Tài liệu Báo cáo môn học công nghệ nhà máy điện geothermal power – địa nhiệt điện

Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên Bộ Giáo Dục & Đào Tạo Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh ~~~~ʘ~~~~ Báo cáo môn học Công Nghệ Nhà Máy Điện (thuộc chương trình cao học kĩ thuật điện) Geothermal Power – Địa Nhiệt Điện GVHD: TS. Lê Chí Kiên HVTH: Nhóm 8 - Nguyễn Văn Hải - 1520614 - Nguyễn Nhật Thành - 1520635 - Lê Duy Đoan Chi - 1520605 - Nguyễn Minh Tiên - 1520642 TP. HỒ CHÍ MINH – 7/2015 Nhóm 8 Page 1 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên Nhận xét của Giảng Viên TS. Lê Chí Kiên Nhóm 8 Page 2 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên LỜI NÓI ĐẦU Đi đôi với sự tồn tại của thế giới này, năng lượng luôn đóng một vai trò cực kì quan trọng, bất kì hoạt động sinh hoạt và sản xuất nào cũng cần đến năng lượng. Không có năng lượng con người không thể tồn tại được. Năng lượng mà chúng ta cần đến có thể ở dưới các dạng khác nhau như: nhiệt năng, quang năng, cơ năng, điện năng,… dù ở dạng nào thì con người đều có thể làm cho chúng phục vụ nhu cầu của họ. Song năng lương không phải là vô tận, vì thế chúng ta phải luôn hướng tới việc khai thác đi đôi với bảo vệ các nguồn tài nguyên, đồng thời tìm kiếm các nguồn năng lượng mới thay thế và phuc vụ tốt nhu cầu của con người. Ngày nay, chúng ta có thể lợi dụng thế năng của dòng nước, hay nhiệt năng từ các nguồn năng lượng hóa thạch (than, dầu mỏ), hay cơ năng của gió, thủy triều, hay động năng của các hạt từ đó tạo ra điện năng, rồi từ điện năng có thể tạo ra các dạng năng lượng khác tùy nhu cầu của con người. Tuy nhiên, sự khai thác các nguồn năng lượng trên hoặc gây ô nhiễm môi trường (năng lượng hóa thạch, năng lương hạt nhân), cạn kiệt tài nguyên; hoặc phụ thuộc quá nhiều vào khí hậu, khó khăn trong khai thác và sử dụng (năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lương mặt trời). Vì thế đòi hỏi tìm ra các nguồn năng lượng ít gây ô nhiễm môi trường, dễ khai thác và sử dụng. Năng lượng địa nhiệt là một trong những nguồn năng lượng đó. Năng lượng địa nhiệt tuy không được ứng dụng phổ biến như Năng lượng mặt trời, năng lượng gió … song theo các nhà khoa học, năng lượng địa nhiệt là một nguồn năng lượng sạch, thân thiện và gần như vô tận, có thể đáp ứng cao hơn gấp 250.000 lần nhu cầu hàng năm của thế giới, tác động gần như bằng không đối với khí hậu hay môi trường. Với đề tài này, nhóm 8 mong muốn đưa đến cho thầy và các bạn những nhận định đúng đắn về “Địa nhiệt điện” cùng những ứng dụng to lớn của nó đến các mặt của đời sống, sản xuất. Báo cáo đồ án gồm 5 chương :     Nhóm 8 Chương 1. Tổng Quan Chương 2. Các vấn đề lý thuyết về Năng lượng địa nhiệt. Chương 3. Thực trạng việc ứng dụng năng lượng địa nhiệt trên. Chương 4. Thực trạng năng lượng địa nhiệt Page 3 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên  Chương 5. Quan điểm cá nhân về việc giải quyết những vấn đề tồn tại của năng lượng địa nhiệt. Đề tài này mô tả khá nhiều về các vấn đề của Địa nhiệt điện, nên không thể tránh khỏi các thiếu sót. Vì vậy, nhóm 8 rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cùng tất cả các bạn để có thể từng bước xây dựng đề tài ngày càng hoàn thiện và hiệu quả hơn. Xin chân thành cảm ơn! Nhóm 8 Page 4 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên MỤC LỤC Trang Trang bìa ................................................................................................................... 1 Nhận xét của Giảng viên ........................................................................................... 2 Lời nói đầu ................................................................................................................ 3 Mục lục ..................................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN................................................................................... 7 1.1 Tổng quan ..................................................................................................... 7 1.2 Năng lượng địa nhiệt và quá trình hình thành .............................................. 7 1.3 Mục đích khai thác năng lượng địa nhiệt .................................................... 10 CHƯƠNG 2: KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT ................................ 12 2.1 Phân loại các nguồn năng lượng địa nhiệt .................................................. 12 2.2 Các ứng dụng của năng lượng địa nhiệt ...................................................... 12 2.3 Khai thác địa nhiệt tầng nông...................................................................... 16 CHƯƠNG 3: NHÀ MÁY ĐỊA NHIỆT ĐIỆN ..................................................... 18 3.1 Quy trình sản xuất điện ............................................................................... 18 3.2 Nguyên lý và cấu tạo các nhà máy địa nhiệt điện ....................................... 19 3.2.1 Dry steam ........................................................................................... 19 3.2.2 Flash steam ......................................................................................... 21 3.2.3 Binary cycle ....................................................................................... 22 3.2.4 Liên hợp flash/binary ......................................................................... 24 CHƯƠNG 4: THỰC TRẠNG NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT ............................ 25 4.1 Năng lượng địa nhiệt trong sản xuất điện ................................................... 25 4.2 Hiện trạng phát triển năng lượng địa nhiệt tại Việt Nam ............................ 27 4.2.1 Nguồn năng lượng địa nhiệt tại Việt Nam ......................................... 27 4.2.2 Mức độ phát triển của ngành năng lượng địa nhiệt tại Việt Nam ...... 29 4.2.3 Hướng giải quyết ................................................................................ 29 4.3 Các vấn đề khác........................................................................................... 30 CHƯƠNG 5: QUAN ĐIỂM CÁ NHÂN VÀ VIỆC GIẢI QUYẾT NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI CỦA NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT ............. 33 5.1 Lý do nên phát triển năng lượng địa nhiệt .................................................. 33 Nhóm 8 Page 5 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên 5.2 Giá thành sản xuất ....................................................................................... 33 5.2.1 Giá thành cho ứng dụng trực tiếp địa nhiệt ....................................... 33 5.2.2 Chi phí sản xuất điện từ địa nhiệt .................................................... 33 5.3 Tiềm năng của ngành năng lượng địa nhiệt thế giới ................................... 37 5.4 Cơ hội phát triển ngành năng lượng địa nhiệt ............................................. 39 5.5 Đánh giá đối với Việt Nam ......................................................................... 39 5.6 Hướng phát triển trong tương lai và quan điểm bản thân về triển vọng ngành năng lượng địa nhiệt ......................................................... 40 5.7 Kết luận ....................................................................................................... 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 42 Nhóm 8 Page 6 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Địa Nhiệt là nguồn nhiệt năng có sẵn trong lòng đất. Cụ thể hơn, nguồn năng lượng nhiệt này tập trung ở khoảng vài km dưới bề mặt Trái Đất, phần trên cùng của vỏ Trái Đất. Cùng với sự tăng nhiệt độ khi đi sâu vào vỏ Trái Đất, nguồn nhiệt lượng liên tục từ lòng đất này được ước đoán tương đương với với một khoảng năng lượng cỡ 42 triệu MW. Lòng đất thì vẫn tiếp tục nóng hằng tỷ năm nữa, đảm bảo một nguồn nhiệt năng gần như vô tận. Chính vì vậy Địa Nhiệt được liệt vào dạng năng lượng tái tạo. Nguồn nhiệt lượng này được chuyển lên mặt đất qua dạng hơi hoặc nước nóng khi nước chảy qua đất đá nóng. Nhiệt lượng thường được sử dụng trực tiếp, ví dụ như hệ thống điều hòa nhiệt độ (bơm địa nhiệt), hoặc chuyển thành điện năng (nhà máy nhiệt điện). Địa nhiệt là dạng năng lượng sạch và bền vững. So với các dạng năng lượng tái tạo khác như gió, thủy điện hay điện mặt trời, địa nhiệt không phụ thuộc vào các yếu tố thời tiết và khí hậu. Do đó địa nhiệt cũng có hệ số công suất rất cao, nguồn địa nhiệt luôn sẵn sàng 24h/ngày, 7 ngày trong tuần. Prince Piero Ginori Conti đã thử nghiệm máy phát điện địa nhiệt đầu tiên vào ngày 4 tháng 7 năm 1904 tại Larderello, Italy. Cho đến nay, hơn 30 quốc gia trên thế giới đã khai thác tổng cộng 12.000 MW địa nhiệt cho các ứng dụng trực tiếp và sản xuất hơn 8.000 MW điện. Tại một vài quốc gia đang phát triển, địa nhiệt điện chiếm một vai trò đáng kể trong việc đáp ứng nhu cầu điện. Hình 1.1 Máy phát điện địa nhiệt đầu tiên. Nhóm 8 Page 7 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên Các nhà máy địa nhiệt có giới hạn công suất từ 100 kW cho đến 100 MW, phụ thuộc vào nguồn năng lượng vào nhu cầu điện năng. Kỹ thuật này rất thích hợp cho điện khí hóa nông thôn và các ứng dụng mạng lưới mini (mini-grid), bên cạnh ứng dụng trong việc hòa mạng quốc gia. Tại các quốc gia có nguồn tài nguyên eo hẹp hoặc có điều kiện khí hậu khắc nghiệt, địa nhiệt điện có thể đóng một vai trò rất hữu dụng. Các ứng dụng trực tiếp của địa nhiệt có thể góp phần tăng đáng kể sản lượng nông nghiệp và ngư nghiệp (nuôi trồng thủy hải sản) và cung cấp nhiệt cho các quá trình xử lý công nghiệp phụ trợ. Nguồn địa nhiệt được xem là đặc biệt quan trọng đối với các quốc gia đang phát triển mà lại không có các nguồn tài nguyên năng lượng như than, dầu và khí tự nhiên. Tương tự như hầu hết các dạng năng lượng khác, các nhà máy điện địa nhiệt có các thuận lợi và tác động môi trường nhất định. Các vấn đề môi trường liên quan đến địa nhiệt gồm có: khí thải, sử dụng nguồn nước, nguồn đất, quản lý chất thải, subsidence (sụp lún), địa chất cảm ứng, tác động về quần thể động vật và thực vật. Giá thành địa nhiệt điện phụ thuộc mật thiết vào nguồn địa nhiệt và qui mô nhà máy. Giá điện dao động từ 2,5-10 xu Mỹ/kWh. Giá hơi nước (steam) thì có thể xuống đến 3,5 USD/tấn. Các yếu tố ảnh hưởng đến giá cả địa nhiệt điện là độ sâu và nhiệt độ của bồn địa nhiệt, sản lượng khai thác của giếng, các vấn đề đáp ứng tiêu chuẩn về môi trường, cơ sở hạ tầng và các yếu tố kinh tế khác như qui mô phát triển, qui hoạch tài chính. 1.2 Năng lượng địa nhiệt và quá trình hình thành  Năng lượng địa nhiệt là dạng năng lượng tồn tại trong lòng đất ở dưới dạng nhiệt năng. Năng lượng địa nhiệt, dạng nhiệt năng tự nhiên ở sâu trong lòng trái đất, phát sinh từ nguồn nhiệt sơ khai trong lòng trái đất, từ nhiệt ma sát do các phiến lục địa trượt lên nhau, và từ sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ tồn tại tự nhiên với 1 lượng nhỏ trong đá. Hình 1.2 Cấu tạo và nhiệt độ từng lớp vỏ Trái Đất. Nhóm 8 Page 8 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên  Năng lượng địa nhiệt được tạo ra do các quá trình phản ứng phóng xạ hạt nhân của các nguyên tố phóng xạ nặng có trong lòng Qủa Đất như thori ( Th ) , protactini (Pa) , urani (U) , … . Đây là nguồn nhiệt chính.  Nhiệt năng cũng có thể tích tụ dần thông qua sự hấp thụ năng lượng mặt trời của lớp vỏ trái đất.  Năng lượng địa nhiệt còn được tạo ra do ma sát khi hai mảnh vỏ Qủa Đất dịch chuyển mà một mảnh chuyển động trượt trên mảnh kia.Một phần trong tổng khối nhiệt lượng khổng lồ trong lòng Trái Đất này bắt nguồn từ quá trình hình thành hành tinh trong khoảng 4,5 tỷ năm trước (Trái Đất hình thành từ một khối cầu vật chất cực nóng, nguội dần từ trong ra ngoài qua quá trình quay quanh trục), và phần còn lại là kết quả của quá trình phân rã của các nguyên tố phóng xạ tồn tại trong lõi Trái Đất. Theo nguyên lý tuần hoàn nhiệt lượng từ nơi nhiệt độ cao xuống nhiệt độ thấp, dòng nhiệt của Trái Đất di chuyển từ trong lõi ra ngoài vỏ. Hình 1.3 Quá trình hình thành địa nhiệt từ sự di chuyển của các mảng vỏ Trái Đất. Dưới tác động của một quá trình địa chất gọi là kiến tạo mảng, vỏ Trái Đất được phân ra thành 12 mảng lớn và được tái tạo (tái sinh) một cách chậm chạp qua hàng triệu năm. Các mảng này di chuyển tương đối với nhau (phân tách hoặc hội tụ) với tốc độ vài cm/năm. Khi hai mảng kiến tạo va chạm vào nhau, 1 mảng có thể hút chìm xuống mảng còn lại, tạo nên các trũng đại dương và gây ra động đất . Đây chính là nơi vỏ Trái Đất trở nên yếu hơn bình thường, cho phép vật chất nóng từ trong lòng đất dịch chuyển lên mặt. Ở độ sâu lớn tại đới hội tụ, ngay bên dưới mảng sụp chìm, nhiệt độ tăng lên đủ cao đến nung chảy đất đá và tạo ra magma (nham thạch). Do có mật độ thấp hơn khối đất đá xung quanh, magma di chuyển lên phía trên vỏ Trái Đất và mang theo nhiệt lượng cùng với nó. Đôi khi magma di chuyển lên tới bề mặt Trái Đất thông qua các điểm yếu của vỏ Trái Đất và phun trào lava tại các miệng núi lửa. Tuy nhiên, đa phần magma được giữ lại trong vỏ Trái Đất và nung nóng đất đá và các khối nước ngầm. Một phần khối nước nóng này có thể di chuyển lên mặt đất thông qua các đới Nhóm 8 Page 9 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên đứt gãy hoặc khe đá rạn, hình thành suối nước nóng. Một khi khối nước nóng và hơi nước này bị “bẫy” do khối đất đá không thấm ở phía bên trên và được giữ lại trong khối đất đá thấm, bồn trũng địa nhiệt được hình thành . Các bồn trũng này chính là nguồn địa nhiệt có thể được dùng trực tiếp hoặc để sản xuất điện qua hệ thống turbine hơi nước. Theo tính toán , nhiệt độ của tâm trái đất vào khoảng 6650°C. Trái đất nguộidần với tốc độ khoảng 300 đến 350°C trong một tỉ năm .Tại một số vùng trong vỏ trái đất đặc biệt tại những vùng có hoạt động địa trấn mạnh nhiệt độ tăng rất nhanh theo chiều sâu . Năng lượng địa nhiệt là nguồn nhiệt tự nhiên được lấy trong lòng quả đất bằng cách khoan sâu xuống lòng đất . Nguồn nhiệt này được đưa lên mặt đất dưới dạng hơi nóng hoặc nước nóng . Hình 1.4 Các dạng biểu hiện của nguồn năng lượng địa nhiệt trên mặt đất. Chúng ta đều biết rằng lớp trên cùng của vỏ Trái đất chỉ có nhiệt độ bình quân trong năm là 15°C. Dưới lớp đó là một lớp có nhiệt độ bình quân là 540°C. Trên bao Manti nhiệt độ trung bình là 650°C. Vùng quá độ có nhiệt độ bình quân là 1000°C. Lớp dưới bao manti có nhiệt độ bình quân là 3000°C. Tại lớp Lõi ngoài có nhiệt độ bình quân là 5000°C . Còn tại lớp Lõi trong nhiệt độ bình quân là 7000°C. Khối năng lượng khổng lồ đó tồn tại đồng hành với Trái đất và là nguồn năng lượng vô hạn sinh ra từ các chuỗi phản ứng hạt nhân, sự phân hủy các chất phóng xạ tiến hành thường xuyên trong lòng Trái đất. Đi sâu xuống lòng đất 2-40m (tùy địa điểm)thông thường ta sẽ gặp tầng Thường ôn, tức là tầng có nhiệt độ không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ Mặt Trời (ở Maskva là độ sâu 20m, ở Paris là 28m). Dưới tầng Thường ôn càng xuống sâu nhiệt độ càng tăng. Người ta gọi Địa nhiệt cấp là độ sâu tính bằng mét đủ để nhiệt độ tăng lên 1°C. Trị số trung bình là 33m. Nếu xuống sâu được đến 60km thì có nhiệt độ tới Nhóm 8 Page 10 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên 1800°C. Thường thường để khai thác nguồn năng lượng địa nhiệt người ta chỉ cần khoan các giếng sâu 4-5km. Ví dụ nhà máy địa nhiệt ở Soultz, cách Strasbourg, cách Strasbourg (đông bắc nước Pháp) 50km về phía Bắc. Đưa nước xuống độ sâu khoảng 5km là tới vùng có nhiệt độ khoảng 200°C. Nước được làm sôi lên sẽ theo ống dẫn lên và làm chạy máy phát điện. 1.3 Mục đích khai thác năng lượng địa nhiệt Năng lượng địa nhiệt được con người phát hiện ra từ rất sớm, ban đầu nó chủ yếu được sử dụng để: sưởi ấm, cung cấp nước nóng, du lịch, làm tan tuyết, hay dùng để chữa bệnh,… Ngày nay, với công nghệ phát triển, ngoài việc sử dụng trực tiếp chúng, thì việc sản xuất điện từ năng lượng địa nhiệt không còn khó khăn nữa. Theo các chuyên gia nghiên cứu nếu khai thác tốt nguồn năng lượng này thì không những đáp ứng đủ điện năng cho toàn cầu mà chúng có thể gấp hàng trăm lần so với lượng điện hiện nay. Nhóm 8 Page 11 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên CHƯƠNG 2 KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT 2.1 Phân loại các nguồn năng lượng địa nhiệt Có 4 loại nguồn địa nhiệt chính sau :  Nguồn nước nóng Là nguồn nước bị nung nóng dưới áp suất cao, các nguồn hơi nước hay hỗn hợp của chúng ở trong các tầng đá xốp rỗ, hoặc ở trong các khe nứt gãy của đá, nó bị giữ lại bởi một lớp đá khác đặc kín và không thấm. những nguồn nước nóng chất lượng cao là các nguồn chỉ chứa hơi nước có lẫn một ít nước hay chứa hoàn toàn hơi ở nhiệt độ cao hơn 240oC.  Nguồn áp suất địa nhiệt Là các nguồn chứa nước muối có nhiệt độ trung bình và chứa khí metan (CH4) hòa tan. Các nguồn này bị vỏ Qua Đất nén lại dưới áp suất rất cao dưới các tầng trầm tích sâu và bị bao bọc bởi các lóp đất sét và trầm tích không thấm nước. Áp suất ở các nguồn này nằm trong khoảng từ 34MPa đến 140MPa và ở độ sâu từ 1500m đến 15000m. Nhiệt độ của các nguồn áp suất địa nhiệt thường ở trong khoảng 90 đến 200c€.  Nguồn đá nóng khô Bao gồm các khối đá ở nhiệt độ cao, từ 90 °c đến 650 °c. Các nguồn đá này có thể bị nứt gãy nên có thể chứa một ít hoặc không có nước nóng. Đe khai thác nguồn địa nhiệt này người ta khoan sâu đến tầng đá, tạo ra các nứt gãy nhân tạo, sau đó sử dụng một chất lỏng nào đó làm chất vận chuyển nhiệt bơm qua tầng đá đã bị làm nứt gãy để thu nhiệt. Tuy nhiên việc khai thác năng lượng địa nhiệt từ các nguồn đá nóng khô rất khó khăn và hiệu quả kinh tế không cao so với việc khai thác các nguồn địa nhiệt khác.  Nguồn năng lượng địa nhiệt từ các núi lửa hoạt động và magma Năng lượng địa nhiệt ở các lỗ hổng núi lửa đang hoạt động có nhiều trên thế giới. Magma là đá nóng chảy có nhiệt độ từ 700 °c đến 1600°c. Khi còn nằm dưới vỏ Quả Đất đá nóng chảy là một phần của vỏ Quả Đất có độ dày khoảng 24 đến 48km. Các nguồn magma chứa một nguồn năng lượng khổng lồ, lớn nhất trong các nguồn địa nhiệt, nhưng nó ít khi ở gần mặt đất nên việc khai thác rất khó khăn. 2.2 Các ứng dụng của năng lượng địa nhiệt Nguồn nước nóng gần bề mặt Trái Đất có thể được sử dụng trực tiếp như nhiệt lượng. Một số ứng dụng trực tiếp của địa nhiệt là: hệ thống suởi, nhà kính, sấy thóc, làm ấm nước ở các trại nuôi cá, hoặc một số các ứng dụng trong công nghiệp như tiệt trùng sữa. Địa nhiệt có 3 ứng dụng chính như sau: Nhóm 8 Page 12 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên  Sản xuất điện năng: người ta có thể khoan các giếng xuống các bể địa nhiệt để hút hơi nước hoặc nước nóng cho việc vận hành turbine trên mặt đất, một cách trực tiếp hoặc gián tiếp.  Sử dụng trực tiếp: nguồn nước nóng gần bề mặt Trái Đất có thể được sử dụng trực tiếp như nhiệt lượng. Một số ứng dụng trực tiếp của địa nhiệt là: hệ thống suởi, nhà kính, sấy thóc, làm ấm nước ở các trại nuôi cá, hoặc một số các ứng dụng trong công nghiệp như tiệt trùng sữa. Hình 2.1 Suối nước nóng Các bồn địa nhiệt có nhiệt độ từ 200C-1500C có thể cung cấp trực tiếp nhiệt cho các ứng dụng trong công sở, nhà ở và công nghiệp. Ngoài ra, các lưu chất nhiệt độ cao từ các nhà máy địa nhiệt có thể được tái sử dụng cho các ứng dụng trực tiếp, được gọi là kỹ thuật bậc thang (cascaded operation). Ứng dụng trực tiếp của địa nhiệt trong nhà ở và công sở giúp tiết kiệm đáng kể so với sử dụng năng lượng hóa thạch (lên đến 80% so với chi phí sử dụng NL hóa thạch). Bên cạnh đó, kỹ thuật này cũng rất “sạch”, không/hoặc thải ra rất ít các khí gây ô nhiễm môi trường. Hệ thống ứng dụng trực tiếp thông thường bao gồm 3 phần chính như sau: o Phương tiện khai thác để hút nước nóng từ bể lên mặt đất: giếng địa nhiệt o Hệ thống cơ học dùng để luân chuyển nhiệt: ví dụ như ống dẫn, bộ trao đổi nhiệt (heat exchanger), bộ điều khiển o Hệ thống disposal để nhận lưu chất địa nhiệt đã nguội lại – như injection well hoặc giếng trữ (storage pond). Các ví dụ điển hình về sử dụng trực tiếp là Hệ thống sưởi nhà cửa, các nhà kính (greenhouses), và các phương tiện nuôi trồng thủy sản. Các ứng dụng công nghiệp như sấy khô thực phẩm, giặt ủi, khai thác vàng, tiệt trùng sữa, các dịch vụ tắm hơi … Nhóm 8 Page 13 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên Hình 2.2 Nhà kính sử dụng năng lượng địa nhiệt Trong lĩnh vực sử dụng trực tiếp, hệ thống sưởi vẫn chiếm tỷ lệ cao nhất (37%), tiếp đến là các dịch vụ như tắm hơi/hồ bơi (22%), bơm địa nhiệt điều hòa nhiệt độ (14%), nhà kính (12%), nuôi trồng thủy sản (7%) và các dịch vụ công nghiệp khác (7%) (Lund and Freeston, 2000). Châu Á hiện nay đã dành vị trí dẫn đầu trong việc khai thác trực tiếp địa nhiệt (44%), sau đó là Châu Âu (37%) và Châu Mỹ (14%).  Bơm địa nhiệt: hay còn được biết như bơm nhiệt từ lòng đất (ground-source heat pump), là một kỹ thuật năng lượng mới có hiệu suất cao và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hộ gia đình cũng như trong công sở. Kỹ thuật này ứng dụng trong việc điều hòa nhiệt độ và cung cấp nước nóng. Thuận lợi lớn nhất của nó là khả năng tập trung nhiệt từ tự nhiên (lòng đất) hơn là tạo nhiệt từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm môi trường. Hầu hết ở mọi nơi trên bề mặt Trái Đất, nhiệt độ của lòng đất ở 30 cm trên cùng giữ một nhiệt độ tương đối ổn định vào khoảng 100-160 C. Hệ thống bơm địa nhiệt có thể tận dụng nguồn nhiệt này để điều hòa nhiệt độ các tòa nhà. Hệ thống bơm gồm có một bơm nhiệt, một hệ thống dẫn khí, một hệ thống trao đổi nhiệt (hệ thống ống đặt chìm trong lòng đất gần tòa nhà). Vào mùa đông, bơm nhiệt sẽ "lấy" nhiệt từ hệ trao đổi nhiệt và bơm vào hệ thống dẫn nhiệt ở trong nhà. Vào mùa hè, quá trình này được đảo ngược, bơm nhiệt sẽ "rút" nhiệt từ trong nhà và bơm vào hệ thống trao đổi nhiệt. Mặt khác, nhiệt rút ra từ không khí trong nhà sẽ còn có thể được sử dụng để đun nước ấm sử dụng trong mùa hè. Nhóm 8 Page 14 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên Hình 2.3 Bơm địa nhiệt, trên các dạng đường ống khác nhau của hệ thống bơm địa nhiệt. Một lưu chất sẽ được bơm vào các ống này để thu nhiệt từ lòng đất ( vào mùa đông hoặc thải nhiệt về lòng đất ( vào mùa hè). Một hệ thống bơm địa nhiệt bao gồm các phần như sau:  Hệ nối đất (earth connection): sử dụng Trái Đất như nguồn nhiệt, bao gồm một hệ các ống dẫn, thường được gọi là loop, chôn dưới mặt đất ở khu vực gần công trình xây dựng. Hệ thống này có thể được chôn dọc hoặc chôn ngang. Hệ thống này luân chuyển một lưu chất (nước, hoặc hỗn hợp nước và chất chống đông – antifreeze) hấp Nhóm 8 Page 15 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên thụ nhiệt, hoặc “nhả” nhiệt, từ khối đất đá ép xung quanh, tùy thuộc vào nhiệt độ không khí cao hơn hoặc thấp hơn nhiệt độ đất.  Bơm nhiệt (heat pump): một máy bơm nhiệt hút nhiệt từ lưu chất luân chuyển trong loop, tập trung nhiệt này lại và chuyển nó vào trong tòa nhà. Để làm mát, quá trình này được đảo ngược.  Các ống dẫn nhiệt (ductwork) thông thường được sử dụng để phân bố không khí ấm hoặc mát từ bơm địa nhiệt ra khắp tòa nhà. Trong thập kỷ vừa qua, một số quốc gia đã tiến hành khuyến khích việc khai triển bơm địa nhiệt cho việc điều hòa nhiệt độ vào mùa đông và mùa hè với nhiều chương trình trợ giá hấp dẫn khác nhau. Hoa Kỳ hiện vận dẫn đầu trong ứng dụng bơm địa nhiệt (đạt 3.300 GWh/năm theo số liệu năm 1999), với tăng trưởng mỗi năm là 10%. Các quốc gia dẫn đầu khác là Thụy Sĩ, Thụy Điển, Đức, Áo và Canada 2.3 Khai thác địa nhiệt tầng nông  Khai thác địa nhiệt tầng nông là khai thác nhiệt của đất nằm ở độ sâu từ 1 đến 150m dưới bề mặt đất. Nhờ có những công nghệ tiên tiến (máy bơm nhiệt, máy thu tích nhiệt, mũi hút địa nhiệt, giếng nước ngầm hay các tấm bê tông áp đất) mà lượng nhiệt tầng nông tuy có độ chênh lệch nhiệt độ tương đối thấp so với nhiệt độ không khí song vẫn có thể được khai thác phục vụ cho sưởi ấm vào mùa đông và làm mát về mùa hè cho các công trình như nhà văn phòng, trường học, nhà trẻ, trạm y tế, siêu thị,. . . Gần 80% nhiệt lượng dùng cho việc sưởi ấm hay làm mát toà nhà đều được khai thác từ nguồn cấp nhiệt nằm ngay trong lòng đất và như vậy việc sưởi ấm hay làm mát có thể được coi gần như không có xả thái khí C02 và không hề ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu. Trong báo cáo này sẽ giới thiệu về mặt kỹ thuật và công nghệ, phân tích ở khía cạnh kinh tế và tác dụng môi trường cũng như nêu xu thế chung.  Bơm địa nhiệt hay còn được biết như bơm nhiệt từ lòng đất (ground-source heat pump), là một kỳ thuật năng lượng mới có hiệu suất cao và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hộ gia đình cũng như trong công sở. Kỹ thuật này ứng dụng trong việc điều hòa nhiệt độ và cung cấp nước nóng. Thuận lợi lớn nhất của nó là khả năng tập trung nhiệt từ tự nhiên (lòng đất) hơn là tạo nhiệt từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch gây ô nhiễm môi trường.  Máy bơm nhiệt có tác dụng lấy hoặc hút nhiệt từ trong lòng đất nhờ một lượng nhiệt nhỏ "làm mồi" cho khởi động vận hành bộ phận cơ hay nhiệt để nâng từ một nhiệt độ thấp đến một nhiệt độ cao nhất định nào đó. Trong trường họp làm lạnh thì nguyên tắc hoạt động ngược lại. Việc truyền nhiệt trong máy bơm nhiệt được tiến hành theo một vòng tuần hoàn động nhiệt khép kín mà trong đó lãnh chất đóng vai trò quan trọng và có ý nghĩa lớn nhất (Hình). Hoạt động của máy bơm như sau:  Trong máy bốc hơi thì lãnh chất lạnh ở thể lỏng tiếp nhận nhiệt từ nguồn nóng và làm bốc hơi.  Máy ép hơi nén lãnh chất ở thể khí mà trong đó có sử dụng năng lượng cơ học hay điện học bên ngoài và làm nóng nó lên thành khí nóng. Nhóm 8 Page 16 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên  Khí nóng giải phóng năng lượng nhiệt ở máy tụ hơi sang hệ thống sưởi và lại tích tụ thành lãnh chất nóng ở thể lỏng;  Lãnh chất nóng ở thể lỏng được xả ra thông qua một ventil xả và qua đó nhiệt độ lại giảm đi nhanh chóng. Trong máy bốc hơi quá trình thu nhiệt lại bắt đầu từ đầu. Hình 2.4 Chu trình sản xuất địa nhiệt điện. Hình 2.5 Hoạt động của turbine. Qua hình vẽ trên, ta có thể thấy, hơi nước bơm từ giếng khai thác (production well) sẽ vận hành turbin phát điện. Hơi nước ngưng tụ ở tháp làm lạnh (cooling tower) sẽ được bơm trở lại thông qua giếng bơm thu hồi ( injection well) để duy trì sản lượng khai thác. Cũng giống như các dạng turbin thủy lực khác, lực hơi nước quay các lưỡi turbin và từ đó quay rotor của máy phát điện, tạo ra điện xoay chiều. Nhóm 8 Page 17 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên CHƯƠNG 3 NHÀ MÁY ĐỊA NHIỆT ĐIỆN Hình 3.1 Nhà máy điện địa nhiệt Nesjavellir ở Iceland. 3.1 Quy trình sản xuất điện Quy trình khai thác Bước 1 : Xác định nguồn địa nhiệt đáp ứng yêu cầu sản xuất. Bước 2 : Tạo các giếng khoan, bơm nước lạnh xuống và đưa nước nóng, hơi nước lên. Bước 3 : Dẫn nước nóng và hơi nước qua bộ phận tách hơi nước. Bước 4 : Hơi nước làm quay tua bin, máy phát điện sinh ra dòng điện Bước 5: Lưu trữ và truyền tải điện năng. Bước 6: Dần nước lạnh trở lại chu trình hoạt động ban đầu. Hướng khai thác: - Hướng thứ nhất: Lấy hơi nước và nước nóng từ các hồ địa nhiệt nằm sâu trong lòng đất, khai thác theo hướng này tương đối thuận lợi bằng cách : khoan và tạo ra các giếng nhằm bơm hơi nước và nước nóng lên mặt đất để tạo ra điện năng. Nhóm 8 Page 18 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên - Hướng thứ hai: Các hồ địa nhiệt chưa có sẵn mà các chuyên gia phải nghiên cứu, tính toán tìm ra các khu vực, các lớp đất đá tại đó tích tụ một lượng nhiệt rất cao, phù họp để tiến hành các bước kế tiếp tạo ra điện năng. Sau khi tìm được lớp đất đá phù hợp ở độ sâu khoảng 5.000-10.000 feet (tức khoảng 1,5-3km), họ tiến hành khoan và dùng áp lực đủ lớn tạo ra các vét nứt, sau đó nước lạnh sẽ được bơm xuống. Nước nay sẽ được làm nóng nhờ các lóp đá trên, chúng sẽ được bom lên thông qua cột lô khoan thác để tạo ra điện năng. 3.2 Nguyên lý và cấu tạo các nhà máy địa nhiệt điện Về cơ bản công nghệ nhà máy địa nhiệt điện gần giống công nghệ nhà máy nhiệt điện. Nguồn nhiệt của các nhà máy địa nhiệt điện được khai thác từ các vỉa địa nhiệt sâu dưới lòng đất. Giếng khai thác Bộ xử lý nhiệt Turbine và máy phát Truyền tải Giếng nén Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy địa nhiệt điện Cấu tạo cơ bản công nghệ nhà máy địa nhiệt điện: Giếng khai thác (production well) Giếng dồn nén (injection well) Bộ xử lý nhiệt (processor) Tua bin và máy phát (turbine & generator) Truyền tải (transmission) Có 3 kỹ thuật chính được sử dụng trong việc sản xuất điện từ địa nhiệt: dry steam, flash team và hết thống binary cycle. Việc phải lựa chọn giải pháp kỹ thuật phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của bể địa nhiệt ( pha của lưu chất thủy nhiệt: dạng hơi hoặc dạng lỏng). 3.2.1 Dry steam Dry steam sử dụng hơi nước ở nhiệt độ cao (>2350C) và một ít nước nóng từ bể địa nhiệt. Hơi nước sẽ được dẫn vào thẳng turbine qua ống dẫn để quay máy phát điện. Nhóm 8 Page 19 Báo cáo Geothermal – Địa Nhiệt Điện GVHD: Ts. Lê Chí Kiên Đây là dạng kỹ thuật cổ điển nhất và được sử dụng ở nhà máy địa nhiệt đầu tiên trên thế giới tại Lardarello, Ý (1904). Hình 3.2a Hệ thống Dry System. Hình 3.2b Nhà máy The Geysers dạng Dry Steam tại bắc California, Hoa kỳ. Đây là nhà máy địa nhiệt điện (20 tổ máy) được phát triển đầu tiên tại Hoa Kỳ vào năm 1962. Cho đến nay nó vẫn là nhà máy nhiệt điện lớn nhất thế giới. Chùm nhà máy này tận dụng nước thải sinh hoạt tại các thành phố lân cận làm lưu chất địa nhiệt, cung cấp một giải pháp môi trường cho việc xử lý nước thải. Nhóm 8 Page 20