Trong lòng trái đất luôn luôn nóng, nóng tới độ đá cũng bị mềm nhão đi và được gọi là mac-ma (magma). Ðây là sơ đồ nhiệt độ trong lòng trái đất.
Có chỗ mac-ma trồi lên cao gần mặt đất, làm nóng đất đá phía trên. Nước chảy qua những chỗ nóng như vậy sẽ được làm nóng, như vậy người ta có suối nước nóng. Nếu nước nóng quá sẽ bốc thành hơi và phun lên trời như một mạch phun nước (geyser). Mạch phun nước nổi tiếng nhất của Hoa Kỳ là Old Faithful ở công viên quốc gia Yellowstone.
Ðây là một bài trong loạt bài nói về những nguồn năng lượng đang được phát triển để thay thế những nguồn năng lượng đã lỗi thời. Bài này nói về năng lượng được rút ra từ sức nóng của trái đất gọi là năng lượng địa nhiệt (geothermal energy). Năng lượng này sạch và tái tạo được.
Người xưa đã biết dùng nước nóng thiên nhiên của trái đất trong đời sống của mình. Người Hy Lạp, người La Mã và người Nhật đã tắm ở những suối nước nóng từ ngàn xưa. Người Maoris ở Tân Tây Lan và người thổ dân Da Ðỏ đã biết dùng nước nóng từ suối nước nóng để đun nấu và để chữa bệnh cả ngàn năm trước.
Tuy nhiên những hoạt động ấy có tính cách thụ động, không tích cực khai thác nguồn năng lượng thiên nhiên, sạch và hầu như vô tận này. Hiện có ba hình thức dùng năng lượng địa nhiệt một cách tích cực: dùng trực tiếp, máy bơm nhiệt và nhà máy địa nhiệt.
Dùng năng lượng địa nhiệt trực tiếp
Như đã nói ở trên con người đã dùng nguồn nước nóng thiên nhiên từ ngàn xưa. Hiện tại thì có nhiều áp dụng tối tân hơn. Nước nóng ở những bể chứa nước nóng ở dưới sâu trái đất có thể được dùng trực tiếp. Thường người ta đào một giếng sâu chạm tới nguồn nước nóng và bơm nước lên để dùng. Những công dụng đó là sưởi ấm các tòa nhà, làm ấm những hồ nuôi cá, làm tan tuyết trên đường hay làm hồ tắm nước nóng thiên nhiên.
Ở Hoa Kỳ những vùng có bể chứa nước nóng thiên nhiên nhiều là vùng bên phía Tây, Alaska và đảo Haiwaii.
Máy bơm nhiệt dùng địa nhiệt
Máy bơm nhiệt (heat pump) là một dụng cụ di chuyển nhiệt từ một nơi này tới nơi khác. Có nhiều loại máy bơm nhiệt. Tủ lạnh trong nhà cũng là một dụng cụ bơm nhiệt. Trong bài này tôi chỉ đề cập tới máy bơm nhiệt dùng địa nhiệt.
Dưới mặt đất khoảng 3, 4 mét nhiệt độ không thay đổi. Tùy khu vực, nhiệt độ có thể là khoảng từ 10 tới 16 độ C (50 tới 60 độ F). Như vậy ở vùng ôn đới mùa Ðông thì dưới đất ấm hơn ở trên và mùa Hè thì ngược lại, dưới đất mát hơn là ở trên. Máy bơm nhiệt có thể khai thác hiện tượng này để làm mát nhà mùa Hè, sưởi ấm nhà mùa Ðông và cũng có thể làm nóng nước.
Một hệ thống bơm nhiệt dùng năng lượng địa nhiệt thường có một mạch vòng kín chứa một hỗn hợp nước chôn dưới đất, một bộ hoán nhiệt (heat exchanger) và hệ thống ống hơi trong nhà.
Vào mùa Ðông, nhiệt của trái đất được truyền qua dung dịch nước trong mạch kín đặt dưới đất. Nước được bơm lên nhà và bộ phận hoán nhiệt chuyển hơi nóng từ nước qua không khí và khí ấm được thổi qua hệ thống ống hơi khắp nhà để sưởi ấm nhà.
Mùa Hè thì quá trình được đổi ngược lại. Hơi nóng trong nhà được truyền qua dung dịch nước. Dung dịch nước được bơm vào xuống dưới đất trong mạch kín. Trái đất làm mát nước. Nước mát này được bơm lên và bộ hoán nhiệt làm mát không khí. Khí mát lưu thông qua hệ thống ống hơi và làm mát nhà.
Máy bơm nhiệt dùng năng lượng địa nhiệt được xem là một trong những hệ thống năng lượng hữu hiệu nhất. Vì không dùng khí đốt hay dầu xăng để làm nóng nước hay không khí nên được coi là công nghệ sạch.
Ngoài vốn đầu tư ban đầu hệ thống bơm nhiệt rẻ hơn hệ thống điều hòa không khí thường rất nhiều. Theo Bộ Năng Lượng Hoa Kỳ thì máy bơm nhiệt dùng năng lượng địa nhiệt dùng ít điện hơn hệ thống điều hòa không khí thường khoảng từ 25% tới 50%. Vì tiết kiệm được tiền điện, nên bạn có thể gỡ lại vốn đầu tư trong vòng từ 2 tới 10 năm.
Nhà máy địa nhiệt
Ở một quy mô rộng lớn hơn, Hoa Kỳ và nhiều nước khác đã và đang có những dự án để khai thác năng lượng của những nguồn nước nóng ở sâu trong lòng đất. Hoa Kỳ là nước sản xuất điện dùng năng lượng địa nhiệt nhiều nhất thế giới. Tuy nhiên, nói về phần trăm năng lượng tiêu thụ thì Iceland đứng đầu với khoảng 25% điện tiêu thụ là từ năng lượng địa nhiệt.
Nhà máy địa nhiệt dùng hơi nóng ở dưới lòng đất để làm quay tua bin và phát ra điện. Có ba loại nhà máy địa nhiệt.
1. Nhà máy địa nhiệt hơi nước khô (dry steam)
Nhà máy loại này dùng hơi nước thẳng từ bể nước nóng để quay tua bin và sinh ra điện. Sau đó hơi nước hoặc được bơm trở lại xuống dưới trái đất hay là xả ra ngoài không khí. Khoảng 50% điện sinh ra bởi năng lượng địa nhiệt là thuộc loại này và phần lớn là ở California.
2. Nhà máy địa nhiệt hơi nước nháy (flash steam)
Nhà máy thuộc loại này tối tân hơn loại trên. Áp suất cao được áp đặt vào bể nước trên mặt đất, rồi áp suất được giảm xuống làm cho nước biến thành hơi. Hơi này là quay tua bin và sinh ra điện. Sau đó nước được bơm trở lại bể chứa. Sở dĩ gọi là “nháy” vì áp suất của nước chỉ giảm trong chốc lát để nước biến thành hơi rồi lại tăng lên.
3. Nhà máy địa nhiệt nhị phân (binary)
Nhà máy loại này dùng nước địa nhiệt để nung nóng một chất liệu khác có độ sôi thấp hơn độ sôi của nước. Một bộ hoán nhiệt giữ nước và chất liệu khác riêng biệt nhưng có thể truyền nhiệt từ nước qua chất đó và làm chất đó bốc hơi. Cũng giống như hơi nước, sức bốc hơi của chất liệu làm tua bin quay và sinh ra điện. Nước được bơm trở lại xuống bể nước.
Sự lợi ích của năng lượng địa nhiệt
-Năng lượng sạch – vì nhiên liệu của năng lượng địa nhiệt là sức nóng của trái đất nên không có chất thải. Hơn nữa dùng năng lượng địa nhiệt thì bớt dùng năng lượng sinh ra bởi những nhà máy điện dùng than. Những nhà máy cũ dùng than phun ra những chất thải làm ô nhiễm khí quyển.
-Năng lượng có thể tái tạo – sức nóng của trái đất là nguồn nhiên liệu hầu như vô tận, nên năng lượng địa nhiệt luôn luôn có thể tái tạo.
-Không lên xuống thất thường – sức nóng của trái đất không thay đổi theo ngày đêm hay khí hậu nên năng lượng địa nhiệt cũng không bị thay đổi như năng lượng mặt trời hay năng lượng gió và có thể đáp ứng nhu cầu lúc nào cần.
-Tương đối rẻ tiền – vì nhiên liệu là sức nóng của trái đất nên năng lượng địa nhiệt rẻ hơn nhiều so với những ngồi năng lượng khác. Vấn đề ở đây là vốn đầu tư khởi đầu cao.
Tương lai của năng lượng địa nhiệt
Chính phủ Hoa Kỳ đang đẩy mạnh việc khai thác năng lượng địa nhiệt qua một kỹ thuật mới gọi là hệ thống địa nhiệt nâng cao (Enhanced Geothermal Systems, EGS). Theo một nghiên cứu của Ðại Học MIT thì vào năm 2050, EGS có thể cung cấp 100 gigawatt điện.
––––––––——
Nguồn tài liệu:
http://geo-energy.org
https://energy.gov
http://www.energyhomes.org
