Nghiên cứu tổng quát năng lượng địa nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo VÕ ĐÌNH NHẬT NGHIÊN CỨU TỔNG QUÁT NĂNG LƯNG ĐỊA NHIỆT CHUYÊN NGÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN MÃ SỐ 20607 LUẬN ÁN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, – 2001 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯNG ĐỊA NHIỆT CHƯONG : TOÅNG QUAN: Tình hình lượng địa nhiệt giới Sự phát triển lượng địa nhiệt giới : 2.1 Phân phối hệ thống địa nhiệt giới : 2.2 Sử dụng lượng địa nhiệt giới .8 2.3 So sánh lượng địa nhiệt với nguồn lượng lượng tái sinh: 10 Một số yếu tố ảnh hưởng kết phát triển hệ thống địa nhiệt 11 3.1 Các kỹ thuật 11 3.2 Một số thông số thiết kế : 12 Năng lượng điạ nhiệt để phát ñieän 13 4.1 Các loại trình nhiệt sử dụng nhà máy điện điạ nhiệt : .13 4.2 Thiết kế nhà máy điện điạ nhiệt : 16 4.3 Chi phí hiệu suất nhà máy điện điạ nhiệt : 17 Sử dụng trực tiếp lượng địa nhiệt 17 5.1 Trung taâm điều hòa nhiệt độ: 18 5.2 Năng lượng điạ nhiệt công nghiệp : .18 5.3 Trồng nhaø: 19 5.4 Nuôi gia súc nông trại : .19 Tác động môi trường kinh tế lượng địa nhiệt [15] 20 6.1 Các khía cạnh môi trường việc sử dụng lượng địa nhiệt 20 6.2 Khía cạnh Kinh tế Năng lượng Địa nhiệt 22 Tieàm địa nhiệt Việt Nam : 24 Kết luận 25 CHÖONG : THĂM DÒ CÁC NGUỒN ĐỊA NHIỆT: 27 Giới thiệu địa vật lý 27 Phaïm vi ứng dụng địa vật lý 28 2.1 Doø tìm diện độ sâu phần tử xâm nhập 29 2.2 Nghiên cứu bể địa nhiệt lớp bọc 29 Các phương pháp đo nhiệt độ lòng đất 29 3.1 Hồng ngoại .30 3.2 Xác định độ sâu điểm Curie 31 3.3 Xác định đường cong nhiệt độ giếng khoan 32 Các phương pháp địa vật lý sử dụng để ước lượng cấu trúc độ dị thường lòng đất 35 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 Phương pháp từ trường không (sử dụng từ kế độ nhạy cao đặt máy bay) 35 Đo từ trường mặt đất (đo từ trường tổng hay thành phần thẳng đứng từ trường tổng) 37 Trọng lực 37 Khúc xạ địa chấn 38 Các địa chấn phản xạ .38 Nghiên cứu nhiễu siêu địa chấn nhiễu địa chấn 41 Các phương pháp điện 43 PHẦN II: SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG TỪ NĂNG LƯNG ĐỊA NHIEÄT .53 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .53 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt CHƯƠNG : NHỮNG YÊU CẦU CỦA MỘT QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯNG ĐIỆN ĐỊA NHIỆT 59 Kích thước nhà máy 59 Lựa chọn chu trình biến đổi 59 Vận hành bảo dưỡng 60 Lựa chọn vật liệu 60 Tác động môi trường 61 CHƯƠNG : CÁC CHU TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯNG 62 Chu trình giãn nở trực tiếp 64 Chu trình giãn nở phân ly (flash) 65 2.1 Chu trình hỗn hợp đơn .66 2.2 Chu trình hỗn hợp kép 68 2.3 Turbine chu trình hỗn hợp 69 2.4 Các hệ thống bố trí thu nhận chất lỏng địa nhiệt 69 Chu trình Rankine (Chu trình nhị nguyên) 71 3.1 3.2 3.3 3.4 Lựa chọn môi chất làm việc 76 Các trao đổi nhiệt 78 Chu trình siêu tới hạn .82 Turbine hôi organic 83 Chu trình tổ hợp hay chu trình lai 85 4.1 Nhà máy nhị nguyên trực tiếp: 85 4.2 Nhà máy nhị nguyên hỗn hợp đơn: 86 4.3 Nhà máy hỗn hơp đôi kết hợp với hỗn hợp đơn 88 4.4 Hệ ghép địa nhiệt nhiên liệu mỏ: .89 Quá trình dòng lưu lượng tổng 90 5.1 Caùc turbine xung 92 CHƯƠNG : CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN ĐỊA NHIỆT 100 Nguồn địa nhiệt 100 Bộ phân ly 101 Turbine – máy phát trao đổi nhiệt 102 Hệ thống ngöng 102 Hệ thống trích loại khí không ngưng tụ 105 Bộ xử lý tạp chất 107 CHÖONG : KHÁI QUÁT VỀ KINH TẾ TRONG PHÁT ĐIỆN ĐỊA NHIỆT 108 CHƯONG 6: KẾT LUẬN .110 PHẦN III: ỨNG DỤNG NHIỆT CỦA NĂNG LƯNG ĐỊA NHIỆT .111 CHƯONG 1: GIỚI THIỆU 111 CHƯONG : TIỀM NĂNG 113 Khía cạnh nguoàn 113 Khía cạnh ứng dụng (phân phối sử dụng lượng) 114 Biểu đồ Línda 115 CHƯONG 3: THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG SỬ DỤNG TRỰC TIẾP NĂNG LƯNG ĐỊA NHIỆT 118 Bơm đẩy 118 Truyền tải phân phối 120 Các trao đổi nhiệt 125 Bơm nhiệt 127 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt Bộ đối lưu 129 Hệ thống làm lạnh 130 CHƯONG 4: CÁC ỨNG DỤNG CỦA NHIỆT NĂNG ĐỊA NHIEÄT .132 Trung tâm điều hòa nhiệt độ 132 Nuôi trồng thủy sản làm vườn 133 Ứng dụng công nghiệp 135 Ứng dụng kết hợp 136 CHƯONG : TÍNH KHẢ THI CỦA DỰ ÁN NHIỆT NĂNG ĐỊA NHIỆT 138 KẾT LUẬN 140 TÀI LIỆU THAM KHAÛO 141 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt PHẦN MỞ ĐẦU Trên giới ngày việc tìm kiếm nguồn lượng mới, lượng tái sinh trở thành vấn đề thiết cuối kỷ 20, cách mạng công nghệ bùng nổ, nhu cầu lượng ngày cao, nguồn lượng truyền thống than đá, dầu lửa, khí đốt thiên nhiên, gỗ rừng … ngày cạn kiệt Tình trạng dẫn đến khủng hoảng trầm trọng thập niên 50, 60 70 Các nhà hoạch định sách lượng sức tìm kiếm nguồn lượng khác thủy điện, lượng mặt trời, hạt nhân, địa nhiệt … để bù vào thiếu hụt lượng, khắc phục khủng hoảng Tuy nhiên số vấn đề lại nảy sinh việc biến đổi môi trường sử dụng thủy điện hạt nhân Chính nhà khoa học đặt lại vấn đề phát triển lượng địa nhiệt xem xét lại vai trò lợi ích tương lai Năng lượng địa nhiệt nguồn lượng lòng đất Nó sinh từ phân rã tự nhiên thành phần phóng xạ lòng đất từ dòng magma nóng chảy Tiềm nguồn lượng vô phong phú dồi Những ích lợi nguồn lượng mà nhà đầu tư quan tâm nhiều là: việc tiêu thụ lượng sơ cấp thấp không có, giảm chi phí cho việc sử dụng lượng, giảm áp lực cho nhà nước vấn đề phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, giảm ô nhiễm môi trường Luận án giới thiệu vấn đề tổng quan lượng địa nhiệt Sử dụng lượng địa nhiệt để phát điện sử dụng trực tiếp nhiệt địa nhiệt Luận án gồm phần sau: Phần mở đầu Phần I: Tổng quan lượng địa nhiệt Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thăm dò nguồn địa nhiệt Phần II: Sản xuất điện từ lượng địa nhiệt Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Những yêu cầu trình biến đổi lượng địa nhiệt Chương 3: Các chu trình biến đổi lượng địa nhiệt Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt Chương 4: Các thành phần hệ thống phát điện địa nhiệt Chương 5: Khái quát kinh tế phát điện địa nhiệt Chương 6: Kết luận Phần III: Ứng dụng nhiệt lượng địa nhiệt Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tiềm Chương 3: Thiết bị hệ thống sử dụng trực tiếp lượng địa nhiệt Chương 4: Các ứng dụng nhiệt địa nhiệt Chương 5: Tính khả thi dự án nhiệt địa nhiệt Kết Luận Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯNG ĐỊA NHIỆT CHƯONG : TỔNG QUAN: Tình hình lượng địa nhiệt giới Trái đất nguồn nhiệt vô phong phú Ở lớp nằm sâu lòng đất, nhiệt tạo chủ yếu từ phân rã tự nhiên chất phóng xạ Uranium, Thorium, Potassium, nằm lẫn lộn lớp đá quặng Nguồn lượng gọi lượng điạ nhiệt Hàng năm lượng lượng điạ nhiệt bị mát từ trái đất lớn, tương đương 10 lần tổng lượng tiêu thụ hàng năm Mỹ lớn nhu cầu điện tất quốc gia giới toàn nguồn lượng chuyển hoàn toàn sang lượng điện Người ta tính toán thu 1% lượng nhiệt trái đất tính từ bề mặt trái đất xuống độ sâu 10km lượng tương đương với 500 lần tổng số lượng tất nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ nhiên liệu khí đốt giới Tiềm năng lượng điạ nhiệt theo lý thuyết xấp xỉ 2.9*1024J, lượng gấp 10.000 lần tổng lượng tiêu thụ hàng năm giới [4] Đã từ lâu, người biết khai thác sử dụng lượng điạ nhiệt nguồn nhiệt vào số lãnh vực sinh hoạt, nông nghiệp công nghiệp Năng lượng điạ nhiệt sử dụng nguồn nhiên liệu thứ cấp để phát điện sớm vào khoảng đầu kỷ 20 Tuy nhiên cuối thập kỷ 40, lượng điạ nhiệt sử dụng với mục đích thương mại Năm 1995, tổng dung lượng lắp đặt nhà máy điện địa nhiệt giới 6.543MW lượng công suất địa nhiệt đưa vào sử dụng trực tiếp dạng lượng nhiệt 9.047MW Hàng năm nhà máy điện địa nhiệt phát 38 TWh điện lượng địa nhiệt sử dụng trực tiếp 34TWh [4] Năng lượng địa nhiệt nguồn lượng nguồn lượng truyền thống than đá, dầu mỏ, khí đốt gây ô nhiễm môi trường số nguồn lượng hóa thạch mà sử dụng Hiện thời gian tới, giới phải đương đầu với toán dân số toàn cầu Dân số dự kiến tăng tỷ tương lai, nhu cầu tiêu thụ nhu cầu sản xuất gia tăng, dẫn đến việc gia tăng tiêu thụ lượng Trong nguồn nhiên liệu hóa thạch Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt sử dụng phổ biến giới ngày giảm không nói có xu hướng cạn kiệt Để giải toán trên, cần phải tìm nguồn lượng bổ sung thay cho nguồn lượng từ nhiên liệu hóa thạch sử dụng, số nguồn lượng lượng tái sinh lượng mặt trời, lượng gió, lượng địa nhiệt, lượng thủy triều nguồn lượng địa nhiệt lượng mặt trời tỏ có nhiều triển vọng để bổ sung cho nguồn lượng truyền thống Năng lượng địa nhiệt sử dụng nhiều lãnh vực tổng quát chia thành ứng dụng : sản xuất điện sử dụng trực tiếp lượng nhiệt Trước đây, người ta sử dụng chất lỏng địa nhiệt có nhiệt độ 150oC để sản xuất điện, nhiên ngày có nhiều cải tiến có nhiều phát triển công nghệ, kỹ thuật thiết bị nên nguồn địa nhiệt có nhiệt độ xuất lộ thấp khoảng 70oC dùng để phát điện [4] Năng lượng địa nhiệt sử dụng trực tiếp sinh hoạt công nghiệp sưởi ấm, điều hòa nhiệt độ, tắm chữa bệnh, nông nghiệp, công nghiệp, Ngày nay, lượng địa nhiệt sử dụng nhiều quốc gia giới có nhiều ưu kỹ thuật, độ tin cậy, kinh tế môi trường Sự phát triển lượng địa nhiệt giới : 2.1 Phân phối hệ thống địa nhiệt giới : Các hệ thống địa nhiệt phân bố không giới Các nguồn địa nhiệt có nhiệt độ xuất lộ cao thường xuất vùng có lớp vỏ trái đất mỏng dễ bị tác động hay bị nứt trình kiến tạo bên lòng đất Sự chuyển động lớp lòng đất đẩy lớp đá có nhiệt độ cao lên tầng vỏ trái đất Tùy theo độ dày, mỏng cấu trúc lớp vỏ trái đất vùng khác sinh tượng núi lửa, mạch nước phun, mạch phun nước, dòng chảy dung nham, suối nước nóng v.v Vành đai lửa Thái Bình Dương khu vực có hoạt động núi lửa động đất xảy nhiều giới, tập trung hầu hết nguồn địa nhiệt lớn có nhiệt độ xuất lộ cao gới Bên cạnh nguồn địa nhiệt có nhiệt độ xuất lộ thấp tìm thấy hầu hết quốc gia giới Các nguồn địa nhiệt hình thành hấp thụ nhiệt mạch nước ngầm sâu lòng đất Nước gia nhiệt thấm lớp đá tổ ong đá cát đá vôi, làm cho lớp đá nóng lên hình thành nguồn địa Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt nhiệt Các dạng địa nhiệt có nhiệt độ thấp khai thác cách khoan giếng bơm nước cho thấm qua lớp đá nóng đưa dòng nước nóng lên mặt đất để sử dụng Tuy nhiên, việc trích lượng địa nhiệt từ nguồn địa nhiệt có nhiệt độ xuất lộ thấp đem lại lợi ích kinh tế nguồn địa nhiệt vùng đá tổ ong có tính thấm cao (độ xốp cao), vùng đá tổ ong tính thấm thấp lợi kinh tế [1] 2.2 Sử dụng lượng địa nhiệt giới Đã từ lâu người biết sử dụng lượng địa nhiệt đời sống dùng để tắm, sưởi, chữa bệnh mắt da v.v Đến kỷ 18 19, có nhiều lãnh vực sử dụng lượng địa nhiệt Năm 1904, lần nước địa nhiệt sử dụng để sản xuất điện Larderello, Italy Đến năm1943, điện sản xuất từ địa nhiệt cung cấp đủ cho 132.000 gia đình Từ nay, lượng điện địa nhiệt đặn phát triển mở rộng khắp giới, đến năm 1990 tổng công suất điện địa nhiệt 6.000 MW Mỹ quốc gia sử dụng lượng địa nhiệt nhiều giới việc phát điện sử dụng trực tiếp Tại Mỹ, nhà máy điện địa nhiệt xây dựng cụm địa nhiệt Geysers, California với công suất nguồn 12 MW nguồn điện điạ nhiệt không ngừng phát triển Đến năm 1990, 7% điện California từ nguồn lượng địa nhiệt, nhà máy điện địa nhiệt phát 16,7 tỷ KWh điện với giá điện bán từ 5,5 đến 10 cents/KWh, giá cạnh tranh với giá điện sản xuất từ nguồn nhiên liệu khác Điện địa nhiệt sản xuất New Zealand 35 năm, Nhật 20 năm mang lại lợi ích kinh tế Hiện lượng địa nhiệt sử dụng phát triển quốc gia : Iceland, Mexico, El Sanvador, Philippines, Mỹ, Italy, New Zealand, Indonesia, Kenya, Trung Quốc, đảo Azores – Bồ Đào Nha, Thổ Nhó Kỳ, Nicaragua, Nga nhiều quốc gia khác giới [15] Bảng thống kê dung lượng lắp đặt sản xuất lượng địa nhiệt (phát điện sử dụng trực tiếp) 25 quốc gia hàng đầu giới sử dụng lượng địa nhiệt năm 1994 Bảng : Năng lượng điạ nhiệt sử dụng để sản xuất điện sử dụng trực tiếp năm 1994 [4] Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt Sản xuất điện Dung lượng lắp Sản xuất đặt (MW) năm (GWh) Sử dụng trực tiếp hàng Dung lượng lắp Sản xuất đặt (MW) năm (GWh) hàng Trung Quoác 28 98 2.143 5.527 Costa Rica 60 447 - - El Sanvador 105 419 - - 24 456 2.006 Georgia - - 245 2.136 Hungary - - 638 2.795 Iceland 50 265 1.443 5.878 Indonesia 309 1.048 - - Italy 626 3.419 308 1.008 Nhaät 299 1.722 319 1.928 Kenya 45 348 - - Macedonia - - 70 142 Mexico 753 5.877 28 74 New Zealand 286 2.193 264 1.837 70 - - - 1.051 5.470 - - Phaùp Nicaragua Philippines Ba Lan - - 63 206 - 137 765 Nga 11 25 210 673 Serbia - - 80 660 Slovakia - - 100 502 Thụy Sỹ - - 110 243 Tunisia - - 90 788 Thổ Nhó Kỳ 20 68 140 552 2.817 16.491 1.874 3.859 40 329 1.935 6.543 37.952 9.047 33.514 Romania Mỹ Các quốc gia khác Tổng cộng Từ bảng thống kê nhận thấy tình hình sản xuất điện nước phát triển nước phát triển nhìn chung Năng lượng điện địa nhiệt nước phát triển đóng vai trò quan trọng hệ thống điện quốc gia nước phát triển Các minh chứng quan trọng El Sanvador, Kenya Philippines Ở quốc gia lượng điện địa nhiệt chiếm từ 10 – 20% tổng số lượng điện quốc gia Sử dụng trực tiếp nhiệt năng lượng địa nhiệt ứng dụng nhiều quốc gia, đặc biệt quốc gia có khí hậu lạnh vào mùa đông không đủ ánh nắng mặt trời để làm khô Đó quốc gia Trung Âu Đông u, Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt Hình 13 – Bơm nhiệt chế độ gia nhiệt Hình 14 – Bơm nhiệt chế độ làm lạnh Các loại bơm nhiệt thích nghi với lượng địa nhiệt loại nước – không khí loại nước – nước Các loại bơm nhiệt có sẵn có công suất nhiệt từ kWt đến 1500 kWt Các bơm nhiệt kép (vừa gia nhiệt vừa làm lạnh) làm việc với nhiệt độ nguồn địa nhiệt từ 150C đến 350C Với bơm nhiệt sử dụng để gia nhiệt, nhiệt độ nước biến thiên từ 50C đến 500C Ở nhiệt độ cao hơn, hệ thống nhiệt trung tâm sử dụng trực tiếp chất lỏng địa nhiệt mà không cần bơm nhiệt [13] Hiệu suất bơm nhiệt biểu thị hệ số COP (coefficient of performance – COP) Hệ số COP tỷ số công suất nhiệt đầu bơm nhiệt công suất nhiệt đầu vào Công suất nhiệt đầu vào tương đương với công suất điện sử dụng máy khí nén Ví dụ, bơm nhiệt có công suất đầu 80kWt yêu cầu động điện máy khí nén 20kWe, có hệ số COP Đối với hệ thống bơm nhiệt, hệ số COP kinh tế 128 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt Bộ đối lưu Khi sưởi cho phòng nhà, nhiệt nước địa nhiệt (hoặc chất lỏng thứ cấp gia nhiệt) dẫn xuyên qua đối lưu nhiệt (hoặc phát xạ nhiệt) đặt phòng thực trình truyền nhiệt Có ba loại đối lưu thường sử dụng để sưởi ấm không gian: (1) không khí cưỡng bức, (2) dòng không khí tự nhiên (3) xạ Cả ba loại đối lưu thích hợp với lượng địa nhiệt Bộ đối lưu không khí cưỡng gia nhiệt cho không khí lạnh đầu vào cuộn ống nước nóng hình vây cá sau phân phối không khí nóng vào phòng qua ống tới lỗ thông gió, thường đặt tường bên Bộ đối lưu loại vận hành kinh tế nhiệt độ 400C cao hơn, với nhiệt độ 700C hiệu suất cao Hình 15a – Bộ đối lưu không khí cưỡng Bộ đối lưu tự nhiên sử dụng nước nóng làm môi trường truyền nhiệt nước phân phối đến đặt sàn tường Các vây cá kẹp theo ống truyền nhiệt tới phòng theo phương pháp đối lưu tự nhiên Đối lưu không khí cưỡng cho phòng thực Một loại thường thấy đối lưu không khí tự nhiên xạ qua tường mỏng Nước nóng đưa vào đỉnh xạ, chạy dọc theo đỉnh đổ xuống đáy Bộ gia nhiệt đối lưu tự nhiên vận hành kinh tế nhiệt độ 600C Bộ đối lưu không khí cưỡng sử dụng nước nhiệt độ thấp hơn; chúng vận hành kinh tế nhiệt độ 500C Các đối lưu đặc biệt cải tiến để vận hành kinh tế nhiệt độ 500C 400C vận hành tương ứng chế độ tự nhiên không khí cưỡng [2] 129 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt Hình 15b c – Bộ đối lưu tự nhiên: (b) dạng ống vây cá; (c) xạ qua tường Các xạ đặt sàn, tường mái; chúng xạ nhiệt vào phòng Nước nóng dẫn vào cuộn ống (thường nhựa đồng) gắn chặt vào bê tông hay thạch cao Cải tiến lớn xạ cung cấp nhiệt đồng mà không cần thổi gió; cải tiến khác xạ sử dụng chất lỏng nhiệt độ thấp, nhiệt độ chất lỏng giảm xuống 300C Phương pháp sử dụng phổ biến garage tầng hầm để làm tan tuyết đường xe chạy đường Hình 15d – Tấm xạ sàn Hệ thống làm lạnh Làm lạnh thực từ lượng địa nhiệt sử dụng hai hệ thống làm lạnh: hệ thống hấp thụ ammonia hệ thống lithium bromide Hệ thống lithium bromide hệ thống thường sử dụng sử dụng nước làm chất làm lạnh Tuy nhiên, có giới hạn làm lạnh nhiệt độ điểm ngưng nước Ứng dụng litihum bromide cung cấp nước lạnh cho làm mát không gian làm lạnh trình Nó tầng hai tầng Bộ hai tầng yêu cầu nhiệt độ cao (160C), có hệ số COP cao Bộ tầng hoạt động với nước nóng nhiệt độ thấp 770C thường có hệ số COP 0.65 [13] Nhiệt độ nước địa nhiệt thấp, lưu lượng yêu cầu 130 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt cao hệ số COP thấp Lúc yêu cầu phải có tháp ngưng, điều làm tăng chi phí đầu tư yêu cầu không gian đặt tháp Đối với giàn lạnh địa nhiệt cho nhiệt độ điểm ngưng nước, hệ thống hấp thụ amonia xem xét Tuy nhiên, hệ thống hấp thụ amonia nên ứng dụng hệ thống lớn phạm vi ứng dụng hạn chế 131 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt CHƯƠNG 4: CÁC ỨNG DỤNG CỦA NHIỆT NĂNG ĐỊA NHIỆT Trung tâm điều hòa nhiệt độ Trung tâm nhiệt phần ứng dụng lớn nhiệt địa nhiệt giới Trung tâm nhiệt liên quan đến việc phân phối nhiệt (nước nóng hơi) từ vị trí trung tâm, thông qua hệ thống ống dẫn đến nhà riêng hay tòa cao ốc Nhiệt sử dụng để sưởi ấm không gian đun nước nóng, nhiều trường hợp đặc biệt để làm mát Một hệ thống trung tâm nhiệt phục vụ cho mục đích sử dụng nhiệt sinh hoạt, trồng nhà, building thương mại công nghiệp, hồ bơi Các hệ thống nhiệt địa nhiệt trung tâm thường có vốn đầu tư ban đầu lớn Các chi phí bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cho giếng khai thác giếng tái nạp, bơm đẩy đặt sâu giếng bơm truyền tải, hệ thống ống dẫn mạng phân phối, đồng hồ lưu lượng, van thiết bị kiểm soát, trạm điều phối tải đỉnh bồn lưu trữ Tuy nhiên, chi phí vận hành thấp bao gồm điện cho máy bơm, bảo trì hệ thống, điều khiển quản lý Một thông số quan trọng dự án trung tâm nhiệt tỷ trọng tải nhiệt, nhu cầu nhiệt phân chia vùng đất trung tâm Tỷ trọng nhiệt cao làm cho dự án trung tâm nhiệt khả thi Khí hậu hệ thống điều hòa nhiệt độ địa nhiệt yếu tố cần lưu ý Mỗi dự án trung tâm nhiệt phải đáp ứng nhu cầu khí hậu nơi đặt trung tâm nhiệt Đặc điểm quan trọng khí hậu thay đổi nhiệt độ trung bình bên theo ngày năm Cũng cần lưu ý đến biến thiên nhiệt độ bên theo ngày đêm, tác động hệ số vận tốc gió xạ mặt trời [12] Mục tiêu trung tâm nhiệt trì nhiệt độ phòng không đổi Ti bên building điều hòa nhiệt độ Ngoài nhiệt cung cấp hệ thống, building nhận nhiệt từ nguồn khác điện chiếu sáng ứng dụng điện khác, xạ mặt trời tổn thất nhiệt người sử dụng Lượng nhiệt thêm vào làm nhiệt độ phòng tăng thêm lượng ΔT, từ nhiệt độ thiết kế tính sau: Tn = Ti - ΔT Công suất nhiệt Q cung cấp tính theo phương trình Q = K (Tn – To) 132 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt Trong K số To nhiệt độ bên Nuôi trồng thủy sản làm vườn Nhiệt độ ảnh hưởng đến tỷ lệ phát triển thực vật, động vật, cá vi sinh vật Sự phát triển nhiều loại trồng tối ưu hóa cách điều khiển nhiệt độ môi trường chúng Các ứng dụng lượng địa nhiệt nghề làm vườn nuôi trồng thủy sản đặc biệt hấp dẫn chúng yêu cầu nhiệt độ địa nhiệt từ thấp đến trung bình Ứng dụng lãnh vực phát triển giới dùng nhiệt để trồng nhà nông trại cá Ngoài ứng dụng khác bao gồm quản lý động vật, tiêu hoá chất thải kỵ khí, sưởi ấm đất trồng trồng nấm Sản lượng trồng gia tăng trồng nhà, sử dụng nguồn địa nhiệt để trồng vào mùa lạnh Những loại trồng bao gồm rau, hoa (bỏ chậu cắt bông), kiểng giống Nhiệt độ phát triển tối ưu dưa chuột, cà chua rau diếp cho hình 16 Dưa chuột phát triển tốt nhiệt độ từ 25 đến 300C, cà chua gần 200C rau diếp gần 150C Thời gian phát triển dưa chuột từ 90 đến 100 ngày, chu kỳ phát triển cà chua dài từ đến 12 tháng [2] Công dụng lượng địa nhiệt gia nhiệt để giảm chi phí hoạt động (kể 35% chi phí sản xuất) cho phép hoạt động vào mùa lạnh trồng thương mại nhà thông thường trở nên không kinh tế Ngoài ra, sưởi nhiệt địa nhiệt, trồng nhà trồng với số lượng lớn Hơn nữa, việc kiểm soát độ ẩm tốt làm ngăn chặn tượng khô cứng (gây nấm mốc) vấn đề khác sinh bệnh cho Hình 16 – nh hưởng nhiệt độ trồng 133 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt Các nhà trồng thường xây khung thép nhôm, với màng kính nhựa làm mái tường Nhà kính trồng xây dựng đắt tiền người sử dụng ưa thích hấp thụ tốt ánh sáng mặt trời giúp cho trình quang hợp Sơ đồ cấu trúc nhà kính trồng luôn kiểu thiết kế có đỉnh nhọn Chi phí nhiệt nhà kính trồng cao chất lượng bảo ôn nhiệt lớp kính đơn Vấn đề cải tiến cách sử dụng kính đôi Tuy nhiên, điều làm cho chi phí tăng cao làm giảm khả hấp thụ sáng trồng Nhà trồng sử dụng màng nhựa thay đổi kỹ thuật xây dựng nhà trồng Loại cấu trúc luôn có kiểu thiết kế mái hình vòm cung Mái theo hướng xuống đất lắp khớp với tường Các yêu cầu bảo trì màng nhựa cao yêu cầu phải thay theo chu kỳ năm Nhiệt đưa vào nhà nhiều phương pháp: (1) dẫn không khí qua trao đổi nhiệt có ống hình vây cá mang nước nóng, (2) ống dẫn nước nóng đặt sàn sàn, (3) ống xoắn vây cá đặt dọc theo tường (4) kết hợp phương pháp Thông thường việc chọn lựa loại hệ thống sưởi không bị ràng buộc yếu tố kỹ thuật, yếu tố sử dụng tối ưu nguồn địa nhiệt hệ thống kinh tế nhất, sở thích nhà nông Nó bị ràng buộc loại trồng vấn đề bệnh tật phát sinh [12] Nhiệt độ môi trường thường có ảnh hưởng quan trọng động vật với động vật cạn Tiềm sử dụng lượng địa nhiệt để nuôi trồng thủy sản tốt so với quản lý động vật cạn, chăn nuôi lợn gà Hình 17 biểu diễn đường cong phát triển số động vật sống cạn nước Động vật cạn phát triển tốt dãy nhiệt độ rộng, từ 100C đến 200C động vật nước tôm cá trê có dãy nhiệt độ sinh sản tối ưu hẹp, nhiệt độ cao khoảng 300C Tuy nhiên, cá hồi cá hồi da cam có nhiệt độ tối ưu thấp không 150C [2] 134 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt Hình 17 – nh hưởng nhiệt độ phát triển gia súc cá nuôi Nhiệt độ ứng dụng nông trại phụ thuộc vào loài sinh sống Tiêu biểu: cá trê phát triển từ đến tháng nhiệt độ từ 180C đến 240C; cá hồi từ đến tháng nhiệt độ từ 130C đến 180C; tôm pandan từ đến tháng nhiệt độ từ 270C đến 300C Lợi ích giám sát nhiệt độ chăn nuôi thủy sản làm tăng tỷ lệ phát triển động vật lên từ 50% đến 100%, gia tăng số vụ thu hoạch năm [2] Chất lượng nước kiểm soát bệnh tật quan trọng nông trại cá Ứng dụng công nghiệp Mặc dù có nhiều tiềm ứng dụng công nghiệp, số lãnh vực quy mô ứng dụng nhiệt địa nhiệt công nghiệp giới nhỏ Trong công nghiệp, thường yêu cầu nhiệt độ cao dung lượng lớn, có nguồn địa nhiệt đáp ứng yêu cầu trung tâm nhiệt nông nghiệp chỉ sử dụng đa phần nguồn nhiệt độ thấp trung bình Hiện nay, trình sấy khô khử nước trình chủ yếu sử dụng nhiệt địa nhiệt Một ứng dụng quan trọng khác áp dụng hoá chưng cất, ướp lạnh đãi quặng Các sản phẩm rau tươi trái khác khử nước nhiệt độ địa nhiệt Quá trình khử nước liên quan đến hoạt động sấy suốt trình truyền băng tải vành đai sấy khô theo mẻ, sử dụng nhiệt độ không khí thấp từ 400C đến 1000C Các máy thổi quạt hút chuyển không khí qua cuộn ống có chứa nước nóng địa nhiệt Sau không khí gia nhiệt thổi đáy băng tải chứa rau rươi trái để làm bốc hơi ẩm [12] Việc điều khiển thể tích không khí 135 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt áp suất phải trì tất phần chu trình sấy để bảo đảm chất lượng sản phẩm đồng Hiện nay, nhiệt địa nhiệt dùng để sấy khô cỏ linh lăng, hành rong biển Ứng dụng kết hợp Việc ứng dụng nguồn địa nhiệt nhiệt độ từ cao đến thấp tạo phổ ứng dụng lượng địa nhiệt Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng tỏ không hấp dẫn chi phí ban đầu cao Từ đó, ứng dụng chất lỏng địa nhiệt nhiều tầng xem xét lợi ích cực đại – ứng dụng kết hợp lượng địa nhiệt Một dạng đơn giản ứng dụng kết hợp sử dụng nhiệt thải từ nhà máy điện địa nhiệt để sử dụng cho dự án nhiệt Tuy nhiên ứng dụng nhiệt địa nhiệt phụ thuộc nhiều vào vị trí phụ tải nhiệt, hầu hết nhà điện địa nhiệt đặt vị trí nguồn, kết hợp bị nhiều giới hạn Sự lắng đọng tạp chất chất lỏng địa nhiệt ràng buộc quan trọng sử dụng kết hợp nguồn địa nhiệt có nhiệt độ cao Khi chất lỏng phân ly để tạo phân chia nước lạnh địa nhiệt, thành phần muối khoáng silica trở nên siêu bảo hòa lắng ống bám bề mặt thiết bị, gây nên tượng nghẽn ống dẫn ăn mòn Trồng nhà sưởi ấm đất trồng ví dụ cho ứng dụng kết hợp Ví dụ, đầu tiên, chất lỏng sử dụng để sưởi ấm đất không gian trồng dưa chuột cà chua, sau dẫn ống qua vùng kế cận nơi sưởi ấm cho đất trồng cải bắp, carrot loại rau khác Khi sử dụng nhiệt địa nhiệt để sưởi ấm cho đất nghóa trồng phát triển nhiệt độ tối ưu nó, trồng phát triển khí hậu điều kiện phát triển thuận lợi chúng Sưởi ấm đất trồng trọt làm gia tăng sản lượng thu hoạch trồng vùng mà điều kiện thời tiết hạn chế việc trồng trọt Các ứng dụng kết hợp làm thuận lợi thêm việc cân tải địa nhiệt Ví dụ, nhà máy khử nước rau tươi vận hành bình thường suốt tháng ấm mùa phát triển Mặc khác, trồng nhà yêu cầu tải nhiệt lớn tháng lạnh Vì hai ứng dụng sử dụng chung nguồn địa nhiệt Tương tự vậy, trung tâm nhiệt yêu cầu nhiều nước nóng vào mùa đông, nông trại cá vận hành theo cách 136 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt lượng tiêu thụ nước lớn vào mùa xuân mùa hè Lần nữa, hai ứng dụng sử dụng chung nguồn địa nhiệt Các ứng dụng kết hợp vận hành nối tiếp song song Trong trường hợp sử dụng để phát điện, sau nước nóng ngưng cung cấp cho trung tâm nhiệt, hai tải sử dụng kế tiếp, hình thực vận hành nối tiếp Ngoài vận hành song song hai hay nhiều ứng dụng lúc 137 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt CHƯƠNG : TÍNH KHẢ THI CỦA DỰ ÁN NHIỆT NĂNG ĐỊA NHIỆT Quyết định đầu tư vào dự án địa nhiệt phụ thuộc phần lớn vào tiết kiệm lượng hàng năm so với sử dụng nhiên liệu truyền thống, có kể đến tuổi thọ dự án, chi phí bảo trì hệ thống, giá trị đồng tiền giá nhiên liệu tương lai Các dự án sữ dụng trực tiếp nhiệt địa nhiệt yêu cầu vốn đầu tư lớn bắt đầu, sau chi phí vận hành hàng năm nhỏ Các giếng khai thác, hệ thống ống dẫn, trao đổi nhiệt giếng tái nạp làm cho chi phí ban đầu dự án địa nhiệt cao vốn đầu tư ban đầu hệ thống sử dụng nhiên liệu truyền thống Tuy nhiên, hệ thống nhiên liệu hóa thạch phải tiếp tục trả tiền cho nhiên liệu dầu, khí than đá với tỷ lệ cao Hai hệ thống, có vốn đầu tư ban đầu lớn, với chi phí hàng năm lớn phải so sánh với đánh giá tính khả thi dự án địa nhiệt Ngoài cần phải lưu ý diều kiện môi trường, xã hội, trị [2] Khía cạnh kinh tế dự án nhiệt địa nhiệt chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố, bao gồm vị trí phụ tải vị trí nguồn, hiệu suất trích nhiệt hệ số phụ tải hàng năm, chi phí tài chính, thời hạn trả nợ tỷ lệ lạm phát Các yếu tố chia thành ba nhóm Vị trí đặc điểm công trường Các dự án nhiệt địa nhiệt có đặc điểm công trường vị trí đặc điểm nguồn phải phù hợp với đầu cuối (phía sử dụng) Việc bố trí lại phụ tải và/hoặc tái cấu trúc tối ưu phụ tải cũ lựa chọn quan trọng Chiều dài đường ống truyền tải phân phối chi phí quan trọng dự án địa nhiệt Vị trí phụ tải gần nguồn làm giảm chi phí cho đường ống truyền tải Độ sâu khoan xác định chi phí cho giếng khai thác giếng tái nạp Sự cân yếu tố khác để đạt kết hợp tốt giửa giếng cạn, nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt, giếng sâu, nhiệt độ cao sử dụng trực tiếp vấn đề cần xem xét Chất lượng nước ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống chi phí bảo trì Trong bể nhiệt độ thấp – trung bình, mực nước xác định việc bố trí bơm đẩy chi phí bơm liên quan Hiệu suất hệ thống hệ số tải Trong hệ thống nhiệt địa nhiệt, việc gia tăng số lượng nhiệt trích từ chất lỏng làm giảm chi phí lượng Các hệ thống trích nhiệt yêu cầu ứng dụng địa nhiệt đắt tiền so với hệ thống đốt nhiên liệu hoá thạch bù lại giảm 138 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt số lượng giếng khai thác Ứng dụng kết hợp giải pháp để gia tăng hiệu suất sử dụng nhiệt chất lỏng địa nhiệt Người sử dụng với mật độ tải nhiệt cao yêu cầu hệ thống phân phối nhỏ hơn, góp phần giảm chi phí Hệ số tải hệ thống sử dụng trực tiếp nhiệt địa nhiệt tỷ số tải trung bình hàng năm chia cho tải đỉnh Khi hệ số tăng lên, tính khả thi kinh tế tăng lên Hệ số tải hệ thống trung tâm nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện khí hậu địa phương Bồn trữ nước nóng giúp cải tiến hệ số tải hệ thống trung tâm nhiệt Công dụng hệ thống cấp nhiệt phủ đỉnh sử dụng nhiên lệu hoá thạch lượng điện làm giảm đỉnh tải nhiệt cho địa nhiệt, giảm số lượng giếng khoan Chi phí tài chi phí nhiên liệu Khi suất thu hồi vốn giảm tiền vay tăng lên, khả kinh tế dự án giảm xuống Khi nghiên cứu khả thi, cần thiết phải giữ tuổi thọ dự án giảm xuống, 20 năm thấp hơn, hầu hết dự án nhiệt địa nhiệt lớn số Cũng vậy, tỷ lệ lạm phát nhiên liệu hoá thạch nên giữ mức thấp so sánh với địa nhiệt Bằng việc sử dụng tuổi thọ dự án dài tỷ lệ lạm phát cao, nghiên cứu khả thi làm cho lượng địa nhiệt trông hấp dẫn thực tế dự án hoạt động mắc nợ toàn thời gian dự án Bằng cách giữ tuổi thọ dự án kinh tế tỷ lệ lạm phát thấp, dự án có tính khả thi kinh tế tốt tỏ hấp dẫn tuổi thọ thực tế dài tỷ lệ lạm phát thực tế cao Các thành phần quan trọng nghiên cứu khả thi dự án nhiệt địa nhiệt tiêu biểu là: (1) xác định nguồn; (2) bảo đảm tải nhiệt đầu cuối phải thích hợp với nhiệt độ lưu lượng nguồn, (3) xác định tính khả thi kinh tế dự án Phân tích chi phí chu kỳ dự án phương pháp thường sử dụng để xác định tính khả kinh tế Nó bao gồm chi phí đầu tư, chi phí vận hành bảo trì hàng năm, chi phí tài thuế bảo hiểm 139 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt KẾT LUẬN Việc phụ thuộc nhiều vào nguồn nhiên liệu hóa thạch thời gian qua gây số khủng hoảng lượng phạm vi toàn cầu Luận án giới thiệu nguồn lượng mới, ổn định, bền vững với tiềm dồi tương lai hổ trợ đắc lực thay dần nguồn lượng từ nhiên liệu hóa thạch sử dụng rộng rãi Hiện nay, thăm dò khai thác lượng yêu cầu hổ trợ, kết hợp nhiều nhà khoa học chuyên viên kỹ thuật nhiều lãnh vực khác địa chất, dầu khí, điện, nhiệt, Kinh nghiệm khai thác phát triển địa nhiệt tồn 30 quốc gia khắp giới Các nước phát triển Mỹ, Iceland, Italia có nhiều kinh nghiệm ứng dụng lượng địa nhiệt để phát điện ứng dụng trực tiếp nhiệt Hiện nay, quốc gia xuất công nghệ kinh nghiệm thực dự án địa nhiệt sang quốc gia khác giới, đem lại nguồn lợi nhuận đáng kể Phạm vi ứng dụng nguồn lượng địa nhiệt vô to lớn, áp dụng nhiều lãnh vực khác sản xuất điện, sử dụng trực tiếp lượng nhiệt sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp, y học Luận án giới thiệu sơ lược tiềm địa nhiệt Việt nam khả phát triển địa nhiệt lãnh vực điện nhiệt Ngoài ra, luận án giới thiệu nhìn khoa học việc đánh giá, so sánh, lựa chọn phương án sử dụng nguồn lượng địa nhiệt, kết hợp công nghệ đồng phát nhiệt điện (Cogeneration) dựa vào phân tích kỹ thuật, thiết bị công nghệ Xây dựng phương pháp lựa chọn loại chu trình phát điện thông số tương ứng từ số liệu nhiệt độ nguồn ban đầu Đề xuất số ý kiến hệ thống nguồn địa nhiệt lãnh vực phát điện sử dụng trực tiếp nhiệt địa nhiệt, đồng thời đóng góp số ý kiến việc hoạch định sách lượng Việt nam 140 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Geothermal Energy – Geothermal Education Office with support from the U.S Department of Energy and the Oregon Department of Energy [2] Applied Geothermics – M Economides, Dowell Schumberger, Houston, USA and P Ungemach, Geophase S.A., Paris, France – A Wiley-Interscience Publication [3] Geothernal Power Systems – Ronald DiPippo, Mechanical Engineering Department, University of Massachusetts Dartmouth, North Dartmouth Massachusetts [4] The Role of Geothermal Energy in the World – Ingvar B Fridleifsson, United Nations University Geothermal Training Programme, Reykjavik, Iceland - Geo-Heat Center quaterly bulletin – U.S Geothermal Projects and Resources Area – Volume 17, No.3 – August 1996 [5] Geo-Heat Center quaterly bulletin – Geothermal Energy in Iceland Volume 18, No.1 – November 1996 [6] Tapping the Earth’s Natural Heat – Wendell A Duffield, John H Sass and Michael L Sorey – U.S Geological Survey Circular, 1125 Public issues in earth science [7] Qualification and Experience – Ormat Nevada Inc [8] Geophysical Methods in Geothernal Exploration – Palmason G – Proc Second Symposium on the Development and Use of Geothermal Resources, San Francisco – Vol 2, 20- 29 May, 1975 [9] Geothermal Energy for Electrical Generation – 141 Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt Budd C.F.Jr – Journal of Petroleum Technology – February 1984 [10] Geothermal Power Plants around the World – Ronald DiPippo – Sourcebook on the Production of Electricity from Geothermal Energy – U.S Dept of Energy, Washington D.C., Pub DOE/RA/4051, 1980 [11] Geothermal Power Plant – Fuji Electric – Fuji Electric Review – 1980 [12] Non Electrical Uses of Geothermal Eneygy – Barbier E and Fanelli M – Progress Energy Combust - 1977 [13] Equipment Used in Direct Heat Projects – Ryan G.P – Trans Geothermal Resources Council - 1981 [14] Hiện Trạng Điều Tra Tiềm Năng Địa Nhiệt Việt Nam – TS Nguyễn Tiến Bào, KS Hoàng Hữu Quý – Viện Nghiên Cứu Địa Chất Khoáng Sản, Đề tài KHKT-09-01, 1997 [15] Các tài liệu tham khảo từ Internet 142 ... tiếp lượng địa nhiệt Chương 4: Các ứng dụng nhiệt địa nhiệt Chương 5: Tính khả thi dự án nhiệt địa nhiệt Kết Luận Luận n Cao Học Năng Lượng Địa Nhiệt PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯNG ĐỊA NHIỆT... thiệu vấn đề tổng quan lượng địa nhiệt Sử dụng lượng địa nhiệt để phát điện sử dụng trực tiếp nhiệt địa nhiệt Luận án gồm phần sau: Phần mở đầu Phần I: Tổng quan lượng địa nhiệt Chương 1: Tổng quan... với nguồn lượng khác Do tương lai, lượng địa nhiệt nguồn lượng thay có triển vọng môi trường 2.3 So sánh lượng địa nhiệt với nguồn lượng lượng tái sinh: Năng lượng địa nhiệt nguồn lượng từ lòng