Tổng quan
Địa Nhiệt là nguồn nhiệt năng có sẵn trong lòng đất.
Cụ thể hơn, nguồn năng lượng nhiệt này tập trung ở khoảng vài km dưới bề mặt Trái Đất, phần trên cùng của vỏ 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 với một khoảng năng lượng cỡ 42 triệu MW. Lòng đất thì 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 năng lượng tái tạo.
Nguồn nhiệt lượng này 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 năng lượng tái tạo khác như gió, thủy điện hay điện mặt trời, 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, nguồn địa nhiệt luôn sẵn sàng 24h/ngày, 7 ngày trong tuần.
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[i].
Các nhà máy địa nhiệt có giới hạn công suất từ 100 kW cho đến 100 MW, phụ thuộc vào nguồn năng lượng vào nhu cầu điện năng. Kỹ thuật này rất thích hợp cho điện khí hóa nông thôn và các ứng dụng mạng lưới mini (mini-grid), bên cạnh ứng dụng trong việc hòa mạng quốc gia. Tại các quốc gia có nguồn tài nguyên eo hẹp hoặc có điều kiện khí hậu khắc nghiệt, địa nhiệt điện 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 mà lại không có các nguồn tài nguyên năng lượng như than, dầu và khí tự nhiên[ii].
Tương tự như hầu hết các dạng năng lượng khác, các nhà máy điện địa nhiệt có các thuận lợi và tác động môi trường nhất định. Các vấn đề môi trường liên quan đến địa nhiệt gồm có: khí thải, sử dụng nguồn nước, nguồn đất, quản lý chất thải, subsidence (sụp lún), địa chất cảm ứng, tác động về quần thể động vật và thực vật ...
Giá thành địa nhiệt điện phụ thuộc mật thiết vào nguồn địa nhiệt và qui mô nhà máy. Giá điện dao động từ 2,5-10 xu Mỹ/kWh. Giá hơi nước (steam) thì có thể xuống đến 3,5 USD/tấn. Các yếu tố ảnh hưởng đến giá cả địa nhiệt điện là độ sâu và nhiệt độ của bồn địa nhiệt, sản lượng khai thác của giếng, các vấn đề đáp ứng tiêu chuẩn về môi trường, cơ sở hạ tầng và các yếu tố kinh tế khác như qui mô phát triển, qui hoạch tài chính …
9.2. Nguồn Năng Lượng Địa Nhiệt
Nguồn địa nhiệt liên quan mật thiết đến cấu trúc nhiệt độ của Trái Đất và chu trình đối lưu nhiệt trong lòng Trái Đất. Nhiệt độ của Trái Đất tăng dần theo độ sâu và đạt đến 4.200oC tại tâm (Hình 9.1.a).
Một phần trong tổng khối nhiệt lượng khổng lồ trong lòng Trái Đất này bắt nguồn từ quá trình hình thành hành tinh trong khoảng 4,5 tỷ năm trước (Trái Đất hình thành từ một khối cầu vật chất cực nóng, nguội dần từ trong ra ngoài qua quá trình quay quanh trục), và phần còn lại là kết quả của quá trình phân rã của các nguyên tố phóng xạ tồn tại trong lõi Trái Đất. Theo nguyên lý tuần hoàn nhiệt lượng từ nơi nhiệt độ cao xuống nhiệt độ thấp, dòng nhiệt của Trái Đất di chuyển từ trong lõi ra ngoài vỏ.
Dưới tác động của một quá trình địa chất gọi là kiến tạo mảng (xem tài liệu VnGG), vỏ Trái Đất được phân ra thành 12 mảng lớn (mảng kiến tạo, Hình 9.2.a) và được tái tạo (tái sinh) một cách chậm chạp qua hàng triệu năm. Các mảng này di chuyển tương đối với nhau (phân tách hoặc hội tụ) với tốc độ vài cm/năm. Khi hai mảng kiến tạo va chạm vào nhau, 1 mảng có thể hút chìm xuống mảng còn lại, tạo nên các trũng đại dương và gây ra động đất (Hình 9.2.b). Đây chính là nơi vỏ Trái Đất trở nên yếu hơn bình thường, cho phép vật chất nóng từ trong lòng đất dịch chuyển lên mặt. Ở độ sâu lớn tại đới hội tụ, ngay bên dưới mảng sụp chìm, nhiệt độ tăng lên đủ cao đến nung chảy đất đá và tạo ra magma (nham thạch). Do có mật độ thấp hơn khối đất đá xung quanh, magma di chuyển lên phía trên vỏ Trái Đất và mang theo nhiệt lượng cùng với nó. Đôi khi magma di chuyển lên tới bề mặt Trái Đất thông qua các điểm yếu của vỏ Trái Đất và phun trào lava tại các miệng núi lửa. Tuy nhiên, đa phần magma được giữ lại trong vỏ Trái Đất và nung nóng đất đá và các khối nước ngầm (subterranean water). Một phần khối nước nóng này có thể di chuyển lên mặt đất thông qua các đới đứt gãy hoặc khe đá rạn (cracks), hình thành suối nước nóng (hay là geysers, mạch nước nóng). Một khi khối nước nóng và hơi nước này bị “bẫy” do khối đất đá không thấm (impermeable) ở phía bên trên và được giữ lại trong khối đất đá thấm (permeable), bồn trũng địa nhiệt được hình thành (Hình 9.3). Các bồn trũng này chính là nguồn địa nhiệt có thể được dùng trực tiếp hoặc để sản xuất điện qua hệ thống turbine hơi nước (steam turbine).
Có 5 dạng nguồn địa nhiệt khác nhau, trong đó chỉ có bồn trũng thủy địa nhiệt (hydrothermal reservoirs) và năng lượng trái đất (earth energy) là đã được đưa vào khai thác thương mại. 3 dạng còn lại, nước muối địa áp (geopressureed brine), đá khô nóng (dry hot rock) và magma, vẫn còn yêu cầu phát triển các kỹ thuật cao/tân tiến.
- Bể thủy nhiệt là các bể chứa hơi hoặc nước nóng bị bẫy trong đá porous (Hình 9.3). Để sản xuất điện, hơi hoặc nước nóng được bơm 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. Chi tiết về kỹ thuật sẽ được giới thiệu ở phần sau.
- Đá khô nóng: địa nhiệt có thể được khai thác từ một số các nguồn đá khô, không thấm ở độ sâu khoảng 5-10 m 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 (xem Hình 9.4).
- 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 này 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.
Công tác thăm dò và đánh giá các nguồn địa nhiệt là bước đầu tiên và cũng là quan trọng nhất trong toàn bộ kế hoạch dự án phát triển địa nhiệt điện (xem sơ đồ hình 9.5). Trước hết, người ta tiến hành khảo sát bề mặt bằng các phương pháp địa chất, địa hóa và địa vật lý nhằm xác định vị trí, cấu tạo, hình dạng và một số tính chất của bồn trũng địa nhiệt. Việc tổng hợp và minh giải các tài liệu này giúp xác định các vị trí ưu tiên để tiến hành khoan thăm dò. Từ các mẫu khoan thăm dò người ta sẽ xác định được một cách chính xác nhiệt độ của bồn điện nhiệt và ước đoán tiềm năng sản lượng của nó.
Chi tiết về các bước tiến hành dự án địa nhiệt điện được thảo luận tại phụ lục.
- Sản xuất điện năng (Hình 9.8): người ta có thể khoan các giếng xuống các bể địa nhiệt để hút hơi nước hoặc nước nóng cho việc vận hành turbine trên mặt đất, một cách trực tiếp hoặc gián tiếp.
- Sử dụng trực tiếp: nguồn nước nóng gần bề mặt Trái Đất có thể được sử dụng trực tiếp như nhiệt lượng. Một số ứng dụng trực tiếp của địa nhiệt là: hệ thống suởi, nhà kính, sấy thóc, làm ấm nước ở các trại nuôi cá, hoặc một số các ứng dụng trong công nghiệp như tiệt trùng sữa.
- Bơm địa nhiệt: hay còn được biết như bơm nhiệt từ lòng đất (ground-source 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.
9.3.1 Sản xuất điện từ địa nhiệt
Có 3 kỹ thuật chính được sử dụng trong việc sản xuất điện từ địa nhiệt: dry steam, flash steam và hệ thống 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) Dry steam (Hình 9.9.a)
Dry steam sử dụng hơi nước ở nhiệt độ cao (>2350C) và một ít nước nóng từ bể địa nhiệt. Hơi nước sẽ được dẫn vào thẳng turbine 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, Ý (1904).
b) Flash steam (Hình 9.9.b)
Flash steam là dạng kỹ thuật phổ biến nhất hiện nay. Nhà máy dạng flash steam sử dụng nước nóng ở áp suất cao (>1820C) 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 turbine phát điện. Lượng nước nóng không bốc thành hơi sẽ được bơm xuống trở lại bể địa nhiệt thông qua giếng bơm xuyên (injection wells).
c) Binary-cycle (Hình 9.9.c)
Các nhà máy địa nhiệt binary-cycle sử dụng nước nóng có nhiệt độ trung bình dao động từ 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 turbine.
Lợi thế chủ yếu của hệ thống binary 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 binary cycle là một chu trình tương đối kính nên hầu như không có khí thải nào được sinh ra. 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 địa nhiệt điện) 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 team) được ngưng tụ để giảm phần hơi nước thải ra thành cột.
§ Hệ thống dùng khí thì 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) Liên hợp flash/binary Dạng cuối cùng là kết hợp cả 2 kỹ thuật flash và binary, gọi tắt là liên 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. Tại nhà máy dạng này, hơi nước flash trước tiên được chuyển thành điện bằng backpressure turbine hơi nước, và hơi nước tồn tại trong backpressure turbine sẽ được ngưng tụ tại hệ thống binary. Điều này cho phép sử dụng một cách hiệu quả các tháp giảm nhiệt dùng khí với ứng dụng flash và tận dụng quá trình binary. Hệ thống liên kết flash/binary có hiệu suất cao hơn ở những khu vực sản xuất hơi nước cao áp, trong khi việc từ bỏ bơm chân không các khí không ngưng tụ cho phép 100% injection. Hệ thống này hiện đang được sử dụng ở Hawaii từ năm 1991, tại 3 nhà máy tại New Zealand và tại nhà máy Upper Mahiao ở Philippines.
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. Thống kê vào năm 1999 cho thấy các nước dẫn đầu là Hoa Kỳ, Philippines, Ý, Mexico, Indonesia và Nhật Bản (xem Hình 19.2.b). Quốc gia phát triển mạnh nhất về địa nhiệt hiện nay chính là
Philippines 
9.3.2 Các ứng dụng trực tiếp của Năng Lượng Địa Nhiệt
Các bồn địa nhiệt có nhiệt độ từ 200C-1500C có thể cung cấp trực tiếp nhiệt cho các ứng dụng trong công sở, nhà ở và công nghiệp. Ngoài ra, các lưu chất nhiệt độ cao từ các nhà máy địa nhiệt có thể được tái sử dụng cho các ứng dụng trực tiếp, được gọi là kỹ thuật bậc thang (cascaded operation). Ứng dụng trực tiếp của địa nhiệt trong nhà ở và công sở giúp tiết kiệm đáng kể so với sử dụng năng lượng hóa thạch (lên đến 80% so với chi phí sử dụng NL hóa thạch). Bên cạnh đó, kỹ thuật này cũng rất “sạch”, không/hoặc thải ra rất ít các khí gây ô nhiễm môi trường.
Hệ thống ứng dụng trực tiếp thông thường bao gồm 3 phần chính như sau:
- Phương tiện khai thác để hút nước nóng từ bể lên mặt đất: giếng địa nhiệt
- Hệ thống cơ học dùng để luân chuyển nhiệt: ví dụ như ống dẫn, bộ trao đổi nhiệt (heat exchanger), bộ điều khiển
- Hê thống disposal để nhận lưu chất địa nhiệt đã nguội lại – như injection well hoặc giếng trữ (storage pond)
Các ví dụ điển hình về sử dụng trực tiếp là Hệ thống sưởi nhà cửa, các nhà kính (greenhouses), và các phương tiện nuôi trồng thủy sản. Các ứng dụng công nghiệp như sấy khô thực phẩm, giặt ủi, khai thác vàng, tiệt trùng sữa, các dịch vụ tắm hơi …
Trong lĩnh vực sử dụng trực tiếp, hệ thống sưởi vẫn chiếm tỷ lệ cao nhất (37%), tiếp đến là các dịch vụ như tắm hơi/hồ bơi (22%), bơm địa nhiệt điều hòa nhiệt độ (14%), nhà kính (12%), nuôi trồng thủy sản (7%) và các dịch vụ công nghiệp khác (7%) (
Châu Á hiện nay đã dành vị trí dẫn đầu trong việc khai thác trực tiếp địa nhiệt (44%), sau đó là Châu Âu (37%) và Châu Mỹ (14%).
9.3.3 Điều hòa nhiệt độ bằng địa nhiệt
Hầu hết ở mọi nơi trên bề mặt Trái Đất, nhiệt độ của lòng đất ở 30 cm trên cùng giữ một nhiệt độ tương đối ổn định vào khoảng 100-160 C. Hệ thống bơm địa nhiệt có thể tận dụng nguồn nhiệt này để điều hòa nhiệt độ các tòa nhà. Hệ thống bơm gồm có một bơm nhiệt, một hệ thống dẫn khí, một hệ thống trao đổi nhiệt (hệ thống ống đặt chìm trong lòng đất gần tòa nhà). Vào mùa đông, bơm nhiệt sẽ "lấy" nhiệt từ hệ trao đổi nhiệt và bơm vào hệ thống dẫn nhiệt ở trong nhà. Vào mùa hè, quá trình này được đảo ngược, bơm nhiệt sẽ "rút" nhiệt từ trong nhà và bơm vào hệ thống trao đổi nhiệt. Mặt khác, nhiệt rút ra từ không khí trong nhà sẽ còn có thể được sử dụng để đun nước ấm sử dụng trong mùa hè.
Một hệ thống bơm địa nhiệt bao gồm các phần như sau (hình 9.11):
+ Hệ nối đất (earth connection): sử dụng Trái Đất như nguồn nhiệt, bao gồm một hệ các ống dẫn, thường được gọi là loop, chôn dưới mặt đất ở khu vực gần công trình xây dựng. Hệ thống này có thể được chôn dọc hoặc chôn ngang. Hệ thống này luân chuyển một lưu chất (nước, hoặc hỗn hợp nước và chất chống đông – antifreeze) hấp thụ nhiệt, hoặc “nhả” nhiệt, từ khối đất đá ép xung quanh, tùy thuộc vào nhiệt độ không khí cao hơn hoặc thấp hơn nhiệt độ đất.
+ Bơm nhiệt (heat pump): một máy bơm nhiệt hút nhiệt từ lưu chất luân chuyển trong loop, tập trung nhiệt này lại và chuyển nó vào trong tòa nhà. Để làm mát, quá trình này được đảo ngược.
+ Các ống dẫn nhiệt (ductwork) thông thường được sử dụng để phân bố không khí ấm hoặc mát từ bơm địa nhiệt ra khắp tòa nhà.
Trong thập kỷ vừa qua, một số quốc gia đã tiến hành khuyến khích việc khai triển bơm địa nhiệt cho việc điều hòa nhiệt độ vào mùa đông và mùa hè với nhiều chương trình trợ giá hấp dẫn khác nhau. Hoa Kỳ hiện vận dẫn đầu trong ứng dụng bơm địa nhiệt (đạt 3.300 GWh/năm theo số liệu năm 1999), với tăng trưởng mỗi năm là 10%. Các quốc gia dẫn đầu khác là Thụy Sĩ, Thụy Điển, Đức, Áo và Canada.
9.4.2. Các vấn đề môi trường khác
a) Sử dụng nguồn nước
Các nhà máy nhiệt điện thường cần 5 gallons nước ngọt/MWh. Các nhà máy dạng binary air-cooled không sử dụng nước ngọt. Như vậy lượng nước ngọt dùng làm nguội turbine là rất nhỏ so với các nhà máy nhiệt điện khác, ví dụ như 361 gallons/MWh cho các nhà máy điện đốt than.
b) Chất lượng nước
Các chất lỏng sử dụng trong quá trình sản xuất điện được bơm xuống trở lại bể địa nhiệt thông qua các giếng khoan có thành dày để tránh làm ô nhiễm nguồn nước ngầm. Ví dụ như tại nhà máy địa nhiệt Geysers ở California, 11 triệu gallons nước thải được bơm trở lại bể địa nhiệt mỗi ngày. Việc bơm nước trở lại bể cũng góp phần hạn chế ô nhiễm nước bề mặt và nâng cao độ đàn hồi cho bể địa nhiệt.
c) Diện tích đất sử dụng
Các nhà máy địa nhiệt có thể được thiết kế để có thể “tích hợp” với môi trường xung quanh, do đó có thể được đặt tại các khu đất đai đa dụng (đất đai dành cho nông nghiệp hoặc giải trí). Trung bình, hệ thống nhiệt điện chiếm khoảng 404 m2/GWh, trong khi nhà máy điện than sử dụng 3.632 m2/GWh.
d) Sụp lún
Sự sụp lún từ từ của đất có thể gây ra bởi sử giảm áp của bể địa nhiệt. Để khắc phục hiện tượng này, người ta sử dụng kỹ thuật injection để cân bằng áp suất trong bể. Kỹ thuật này được sử dụng tại toàn bộ các nhà máy địa nhiệt ở Hoa Kỳ.
e) Động đất cảm ứng
Các hoạt động bơm hút và injection trong quá trình vận hành của nhà máy nhiệt điện có thể gây ra các chấn động có cường độ rất nhỏ, hay còn gọi là vi chấn (microearthquake). Con người thường không thể cảm thấy các chấn động cực nhỏ này.
f) Thay đổi cảnh quan
Hầu hết các nguồn địa nhiệt (bể địa nhiệt) được khai thác hiện nay cho việc sản xuất điện có vị trí gần cạnh các cấu trúc địa nhiệt trên bề mặt (các miệng hố núi lửa không còn hoạt động), vốn thường là cảnh quan thiên nhiên. Tuy nhiên, rất nhiều các nguồn địa nhiệt chưa được khai thác có độ sâu khá lơn và không có biểu hiện trực tiếp trên bề mặt. Các biểu hiện bề mặt, tuy có vai trò lớn trong việc xác định vị trí của nguồn địa nhiệt, thường không được sử dụng trong quá trình xây dựng phát triển các nhà máy địa nhiệt.
Các công tác đánh giá tác động tiềm ẩn lên quần thể động thực vật cần được thực hiện tại các khu vực có kế hoạch phát triển địa nhiệt. Các nhà máy địa nhiệt cần được thiết kế để giảm thiểu các tác động này.
9.4. Ảnh hường về môi trường
9.4.1. Các mặt thuận lợi
Ô nhiễm môi trường: Các nhà máy điện địa nhiệt thỏa mãn các yêu cầu khắc khe về tác động môi trường và thải ra rất ít các khí hiệu ứng nhà kính. Các nhà máy điện địa nhiệt chỉ thải ra một phần rất nhỏ các khí CO2, NO2 và Sulfur, chỉ bằng 1/50 luợng khí thải từ các nhà máy nhiệt điện. Các cột khói thường thấy bốc lên từ các nhà máy nhiệt điện thật ra chỉ là hơi nước thải.
Độ tin cậy: các nhà máy điện địa nhiệt có độ tin cậy rất cao và có thể hoạt động 24/24. Hầu hết các nhà máy địa nhiệt hoạt động 95% thời gian.
9.5. Giá thành sản xuất (nguồn: World Bank)
9.5.1. Giá thành cho ứng dụng trực tiếp địa nhiệt
Giá thành của hơi nước và nước nóng trong quá trình khai thác sử dụng trực tiếp địa nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của hơi/nước cần thiết cho một ứng dụng cụ thể[iii]và cũng phụ thuộc vào khoảng cách từ giếng nguồn cho đến điểm sử dụng. Ngoài ra, giá thành còn phụ thuộc vào dạng hệ thống khai triển: hệ cá nhân (stand-alone) hoặc hệ bậc thang (hệ thứ cấp của nhà máy địa nhiệt điện). Bảng cho thấy chi số giá thành của hơi/nước nóng, với nguồn cách điểm sử dụng không quá 1 km.
9.5.2. Chi phí sản xuất điện từ địa nhiệt
Việc phát triển công nghệ sản xuất điện địa nhiệt nhiệt độ cao (>1800C) thường đòi hỏi quá trình đánh giá rủi ro từ những giai đoạn đầu trong các nghiên cứu đánh giá tài nguyên địa nhiệt. Việc xây dựng nhà máy địa nhiệt điện đòi hỏi một vốn đầu tư ban đầu nhất định cho việc thăm dò, khoan giếng và lắp thiết bị, nhưng bù lại, chi phí vận hành là ương đối thấp vì rất ít tốn kém các khoảng nhiên liệu. So sánh với giá thành nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, thì vốn đầu tư của nhà máy địa nhiệt điện cao hơn đáng kể, nhưng lưu ý là chi phí nhiên liệu hiện nay là rất cao để vận hành nhà máy nhiệt điện[iv]. Như vậy, địa nhiệt điện giúp làm giảm sự phụ thuộc của quốc gia vào lượng nhiên liệu nhập khẩu, từ đó giúp tiết kiệm ngân quĩ trao đổi mậu dịch quốc tế.
a) Levelised Unit Power Costs
Bảng chi ra giá đơn vị điện từ nhà máy địa nhiệt điện, dựa trên cơ sở mức trợ giá 10% và capacity factor là 90%. Các giá thành này là dựa trên các dự án xây dựng tại các nước đang phát triển và do đó các chi phí gián tiếp được chọn ở mức cao hơn.
Rõ ràng nếu so với giá thành điện từ máy phát chạy dầu diesel dao động từ 10-20 xu Mỹ/kWh, địa nhiệt điện có giá thành khá là cạnh tranh, đặc biệt là ở vùng sâu vùng xa, không có khả năng hòa vào lưới điện.
b) Chi phí đầu tư trực tiếp
Bảng tóm tắt các chi phí đầu tư trực tiếp (tính trên USD/kW) cho 3 qui mô nhà máy từ nhỏ đến lớn và cho 3 dạng bồn địa nhiệt từ chất lượng thấp đến cao. Nguồn địa nhiệt chất lượng cao tức là nguồn địa nhiệt có nhiệt độ cao (>2500C), độ thấm cao, có thể là dạng dry steam hoặc bồn địa nhiệt 2 pha, thành phần khí thấp và môi trường hóa phù hợp. Nguồn địa nhiệt chất lượng thấp là bồn địa nhiệt nhiệt độ thấp dưới 1500C, hoặc cho dù có nhiệt độ cao nhưng độ thấm thấp, có thành phần khí cao và môi trường hóa không phù hợp. Phần chi phí thăm dò bao gồm thăm dò địa chất bề mặt (600.000 USD) và chi phí cho 1-5 giếng khoan thăm dò (mỗi giếng có chi phí khoảng 1,5 triệu USD).
c) Chi phí đầu tư gián tiếp
Chi phí đầu tư gián tiếp phụ thuộc mật thiết vào vị trí của công trình, điều kiện giao thông, mức độ phát triển cơ sở hạ tầng ... Có 3 dạng vị trí phổ biến như sau:
Dạng thứ nhất là vị trí dự án ở một quốc gia phát triển: cơ sở hạ tầng phát triển, nhân công tay nghề cao, các phương tiện cầu cảng tiện lợi và gần các thành phố chính. Chi phí gián tiếp chiếm khoảng 5-10% chi phí đầu tư trực tiếp.
Dạng thứ hai là vị trí dự án nằm ở khu vực hẻo lánh ở một nước phát triển, hoặc ở khu vực có cơ sở hạ tầng tương đối đạt tiểu chuẩn ở một nước đang phát triển: Chi phí gián tiếp chiếm khoảng 10-30% chi phí đầu tư trực tiếp.
Dạng thứ 3 là vị trí dự án nằm ở khu vực hẻo lánh ở một quốc gia đang phát triển: cơ sở hạ tầng kém, điều kiện giao thông khó khăn, thiếu nhân công tay nghề cao ... Chi phí gián tiếp chiếm khoảng 30-60% chi phí đầu tư trực tiếp.
d) Chi phí vận hành và bảo trì
Các chi phí này không kèm phí tổn khoan giếng bổ sung vốn thường đòi hỏi sau một thời gian khai thác để bù cho sự tụt giảm sản lượng giếng đào ban đầu. Tốc độ tụt giảm sản lượng phụ thuộc vào bản chất của nguồn địa nhiệt và qui mô khai thác, thông thường dao động từ 5-10% mỗi năm. Do vậy, ngoài các chi phí vận hành và bảo dưỡng liệt kê ở bảng trên, cần phải dự trù thêm 8% tổng chi phí bảo dưỡng giếng khoan mỗi năm cho chi phí tăng cường sản lượng khai thác giếng.
9.6. Địa nhiệt tại Việt
Cho đến nay, các nghiên cứu và báo cáo về địa nhiệt tại Việt Nam đã xác định được khoảng 300 nguồn nước nóng phân bố trên cả nước, trong đó hơn 60 nguồn nước nóng có nhiệt độ trên 500C. Phần lớn các nguồn nước nóng này tập trung ở các khu vực chịu ảnh hưởng của các hoạt động tân kiến tạo, như tại khu vực đứt gãy Sông Đà (rift), Tử Lê, Hà Nội, An Khê, Sông Ba, Đà Lạt và rift Cửu Long. Các hoạt động kiến tạo và nguồn địa nhiệt có quan hệ mật thiết với sự hiện diện của các đứt gãy và với các khu vực có hoạt động địa chấn mạnh (Tây Bắc Việt Nam), đặc biệt là tại khu vực núi lửa Tử Lê và ở các khu vực có các hoạt động magmatic mới, như tại Nam Trung Bộ và khu vực núi lửa plutonic Đà Lạt.
Địa nhiệt tại Việt Nam chỉ mới được sử dụng trong các ứng dụng trực tiếp, trong khi đó vẫn chưa có đánh giá đầy đủ về tiềm năng phát triển địa nhiệt điện (trừ tại khu vực Nam Trung Bộ đã có một số các khảo sát đầu tiên, với công suất ước lượng là từ 50-200 MW, ESMAP). Võ Công Nghiệp và cộng sự (1987) đã xác định 6 khu vực "địa nhiệt" trên toàn quốc như sau:
- Khu vực Tây Bắc: bao gồm khu vực Sông Mã, rift Sông Đà và núi lửa Tử Lê. Khu vực này có hệ thống đứt gãy chính theo hướng Tây Bắc – Đông
Nam - Khu vực Đông Bắc: nằm dọc theo belt kiến tạo uốn (folded) Trung-Việt kỷ Trung Paleozoi, được xem là cổ kiến tạo, và không có sự hiện diện của các đá basalt phun trào kỷ Đệ Tứ. Tại đây có 9 suối nước nóng được xác định, trong đó 2 suối có nhiệt độ trên 700C.
- Khu vực đồng bằng Bắc Bộ: khu vực Hà Nội. Về mặt kiến tạo, đây là hệ rift mở rộng về phía Vịnh Bắc Bộ với lớp trầm tích dày đến 6 km trên mặt ... Có khoảng 20 mẫu giếng khoan cho thấy sự hiện diện của lưu chất nhiệt độ cao, trong đó 6 mẫu có nhiệt độ từ 1000-1480C. Tuy nhiên trong khu vực này chỉ xác định được một suối nước nóng tự nhiên với nhiệt độ tương đối thấp là suối Văn Lợi (gần Hà Nội) vào khoảng 380C.
- Khu vực Bắc Trung Bộ: có khoảng 21 suối nước nóng phân bố dọc theo hệ thống đứt gãy Tây Bắc-Đông
Nam - Khu vực Nam Trung Bộ: khu vực từ Đà Nẵng đến Vũng Tàu, với lịch sử địa chất phức tạp, các hoạt động kiến tạo và magma với một số các phun trào núi lửa trong quá khứ. Tại đây có 86 suối nước nóng, trong đó 35 suối có nhiệt độ trên 500C và 8 suối có nhiệt độ trên 700C. Theo các đánh giá của các chuyên gia Liên Hiệp Quốc, New Zealand và Việt Nam, có khoảng 8 địa điểm có khả năng khai triển địa nhiệt với các bể địa nhiệt có nhiệt độ từ 1300C trở lên (thích hợp với dạng binary steam), đặc biệt là tại Mộ Đức (1720C) với công suất ước tính là 300 kW.
- Khu vực Nam Bộ: có tất cả 67 mẫu khoan cho thấy sự hiện diện của nguồn nước nóng, trong đó có 9 mẫu xác định dạng Cl-Na-Ca (phù hợp cho phát triển địa nhiệt). Tuy nhiên vẫn không có số liệu nào về nhiệt độ của các tiềm năng địa nhiệt này.
Trong số 253 nguồn địa nhiệt có nhiệt độ từ 300C, hơn 100 nguồn đang được khai thác sử dụng trực tiếp cho các hoạt động như nước khoáng đóng chai (50), tắm hơi chữa bệnh, khu du lịch suối nước nóng (như tại Bình Châu), sấy khô nông sản, sản xuất muối iod và chắt khí CO2...
9.7. Kết luận
Địa nhiệt, một nguồn năng lượng gần như vô tận, đã có một lịch sử khai thác thương mại hơn 70 năm, và từ 4 thập kỷ qua công suất khai thác địa nhiệt trong sản xuất điện và sử dụng trực tiếp đã đạt hàng trăm MW. Cho đến năm 2000, địa nhiệt đã được sử dụng trên 58 quốc gia trên thế giới với sản lượng điện là 49 TWh/năm và sản lượng sử dụng trực tiếp là 51 TWh/năm.
Báo cáo của Hettrer dựa theo các tường trình của các quốc gia tại WGC2000, công suất lắp đặt địa nhiệt điện tăng trưởng 43% cho đến năm 2005. Nếu vận tốc tăng trưởng của địa nhiệt duy trì ở mức 20% trong mỗi 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.
Như vậy, địa nhiệt, với nguồn năng lượng dồi dào và kỹ thuật khai thác đã và đang phát triển hiệu quả, có thể đóng góp một phần rất quan trọng trong việc giảm thiểu lượng khí thải hiệu ứng nhà kính. Việc đẩy mạnh phát triển và tăng tính cạnh tranh của địa nhiệt trong thời gian hiện nay tất yếu đòi hỏi sự hỗ trợ tích cực từ phía chính phủ các quốc gia trên thế giới.
Tại Việt
[i] Tại
[ii] Ví dụ như tại Tây Tạng, nơi không có các nguồn năng lượng hóa thạch, bồn địa nhiệt Nagqu (Khu tự trị Tây Tạng, Trung Quốc) cung cấp một nguồn năng lượng vô cùng đáng giá cho cư dân địa phương. Vào năm 1993, một nhà mày dạng binary công suất 1 MW đã được xây dựng tại đây với sự giúp đỡ của LHQ.
[iii] Nguồn địa nhiệt có nhiệt độ thấp hơn 1000C có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng nông gần mặt đất. Các ứng dụng đòi hỏi nhiệt độ trên 1000C thường yêu cầu phải khoan giếng xuống những độ sâu lớn hơn, tức là nhiệt độ cao hơn thì nguồn phải sâu hơn.
[iv] Vốn đầu tư của nhà máy điện diesel có thể rẻ bằng phân nửa nhà máy địa nhiệt điện, nhưng giá diesel có thể dao động từ 3-6USD/GJ và khá là bất ổn.
Tài liệu tham khảo
1. Alyssa Kagel, Diana Bates, & Karl Gawell, 2005, A Guide to Geothermal Energy and the Environment, Geothermal Energy Association Publication
2. Mary H. Dickson and Mario Fanelli, 2004, What is Geothermal Energy? International Geothermal Association publication, http://iga.igg.cnr.it/geo/geoenergy.php
3. Geothermal Energy Facts and Information, The Geothermal Education Office Website, http://geothermal.marin.org/
4. Buried Treasure - The Environmental, Economic, and Employment Benefits of Geothermal Energy, 2004, Geothermal Technologies
5. Geothermal Engery, Rural and Renewable Energy Page, World Bank at http://www.worldbank.org/html/fpd/energy/geothermal/
6. Geothermal Technologies Program, US Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy Program Webpage at http://www.eere.energy.gov/geothermal/
7. World Energy Council, 2001, Survey of Enery Resources – Thermal Energy
http://www.worldenergy.org/wec-geis/publications/reports/ser/geo/geo.asp
8. Hoang Huy Quy, 2000, The status of studying geothermal fields in
9. Hoang Huy Quy, 1998, Overview Of The Geothermal Potential Of Vietnam, Geothermics, Vol. 27, No. 1, pp. 109-115
10. Nguyen Hong Bang, 2004, Current State Of Direct Geothermal Use In Viet Nam, Proceedings of the 6th Asian Geothermal Symposium, Mutual Challenges in High- and Low- Temperature Geothermal Resource Fields, 47-49.
Các liên kết hữu dụng
http://www.eere.energy.gov/geothermal/
National Renewable Energy Laboratory: Geothermal Technologies Program
http://www.nrel.gov/geothermal/geoelectricity.html
International Programs
Philippines Department of Energy
http://www.doe.gov.ph/
The World Bank Group
http://www.worldbank.org/html/fpd/energy/geothermal/
Industry Associations
Geothermal Energy Association
http://www.geo-energy.org
Geothermal Resources Council
http://www.geothermal.org
International Geothermal Association
http://iga.igg.cnr.it
Non-Profit Organizations
http://www.geothermal.marin.org/
Renewable Northwest Project
http://www.rnp.org/RenewTech/tech_geo.html
Technical Information
University of Utah Energy & Geoscience Institute
http://www.egi-geothermal.org/
http://geothermal.id.doe.gov/
Oregon Institute of Technology
http://geoheat.oit.edu
Geothermal
http://geothermal.id.doe.gov/maps-software.shtml
http://www.eere.energy.gov/geopoweringthewest/geomap.html
Opportunities for Near-Term Geothermal Development on Public Lands
in the
http://www.nrel.gov/docs/fy03osti/33105.pdf
US Geothermal Projects and Resource Areas
http://geoheat.oit.edu/dusys.htm
Additional Resources
http://www.geo-energy.org/Links.htm
http://iga.igg.cnr.it/links.php
Enhanced Geothermal Systems (HDR technology)
Công nghệ địa nhiệt tăng cường
Địa chỉ WWW | Tên và mô tả trang web |
| European HDR project, | |
| Fenton Hill Hot Dry Rock program, Los Alamos Nat. Lab., | |
| Geocrack computer code, HDR modelling, | |
| Geodynamics Ltd., HDR projects in | |
| Petratherm, Exploring for and Developing Geothermal | |
| Hot Rock Energy, | |
| | |
| Hijiori HDR project, | |
| Deep Heat Mining project (DHM), | |
| Geothermal Explorers Ltd., |
Cộng đồng Châu Âu
Địa chỉ WWW | Tên và mô tả trang web |
| ADEME-BRGM – Geothermal perspectives in | |
| Geothermische Vereinigung e.V., Germany | |
| Sektion Geothermik und Grundwasserhydraulik, BGR-NLfB-GGA, Germany | |
| Applied Geophysics, | |
| Institute of Geosciences and Earth Resources, | |
| ENEL Green Power, Italian geothermal company | |
| European Geothermal Energy Council (EGEC), | |
| Geothermal energy in | |
| Journal: Geothermics, Elsevier Science Ltd. | |
| CADDET Renewable Energy Information, IEA agreement |
.
.Hoa Kỳ
Địa chỉ WWW | Tên và mô tả trang web |
| Geothermal energy www server, US DOE, references, databases | |
| Energy efficiency and renewable energy network (EREN), US DOE, Geothermal Energy Program | |
| US DOE Geothermal Website | |
| | |
| Office of scientific and technical information, US DOE, Databases on geothermal energy technology | |
| The Green Power Network is a service of the U.S. Department of Energy and is maintained by the National Renewable Energy Laboratory. | |
| National Geothermal Collaborative (NGC) - Association of geothermal promoters | |
| The Renewable Energy Atlas of the West, The Energy Foundation, | |
| | |
| Geothermal Research Department, Sandia Nat. Lab., programs, drilling | |
| | |
| National Renewable Energy Laboratory, photography information exchange | |
| Geothermal Resources Council (GRC), activities and services, | |
| Geothermal Resources Council (GRC), library | |
| | |
| Stanford Geothermal Program, | |
| Energy & Geoscience Institute, Geothermal program, | |
| Southern | |
| Virginia Polytechnical Institute, Regional geophysics lab., geothermal data | |
| Renewable energy policy project (REPP) | |
| Geothermal Education Office | |
| Energy technology data exchange, IEA, databases | |
| | |
| The World Bank Group, Geothermal energy | |
| Geothermal Heat Pump Consortium | |
| International Ground Source Heat Pump Association | |
| Ormat International, Inc., power plants manufacturer | |
| Union of California (UNOCAL), Geothermal operations | |
| The Geysers geothermal field: increasing output by injection of treated wastewater, CA | |
| GeothermEx Inc., geothermal company, | |
| Calpine Corporation power company, | |
| |
.
Các nước khác
Địa chỉ WWW | Tên và mô tả trang web |
| International Geothermal Association (IGA) | |
| Orkustofnun, National Energy Authority, | |
| The | |
| Earth Energy Society of | |
| Mexican Geothermal Association (AGM) | |
| Institute for Geo-Resources and Environment, AIST, | |
| New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), Geothermal Energy Dev. | |
| JMC Geothermal Engineering Co Ltd., | |
| | |
| Geothermal Institute, | |
| Indonesian Geothermal Association | |
| International Association for Energy Economics |
No comments:
Post a Comment