Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊA NHIỆT VÀ ĐỊA CHẤT KHU VỰC
1.2. Mối tương quan giữa các ứng dụng của Địa nhiệt và nhu cầu cuộc sống
Theo từ điển bách khoa Việt Nam [42]: “Nước khoáng là nước dưới đất hoặc nước suối tự nhiên ở sâu trong lòng đất hoặc phun chảy lên mặt đất có hòa tan một số muối khoáng (muối vô cơ) nào đó có hoạt tính sinh học (CO2, H2S, As…), có tác dụng chữa và phòng bệnh, bồi bổ sức khỏe. Một số loại nước khoáng có tính chất phóng xạ và nhiệt độ tăng cao khi mới phun ra ở miệng suối.
Theo thành phần có những loại nước khoáng Cacbonat, nước khoáng chứa sắt, nước khoáng chứa Dihydrosunphua…
Cho đến nay, rất nhiều tài liệu nghiên cứu khoa học trên thế giới và tại Việt Nam đã công bố các kết quả khả quan khi sử dụng nước khoáng chữa bệnh.
Nhìn chung, các nhóm bệnh đó tập trung vào bệnh cơ xương khớp, hô hấp, chuyển hóa, ngoài da. Mô hình đánh giá hiệu quả khá đầy đủ bao gồm nhóm sử dụng nước khoáng chữa bệnh và nhóm đối chứng. Cụ thể một số bệnh có thể chữa bằng cách sử dụng nước khoáng như:
- Các bệnh cơ xương khớp, hệ vận động: Nhóm bệnh này thường được chữa trị tại nguồn nước khoáng nhiệt độ tương đối cao, chứa lưu huỳnh, nguyên tố phóng xạ (Radon, Radi, Urani…). Nghiên cứu chữa bệnh viêm khớp dạng thấp bằng mô hình song song dùng nước khoáng Radon (1,3 kBq/l)/ CO2 với nhóm
đối chứng là nước có CO2 nhân tạo hoặc nghiên cứu chữa bệnh kết hợp nước khoáng Radon và bài tập thể dục cho viêm cứng đốt sống đã cho thấy Rn thực sự có tác dụng [14, 41, 49].
- Bệnh tăng huyết áp (Arterial hypertension): Nguồn nước khoáng chứa Radon rất có lợi cho các bệnh nhân tăng huyết áp. Trong các thử nghiệm lâm sàng, mức độ tăng huyết áp được cải thiện. Với nồng độ Radon 40nCi/l, huyết áp người bệnh trước chữa bệnh 183,3 ± 3,32/106,6 ± 2,02 đã giảm còn 153,1 ± 3,06/
90,0 ± 2,06 [4].
- Bệnh ngoài da (Dermatologie): Bệnh vẩy nến (arthropathic psoriasis) được điều trị bằng tắm bồn và đắp bùn đã làm giảm xung huyết. Chữa vẩy nến dạng phân tán, đặc biệt đi kèm với ngứa bằng việc kết hợp sử dụng nước khoáng và thuốc rất thành công nhưng không được chỉ định cho vẩy nến ban đỏ (erythrodermal), ngoài da mụn mủ. Ngoài ra, bệnh sẩn ngứa mạn tính ở người lớn, rất khó chữa nhưng có thể đáp ứng tốt bởi liệu pháp tắm nước khoáng.
- Bệnh chuyển hóa (Metabolic disease): Thực nghiệm tại nguồn NK Radon Misasa (Nhật Bản): 20 bệnh nhân từ 50 - 70 tuổi được lấy mẫu máu sau khi hít thở bầu không khí với hàm lượng Radon 2080 Bq/m3. Tổng lượng cholesterol trong máu và mức độ oxy hoá mỡ của các bệnh nhân viêm khớp mãn tính đã giảm. Lượng cholesterol trước và sau chữa bệnh từ 105 ± 4 (mg/dl) giảm xuống còn 84 ± 6 (mg/dl) trong khi nhóm chứng vẫn giữ nguyên. Mức độ oxy hoá mỡ từ 1,00 ± 0,10 (mmol/mL) còn 0,73 ± 0,07 (mmol/mL) [50].
- Điều trị hen phế quản và hen dị ứng. Các công trình nghiên cứu trước đó đã giúp phát hiện vai trò hệ miễn dịch trong chữa bệnh [25, 39, 40].
Tuy nhiên thực tế hiện nay, việc khai thác và sử dụng nước khoáng tại Việt Nam còn rất khiêm tốn. Trong tổng số 164 nguồn nước khoáng Miền Bắc Việt Nam đã thống kê, chỉ có 27 nguồn đang thực sự đóng góp vào cuộc sống hàng ngày của con người, bao gồm 12 nguồn để tắm và đóng chai, thành lập khu điều dưỡng ở 8 nguồn, 7 nguồn còn lại làm nước sinh hoạt cho cư dân địa phương. Các cơ sở lâu năm trong lĩnh vực khai thác nước khoáng chữa bệnh và hồi phục chức năng có những bước đổi thay về đầu tư, quy mô, được nâng cấp về trang thiết bị như: Viện điều dưỡng Mỹ Lâm (Tuyên Quang), Viện điều dưỡng và hồi phục chức năng Quang Hanh (Quảng Ninh). Nhiều nguồn nước khoáng được khai thác và xây dựng thành những khu du lịch nghỉ dưỡng theo kiểu du lịch sinh thái như Tản Đà (Hà Nội), Sông Thao (Phú Thọ). Sở du lịch Nghệ An
cũng đang kêu gọi đầu tư vào khu du lịch nước khoáng Giang Sơn (Đô Lương).
Các nguồn nước khoáng khác như Thạch Khôi (Hải Dương), Tiên Lãng (Hải Phòng) cũng bắt đầu được mở rộng khai thác. Ngoài ra, các hộ dân ở khu vực có nguồn nước khoáng như Thanh Thủy (Phú Thọ), Thuần Mỹ (Hà Nội)...cũng khai thác, kinh doanh tự phát, nhỏ lẻ phục vụ nhu cầu nghỉ dưỡng của nhiều tầng lớp nhân dân.
1.2.2. Khai thác năng lượng Địa nhiệt cho sấy khô nông sản
Ý tưởng cơ bản của việc sấy khô các loại nông sản xuất phát từ nhu cầu cung cấp cho các thị trường lớn ở các khu vực khác nhau (yêu cầu một khoảng thời gian lớn để vận chuyển) hoặc có thể lưu trữ lâu năm mà không bị suy giảm chất lượng từ sau khi thu hoạch nhằm giảm thiểu tối đa tổn thất về kinh tế hoặc tăng giá trị của sản phẩm khi được bán với giá cao hơn ở các khoảng thời gian trái vụ.
Các quá trình sấy công nghiệp được thực hiện với mức tiêu thụ nhiệt và điện cho các dây chuyền và các thiết bị phụ trợ lớn, phục vụ nhu cầu năng lượng cơ bản để làm nóng các sản phẩm đến nhiệt độ thích hợp để bắt đầu quá trình bay hơi (của độ ẩm) theo tỷ lệ phần trăm nhất định đối với từng loại nông sản. Các sản phẩm nông sản chủ yếu được dùng cho sấy khô đó là ngũ cốc, rau, trái cây…
Quá trình sấy khô đối với những loại sản phẩm này yêu cầu nhiệt độ không khí tương đối thấp (thông thường trong khoảng 35-80 oC). Do đó, nhiệt độ của dung dịch địa nhiệt ở các nguồn xuất lộ nếu đáp ứng được tiêu chí trên có thể được sử dụng như là nguồn năng lượng phù hợp cho việc sấy các sản phẩm nông sản.
Ở các nước công nghiệp đang phát triển, quá trình làm khô sử dụng 7-15
% của tổng mức tiêu thụ năng lượng công nghiệp, nhưng hiệu suất nhiệt của họ vẫn còn tương đối thấp, chỉ 25-50%. Tuy nhiên ở một số nước công nghiệp hóa cao, hoạt động sấy khô chiếm hơn một phần ba năng lượng tiêu thụ (Chou và Chua, 2001). Do đó, cần thiết phải giảm tiêu thụ năng lượng không tái tạo bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng bền vững để sấy trong nông nghiệp và bằng cách sử dụng nguồn năng lượng địa nhiệt để giảm chi phí sản xuất, tăng thu nhập - điều đó có thể sẽ là lựa chọn tốt nhất. Việc sấy khô có thể sử dụng nhiệt từ nước nóng hoặc hơi nước từ giếng địa nhiệt hoặc nhiệt thải thu hồi từ một nhà máy địa nhiệt (Vasquez, Bernardo và Cornelio, 1992) sau khi được sử dụng cho mục đích phát điện thải hồi ra ngoài.
Một trong những thiết bị quan trọng nhất trong một hệ thống máy sấy sử dụng năng lượng địa nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt địa nhiệt. Thiết bị này bao gồm thép hoặc đồng ống trang bị đồng hoặc nhôm vây để tăng bề mặt trao đổi nhiệt (Hình 1.5). Nước nóng địa nhiệt hoặc hơi nước được lưu thông bên trong các đường ống và không khí được thổi qua bộ trao đổi nhiệt dùng quạt cánh quạt.
Không khí được làm nóng bởi nước nóng địa nhiệt hoặc hơi nước và sau đó được thổi vào buồng sấy cho quá trình sấy.
Hình 1.5. Trao đổi nhiệt trong hệ thống địa nhiệt 1.2.3. Khai thác năng lượng Địa nhiệt cho sưởi ấm
Địa nhiệt trong mục đích sưởi ấm cung cấp nhiều lợi ích đặc biệt là phục vụ sưởi ấm các căn hộ hoặc các tòa nhà cao tầng. Một điều thực tế có thể khẳng định rằng năng lượng được sử dụng này đến từ thiên nhiên và có sức hút rất rất lớn đối với các chủ sở hữu ngôi nhà, căn hộ hay các cơ sở hạ tầng công cộng bởi đây là một nguồn năng lượng tái tạo với chi phí thông thường ít hơn so với bất kỳ loại hình khác của hệ thống sưởi ấm có sẵn trong thị trường hiện nay.
Khi đánh giá những tác động của năng lượng địa nhiệt khi áp dụng các ứng dụng khác nhau của nó, có thể nhìn thấy được nó không có tác động tiêu cực đến môi trường hoặc ít hơn. Việc sử dụng hệ thống sưởi ấm địa nhiệt phục vụ mục đích sưởi ấm thông thường là không có khói và các chất thải khí phát sinh
trong quá trình sử dụng.
Hiện nay trên thế giới, nước Đức là một trong những nước đi đầu trong việc đẩy mạnh phát triển sản xuất năng lượng tái tạo bao gồm năng lượng gió, mặt trời, sinh khối (năng lượng từ thực vật và các chất thải của sinh vật) đặc biệt là năng lượng địa nhiệt và đã thu được nhiều thành quả lớn mà trước hết phải kể
đến lợi ích kinh tế.
Ở Bang Bavaria trong những năm gần đây đã bùng lên trào lưu sử dụng địa nhiệt. Nếu năm 2003 gần như chưa có một dự án nào về địa nhiệt thì sang 2006 đã cấp 75giấy phép cho khai thác địa nhiệt từ các nguồn nước nóng để phục vụ cho sản xuất điện và nhiệt. Trong đó việc khai thác địa nhiệt ở Molasse hay Shoemberg thực sự là tổng hợp nhất và biểu thị một cách đặc biệt cho hàng loạt các vấn đề về kỹ thuật, kinh tế cũng như pháp lý lần đầu tiên được đem ra nghiên cứu để có thể thấy được tính kinh tế của loại dự án này. Các dự án địa nhiệt trong những năm qua có một ý nghĩa đặc biệt khi giá dầu thô trên thế giới gia tăng lên liên tục. Dự án địa nhiệt hoàn toàn không phụ thuộc vào giá dầu leo thang trên thế giới. Song các dự án địa nhiệt lại chịu ảnh hưởng của việc tăng giá sắt thép chung trên thế giới và chi phí khoan cũng như chi phí điện năng cho nhu cầu năng lượng riêng trong mấy năm gần đây cũng tăng. Về hướng này thì bang Bavaria đã tạo dựng sân chơi cho mọi thành phần kinh tế trong phát triển địa nhiệt. Dưới đây là biểu thị cho việc ứng dụng năng lượng địa nhiệt cho việc sưởi ấm một siêu thị tại Shoemberg cụ thể (Hình 1.6).
Hình 1.6. Mô tả công nghệ khai thác năng lượng địa nhiệt phục vụ sưởi ấm tại siêu thị EDEKA Aktiv-Markt Koch ở Shoemberg - Đức
1.2.4. Khai thác năng lượng Địa nhiệt cho phát điện
Trong khoảng thời gian những năm cuối của thế kỷ thứ 20 trở lại đây, các nghiên cứu liên quan đến địa nhiệt chủ yếu tập trung vào nghiên cứu chi tiết các ứng dụng công nghệ trong khai thác năng lượng địa nhiệt như nghiên cứu sử dụng năng lượng địa nhiệt cho sưởi ấm, làm mát, phát triển du lịch, khám chữa bệnh hay thậm chí phục vụ mục đích sản xuất điện. Trong đó, mục đích sản xuất điện hiện đang được các nước phát triển như Mỹ, Đức, Iceland, Trung Quốc hoặc các nước đang phát triển có tiềm năng về địa nhiệt lớn như Philipine, Indonesia, Kenya… trú trọng đầu tư nhiều nhất trước những thực trạng về nguy cơ cạn kiệt các nguồn tài nguyên năng lượng không tái tạo và sức ép của chúng liên quan đến việc xả thải gây ra những tác động xấu môi trường, góp phần gia tăng biến đổi khí hậu. Các nghiên cứu cơ bản cho biết các nguồn nhiệt độ từ trên 200OC là các nguồn có tiềm năng rất cao cho phát điện, các nguồn có nhiệt độ từ 140- 200OC là rất tốt cho phát điện, các nguồn từ 80 - 140OC là khả dụng cho phát điện và sưởi ấm. Hiện nay có 03 loại hình công nghệ chính được ứng dụng nhằm chuyển hóa hơi và nước nóng địa nhiệt để sản xuất điện bao gồm:
- Công nghệ hơi khô (Dry Steam): Sử dụng hơi nước sản xuất trực tiếp từ giếng sản xuất. Để sử dụng công nghệ này, trong các dung dịch địa nhiệt thì hơi nước chiếm chủ yếu. Hơi nước trực tiếp làm quay tua bin phát điện.
- Công nghệ hơi nước và nước nóng (Flash Steam): Sử dụng hơi nước được chuyển thể từ nước nóng do nước nóng nhiệt độ cao từ dưới lòng đất với áp suất cao đi lên, do bị giảm áp suất đột ngột nên chuyển thành dạng hơi và hơi này làm quay tuabin. Công nghệ này được sử dụng đối với những nguồn địa nhiệt có nhiệt độ dung dịch địa nhiệt lớn hơn 182oC.
- Công nghệ chu kỳ nhị nguyên (Binary Cycle Technology): Sử dụng dung dịch thứ cấp (hay còn gọi là working fluids) bốc hơi rồi làm quay tuabin.
Dung dịch địa nhiệt ở đây là dung dịch chính có vai trò làm nóng và dẫn đến bốc hơi dung dịch thứ cấp (có thể là amoniac hoặc Isobutan. Nhiệt để làm dung dịch này bốc hơi được truyền từ nguồn nước nóng sản xuất ở trong bình trao đổi nhiệt.
Sau khi dung dịch thứ cấp bốc hơi, hơi này làm quay tuabin, sau khi qua tuabin chúng được làm ngưng thành dung dịch lỏng và đưa trở lại bình trao đổi nhiệt.
Nước nóng được lấy lên từ lòng đất sau khi chạy qua bình trao đổi nhiệt lại được đưa trở lại lòng đất (công nghệ được mô tả như hình vẽ dưới đây). Công nghệ
này được sử dụng cho những nguồn địa nhiệt có nhiệt độ từ 980C đến 2000C (Hình 1.7).
Hình 1.7. Sơ đồ tổ máy phát điện ứng dụng công nghệ chu kỳ nhị nguyên sử dụng năng lượng địa nhiệt
Ngoài ra, hiện nay trên thế giới cũng đang bắt đầu ứng dụng công nghệ chu kỳ Kalina để phát điện. Cũng nhờ sử dụng công nghệ chu kỳ nhị nguyên nhưng công nghệ chu kỳ Kalina sử dụng dung dịch thứ cấp là hỗn hợp của nước và amoniac. Đây là hỗn hợp có nhiệt độ bay hơi rất thấp (khoảng 50oC ở áp suất thông thường). Công nghệ này có thể cho phép áp dụng với các nguồn địa nhiệt có nhiệt độ thấp khoảng 70oC. Tuy nhiên công nghệ này có thiết kế rất phức tạp và hiện đang ở mức chạy thử nghiệm ở một số nước trên thế giới như Mỹ, Úc, Nhật Bản v.v...