DMCA.com Protection Status

Tổng quan về năng lượng địa nhiệt  quan tâm

Được viết bởi: KNV

Cập nhật lúc 10:57 ngày 26/08/2018

Tổng quan về năng lượng địa nhiệt

Nguồn năng lượng địa nhiệt tập trung ở khoảng vài km dưới bề mặt Trái đất. Cùng với sự tăng nhiệt độ khi đi sâu vào vỏ Trái đất, nguồn nhiệt lượng liên tục từ lòng đất này được ước đoán tương đương với 42 triệu MW. Lòng đất vẫn tiếp tục nóng hằng tỷ năm nữa, đảm bảo một nguồn nhiệt năng gần như vô tận. Chính vì vậy Địa Nhiệt được liệt vào dạng NLTT. 

Nguồn nhiệt lượng được chuyển lên mặt đất qua dạng hơi hoặc nước nóng khi nước chảy qua đất đá nóng. Nhiệt lượng thường được sử dụng trực tiếp, ví dụ như hệ thống điều hòa nhiệt độ (bơm địa nhiệt), hoặc chuyển thành điện năng (nhà máy nhiệt điện). 

Địa nhiệt là dạng năng lượng sạch và bền vững. So với các dạng NLTT khác như gió, thủy điện hay ĐMT, địa nhiệt không phụ thuộc vào các yếu tố thời tiết và khí hậu. Do đó địa nhiệt cũng có hệ số công suất rất cao, luôn sẵn sàng đáp ứng 24 h/ngày.

Cho đến nay, hơn 30 quốc gia trên thế giới đã khai thác tổng cộng 12.000 MW địa nhiệt cho các ứng dụng trực tiếp và sản xuất hơn 8.000 MW điện. Tại một vài quốc gia đang phát triển, địa nhiệt điện chiếm một vai trò đáng kể trong việc đáp ứng nhu cầu điện.

Các nhà máy địa nhiệt có giới hạn công suất từ 100 kW cho đến 100 MW, phụ thuộc vào nguồn năng lượng và nhu cầu điện năng. Kỹ thuật này rất thích hợp cho điện khí hóa nông thôn và các ứng dụng mạng lưới mini, bên cạnh ứng dụng trong việc hòa lưới điện quốc gia. Tại các quốc gia có nguồn tài nguyên eo hẹp hoặc có điều kiện khí hậu khắc nghiệt, địa nhiệt có thể đóng một vai trò rất hữu dụng. Các ứng dụng trực tiếp của địa nhiệt có thể góp phần tăng đáng kể sản lượng nông nghiệp và ngư nghiệp (nuôi trồng thủy hải sản) và cung cấp nhiệt cho các quá trình xử lý công nghiệp phụ trợ. Nguồn địa nhiệt được xem là đặc biệt quan trọng đối với các quốc gia đang phát triển nào không có các nguồn tài nguyên năng lượng như than, dầu và khí tự nhiên.

Có 5 dạng nguồn địa nhiệt khác nhau, trong đó chỉ có mỏ trữ thủy địa nhiệt (Hydrothermal Reservoirs) và năng lượng Trái đất (Earth Energy) là đã được đưa vào khai thác thương mại. Ba dạng còn lại, gồm nước muối địa áp (Geopressureed Brine), đá khô nóng (Dry Hot Rock) và magma, đòi hỏi phải phát triển các kỹ thuật cao/tiên tiến mới đủ khả năng khai thác thương mại hóa. 

Mỏ trữ thủy nhiệt là các bể chứa hơi  hoặc nước nóng bị bẫy trong đá xốp. Để sản xuất điện, người ta bơm hơi hoặc nước nóng từ các bể lên mặt đất để vận hành các turbin phát điện. Do nguồn hơi nước tương đối hiếm, nên hầu hết các nhà máy địa nhiệt sử dụng nguồn nước nóng.

 Đá khô nóng: địa nhiệt có thể được khai thác từ một số các nguồn đá khô, không thấm ở độ sâu khoảng 5-10m dưới mặt đất, hoặc thậm chí nông hơn ở một số khu vực. Ý tưởng chủ đạo là bơm nước lạnh xuống nguồn đá khô này tại một giếng khoan, cho khối nước này chảy qua nguồn đá khô và được nung nóng, sau đó dẫn khối nước được nung nóng ra một giếng khoan khác và trữ trong bể địa nhiệt. Tuy nhiên hiện nay vẫn chưa có ứng dụng thương mại nào cho kỹ thuật này.

Magma: tất cả các kỹ thuật địa nhiệt hiện nay đều chỉ khai thác “gián tiếp” nhiệt năng từ lòng đất do magma chuyển lên. Hiện tại vẫn chưa có kỹ thuật nào cho phép khai thác trực tiếp nhiệt lượng từ magma, mặc dù magma là nguồn nhiệt lượng cực kỳ dồi dào trong vỏ Trái đất.

Nước muối địa áp là dạng nước nóng, áp suất cao và chứa methane hòa tan. Cả nhiệt và methane đều có thể được sử dụng để sản xuất điện thông qua turbine.

Bơm địa nhiệt: hay bơm nhiệt từ lòng đất (Groundsource Heat Pump), là một kỹ thuật năng lượng mới có hiệu suất cao và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hộ gia đình cũng như trong công sở. Kỹ thuật này ứng dụng trong việc điều hòa nhiệt độ và cung cấp nước nóng. Thuận lợi lớn nhất của nó là khả năng tập trung nhiệt từ tự nhiên (lòng đất) hơn là tạo nhiệt từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm môi trường.

Sản xuất điện từ địa nhiệt

  •  

Có 3 kỹ thuật chính được sử dụng trong việc sản xuất điện từ địa nhiệt: hơi nước trực tiếp (dry steam), hơi nước bùng phát (flash steam) và hệ thống chu trình nhị phân (binary cycle). Việc lựa chọn giải pháp kỹ thuật phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của bể địa nhiệt (pha của lưu chất thủy nhiệt: dạng hơi hoặc dạng lỏng). 

a) Hơi nước trực tiếp

Hơi nước trực tiếp sử dụng hơi nước ở nhiệt độ cao (hơn 235oC) và một ít nước nóng từ bể địa nhiệt. Hơi nước được dẫn vào thẳng turbin qua ống dẫn để quay máy phát điện. Đây là dạng kỹ thuật cổ điển nhất và được sử dụng ở nhà máy địa nhiệt đầu tiên trên thế giới tại Lardarello, Italia (1904). 

b) Hơi nước bùng phát

Đây là dạng kỹ thuật phổ biến nhất hiện nay. Nhà máy dạng hệ thống này sử dụng nước nóng ở áp suất cao (hơn182oC) từ bể địa nhiệt. Nước nóng ở nhiệt độ cao này tự phụt lên bề mặt thông qua giếng do chính áp suất của chúng. Trong quá trình nước nóng được bơm vào máy phát điện, áp suất của nước giảm rất nhanh khi phụt lên gần mặt đất. Chính sự giảm áp này khiến nước nóng bốc hơi hoàn toàn và hơi nước sinh ra sẽ làm quay turbin phát điện. Lượng nước nóng không bốc thành hơi sẽ được bơm trở lại bể địa nhiệt thông qua giếng bơm xuyên (injection wells). 

c) Chu trình nhị phân

Các nhà máy địa nhiệt chu trình nhị phân sử dụng nước nóng có nhiệt độ trung bình 107-1820C từ bể địa nhiệt. Tại các hệ thống binary, chất lỏng địa nhiệt được dẫn qua một bên của hệ thống trao đổi nhiệt để nung nóng chất lỏng thứ cấp ở ống dẫn bên cạnh. Chất lỏng thứ cấp thường là hợp chất hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ sôi của nước, ví dụ như Isobutane hoặc Iso-pentane. Chất lỏng thứ cấp sau khi được đun sôi ở hệ thống trao đổi nhiệt sẽ bốc hơi và được dẫn vào turbin. 

Lợi thế chủ yếu của hệ thống này là chất lỏng thứ cấp có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ sôi của nước, do đó các bể địa nhiệt nhiệt độ thấp vẫn có thể được sử dụng. Mặt khác, do hệ thống nhị phân là một chu trình tương đối kín nên hầu như không có khí thải. Vì những lý do kể trên mà các chuyên gia địa nhiệt dự đoán rằng hệ thống binary sẽ là giải pháp kỹ thuật chủ đạo cho việc sản xuất điện địa nhiệt trong tương lai. 

Trong quá trình vận hành của bất kỳ nhà máy địa nhiệt điện nào, hệ thống làm nguội đóng một vai trò hết sức quan trọng. Các tháp làm nguội (cooling towers) giúp turbin không bị quá nóng và từ đó kéo dài thời gian sử dụng. Có hai dạng hệ thống làm nguội chính yếu: dùng nước hoặc dùng không khí. 

Hầu hết các nhà máy nhiệt điện (trong đó có điện địa nhiệt) sử dụng các hệ thống dùng nước. Hệ thống này yêu cầu ít diện tích sử dụng hơn hệ thống dùng khí và được xem là hiệu quả và khả thi hơn cả. Hệ thống làm nguội dùng nước đòi hỏi một nguồn nước liên tục và tạo ra các cột hơi nước. Thông thường, một phần hơi nước bơm vào turbin (đối với dạng nhà máy flash và hơi) được ngưng tụ để giảm phần hơi nước thải ra thành cột.

Hệ thống dùng khí không có tính ổn định như hệ thống dùng nước do phụ thuộc mật thiết vào nhiệt độ không khí. Hệ thống này tuy rất hữu dụng vào mùa đông khi nhiệt độ xuống rất thấp nhưng hiệu suất của nó giảm đáng kể vào mùa Hè khi chênh lệch nhiệt độ giữa không khí không còn bao nhiêu, từ đó không khí không còn khả năng làm hạ nhiệt các chất lỏng hữu cơ sử dụng trong các nhà máy. Tuy nhiên, hệ thống dùng nước lại rất cần thiết ở những khu vực khan hiếm nguồn nước. Hệ thống này cũng hữu dụng tại những nơi có các yêu cầu khắc khe về cảnh quan sinh thái do chúng không tạo ra các cột hơi nước như ở hệ thống dùng nước. Hầu hết các hệ thống dùng khí được sử dụng trong các nhà máy kỹ thuật binary.

d) Hỗn hợp bùng phát - nhị phân

Dạng cuối cùng là kết hợp cả 2 kỹ thuật bùng phát và nhị phân (flash và binary), gọi tắt là hỗn hợp flash/binary, với nguyên lý là sử dụng một cách hiệu quả và tận dụng các mặt thuận lợi của 2 kỹ thuật này. Hệ thống hiện đang được sử dụng ở Hawaii từ năm 1991, tại 3 nhà máy ở New Zealand và nhà máy Upper Mahiao ở Philippin. 

Cho đến nay, địa nhiệt đã được sử dụng để sản xuất điện ở 21 quốc gia tại tất cả các lục địa trên thế giới. Các nước dẫn đầu là Mỹ, Philippin, Italia, Mehico, Indonexia và Nhật Bản. Quốc gia phát triển mạnh nhất về địa nhiệt hiện nay chính là Philippin, với công suất lắp đặt là 526 MW cho đến năm 2008. Hiện nay, địa nhiệt chiếm gần 27% tổng công suất điện của Phillipin. Tại một số nước khác như Costa Rica, El Salvador, Iceland và Kenya, địa nhiệt cũng chiếm từ 10-20% tổng công suất điện quốc gia.

Báo cáo của Hettrer dựa theo các tường trình của các quốc gia tại WGC2000, theo đó công suất lắp đặt điện địa nhiệt tăng trưởng 43% cho đến năm 2005. Nếu vận tốc tăng trưởng của địa nhiệt duy trì ở mức 20% trên 5 năm (vận tốc tăng trưởng trung bình trong thời kỳ 1980-2000) thì sản lượng địa nhiệt điện có thể đạt tới 80 TWh vào năm 2010 và 120 TWh vào 2020. Đối với sản lượng sử dụng trực tiếp địa nhiệt, nếu tốc độ tăng trưởng duy trì ở mức 44% (như trong giai đoạn 1995-2000, như trong báo cáo của Lund và Freeston, 2000), thì sản lượng sử dụng trực tiếp sẽ đạt đến 100 TWh vào năm 2010 và 200 TWh vào năm 2020. Các phát triển gần đây của ứng dụng bơm địa nhiệt từ lòng đất mở ra một chân trời mới trong việc tận dụng nhiệt của Trái Đất, do bơm địa nhiệt có thể được sử dụng rộng rãi khắp nơi. Điều này cho thấy sự tăng trưởng của ứng dụng địa nhiệt trực tiếp sẽ còn duy trì ở  mức cao.