Địa nhiệt cung cấp nhiệt năng dưới dạng hơi nước nóng cho các tòa nhà lớn cũng sớm được sử dụng với mức nhiệt độ thông thường hoặc chỉ cao hơn mức tối thiểu không nhiều. Ngày nay, nhiệt độ cao đang được ứng dụng để chạy các tuabin trong quy trình sản xuất điện.

Phương thức khả thi nhất để tiếp cận nguồn năng lượng này là công nghệ Hot Dry Rock (HDR) và Hot Fractured Rock (HFR), còn được gọi là Hệ thống Địa nhiệt Cấp tiến (EGS) bởi công nghệ này không chỉ đơn thuần là việc khoan những chiếc giếng khoan đơn giản.

Hệ thống HDR gồm ít nhất hai máy khoan sâu và một bộ chuyển nhiệt dưới lòng đất. Bộ chuyển nhiệt này bao gồm những thớ nứt ở khe đá sâu bị nứt ra và liên kết với nhau nhờ áp lực nước. Phương pháp này được gọi là kích thích thủy lực, giúp khai thác nhiệt năng trong lòng đất dễ dàng hơn. Không giống nhiệt địa sinh ra từ hoạt động núi lửa hay hoạt động kiến tạo, công nghệ EGS phụ thuộc nhiều vào sự kích thích nhân tạo của các thành hệ hẹp do khe nứt thủy lực sinh ra để tạo ra một bộ chuyển nhiệt dưới lòng đất. Lưu chất sau đó sẽ tuần hoàn trong một chu trình khép kín.

ưu điểm của công nghệ này là có khả năng cung cấp đủ năng lượng cho một nhà máy điện công suốt hàng trăm megawatt và ở cùng độ sâu này, điện địa nhiệt có thể được sản xuất ở mọi nơi trên thế giới. Dự đoán,các cơ sở sản xuất điện vẫn có thể hoạt động từ các hồ chứa trong khoảng 30 năm và không lo về sự giảm nhiệt độ khi khai thác. Điện sẽ được kéo tới mọi nhà 24/24 giờ bởi các nhà máy này hoạt động hoàn toàn độc lập và không phụ thuộc vào các nguồn năng lượng khác như thủy triều, sóng, gió hay mặt trời. Tuy nhiên chi phí cho mỗi giàn khoan là một bài toán kinh phí không dễ giải.

Sản xuất trên phạm vi toàn cầu

Ông Karl Gawell thuộc Hiệp hội Năng lượng Địa nhiệt cho biết nguồn điện năng này hiện đang được sản xuất tại 24 quốc gia và trên tất cả các lục địa trừ Nam cực, đáp ứng đủ nhu cầu cho khoảng 60 triệu dân trên thế giới. Năm 2003, điện địa nhiệt đã sản xuất 57.000 GWh. Tuy nhiên hiện nay ở Anh vẫn chưa có nhà máy phát điện địa nhiệt nào được triển khai xây dựng.

Mỹ tiếp tục là quốc gia đi đầu về sản xuất điện địa nhiệt, chiếm 32% công suất toàn thế giới. Và hiện nay quốc gia này đang phải đối mặt với sự cạnh tranh của rất nhiều nước, đặc biệt là Philippin và Inđônêsia. Người dân úc cũng đang hy vọng công nghệ HDR sẽ mang đến hàng trăm Mêgawatt công suất phục vụ cho nhu cầu trong nước.

Từ năm 1989, SOCOMINE (Societe de Cooperation Miniere et Industrielle) đã tham gia vào công cuộc phát triển công nghệ điạ nhiệt Hot Dry Rock (HDR). Tổ chức này vừa giữ vai trò là điều phối viên, vừa là nhà thầu chính cho Chương trình Nghiên cứu HDR tại châu âu do Liên minh châu âu và các tổ chức chính phủ và phi chính phủ tài trợ. Địa điểm được chọn là Soultz, cách Strasbourg 50km về phía Bắc. Tại đây sẽ có 3 giếng được khoan, một giếng sâu 4km và hai giếng còn lại sâu 5km. Dự tính sẽ có khoảng 6MW công suất được phát đi khi chương trình chính thức đi vào hoạt động.

Đức hiện cũng là quốc gia thu hút được nhiều chú ý. Được sự ủy quyền của Tập đoàn Năng lượng Vattenfall châu âu, ông Egbert Brossmann đang đảm nhiệm một công trình xây dựng nhà máy điện địa nhiệt đầu tiên của Đức, cách Berlin 20 dặm về phía Bắc. Nhà máy này dự tính sẽ cung cấp điện năng cho khoảng 3.000 hộ dân. ông cho biết: “Chúng tôi vẫn nói với nhau rằng chúng tôi không được may mắn như người dân Italia. Nhờ gần với khu vực núi lửa nên họ chỉ phải đào vài trăm mét trong khi chúng tôi phải đào sâu xuống tới vài kilômét”.

Nhiệt độ cao

Ở miền Nam nước Đức, tập đoàn EnBW đang triển khai một công trình HDR tại thành phố Swabian, Bad Urach nơi nhiệt độ lên tới 170oC ở độ sâu 4445m. Giai đoạn đầu, nhà máy sẽ đạt công suất khoảng 1.250 kW, đủ cung cấp cho khoảng 2.000 hộ dân. Những lỗ khoang trong lòng đất, hệ thống các khe nứt mở rộng, và một lượng nước lớn lưu thông sẽ cho công suất lớn hơn. Bad Urach được đặt trên địa hình có khoảng cách rất gần với địa nhiệt. ở 300-400m đầu tiên, građien độ địa nhiệt đo được là 11oC/100m. Càng sâu xuống thì cứ 100m tiếp theo, nhiệt độ sẽ tăng 4oC. Và ở độ sâu 1600m bắt đầu xuất hiện đá móng (nền đá), nhiệt độ lại trở về mức bình thường là 3oC/100m.

Năm 2004, công ty Năng lượng Địa năng AG Basel đã quyết định xây dựng một nhà máy điện địa nhiệt đầu tiên tại Basel hoàn chỉnh trước năm 2009. Nhà máy này vượt trội hơn hẳn những nhà máy chỉ đơn thuần phát điện trước kia, bởi nhiệt lượng sinh ra trong quá trình sản xuất điện năng sẽ được dẫn tới các lưới điện cung cấp cho đô thị. Cơ sở này dự tính sẽ bắt đầu kéo điện và cung cấp nhiệt năng vào năm 2009 với công suất khoảng 6MW điện và 17MW nhiệt. Giếng khoan đầu tiên sẽ đâm sâu xuống cách mặt đất 5000m tới nền đá móng để tạo ra bộ chuyển nhiệt. Mục tiêu của AG là xây dựng một nhà máy cùng một lúc vừa sản xuất được 3MW công suất điện, lại vừa sản xuất được 20MW công suất nhiệt phục vụ cho các đô thị trong nước. Công ty liên doanh Khai thác Địa nhiệt sẽ chịu trách nhiệm xúc tiến và quản lý dự án. Để thu được nhiệt năng từ dưới lòng đất cần phải có một bộ chuyển nhiệt và sản phẩm này sẽ do công ty Ecolaire cung cấp.

Bình ngưng tiếp xúc bề mặt địa nhiệt với công suất 30MW gồm 6 đường dẫn nước hiện đang được xây dựng tại Ailen cũng nhằm phân phối mạng nhiệt năng cho đô thị và điện năng cho người dân. Vì môi trường địa nhiệt có nguy cơ bị ăn mòn cao nên bình ngưng được thiết kế với những ống dẫn làm bằng titan cùng các cấu trúc cột chống bên trong và vỏ ngoài làm bằng thép không gỉ để chống lại tác nhân ăn mòn của hơi nước.

Tương lai

Kế hoạch xây dựng một nhà máy địa nhiệt điện dựa theo chu trình Kalina đem lại hiệu suất cao hơn đang là mục tiêu hướng tới đối với bộ phận Dịch vụ và Giải pháp công nghiệp của Siemens. Theo nguyên lý Kalina, hỗn hợp lưu chất giữa nước và amoniac được đưa vào sử dụng thay cho nước đơn thuần. Trái ngược với những chất như nước hay pentan có điểm sôi không đổi, lưu chất này lại sôi theo mức nhiệt độ tăng dần lên với áp suất giữ nguyên.

Nhờ đặc tính này mà những nhà máy điện sử dụng nguyên lý Kalina không phải mất nhiều năng lượng để đun nóng lưu chất mà vẫn sản xuất được công suất lớn, tốn ít chi phí. Mô hình nhà máy sản xuất điện ngày nay là do một kỹ sư người Xcốt-len, William Rankine đã phát minh ra cách đây 150 năm. ông sử dụng nhiệt lượng từ việc đốt các nguồn nhiên liệu như than, dầu, khí đốt hay địa nhiệt để tạo thành hơi nóng có áp suất cao chạy tuabin. Hơi nóng không sử dụng đến được làm nguội và ngưng lại thành nước, sau đó bơm quay trở về hệ thống làm nóng. Tuy nhiên theo phát minh của kỹ sư người Xcốt-len này, chỉ 35 tới 40% nhiệt năng sinh ra có thể chuyển thành điện năng còn đa số là bị thất thoát. Hỗn hợp nước và amoniac có thể bay hơi ở nhiệt độ thấp sẽ làm tăng hiệu suất trong giai đoạn tạo nhiệt của chu trình, nhưng bản thân amoniac lại rất dễ ngưng tụ. Vì thế các kỹ sư buộc phải chạy tuabin nhỏ và kém hiệu suất hơn. Ngày nay phát minh của Kalina đã giải quyết được khó khăn này nhờ sử dụng phương pháp động lực học hiện đại hút hầu hết khí amoniac trước khi giai đoạn ngưng tụ bắt đầu. Chu trình Kalina này có thể nâng năng suất lên tới 40%.

Siemens vừa kí với HotRock Erdwarmekraftwerk GmbH hợp đồng xây dựng nhà máy điện địa nhiệt dựa theo nguyên lý Kalina. Cơ sở này được đặt ở khu vực tự trị của Offenbach ad Quein tại Đức. Xét về mặt địa chất, đây là vùng nóng nhất nước Đức, građien nhiệt độ ít nhất là 50oC/1000m. Giếng khoan ở độ sâu 3km đã có nước với nhiệt độ trên 150oC. Nhờ thế mà nhà máy HotRock GmbH công suất 5MW điện năng đặt gần Karlsruhe hiện đang kéo điện cho 20.000 hộ dân. Gần đấy, một nhà máy điện chạy bằng than đốt với cùng công suất thải ra gần 23.000 tấn CO2 mỗi năm. Siemens sẽ chịu trách nhiệm cung cấp toàn bộ thiết bị xây dựng nhà máy tại đây gồm có bình ngưng, máy làm bay hơi nước, tuabin, máy phát điện, dàn lạnh, cũng như mọi trang bị dụng cụ, kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.

Lợi ích

Quy trình sản xuất điện từ địa nhiệt có nhiều lợi ích hơn so với những nguồn năng lượng tái sinh khác. Các giếng khoan trước khi không còn nóng, có khả năng dùng được trong 30 năm, thậm chí còn lâuhơn, đủ thời gian bù lại những chi phí đầu tư ban đầu.

Công nghệ hấp thụ nhiệt từ thành hệ Hot Dry Rock (HDR) có thể ứng dụng thực tiễn ở khắp nơi trên thế giới. Ngoài ra, nhờ học hỏi kinh nghiệm khoan giếng dầu của ngành công nghiệp dầu khí, vùng năng lượng nằm sâu dưới lòng đất sẽ có khả năng được tiếp cận và khai thác.

Những giếng khoan hiện đại nhất này còn sản sinh ra hàng megawatt điện năng đáp ứng đủ nhu cầu đang ngày càng tăng của xã hội.

(Nguồn: HĐH)