by Nguồn và công nghệ năng lượng địa nhiệt là một lĩnh vực khoa học công nghệ còn mới mẻ đối với Việt Nam. Bài viết này chia sẻ với các kiến thức cơ bản về nguồn và công nghệ năng lượng địa nhiệt cũng như hiện trạng khai thác, ứng dụng nguồn năng lượng này trên thê giới và ở Việt Nam.
1. Nguồn năng lượng địa nhiệt
1.1. Nguồn năng lượng địa nhiệt
Địa nhiệt là nguồn năng lượng nhiệt (NLĐN) tự nhiên ở trong lòng quả đất. Dưới lớp vỏ của quả đất, nhiệt độ có thể đạt từ 1000 oC đến hơn 4000 oC. Với nhiệt độ cao như vậy, vật chất ở trong lòng quả đất bị nóng chảy tạo thành một “dung dịch” được gọi là Magma có áp suất rất cao, có thể lên đến trên 130 Mpa (1Mpa = 106pa = 9,87 atmotphe (atm), tức là lớn hơn áp suất khí quyển khoảng 9,87 lần). Do khối lượng Magma rất lớn nên nguồn nhiệt này tích trữ một nguồn năng lượng, được gọi là NLĐN, vô cùng lớn.
Các nhà khoa học cho rằng, nguồn NLĐN được tạo ra là do các quá trình phản ứng phóng xạ hạt nhân tự nhiên của các nguyên tố phóng xạ có trong lòng quả đất như Thorium (Th), Pastassium (Pa), Uranium (U)... Năng lượng do các phản ứng phóng xạ bị vỏ quả đất bao giữ lại nên được tích tụ trong lòng quả đất hàng triệu năm làm cho nhiệt độ trong lõi quả đất có thể lên đến trên 4000oC và tạo ra Magma có áp suất rất cao. Nói riêng, ở lớp vỏ không quá sâu của quả đất, nơi mà nhiệt độ không quá cao, trong khoảng 900 0C đến 1100 0C, ở nhiều khu vực có lớp đá nóng dự trữ một nguồn NLĐN rất lớn.
Cũng theo các nhà khoa học, lớp vỏ quả đất được ghép lại từ 9 mảng. Có thể xem các mảng này “nổi” trên chất lỏng nóng chảy Magma nên các mảng này có thể “trôi” và do đó có thể dịch chuyển được. Khi các mảng này dịch chuyển sẽ gây ra sự va chạm giữa các mảng ở một số khu vực nào đó của vỏ quả đất, làm dịch chuyển các mảng còn lại. Các hoạt động dịch chuyển địa chất này của vỏ quả đất có thể dẫn đến sự tạo ra hàng loạt các phản ứng hóa học, trong đó có phản ứng kết hợp nước và các chất khác, tạo thành các “túi đá nóng chảy” rất lớn được gọi là “túi Magma”. Trong một số trường hợp, các túi Magma bị đẩy nổi lên qua lớp vỏ quả đất và thường dẫn đến các hoạt động phun trào của núi lửa.
Ngoài ra, đá nóng chảy cũng có thể nổi lên qua lớp vỏ quả đất ở những nơi mà các mảng vỏ chuyển động tách rời nhau ra hoặc ở các khu vực vỏ quả đất mỏng. Núi lửa, các nguồn nước nóng, các mạch nước nóng phun trào, các lỗ phun hơi nóng từ lòng đất ra... là các hiện tượng tự nhiên cho thấy có các nguồn NLĐN ở gần bề mặt vỏ quả đất. NLĐN cũng còn được tạo ra do ma sát khi hai mảnh vỏ quả đất dịch chuyển, trong đó một mảng chuyển động trượt trên mảng kia.
1.2. Phân loại các nguồn năng lượng địa nhiệt
Người ta phân nguồn NLĐN thành 4 loại: (1) Nguồn nước nóng, (2) Nguồn áp suất địa nhiệt, (3) Nguồn đá nóng khô, (4) Các núi lửa hoạt động và Magma.
(1). Nguồn nước nóng là nguồn nước bị nung nóng ở nhiệt độ và bị nén dưới áp suất rất cao. Nguồn này thường ở trạng thái hơi, nước nóng hay hỗn hợp hơi và nước, tồn tại ở trong các tầng đá xốp rỗ, hoặc ở trong các khe nứt gãy của đá, và nó bị giữ lại bởi một lớp đá khác đặc kín và không thấm. Các nguồn nước nóng này còn gọi là các mỏ nước nóng địa nhiệt. Các nguồn nước nóng chất lượng cao là các nguồn chỉ chứa hơi nước có lẫn một ít nước hay chứa hoàn toàn hơi ở nhiệt độ cao hơn 240oC. Một số nguồn nước nóng có nhiệt độ cao, trong khoảng 150oC đến 200oC, nhưng khoảng 2/3 số nguồn nước nóng có nhiệt độ trung bình, từ 160oC đến 180oC.
(2). Nguồn áp suất địa nhiệt là các nguồn chứa nước muối có nhiệt độ trung bình và chứa khí Mê-tan (CH4) hoà tan. Các nguồn này bị vỏ quả đất nén lại với áp suất rất cao, nằm dưới các tầng trầm tích sâu và bị bao bọc bởi các lớp đất sét và trầm tích không thấm nước. Áp suất ở các nguồn này nằm trong khoảng từ 34 Mpa đến 140 Mpa và ở độ sâu từ 1.500 m đến 15.000 m. Nhiệt độ của các nguồn áp suất địa nhiệt thường ở trong khoảng 90oC đến 200oC. Mỗi một thùng (hay Barrel = 0,159m3) chất lỏng loại này ở áp suất 69 Mpa và 150oC có thể cho 0,6 m3 đến 1,4 m3 khí Mê-tan (CH4).
(3). Các nguồn đá nóng khô bao gồm các khối đá ở nhiệt độ cao, từ 90oC đến 650oC. Các nguồn đá này có thể bị nứt gãy nên có thể chứa một ít hoặc không có nước nóng. Để khai thác nguồn địa nhiệt này người ta khoan sâu đến tầng đá. Tiếp đó tạo ra các “vụ nổ” làm nứt gãy nhân tạo tầng đá. Sau đó sử dụng một chất lỏng nào đó làm chất vận chuyển nhiệt bơm qua tầng đá đã bị làm nứt gãy để thu nhiệt. Chất lỏng làm việc thường hoạt động theo các chu trình kín. Tuy nhiên việc khai thác năng lượng địa nhiệt từ các nguồn đá nóng khô rất khó khăn và hiệu quả kinh tế không cao so với việc khai thác các nguồn địa nhiệt khác.
(4). Nguồn năng lượng địa nhiệt ở các lỗ hổng núi lửa đang hoạt động. Tại đây, nguồn Magma là đá nóng chảy có nhiệt độ từ 700oC đến 1600oC. Khi còn nằm dưới vỏ quả đất đá nóng chảy là một phần của vỏ quả đất có độ dày khoảng 24 đến 48km. Các nguồn magma chứa một nguồn năng lượng khổng lồ, lớn nhất trong các nguồn NLĐN, nhưng nó ít khi ở gần mặt đất nên việc khai thác rất khó khăn.
2. Công nghệ năng lượng địa nhiệt
NLĐN có thể được sử dụng trực tiếp dưới dạng nhiệt và cũng có thể sử dụng để phát điện. Để khai thác các nguồn NLĐN người ta thường sử dụng phương pháp khoan như khoan và khai thác dầu hay khí đốt.
2.1. Công nghệ điện địa nhiệt
Nguyên lý chung
Công nghệ điện địa nhiệt là công nghệ khai thác sử dụng NLĐN để sản xuất điện. Hiệu suất phát điện tỷ lệ với nhiệt độ nguồn NLĐN. Để phát điện có hiệu quả, thì nguồn NLĐN phải có nhiệt độ trong khoảng từ trên 100 0C đến 250 0C. Ưu điểm của nguồn NLĐN là khá ổn định, không bị thay đổi theo ngày, mùa và thời tiết nên điện địa nhiệt là một nguồn điện chất lượng tốt, rẻ tiền và là nguồn điện sạch.
Người ta khoan ít nhất là 2 lỗ khoan đến tầng địa nhiệt và đặt vào các lỗ các ống kim loại. Để lấy nhiệt từ nguồn địa nhiệt người ta dùng một chất lỏng nào đó làm chất vận chuyển nhiệt, ví dụ như nước (nếu nhiệt độ nguồn địa nhiệt trên 100 0C). Vì vậy, nếu nguồn địa nhiệt là tầng đá nóng thì cần phải tạo ra các nứt gãy giữa hai lỗ khoan bằng các vụ nổ nhân tạo như đã nói ở trên để chất lỏng dẫn nhiệt có thể chảy từ lỗ khoan này đến lỗ khoan kia. Chất lỏng vận chuyển nhiệt được bơm xuống nguồn địa nhiệt qua một trong hai ống (trong hình 1 là ống bên phải). Khi đi qua tầng địa nhiệt chất lỏng hấp thụ nhiệt và bị làm nóng lên đến nhiệt độ cao và bị bốc hơi. Hơi này đi qua ống còn lại (trên hình là ống bên trái) đến buồng hóa hơi để điều chỉnh nhiệt độ và áp suất hơi phù hợp và sau được cho qua tuabin để chạy máy phát điện. Hơi sau tuabin lại được đưa tới buồng ngưng tụ và được bơm trở lại nguồn địa nhiệt. Như vậy, chất lỏng tải nhiệt hoạt động theo một chu trình kín, không gây ra bất kỳ phát thải nào.
Các công nghệ điện địa nhiệt
Tùy theo nguồn địa nhiệt là nước nóng, hơi nước hay hỗn hợp nước-hơi mà người ta có thể sử dụng một số công nghệ sau đây.
a) Công nghệ hơi khô (dry steam system):
Công nghệ này áp dụng cho nguồn địa nhiệt chỉ gồm hơi nước. Hơi được đưa trực tiếp tới Tuabin để phát điện.
b) Công nghệ hoá hơi đơn (single flash system):
Nếu nguồn địa nhiệt là nước nóng thì người ta phải làm bốc hơi theo kiểu xung (nổ) và sau đó dẫn qua tuabin phát điện. Nước thải còn lại được đưa trở lại nguồn địa nhiệt.
c) Công nghệ hoá hơi kép (dual flash system):
Công nghệ này áp dụng cho nguồn địa nhiệt gồm hỗn hợp nước và hơi. Trong công nghệ này hơi nước được tạo ra trong 2 giai đoạn để tận dụng triệt để hơn năng lượng địa nhiệt. Trong giai đoạn 1 hơi nước được tách ra khỏi hỗn hợp khi bơm từ dưới mỏ lên và cho qua tuabin phát điện. Nước nóng được tách ra lại được hoá hơi theo kiểu xung và lại được cho qua tuabin phát điện. Cuối cùng nước nóng thải còn lại được bơm trở lại nguồn địa nhiệt.
d) Công nghệ 2 tầng:
Để tránh hiện tượng ăn mòn và đóng cặn sinh ra khi chất lỏng địa nhiệt đi trực tiếp qua hệ thống phát điện người ta dùng hệ thống 2 tầng nhờ bộ trao đổi nhiệt.
Ở tầng thứ nhất chất lỏng địa nhiệt được bơm từ giếng lên, đi qua bộ trao đổi nhiệt để truyền nhiệt cho chất lỏng làm việc, sau đó nó được làm ngưng tụ và cho trở về nguồn địa nhiệt. Ở tầng thứ 2, một chất lỏng khác hoạt động theo chu trình kín, nhận nhiệt ở bộ trao đổi nhiệt, tới tuabin phát điện, qua bộ ngưng tụ, trở về bộ trao đổi nhiệt. Các nhà máy điện địa nhiệt hoạt động theo hệ thống 2 tầng này có thể được thiết kế theo nhiều kiểu khác nhau để tận dụng tối đa nguồn năng lượng địa nhiệt. Ví dụ như chất lỏng làm việc (trong chu trình thứ 2) có thể được cho hoá hơi trong các giai đoạn có áp suất và nhiệt độ khác nhau. Nhiệt năng từ bộ ngưng tụ chất lỏng làm việc lại có thể sử dụng để làm bốc hơi một chất lỏng làm việc thứ 2 và do đó công suất phát điện được tăng lên.
e) Công nghệ kết hợp:
Là công nghệ sử dụng đồng thời cả hơi nước và áp suất địa nhiệt. Trong hệ thống này hơi nước ở áp suất cao được dẫn qua hệ thống ống dẫn với vận tốc rất lớn và cho xả vào các tuabin hơi để phát điện. Động năng rất lớn của các dòng hơi trong các ống qua tuabin đã được chuyển thành điện năng.
2.2. Công nghệ nhiệt địa nhiệt
Nguồn NLĐN có nhiệt độ thấp hay trung bình có thể dùng để sưởi ấm hay sản xuất nước nóng cho các mục đích sinh hoạt trong các gia đình hay các cơ sở công cộng như trường học, bệnh viện, nhà hàng, khách sạn... Các chất lỏng địa nhiệt cũng được dùng để tạo ra nguồn nhiệt cho các quá trình công nghiệp như sản xuất hoá chất hay đun nấu. Nhiệt và hơi nước từ nguồn địa nhiệt cũng được sử dụng cho công nghiệp thực phẩm, sản xuất hàng hoá tiêu dùng, sưởi ấm chuồng trại chăn nuôi gia súc, gia cầm hay sử dụng trong các nhà kính trồng rau... NLĐN có thể dùng quay các động cơ tạo ra cơ năng.
Metan từ nguồn áp suất địa nhiệt có thể dùng làm nhiên liệu đốt để sản xuất nước hay hơi địa nhiệt có áp suất siêu cao để chạy các tuabin phát điện với hiệu suất cao. Nó cũng có thể dùng làm nguyên liệu trong các quá trình sản xuất hoá chất.
Trong các chất lỏng địa nhiệt còn chứa nhiều kim loại và khoáng chất quý như Kali cacbonat, bạc, bo, chì, kẽm. lithium... Thu hồi các chất này khi khai thác các nguồn địa nhiệt cũng là một nguồn sản phẩm phụ rất có giá trị.
3. Khai thác ứng dụng NLĐN trên thế giới và Việt Nam
3.1. Khai thác ứng dụng NLĐN trên thế giới
Tổng sản lượng khai thác NLĐN trên thế giới năm 2015 là 151 tỷ kWh, trong đó sản lượng điện và nhiệt mỗi loại khoảng 50%, tức là khoảng hơn 75 tỷ kWh. Riêng năm 2015, các nước trên thế giới xây dựng thêm 315 MW công suất điện địa nhiệt, đưa tổng công suất điện địa nhiệt trên thế giới lên 13,2GW. Một số nước có công suất điện địa nhiệt hàng đầu thế giới được cho trong bảng 1. Trong bảng này cũng liệt kê công suất điện địa nhiệt lắp thêm năm 2015 và tổng tiềm năng năng lượng địa nhiệt của các quốc gia. Bên cạnh ứng dụng phát điện, khoảng 50%, tương ứng với tổng công suất 21,7 GW và sản lượng 75,5 tỷ kWh/năm, NLĐN được sử dụng nhiệt trực tiếp cho các mục đích sinh hoạt, công nghiệp và các mục đích khác như sưởi ấm, ổn định nhiệt độ bể bơi, sấy sản phẩm nông, công nghiệp, gia nhiệt cho các quy trình sản xuất thực phẩm, hóa chất, dệt… Có 8 nước thuộc tốp đầu sử dụng nhiệt trực tiếp gồm (tính theo đơn vị Gi-ga-oát nhiệt, GWth¬): Trung Quốc, 6,1; Thổ Nhĩ Kỳ, 2,9; Nhật Bản, 2,1; Iceland, 2,0; Ấn Độ, 1,06; Hungari, 0,9; Italy, 0,8 và Mỹ, 0,6 (1).
3.2. Khai thác và ứng dụng NLĐN ở Việt Nam
Lãnh thổ Việt Nam với hoàn cảnh kiến tạo, cấu trúc địa chất không có điều kiện hình thành những hệ thống địa nhiệt lớn, nhưng cũng có tiềm năng vào loại khá, vào khoảng 37.150 MW (2), đối với loại hình địa nhiệt nhiệt độ thấp và trung bình, có thể khai thác sử dụng như một dạng năng lượng mới, hỗ trợ cho các nguồn năng lượng truyền thống nhằm đáp ứng nhu cầu về năng lượng phục vụ công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước và cải thiện dân sinh. Theo đánh giá sơ bộ (3), tổng số nguồn nước nóng địa nhiệt có nhiết độ > 30 0C trên lãnh thổ nước ta khoảng 264 nguồn, tập trung chủ yếu ở các khu vực Tây Bắc (30,3%), Nam Trung Bộ (28,4%) và Tây Nam Bộ (18,9%). Nhiệt độ nước nóng nằm trong khoảng dưới 180 0C, trong đó số nguồn có nhiệt độ từ 80 0C chỉ có các điểm: Nam Hải, Tiền Hải, Thái Bình, 90 0C; Bang, Lệ Thủy, Quảng Bình, 100-105 0C; Hội Vân, Phù Cát, Bình Định, 86 0C và Bình Châu, Xuyên Mộc, Bà Rịa-Vũng Tàu, 80 0C.
Cho đến nay, việc điều tra khảo sát trữ lượng NLĐN chưa được thực hiện đầy đủ, chưa có các số liệu tin cậy, nên chưa có các dự án lớn về khai thác và phát triển NLĐN ở Việt Nam. Hiện nay chỉ có một số ứng dụng dùng nhiệt trực tiếp cho các hoạt động du lịch, y tế như tắm nước nóng, tắm bùn khoáng nóng và sấy nông sản. Chỉ mới gần đây, Công Ty Cổ phần Địa Nhiệt LiOA hợp tác với Công Ty Tư vấn GeothermEx, Mỹ, phát triển và triển khai Dự án Điện Địa nhiệt tại Hội Vân, Bình Định với công suất khoảng 12-15 MW. Hiện nay dự án đang ở giai đoạn khoan thăm dò để đánh giá chính xác trữ lượng và từ đó xác định công suất phát điện (4). Đây là một dự án quy mô lớn nhất ở nước ta về NLĐN. Dự án thành công sẽ mở ra một hướng mới trong phát triển ứng dụng năng lượng tái tạo ở Việt nam.
Tác giả: Đặng Đình Thống
Hiệp hội năng lượng sạch Việt Nam
0 comments: