácma mang nhiệt lên gần bề mặt, và xuất lộ một cách tự nhiên ở các sối nước nóng. Nếu không có suối nước nóng, người ta sẽ khoan một giếng vào tầng chứa nước nóng để lấy nhiệt. Ở xa các ranh giới mảng kiến tạo gradient địa nhiệt vào khoảng 25-30 °C/km sâu trên toàn thế giới, và các giếng phải khoan ở độ sâu hàng km mới có thể lấy được nhiệt độ đủ lớn để phát điện^[1]. Số lượng và chất lượng các nguồn có thể thu hồi nhiệt càng tăng khi độ sâu khoan giếng tăng và đặc biệt ở những khu vực thuộc rìa của các ranh giới mảng kiến tạo.

Đối với những nơi nền đất nóng nhưng khô hoặc áp lực nước yếu, người ta có thể bơm nước vào để kích thích dòng nhiệt dịch. Tại vị trí dự định khai thác, người ta sẽ khoan 2 lỗ khoan, và các đá nằm dưới sâu giữa hai lỗ khoan này sẽ bị làm nứt nẻ bằng phương pháp nổ vỉa (ví dụ như dùng mìn để làm nứt đá) hoặc bơm nước áp lực cao. Nước được bơm xuống từ một lỗ khoan và hơi nước sẽ được thu hồi từ lỗ khoan còn lại. Người ta cũng có thể sử dụng cacbon điôxít lỏng thể thay thế cho vai trò của nước. Phương pháp này được gọi là năng lượng địa nhiệt đá nóng-khô ở châu Âu, hoặc hệ thống địa nhiệt tăng cường ở Bắc Mỹ.

Tiềm năng phát điện từ năng lượng địa nhiệt dự tính thay đổi rất lớn từ 35 đến 2000 GW, tùy thuộc vào mức độ đầu tư tài chính cho việc thăm dò và phát triển kỹ thuật này^[1]. Số liệu trên không bao gồm lượng nhiệt không dùng để phát điện được thu hồi từ tổ hợp phát điện và nhiệt, các bơm nhiệt địa nhiệt và sử dụng trực tiếp khác. Theo báo cáo năm 2006 của MIT, nếu tính cả việc sử dụng hệ thống địa nhiệt tăng cường thì mức đầu tư ước tính vào khoảng 1 tỷ đôla Mỹ cho việc nghiên cứu và phát triển trong vòng 15 năm và điều này có thể cho phép tăng thêm 100 GW trữ lượng điện cho đến năm 2050 của riêng Hoa Kỳ^[9]. Báo cáo MIT cũng tính rằng hơn 200 ZJ có thể chiết tách với khả năng tăng lượng này vượt hơn 2,000 ZJ cùng với các cải tiến công nghệ (đủ để cung cấp cho nhu cầu năng lượng hiện tại trên toàn thế giới trong trong vài thiên niên kỷ^[9].

Hiện nay, các giếng địa nhiệt rất hiếm có giếng nào sâu hơn 3 km^[1]. Ước tính nên ở trên thì tính cả những giếng địa nhiệt có độ sâu đạt khoảng 10 km. Việc khoan giếng đạt đến độ sâu như trên là hoàn toàn có thể thực hiện được trong ngành dầu khí, tuy nhiên chi phí thực hiện thì rất đắt. Ví dụ, Exxon thông báo đã khoan một hố khoan đạt đến độ sâu 11 kilômét (7 mi) ở mỏ Chayvo, Sakhalin ^[10], và giếng 12 km ở bán đảo Kola^[11]. Các giếng được khoan đến độ sâu lớn hơn 4 kilômét (2 mi) nhìn chung có chi phí khoan khoảng 10 triệu đôla Mỹ.^{[cần dẫn nguồn]} Những thách thức về mặc công nghệ là khoan các giếng có đường kính lớn với chi phí thấp và phá nhiều đá hơn.

Điện địa nhiệt được xem là bền vững^[4] vì sự tách nhiệt chỉ là một phần nhỏ so với lượng nhiệt của Trái Đất, nhưng việc chiết tách này cũng phải được theo dõi để tránh sự suy giảm nhiệt khu vực^[12]. Mặc dù, các địa điểm có tiềm năng địa nhiệt có thể cung cấp nhiệt trong vài thập kỷ, nhưng các giếng riêng lẻ có thể nguội đi hoặc cạn nước. Ba vị trí khai thác địa nhiệt trước đây ở Larderello, Wairakei, và Geysers đều giảm về sản lượng so với thời kỳ đạt đỉnh điểm của nó. Có một điều chưa được làm rõ là liệu các nhà máy tại đây chiết tách nhiệt nhanh hơn lượng nhiệt được cung cấp từ dưới sâu hay không, hoặc các tầng chứa nước cung cấp cho chúng đang bị cạn kiệt. Nếu sản lượng giảm, và nước được bơm trở lại, về mặc lý thuyết thì các giếng này có thể hồi phục lại tiềm năng như trước kia. Các kịch bản này cũng đã được triển khai ở một vài vị trí. Sản lượng khai thác năng lượng địa nhiệt bền vững lâu dài đã được chứng minh tại vỉa Lardarello ở Ý từ năm 1913, vỉa Wairakei, New Zealand từ năm 1958, và vỉa Geysers, California từ năm 1960^[4].

Suối nước nóng đã được sử dụng cho mục đích tắm ít nhất là từ thời kỳ đồ đá^[13]. Hồ tắm khoáng cổ nhất là hồ đá ở núi Lisan được xây dựng vào thời nhà Tần thế kỷ thứ 3 TCN, cùng một nơi với cung điện Huaqing Chi được xây dựng sau này. Vào thế kỳ 1 CN, ngừoi La Mã xâm chiếm Aquae Sulis và sử dụng các suối nước nóng ở đây để làm nơi tắm công cộng và sưởi dưới sàn nhà. Chi phí đầu tư có các công trình này có thể xem là sự sử dụng năng lượng địa nhiệt vào mục đích thương mại đầu tiên. Các hệ thống sưởi bằng địa nhiệt cổ nhất trên thế giới ở Chaudes-Aigues, Pháp đã được vận hành từ thế kỷ 14^[14]. Việc khai thác điạ nhiệt mục đích công nghiệp sớm nhất bắt đầu từ năm 1827, khi đó người ta sử dụng hơi nước của các giếng tự phun để chiết tách axít boric từ bùn núi lửa ở Larderello, Ý.

Năm 1892, hệ thống sưởi khu vực của Hoa Kỳ ở Boise, Idaho được cung cấp trực tiếp từ năng lượng địa nhiệt, và sớm được triển khai ở Klamath Falls, Oregon vào năm 1900. Một giếng địa nhiệt sâu được sử dụng để cung cấp nhiệt cho nhà kính ở Boise năm 1926, và cùng thời gian đó các giếng tự phun được sử dụng cung cấp nhiệt cho nhà kính ở Iceland^[15]. Charlie Lieb đã phát triển máy chuyển nhiệt lỗ khoan đầu tiên vào năm 1930 để sưởi cho nhà ông. Hơi nước và nước nóng từ các giếng tự phun được sử dụng để sưởi trong nhà ở Iceland bắt đầu từ năm 1943.

Trữ lượng điện địa nhiệt toàn cầu. Đường đỏ là trữ lượng lắp đặt^[16]; đường xanh là sản lượng thực tế ^[1].

Nhu cầu điện tăng vọt trong thế kỷ 20 và nguồn điện địa nhiệt ngay lập tức được xem là nguồn có triển vọng khai thác. Prince Piero Ginori Conti đã thử nghiệm máy phát điện địa nhiệt đầu tiên vào ngày 4 tháng 7 năm 1904 tại vỉa Larderello và cũng là nơi axít địa nhiệt được chiết tách. Nó là một máy phát điện nhỏ cung cấp cho 4 bóng đèn^[17]. Sau đó, vào năm 1911, nhà máy phát điện địa nhiệt đầu tiên trên thế giới đã được xây dựng ở đây và cũng là nhà máy phát điện địa nhiệt chỉ dùng trong công nghiệp đầu tiên trên thế giới cho đến khi New Zealand xây một nhà máy điện địa nhiệt năm 1958.

Vào thời điểm này, bơm nhiệt đã được phát minh từ lâu bởi Lord Kelvin năm 1852, và ý tưởng sử dụng nó để lấy nhiệt trong lòng đất đã được cấp bằng sáng chế năm 1912 ở Thụy Sĩ^[18]. Nhưng mãi cho đến thập niên 1940 ý tưởng này đã được triển khai một cách thành công. Bơm nhiệt thương mại đầu tiên được J.D. Krocker thiết kế để sưởi cho tòa nhà Commonwealth (Portland, Oregon) năm 1946, và giáo sư Carl Nielsen thuộc Đại học tiểu bang Ohio đã xây dựng bơm nhiệt dân dụng 2 năm sau đó^[13]. Công nghệ này trở nên phổ biến tại Thụy Điển khi xảy ra cuộc khủng hoảng dầu hỏa năm 1973, và đã phát triển một cách chậm chạp trên thế giới kể từ khi nó được chấp nhận. Sự phát triển của ống nhựa polybutylene vào năm 1979 đã làm gia tăng nhanh chóng giá trị kinh tế của nó^[19]. Kể từ năm 2004, có hơn hàng triệu bơm nhiệt địa nhiệt được lắp đặt trên khắp thế giới cung cấp khoảng 12 GW sản lượng nhiệt^[20]. Hàng năm có khoảng 80.000 bơm nhiệt được lắp đặt ở Hoa Kỳ và 27.000 ở Thụy Điểm^[20].

Năm 1960, công ty Pacific Gas and Electric đã bắt đầu vận hành nhà máy điện địa nhiệt đầu tiên thành công ở Hoa Kỳ tại Geysers. Tuốc bin đầu tiên được lắp đặt gần đây nhất hơn 30 năm và tạo ra 11 MW điện và công suất hiện nay đạt đạt trên 750 MW^[13].

Nhà máy phát điện tuần hoàn kép được đưa ra đầu tiên vào năm 1967 tại Nga và sau đó được giới thiệu tại Hoa Kỳ vào năm 1981^[21]. Công nghệ này cho phép sử dụng các vỉa địa nhiệt có nhiệt độ thấp hơn so với những vỉa mà trước đây không thể thu hồi được. Năm 2006, nhà máy điện tuần hoàn kép ở suối nước nóng Chena, Alaska đã hòa mạng lưới và phát điện từ nguồn địa nhiệt có nhiệt độ lấp kỷ lục là 57 °C^[22].

Điện địa nhiệt được sản xuất tại 24 quốc gia trên thế giới bao gồm  Hoa Kỳ, Iceland, Ý, Đức, Thổ Nhĩ Kỳ, Pháp, Hà Lan, Litva, New Zealand, Mexico, El Salvador, Nicaragua, Costa Rica, Nga, Philippines, Indonesia, Trung Quốc, Nhật Bản và Saint Kitts and Nevis. Trong năm 2005, các hợp đồng được ký kết để nâng công suất phát điện thêm 0.5 GW ở Hoa Kỳ, trong khi cũng có các nhà máy đang trong giai đoạn xây dựng ở 11 quốc gia khác.^[9] Một số vị trí tiềm năng đã và đang được khai thác hoặc được đánh giá ở Nam Úc ở độ sâu vài km. Nếu tính cả việc sử dụng trực tiếp, năng lượng địa nhiệt được sử dụng trên 70 quốc gia.