Một cơn bão hoàn hảo đang dần được hình thành để thúc đẩy sự phát triển của địa nhiệt, nguồn năng lượng tái tạo gần như vô hạn không còn là viễn tưởng. Nó giống như một món quà, một phần thưởng mà Mẹ Thiên nhiên chỉ dành cho những đứa con ngoan biết chọn cho mình hướng đi đúng đắn.
Ở dưới độ sâu 6.400km, lõi Trái đất chứa những vật chất nóng chảy có nhiệt độ lên tới 5.400°C – con số tương đương với bề mặt của Mặt trời. Một ngành năng lượng đã ra đời trong thế kỷ 20 với mong muốn khai thác nguồn năng lượng gần như vô hạn này. Họ gọi mình là địa nhiệt (Geothermal) và giương cao một khẩu hiệu: Lõi Trái đất là Mặt trời mới ngay dưới chân chúng ta".
Các nghiên cứu trong ngành địa chất cho biết từ khi Trái đất được hình thành, lõi của nó đã liên tục được làm nóng và bổ sung nhiệt từ quá trình phân rã phóng xạ tự nhiên. Quá trình này xảy ra ở tốc độ khoảng 30.000 tỷ J/s, gần gấp đôi mức tiêu thụ năng lượng của toàn nhân loại.
Điều đáng nói là lõi Trái đất sẽ còn tiếp tục cháy trong hàng tỷ năm nữa. ARPA-E AltaRock Energy, một dự án của Bộ Năng lượng Mỹ ước tính chỉ cần 0,1% lượng nhiệt của Trái đất đã đủ để vận hành nền văn minh của chúng ta trong 2 triệu năm. Tất cả những gì chúng ta cần làm chỉ là khai thác nó.
Tuy nhiên, khai thác địa nhiệt hóa ra không phải một công việc dễ dàng.
Phương pháp khai thác địa nhiệt đơn giản nhất là sử dụng nhiệt thoát ra trực tiếp ở những khe nứt vỡ trên bề mặt đất. Đó chính là những nơi mà bạn thấy xuất hiện suối nước nóng hoặc những lỗ thông hơi dẫn ra từ lòng núi lửa. Từ hàng trăm ngàn năm trước, tổ tiên của chúng ta trong thời kỳ đồ đá đã biết tận dụng nhiệt ở những khu vực này để nấu nướng và tắm giặt.
Một hình thức khai thác địa nhiệt tinh vi hơn tận dụng những bể chứa nước bên dưới khu vực có thạch quyển mỏng hoặc khu vực gần miệng núi lửa. Các công ty năng lượng sẽ khoan những đường ống nước tuần hoàn xuống các hồ chứa này.
Sau đó, công việc cần làm chỉ là ngày đêm bơm nước lưu thông xuống dưới hồ chứa nhiệt và lên trên mặt đất để quá trình trao đổi nhiệt diễn ra. Nước lạnh từ trên mặt đất đi xuống được làm nóng, sau đó, trở lại mặt đất và nối vào hệ thống sưởi của các tòa nhà.
Boise, một thành phố thuộc tiểu bang Idaho, Hoa Kỳ đã xây dựng một nhà máy địa nhiệt như thế từ năm 1890. Hiện nay, nhà máy này vẫn đang phục vụ 92 tòa nhà khu trung tâm của thành phố. Nó được coi là hệ thống địa nhiệt lớn nhất nước Mỹ - nhưng không phải hệ thống hiện đại nhất.
Khi nói tới hệ thống khai thác địa nhiệt hiện đại, chúng ta phải nói tới việc biến nhiệt độ trong lòng Trái đất thành điện. Đó chính là những nhà máy địa nhiệt điện. Năm 1960, một nhà máy địa nhiệt điện đầu tiên ở Hoa Kỳ được xây dựng ở vùng Geysers thuộc tiểu bang California. Kể từ đó tới nay, nước Mỹ đã có tới 60 nhà máy địa nhiệt điện và chúng vẫn đang hoạt động.
Càng về sau này, các công nghệ khai thác địa nhiệt điện càng trở nên hiện đại và phát triển với tốc độ chóng mặt. Chúng ta hãy xem quá trình tiến hóa của các công nghệ này diễn ra như thế nào.
Tài nguyên thủy nhiệt thông thường
Nhiệt trong lòng đất một khi được khai thác và đưa lên bề mặt có thể được tận dụng cho rất nhiều mục đích, đơn giản từ tắm giặt, nấu nướng, sưởi ấm cho đến phức tạp hơn như nông nghiệp nhà kính, làm khô xi măng hay thậm chí sản xuất hydro.
Nhưng biến nhiệt thành điện vẫn là mục tiêu thường được nhắm tới nhất, bởi điện là một "đồng tiền" năng lượng có thanh khoản cao nhất trong số tất cả các nguồn năng lượng mà con người có thể tiếp cận. Với hệ thống truyền tải rộng rãi và tối ưu hiện nay, điện được lưu thông rất dễ dàng, hạn chế hao phí và có thể được biến ngược trở lại thành bất cứ dạng năng lượng nào khác như nhiệt năng hoặc quang năng.
Mặc dù vậy, để có thể biến nhiệt lượng trong lòng đất thành điện, nhiệt độ ở mỏ khai thác phải đảm bảo cao hơn một ngưỡng mà ở đó công nghệ của nhà máy đạt tới một mức hiệu suất đáng để sản xuất và đem lại lợi nhuận cho chủ đầu tư khai thác.
Các thế hệ nhà máy địa nhiệt thô sơ nhất được gọi là thủy nhiệt điện sử dụng hơi nước trực tiếp từ mặt đất với mức nhiệt khai thác hiệu quả khoảng 200°C. Chúng thường được chọn xây dựng ở một số khu vực có vị trí địa lý đặc biệt (ví dụ như Iceland hoặc California).
Đó là những địa điểm nằm ngay phía trên một vết đứt gãy lớn trong lòng đất, tạo điều kiện cho nhiệt thoát ra khỏi lõi Trái đất và nung nóng các tầng đá dễ thấm nước. Tại đây, bạn có thể thu được nước hoặc hơi nước bốc lên tới tận gần bề mặt. Chúng chỉ bị mắc kẹt dưới một lớp đệm không thấm tạo thành hồ chứa bên dưới mặt đất.
Công việc cần làm lúc này chỉ là khoan một đường ống đến độ sâu thích hợp để dòng nước nóng tự chảy lên bề mặt. Trong quá trình đó, áp suất dòng nước nóng giảm sẽ khiến một phần của nó sôi mạnh trở thành hơi được tận dụng để làm quay tuabin phát điện.
Hơi nước quay tua bin được ngưng tụ lại, cùng với dòng nước đã nguội được bơm trở lại giếng bên dưới lòng đất để trao đổi nhiệt và giữ áp suất.
Thông thường, các nhà máy khai thác thủy nhiệt dạng này cần những hồ chứa chất lượng cao có nhiệt độ từ 180-370 oC. Các hồ chứa đạt đủ điều kiện này chỉ xuất hiện gần mặt đất nếu bên dưới đó có các mảng kiến tạo đang hoạt động, tạo thành các vết đứt gãy chẳng hạn như ở Iceland, California hay Alaska, Hoa Kỳ.
Cho nên, thủy nhiệt điện thông thường không phải là một hình thức khai thác địa nhiệt có thể chuẩn hóa hoặc mở rộng quy mô ra nhiều quốc gia, khu vực. Hơn nữa, một hạn chế của loại hình khai thác thủy nhiệt điện này là nó cần bơm nước lên xuống giếng nước nóng. Điều đó có nghĩa là mọi cặn bẩn, chất ô nhiễm và đất trong lòng giếng cũng sẽ được đem lên bề mặt đất.
Các hạn chế này được khắc phục trong một hệ thống địa nhiệt thế hệ thứ hai, gọi là địa nhiệt nâng cao.
Hệ thống địa nhiệt nâng cao (EGS)
Có thể thấy các hệ thống địa nhiệt thông thường đòi hỏi một khu vực khai thác phải được thiên nhiên ưu ái cho rất nhiều đặc điểm có lợi. Nó phải có đứt gãy, phải có đá thấm nước để tạo ra những hồ chứa bên dưới gần mặt đất.
Công nghệ EGS nhắm đến việc tạo ra các hồ chứa nhân tạo ở các khu vực không có hồ thủy nhiệt tự nhiên. Họ làm như vậy bằng cách khoan vỡ các tầng đá rắn, không xốp nhưng có nhiệt độ cao, sau đó, bơm nước từ mặt đất xuống để tạo thành các bể chứa cho riêng mình.
Hệ thống EGS có thể giải quyết được vấn đề hồ chứa, nó loại bỏ nhu cầu của một lớp đá xốp và thấm nước để khai thác địa nhiệt. Nhưng EGS vẫn cần một lớp đá có nhiệt độ cao, và để có được lớp đá này, họ cần khoan sâu và thứ nữa là khoan nứt chúng để tạo ra được các bể chứa.
Thật may mắn, các thách thức này hiện đã được giải quyết bởi ngành công nghiệp khai thác dầu đá phiến tại Mỹ. Để có thể khai thác dầu từ đá phiến, các công ty dầu khí cũng phải bơm nước xuống để phá vỡ các tầng đá, họ gọi đó là công nghệ "fraking".
Không chỉ tận dụng được công nghệ này, EGS còn tranh thủ được sự ủng hộ của công chúng bởi nó là một nguồn năng lượng xanh và thân thiện môi trường hơn rất nhiều so với nhiên liệu hóa thạch.
Các ước tính cho thấy nếu có thể khoan đến độ sâu trung bình 7km và khai thác các tầng đá có nhiệt độ tối thiểu 150oC, nước Mỹ có thể khai thác được một tài nguyên địa nhiệt lên đến 5.157 GW, gấp khoảng gấp 5 lần tổng công suất điện trên toàn quốc gia.
Ngoài ra, công nghệ EGS khai thác nhiệt trực tiếp còn có thể cung cấp cho Hoa Kỳ thêm 15 triệu terawatt-giờ nhiệt (TWhth). Về lý thuyết, nguồn nhiệt trực tiếp này có thể được tận dụng để sưởi ấm mọi ngôi nhà và mọi toàn nhà thương mại ở Mỹ trong ít nhất 8.500 năm.
Ở độ sâu 7km, chúng ta có đủ nhiệt để duy trì nền văn minh qua nhiều thế hệ.
Địa nhiệt đá siêu nóng
Chân trời phía xa của EGS là một công nghệ gọi là địa nhiệt đá siêu nóng, trong đó, các nhà máy tham vọng muốn tăng độ sâu của mũi khoan xuống tới 10 km, để tiếp cận đến các tầng đá cực nóng. Nhiệt độ tăng sẽ cho phép khai thác địa nhiệt ở mức hiệu suất cao hơn.
Khi nước bơm xuống có thể được làm nóng tới 373°C ở áp suất 220 bar, nó sẽ trở thành nước "siêu tới hạn", một pha mới của vật chất không phải là chất lỏng cũng không phải khí. Ở trạng thái này, entanpi của nước được đẩy lên rất cao so với nước và hơi nước thường, có nghĩa là nó có thể chứa nhiều năng lượng hơn từ 4-10 lần trên một đơn vị khối lượng.
Nước siêu tới hạn hiện đã được dùng trong một số nhà máy nhiệt điện than vì nó có thể tăng gần gấp đôi hiệu suất chuyển hóa nhiệt thành điện của chu trình Carnot.
Bây giờ, một dự án địa nhiệt điện khoan sâu 10km để khai thác nhiệt năng 400oC có thể cho ra công suất 50MW, so với công suất 5MW của một dự án EGS ở 200°C. Điều đó có nghĩa là chỉ cần khoan sâu thêm 43% là bạn đã có thể tiếp cận một nhiệt độ nóng gấp đôi, và cho ra công suất gấp 10 lần.
Chỉ cần 3 giếng đá siêu nóng đã có thể tạo ra lượng điện tương đương với 42 giếng EGS. Điều đó cũng có nghĩa là chúng ta sẽ tiết kiệm được lượng chất lỏng sử dụng và để lại ít dấu chân vật lý hơn trên hành tinh.
Một loại công nghệ thứ tư đã xuất hiện gần đây, đưa ra lời hứa tương tự rằng một ngày nào đó, năng lượng địa nhiệt có thể được tiếp cận ở bất cứ đâu.
Hệ thống địa nhiệt tiên tiến (AGS)
Mặc dù địa nhiệt đá siêu nóng đã mở ra một cánh cửa cho năng lượng vô tận giá rẻ, vẫn có một công nghệ có thể đánh bại nó trên mọi phương diện. Sẽ ra sao nếu bạn không cần phải khoan sâu, cũng chẳng cần đá siêu nóng để tận dụng năng lượng từ nước siêu tới hạn. Liệu có một công nghệ địa nhiệt nào có thể giảm dấu chân vật lý mà chúng ta để lại trên hành tinh xuống mức tới mức tối thiểu?
Câu trả lời là có, các kỹ sư gọi nó là hệ thống địa nhiệt tiên tiến AGS. AGS là một hệ thống hoàn toàn kín, trong đó không có bất kỳ một giọt chất lỏng nào được đưa vào hoặc rút ra từ lòng đất. Chúng ta cũng sẽ không cần phải khoan đá để tạo ra các bể chứa thủy nhiệt.
Thay vào đó, chất lỏng được lưu thông dưới lòng đất trong các đường ống và lỗ khoan kín, chúng thu nhiệt và được dẫn truyền lên bề mặt, nơi nhiệt trong chất lỏng bấy giờ mới được tận dụng cho nhu cầu sưởi ấm hoặc phát điện.
Các hệ thống địa nhiệt vòng kín đã xuất hiện trong nhiều thập kỷ, nhưng một số công ty khởi nghiệp gần đây mới phát triển chúng bằng các công nghệ học được từ ngành dầu khí đá phiến. Một công ty điển hình như vậy là Eavor, được thành lập vào năm 2007 tại Alberta bởi các nhà đầu tư có kinh nghiệm trong lĩnh vực dầu khí.
Injection creates fractures resulting in an EGS reservoir: Chất lỏng được bơm xuống khu vực đứt gãy để tạo hồ chứa nhân tạo cho nhà máy địa nhiệt điện EGS.
Trong hệ thống AGS của Eavor được họ đặt tên là "Eavor-Loop", các kỹ sư sẽ thiết kế hai giếng đứng khoan sâu xuống lòng đất cách nhau khoảng 2,5 km. Đầu phía bên dưới các giếng đứng sẽ được nối với nhau bằng một dàn giếng ngang, giống với thiết kế tản nhiệt để tối đa hóa diện tích bề mặt và thu được càng nhiều nhiệt càng tốt. Kỹ thuật mà họ sử dụng để khoan các giếng nằm ngang được vay mượn từ chính cuộc cách mạng dầu đá phiến.
Phía bên trên mặt đất, hai đầu giếng cũng được nối kín lại với nhau. Vòng kín này tạo ra hiệu ứng "thermosiphon", nơi nước mát ở một giếng đứng chìm xuống, trong khi nước nóng ở giếng còn lại dâng lên. Hiệu ứng này giúp nước lưu thông tự nhiên mà không cần sử dụng bơm.
Vì không cần đến tải ký sinh của máy bơm, Eavor có thể khai thác được các vùng địa nhiệt có nhiệt độ tương đối thấp, chỉ khoảng 150°C. Bạn chỉ cần khoan sâu khoảng 2,5 km xuống bất cứ đâu trên Trái đất để có thể đạt được mức nhiệt độ này.
Nhằm chứng minh sự hiệu quả của mô hình, Eavor đã thiết lập một dự án địa nhiệt trình diễn ở Alberta và gọi nó là "Eavor-Lite". Dự án này chỉ ra rằng các giếng nằm ngang dưới lòng đất có thể được nhắm mục tiêu chính xác, hiệu ứng thermosiphon xảy ra và sản lượng của nhà máy có thể được tính toán chính xác.
Công ty có kế hoạch sẽ xây dựng 3-4 nhà máy địa nhiệt theo công nghệ Eavor-Loop trong tương lai gần, sớm nhất là một nhà máy tại Geretsried, Đức vào năm 2021 sau đó đến Pháp, Hà Lan và Nhật Bản.
Công nghệ của Eavor-Loop thậm chí vẫn còn đang trong quá trình cải tiến. John Redfern, chủ tịch Eavor và trưởng bộ phận phát triển kinh doanh Paul Cairns nói rằng họ muốn thay đổi thiết kế của Eavor-Loop để thậm chí còn giảm dấu chân vật lý của hệ thống ngày trên Trái đất xuống còn một nửa. Thay vì khoan 2 giếng đứng ở hai vị trí cách nhau 2,5 km, Eavor sẽ thiết kế chỉ một hệ thống với 2 giếng đứng tại chỗ.
Về cơ bản, họ sẽ gập Eavor-Loop lại giống như một tờ giấy như thế này:
Hệ thống Eavor-loop cải tiến, không để lại dấu chân trên mặt đất.
Hệ thống Eavor-Loop cải tiến có thể giấu toàn bộ hệ thống ống khoan, làm mát, máy phát điện và thậm chí đường dây dưới mặt đất. "Về mặt lý thuyết, bạn có thể không để lại bất kỳ dấu chân nào phía trên bề mặt", Cairns nói.
Tất cả những gì họ cần chỉ là một tầng đá nóng nằm sâu vài km dưới lòng đất, thứ có thể tìm thấy được ở hầu hết mọi địa điểm trên thế giới. Eavor-Loop vì vậy không mất chi phí thăm dò tốn kém và nhà máy của họ về lý thuyết có thể được xây dựng ở bất cứ địa điểm nào.
Một đặc điểm đáng tiền nữa của công nghệ địa nhiệt nà là nó có thể hoạt động như một hệ thống tích năng linh hoạt, giống với thủy điện. Nguồn điện từ Eavor-loop có thể luôn bật, nhưng nó cũng có thể chuyển sang chế độ dự trữ để bổ khuyết cho hệ thống năng lượng Mặt trời hoặc năng lượng gió khi chúng có sản lượng cao hơn.
Để chuyển sang chế độ tích năng, Eavor-Loop chỉ cần hạn chế hoặc tạm dừng dòng chảy của chất lỏng bên trong ống. Khi chất lỏng bị dừng lại bên dưới lòng đất lâu hơn, nó hấp thụ ngày càng nhiều nhiệt hơn.
Vì vậy, không giống như với năng lượng Mặt trời, nơi mà ngay cả độ dốc của nhà mái nhà cũng khiến năng lượng bị lãng phí. Chất lỏng chảy trong ông Eavor-Loop chỉ đơn giản là được sạc đầy nếu nó ngừng chảy, giống như một cục pin, để khi bật lại, chất lỏng sẽ tạo ra mức công suất cao hơn và mạnh hơn. Điều này cho phép nhà máy Eavor-Loop điều tiết được sản lượng của mình để phù hợp với mọi nhu cầu và hoạt động điều phối điện.
Lời hứa phi thường của địa nhiệt và lối thoát cho ngành dầu khí
Các dạng năng lượng tái tạo như năng lượng gió và Mặt trời hiện được cho là sự thay thế tốt nhất cho năng lượng hóa thạch. Tuy nhiên, chúng không phải không có nhược điểm.
Trong khi các nhà máy nhiệt điện sử dụng than, dầu hoặc thủy điện có thể được bật tắt dễ dàng theo nhu cầu thì điện gió và điện Mặt trời phải phụ thuộc vào… gió và Mặt trời. Bạn không thể phát điện Mặt trời vào ban đêm và thu điện gió trong những ngày không có gió.
Ngoài ra, có những câu hỏi đang được đặt ra cho tính bền vững của chính các nhà máy khai thác năng lượng tái tạo này. Liệu trong một thế giới đang ngày một điện khí hóa, năng lượng Mặt trời, năng lượng gió và các hệ thống pin ắc-quy của chúng có thể đưa nhân loại đi được bao xa? Chúng có thể đáp ứng được 50%, 80% hay 100% nhu cầu điện năng hay không? Sẽ ra sao khi các hệ thống điện này hết niên hạn?
Do đó, xây dựng một hệ thống điện tái tạo khác bù đắp được những khoảng trống mà điện gió và điện Mặt trời để lại là một yêu cầu cấp thiết. Và địa nhiệt lúc này là một nguồn năng lượng bổ sung hoàn hảo. Địa nhiệt có thể tái tạo và thậm chí nó không thể cạn kiệt. Các nhà máy khai thác địa nhiệt có thể chạy như một nguồn điện cơ bản suốt ngày đêm hoặc "chạy theo tải" để bổ sung vào những điểm biến động của năng lượng tái tạo.
Địa nhiệt có thể được khai thác ở hầu hết mọi nơi trên thế giới. Nó cũng là một nguồn năng lượng đáng tin cậy, vì toàn bộ hệ thống nằm phần lớn dưới lòng đất, các nhà máy địa nhiệt có khả năng chống chịu với hầu hết các thảm họa thời tiết (và cả con người). Nó có thể hoạt động mà không gây ô nhiễm hay không thải ra khí nhà kính. Nguồn nhiệt dư thừa từ khai thác địa nhiệt còn có thể được sử dụng để cung chạy các hệ thống sưởi ấm trong mùa đông.
Nói tóm lại, địa nhiệt đáp ứng tất cả các tiêu chí mà chúng ta đặt ra.
Một thuận lợi nữa đang khiến nhiều người nói về địa nhiệt hơn là một cơ hội có phần tình cờ mà nó mở ra cho ngành dầu khí. Ngành công nghiệp khổng lồ khai thác nhiên liệu hóa thạch vốn đang quay cuồng trong nguồn cung quá mức, giá thấp liên tục và giảm đường cầu do đại dịch COVID-19 gây ra.
Mukul Sharma, một kỹ sư trong ngành dầu khí tại UT Austin, người đóng vai trò chủ chốt trong việc phát triển kỹ thuật bẻ gãy thủy lực và được mệnh danh là "ông vua của ngành dầu khí đá phiến" tại Mỹ mới đây đã thành lập một liên doanh địa nhiệt tên là Geothermix.
Geothermix hiện nhắm đến các hệ thống địa nhiệt EGS, nơi mà Sharma tự tin rằng ông có thể dịch chuyển được các công nghệ khoan từ ngành dầu đá phiến của mình sang đây. "Chẳng có gì phải nghi ngờ, chúng tôi có thể sử dụng những hiểu biết của mình từ ngành dầu khí đã được tích lũy trong hàng thập kỷ để áp dụng thành công sang lĩnh vực EGS", ông ấy nói.
Fervo Energy – một công ty khai thác địa nhiệt EGS khác cũng đã được thành lập bởi một cựu kỹ sư dầu khí, Tim Latimer. Một công ty khác là Sage Geosystems cũng được thành lập bởi Lev Ring và Lance Cook có kinh nghiệm lâu năm trong ngành dầu khí. Eavor hiện cũng đang chiêu mộ những kỹ sư trong lĩnh vực khai thác năng lượng hóa thạch chuyển ngành sang địa nhiệt, một nguồn năng lượng tái tạo.
Địa nhiệt hiện giống như một lối thoát, một bến cảng an toàn dành cho những công ty dầu khí. Họ có thể tận dụng kỹ năng, kinh nghiệm và công nghệ của mình để khai thác một nguồn năng lượng mới hơn, sạch hơn và bền vững hơn.
Một cơn bão hoàn hảo đang dần được hình thành để thúc đẩy sự phát triển của địa nhiệt, nguồn năng lượng tái tạo gần như vô hạn không còn là viễn tưởng. Nó giống như một món quà, một phần thưởng mà Mẹ Thiên nhiên chỉ dành cho những đứa con ngoan biết chọn cho mình hướng đi đúng đắn.