Do nhiệt độ chỉ giao động trung bình trong miền 8-12oC mà lại đem sử dụng trực tiếp cho sưởi ấm hay làm mát thì quả là q ít. Chính vì vậy mà người ta phải sử dụng loại máy bơm nhiệt đặc biệt được lắp tiếp nối với mục đích nâng nhiệt độ (làm nóng lên) đến một mức cần thiết, thông thường vào khoảng 35-65oC. Để làm được việc đó ta cần một số thiết bị chuyên dụng thì mới có thể khai thác được tiềm năng của nhiệt đất đã được tích trong lịng đất bao la với nhiệt độ phân bố tương đối đồng đều trong cả năm, như bộ phận thu tích nhiệt, mũi khoan hút nhiệt, giếng nước ngầm hay các tấm bêton áp đất. Gần 80% nhiệt lượng dùng cho việc sưởi ấm đều được khai thác 2 từ nguồn cấp nhiệt nằm trong lịng đất và như vậy việc sưởi ấm có
Luận văn thạc sĩ Cơ sở lý thuyết
HVTH: Lê Tấn Hùng 12 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên
thể được coi như khơng phát thải khí CO2 và hồn tồn khơng ảnh hưởng đến khí hậu tồn cầu.
Kỹ thuật mang tính sáng tạo đột phá ở đây là biến ngay lịng đất khơng những thành nơi lưu tích nhiệt phục vụ cho sưởi ấm hay làm mát cơng trình, mà cịn tích thêm nhiệt lượng dư thừa phát ra từ các nguồn như: bức xạ mặt trời, nhiệt phát thải trong quá trình sản xuất, năng lượng sưởi ấm hay làm lạnh trong các mùa. Đặc biệt ở các vùng cần phải sử dụng máy điều hồ nhiệt độ như Việt Nam thì việc sử dụng địa nhiệt có thể giúp ta tiết kiệm đáng kể lượng điện năng tiêu thụ mà an tồn trong sử dụng và đảm bảo tính cân bằng sinh thái so với các máy điều hoà nhiệt độ truyền thống đang sử dụng. Việc lựa chọn nguồn nhiệt (lòng đất hay nước ngầm) và các phương án kỹ thuật để khai thác (máy thu nhiệt đất, mũi hút nhiệt, giếng nước ngầm hay các tấm bêton áp đất) phụ thuộc vào đặc điểm địa chất và thuỷ văn của khu vực cũng như diện tích mặt bằng có thể sử dụng được. Xét ở góc độ kinh tế thì phải lưu ý đến mức độ nhiệt độ cao, khả năng tái tạo nhiệt tốt và khả năng cung ứng nhiệt lượng quanh năm. Việc khai thác nguồn nhiệt lượng cần phải tính đến chi phí khai thác rẻ và quản lý vận hành thấp.
Năng lượng địa nhiệt đã được sử dụng để nung và tắm kể từ thời La Mã cổ đại, nhưng ngày nay nó được dùng để phát điện. Có khoảng 10 GW cơng suất điện địa nhiệt được lắp đặt trên thế giới đến năm 2007, cung cấp 0,3% nhu cầu điện tồn cầu. Thêm vào đó, 28 GW cơng suất nhiệt địa nhiệt trực tiếp được lắp đặt phục vụ cho sưởi, spa, các q trình cơng nghiệp, lọc nước biển và nông nghiệp ở một số khu vực.
Khai thác năng lượng địa nhiệt có hiệu quả về kinh tế, có khả năng thực hiện và thân thiện với môi trường, nhưng trước đây bị giới hạn về mặt địa lý đối với các khu vực gần các ranh giới kiến tạo mảng. Các tiến bộ khoa học kỹ thuật gần đây đã từng bước mở rộng phạm vi và quy mô của các tài nguyên tiềm năng này, đặc biệt là các ứng dụng trực tiếp như dùng để sưởi trong các hộ gia đình. Các giếng địa nhiệt có khuynh hướng giải phóng khí thải nhà kính bị giữ dưới sâu trong lịng đất, nhưng sự phát thải này thấp hơn nhiều so với phát thải từ việc đốt nhiên liệu hóa
Luận văn thạc sĩ Cơ sở lý thuyết
HVTH: Lê Tấn Hùng 13 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên
thạch thơng thường. Cơng nghệ này có khả năng giúp giảm thiểu sự nóng lên tồn cầu nếu nó được triển khai rộng rãi.
b. Nguồn gố năng lượng địa nhiệt
Năng lượng địa nhiệt được tạo ra do các quá trình phản ứng phóng xạ hạt nhân của các nguyên tố phóng xạ nặng có trong lịng đất như thori (Th), protactini (Pa) , urani ( ) , …Đây là nguồn nhiệt chính.
Nhiệt năng cũng có thể tích tụ dần thơng qua sự hấp thụ năng lượng mặt trời của lớp vỏ trái đất. Năng lượng địa nhiệt còn được tạo ra do ma sát khi hai mảnh vỏ Qủa Đất dịch chuyển mà một mảnh chuyển động trượt trên mảnh kia.
Một phần trong tổng khối nhiệt lượng khổng lồ trong lòng Trái Đất này bắt nguồn từ quá trình hình thành hành tinh trong khoảng 4,5 tỷ năm trước (Trái Đất hình thành từ một khối cầu vật chất cực nóng, nguội dần từ trong ra ngồi qua q trình quay quanh trục), và phần cịn lại là kết quả của quá trình phân rã của các nguyên tố phóng xạ tồn tại trong lõi Trái Đất. Theo nguyên lý tuần hoàn nhiệt lượng từ nơi nhiệt độ cao xuống nhiệt độ thấp, dòng nhiệt của Trái Đất di chuyển từ trong lõi ra ngoài vỏ.
Dưới tác động của một quá trình địa chất gọi là kiến tạo mảng , vỏ Trái Đất được phân ra thành 12 mảng lớn và được tái tạo (tái sinh) một cách chậm chạp qua hàng triệu năm. Các mảng này di chuyển tương đối với nhau (phân tách hoặc hội tụ) với tốc độ vài cm/năm. Khi hai mảng kiến tạo va chạm vào nhau, 1 mảng có thể hút chìm xuống mảng cịn lại, tạo nên các trũng đại dương và gây ra động đất. Đây chính là nơi vỏ Trái Đất trở nên yếu hơn bình thường, cho phép vật chất nóng từ trong lịng đất dịch chuyển lên mặt. độ sâu lớn tại đới hội tụ, ngay bên dưới mảng sụp chìm, nhiệt độ tăng lên đủ cao đến nung chảy đất đá và tạo ra magma (nham thạch). Do có mật độ thấp hơn khối đất đá xung quanh, magma di chuyển lên phía trên vỏ Trái Đất và mang theo nhiệt lượng cùng với nó. Đơi khi magma di chuyển lên tới bề mặt Trái Đất thông qua các điểm yếu của vỏ Trái Đất và phun trào lava tại các miệng núi lửa. Tuy nhiên, đa phần magma được giữ lại trong vỏ Trái Đất và nung nóng đất đá và các khối nước ngầm (subterranean water).
Luận văn thạc sĩ Cơ sở lý thuyết
HVTH: Lê Tấn Hùng 14 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên
Hình 2.3:Nhà máy trong tổ hợp Điện địa nhiệt Geysers, California, Mỹ [6]
.1. C hương h kh th , sử d ng năng lượng đị nh ệt a. Sử d ng trực tiếp
Thông qua việc khai thác địa nhiệt tầng nông. Khai thác địa nhiệt tầng nông là khai thác nhiệt của đất nằm ở độ sâu từ 1 đến 150m dưới bề mặt đất. Nhờ có những cơng nghệ tiên tiến (máy bơm nhiệt, máy thu tích nhiệt, mũi hút địa nhiệt, giếng nước ngầm hay các tấm bêtông áp đất) mà lượng nhiệt tầng nơng tuy có độ chênh lệch nhiệt độ tương đối thấp so với nhiệt độ khơng khí song vẫn có thể được khai thác phục vụ cho sưởi ấm vào mùa đông và làm mát về mùa hè cho các cơng trình như nhà văn phịng, trường học, nhà trẻ, trạm y tế, siêu thị,…
Gần 80% nhiệt lượng dùng cho việc sưởi ấm hay làm mát toà nhà đều được khai thác từ nguồn cấp nhiệt nằm ngay trong lòng đất và như vậy việc sưởi ấm hay làm mát có thể được coi gần như khơng có xả thải khí CO2 và khơng hề ảnh hưởng đến khí hậu tồn cầu. Trong báo cáo này sẽ giới thiệu về mặt kỹ thuật và cơng nghệ, phân tích ở khía cạnh kinh tế và tác dụng môi trường cũng như nêu xu thế chung. Bơm địa nhiệt hay còn được biết như bơm nhiệt từ lòng đất (ground-source heat pump), là một kỹ thuật năng lượng mới có hiệu suất cao và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hộ gia đình cũng như trong cơng sở. Kỹ thuật này ứng dụng trong việc điều hòa nhiệt độ và cung cấp nước nóng. Thuận lợi lớn nhất của nó là khả
Luận văn thạc sĩ Cơ sở lý thuyết
HVTH: Lê Tấn Hùng 15 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên
năng tập trung nhiệt từ tự nhiên (lịng đất) hơn là tạo nhiệt từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch gây ơ nhiễm mơi trường.
b. Sử d ng sản xuất đ ện:
Quy trình khai thác
Bước 1 : Xác định nguồn địa nhiệt đáp ứng yêu cầu sản xuất .
Bước 2 : Tạo các giếng khoan, bơm nước lạnh xuống và đưa nước nóng, hơi nước lên để cung cấp năng lượng nhiệt .
Bước 3 : Dẫn nước nóng và hơi nước qua bộ phận tách hơi nước . Bước 4 : Hơi nước làm quay tua bin, máy phát điện sinh ra dòng điện . Bước 5 : Lưu trữ và truyền tải điện năng .
Bước 6 : Dẫn nước lạnh trở lại chu trình hoạt động ban đầu. Hiện nay có hai hướng khai thác:
Hướng thứ nhất:
Lấy hơi nước và nước nóng từ các hồ địa nhiệt nằm sâu trong lịng đất, khai thác theo hướng này tương đối thuận lợi bằng cách: khoan và tạo ra các giếng nhằm bơm hơi nước và nước nóng lên mặt đất để tạo ra điện năng.
Hướng thứ hai:
Các hồ địa nhiệt chưa có sẵn mà các chuyên gia phải nghiên cứu, tính tốn tìm ra các khu vực, các lớp đất đá tại đó tích tụ một lượng nhiệt rất cao, phù hợp để tiến hành các bước kế tiếp tạo ra điện năng. Sau khi tìm được lớp đất đá phù hợp ở độ sâu khoảng 5.000-10.000 feet (tức khoảng 1,5 – 3 km), họ tiến hành khoan và dùng áp lực đủ lớn tạo ra các vết nứt, sau đó nước lạnh sẽ được bơm xuống. Nước này sẽ được làm nóng nhờ các lớp đá trên, chúng sẽ được bơm lên thông qua cột khoan khai thác để tạo ra điện năng.
2.1.3 Phân lo nguồn năng lương đị nh ệt
Luận văn thạc sĩ Cơ sở lý thuyết
HVTH: Lê Tấn Hùng 16 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên
a. Nguồn nước nóng
Là nguồn nước bị nung nóng dưới áp suất cao, các nguồn hơi nước hay hỗn hợp của chúng ở trong các tầng đá xốp, hoặc ở trong các khe nứt gãy của đá, nó bị giữ lại bởi một lớp đá khác đặc kín và khơng thấm. Những nguồn nước nóng chất lượng cao là các nguồn chỉ chứa hơi nước có lẫn một ít nước hay chứa hoàn toàn hơi ở nhiệt độ cao hơn 240°C.
b. Nguồn áp suất địa nhiệt
Là các nguồn chứa nước muối có nhiệt độ trung bình và chứa khí metan (CH4) hịa tan. Các nguồn này bị vỏ Quả Đất nén lại dưới áp suất rất cao dưới các tầng trầm tích sâu và bị bao bọc bởi các lớp đất sét và trầm tích khơng thấm nước. Áp suất ở các nguồn này nằm trong khoảng từ 34MPa đến 140MPa và ở độ sâu từ 1500m đến 15000m. Nhiệt độ của các nguồn áp suất địa nhiệt thường ở trong khoảng 90 đến 200°C.
c. Nguồn đ nóng khơ
Bao gồm các khối đá ở nhiệt độ cao, từ 90°C đến 650°C. Các nguồn đá này có thể bị nứt gãy nên có thể chứa một ít hoặc khơng có nước nóng. Để khai thác nguồn địa nhiệt này người ta khoan sâu đến tầng đá, tạo ra các nứt gãy nhân tạo, sau đó sử dụng một chất lỏng nào đó làm chất vận chuyển nhiệt bơm qua tầng đá đã bị làm nứt gãy để thu nhiệt. Tuy nhiên việc khai thác năng lượng địa nhiệt từ các nguồn đá nóng khơ rất khó khăn và hiệu quả kinh tế khơng cao so với việc khai thác các nguồn địa nhiệt khác.
. Năng lượng ặt trờ à hương h kh th sử d ng . .1 Nguồn năng lượng ặt trờ
. Năng lượng mặt trời
Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một năng lượng khổng lồ. Mỗi giây nó phát ra 3,865.1026 J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57.1016J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.106
Luận văn thạc sĩ Cơ sở lý thuyết
HVTH: Lê Tấn Hùng 17 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên
b. Phổ b c x mặt trời
Bức xạ mặt trời có bản chất là sóng điện từ, là q trình truyền các dao động điện từ trường trong khơng gian. Trong q trình truyền sóng, các vectơ cường độ điện trường và cường độ từ trường ln ln vng góc với nhau và vng góc với phương truyền của sóng điện từ. Quãng đường mà sóng điện từ truyền được sau một chu kỳ dao động điện từ được gọi là bước sóng .
c. Đặ đ ểm b c x mặt trời trên bề mặt tr đất
mặt đất nhận được hai thành phần bức xạ:
- Bức xạ trực tiếp (còn gọi là Trực xạ) là các tia sáng mặt trời đi thẳng từ mặt trời đến mặt đất, không bị thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển.
- Bức xạ nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán gọi tắt là tán xạ là thành phần các tia mặt trời bị thay đổi hướng ban đầu do các nguyên nhân như tán xạ, phản xạ,...
Hướng của tia trực xạ phụ thuộc vào vị trí của mặt trời trên bầu trời, tức là phụ thuộc vào thời gian và địa điểm quan sát. Trong khi đó đối với bức xạ nhiễu xạ khơng có hướng xác định mà đến điểm quan sát từ mọi điểm trên bầu trời. Tổng hai thành phần bức xạ này được gọi là tổng xạ, nó chiếm khoảng 70% toàn bộ bức xạ mặt trời hướng về quả đất [5].
Do các quá trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia mặt trời xảy ra khi nó đi qua lớp khí quyển nên cường độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài đường đi của tia trong lớp khí quyển. Độ dài này phụ thuộc vào độ cao của mặt trời. Ví dụ, khi mặt trời ở điểm Zenith (ở đỉnh đầu) thì các tia bức xạ mặt trời khi xuyên qua lớp khí quyển bị tán xạ và hấp thụ là ít nhất, vì đường đi ngắn nhất. Còn ở các điểm “chân trời”, lúc mặt trời mọc hoặc lặn thì đường đi của tia bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển là dài nhất, nên bức xạ bị tán xạ và hấp thụ nhiều nhất [5].
Luận văn thạc sĩ Cơ sở lý thuyết
HVTH: Lê Tấn Hùng 18 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên
Hình 2.4: Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển [5] . . C hương h kh th , sử d ng năng lượng ặt trờ
Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mơ rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỉ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều NLMT, những vùng sa mạc. Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, NLMT càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT. Các ứng dụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:
Luận văn thạc sĩ Cơ sở lý thuyết
HVTH: Lê Tấn Hùng 19 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên
. Ao năng lượng mặt trời (Solar pond):
Ao năng lượng mặt trời rộng, nước nông, thường được đào sâu từ 1 đến vài mét và lót mặt trong bằng plastic đen. Nhiệt độ dưới đáy ao có thể lên đến 1000C [7] trong khi nước trên bề mặt vẫn giữ ở nhiệt độ khơng khí. Ao có ba lớp nước chính. Từ trên xuống dưới, lớp trên được gọi là vùng bề mặt, vùng chênh lệch và vùng lưu trữ. Hàm lượng muối trong ao tăng từ trên xuống dưới. Nước trong vùng lưu trữ là rất mặn. Nước nóng trong vùng lưu trữ được dẫn đường ống để một nồi hơi, nơi nó được làm nóng hơn nữa để tạo ra hơi nước, đưa đến đĩa của tua bin.
b. Hệ thống n qu ng đ ện (Photovoltaic system):
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay con người đã ứng dụng pin mặt trời trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, xe NLMT và trong sinh hoạt thay thế dần nguồn năng lượng truyền