Cơ sở cho việc sản xuất và sử dụng : Năng lượng địa nhiệt

Hệ thống địa nhiệt cần nhiệt, tính thấm và nước. Nhiệt từ lõi trái đất chảy liên tục ra phía ngoài. Đôi khi nhiệt, như ở macma, xuất hiện ở bề mặt dưới dạng dung nham, nhưng thường nó vẫn ở bên dưới vỏ trái đất, làm nóng đá và nước bên cạnh, có lúc tới 700oF (370oC). Khi nước bị làm nóng bởi nhiệt trái đất thì nước nóng hoặc hơi có thể bị giữ trong các loại đá rỗng và có tính thấm bên dưới một lớp đá không thấm và có thể tạo ra một bồn chứa địa nhiệt. Nước nóng địa nhiệt này có thể tự xuất lộ trên mặt đất dưới dạng suối nước nóng hay mạch nước phun, nhưng hầu hết nó vẫn ở sâu dưới đất, kẹt trong các vết nứt và đá rỗng. Sự tập hợp nước nóng được gọi là bồn chứa địa nhiệt.

Điện địa nhiệt

Để sản xuất điện từ các nguồn địa nhiệt, các giếng được khoan vào trong lòng một bể địa nhiệt. Những giếng đưa nước địa nhiệt lên bề mặt, nơi mà năng lượng nhiệt của nó được chuyển thành điện ở một nhà máy điện địa nhiệt.

Có bốn loại nhà máy điện địa nhiệt thương mại: Nhà máy điện nung hơi; nhà máy điện hơi khô;  nhà máy điện chu trình kép; nhà máy điện kết hợp chu trình nung hơi/kép.

Nhà máy điện nung hơi. Nước nóng của địa nhiệt dưới áp suất được chia tách vào một bình có bề mặt phân tách (được gọi là thiết bị phân tách hơi) để tạo thành hơi và nước nóng. Hơi này được đưa đến tuabin, và tuabin cấp năng lượng cho một máy phát. Chất lỏng được bơm trở lại vào bể chứa.

Nhà máy điện hơi khô. Hơi được sản xuất trực tiếp từ bể chứa địa nhiệt chạy thẳng tới tuabin tạo ra năng lượng cho máy phát và không cần chia tách bởi các giếng chỉ sản xuất hơi.

Nhà máy điện chu trình kép. Các cải tiến công nghệ địa nhiệt gần đây đã giúp việc sản xuất điện kinh tế từ các nguồn địa nhiệt có nhiệt độ thấp hơn  302oF (150oC). Được biết đến dưới tên gọi là nhà máy địa nhiệt chu trình kép, các cơ sở này làm cho việc giảm mức độ phát tán đã thấp sẵn của năng lượng địa nhiệt tới mức bằng không trở nên khả thi. Các nhà máy chu trình kép thường sử dụng một hệ thống chu trình Rankin hữu cơ. Nước địa nhiệt (được gọi là chất lỏng địa nhiệt) truyền nhiệt cho chất lỏng khác, ví dụ như isobutane (C4H10) hoặc các chất lỏng hữu cơ khác như pentafluoropropane, một chất sôi ở nhiệt độ thấp hơn nước. Hai chất lỏng này được giữ tách biệt hoàn toàn khỏi nhau thông qua việc sử dụng một bộ trao đổi nhiệt, bộ phận này chuyển năng lượng nhiệt từ nước địa nhiệt tới chất lỏng làm việc. Chất lỏng thứ hai giãn nở thành khí hóa hơi. Lực của hơi giãn nở, giống như hơi nước, làm quay các tuabin tạo ra năng lượng cho các máy phát. Tất cả nước địa nhiệt đã sử dụng được bơm trở lại bể chứa.

Chu trình kết hợp nung/kép. Loại nhà máy này sử dụng sự kết hợp công nghệ nung hơi và chu trình kép, đã được sử dụng hiệu quả để tận dụng tốt lợi thế của cả hai công nghệ. Trong nhà máy điện loại này, phần nước địa nhiệt được nung nóng thành hơi dưới áp suất hạ đầu tiên được chuyển đổi thành điện với một tuabin hơi áp lực ngược và hơi áp suất thấp thoát khỏi tuabin hơi áp lực ngược được ngưng trong một hệ thống chu trình kép.

Sự thâm nhập thị trường hiện nay

Việc sản xuất điện địa nhiệt hiện nay ở Mỹ cung cấp đủ điện đáp ứng nhu cầu điện của khoảng 2,4 triệu hộ tiêu dùng ở California. Trong năm 2007, địa nhiệt là nguồn năng lượng tái tạo lớn thứ tư của Mỹ. Ngày nay Mỹ có khoảng 3.000 MW điện địa nhiệt hòa lên lưới. Năng lượng địa nhiệt đã phát ra 14.885 GWh điện trong năm 2007, chiếm 4% lượng tiêu thụ điện ở Mỹ sản xuất từ năng lượng tái tạo (bao gồm cả thủy điện lớn).

Nước Mỹ tiếp tục sản xuất điện địa nhiệt nhiều hơn bất kì quốc gia nào khác, chiếm xấp xỉ 30% lượng điện địa nhiệt sản xuất ra trên toàn thế giới. Ở California, bang có tổng lượng điện địa nhiệt trên lưới lớn nhất, điện từ các nguồn địa nhiệt chiếm 5% lượng điện phát ra của bang này năm 2003 tính trên cơ sở kWh. Địa nhiệt là nguồn năng lượng tái tạo ngoài thủy điện lớn nhất ở bang này, vượt qua đáng kể sự đóng góp của cả hai nguồn năng lượng mặt trời và gió cộng lại.

Tới tháng 8 năm 2008, gần  4.000 MW công suất nhà máy điện địa nhiệt mới được phát triển ở Mỹ (bao gồm các dự án trong thời kì phát triển ban đầu). Các bang có các dự án hiện tại còn trong quá trình cân nhắc hoặc phát triển là: Alaska, Arizona, California, Colorado, Florida, Hawaii, Idaho, Nevada, New Mexico, Oregon, Utah, Washington, và Wyoming. Kết hợp lại, các bang này có xấp xỉ 103 dự án trong giai đoạn phát triển sắp xếp từ giai đoạn đầu tới giai đoạn sau.

Các ứng dụng sử dụng trực tiếp năng lượng địa nhiệt ngày nay xuất hiện ở 26 bang, tương đương số bang sản xuất than. Các dự án sử dụng trực tiếp được khuyến khích bởi các điều khoản trong Các điểm sửa đổi Luật hơi địa nhiệt được Quốc hội Mỹ thông qua năm 2005. Người ta quan tâm tới các dự án sử dụng trực tiếp ở nhiều bang và ở nhiều khu bảo tồn khác nhau của người da đỏ tại một số bang.

(Nguồn: QLNĐ số 10/2009)