Nguồn năng lượng sạch và dồi dào

Địa nhiệt là dạng năng lượng thu được từ nguồn nhiệt trong lòng Trái Đất và được nước nóng hoặc hơi nước vận chuyển lên trên bề mặt Trái Đất. Nguồn nhiệt năng này có nguồn gốc từ dung nham nóng chảy trong lòng Trái Đất, từ hoạt động phân hủy phóng xạ của các khoáng vật và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ trên bề mặt hành tinh và được phân loại là năng lượng tái tạo.

Địa nhiệt được tìm thấy chủ yếu ở các khu vực núi lửa đang hoạt động như Iceland, Tây Hoa Kỳ, Indonesia, Đông Phi, v.v., và có thể được tiếp cận bằng cách khoan sâu 2-3 km vào lòng đất. Trong các bể trầm tích như ở Đức, Hà Lan và Hungary, v.v., cũng có thể tìm thấy các bể chứa địa nhiệt chất lượng tốt bằng cách khoan sâu xuống khoảng 3-5 km.

Con người từ lâu đã sử dụng một phần nhỏ năng lượng nhiệt từ bên trong Trái đất chủ yếu để sưởi ấm và cho các hoạt động giải trí. Từ thời La Mã cổ đại địa nhiệt đã được sử dụng để nung và tắm. Ngày nay địa nhiệt có 3 ứng dụng chính như sau: (1) sản xuất điện năng, (2) sử dụng trực tiếp để sưởi ấm; sấy nông sản, ứng dụng trong chăn nuôi hoặc trong công nghiệp, (3) bơm địa nhiệt ứng dụng trong điều hòa nhiệt độ và cung cấp nước nóng. Các ứng dụng của năng lượng địa nhiệt theo các mức nhiệt độ được thể hiện trong Hình 1.

Hình 1. Các ứng dụng của năng lượng địa nhiệt theo nhiệt độ (Nguồn: Adapted from Lindal, 1973)

Ứng dụng địa nhiệt để sản xuất điện

Công nghệ điện địa nhiệt có thể tạo ra nguồn điện chạy tải nền sạch và linh hoạt, khiến nó trở thành một lựa chọn đầy hứa hẹn cho quá trình chuyển dịch năng lượng sạch và phát triển bền vững. Đây là loại nguồn điện có hệ số công suất rất cao, khoảng 80 – 90%.

Lần đầu tiên năng lượng này được sử dụng để phát điện là vào năm 1904 ở Larderello, Ý. Kể từ đó, nguồn điện địa nhiệt đã liên tục được cải thiện hiệu suất và tính đến năm 2019, công suất điện địa nhiệt trên toàn thế giới đạt 15,4 GW, trong đó 23,9% (3,68 GW) được lắp đặt ở Hoa Kỳ. Nhà máy địa nhiệt lớn nhất thế giới Geysers Geothermal Complex có công suất 900 MW được đặt tại cánh đồng địa nhiệt Geysers ở bang California. Indonesia là nước có tiềm năng tài nguyên năng lượng địa nhiệt lớn nhất trên thế giới với ước tính khoảng 29 GW và hiện tại là nước có công suất lắp đặt 2,133 GW, lớn thứ 2 sau Hoa Kỳ. Công suất điện địa nhiệt tăng trưởng với tốc độ trung bình hàng năm là 5% và dự kiến sẽ đạt 14,5–17,6 GW vào năm 2020. Hiệp hội Năng lượng Địa nhiệt (GEA) ước tính rằng chỉ 6,9% tổng tiềm năng địa nhiệt toàn cầu đã được khai thác cho đến nay, trong khi Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC) báo cáo tiềm năng năng lượng địa nhiệt nằm trong khoảng từ 35 GW đến 2 TW. Các quốc gia sản xuất hơn 15% điện năng từ các nguồn địa nhiệt bao gồm El Salvador, Kenya, Philippines, Iceland, New Zealand và Costa Rica. Tại thành phố Swabian miền nam nước Đức, một công trình điện địa nhiệt đang được triển khai với giếng khoan sâu 4445m với công suất điện giai đoạn đầu đủ cung cấp năng lượng cho trên 2000 hộ dân quanh vùng.

Hình 2. Nhà máy địa nhiệt Nesjavellir có công suất 120 MWe tại Iceland (Nguồn: Wikipedia)

Có 3 loại công nghệ điện địa nhiệt chính là: 1) sử dụng hơi khô trực tiếp từ lòng đất có nhiệt độ cao (>235 độ C) để đưa trực tiếp vào tuabin hơi làm quay tuabin hơi và máy phát điện (direct dry steam power plants); 2) sử dụng bộ tách ly hơi – nước (flash tank) để tách hơi từ hỗn hợp hơi – nước nóng có áp suất cao và đưa vào tuabin hơi, làm quay tuabin hơi và máy phát điện (flash steam power plants) và 3) nhà máy điện địa nhiệt hai vòng tuần hoàn sử dụng lưu chất làm việc có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ sôi của nước, vận hành trong vòng thứ cấp, trao đổi nhiệt với hơi – nước nóng trong vòng sơ cấp, sau đó được đưa vào làm quay tuabin và máy phát điện (binary cycle power plants).

Hình 3. Sơ đồ hoạt động của các loại nhà máy điện địa nhiệt (Nguồn: Geothermal Education Office)

Quá trình sản xuất điện địa nhiệt phát thải không đáng kể, yêu cầu về lượng nước sử dụng ít, các nhà máy có diện tích chiếm đất thấp giúp giảm thiểu các tác động đến biến đổi khí hậu. Các ưu điểm trên công với khả năng khai thác liên tục giúp cho sản xuất điện địa nhiệt có khả năng cạnh tranh với các nguồn năng lượng tái tạo khác và nằm trong dải chi phí thấp hơn so với chi phí sản xuất điện từ năng lượng hóa thạch.

Hình 4. Quá trình sản xuất điện địa nhiệt phát thải khí nhà kính thấp (Nguồn: IRENA)

Hình 5. Sản xuất điện địa nhiệt có khả năng cạnh tranh với các nguồn năng lượng tái tạo khác (Nguồn: IRENA)

Hình 6. Chi phí phát điện của các công nghệ khác nhau (Nguồn: Lazard, 2020)

Tiềm năng năng lượng địa nhiệt tại Việt Nam

Các kết quả nghiên cứu cho thấy có hơn 300 nguồn năng lượng địa nhiệt đã được phát hiện trong lãnh  thổ Việt Nam có nhiệt độ từ 30 độ C đến 148 độ C. Ước tính tiềm năng năng lượng địa nhiệt Việt Nam lên tới 1.400 MWt cho sử dụng trực tiếp và sản xuất điện. Hình 4 cho thấy sự phân bố của các nguồn năng lượng địa nhiệt theo các khu vực địa lý trên lãnh thổ Việt Nam. Các nguồn tài nguyên năng lượng địa nhiệt ở Việt Nam có thể được phân loại thành các khu vực chính như sau:

Tây Bắc Việt Nam

Khu vực này có số lượng suối nước nóng địa nhiệt chiếm khoảng 29,4% nguồn tài nguyên địa nhiệt trong cả nước. Về tiềm năng địa nhiệt, đây là khu vực tiềm năng lớn thứ hai với công suất 107 MW và tổng năng lượng tự nhiên của các nguồn địa nhiệt là 13,5 kW. Các nguồn địa nhiệt phân bố ở phía tây của đồng bằng sông Hồng ở các tỉnh Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Yên Bái, Lào Cai, Phú Thọ.

Đông Bắc Việt Nam

Chỉ có ba nguồn địa nhiệt có tiềm năng địa nhiệt tốt để khai thác năng lượng là: Bố Lưới ở tỉnh Hà Giang, Mỹ Lâm ở tỉnh Tuyên Quang và Tam Hợp ở tỉnh Quảng Ninh với năng lượng dự đoán là 42,3 MW. Nguồn địa nhiệt Bố Lưới ở xã Thượng Sơn, huyện Bắc Quang, tỉnh Hà Giang có nhiệt độ 71,5 độ C. Nguồn địa nhiệt Mỹ Lâm ở tỉnh Tuyên Quang với nhiệt độ 64 độ C. Qua điều tra, thăm dò nước dưới đất dọc theo ven biển tỉnh Quảng Ninh đã phát hiện ra các suối nước nóng Quảng Hạnh và Tam Hợp. Ngoài ra, một số giếng riêng rẽ ở Nạ Rua, tỉnh Cao Bằng và La Hiên, tỉnh Thái Nguyên.

Bắc Trung bộ Việt Nam

Các nguồn địa nhiệt được tập trung ở các tỉnh Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên - Huế và Quảng Nam. Dạng lộ thiên này bao gồm nhiều suối có nhiệt độ rất cao dao động từ 95 độ C đến 100 độ C với tổng lưu lượng khoảng 20 l/s. Một số nguồn khác cũng có nhiệt độ cao như Sơn Kim, tỉnh Hà Tĩnh với nhiệt độ 78 độ C, Thanh Tân, tỉnh Thừa Thiên Huế với nhiệt độ 68 độ C và Huyền Cô, tỉnh Quảng Trị với nhiệt độ 70 độ C.

Hình 7. Phân bố các nguồn địa nhiệt tại Tây Bắc, Đông Bắc, Bắc Trung Bộ và Đồng Bằng miền Bắc Việt Nam (Nguồn: [4])

Đồng bằng miền Bắc và miền Nam

Nguồn địa nhiệt ở khu vực này có thể không được lộ thiên trên mặt đất. Chúng chỉ được phát hiện trong các giếng khoan, đặc biệt là các lỗ khoan sâu thăm dò dầu khí tại các tỉnh Thái Bình và Nam Định. Nhiệt độ các nguồn nước nóng thăm dò được là 100 độ C - 150 độ C ở độ sâu 1.000 - 3.000 m. Trong thềm lục địa, nhiệt độ cao nhất đo được ở độ sâu từ 300 - 4.300 m trong các giếng của bồn trũng sông Hồng là 179,8 độ C. Ở đồng bằng sông Cửu Long có các giếng sâu từ 400 – 4.500 m, với nhiệt độ cao nhất là 145 độ C.

Nam Trung bộ Việt Nam

Khu vực này có số lượng suối nước nóng địa nhiệt nhiều thứ hai. Đặc biệt, năng lương địa nhiệt với nhiệt độ cao lộ thiên tại phía nam miền Trung được phân bố chủ yếu ở khu vực chuyển tiếp giữa các khu vực đồi núi và đồng bằng ven biển của tỉnh Quảng Ngãi, Khánh Hòa và Phú Yên, v.v… Nhiệt độ bề mặt cao hơn 70 độ C như Bình Châu, Hội Vân đến 83 độ C ở các tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, Bình Định. Đây là vùng có tiềm năng nhất với tổng năng lượng dự kiến là 127 MW có thể được khai thác để sử dụng nhiều mục đích.

Hình 8. Phân bố các nguồn địa nhiệt tại Nam Trung Bộ và Đồng Bằng miền Nam Việt Nam (Nguồn: [4])

Có thể thấy các nguồn tài nguyên địa nhiệt ở Việt Nam phân bố ở đều khắp lãnh thổ, cho phép sử dụng rộng rãi ở nhiều địa phương. Các nguồn địa nhiệt này chủ yếu có nhiệt độ thấp và trung bình (<200 độ C), phù hợp với công nghệ nhà máy điện địa nhiệt dùng nguyên lý hai vòng tuần hoàn (binary cycle power plants). Nếu ứng dụng công nghệ khoan sâu đến 5 km như ở các nước, chúng ta có thể đánh giá bổ sung tiềm năng nguồn địa nhiệt của Việt Nam, hứa hẹn sẽ phát hiện thêm nhiều nguồn có nhiệt độ cao, chất lượng tốt.

Tiềm năng địa nhiệt hiện chưa được khai thác hiệu quả do các rào cản về chi phí và rủi ro khoan thăm dò, khai thác. Hy vọng rằng với cơ chế hỗ trợ phù hợp và với sự phát triển của công nghệ khoan và công nghệ địa nhiệt, nhiều nhà đầu tư trong nước sẽ quan tâm hơn và tìm kiếm cơ hội đầu tư vào các dự án điện địa nhiệt ở Việt Nam, góp phần vào giải pháp đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.

Thực hiện: Phạm Đức Trung

 Tài liệu tham khảo:

[1] Nguyễn Ánh. Địa nhiệt: Nguồn năng lượng mới trong tương lai.
https://kinhtemoitruong.vn/dia-nhiet-nguon-nang-luong-moi-trong-tuong-lai-54305.html

[2] Wikipedia. Geothermal power.
https://en.wikipedia.org/wiki/Geothermal_power

[3] IRENA. Geothermal: The solution underneath. 2021

[4] N.T.Cuong, C.D.Giang, T.T.Thang, “General Evaluation of the Geothermal Potential in Vietnam and the Prospect of Development in the Near Future,” April 2005, https://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/2005/0101.pdf