Năng lượng địa nhiệt là nguồn năng lượng đang được thế giới ngày càng chú trọng phát triển, và biến nó thành một giải pháp bền vững và hiệu quả. Là nguồn năng lượng được khai thác từ nhiệt lượng trong lòng đất, địa nhiệt không chỉ thân thiện với môi trường mà còn đáp ứng tốt nhu cầu sử dụng lâu dài nhờ tính ổn định và tiềm năng tái tạo gần như vô hạn. Nhờ nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống và công nghiệp, năng lượng địa nhiệt đang ngày càng khẳng định vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh năng lượng toàn cầu.
Năng lượng nhiệt là gì? Nguồn gốc hình thành năng lượng địa nhiệt
Năng lượng địa nhiệt là một dạng năng lượng tái tạo được lấy từ nhiệt lượng bên trong lòng Trái Đất. Nguồn năng lượng này tồn tại dưới dạng hơi nước hoặc nước nóng nằm sâu dưới lòng đất, có thể được khai thác để phục vụ các mục đích như sưởi ấm, làm mát, hoặc phát điện.
Năng lượng địa nhiệt được hình thành từ các quá trình tự nhiên sau:
- Phân rã phóng xạ của các nguyên tố trong lòng đất: Các nguyên tố như uranium, thorium và potassium phân rã tự nhiên, giải phóng một lượng nhiệt lớn vào lớp vỏ và lõi Trái Đất.
- Nhiệt lượng từ lõi Trái Đất: Lõi Trái Đất có nhiệt độ cực cao (khoảng 5.500 – 6.000 độ C, tương tự như nhiệt độ bề mặt của Mặt trời), phần lớn do năng lượng tích tụ từ giai đoạn hình thành hành tinh.
- Sự ma sát và nén của các lớp đá: Áp lực lớn từ trọng lực và chuyển động của các mảng kiến tạo gây ra ma sát, sinh nhiệt trong các lớp sâu của vỏ Trái Đất.
- Hoạt động núi lửa và mạch nước ngầm: Các khu vực gần núi lửa, suối nước nóng hoặc mạch nước phun chứa nguồn địa nhiệt tự nhiên dễ tiếp cận.
Quá trình khai thác và chuyển hóa năng lượng địa nhiệt
Khai thác năng lượng địa nhiệt
– Tìm kiếm nguồn địa nhiệt
- Các khu vực giàu năng lượng địa nhiệt thường nằm ở gần các mảng kiến tạo, núi lửa hoặc suối nước nóng.
- Sử dụng công nghệ thăm dò như khảo sát địa chấn, địa vật lý và khoan thăm dò để xác định nguồn nước nóng hoặc hơi nước dưới lòng đất.
– Khoan giếng địa nhiệt
Để có thể khai thác địa nhiệt ở trong vùng 200 độ C, giếng được khoan sâu từ 3 đến 5km để tiếp cận các lớp đá chứa nước nóng hoặc hơi nước. Có hai loại giếng:
- Giếng sản xuất: Đưa nước nóng hoặc hơi nước lên mặt đất.
- Giếng tái nạp: Bơm nước đã sử dụng trở lại lòng đất để tái tạo áp suất và duy trì nguồn năng lượng.
Trường hợp đầu tiên được ghi nhận về việc sử dụng năng lượng địa nhiệt để sản xuất điện là ở Larderello, Ý vào năm 1904. Tuy nhiên, địa nhiệt đã được sử dụng để sinh hoạt và tắm từ thời kỳ đồ đá cũ. Người ta cũng đã chứng minh rằng khỉ ở Nhật Bản sử dụng nước nóng từ suối nước nóng để giữ ấm trong những tháng mùa đông ở các vùng núi.
Chuyển hóa năng lượng địa nhiệt
Ngày nay con người có thể khai thác năng lượng địa nhiệt thông qua:
- Nhà máy điện địa nhiệt sử dụng nhiệt từ sâu bên trong lòng đất để tạo ra hơi nước nhằm sản xuất điện.
- Máy bơm nhiệt địa nhiệt khai thác nhiệt gần bề mặt Trái đất để làm nóng nước hoặc cung cấp nhiệt cho các tòa nhà.
Nhà máy điện địa nhiệt
Tại một nhà máy điện địa nhiệt, các giếng được khoan sâu 1 hoặc 2 dặm vào lòng đất để bơm hơi nước hoặc nước nóng lên bề mặt. Bạn có nhiều khả năng tìm thấy một trong những nhà máy điện này ở khu vực có nhiều suối nước nóng, mạch nước phun hoặc hoạt động núi lửa, vì đây là những nơi Trái đất đặc biệt nóng ngay bên dưới bề mặt.
- Nước nóng được bơm từ sâu dưới lòng đất qua giếng dưới áp suất cao.
- Khi nước chạm tới bề mặt, áp suất giảm xuống, khiến nước biến thành hơi nước.
- Hơi nước làm quay tua-bin, tua-bin này được kết nối với máy phát điện để tạo ra điện.
- Hơi nước được làm mát trong tháp giải nhiệt và ngưng tụ lại thành nước.
- Nước đã được làm mát được bơm trở lại lòng đất để bắt đầu lại quá trình.
Máy bơm nhiệt địa nhiệt
Không phải tất cả năng lượng địa nhiệt đều đến từ các nhà máy điện. Máy bơm nhiệt địa nhiệt có thể làm đủ mọi thứ—từ sưởi ấm và làm mát nhà cửa đến làm ấm hồ bơi. Các hệ thống này truyền nhiệt bằng cách bơm nước hoặc chất làm lạnh (một loại chất lỏng đặc biệt) qua các đường ống ngay bên dưới bề mặt Trái đất, nơi nhiệt độ không đổi từ 50 đến 60°F.
Vào mùa đông, nước hoặc chất làm lạnh hấp thụ nhiệt từ Trái đất và máy bơm đưa nhiệt này lên tòa nhà phía trên. Vào mùa hè, một số máy bơm nhiệt có thể chạy ngược lại và giúp làm mát tòa nhà.
- Nước hoặc chất làm lạnh di chuyển qua một vòng ống.
- Khi thời tiết lạnh, nước hoặc chất làm lạnh sẽ nóng lên khi di chuyển qua phần vòng lặp được chôn dưới lòng đất.
- Khi trở lại mặt đất, nước ấm hoặc chất làm lạnh sẽ truyền nhiệt vào bên trong tòa nhà.
- Nước hoặc chất làm lạnh nguội đi sau khi nhiệt được truyền đi. Nó được bơm trở lại dưới lòng đất, nơi nó nóng lên một lần nữa, bắt đầu lại quá trình.
- Vào ngày nóng, hệ thống có thể chạy ngược lại. Nước hoặc chất làm lạnh làm mát tòa nhà và sau đó được bơm xuống lòng đất, nơi nhiệt lượng dư thừa được truyền xuống đất xung quanh các đường ống.
Lợi ích của năng lượng địa nhiệt
Năng lượng địa nhiệt mang lại nhiều lợi ích, đóng góp quan trọng vào sự phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.
- Là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường, với lượng phát thải khí nhà kính cực thấp so với các nguồn năng lượng hóa thạch, góp phần giảm thiểu ô nhiễm không khí và nước, bảo vệ hệ sinh thái tự nhiên.
- Địa nhiệt là một nguồn tái tạo bền vững, không bị cạn kiệt vì nhiệt lượng trong lòng Trái Đất luôn được bổ sung tự nhiên, và không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết như năng lượng mặt trời hay gió, đảm bảo cung cấp ổn định, liên tục.
- Về mặt kinh tế, loại năng lượng này mang lại hiệu quả cao nhờ chi phí vận hành thấp sau khi lắp đặt và khả năng tiết kiệm năng lượng đáng kể cho các ứng dụng sưởi ấm, làm mát và phát điện.
- Có tính đa dạng trong ứng dụng, từ sưởi ấm các tòa nhà, nhà kính, đến phát điện và cung cấp năng lượng cho các hoạt động công nghiệp như chế biến thực phẩm, nuôi trồng thủy sản.
- Giúp giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch, tăng cường an ninh năng lượng cho các quốc gia, đồng thời phù hợp với các khu vực xa xôi, hẻo lánh, nơi khó tiếp cận với các nguồn năng lượng khác.
Hạn chế của năng lượng địa nhiệt
Mặc dù không tốn kém, bền vững và thân thiện với môi trường, nhưng năng lượng địa nhiệt còn tồn tại một số hạn chế, đặc biệt là về mặt địa lý, khi nguồn năng lượng này chủ yếu tập trung ở những khu vực gần ranh giới mảng kiến tạo. Dù các công nghệ khai thác tiên tiến đang dần phát triển, không phải địa điểm nào cũng có điều kiện phù hợp để khai thác. Chẳng hạn, các hồ chứa có nhiệt độ cao từ 180–370°C và đá có độ thấm nước tốt thường chỉ xuất hiện ở những khu vực có hoạt động địa chất mạnh, như Hoa Kỳ hay Iceland.
Ngoài ra, việc khai thác năng lượng địa nhiệt hiện nay vẫn phụ thuộc nhiều vào công nghệ hiện đại. Phần lớn các hệ thống chỉ tập trung vào tầng nông bên dưới bề mặt đất, dẫn đến việc chưa tận dụng triệt để tiềm năng của nguồn tài nguyên này. Theo ước tính từ Hiệp hội Năng lượng Mỹ, chỉ khoảng 6.5% nguồn năng lượng địa nhiệt trên toàn cầu đã được khai thác.
Bên cạnh đó, khai thác địa nhiệt cũng tiềm ẩn nguy cơ rủi ro, do các nguồn nhiệt thường tập trung tại các khu vực giáp ranh giữa các mảng kiến tạo, nơi có khả năng xảy ra động đất cao nếu không kiểm soát tốt các hoạt động khai thác.
Ứng dụng của năng lượng địa nhiệt trong đời sống và công nghiệp
Trong đời sống, năng lượng địa nhiệt được sử dụng phổ biến để sưởi ấm và làm mát các tòa nhà, căn hộ, hoặc nhà kính, nhờ hệ thống bơm nhiệt địa nhiệt, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí. Ngoài ra, trong ngành nông nghiệp, nhiệt lượng từ nguồn địa nhiệt được ứng dụng để sấy khô nông sản, sưởi ấm nhà kính, hoặc phục vụ nuôi trồng thủy sản ở vùng khí hậu lạnh.
Trong lĩnh vực công nghiệp, năng lượng địa nhiệt là nguồn năng lượng sạch và ổn định để phát điện, đặc biệt ở các khu vực có nguồn địa nhiệt phong phú. Nhiệt lượng này cũng được ứng dụng trong các quy trình sản xuất công nghiệp như chế biến thực phẩm, làm nóng nước trong quy mô lớn, và cung cấp năng lượng cho các hệ thống vận hành liên tục. Nhờ tính đa dạng và hiệu quả, năng lượng địa nhiệt ngày càng được coi là giải pháp bền vững trong phát triển kinh tế và giảm thiểu tác động đến môi trường.
Tình hình phát triển năng lượng địa nhiệt trên thế giới và tại Việt Nam
Trên thế giới, năng lượng địa nhiệt đã được phát triển từ lâu và được đánh giá cao về tính khả thi kinh tế, với chi phí trung bình chỉ từ 5–8 US cents/kWh và hệ số công suất đạt khoảng 85%. Tuy nhiên, trong giai đoạn 2010–2018, chỉ có thêm hơn 500 MW công suất được đưa vào hoạt động. Nguyên nhân chủ yếu là do hạn chế về tiềm năng địa nhiệt, vốn phụ thuộc nhiều vào điều kiện địa chất của từng khu vực, đặc biệt khi sử dụng công nghệ địa thủy nhiệt truyền thống.
Tại Việt Nam, theo Quy hoạch Điện VIII, tiềm năng địa nhiệt hiện tại được ước tính khoảng 460 MW, chủ yếu tập trung ở khu vực Bắc Bộ và Trung Bộ. Cụ thể, các khu vực như bồn địa nhiệt Sông Hồng, Thái Bình, Nam Định chiếm khoảng 255 MW, trong khi các tỉnh miền Trung như Quảng Bình, Quảng Trị, Quảng Nam, Quảng Ngãi đóng góp khoảng 188 MW. Tiềm năng này chủ yếu dựa trên các mỏ nước nóng tự nhiên, phù hợp với công nghệ địa thủy nhiệt hiện nay.
Theo các chuyên gia từ Tạp chí Năng lượng Việt Nam, nếu chi phí sản xuất điện địa nhiệt giảm xuống mức 4,5 cents/kWh vào sau năm 2040, năng lượng này hoàn toàn có thể cạnh tranh và bổ sung hiệu quả cho các nguồn năng lượng tái tạo khác nhờ sự ổn định của nguồn cung. Riêng tại Việt Nam, dự báo sau năm 2045, các hệ thống điện địa nhiệt quy mô vừa và nhỏ có thể được phát triển phân tán ở nhiều khu vực, góp phần đa dạng hóa nguồn năng lượng tái tạo trong tương lai.
Hy vọng bài viết trên đã giúp bạn hiểu hơn về năng lượng địa nhiệt. Đây không chỉ là nguồn tài nguyên quý giá mà còn là biểu tượng cho sự kết hợp hài hòa giữa phát triển và bảo vệ môi trường. Với những lợi ích vượt trội về kinh tế, môi trường và sự ổn định, năng lượng địa nhiệt được kỳ vọng sẽ trở thành một trong những trụ cột chính của ngành năng lượng tái tạo trong tương lai. Bằng cách đầu tư vào công nghệ khai thác hiện đại và tối ưu hóa tiềm năng sẵn có, năng lượng địa nhiệt hứa hẹn mang lại một tương lai xanh và bền vững cho thế giới.
