CHƯƠNG 4 : NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT
4.2. Phân loại nhà máy điện năng lượng địa nhiệt
Cơng nghệ khai thác địa nhiệt
Hình 4. 3. Nguyên lý hoạt động nhà máy địa nhiệt điển hình
Có hai loại nguồn địa nhiệt:
• Các nguồn thủy nhiệt (nước nóng) là nguồn tương đối nông từ vài trăm mét tới 3000 m. Chúng chứa nước nóng, hơi nước hoặc hỗn hợp, được khai thác cho mục đích phát địa nhiệt thương mại và sấy sưởi.
Hình 4. 4. Nước nóng từ lịng đất
• Các nguồn nhiệt trong đá nóng nằm khá sâu trong lịng đất vào khoảng 4000 m và sâu hơn, hiện đang được tập trung nghiên cứu nhưng chưa được khai thác thương mại. Các nguồn thủy nhiệt có thể cung cấp năng lượng trong khoảng 10-50 năm, còn các
108
nguồn nhiệt trong đá nóng có thể cung cấp năng lượng lâu hơn nhiều. Năng lượng địa nhiệt có nhiều ưu điểm so với nguồn hóa thạch truyền thống, là nguồn năng lượng sạch, có giá thành khai thác thấp, làm việc liên tục nên có thể làm việc ở đáy đồ thị phụ tải. Tuy nhiên là hơi nước trong lịng đất có chứa nhiều tạp chất dễ ăn mịn và có nhiệt độ tương đối thấp nên hiệu suất nhiệt động của các nhà máy điện địa nhiệt bị hạn chế. Bồn chứa thủy nhiệt bao gồm nguồn đã nóng có tính thẩm thấu lớn và chứa nước với nhiệt độ dao động trong khoảng từ 100-4000C. Chất lỏng này còn chứa một lượng đáng kể các chất rắn khơng hịa tan và chất khí khơng ngưng tụ. Các giếng khoan dùng để lấy và phun chất lỏng địa nhiệt trở lại. Các giếng khoan sâu khoảng 200-3500m. Hệ thống đường ống vận chuyển chất lỏng địa nhiệt giữa các giếng khoan và các thiết bị trong nhà máy điện. Nhà máy nhiệt điện bao gồm một hoặc nhiều tổ tuabin hơi-máy phát điện. Các nguồn thủy nhiệt có nhiệt độ thấp dưới 1000C, nhiệt độ trung bình từ 1000C đến 2000C còn các nguồn nhiệt độ cao trên 2000C. Chỉ có các nguồn thủy nhiệt trung bình và cao là có giá trị khai thác điện thương mại.
Hình 4. 5. Đá nóng
4.3. Cấu tạo cơ bản của nhà máy điện năng lượng địa nhiệt
Những phương pháp sử dụng năng lượng địa nhiệt Hai phương pháp cơ bản sử dụng năng lượng địa nhiệt là sử dụng trực tiếp nguồn nhiệt hoặc dùng cho sản xuất điện năng. Nguồn nhiệt được sử dụng trực tiếp để sưởi ấm các căn hộ, sấy quần áo, làm tan băng trên các đường giao thông. Nếu dùng nhiệt để sản xuất điện năng, nhiệt độ cần có phải cao hơn 150oC. Tại Caliphocnia khoảng 5% năng lượng điện được sản xuất từ nguồn địa nhiệt. Tại Xanvado là khoảng 30%. Tại Iceland nguồn địa nhiệt được dùng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống và công nghiệp. Nguyên lý hoạt động của các nhà máy
109
điện địa nhiệt Hiện nay có 3 loại sơ đồ sản xuất điện năng sử dụng nguồn địa nhiệt: Sơ đồ trực tiếp sử dụng hơi nóng khơ; sơ đồ gián tiếp sử dụng hơi nước và sơ đồ hỗn hợp (hai chu trình). Trong sơ đồ trực tiếp, hơi nóng thổi trực tiếp và tuốc bin, làm quay máy phát để sinh ra điện. Đây là kiểu nhà máy điện địa nhiệt lâu đời nhất, lần đầu tiên được xây dựng ở Italia năm 1904 và vẫn hoạt động cho đến nay. Tại Caliphocnia có nhà máy lớn nhất thế giới hoạt động theo nguyên lý này. Trong sơ đồ gián tiếp, hơi nước địa nhiệt được làm tăng độ nóng lên trên 182oC.
Hình 4. 6. Nguyên lý làm việc
Hơi nước được dồn vào buồng bay hơi để giảm áp lực, do vậy một phần dung dịch được biến thành hơi nước. Hơi nước sẽ làm quay tuốc bin. Nếu trong bình chứa cịn dư chất lỏng, nó có thể được đưa vào bình bay hơi để tăng thêm cơng suất. Trong sơ đồ hỗn hợp, sử dụng nước nóng có nhiệt độ thấp hơn 200oC, là nguồn nước nóng dồi dào nhất trong đa số các vùng địa nhiệt. Nước nóng địa nhiệt và chất lỏng thứ cấp có nhiệt độ sơi thấp hơn được đưa qua buồng trao đổi nhiệt. Nhiệt năng của nước địa nhiệt làm chất lỏng thứ cấp bốc hơi và hơi nước sẽ làm quay tuốc bin. Bởi vì đây là hệ thống khép kín nên khơng hề có chất thải vào khí quyển. Nước nóng có nhiệt độ vừa phải là nguồn địa nhiệt thơng dụng có tiềm năng dồi dào nhất. Do đó đa số các nhà máy điện địa nhiệt trong tương lai sẽ hoạt động theo nguyên lý này. Chúng ta có thể xem qua các video sau để hiểu được cách khai thác năng lượng từ những nguồn nước nóng nằm sâu trong lịng đất. Video còn nêu rõ ba phương pháp khác nhau để chuyển đổi địa nhiệt thành năng lượng điện.
110
Nguồn địa nhiệt cung cấp năng lượng ổn định và ít gây tổn hại đến mơi trường hơn so với sử dụng nhiên liệu hóa thạch hay hạt nhân. Theo Epoch Times, nguồn năng lượng địa nhiệt có thể ở nơng dưới mặt đất (nơi có nhiệt độ ổn định từ 10 – 16 độ C), nước nóng và đá sâu hơn trong lịng đất, hoặc magma nóng chảy rất sâu bên dưới bề mặt trái đất.Hình thức sử dụng năng lượng khá đa dạng, chẳng hạn như dùng nước nóng dưới mặt đất để trực tiếp làm nóng các tịa nhà, nhà kính, nước sinh hoạt, hoặc bơm nước và hơi nước nóng ngầm làm quay tuabin phát điện.
National Geographic cho biết, nhà máy điện địa nhiệt áp dụng ba phương pháp chính để sản xuất điện: hơi khơ (dry steam), hơi giãn áp (flash steam) và chu kỳ nhị phân (binary cycle). New Zealand, Indonesia, Philippines, Mỹ và Mexico hiện nay đều có nhà máy thương mại. 34Nhà máy điện hơi khơ sử dụng khe nứt trong lịng đất, dẫn trực tiếp hơi nước nhiệt độ cao (hơn 235 độ C) qua ống dẫn đến tuabin của máy phát điện. Nhà máy điện hơi giãn áp hút nước nóng dưới sâu, áp suất cao (hơn 182 độ C) chuyển đổi thành nước lạnh hơn, áp suất thấp. Quá trình này tạo ra hơi nước làm quay tuabin phát điện.
Hình 4. 7. Mơ hình hoạt động của nhà máy điện địa nhiệt
Nhà máy điện chu kỳ nhị phân sử dụng nước nóng dưới lịng đất có nhiệt độ trung bình từ 107 – 1820C. Nước nóng được dẫn qua hệ thống trao đổi nhiệt, làm bay hơi chất lỏng thứ cấp có nhiệt độ sơi thấp hơn nước rất nhiều (ví dụ: isobutane hoặc isopentane). Hơi của chất lỏng thứ cấp dùng để chạy máy phát điện. Hệ thống nhị phân là một chu trình tương đối kín nên hầu như khơng có khí thải nhà kính. Các chun gia địa nhiệt dự đoán đây sẽ là giải pháp kỹ thuật chủ đạo cho việc sản xuất điện địa nhiệt trong tương lai.
111
Nguồn địa nhiệt cung cấp năng lượng ổn định và gây ít tổn hại đến mơi trường hơn so với sử dụng nhiên liệu hóa thạch hay hạt nhân. Những tác động đến mơi trường của việc sử dụng năng lượng địa nhiệt không đáng kể và dễ dàng khắc phục nếu lập kế hoạch tốt.
Chất lỏng địa nhiệt có thể chứa khí và kim loại nặng, nhưng đa số hệ thống khai thác năng lượng địa nhiệt con người đang sử dụng sẽ đưa chúng trở lại dưới mặt đất. Các hoạt động khai thác cũng được bố trí để tránh pha trộn chất lỏng địa nhiệt với nước ngầm, đồng thời loại bỏ những tác động có hại đến cảnh quan tự nhiên ở gần đó, chẳng hạn như suối nước nóng. Một số nhà máy địa nhiệt tạo ra lượng nhỏ khí CO2, nhưng hệ thống nhị phân hồn tồn khơng phát thải khí nhà kính. Một phương pháp gây nhiều tranh cãi đang được thử nghiệm để thu năng lượng địa nhiệt giống như kỹ thuật “fracking” giúp khai thác dầu mỏ và khí đốt. Nước được bơm xuống giếng địa nhiệt, tạo ra đủ áp lực phá vỡ đá, giải phóng nhiệt để sản xuất nước nóng, hơi nước làm quay tuabin của máy phát điện.
Các nhà khoa học cũng xem xét hiệu ứng đảo nhiệt đô thị như một nguồn năng lượng địa nhiệt. Khu vực đơ thị có nhiệt độ ấm hơn khu vực nơng thơn cả ở trên và dưới mặt đất, do ảnh hưởng của nhà cao tầng, tầng hầm, hệ thống dẫn nước và nước thải. Máy bơm địa nhiệt tại khu vực đơ thị có thể cung cấp nhiệt cho các tồ nhà trong mùa đơng và làm mát chúng trong mùa hè.
112
Câu hỏi chương 4
1. Trình bày nguyên lý hoạt động nhà máy địa nhiệt. 2. Ưu và nhược điểm của năng lượng địa nhiệt.
3. Tiềm năng của nguồn năng lượng địa nhiệt ở Việt Nam. 4. Để khai thác năng lượng địa nhiệt cần có những yêu cầu nào?
113