Khai thác nhiệt lượng từ lòng đất

Cách Izmir (Thổ Nhĩ Kỳ) khoảng 128 km, trong thung lũng Alaşehir, nơi lớp vỏ Trái đất mỏng đi và nứt vỡ dưới áp lực kiến tạo, nước cực nóng trào lên qua các khe nứt sâu, nhiệt độ thường vượt quá 200°C. Nơi đây, một nhà máy điện địa nhiệt do Maspo Energy vận hành, sản xuất điện trực tiếp từ nhiệt lượng của Trái đất.

Nền địa chất hoạt động không ngừng nghỉ này, đưa nhiệt lượng bên trong Trái đất lên rất gần bề mặt, cung cấp một trong những nguồn năng lượng tái tạo đáng tin cậy: năng lượng địa nhiệt. Địa điểm này chỉ cách khu vực núi lửa Kula đang hoạt động 38 km, cho mọi người thấy nguồn năng lượng đáng e ngại vì sức mạnh hủy diệt, cũng có thể khai thác để sử dụng lâu dài.

Các vùng núi lửa như thế này đem đến lợi thế quan trọng cho năng lượng địa nhiệt. Ở nhiều nơi trên thế giới, năng lượng địa nhiệt đòi hỏi phải khoan sâu 10 km trở lên, một thách thức kỹ thuật vô cùng lớn. Giếng khoan sâu nhất từng được khoan là giếng khoan siêu sâu Kola, mất 24 năm để đạt đến độ sâu 12,2 km.

Thiết bị khoan truyền thống gặp khó khăn ở độ sâu như vậy do nhiệt độ cực cao, làm cong cần khoan, đá trở nên mềm và mài mòn, nhanh chóng làm mòn các dụng cụ cắt. Tuy nhiên, ở các vùng núi lửa, nguồn nhiệt hữu ích có thể khai thác ở độ sâu nông hơn, làm cho các dự án địa nhiệt trở nên khả thi hơn.

Điện địa nhiệt được tạo ra như thế nào?

Năng lượng địa nhiệt bắt đầu từ giếng khai thác. Một đường hầm được khoan sâu khoảng 3.000 mét vào lớp vỏ Trái Đất. Các cuộc khảo sát địa chất xác định các vị trí khoan phù hợp, đảm bảo đất nông nghiệp và nguồn nước ngầm không bị ảnh hưởng. Quá trình khoan thường mất khoảng 35 ngày.

Khi được khai thác, chất lỏng địa nhiệt, được làm nóng dưới lòng đất bởi magma, sẽ dâng lên bề mặt. Khi trồi lên, nhiệt độ của nó đạt khoảng 165°C. Chất lỏng nóng này không trực tiếp làm quay turbine. Thay vào đó, nó truyền nhiệt cho chất lỏng “dẫn động” thứ cấp, có điểm sôi thấp hơn, bên trong bộ hóa hơi.

Khi chất lỏng “dẫn động” hấp thụ nhiệt, nó bay hơi thành dạng hơi, sau đó được dẫn đến turbine. Turbine quay, làm quay máy phát điện, tạo ra điện năng. Điện năng này được máy biến áp tăng áp, sau đó đưa lên lưới điện quốc gia. Không như các nguồn năng lượng tái tạo khác, nhà máy địa nhiệt cung cấp điện năng ổn định, không bị gián đoạn, không ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết hay thời gian trong ngày.

Sau khi làm quay turbine, hơi nước đi qua bộ trao đổi nhiệt và bộ ngưng tụ, làm mát trở lại thành dạng lỏng. Bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt dư, cải thiện hiệu suất, bằng cách làm nóng lại chất lỏng, trước khi nó trở lại bộ hóa hơi. Đồng thời, chất lỏng địa nhiệt đã làm mát được bơm trở lại vào lòng đất thông qua giếng bơm, hoàn thành hệ thống khép kín. Gần như toàn bộ chất lỏng địa nhiệt được tái chế, giảm thiểu chất thải và tác động đến môi trường.

Lợi thế về môi trường và không gian

Các nhà máy điện địa nhiệt phát thải khí nhà kính gần như bằng không và có lượng nước tiêu thụ thấp nhất so với bất kỳ công nghệ năng lượng nào khác. Do chúng tái sử dụng nước ngầm trong hệ thống khép kín, lượng nước tiêu thụ luôn ở mức tối thiểu.

Chúng cũng chiếm diện tích đất tương đối nhỏ. So với nhà máy nhiệt điện than, trang trại điện gió hay trang trại điện mặt trời, nhà máy điện địa nhiệt tạo ra nhiều điện năng hơn trên mỗi đơn vị diện tích đất. Cơ sở hạ tầng nhỏ gọn của chúng, khiến chúng đặc biệt phù hợp ở những khu vực mà việc sử dụng đất là vấn đề cần quan tâm.

Tuổi thọ dài là một lợi thế nổi bật khác. Nhà máy điện địa nhiệt đầu tiên trên thế giới, xây dựng tại Larderello (Italia) năm 1904, vẫn đang hoạt động cho đến ngày nay. Sau khi xây dựng, nhà máy địa nhiệt có thể hoạt động trong nhiều thập kỷ với bảo trì tối thiểu, được cung cấp năng lượng bởi nhiệt lượng bên trong Trái đất, vốn sẽ tồn tại hàng triệu năm.

Nhiệt năng và đa dạng sinh học

Tại nhà máy của Maspo Energy, năng lượng địa nhiệt không chỉ hỗ trợ phát điện. Các nhà nghiên cứu đang tiếp cận theo nhiều cách để khai thác giá trị từ tài nguyên địa nhiệt, bao gồm cả việc sử dụng tảo được tìm thấy trong nước ngầm.

Trong các hồ nghiên cứu được làm ấm bằng địa nhiệt, các nhà khoa học quan sát thấy các hệ sinh thái phát triển mạnh, như tảo xoắn spirulina, loại tảo giàu protein có ứng dụng trong dinh dưỡng và mỹ phẩm. Những gì từng được coi là nước thải, trở thành phòng thí nghiệm sống động, chứng minh hạ tầng năng lượng sạch có thể cùng tồn tại với đa dạng sinh học.

Nhiệt lượng từ địa nhiệt cũng dùng cho hệ thống sưởi ấm và làm mát. Mạng lưới đường ống ngầm lưu thông nước nóng hoặc lạnh qua các tòa nhà, tùy thuộc nhu cầu theo mùa. Tại Thổ Nhĩ Kỳ, các hệ thống địa nhiệt hiện đang sưởi ấm hơn 125.000 ngôi nhà, cung cấp hơi ấm quanh năm cho 4,5 triệu m2 nhà kính.

Công nghệ khoan, đào

Mặc dù có nhiều ưu điểm, năng lượng địa nhiệt vẫn đối mặt với rào cản lớn trong việc áp dụng rộng rãi trên toàn cầu. Việc khoan thăm dò bên ngoài khu vực núi lửa để tiếp cận nguồn nhiệt có thể sử dụng, vẫn còn khó khăn về kỹ thuật và tốn kém. Để giải quyết vấn đề này, các công ty đang phát triển các công nghệ khoan tiên tiến.

Quaise Energy đang thử nghiệm công nghệ khoan sóng, sử dụng sóng điện từ tần số cao truyền qua ống dẫn sóng để phá đá. Hệ thống này sử dụng khí nén, đưa các mảnh vụn lên bề mặt, thay vì dùng khoan bùn truyền thống. Công ty này gần đây báo cáo hoàn thành khoan độ sâu 100 mét, nhanh gấp 10 lần so với trước đây, mặc dù độ sâu này còn kém xa so với độ sâu cần thiết để khai thác năng lượng địa nhiệt.

Các công ty khác, như Fervo Energy, đang theo đuổi chiến lược khoan ngang. Bằng cách khoan xuống khoảng 3.050 mét và mở rộng hàng nghìn mét theo chiều ngang, họ cho phép chất lỏng tiếp xúc với nhiệt độ vừa phải trong thời gian dài hơn. Các thuật toán tiên tiến giúp xác định vị trí khoan tối ưu, cải thiện hiệu quả.

Nguồn năng lượng âm thầm, ổn định

Mặc dù điện mặt trời và điện gió tiếp tục mở rộng, nhưng chúng vẫn không ổn định. Hệ thống lưu trữ pin lithium-ion có thể giúp ổn định sản lượng năng lượng tái tạo, nhưng nó lại đặt ra các thách thức về sử dụng đất, khai thác khoáng sản, yêu cầu làm mát và nguy cơ cháy nổ.

Điện địa nhiệt mang lại lợi ích khác biệt. Chúng có sản lượng ổn định, lượng khí thải tối thiểu, cơ sở hạ tầng nhỏ gọn, tuổi thọ hoạt động lâu dài. Đối với các quốc gia như Thổ Nhĩ Kỳ, Iceland, nguồn năng lượng này đang mang lại lợi ích thiết thực. Đối với các quốc gia khác, tiến bộ công nghệ có thể sớm khai phá tiềm năng của nó.

Điện địa nhiệt tuy không phải là sự thay thế hoàn toàn cho các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió, nhưng chúng là nguồn năng lượng ổn định, có thể hoạt động song song với các nguồn năng lượng này, giảm sự phụ thuộc vào than đá, dầu mỏ, khí đốt. Sức nóng bên dưới Trái đất vẫn tiếp tục hoạt động âm thầm. Thách thức hiện nay là tìm ra cách tốt nhất để khai thác nó.