Giới thiệu
Tháng 11 năm 2030 là thời hạn mà Liên hợp quốc đặt ra để đáp ứng 17 mục tiêu về phát triển bền vững. Giờ đây, chúng ta với tư cách là những người cư ngụ trên hành tinh này cần thiết kế và xây dựng cơ sở hạ tầng cần thiết để đáp ứng những mục tiêu này trước khi con người gây ra biến đổi khí hậu tiếp tục tàn phá trái đất của chúng ta theo những cách không thể đảo ngược.
Một số mục tiêu bền vững này nhấn mạnh việc chuyển sự phụ thuộc của chúng ta vào các hình thức thu và sản xuất năng lượng gây ô nhiễm sang các nguồn sạch và tái tạo. Chỉ còn 8 năm nữa trong đồng hồ biến đổi khí hậu đang tích cực nhanh chóng, áp lực lên các chính phủ và các cơ quan có thẩm quyền trong việc hoạch định các giải pháp thay thế các hệ thống phát thải khí nhà kính bằng công nghệ và cơ sở hạ tầng thân thiện hơn với môi trường.
Hình 1: 17 mục tiêu phát triển bền vững của Liên hợp quốc – nhấn mạnh vào mục tiêu số 7
nêu bật tầm quan trọng của năng lượng sạch và tái tạo với giá cả phải chăng
Năng lượng địa nhiệt là gì?
Cuộc chạy đua thay thế này đã khiến nhu cầu về các hệ thống năng lượng tái tạo tăng cao. Hầu hết các hệ thống này, một khi được lắp đặt, có thể dẫn đến việc giảm đáng kể lượng phát thải khí nhà kính có hại và góp phần tiết kiệm năng lượng và kinh tế rất lớn. Một lĩnh vực năng lượng xanh cụ thể đang nổi lên là lĩnh vực năng lượng địa nhiệt. Các hệ thống này tận dụng năng lượng dự trữ bên dưới bề mặt trái đất bằng cách chuyển hướng nó để cung cấp năng lượng cho một loạt các quá trình sưởi ấm và làm mát. Năng lượng này được khai thác thông qua các quá trình phát triển quy mô nhỏ và lớn, từ các nhà máy điện khổng lồ có thể cung cấp đủ năng lượng để cung cấp nhiên liệu cho toàn bộ thành phố, đến các máy bơm nhiệt trong lòng đất có thể điều chỉnh nhiệt độ của một ngôi nhà riêng lẻ.
Năng lượng địa nhiệt có nguồn gốc từ lõi trái đất thông qua các quá trình dẫn truyền và đối lưu tự nhiên xảy ra giữa trung tâm hành tinh của chúng ta và bề mặt bên ngoài của nó. Nhiệt độ trong lõi trái đất có thể lên tới 4000 °C khiến đá xung quanh tan chảy và biến thành đá nóng chảy hay còn gọi là magma. Magma nóng trong đường ống sẽ truyền nhiệt lên trên và vào lớp phủ nằm phía trên lõi khiến nó hoạt động giống như nhựa hơn là một tảng đá cứng. Khi các phần của lớp phủ bắt đầu giảm dần và chảy do mất độ cứng, chúng truyền nhiệt lên trên bề mặt trái đất. Sự chuyển động lên trên của nhiệt và năng lượng là những gì chúng ta khai thác khi khai thác năng lượng địa nhiệt.
Hình 2: Mô tả bằng hình ảnh về việc khai thác năng lượng bên trong trái đất
Lược sử về năng lượng địa nhiệt
Dạng năng lượng này ban đầu được thu thập dưới dạng hơi nước thoát ra từ các vết nứt trên vỏ trái đất. Mặc dù sáng tạo, hơi nước có những ứng dụng giới hạn trong việc cung cấp năng lượng cho các tuabin đơn giản. Kể từ đó, phạm vi sử dụng của năng lượng địa nhiệt đã được mở rộng và hiện đại hóa để sử dụng phổ biến sưởi ấm và làm mát bên trong các tòa nhà và nhà ở. Nhà sản xuất năng lượng địa nhiệt lớn nhất hiện nay là Mỹ nhưng các quốc gia khác như Iceland có thể khai thác lượng tài nguyên nhiệt đáng kể nhờ vị trí địa lý độc đáo gần ranh giới mảng kiến tạo của trái đất. Iceland đã khai thác năng lượng địa nhiệt trong hơn một thế kỷ và là ví dụ hàng đầu về một khu vực được thiết lập để thành công do cảnh quan của nó có 25 núi lửa đang hoạt động, 600 suối nước nóng và hơn 5 nhà máy năng lượng địa nhiệt lớn. Quốc gia phía Bắc này hiện đang thu thập 25% tổng năng lượng từ các nguồn địa nhiệt.
Lợi ích của năng lượng địa nhiệt
Có nhiều lợi ích môi trường đáng kể liên quan đến việc hoán đổi năng lượng nhiên liệu hóa thạch thông thường cho năng lượng địa nhiệt. Ví dụ, năng lượng địa nhiệt thải ra 1/5 lượng CO2 do nhà máy điện khí sạch tự nhiên thải ra và rẻ hơn so với các hình thức thông thường, tiết kiệm cho người sử dụng tới 80% so với nhiên liệu hóa thạch. Không giống như năng lượng mặt trời và năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt không phụ thuộc vào các biến số không thể kiểm soát được như thời tiết hoặc gió. Nó là một nguồn tài nguyên luôn sẵn có chỉ chờ được khai thác. Mặc dù có nhiều lợi thế, nhưng có một số khó khăn liên quan đến năng lượng địa nhiệt bao gồm chi phí xây dựng, khoan và thăm dò ban đầu. Khi thiết kế một hệ thống năng lượng địa nhiệt ở bất kỳ quy mô nào, điều cực kỳ quan trọng là phải xem xét các đặc tính nhiệt và cấu trúc của vật liệu địa chất xung quanh để đảm bảo xây dựng hệ thống tiết kiệm và hiệu quả nhất. Ba đặc điểm dưới bề mặt sau đây có thể tạo ra hoặc phá vỡ thiết kế của hệ thống trao đổi nhiệt địa nhiệt. Các đặc tính nhiệt bao gồm nhiệt dung, nhiệt độ bề mặt không bị nhiễu loạn và độ dẫn nhiệt.
Hình 3: Các rãnh được đào để lắp đặt máy bơm nhiệt tuần hoàn đất nằm ngang địa nhiệt.
Tính chất nhiệt ảnh hưởng đến hiệu quả của thiết bị trao đổi nhiệt ghép nối tiếp đất
Ở Canada và các vùng có vĩ độ Bắc tương tự, các hệ thống hiệu quả nhất để sưởi ấm và làm mát cho các ngôi nhà dân cư là bộ trao đổi nhiệt địa nhiệt (GHE), thị trường Canada tỏ ra ưa chuộng các hệ thống GHE vòng kín. Phần lớn sự ưa thích này là do hệ thống này dễ bảo quản và có các quy định tương đối đơn giản liên quan đến hoạt động an toàn của chúng. Loại thiết bị trao đổi nhiệt này thường được gọi là thiết bị trao đổi nhiệt ghép nối đất (GCHE) và có thể được lắp đặt theo hướng thẳng đứng hoặc nằm ngang. GCHE thường được làm bằng các ống polyetylen mật độ cao được chôn trong các lỗ khoan hoặc rãnh có độ sâu khác nhau. Chất lỏng mang nhiệt làm từ nước và chất chống đông sẽ lưu thông trong các ống dưới bề mặt này cho phép trao đổi nhiệt với chất lỏng và mặt đất bên trên nó. Bên cạnh cấu hình GHCE, hiệu suất bơm nhiệt phần lớn được xác định bởi nhu cầu năng lượng của tòa nhà và khả năng truyền nhiệt của các vật liệu dưới bề mặt. Đây là lúc độ dẫn nhiệt phát huy tác dụng vì nó là một trong những thước đo có ảnh hưởng nhất để định lượng khả năng truyền nhiệt này.
Hình 4: Thiết kế bộ trao đổi nhiệt kết hợp mặt đất nằm ngang và các thành phần cấu trúc.
Mặc dù sự thành công của một GCHE chủ yếu dựa vào độ dẫn nhiệt của bề mặt, cả ba thông số phải được xem xét trong quá trình thăm dò. Các phép đo bề mặt này sau đó được sử dụng để xác định chiều dài lỗ khoan cần thiết và kích thích nhiệt độ nước trao đổi nhiệt để đánh giá tất cả các khoản tiết kiệm năng lượng có thể có. Nhiệt độ bề mặt không bị nhiễu loạn được suy ra từ bản đồ nhiệt độ bề mặt nông được lấy giữa các khoảng thời gian khoan hoặc được suy ra từ dữ liệu khí quyển. Nhiệt dung bề mặt thường không thay đổi nhiều giữa các vật liệu địa chất và hầu hết các hệ thống trao đổi nhiệt ít nhạy cảm với khả năng lưu trữ nhiệt của các vật liệu bao quanh chúng. Nơi nhạy cảm nhất của bộ trao đổi nhiệt trên mặt đất nằm trong khả năng dẫn nhiệt của vật liệu dưới bề mặt.
Hình 5: Minh họa véc tơ bơm nhiệt nối đất.
Ảnh hưởng của độ dẫn nhiệt trên GCHE
Độ dẫn nhiệt của vật liệu địa chất tại vị trí của GCHE có thể có tác động rất lớn đến độ sâu lỗ khoan cần thiết, đôi khi làm tăng nó lên tới 50% để đáp ứng nhu cầu năng lượng của một tòa nhà. Độ dẫn nhiệt của vật liệu mô tả khả năng vận chuyển nhiệt qua nó bằng các quá trình dẫn và thường được báo cáo bằng Watts trên mét, trên độ Kelvin. Hầu hết các vật liệu địa chất có giá trị dẫn nhiệt nằm trong khoảng từ 0,5 đến 8 W/m*K với độ dẫn nhiệt bề mặt lý tưởng cho GCHE trung bình khoảng 6 W/m*K. Bất kỳ giá trị độ dẫn điện dưới bề mặt nào nhỏ hơn 2 W/m*K sẽ yêu cầu phải có lỗ khoan sâu hơn đáng kể, do đó làm tăng chi phí lắp đặt hệ thống sưởi. Xác định hệ số dẫn nhiệt của mặt đất trước khi xây dựng hệ thống nhiệt địa nhiệt là chìa khóa quan trọng để vạch ra chính xác thời gian hoàn vốn để tiết kiệm năng lượng lớn hơn mức đầu tư ban đầu và do đó làm cho GCHE trở thành giải pháp thay thế hấp dẫn hơn và cạnh tranh hơn về mặt kinh tế so với các hệ thống năng lượng thông thường.
Đo độ dẫn nhiệt của lớp dưới bề mặt
Hiện nay, cách phổ biến nhất để đánh giá độ dẫn nhiệt dưới bề mặt là sử dụng thử nghiệm phản ứng nhiệt (TRT). Đây là một phương pháp tương đối mới để mô tả độ dẫn nhiệt của một khu vực có thể đánh giá được và không được triển khai phổ biến cho đến giữa những năm 1980. Vì độ dẫn nhiệt của vật liệu địa chất sâu hiếm khi có thể được đo trực tiếp, nên nó phải được đánh giá từ một phân tích sâu rộng về các phép đo nhiệt độ thu thập được từ việc theo dõi nhiệt độ mặt đất và sự truyền nhiệt xảy ra trong một khu vực nhất định. Việc giám sát này có thể là chủ động hoặc bị động. Giám sát tích cực mô tả các phương pháp được sử dụng tại hiện trường tại vị trí của lỗ khoan như sử dụng TRT hoặc thực hiện các phép đo transient ở các khoảng độ sâu khác nhau trong lỗ khoan. Ngoài ra, các phương pháp thụ động dựa vào việc phân tích nhật ký địa vật lý giếng khoan hoặc biên dạng nhiệt độ của một lỗ khoan không bị nhiễu loạn bởi TRT. Các phép đo phản ánh từ các quá trình thu thập dài hạn này sau đó được sử dụng để tính toán độ dẫn nhiệt theo phương pháp toán học. Các phương pháp phòng thí nghiệm là một cách khác để phân loại độ dẫn nhiệt của một vùng và được thực hiện trên các mẫu lấy từ vật liệu nền tại một địa điểm nhất định cho một GCHE. Cách tiếp cận này được phân loại là một phương pháp tích cực và được thực hiện bằng cách sử dụng cả thí nghiệm truyền nhiệt ở trạng thái ổn định và transient với nhiều loại thiết bị đo độ dẫn nhiệt. Bất kể phương pháp nào được sử dụng để xác định độ dẫn nhiệt của bề mặt, những giá trị này cho phép thiết kế và lắp đặt bộ trao đổi nhiệt địa nhiệt hiệu quả và an toàn nhất và giảm đáng kể rủi ro liên quan đến sự cố tiềm ẩn của hệ thống bằng cách đảm bảo hoạt động an toàn của hệ thống.
Kết luận
Công nghệ năng lượng tái tạo đang tiếp tục phát triển trong lĩnh vực năng lượng địa nhiệt, đặc biệt xoay quanh việc phát triển các phương pháp chính xác hơn và ít tốn kém hơn để định lượng các đặc tính địa chất quan trọng như độ dẫn nhiệt. Sự phát triển của các phương pháp và thiết bị hiện đại hơn sẽ giúp hạ thấp rào cản đối với việc thiết kế bộ trao đổi nhiệt kết hợp mặt đất và cho phép chúng trở thành một sự phát triển khả thi hơn cho chủ nhà. Bên cạnh quá trình thăm dò và lắp đặt có chi phí cao, lợi ích của hệ thống làm mát và sưởi ấm địa nhiệt là rất lớn và có thể giúp hành tinh phục hồi môi trường bằng cách trở thành một giải pháp thay thế thân thiện về mặt kinh tế cho nhiên liệu hóa thạch thông thường. Những thay đổi như vậy đối với cách năng lượng được sử dụng và chuyển hướng cho các ứng dụng hàng ngày có thể thúc đẩy xã hội đi đúng hướng nhằm đáp ứng các mục tiêu phát triển bền vững của Liên hợp quốc và giúp chúng ta hướng tới một tương lai xanh và sạch hơn trên trái đất.