năng lượng địa nhiệt

năng lượng địa nhiệt

Chuyên đề Năng Lượng tái tạo

NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT

I GIỚI THIỆU

Sự phát triển của xã hội, sự tiến bộ của loại người,… con người đã biết sử dụng các nguồn nhiệt để phục cho cuộc sống của mình từ việt sử dụng lửa để nấu ăn, sưởi

ấm, thấp sáng,… từ việt sử dụng cây khô rồi than, dầu mỏ và dùng nước tạo ra điện,

…do nguồn thủy năng là nguồn lượng có trữ lượng lớn đem lại sự biến đổi trong xã hội

Ngày nay, nguồn thủy năng thì không đáp ứng đủ năng lượng cho cuộc sống, còn than, dầu hỏa đang cạn kiệt nên con người đã tìm ra những nguồn năng lượng mới giải quyết cho việt thiếu năng lượng hiện nay Những nguồn năng lượng mới này là năng lượng sạch như gió, thủy triều, năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối, địa nhiệt,… làm giảm lượng phát thải vào môi trường, làm giảm hiện tượng ô nhiễm không khí gây hiệu ứng nhà kính Trong đó nguồn năng lượng địa nhiệt có trử lượng rất lớn và đây là nguồn năng lượng có tìm năng phát triển trong tương lai Sau đây là một số khái quát về việt khai thác, sử dụng và phát triển của năng lượng địa nhiệt

II NỘI DUNG

1 Năng lượng địa nhiệt là gì ?

Năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất Năng lượng này có nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt Trái Đất Chúng đã được sử dụng để nung và tắm kể từ thời La Mã cổ đại, nhưng ngày nay nó được dùng để phát điện

2 Lịch sử phát triển

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 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 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

3 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, Lithuania, 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 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

STT Công suất lắp đặt các nhà máy điện địa nhiệt năm 2007 (MW)

4 Sử dụng nguồn năng lượng đia nhiệt

4.1 Sản xuất điện

Hai mươi bốn quốc gia sản xuất tổng cộng 56.786 GWh (204 PJ) điện từ năng lượng địa nhiệt trong năm 2005,chiếm 0.3% lượng điện tiêu thụ toàn cầu Lượng điện này đang tăng hàng năm khoảng 3% cùng với sự gia tăng số lượng các nhà máy cũng như nâng cao hệ số năng suất Do các nhà máy năng lượng địa nhiệt không dựa trên các nguồn năng lượng không liên tục, không giống với tuốc bin gió hoặc tấm năng lượng mặt trời, nên hệ số năng suất của nó có thể khá lớn và người ta đã chứng minh là đạt đến 90% Năng suất trung bình toàn cầu đạt 73% trong năm 2005 Năng suất toàn cầu đạt 10 GW năm 2007

Các nhà máy điện địa nhiệt cho đến gần đây được xây dựng trên rìa của các mảng kiến tạo, nơi mà có nguồn địa nhiệt nhiệt độ cao nằm gần mặt đất Sự phát triển của các nhà máy điện tuần hoàn kép và sự tiến bộ của kỹ thuật khoan giếng cũng như kỹ thuật tach nhiệt đã mở ra một hy vọng rằng chúng sẽ là một nguồn phát điện trong tương lai Một dự án thử nghiệm đã được hoàn thành gần đây ở Landau-Pfalz, Đức, và các dự án khác đang trong giai đoạn xây dựng ở Soultz-sous-Forêts, Pháp và Cooper Basin, Úc

tách ra từ các máy bơm nhiệt địa nhiệt với tổng sản lượng 15 GW Năng suất bơm nhiệt địa nhiệt toàn cầu tăng khoảng 10% mỗi năm

Các ứng dụng trực tiếp của nhiệt địa nhiệt cho sưởi trong phòng hơi khác so với sản xuất điện và có các yêu cầu về nhiệt độ thấp hơn Nó có thể từ nguồn nhiệt thải được cung cấp bởi co-generation từ một máy phát điện địa nhiệt hoặc từ các giếng nhỏ hơn hoặc các thiết bị biến nhiệt lắp đặt dưới lòng đất ở độ sâu nông Ở những nơi có suối nước nóng tự nhiên, nước có thể được dẫn trực tiếp tới lò sưởi Nếu nguồn nhiệt gần mặt đất nóng nhưng khô, thì các ống chuyển đổi nhiệt nông có thể được sử dụng mà không cần dùng bơm nhiệt Nhưng thậm chí ở các khu vực bên dưới mặt đất quá lạnh để cung cấp một cách trực tiếp, nó vẫn ấm hơn không khí mùa đông Sự thay đổi nhiệt độ mặt đất theo mùa là rất nhỏ hoặc không bị ảnh hưởng bên dưới độ sâu 10m Nhiệt độ đó có thể được chiết tách bằng bơm nhiệt địa nhiệt thì hiệu quả hơn là nhiệt được tạo ra bởi các lò sưởi thông thường Các bơm nhiệt địa nhiệt có thể được sử dụng như là một nhu cầu thiết yếu ở bất kỳ nơi nào

Có nhiều ứng dụng rộng rãi khác nhau của nhiệt địa nhiệt Các ống nước nóng từ các nhà máy địa nhiệt bên dưới các con đường và vỉa hè của các thành phố Reykjavík và Akureyri dùng để làm tan chảy tuyết Các ứng dụng sưởi trong phòng

sử dụng mạng lưới đường ống nước nóng để cung cấp nhiệt cho các tòa nhà trong toàn khu vực Lọc nước biển bằng địa nhiệt cũng đã được thử nghiệm

5 Trữ lượng

Lượng nhiệt của Trái Đất vào khoảng 1031 Jun 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/m2) 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

6 Sản xuất

Hình 4.1 Mặt cắt quá trình phát triển công trình khai thác năng lượng địa nhiệt

Sản xuất diện địa nhiệu 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 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

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 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

Hiện nay, các giếng địa nhiệt rất hiếm có giếng nào sâu hơn 3km 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, Sakhalinvà giếng 12 km ở bán đảo Kola Các giếng được khoan đến độ sâu lớn hơn 4 kilômét (2 mi) nhìn chung có chi phí khoan khoảng 10 triệu đôla Mỹ 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 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 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

7 Kinh tế

Năng lượng địa nhiệt không cần nhiên liệu và cũng không phụ thuộc vào giá cả nhiên liệu nhưng chi phí đầu tư ban đầu sẽ cao Chi phí cho một nhà máy điện địa nhiệt phải kể đến các chi phí chính như chi phí khoan giếng và thăn dò các nguồn dưới sâu vì chúng chứa đựng nhiều rủi ro về mặt tài chính rất cao Hiện tại, chi phí xây dựng các nhà máy điện địa nhiệt và các giếng chiếm khoảng 2-5 triệu € (Euro)/1MW công suất thiết kế, trong khi chi phí vận hành chiếm khoảng 0.04-0.10€/1kWh

Năng lượng địa nhiệt cũng có những cấp độ khác nhau: các nhà máy địa nhiệt lớn có thể cung cấp năng lượng cho toàn bộ các thành phố trong khi đó các nhà máy nhỏ hơn chỉ có thể cung cấp cho các khu vực nông thôn hoặc một số hộ gia đình Tập đoàn Chevron là một nhà sản xuất năng lượng địa nhiệt lớn nhất trên thế giới, trong khi đó các công ty Reykjavik Energy Invest thì xây dựng các nhà máy điện địa nhiệt trên khắc thế giới

8 Lợi ích của năng lượng địa nhiệt

Năng lượng địa nhiệt rất phong phú nếu sử dụng thích hợp chúng đem lại nguồn năng lượng lớn góp phần giải sự thiếu năng lượng hiện nay

Năng lượng địa nhiệt nguồn năng lượng tại chổ, cung cấp năng lượng an toàn giảm nhập khẩu nhiên liệu và cả thiện chi phí nhân công

Các trạm địa nhiệt rất đáng tin cậy so với các nhà máy cổ truyền, chúng co dung tích và trữ lượng cao Nhà máy địa nhiệt được thiết kế hoạt động liên tục 24giờ/ngày hoạt động không phụ thuộc vào thời tiết và sự cung cấp nhiên liệu

Các trạm điện địa nhiệt đòi hỏi diện tích đất thấp

Lượng phát thải làm ô nhiễm môi trường thấp, không có tác động môi trường như mưa acide, đất đá rơi vụn, các hố, chất phóng xạ

9 Tác động đến môi trường

Các dòng nước nóng được bơm lên từ dưới sâu trong lòng đất có thể chứa một vài khí đi cùng với nó như điôxít cacbon và hydro sunfua Khi các chất ô nhiễm này thoát ra ngoài môi trường, nó sẽ góp phần vào sự ấm lên toàn cầu, mưa axít, và các mùi độc hại đối với thực vật xung quanh đó Các nhà máy phát điện địa nhiệt hiện hữu phát thải trung bình 90-120 kg CO2 trên 1MWh điện, và cũng là một phần nhỏ

so với các nhà máy phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch.[1] Một số nhà máy được yêu cầu phải có hệ thống kiểm soát lượng phát thải nhằm làm giảm lượng axít và các chất bay hơi

Bên cạnh các khí hòa tan, nước nóng từ nguồn địa nhiệt có thể chứa các nguyên

tố vết nguy hiểm như thủy ngân, arsen và antimon nếu nó được thải vào các con sông có chức năng cung cấp nước uống Các nhà máy địa nhiệt về mặt lý thuyết có thể bơm các chất này cùng với khí trở lại lòng đất ở dạng cô lập cacbon

Việc xây dựng các nhà máy phát điện có thể ảnh hượng ngược lại đến sự ổn định nền đất của khu vực xung quanh Đây là mối quan tâm lớn cùng với hệ thống địa nhiệt nâng cao, ở đây nước được bơm vào trong đá nóng và khô không chứa nước trước đó

Địa nhiệt cũng chiếm một diện tích đất tối thiểu; các nhà máy địa nhiệt hiện hữu

sử dụng 1-8 hecta/1MW so với các nhà máy điện hạt nhân là 5-10ha/MW và 19 ha/MW đối với nhà máy điện chạy bằng than

9 Hạn chế của việc sử dụng địa nhiệt

- Năng lượng địa nhiệt phát sinh ra các chất ô nhễm không khí chủ yếu là cácbon

- Do nguồn năng lượng nằm trong đất nên trong quá trình khai thác sử dụng sẽ gây sụp lún đất Sẽ gây ảnh hưởng đến khu vực dân cư sống xung quanh

- Sản xuất năng lượng địa nhiệt cũng liên quan đến các hoạt động địa chấn Vấn

đề này đã gây ra bàn khi hầu hết các khu vực khai thác đều nằm trong khu vực động đất Trong nhà máy sản xuất năng lượng có chứa áp suất rất cao sẽ gây nguy hiểm trong hoạt động của nhà máy và môi trường xung quanh

III Kết luận – Kiến nghị

a Kết luận

- Năng lượng địa nhiệt là nguồn năng lượng vô tận có tiềm năng khai thác hàng trăm nghìn megawatt Nhưng hiện nay đây vẫn là một ngành còn non trẻ và chiếm thứ yếu trong sản xuất năng lượng Trong tương lai không xa, với những ưu điểm nổi bật so với năng lượng từ nhiên liệu hoá thạch như hiệu quả chi phí thấp, không phát thải khí nhà kính, người ta kỳ vọng rằng năng lượng địa nhiệt sẽ nhanh chóng trở thành nguồn năng lượng chủ đạo cung cấp điện cho thế giới

b Kiến Nghị

- Khuyến khích phát triển dự án đầu tư các khu công nghiệp năng lượng tái tạo

- Bên cạnh đó, hiện cơ chế hỗ trợ cho các nhà khoa học trong việc nghiên cứu nguồn năng lượng này còn ở mức thấp nên chưa khuyến khích được họ tham gia nghiên cứu Mặc dù phát triển năng lượng địa nhiệt có ý nghĩa lớn đối với môi trường nhưng để đạt được kết quả tốt cần phải có cơ sở khoa học đầy đủ, đầu tư từng bước để đưa địa nhiệt trở thành một ngành công nghiệp phục vụ cho phát triển kinh

tế, xã hội

Tài liệu tham khảo

Nguyễn Xuân Hoàng 2004 Giáo trình năng lượng tái tạo Tủ sách đại học Cần Thơ

Phan Như Phúc 2005 Giáo trình quản lý môi trường Khoa xây dựng dân dụng và công nghiệp Đại học Xây dựng Tp Hồ Chí Minh

Tài liệu từ mạng Internet:

Võ Đình Long 2/10/2010 Bài giảng quản lí chất thải rắn và chất thải nguy hại.

http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/tap-bai-giang-quan-ly-chat-thai-ran-va-chat-thai-nguy-hai-.282345.html 2/09/2010

Trương Hoàng Mai 2/10/2010 Chất thải rắn công nghiệp

http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/chat-thai-ran-cong-nghiep.182535.html 2/09/2010

Vũ Đức Tuấn 2/10/2010 Quản lý chất thải rắn công nghiệp http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/quan-ly-chat-thai-ran-cong-nghiep.171296.html 2/09/2010