Năng lượng địa nhiệt ( phần II ) pptx

Năng lượng địa nhiệt ( phần II )
Tài nguyên


Hệ thống địa nhiệt tăng cường
Lượng nhiệt của Trái Đất vào khoảng 10
31
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/m
2
) 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 (mácma, 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 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 mácma, 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 3km
[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]
.
Lịch sử
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]
.
Khai thác địa nhiệt trên thế
giới
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
[cần dẫn nguồn]
,
Lithuania
[cần dẫn nguồn]
, New Zealand,
Mexico, El Salvador, Nicaragua,
Costa Rica, Nga, Philippine,
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.
Công suất lắp đặt các nhà máy điện địa nhiệt năm 2007
[16]

Quốc gia Công suất (MW)
USA 2.687
Philippine 1.969,7
Indonesia 992
Mexico 953
Ý 810,5
Nhật Bản 535,2
New Zealand 471,6
Iceland 421,2
El Salvador 204,2
Costa Rica 162,5
Kenya 128,8
Nicaragua 87,4
Nga 79
Papua-New Guinea 56
Guatemala 53
Thổ Nhĩ Kỳ 38
Trung Quốc 27,8
Bồ Đào Nha 23

Pháp 14,7
Đức 8,4
Ethiopia 7,3
Austria 1,1
Thailand 0,3
Úc 0,2
Tổng cộng 9.731,9