C. Ở độ sâu 50km, nhiệt độ có thể đạt tới 1.500o
C. Để khai thác năng lượng địa nhiệt, người ta khoan các giếng sâu 3-5km, rồi đưa nước xuống vùng có nhiệt độ khoảng 200o
C khiến nước sôi lên, tạo thành năng lượng quay tuabin máy phát điện. Ở khu vực có suối nước nóng thì chỉ cần lấy nước ở ngay dưới lớp đất là có thể sử dụng được.
Các nhà máy sản xuất điện từ địa nhiệt có giá thành rẻ và sạch cho môi trường đã được xây nhiều ở Mỹ, Trung Quốc, Pháp, New Zealand, Nhật Bản, Philippines, Canada... Riêng tại Mỹ, điện địa nhiệt cho phép tiết kiệm tới 80 triệu thùng dầu mỗi năm. Hiện có khoảng 50 nước sử dụng địa nhiệt để sản xuất điện năng, với tổng lượng điện tính đến cuối năm 2007 là 9.732MW, chiếm 0,3% lượng điện năng sản xuất toàn cầu. Con số này hiện đang tăng bình quân 3% mỗi năm.Tính toán của các chuyên gia năng lượng Mỹ cho thấy, giá một k
Wh điện sản xuất từ những nguồn địa nhiệt dạng hơi nước nóng trên 250o
C chỉ là 2,1 cent với vốn đầu tư 300 USD/k
W và diện tích đất chiếm dụng 15 m2/k
W. Trong khi đó, giá 1k
Wh điện sản xuất từ nguồn nước nóng dưới 150o
C lên tới 5,1 cent, vốn đầu tư 850 USD/k
W và diện tích đất chiếm dụng 18,2 m2/k
W. Mức giá này phù hợp với số liệu tính toán của Công ty Ormat Hoa Kỳ trong dự án khai thác điện địa nhiệt từ một số nguồn nước nóng nhiệt độ thấp ở miền Trung Việt Nam. TS Võ Công Nghiệp (Hội Địa chất - Thủy văn Việt Nam) cho biết, ưu điểm của nguồn địa nhiệt nước ta là phân bố ở đều khắp lãnh thổ, nên có thể sử dụng rộng rãi ở nhiều địa phương nhưng các nguồn nhiệt ở nước ta có nhiệt độ không cao. "Với nhiệt độ thấp, sử dụng để phát điện sẽ tốn kém và cần điều tra nghiên cứu đầy đủ hơn. Tuy nhiên, cũng có thể xây dựng những trạm phát điện công suất nhỏ phục vụ những làng bản vùng sâu, nơi mạng lưới điện quốc gia chưa vươn tới" - ông Nghiệp nói.
Bạn đang xem: Sử dụng năng lượng nhiệt từ đất
Những bước đi đầu tiênTheo khảo sát và đánh giá của các nhà khoa học, hiện Việt Nam có khoảng 264 nguồn, suối nước nóng phân bố tương đối đều trên cả nước, như Kim Bôi (Hòa Bình), Thạch Bích (Quảng Ngãi), Bình Châu (Bà Rịa - Vũng Tàu)… với nhiệt độ trung bình từ 70-100o
C ở độ sâu 3km. Các nguồn nhiệt này có khả năng xây dựng các nhà máy điện có công suất từ 3 đến 30MW. Riêng khu vực từ Quảng Bình đến Khánh Hòa, nơi có các nguồn địa nhiệt với nhiệt độ từ 70-150o
C, được xem là có tiềm năng lớn để khai thác và xây dựng các nhà máy điện địa nhiệt với tổng công suất khoảng 200MW.Hiện tại, việc sử dụng nguồn năng lượng địa nhiệt ở Việt Nam hầu như chỉ dừng lại ở sấy nông sản. Các nhà khoa học thuộc Tổng cục Địa chất đã sử dụng nước nóng 64o
C (Mỹ Lâm) và 85o
C (Hội Vân) từ giếng khoan để sấy chè, cùi dừa, sắn, khoai, quả, dược liệu... Việc thử nghiệm cho kết quả khả quan, mở ra triển vọng phát triển năng lượng địa nhiệt ở nước ta. Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST) cũng tiến hành nghiên cứu, khảo sát khả năng sản xuất điện từ nguồn địa nhiệt nhưng đến nay chưa có dự án sản xuất điện nào. Viện Địa chất - Khoáng sản cũng đã từng hợp tác với một công ty lớn của Mỹ để biến nhiệt trong lòng đất thành điện nhưng không thành công vì giá điện từ địa nhiệt cao hơn so với giá điện hiện nay do chi phí cho công nghệ này lớn.Các tổ chức năng lượng xanh và giới khoa học đã tìm hiểu về nguồn năng lượng địa nhiệt của Việt Nam. Từ năm 2007, Viện Khoa học địa chất và tài nguyên Đức đã điều tra, khảo sát tiềm năng điện địa nhiệt ở sáu điểm nước nóng ở Tu Bông (Khánh Hòa), Phú Sen (Phú Yên), Hội Vân (Bình Định), Nghĩa Thuận, Thạch Trụ (Quảng Ngãi) và Kon Du (Kon Tum) và nghiên cứu phương án sử dụng hiệu quả tùy mức độ chất lượng từng nguồn nước. Riêng Tập đoàn Ormat đã chủ trương đầu tư xây dựng 5 nhà máy điện địa nhiệt tại Lệ Thủy (Quảng Bình), Mộ Đức, Nghĩa Thắng (Quảng Ngãi), Hội Vân (Bình Định) và Tu Bông (Khánh Hòa) với tổng công suất dự kiến lên đến 150-200MW. Tuy nhiên, tất cả đều chưa thể khởi công vì giá bán điện hiện còn thấp hơn giá thành. Đến nay, Quảng Trị đã cấp phép cho xây dựng nhà máy địa nhiệt đầu tiên tại Đakrông với công suất 25MW, mở ra hy vọng ngành điện sẽ có thêm một nguồn cung cấp mới cho điện lưới quốc gia trong tương lai gần.
Hãy tưởng tượng một ngôi nhàtrong đó nhiệt độ luôn mát mẻ, thoải mái, nhưng hệ thống sưởi và làm mát được giấu kín.
Hệ thống sưởi ấm và làm mát sẽ cung cấp không khí tươi mát cho ngôi nhà của bạn; bạn có thể nghe thấy tiếng chim hót líu lo và tiếng gió xào xạc qua những tán cây.Ngôi nhà sẽ chia sẻ năng lượng với trái đất tương tự như cách rễ cây trao đổi những điều thiết yếu của sự sống với lá và cành của chúng.Nghe có vẻ thoải mái phải không?
Một điều nữa là, hệ thống này hoạt động bền bỉ, có tuổi thọ cao lại không yêu cầu bảo dưỡng, bảo trì thường xuyên.
Bạn muốn ngôi nhà bạn có một hệ thống sưởi ấm và làm mát yên tĩnh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và thân thiện với môi trường?
Địa nhiệt có thể là giải pháp cho bạn.
1. Thế nào là năng lượng địa nhiệt?
Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất. Năng lượng này có nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt Trái đất. Các nhà khoa học đã nghiên cứu và chỉ ra rằng nhiệt độ ở tầng nông ngay dưới mặt đất khá ổn định trong cả năm mặc dù nhiệt độ không khí phía trên bề mặt có thể thay đổi rất nhiều từ ngày sang đêm hoặc mùa đông đến mùa hè; nhiệt độ chỉ cách một vài mét dưới bề mặt trái đất vẫn ở mức trung bình 12 - 20 °C quanh năm, nhiệt độ này sẽ phụ thuộc địa lý từng quốc gia. Càng đi sâu vào trong lòng trái đất, nhiệt độ thu được càng cao (ở lõi trái đất nhiệt độ có thể lên tới 6000 o
C) đây là nguồn năng lượng vô hạn có thể khai thác miễn phí nhờ một loạt các đường ống ngầm được đặt trong lòng đất. Người ta sử dụng nguồn năng lượng này với nhiều mục đích khác nhau, như: sản xuất điện năng, hơi nước, nước nóng hoặc để làm mát không khí trong mùa hè và sưởi ấm trong mùa đông… Bài viết này chỉ đề cập đến ứng dụng năng lượng địa nhiệt để làm mát và sưởi ấm không khí nhờ hệ thống thiết bị gọi là máy lạnh, bơm nhiệt địa nhiệt.
2. Sử dụng năng lượng địa nhiệt trong máy lạnh, bơm nhiệt
Trước khi tìm hiểu về máy lạnh, bơm nhiệt địa nhiệt chúng ta sẽ tìm hiểu về quá trình sưởi ấm và làm mát không khí từ máy lạnh, bơm nhiệt thông thường; đây là loại máy làm mát và sưởi ấm nhờ quá trình trao đổi nhiệt với nguồn nhiệt từ môi trường xung quanh trên mặt đất, cụ thể là môi trường không khí hoặc môi trường nước (ta tạm gọi là máy lạnh, bơm nhiệt kiểu truyền thống)
Nguyên lý hoạt động của máy lạnh, bơm nhiệt truyền thống
Vào mùa hè, không khí nóng được quạt hút và thổi qua bề mặt thiết bị bay hơi (đặt trong nhà); tại đây, không khí nhả nhiệt qua bề mặt ống cho môi chất lạnh tuần hoàn trong máy, không khí được làm lạnh và bị tách bớt hơi nước trước khi thổi vào phòng. Môi chất lạnh (4) nhận nhiệt của không khí và hóa hơi (1), hơi môi chất sau đó vào máy nén và được nén lên áp suất cao, hệ quả là hơi môi chất được nâng lên nhiệt độ cao (2). Hơi có nhiệt độ cao được đẩy vào thiết bị ngưng tụ (đặt ngoài nhà); tại đây hơi môi chất tỏa nhiệt qua bề mặt ống và truyền nhiệt ra môi trường bên ngoài, có thể là không khí hoặc nước. Hơi môi chất ngưng tụ thành lỏng (quá trình này diễn ra ở áp suất không đổi) nhiệt độ lỏng ngưng còn cao (3); chúng được đẩy qua van tiết lưu để giảm áp suất và nhiệt độ cũng giảm theo, cuối cùng quay trở lại thiết bị bay hơi (4), chu kỳ mới lại bắt đầu. Chu trình này, ta gọi là chu trình máy lạnh làm lạnh không khí. Ngược lại, về mua đông, khi cần sưởi ấm không khí trước khi thổi vào phòng, ta sẽ đổi chiều chuyển động của môi chất lạnh trong máy; khi đó thiết bị đặt trong phòng trở thành thiết bị ngưng tụ môi chất và thiết bị đặt ngoài nhà đóng vai trò như thiết bị bay hơi, ta gọi đây là chu trình bơm nhiệt sưởi ấm không khí (hình 1).
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý máy lạnh, bơm nhiệt
Nhược điểm của chu trình máy lạnh, bơm nhiệt kiểu truyền thống là chúng sẽ làm việc khá vất vả, hiệu quả làm việc giảm xuống rõ rệt khi gặp thời tiết khắc nhiệt hoặc đôi khi chúng không thể làm việc. Cụ thể, vào mùa hè, đối với thiết bị ngưng tụ, ở đây môi chất lạnh truyền nhiệt qua bề mặt ống cho môi trường không khí bên ngoài nhà, khi nhiệt độ môi trường bên ngoài cao, đôi khi rất cao, hệ quả là khả năng trao đổi nhiệt giảm xuống, để môi chất ngưng tụ được cần rất nhiều thời gian, khiến cho máy phải làm việc liên tục và tiêu tốn nhiều điện năng; quạt dàn nóng phải làm việc hết công suất, điều này gây ra độ ồn nhất định cho không gian bên ngoài. Về mùa đông, để bơm nhiệt có thể hoạt động được thì môi chất phải nhận nhiệt và chuyển pha (diễn ra tại thiết bị bay hơi đặt ở ngoài nhà); khi nhiệt độ bên ngoài quá thấp, đôi khi còn thấp hơn nhiệt độ chuyển pha của môi chất lạnh thì chúng không thể trao đổi nhiệt, hệ quả là thiết bị bơm nhiệt không hoạt động được.
Nguyên lý hoạt động của máy lạnh, bơm nhiệt địa nhiệt
Nguyên lý làm việc của máy lạnh, bơm nhiệt địa nhiệt về cơ bản khác máy lạnh, bơm nhiệt truyền thống ở môi trường trao đổi nhiệt. Ở đây, ta sẽ tận dụng năng lượng nhiệt trong lòng đất để thực hiện quá trình cho và nhận nhiệt (hình 2).
Vào mùa đông, sưởi ấm địa nhiệt hoạt động bằng cách di chuyển chất tải nhiệt (thường là nước có pha chất chống đông) qua một vòng ống ngầm bên dưới hoặc gần tòa nhà, văn phòng. Chất lỏng nhận năng lượng nhiệt tích tụ trong trái đất từ mặt trời, được đưa vào bơm nhiệt địa nhiệt. Tại đây, chất tải nhiệt dễ dàng truyền nhiệt cho môi chất lạnh trong thiết bị bay hơi, khác biệt so với môi chất lạnh phải trao đổi nhiệt với không khí lạnh bên ngoài đối với máy lạnh, bơm nhiệt truyền thống. Do đó, việc trao đổi nhiệt dễ dàng được thực hiện hơn.
Hình 2. Cấu tạo hệ thống máy lạnh, bơm nhiệt địa nhiệt
1. Bề mặt bức xạ hoặc hấp thụ nhiệt; 2. Bơm nhiệt; 3. Vòng tuần hoàn chất tải nhiệt đặt trong lòng đất
Vào mùa hè, làm mát địa nhiệt hoạt động bằng cách thay đổi chiều chuyển động của dòng môi chất lạnh trong bơm nhiệt; bộ phận trao đổi nhiệt giữa môi chất lạnh và chất tải nhiệt đặt trong đất trở thành thiết bị ngưng tụ và bộ phận trao đổi nhiệt giữa môi chất lạnh và nước hay không khí trong tòa nhà trở thành thiết bị bay hơi. Nhờ việc truyền nhiệt cho nước tuần hoàn trong lòng đất (có nhiệt độ thấp) mà quá trình ngưng tụ diễn ra dễ dàng hơn, hiệu quả hơn khi so sánh với quá trình truyền nhiệt cho không khí nóng bên ngoài như khi sử dụng máy lạnh truyền thống.
Kết quả là, máy bơm nhiệt nguồn mặt đất thường hiệu quả hơn máy bơm nhiệt nguồn không khí vì có ít biến động nhiệt độ dưới lòng đất hơn không khí bên ngoài.Điều đó có nghĩa, máy lạnh, bơm nhiệt địa nhiệt sử dụng ít năng lượng để sưởi ấm và làm mát hơn.
3. Một số kết luận
Tiết kiệm chi phí cho việc sưởi ấm và làm mát: Mặc dù chi phí ban đầu của hệ thống năng lượng địa nhiệt đắt hơn so với hệ thống nguồn không khí có cùng công suất. Tuy nhiên, tổng chi phí lắp đặt, vận hành, bảo trì, bảo dưỡng trong suốt vòng đời của hệ thống địa nhiệt có thể thấp hơn so với hệ thống điều hòa không khí thông thường.
Tuổi thọ thiết bị cao, ít đòi hỏi bảo trì bảo dưỡng thường xuyên: Khi được thiết kế và lắp đặt đúng, vòng tuần hoàn chôn sâu dưới đất có thể kéo dài qua nhiều thế hệ.Quạt, máy nén và máy bơm của thiết bị được đặt trong nhà, được bảo vệ khỏi các điều kiện thời tiết khắc nghiệt, vì vậy chúng có xu hướng tồn tại trong nhiều năm, thường là nhiều thập kỷ.
Thân thiện mới môi trường: Đối với các quốc gia có khí hậu lạnh, nhiệt độ âm vào mùa đông, việc sưởi ấm được thực hiện nhờ các nguồn nhiệt từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch; khi nhiên liệu hóa thạch được tiêu thụ để cung cấp điện cho các hệ thống sưởi ấm và làm mát thông thường, những nhiên liệu đó tạo ra khí độc tiềm tàng thải vào khí quyển, đây là nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường do khí phát thải.
Yên tĩnh hơn, hiệu quả hơn: Hiệu suất và hiệu quả của máy điều hòa không khí địa nhiệt không bị ảnh hưởng bởi thời tiết môi trường ngoài trời (nhiệt độ nóng hoặc lạnh).Máy bơm nhiệt địa nhiệt cũng không có thiết bị ngưng tụ bên ngoài như máy điều hòa không khí, vì vậy rất yên tĩnh và không phát ra tiếng ồn bên ngoài nhà.
Bơm nhiệt địa nhiệt sử dụng vòng tuần hoàn trao đổi nhiệt, nó sẽ làm nhỏ hơn đi rất nhiều so với hệ thống ống dẫn đối với hệ thống điều hòa thông thường. Hệ quả là sẽ có nhiều không gian của tòa nhà được giải phóng.
Đối với các tòa nhà lớn, có nhu cầu làm mát và sưởi ấm đồng thời. Vòng tuần hoàn có thể trao đổi tải làm mát với tải sưởi ấm, điều này có thể giúp giảm kích thước hệ thống tiếp xúc đất và nâng cao hiệu quả làm việc chung của thiết bị.
Xem thêm:
Khác biệt lớn nhất giữa máy lạnh, bơm nhiệt địa nhiệt với kiểu truyền thống đó chính là vai trò vô cùng quan trọng của hệ thống đường ống trao đổi nhiệt chôn dưới mặt đất (vòng tuần hoàn chất tải nhiệt). Nội dung này sẽ được trình bày trong phần “Vòng tuần hoàn chất tải nhiệt trong máy lạnh, bơm nhiệt địa nhiệt”.