Địa nhiệt là gì? Các nghiên cứu khoa học về Địa nhiệt

Khái niệm địa nhiệt và nguồn gốc năng lượng

Địa nhiệt là năng lượng được sinh ra từ lòng Trái Đất, hình thành chủ yếu do quá trình phân rã phóng xạ của các nguyên tố uranium (U), thorium (Th) và potassium (K) trong lớp vỏ và manti. Ngoài ra, một phần năng lượng còn lại là dư nhiệt từ giai đoạn hình thành ban đầu của hành tinh. Nhiệt lượng này liên tục được truyền từ sâu trong lòng đất ra bề mặt qua cơ chế dẫn nhiệt và đối lưu.

Nhiệt độ trong lòng đất tăng dần theo độ sâu với tốc độ trung bình khoảng 25–30°C mỗi km. Tại những khu vực có dị thường địa nhiệt như đới hút chìm, rift hoặc điểm nóng, tốc độ tăng nhiệt độ có thể cao hơn nhiều lần, tạo điều kiện lý tưởng cho khai thác địa nhiệt. Khả năng tái tạo liên tục và mức độ ổn định của nguồn năng lượng này khiến địa nhiệt được xếp vào nhóm năng lượng tái tạo có hiệu suất cao và ít biến động theo thời tiết.

Tham khảo: U.S. Department of Energy - Geothermal Energy Explained

Phân loại các nguồn địa nhiệt

Các hệ thống địa nhiệt có thể được phân loại dựa trên nhiệt độ, cấu trúc địa chất và cách thức khai thác. Về mặt nhiệt độ, nguồn địa nhiệt chia thành ba loại chính sau:

• Nhiệt độ cao (trên 150°C): thường thấy tại các khu vực núi lửa hoạt động, thích hợp để phát điện công suất lớn.
• Nhiệt độ trung bình (90–150°C): phù hợp cho các nhà máy phát điện chu trình nhị phân và các ứng dụng nhiệt công nghiệp.
• Nhiệt độ thấp (dưới 90°C): được sử dụng chủ yếu trong sưởi ấm không gian, bơm nhiệt và ứng dụng nông nghiệp.

Bên cạnh đó, theo cấu trúc và khả năng tiếp cận nguồn nhiệt, địa nhiệt được chia thành ba hệ thống chính:

1. Hồ chứa địa nhiệt tự nhiên: có nước nóng hoặc hơi nước tồn tại sẵn trong các tầng đá thấm.
2. Hệ thống địa nhiệt tăng cường (EGS): không có nước hoặc khe nứt tự nhiên, cần tạo hồ chứa nhân tạo qua nứt vỡ thủy lực.
3. Bơm nhiệt địa nhiệt (GSHP): sử dụng lớp đất nông và ổn định nhiệt độ để làm mát hoặc sưởi ấm công trình.

Phân loại giúp định hướng công nghệ phù hợp với điều kiện địa chất từng vùng.

Nguồn: National Renewable Energy Laboratory (NREL) - Geothermal Research

Nguyên lý hoạt động và cơ chế truyền nhiệt

Nhiệt từ lõi và lớp manti Trái Đất truyền qua lớp vỏ bằng hai cơ chế chính: dẫn nhiệt và đối lưu. Dẫn nhiệt chiếm ưu thế trong môi trường đá rắn, nơi không có chất lưu di chuyển, và được mô tả bởi định luật Fourier:

$q = -k \nabla T$

Trong đó: $q$ là mật độ dòng nhiệt (W/m²), $k$ là hệ số dẫn nhiệt của vật chất (W/m·K), $\nabla T$ là gradient nhiệt độ.

Đối lưu xảy ra khi có chất lưu (nước ngầm hoặc hơi nước) lưu thông trong các khe nứt hoặc tầng đá xốp. Khi nước ngầm nóng lên, nó di chuyển lên gần bề mặt tạo thành suối nước nóng, mạch phun nhiệt hoặc hồ địa nhiệt. Việc khoan giếng khai thác tại các điểm có dòng đối lưu mạnh cho phép thu được năng lượng hiệu quả mà không làm suy giảm nhanh nguồn nhiệt.

Bảng sau minh họa hai cơ chế truyền nhiệt:

Cơ chế	Môi trường	Hiệu quả	Điều kiện điển hình
Dẫn nhiệt	Đá rắn, không thấm	Thấp, ổn định	Lòng đất sâu, manti
Đối lưu	Đá nứt, tầng thấm	Cao, nhanh	Gần mạch nước ngầm, suối nóng

Chi tiết: ScienceDirect - Heat Transfer in Geothermal Systems

Công nghệ khai thác địa nhiệt

Tùy vào đặc điểm của nguồn địa nhiệt, ba loại nhà máy phát điện chính được sử dụng:

1. Hệ thống hơi khô: lấy hơi nước khô từ giếng để quay trực tiếp tua-bin, hiệu suất cao nhưng chỉ áp dụng cho mỏ địa nhiệt rất nóng và có hơi tự nhiên.
2. Hệ thống flash: khai thác nước nóng áp suất cao, khi giảm áp sẽ bốc hơi và dùng để chạy tua-bin, phần nước dư được bơm lại xuống lòng đất.
3. Chu trình nhị phân (binary cycle): sử dụng nước nóng để làm nóng một chất lỏng khác có điểm sôi thấp hơn (như isobutane), phù hợp cho nguồn nhiệt độ thấp hơn 150°C.

Hệ thống nhị phân được ưa chuộng vì tính linh hoạt, an toàn và khả năng ứng dụng cho nhiều loại nguồn. Tất cả các hệ thống đều cần cơ sở khoan địa chất chính xác và hệ thống tái bơm nước để duy trì ổn định nhiệt lượng và tránh suy thoái tầng chứa.

Sơ đồ công nghệ khai thác có thể được tham khảo tại: DOE - Geothermal Electricity Generation

Ứng dụng của năng lượng địa nhiệt

Địa nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong cả phát điện và sử dụng nhiệt trực tiếp. Ở các khu vực có nguồn địa nhiệt nhiệt độ cao, năng lượng được khai thác để sản xuất điện thông qua các nhà máy tua-bin hơi. Trong khi đó, tại các vùng có nguồn nhiệt trung bình hoặc thấp, năng lượng được dùng trực tiếp cho sưởi ấm, nông nghiệp, và công nghiệp nhẹ.

Ứng dụng phổ biến bao gồm:

• Sưởi ấm khu dân cư và công trình công cộng (hệ thống district heating)
• Làm nóng nước hồ bơi, khu nghỉ dưỡng, nhà kính trồng rau quả
• Sấy nông sản, cá, muối hoặc gỗ
• Nuôi trồng thủy sản ở nhiệt độ ổn định

Bên cạnh đó, bơm nhiệt địa nhiệt (GSHP) là giải pháp ngày càng được sử dụng trong các tòa nhà dân dụng và thương mại để điều hòa nhiệt độ quanh năm, giúp tiết kiệm từ 30–60% chi phí năng lượng so với hệ thống thông thường.

Chi tiết: International Energy Agency (IEA) - Geothermal

Tiềm năng địa nhiệt toàn cầu và tại Việt Nam

Tiềm năng địa nhiệt toàn cầu được đánh giá là rất lớn. Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA), tổng công suất lý thuyết có thể lên đến hàng chục terawatt điện (TW_e), với lượng nhiệt gần như vô tận từ lòng Trái Đất. Các quốc gia đã khai thác thành công và có công suất địa nhiệt lớn gồm Hoa Kỳ, Indonesia, Philippines, Iceland, New Zealand và Kenya.

Ở Việt Nam, địa nhiệt tồn tại chủ yếu dưới dạng nguồn nhiệt thấp đến trung bình, phân bố không đều theo địa hình kiến tạo. Các vùng có tiềm năng bao gồm:

• Tây Bắc (Sơn La, Điện Biên): có nhiều suối nước nóng, dị thường nhiệt địa chất
• Miền Trung (Nghệ An, Quảng Bình, Khánh Hòa): gần đới đứt gãy sâu
• Tây Nguyên (Đắk Nông, Lâm Đồng): có đá bazan trẻ và hoạt động kiến tạo

Dù tiềm năng lớn, việc khai thác tại Việt Nam còn hạn chế do thiếu khảo sát địa chất sâu, vốn đầu tư ban đầu cao, và thiếu cơ chế hỗ trợ từ chính sách năng lượng quốc gia.

Báo cáo: IRENA - Geothermal Power

Ưu điểm và hạn chế của năng lượng địa nhiệt

So với các nguồn năng lượng tái tạo khác, địa nhiệt có nhiều lợi thế nổi bật nhờ khả năng hoạt động liên tục và ổn định, không phụ thuộc thời tiết hay chu kỳ ngày đêm.

Ưu điểm:

• Vận hành liên tục 24/7, cung cấp nguồn điện nền ổn định
• Phát thải khí nhà kính thấp và gần như không tạo bụi mịn
• Hiệu suất cao, chi phí vận hành thấp sau giai đoạn đầu tư

Hạn chế:

• Chi phí đầu tư ban đầu lớn, đặc biệt là chi phí khoan và khảo sát
• Chỉ khai thác được tại các khu vực có điều kiện địa chất phù hợp
• Nguy cơ gây ra địa chấn kích thích, rò rỉ khí độc như H₂S nếu không được kiểm soát đúng cách

Xem thêm: Nature Energy - Challenges in Geothermal Deployment

Tác động môi trường và biện pháp kiểm soát

Dù địa nhiệt là năng lượng sạch, các hoạt động khai thác không đúng kỹ thuật có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường. Một số tác động điển hình gồm:

• Động đất kích thích (induced seismicity) do nứt vỡ thủy lực trong EGS
• Thoát khí độc (H₂S, CO₂, CH₄) từ lòng đất
• Ô nhiễm nguồn nước ngầm do khoan sâu và rò rỉ dung dịch khoan

Để giảm thiểu rủi ro, các biện pháp kiểm soát cần thiết bao gồm:

1. Giám sát địa chấn bằng thiết bị đo lường nhạy cao trong thời gian thực
2. Thiết kế vòng tuần hoàn kín để thu hồi và tái bơm nước địa nhiệt
3. Xử lý khí và nước thải bằng hệ thống tách hóa học trước khi xả

Các quốc gia có kinh nghiệm đã xây dựng tiêu chuẩn vận hành và đánh giá tác động môi trường cụ thể cho các dự án địa nhiệt.

Nghiên cứu: Frontiers in Energy Research - Environmental Impacts of Geothermal Systems

Triển vọng phát triển và định hướng tương lai

Địa nhiệt đang được coi là một giải pháp chiến lược cho mục tiêu trung hòa carbon và đảm bảo an ninh năng lượng toàn cầu. Nhờ vào tiến bộ công nghệ, các hệ thống địa nhiệt tăng cường (EGS) cho phép khai thác tại nhiều nơi không có hồ chứa tự nhiên, mở rộng phạm vi ứng dụng vượt khỏi các khu vực núi lửa truyền thống.

Các xu hướng tương lai trong phát triển địa nhiệt gồm:

• Ứng dụng công nghệ khoan siêu sâu (deep drilling) với vật liệu chịu nhiệt mới
• Mô hình hóa địa cơ học và địa nhiệt bằng trí tuệ nhân tạo để dự báo hiệu suất
• Kết hợp địa nhiệt với pin nhiệt hoặc lưu trữ điện để tối ưu hóa lưới điện

Ngoài ra, các dự án tích hợp địa nhiệt trong đô thị thông minh, trung tâm dữ liệu, và công nghiệp chế biến có thể đóng vai trò then chốt trong chiến lược chuyển đổi năng lượng quốc gia và toàn cầu.

Xem báo cáo: IEA - The Future of Geothermal Energy