Đề tài Năng lượng nhiệt địa

Do nguồn hơi nước tương đối hiếm, nên hầu hết các nhà máy địa nhiệt sử dụng nguồn nước nóng.. SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT TRÊN Ở NƯỚC TA VÀ THẾ GIỚI Các nhà máy sản xuất điện từ địa nhi

1. I TẦM QUAN TRỌNG CỦA NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO:

Cung cấp năng lượng là một lãnh vực rất cần thiết để duy trì sự hoạt động của các ngành công nghiệp, trong cuộc sống của chúng ta Nhưng các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống như: than đá, dầu mỏ… đang ngày càng cạn kiệt và gây ra những hậu quả đối với môi trường Ngày nay, năng lượng sạch đang được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm và là một sự lựa chọn cho nguồn năng lượng thay thế trong tương lai Nguồn năng lượng sạch bao gồm năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển, năng lượng thủy triều,… Các nguồn năng lượng này đã và đang góp phần không nhỏ vào sự phát triển kinh tế và giảm thiểu phát thải khí nhà kính

II TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT:

Năng lượng địa nhiệt là 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 Nguồn địa nhiệt liên quan mật thiết đến cấu trúc nhiệt độ của Trái Đất và chu trình đối lưu nhiệt trong lòng Trái Đất Nhiệt độ của Trái Đất tăng dần theo độ sâu và đạt đến 4.200oC tại tâm

Các dạng biểu hiện của năng lượng địa nhiệt như: lỗ khe núi lửa, bọt bùn, suối nước nóng

và các dạng khác

Có 5 dạng nguồn địa nhiệt khác nhau như:

+ Bể thủy nhiệt: là các bể chứa hơi hoặc nước nóng bị bẫy trong đá porous Để sản xuất

điện, hơi hoặc nước nóng được đưa từ các bể lên mặt đất để vận hành các turbin phát điện Do nguồn hơi nước tương đối hiếm, nên hầu hết các nhà máy địa nhiệt sử dụng nguồn nước nóng

+ Đá khô nóng: địa nhiệt có thể được khai thác từ một số các nguồn đá khô, không thấm

ở dưới mặt đất Ta bơm nước lạnh xuống nguồn đá khô này tại một giếng khoan, cho khối nước này chảy qua nguồn đá khô và được nung nóng, sau đó dẫn khối nước được nung nóng ra một giếng khoan khác và trữ trong bể địa nhiệt

+ Magma: tất cả các kỹ thuật địa nhiệt hiện nay đều chỉ khai thác “gián tiếp” nhiệt năng

từ lòng đất do magma chuyển lên Hiện tại vẫn chưa có kỹ thuật này cho phép khai thác trực tiếp nhiệt lượng từ magma, mặc dù magma là nguồn nhiệt lượng cực kỳ dồi dào trong vỏ Trái Đất

+ Nước muối địa áp: là dạng nước nóng, áp suất cao và chứa methane hòa tan Cả nhiệt

và methane đều có thể được sử dụng để sản xuất điện thông qua turbine

I SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT TRÊN Ở NƯỚC TA VÀ THẾ GIỚI

Các nhà máy sản xuất điện từ địa nhiệt (cho giá thành rẻ và sạch về sinh thái) đã được xây dựng tương đối phổ biến tại nhiều quốc gia như Mỹ, Trung Quốc, Pháp, New

Zealand, Nhật, Philippines, Canada, Úc,… Ước tính riêng tại Mỹ, sản lượng điện được sản xuất từ nguồn địa nhiệt cho phép tiết kiệm tới 80 triệu thùng dầu mỗi năm Chỉ tính riêng năm 2003, Mỹ đã sản xuất được 34.880 GWh điện từ các nguồn năng lượng địa nhiệt, gấp trên 12 lần tổng sản lượng điện của nhà máy thủy điện Trị An (công suất

420MW) của chúng ta hiện nay.Theo thống kê từ năm 2002 đến năm 2004 tổng công suất lắp đặt tại 19 quốc gia trên thế giới với 33 nhà máy là 552MW Tính đến cuối năm 2004 tổng công suất lắp đặt của các nhà máy điện địa nhiệt trên thế giới là 12.390 MW, tăng 25% so với năm 2003 Con số này gấp hơn 1,2 lần tổng công suất lắp đặt của tất cả các nhà máy điện ở Việt Nam hiện nay Như vậy việc sử dụng nguồn năng lượng địa nhiệt đã được khoa học chứng minh và khẳng định vằng thực tế tốc độ phát triển rất nhanh, tính cạnh tranh cao về suất đầu tư và chi phí vận hành của các nhà máy đã được lắp đặt trên thế giới

Bản đồ sử dụng năng lượng địa nhiệt trên thế giới tính đến năm 2007 :

Công suất lắp đặt các nhà máy điện địa nhiệt năm 2007

Theo khảo sát và đánh giá của các nhà khoa học, hiện Việt Nam có khoảng 200 nguồn, suối nước nóng phân bố tương đối đều trên cả nước: như suối nước nóng Kim Bôi-Hòa Bình, Thạch Bích-Quảng Ngãi, Bình Châu-Bà Rịa-Vũng Tàu,….với nhiệt độ trung bình

từ 70-100oC ở độ sâu 3km Hiện nay một số nguồn nước nóng này được khai thác chủ yếu cho việc tắm thư giãn, chữa bệnh Theo đánh giá của các chuyên gia, các nguồn nhiệt này có khả năng xây dựng các nhà máy điện có công suất từ 3 đến 30MW Riêng khu vực miền Trung từ Quảng Bình đến Khánh Hòa, nơi có các nguồn địa nhiệt với nhiệt

độ từ 70-150oC, được xem là có tiềm năng lớn để khai thác và xây dựng các nhà máy điện địa nhiệt với tổng công suất khoảng 200MW

I ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT:

+ Ưu điểm :

- Nguồn năng lượng ổn định, ít bị biến động:

- Không giống như năng lượng gió Nguồn năng lượng này luôn ổn định khi hoạt động ở chế độ tải nền

- Thời gian sử dụng các giếng nhiệt có thể đến 20 năm

- Ít ảnh hưởng nhiều đến môi trường:

- Không phá hủy môi trường để xây dựng như các nhà máy thủy điện

- Không thải nhiều các khí làm nóng bầu khí quyển như CO2

- Không cần nhiều các hồ chứa nước giải nhiệt vì có thể dùng chính nước ngưng tụ để giải nhiệt

- Không làm ô nhiễm nguồn nước

-Không bị biến động bởi giá nhiên liệu vì không cần nhiên liệu đầu vào

+ Nhược điểm:

- Khi khai thác chú ý sự phát ra các khí độc từ lòng đất như CO2 và H2S hay các nguyên

tố nguy hiểm từ lòng đất như Hg, Arsen và Antimon 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 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

- Các nhà máy địa nhiệt có thể chiếm một diện tích đất tối thiểu, 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 Ngoài ra còn chú ý đến nền đất khu vực khai thác Tránh sử dụng nguồn nước nóng ngầm quá lớn có thể gây sụt lở

II CÁC ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT:

Năng lượng địa nhiệt có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau Ta có thể sử dụng như sau:

- Dùng trực tiếp với nguồn nước nóng

- Dùng trong việc sưởi ấm ( bơm nhiệt ), làm mát

- Sử dụng làm nhà máy điện địa nhiệt

5.1 SỬ DỤNG TRỰC TIẾP NGUỒN NƯỚC NÓNG:

Với nhiệt độ nguồn nước nóng khoảng từ 500 – 1500C ta có thể dùng để sưởi ấm nhà cửa, dùng trong công việc chế biến thực phẩm, hồ nuôi cá… hay tại những xứ lạnh nước nóng được bơm qua hệ thống đường ống đặt ngầm dưới đường để làm tan tuyết

5.2 SỬ DỤNG LÀM MÁT VÀ SƯỞI ẤM ( BƠM NHIỆT ):

Hầu hết ở mọi nơi trên bề mặt Trái Đất, nhiệt độ của lòng đất ở 30 cm trên cùng giữ một nhiệt độ tương đối ổn định Hệ thống bơm địa nhiệt có thể tận dụng nguồn nhiệt này để điều hòa nhiệt độ các tòa nhà Hệ thống bơm gồm có một bơm nhiệt, một hệ thống dẫn khí, một hệ thống trao đổi nhiệt (hệ thống ống đặt chìm trong lòng đất gần tòa nhà) Vào mùa đông, bơm nhiệt sẽ "lấy" nhiệt từ hệ trao đổi nhiệt và bơm vào hệ thống dẫn nhiệt ở trong nhà Vào mùa hè, quá trình này được đảo ngược, bơm nhiệt sẽ "rút" nhiệt từ trong nhà và bơm vào hệ thống trao đổi nhiệt Mặt khác, nhiệt rút ra từ không khí trong nhà sẽ còn có thể được sử dụng để đun nước ấm sử dụng trong mùa hè

Bơm nhiệt địa nhiệt có 2 loại sau: Vòng tuần hoàn kín và vòng tuần hoàn hở

A VÒNG TUẦN HOÀN KÍN:

+ Ống trao đổi nhiệt đặt nằm ngang:

Sơ đồ này thích hợp với loại nhà ở có đủ diện tích đất Yêu cầu mương đặt ống có độ sâu tối thiểu 4 feet (1,2m) Hệ thống này luân chuyển một lưu chất (nước, hoặc hỗn hợp nước

và chất chống đông – antifreeze) hấp thụ nhiệt, hoặc “nhả” nhiệt, từ khối đất đá ép xung quanh, tùy thuộc vào nhiệt độ không khí cao hơn hoặc thấp hơn nhiệt độ đất

+ Ống trao đổi nhiệt đặt thẳng đứng:

Đối với tòa nhà không có đủ diện tích đất để lắp ống trao đổi nhiệt thẳng nằm ngang thì

ta có thể đặt thẳng đứng hay nơi khó có thể đào đất Phương pháp này giảm việc phá hủy cảnh vật xung quanh Với hệ thống này, người ta khoan những hố có đường kính khoảng

4 inches, cách nhau khoảng 20 feet và sâu từ 100 đến 400 feet Trong những hố đó lắp 2 ống song song với nhau bằng nối chữ U ở dưới đáy và bên trên người ta kết nối các cặp ống này lại thành một vòng kín rồi kết nối với bơm nhiệt

+ Ống trao đổi đặt tại hồ nước:

Ta có thể đặt các ống trao đổi nhiệt dưới nước Điều này sẽ giảm chi phí rất nhiều Các ống trao đổi nhiệt đặt cách dưới mặt nước khoảng 8 feet để tránh đóng băng (đối với xứ lạnh) và cuộn thành những vòng tròn Ngoài ra nguồn nước phải đảm bảo về lưu lượng,

độ sâu và tiêu chuẩn chất lượng

B VÒNG TUẦN HOÀN HỞ:

Ta sử dụng nước giếng hay nước ao hồ làm chất tải lạnh tuần hoàn trong bơm nhiệt Khi

đã được sử dụng xong thì nước sẽ được xả bỏ hay sử dụng vào việc khác Nhưng phải phải theo tiêu chuẩn an toàn, tiêu chuẩn sử dụng nguồn nước

5.3 SỬ DỤNG LÀM NHÀ MÁY ĐIỆN ĐỊA NHIỆT :

Khi tiến hành xây dựng nhà máy địa nhiệt ta cần tiến hành các bước sau:

- Tìm địa điểm khai thác, khoan thử

- Xây dựng bể thủy nhiệt ( Reserver )

- Xây dựng các giếng cấp nước và giếng khai thác hơi ( production well )

- Lắp đặt máy móc, đường ống

- Vận hành chạy thử

Có 4 kỹ thuật chính được sử dụng trong việc sản xuất điện từ địa nhiệt: dry steam, flash steam, hệ thống binary cycle và hệ thông kết hợp Việc lựa chọn giải pháp kỹ thuật phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của bể địa nhiệt (pha của lưu chất thủy nhiệt: dạng hơi hoặc dạng lỏng)

A NHÀ MÁY ĐIỆN ĐỊA NHIỆT SỬ DỤNG HƠI:

Sử dụng hơi nước ở nhiệt độ cao (>2350C) từ bể địa nhiệt Hơi nước sẽ được dẫn vào thẳng turbine qua ống dẫn để quay máy phát điện Đây là dạng kỹ thuật cổ điển nhất và được sử dụng ở nhà máy địa nhiệt đầu tiên trên thế giới tại Lardarello, Ý (1904)

Khi hơi nước lên mặt đất, có mang theo một số khí khác từ lòng đất Hơi được truyền thẳng bằng ống dẫn từ giếnng đến trực tiếp đến tuabin Ở giữa người ta lắp một cyclon để loại bỏ bụi, đất đá và trên đường đi còn có các thiết bị xả nước ngưng Ngoài ra ta phải chú ý đến khí không ngưng có trong hơi nước từ lòng đất đi lên Vì thế phải có thiết bị hút khí bằng ejector hay các máy hút khí

Đối với thiết bị ngưng tụ có thể sử dụng loại làm mát trực tiếp nếu khí không ngưng đã được xử lý Cần xử lý các khí từ nguồn địa nhiệt trước khi xả ra ngoài môi trường, khi đó

ta phải lắp thêm các bộ xử lý các khí trên Nước ngưng tụ không quay về lò hơi như các

hệ thống bình thường mà một phần sẽ quay về bổ sung nước cho tháp giải nhiệt và phần còn lại sẽ được bơm về injection well để đi xuống lòng đất

Khi khai thác nhiều thì lâu dài sẽ làm sẽ làm nguồn nước tại bể thủy nhiệt cạn dần như thế ta cần có các phương pháp khắc phục Ta có thể sử dụng bình ngưng không khí để có thể hồi 100% hơi nước về lòng đất nhưng phương án này lại không kinh tế, hoặc ta có thể

sử dụng tháp giải nhiệt đối lưu gió tự nhiên để giải nhiệt nước

B NHÀ MÁY ĐIỆN ĐỊA NHIỆT FLASH-STEAM:

Các nguồn địa nhiệt chứa toàn hơi nước có rất ít trên thế giới, chủ yếu là nguồn nước nóng lẫn hơi nước Chất lượng hơi nước % ( phần trăm khối lượng hơi nước ) khi khai thác sẽ phụ thuộc vào nguồn bể thủy nhiệt, kích thước giếng phun, áp suất nước nóng ( được điều khiển bởi van ) thông thường tỉ lệ này khoảng từ 10 đến 50%

Trong quá trình nước nóng được bơm vào máy phát điện, áp suất của nước giảm rất nhanh khi phụt lên gần mặt đất Chính sự giảm áp này khiến nước nóng bốc hơi hoàn toàn và hơi nước sinh ra sẽ làm quay turbine phát điện Nước không bốc hơi kịp sẽ được bơm về injection well hay ta có thể cho nước bay hơi tại áp suất thấp hơn một chút rồi hơi này sẽ làm quay các tuabin hạ áp Như vậy ta có sơ đồ SINGLE-FLASH PLANTS dùng cho cho tuabin hơi nước áp suất cao và sơ đồ DOUBLE-FLASH PLANTS dùng cho tuabin sử dụng áp suất hơi nước cao và thấp

+ LOẠI SINGLE-FLASH PLANTS:

Dòng nước 2 pha từ dưới lòng đất được đưa theo hướng tiếp tuyến vào bình phân ly kiểu Cyclon đặt thẳng đứng Lỏng sẽ chảy theo hướng chu vi bình và rơi xuống

Trong khi đó hơi sẽ qua ống thẳng đứng rồi ra ngoài Van một chiều kiểu phao ngăn không cho lỏng đi vào tuabin Đường ống hơi được thiết kế giống như nhà máy sử dụng hơi và có bình tách hơi Các bộ phận tương tự như loại sử dụng hơi trực tiếp nhưng lượng nước nóng có thể được xả bỏ hay tận dụng để dùng trong việc khác

+ LOẠI DOUBLE-FLASH PLANTS:

Với sơ đồ này ta có thể tăng thêm 20-25% công suất điện so với loại Single Flash Plant

Lượng nước được tách ra sẽ được tiết lưu để sinh ra nguồn hơi có áp suất thấp để sử dụng cho tuabin hơi áp suất thấp hay sẽ được đưa đến tầng tua bin thích hợp Chi phí ban đầu

sẽ cao hơn do phải lắp thêm các bình tách hơi, đường ống hơi, van điều khiển hay tua bin phụ

- Nước nóng sau khi được tách ra được đưa đến bình phân ly có áp suất thấp hơn và được hóa hơi

- Tất cả loại hơi có áp suất cao, thấp được đưa vào tua bin để phát điện

C NHÀ MÁY ĐỊA NHIỆT BINARY:

Tại các hệ thống binary, chất lỏng địa nhiệt được dẫn qua một bên của hệ thống trao đổi nhiệt để nung nóng chất lỏng thứ cấp ở ống dẫn bên cạnh Chất lỏng thứ cấp thường là hợp chất hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ sôi của nước, ví dụ như Isobutane hoặc Iso-pentane Chất lỏng thứ cấp sau khi được đun sôi ở hệ thống trao đổi nhiệt sẽ bốc hơi

và được dẫn vào turbine Nhà máy địa nhiệt loại này rất thích hợp với nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp (t<1500C ) và tránh các khí dưới lòng đất, các chất ăn mòn làm hỏng tuabin

Ta khảo sát sơ đồ như sau:

Lưu chất nóng từ lòng đất làm bay hơi nước sử dụng cho tuabin Sau đó hơi nước này qua tuabin được làm mát và ngưng tụ rồi tiếp tục được bơm nước bơm qua bộ gia nhiệt rồi đến bình bốc hơi Để giải nhiệt cho bình ngưng ta sử dụng tháp giải nhiệt hoặc bình ngưng giải nhiệt bằng không khí Đối với tháp giải nhiệt ta phải sử dụng nguồn nước cấp riêng vì không thể tận dụng lại nước ngưng tụ Ngoài ra nếu hơi ra khỏi tuabin có nhiệt

độ cao thì ta có thể sử dụng sơ đồ dưới đây

Sơ đồ này được sử dụng tại nhà máy điện Kalina tại Nevada

Hơi nước có nhiệt độ cao sau khi ra khỏi tuabin được dùng để gia nhiệt nước cấp Sau đó quay về bình ngưng rồi được cấp vào bình bay hơi

Ta có danh mục các thiết bị như sau:

Sơ đồ nhà máy điện địa nhiệt kết hợp sưởi ấm tại Husavik, Iceland

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1.TS Nguyễn Thế Bảo - NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO - ĐHBK.TPHCM

2.Báo cáo của Paul A.Thomson tại Southern Methodist University , Texas

3.Ph.D Ronal DiPippo at University of Massachuset - Small Geothermal Power Plant: Design, Performance and Economic