Buzz
Năng lượng địa nhiệt có thể là giải pháp cho Châu Âu giảm phụ thuộc vào khí tự nhiên
Xâm lược Ukraine đã khiến các nhà lãnh đạo Châu Âu tái xem xét sự phụ thuộc của họ vào khí tự nhiên của Nga để sản xuất điện và sưởi ấm. Trong khi các quốc gia khác đang nỗ lực đưa ra các phương án thay thế như Khí tự nhiên hóa lỏng (LNG), điều này vẫn khiến châu lục này phụ thuộc vào nguồn cung cấp nước ngoại.
May mắn thay, thực sự mọi người trên Trái Đất đều đang đứng ngay trên một nguồn năng lượng hầu như không giới hạn; năng lượng địa nhiệt. Gần đây, một startup Mỹ có tên Quaise đã thu hút sự chú ý với kế hoạch khoan những lỗ rất sâu để tiếp cận nhiệt độ của Trái Đất – điều này rất tuyệt vời và ngoạn mục, nhưng cũng chủ yếu là khoa học viễn tưởng ở thời điểm này.
Các startup và công ty sáng tạo khác ở châu Âu và nơi khác đang phát triển cơ hội để sử dụng hạt nhân chảy của Trái Đất để cung cấp điện và sưởi ấm. Liệu đây có phải là giải pháp cho vấn đề năng lượng của Châu Âu và một con đường đến chủ quyền năng lượng? Và quãng thời gian chuyển đổi này sẽ kéo dài bao lâu?
Tiềm năng vô tận
Cơ hội này, về mặt giá trị cho hành tinh và tài chính, có vẻ vô tận. Lý thuyết, năng lượng địa nhiệt có thể được khai thác ở bất kỳ nơi nào trên Trái Đất, và theo ARPA-E, chỉ cần sử dụng 0,1% năng lượng của Trái Đất, chúng ta có thể cung cấp tất cả nhu cầu năng lượng của con người trong vòng 20 triệu năm. Nó đáng tin cậy, 100% tái tạo, không tạo ra khí nhà kính, không đòi hỏi lượng lớn kim loại quý, và luôn luôn hoạt động, khác biệt so với năng lượng mặt trời hoặc gió.
Và còn nhiều hơn nữa! Vì hầu hết các hoạt động diễn ra dưới lòng đất, năng lượng địa nhiệt có dấu chân tối thiểu trên mặt đất so với năng lượng gió hoặc mặt trời. Ngay cả khi một số hình thức yêu cầu khoan sâu và bơm chất lỏng, có rất ít cơ hội xảy ra tác động địa chấn. Và tốt nhất trong tất cả, khi một hệ thống hoạt động, nó có thể tiếp tục mãi mãi.
Và như một thêm lợi nho nhỏ; khoan sâu vào nguồn năng lượng này có thể tạo cơ hội tốt cho ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch áp dụng kiến thức chuyên môn để đền bù những tổn thất lớn cho hành tinh.
Vậy tại sao chúng ta không đều kết nối lớn với nước năng lượng địa cầu sâu?
Để trả lời câu hỏi đó, TNW đã nói chuyện với một số chuyên gia trong lĩnh vực năng lượng địa nhiệt từ Viện TNO Hà Lan, họ giải thích về các kỹ thuật và tiềm năng. Bây giờ, hãy hiểu một chút về các loại hệ thống năng lượng địa nhiệt khác nhau.
ABC của các dạng năng lượng địa nhiệt
Năng lượng địa nhiệt truyền thống là loại bạn có thể nhớ từ trung học. Nó dựa vào việc thu hoạch năng lượng nhiệt từ các nguồn gần bề mặt, do nằm ở các giao điểm kiến tạo. Loại năng lượng địa nhiệt này chỉ có sẵn ở một số khu vực có hoạt động núi lửa cao, như Iceland, New Zealand, Hawaii và Indonesia.
Nói chung, nó sử dụng các nguồn nhiệt độ cao để truyền năng lượng để sưởi ấm, hoặc tạo hơi để đẩy turbine tạo điện.
Loại thứ hai đã tồn tại từ lâu, và đang thể hiện ngày càng nhiều tiềm năng khi lĩnh vực này phát triển các kỹ thuật mới. Chuyên gia gọi nó là Hệ thống Địa nhiệt Nâng cao hoặc EGS.
An example of an EGS. Image: IPCCĐây là các hệ thống không nhất thiết phải sử dụng các giếng địa nhiệt hiện tại nơi nhiệt độ của Trái Đất trào lên giữa các tấm kiến tạo. Chúng tạo ra giếng nhân tạo bằng cách khoan lỗ, bơm chất lạnh xuống qua những lỗ đó, và rút chất nóng từ chúng để tạo điện hoặc nhiệt.
Thách thức cho các hệ thống EGS
Tuy nhiên, EGS gặp nhiều vấn đề. Trước hết, việc tìm một nơi tốt để khoan một lỗ có thể cung cấp thực sự một số nhiệt độ là khó khăn. Vỏ Trái Đất thay đổi về độ dày, nhiệt độ và thành phần, và đối với hầu hết các hình thức năng lượng địa nhiệt hiện tại, cần một sự rỗng nào đó để có thể bơm đủ nước qua để hấp thụ nhiệt.
Thứ hai, khoan đến một độ sâu đủ nóng là một chi phí đắt đỏ. Không phải là chuyện đùa khi khoan giữa các lớp cặn và đá ở những nơi nhiệt độ ngày càng tăng. Khoan làm mòn và giếng phải được ổn định để không sụp đổ vào chính nó hoặc rò rỉ nhiệt độ hoặc chất lỏng ra môi trường xung quanh.
Và thứ ba, khi lỗ đã có, năng lượng cần phải được sử dụng, điều này đòi hỏi cơ sở hạ tầng. Năng lượng địa nhiệt có thể được khai thác bằng cách khác nhau, phổ biến nhất trong số đó là bơm nước lạnh xuống lỗ và bơm nước ấm lên để chuyển thành điện hoặc sử dụng như nhiệt. Cái trước đòi hỏi một loại trao đổi nhiệt nào đó để tạo hơi, và cái sau đòi hỏi một cách để phân phối nhiệt đến nơi cần, như một ngôi nhà, hoặc một nhà máy.
Những vấn đề này đã lâu ngăn cản sự áp dụng rộng rãi của hệ thống EGS, mặc dù một số quốc gia đã nắm vững nghệ thuật hơn những quốc gia khác.
Hà Lan, và một số khu vực ở Pháp và Đức, đã sử dụng các giếng nước cạn hơn để làm nóng nước cho các ngôi nhà và nông nghiệp. Năm 2020, Hà Lan đã khai thác hơn 6 Petajoules nhiệt từ các giếng nước cạn EGS. Điều này sẽ đủ để sưởi ấm gần 120,000 ngôi nhà trong một năm.
Tuy nhiên, hiện tại, phần lớn được sử dụng để làm ấm những khu nhà kính xanh tiên tiến ở Hà Lan đến nhiệt độ chấp nhận được cho những thứ như cà chua (trong đó,
Chính phủ Hà Lan hy vọng khả năng này có thể được mở rộng để đáp ứng một phần tức cầu nhiệt của đất nước vào năm 2050, mặc dù điều đó sẽ đòi hỏi một sự gia tăng đáng kể về số giếng mới được khoan, theo Frank van Bergen của Trung tâm Địa học bền vững tại TNO.
Đồng thời, các công ty khác đang tập trung vào các giải pháp khác cho các vấn đề của các hệ thống EGS.
Giếng nước nhiệt địa lý sâu nhất châu Âu
Công ty Slovakia GA Drilling đang phát triển một kỹ thuật sử dụng plazma để thực tế hóa đá trên đường xuống. Họ tuyên bố giải pháp của họ rẻ hơn một trật tự so với việc khoan thông thường ở độ sâu, có thể di chuyển nhanh hơn và lý thuyết có thể tạo lỗ sâu tới 10 km. Công ty sẽ sớm kiểm tra công nghệ của mình để khoan giếng nước nhiệt địa lý sâu nhất châu Âu trong một mỏ ở Phần Lan.
Các công ty khác đang tập trung vào việc tăng hiệu suất của các giếng nước nhiệt địa lý hiện tại hoặc mới, về cơ bản là cho phép khoan giếng nhiệt địa lý mà không phụ thuộc vào sự thấm cho qua của đá xung quanh giếng.
Radial Drilling, một công ty Hà Lan, đã phát triển một kỹ thuật sử dụng chất lỏng áp suất cao để khoan ra các tay ngang từ một giếng nước hiện tại, lên đến 100 mét. Điều này tạo ra nhiều diện tích tiếp xúc hơn cho chất lỏng sưởi ấm, nhiều cơ hội hơn để hấp thụ năng lượng, và vì nó tạo ra không gian nhân tạo cho chất lỏng sưởi ấm, nó mở rộng khu vực sẵn có cho năng lượng địa nhiệt.
Cuối cùng, có các công ty như Yeager Energy, hoặc những ông lớn như Vattenfall về phía sử dụng, đầu tư vào cơ sở hạ tầng lấy nhiệt từ giếng nước nhiệt địa lý để lưu trữ và phân phối qua hệ thống sưởi ấm khu vực, điều này quan trọng để thực sự sử dụng nhiệt độ của Trái Đất.
Eavor’s AGS. Image: EavorVòng đóng
Bây giờ, đến với đỉnh cao của sản xuất năng lượng địa nhiệt. Các chuyên gia gọi đó là Hệ thống Địa nhiệt Tiên tiến (AGS), và điều làm nổi bật chúng so với EGS là những hệ thống này là vòng đóng, vì vậy không có chất lỏng thoát khỏi hệ thống — giống như hệ thống sưởi ấm trung tâm tại nhà bạn.
Đặc điểm này mang lại cho những hệ thống này một số ưu điểm nhất định, nhưng cũng khá nhiều thách thức (mới).
Thứ nhất, chúng không phụ thuộc vào cấu trúc của đá ngầm. Khác với EGS, cần một sự rỗng lọt nhất định để bơm chất lỏng qua, AGS bao gồm một bộ ống đóng cửa làm nhiệt chiết xuất. Điều này có nghĩa là một hệ thống như vậy có thể được đặt ở bất cứ đâu.
Thứ hai, khi thực hiện đúng cách, sự chênh lệch nhiệt độ giữa nước đổ vào và nước chảy ra có thể tạo ra điều được biết đến là một hiện tượng Thermosiphon. Nước lạnh đi xuống 'đẩy' nước nóng có mật độ thấp lên, điều này về cơ bản loại bỏ nhu cầu về một máy bơm.
Rõ ràng, việc đạt được thiên đàng của năng lượng chảy tự do này không dễ dàng. Ngoài các vấn đề đối mặt với EGS, AGS yêu cầu một vòng đóng, điều này có nghĩa là giếng phải được kín đáo hoàn toàn khỏi lớp chất lỏng hoặc đá xung quanh. Các giếng phải kết nối, đòi hỏi các kỹ thuật khoan phức tạp hơn. Và, giống như với EGS, các dự án mới đối mặt với sự phản đối từ địa phương và hàng dãy thủ tục rối bời.
Nhưng các công ty đang từ từ vượt qua những rào cản này.
20 kilomet dưới bề mặt
Chỉ trong tháng Hai vừa qua, một công ty tách ra từ MIT mang tên Quaise nhận được rất nhiều sự chú ý khi thông báo sẽ sử dụng tia năng lượng hướng để khoan xuống khoảng 20 kilomet dưới bề mặt. Nhiệt độ ở đó dự kiến sẽ ở khoảng 500°C, điều này sẽ cho phép chiết suất nhiệt hiệu quả, nhờ vào các tính chất thực sự tuyệt vời của nước siêu cấp kỳ gọi là.
Hậu thuẫn bởi hơn 60 triệu đô la vốn đầu tư, công ty dự kiến sẽ bắt đầu hoạt động vào năm 2024, với một nhà máy điện thực tế hoạt động vào năm 2026.
Không chỉ tài năng của họ nằm ở việc sử dụng ánh sáng thay vì mũi khoan, mà còn ở chỗ hệ thống của họ sẽ kết nối hơi nước được tạo ra bởi nhiệt từ sâu thẳm đến các nhà máy điện than hiện có, loại bỏ nhu cầu về cơ sở hạ tầng bổ sung.
Ít hoành tráng hơn một chút, nhưng vẫn quan trọng, là những nỗ lực để tận dụng nhiệt độ của Trái Đất ở nhiệt độ thấp không đòi hỏi khoan sâu hơn bao giờ hết. Một loạt các công ty đã tham gia vào lĩnh vực này, với các đầu tư theo đuổi hứa hẹn về doanh nghiệp lâu dài có lợi nhuận.
Eavor’s AGS. Image: EavorCông ty khởi nghiệp Canada Eavor đã phát triển một hệ thống đóng cửa cơ bản khoan ra một tản nhiệt dưới lòng đất lớn để nhận nhiệt. Hệ thống của họ khoan xuống theo chiều dọc đến khoảng 3.000 mét, sau đó khoan các lỗ ngang dài vài kilômét trước khi quay lại lên. Hiệu quả, nó có hình dạng giống như một tản nhiệt.
Cả hai địa điểm trên mặt đất đều chứa một đơn vị điện có thể chuyển đổi nhiệt thành điện, hoặc truyền nó vào hạ tầng sưởi ấm công nghiệp hoặc dân dụ.
Chuyển đổi sang các dự án địa nhiệt
Eavor gần đây đã nhận được một vòng gọi vốn lớn — được hậu thuẫn bởi các cơ sở đầu tư của BP và Chevron — và có các dự án được xếp hàng ở khắp châu Âu. Ở lục địa này, gần 50% tổng cầu năng lượng cho mục đích sưởi ấm nhà ở và thương mại chứ không phải là điện, làm cho nó trở thành một ứng viên lý tưởng cho những hệ thống nhiệt độ thấp như vậy. Ở Đức, nơi hỗ trợ của chính phủ cho các sáng kiến về năng lượng sạch là mạnh mẽ, Eavor cho biết họ có khoảng 50 dự án được xếp hàng.
Hans Kol, quản lý quốc gia của Eavor tại Hà Lan, cho biết có nhiều dự án hứa hẹn ở châu Âu đã được phê duyệt. Kol có hơn 35 năm kinh nghiệm trong khoan dầu và khí, và nói với tôi rằng nhiều đồng nghiệp của ông đang chuyển sang áp dụng chuyên môn của họ cho các dự án địa nhiệt, “họ cũng nhìn thấy nó có hạn,” anh ta nói đùa.
Ở Hà Lan, việc khoan sẽ bắt đầu trong vài năm tới ở hai địa điểm gần Leiden và Purmerend, với một địa điểm khác ở Tilburg.
Những vòng lặp Eavor này sẽ cung cấp từ 12 đến 15 MW năng lượng mỗi cái — tương tự như công suất của cánh quạt gió lớn nhất, nhưng độc lập với thời tiết. Sự khác biệt lớn là vì đây là các hệ thống nhiệt độ thấp, chúng sẽ được kết nối vào các mạng sưởi ấm thành phố, chứ không phải là máy phát điện.
Đầu tư lớn
Mặc dù hệ thống đã được chứng minh là hoạt động, Kol nói rằng chúng ta nên so sánh công nghệ AGS với năng lượng gió 15 năm trước. Đó là một ngành công nghiệp mới mẻ vẫn còn một số vấn đề cần giải quyết, chủ yếu là về chi phí, và vẫn đang được hỗ trợ bởi chính phủ và quỹ EU.
“Đây là một đầu tư lớn để khoan những giếng này và tạo ra cơ sở hạ tầng cần thiết để di chuyển nhiệt độ,” Kol nói. “Nhưng giống như đường sắt, được xây dựng cách đây 100 năm, khi bạn có chúng, bạn sẽ rất hạnh phúc vì đã xây chúng.”
Mặc dù rõ ràng không phản ánh giá lâu dài, khí tự nhiên vượt quá 250 euro mỗi MWH tuần này. Kol ước tính giá năng lượng được sản xuất bởi các hệ thống sắp tới là khoảng 60 euro mỗi megawatt giờ — gấp khoảng hai lần giá năng lượng gió hiện tại — nhưng tin rằng chúng có thể giảm xuống cố định 30 euro mỗi MWH khi công nghệ trưởng thành.
Độc lập năng lượng
Kol cũng đề cập rằng rối rắm hành chính thường là một rào cản đáng kể đối với tốc độ tạo ra các dự án địa nhiệt mới trên khắp châu Âu. Quy định nghiêm ngặt được thiết lập để quản lý việc khoan dầu và khí vẫn định rõ các quy tắc xung quanh các giếng nước nhiệt mới, điều này có nghĩa là các công ty này phải vượt qua nhiều thách thức trước khi bắt đầu ở các địa điểm mới.
Long-term economic potentials for various geothermal applications in Europe at three different depth rangesNgược lại, khi nhiều thành phố châu Âu càng muốn loại bỏ sự phụ thuộc vào khí tự nhiên cho mục đích sưởi ấm — và lắp đặt thêm mạng lưới sưởi từ xa — họ có thể xem xét AGS là một nguồn (hoặc bổ sung) có thể đưa ra cho hệ thống sưởi không phát thải. Munich là một ví dụ tuyệt vời cho điều này, khi công trình đã bắt đầu cho một loạt giếng và hệ thống sưởi từ xa sẽ cung cấp 1,5 triệu cư dân với hệ thống sưởi và làm mát nhiệt địa cầu.
Ước tính về lượng điện châu Âu có thể được cung cấp từ nguồn nhiệt địa nhiệt độ dao động từ 4% đến 12.5%, điều này không nghe có vẻ ấn tượng cho một nguồn năng lượng không giới hạn. Nhưng khi chỉ xem xét về sưởi ấm, một báo cáo của Ủy ban châu Âu năm 2020 kết luận rằng, “với công nghệ hiện nay, 25% dân số châu Âu có thể triển khai hệ thống sưởi từ địa nhiệt một cách hiệu quả chi phí.”
Chúng ta vẫn còn một quãng đường dài để nhiệt địa nhiệt hoặc nguồn năng lượng trở nên phổ biến. AGS vẫn phải chứng minh được mình về mặt kinh doanh, nhưng đầu tư vào ngành công nghiệp này đang tăng, và điều này thu hút thêm tài năng, chuyên gia và sáng tạo. Nhưng mọi dấu hiệu đều chỉ về một tương lai tươi sáng cho nước nhiệt đất.
