Cung cấp năng lượng cho Trái đất – Chương 8: Năng lượng từ không khí, nước và đất (Phần 4)

Powering Planet Earth:
Energy Solutions for the Future

by Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani, Nick Serpone 

Chapter 8: Energy from Air, Water, and Land – Chương 8: Năng lượng từ không khí, nước và đất (Phần 4) 

Năng lượng địa nhiệt

Ngày 4 tháng 7 năm 1904 là một ngày quan trọng trong lịch sử năng lượng. Vào ngày này, lần đầu tiên năm bóng đèn đã được thắp sáng bằng một động cơ điện được cung cấp năng lượng bởi hơi nước thoát ra từ trong lòng Trái đất. Người tạo ra phát minh tuyệt vời này là Hoàng thân Piero Ginori Conti, một người trẻ tuổi vùng Toscana (thuộc Ý) đã mang lại kết quả sau một chặng đường dài được khởi đầu từ người ông của bố vợ ông, Francis Larderel.

Larderel, một hậu duệ của gia đình quý tộc Pháp đã chuyển tới Toscana vào thời Napoleon I, bị lôi cuốn bởi thứ bùn trắng kì lạ xung quanh những lỗ phun khí tự nhiên chảy dưới lòng đất trên những ngọn đồi giàu tài nguyên kim loại của tỉnh Pisa. Thứ bùn này chứa axit boric, một chất xuất hiện từ thời Etruscan (một nền văn minh cổ từng tồn tại cách đây gần 3000 năm ở khu vực tương ứng với Toscana ngày nay -ND), đã được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, đặc biệt là trong điều chế tráng men và sơn. Gia đình Larderel đã tạo ra một tài sản lớn từ axit boric. Một thế kỷ sau, người thừa kế của gia đình, Ginori Conti, lợi dụng những hiện tượng kỳ diệu của tự nhiên, đã sáng lập ra một tổ chức kinh doanh thứ hai thậm chí còn lớn hơn để sản xuất năng lượng ở quy mô lớn.

Cấu trúc bên trong lõi của Trái đất được đặc trưng bởi ba lớp đồng tâm với chiều dày khác nhau: phần vỏ (the crust), phần manti (the mantle) và phần lõi (the core). Phần lõi là nhân của hành tinh chúng ta, là một quả cầu lớn gồm sắt và niken với bán kính khoảng 3500 km và gồm có hai phần: phần bên ngoài lỏng và có nhiệt độ trung bình khoảng 3000oC, trong khi nhiệt độ phần bên trong vượt trên 4000oC nhưng lại ở trạng thái rắn bởi vì áp suất khổng lồ đặt lên lớp này.

Phần vỏ là lớp bên ngoài cùng nhưng mỏng hơn, với chiều dày trung bình khoảng 30 km trên các lục địa và khoảng 5 km dưới đáy các đại dương. Phần vỏ cùng với phần bên ngoài của lớp manti hình thành nên thạch quyển (the lithosphere) được chia thành 10 lớp chính với hình dạng và chiều dày khác nhau, có thể được so sánh như những chiếc bè nổi trên lớp manti ở dưới. Ma sát tại các vùng giữa các lớp này là nguyên nhân gây ra động đất.

Earth-crust-cutaway-english

Phần manti (the mantle) là lớp giữa vỏ và lõi, có chiều dày khoảng 2900 km và chứa đá giàu sắt và ma-giê. Những khối đá này chịu áp suất và nhiệt độ rất cao. Các núi nửa là những ống khói tự nhiên được biểu hiện trực tiếp trên bề mặt Trái đất. Trong lòng Trái Đất thực sự rất nóng. Càng sâu xuống dưới nhiệt độ càng tăng, cứ khoảng 1 km thì nhiệt độ tăng trung bình 30oC. Nhiệt nội sinh (endogenous heat) của Trái đất chủ yếu do hai hiện tượng: sự luân chuyển đối lưu của các dòng manti phân phối nhiệt từ phần lõi ra ngoài, và phân rã hạt nhân của các đồng vị phóng xạ (urani, thori, và kali) được lưu trữ trong phần vỏ.

Nhiệt bên trong khi ra đến bề mặt Trái Đất có công suất năng lượng khoảng 0.06 W/m2. Chia bề mặt nước Ý cho số dân thì thấy cứ mỗi người Ý gắn với khoảng 5200 m2 đất sẵn có mà từ đó nhiệt lượng 2700 kW có thể được giải phóng mỗi năm. Đây là một lượng khá lớn, bằng khoảng 3 đến 4 lần mức năng lượng tiêu thụ hàng năm của mỗi người dân Ý.

Ở một vài nơi trên Trái Đất, nhiệt độ dưới mặt đất còn khá cao thậm chí cả ở những độ sâu khá thấp. Điều này thực sự chính là trường hợp ở các thung lũng Toscana, nơi đã chứng kiến việc làm của những người tiên phong thử nghiệm khai thác năng lượng địa nhiệt (geothermal energy). Cánh đồng Larderel, được đặt tên theo tên người sáng lập, có diện tích khoảng 200 km2, với nhiệt độ dưới mặt đất vượt quá 300oC ở độ sâu chỉ có 3000 m.

Sự có mặt của các đá nóng ở độ sâu thấp là điều kiện cần thiết nhưng chưa đủ để có thể khai thác địa nhiệt ở các độ sâu này. Một điều kiện còn cần phải có nữa là những bóng nhiệt này phải được tiếp xúc với nước mưa thâm nhập sâu trong lòng đất qua các đường nứt và các tầng đá thấm – một dạng thể thích hợp của vỏ Trái đất. Nhờ có điều kiện này tạo ra dòng chảy của hỗn hợp lỏng (nước nóng và hơi nước) được sử dụng để tạo ra nhiệt và điện ở quy mô lớn. Hỗn hợp nước và hơi nước này thường bị nén lại trong lòng đất vì vậy để chiết tách và khai thác cần khoan các giếng thích hợp sử dụng công nghệ tương tự được sử dụng cho việc tách dầu và khí. Tuy nhiên, đôi khi, nước nóng và hơi nước theo một dòng chảy tạo ra những hiện tượng kỳ diệu, như là các suối nước nóng, lỗ phun khí và các mạch phun nước nóng.

Tùy thuộc vào các điều kiện cụ thể từng nơi, về hình thái đặc thù và nhiệt độ dưới lòng đất, các hồ chứa địa chất được hình thành chứa chủ yếu là nước nóng hoặc chủ yếu là hơi nước. Nhưng thường là nước nóng thì phổ biến hơn. Ở những hồ chứa này nước có thể lên tới hơn 300oC, vẫn ở trạng thái lỏng do áp suất cao. Khi đào một cái giếng nhân tạo chạm tới những hồ chứa này, nước phun lên mặt đất, chuyển hóa một phần thành hơi nước (do áp suất thấp hơn ở mặt đất), hơi nước này sau đó có thể được sử dụng để quay tua-bin tạo ra điện.

Các hồ chứa mà hơi nước chiếm chủ yếu có giá trị nhất vì hơi khô có thể đưa thẳng vào tua-bin. Hồ chứa Larderel thuộc loại này và được khai thác để tạo ra 700 MW điện, tương đương một nhà máy điện truyền thống từ các nhiên liệu hóa thạch hoặc năng lượng hạt nhân. Nguồn địa nhiệt lớn nhất thế giới, The Geysers ở California, tạo ra gần 800 MW điện (xem Chương 12)

Trên thế giới, các nhà máy điện địa nhiệt tạo ra xấp xỉ 10700 MW. các nhà máy này chủ yếu ở Ý, Hoa Kỳ, Nhật, Philipin, Trung Mỹ và Iceland. Nguồn năng lượng này cung cấp khoảng 0.3% nhu cầu điện trên toàn thế giới với chi phí rất cạnh tranh so với các nguồn năng lượng truyền thống.

Địa nhiệt được dự báo sẽ phát triển nhờ tiềm năng vô cùng to lớn của nguồn năng lượng này. Một nghiên cứu của Viện công nghệ Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology – MIT) ở Cambrigde (vùng ngoại ô Boston, Hoa Kỳ) ước tính trữ lượng địa nhiệt ở Hoa Kỳ ở độ sâu khoảng 10 km gấp 130 000 lần mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp hàng năm của quốc gia này. Tuy nhiên, xem xét đến sức ép về mặt kinh tế, kỹ thuật, và môi trường, nghiên cứu cũng dự báo rằng vào năm 2050, năng lượng địa nhiệt cung cấp chỉ 10% nhu cầu điện của Mỹ, tuy nhiên, đó là một lượng có thể tạo nên đóng góp đáng kể cho chuyển hóa từ năng lượng truyền thống sang các nguồn năng lượng tái tạo mới.

Các nguồn địa nhiệt là năng lượng tái tạo, nhưng chỉ khi được kiểm soát tốt. Cho đến những năm 1970, những hồ chứa được khai thác một cách đơn giản, trong khi xu hướng ngày nay lại tập trung vào sự tăng trưởng. Để tránh tốc độ khai thác địa nhiệt vượt quá khả năng bù đắp tự nhiên từ các trận mưa, nước được cấp lại vào các hồ chứa địa nhiệt. Nhìn dưới góc độ kỹ thuật, đây là một quá trình vận hành phức tạp nhưng nhờ vậy có khả năng tái sinh các nguồn địa nhiệt đang có các dấu hiện cạn kiệt.

Tất nhiên, công nghệ này bộc lộ một vài vấn đề, đơn giản nhất là liên quan đến mức độ nhạy cảm vô cùng của khứu giác chúng ta với các hợp chất lưu huỳnh, có thể được phát hiện ở nồng độ vô cùng nhỏ. Hydro sulfua (H2S) được tạo ra từ quá trình phân hủy các chất thải hữu cơ trong lòng đất là nguyên nhân của mùi trứng thối khó chịu thường đi kèm hiện tượng địa nhiệt. Các vấn đề khác nghiêm trọng hơn như phải ngăn ngừa và xử lý sụt đất, xâm lấn hóa học của các dòng địa nhiệt, và ảnh hưởng về tiếng ồn và có thể thấy của các nhà máy lớn.

Tất cả những vấn đề trên đã được giải quyết phần lớn hoặc giảm một cách đáng kể. Hiện tại, vấn đề chính còn lại của công nghệ này là chi phí cao để thăm dò và phát triển các vùng địa nhiệt, có thể lên tới 2/3 tổng chi phí, và đôi khi không mang lại kết quả cụ thể

Một vấn đề khác liên quan chặt chẽ đến nhiệt động lực học: sản xuất năng lượng địa nhiệt chuyển hóa năng lượng bậc thấp (nhiệt) thành năng lượng bậc cao (điện). Do đó, hiệu suất chuyển hóa có xu hướng khá thấp. Ở các nhà máy địa nhiệt điện của Ý, hơi nước có nhiệt độ trung bình 220oC ở 10 atm, có hiệu suất chuyển hóa thành điện không quá 20%.

Sử dụng năng lượng địa nhiệt được biết đến nhiều nhất gắn với sản xuất điện. Tuy nhiên, nguồn địa nhiệt cũng phục vụ trực tiếp trong các lĩnh vực công nghiệp và sinh hoạt cần nguồn nhiệt độ tương đối thấp  (30-150oC) – ví dụ, ra làm ấm ở các trang trại thủy sản, các bề bơi, các khu nhà ở và các nhà kính, và trong sấy gỗ và các sản phẩm nông nghiệp.

Ở Reykjavik, thủ đô của Iceland, nhu cầu nhiệt thiết yếu cho 160 000 người được cung cấp hoàn toàn bằng địa nhiệt. Đây là hệ thống sưởi lớn nhất thế giới. Ngày nay, sự sử dụng trực tiếp nhiệt nội sinh của Trái đất cung cấp công suất nhiệt khoảng 50 000 MW

Trong những năm gần đây, sử dụng các bơm nhiệt địa nhiệt đã đạt được phát triển đáng kể. Các bơm nhiệt là các thiết bị điện trao đổi nhiệt với mặt đất hoặc với tầng nước ngầm trong vùng lân cận các toà nhà. Họ khai thác thực tế là ở độ sâu vài mét, nhiệt độ của mặt đất giữ ổn định thực sự cả năm, điều mà bất kỳ ai có một hầm rượu tốt đều có thể xác nhận. Trong những tháng mùa đông, đất có nhiệt độ cao hơn không khí bên ngoài, vào mùa hè thì ngược lại. Do đó, có thể có một hồ chứa địa nhiệt tự nhiên cả năm để sưởi ấm hoặc làm mát các tòa nhà và làm giảm lượng tiêu thụ điện.

Địa nhiệt là một khoa học địa lý vừa rất lâu đời lại vừa rất hiện đại. Ngành năng lượng này cần có sự hỗ trợ của nhiều ngành khoa học khác nhau như hóa học, vật lý và kỹ thuật. Nước Ý đứng đầu thế giới về lĩnh vực này, nhờ kinh nghiệm phong phú lâu đời. Các dự án nghiên cứu và phát triển ngày nay tập trung vào hoạt động địa nhiệt nâng cao (enhanced geothermal activity – EGT), cụ thể là khai thác nhiệt từ độ sâu dưới mặt đất cho đến 10 000 m (ngày nay chúng ta có thể đạt mức tối đa 5000 m) ở các vùng có độ thấm và độ xốp thấp. Điều này mở ra những triển vọng to lớn cho việc sử dụng năng lượng địa nhiệt trên thế giới và cả ở những vùng rất nhỏ nơi mà tự nhiên ban tặng để có thể dễ dàng khai thác nguồn năng lượng rất có giá trị này.

Hết phần 4 – Chương 8 (còn tiếp)

Người dịch: Đỗ Thị Diệu Linh

Biên tập: Đào Thu Hằng & Phạm Thu Hường

 

© copyright Zanichelli and Wiley-VCH

Permission granted for translating into Vietnamese and publishing solely on dotchuoinon.com for non-commercial purposes.

Trả lời

Điền thông tin vào ô dưới đây hoặc nhấn vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất /  Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất /  Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất /  Thay đổi )

Connecting to %s