Cuộc đua khai thác nguồn năng lượng vô tận từ lõi Trái Đất

Dẫn nhập: Công nghệ khoan sâu hiện nay đang mở đường cho việc khai thác năng lượng địa nhiệt khi các nước trên thế giới tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu. Năng lượng địa nhiệt với công nghệ mới thậm chí vượt trội hơn các loại năng lượng tái tạo khác như gió và mặt trời, vốn không ổn định. Một giếng địa nhiệt sản xuất nước siêu tới hạn có mật độ năng lượng tương đương với giếng dầu hoặc khí đốt.

BBC Science Focus đã có một bài đăng khá chi tiết về nguồn năng lượng tiềm năng và hết sức dồi dào này. Tác giả cùa bài viết, Augusta Grand, đảm nhận vai trò CEO của Eden Geothermal từ năm 2019. Bà đã dẫn dắt dự án trở thành dự án địa nhiệt đầu tiên tại Vương quốc Anh đi vào hoạt động. Công việc của bà thậm chí đã giúp bà giành chiến thắng tại giải thưởng quốc tế Project Innerspace PIVOT 2023, nơi bà được vinh danh là một trong “Five on Fire” – những nhân tố xúc tác nổi bật của ngành địa nhiệt trong năm.

VNFocus xin giới thiệu bài viết khá lý thú này đến độc giả.

Những mái vòm khổng lồ, trông như những tấm màng bong bóng khổng lồ, nằm yên bình trong một thung lũng ở Cornwall, Anh. Các mái vòm này chứa cây cối từ khắp nơi trên thế giới và là đặc điểm nổi bật của Dự án Eden, một dự án sử dụng địa nhiệt để chăm sóc cây cối.

Bên cạnh Dự án Eden, trên một mảnh đất lát gạch có diện tích tương đương một sân bóng đá, là một vài container lưu trữ dài 10m và một cấu trúc kim loại màu đỏ cao khoảng 3m. Ngay bên dưới cấu trúc này là một lỗ nhỏ sâu 5,3km xuyên vào lớp vỏ Trái Đất. Với đường kính chỉ 25cm, lỗ này vừa đủ để chứa hai đường ống: một ống lớn hơn để bơm nước lạnh xuống và một ống nhỏ hơn lọt lòng để dẫn nước nóng từ dưới lòng đất lên bề mặt.

Từ đây, nước nóng được sử dụng để sưởi ấm Dự án Eden, duy trì nhiệt độ nhiệt đới cần thiết cho cây cối bên trong các mái vòm.

Ngày nay, một loạt các hệ thống năng lượng địa nhiệt (geothermal energy), như hệ thống này, tận dụng nhiệt tự nhiên được lưu trữ sâu dưới bề mặt Trái Đất, hoặc để sưởi ấm nhà cửa, cơ sở thương mại hay các tòa nhà như tại Dự án Eden, hoặc để tạo ra điện.

Bạn có thể tạo ra điện bằng năng lượng địa nhiệt theo hai cách: hoặc bằng cách bơm nước nóng hoặc hơi nước từ các giếng ngầm lên bề mặt để quay tuabin, hoặc thông qua một quá trình gọi là ‘thủy vỡ’ (hydrofracturing), trong đó nước lạnh được bơm vào các tảng đá nóng sâu dưới lòng đất để làm nóng nước trước khi nước được đưa trở lại bề mặt để quay tuabin.

“Càng xuống sâu, nhiệt độ càng cao,” Augusta Grand, CEO của Eden Geothermal, nói. “Lõi Trái Đất nóng như bề mặt của Mặt Trời. Địa nhiệt giống như một người khổng lồ ngủ quên trong ngành năng lượng tái tạo – nó có tiềm năng khổng lồ.”

Có vẻ như người khổng lồ này đang thức dậy. Lặng lẽ, trên khắp thế giới, một số công ty khởi nghiệp kỹ thuật đang đào sâu với hy vọng khai thác năng lượng địa nhiệt để sản xuất điện – loại năng lượng có thể được đưa vào lưới điện quốc gia và cung cấp đến từng ngôi nhà.

Nếu họ thành công, điều này có thể thay đổi hoàn toàn cách thế giới tạo ra năng lượng: họ chỉ cần tìm đúng loại đá…

Xuống tầng đá nền

Việc tạo ra điện đòi hỏi các loại đá có nhiệt độ cao hơn nhiều so với hệ thống sưởi ấm “tương đối đơn giản” tại Dự án Eden. Trước đây, khả năng tiếp cận các nhiệt độ cực cao chỉ giới hạn ở các khu vực núi lửa, như Iceland và Ý.

Tuy nhiên, nhờ vào công nghệ đột phá, các dự án địa nhiệt siêu sâu mới đang tìm cách khoan nhiều kilomet xuống các tầng đá nền nóng rực (nằm bên dưới các lớp trầm tích cao nhưng phía trên lớp manti), có thể tạo ra lượng năng lượng lớn hơn nhiều so với các nhà máy địa nhiệt thông thường.

Một trong những công ty tiên phong trong việc khai thác các tầng đá nền này là Quaise Energy. Có trụ sở tại Massachusetts, Mỹ, công ty này dự định sử dụng công nghệ sóng milimet (millimetre wave – MMW), được phát triển cho lĩnh vực nhiệt hạch, để khoan vào các tầng đá nền rất cứng và rất nóng.

Sóng MMW nằm giữa sóng vi ba và hồng ngoại trên phổ điện từ. Khoảng 15 năm trước, Paul Woskov, một nhà nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học Plasma và Nhiệt hạch của Học viện Công nghệ Massachusetts, đã nhận ra tiềm năng của công nghệ MMW trong việc khoan. Trong vài năm gần đây, Quaise Energy đã sử dụng công nghệ này để tạo ra công suất lên đến 100kW.

“Chúng tôi đang lên kế hoạch khoan với năng lượng tương đương khoảng 100 lò vi sóng,” Matthew Houde, đồng sáng lập Quaise Energy, chia sẻ. “Hiện tại, chúng tôi đang tập trung tăng cường công suất của công nghệ này trước khi đưa nó ra khỏi phòng thí nghiệm và áp dụng thực tế vào cuối năm nay.”

Quaise Energy đã phát triển hai giàn khoan nguyên mẫu. Giàn khoan nhỏ hơn sẽ là giàn đầu tiên thử nghiệm kỹ thuật MMW trên thực địa, với tốc độ khoan khoảng 3–4m/giờ. Giàn khoan thứ hai sẽ mở rộng quy trình bằng cách kết hợp (hybridising) công nghệ của công ty với một giàn khoan trên bờ hiện có do đối tác Nabors cung cấp.

Ban đầu, lớp đá bề mặt sẽ được khoan theo cách thông thường, sử dụng kỹ thuật khoan cơ học. Nhưng khoan cơ học không hiệu quả với đá nền, như đá mácma, nơi nhiệt độ và áp suất quá cao đối với thiết bị.

Do đó, khi kỹ sư chạm đến tầng đá nền, họ sẽ chuyển sang khoan bằng công nghệ MMW. Với phương pháp này, toàn bộ thiết bị vẫn ở trên bề mặt và một “tia” năng lượng cao (a ‘beam’ of high energy) được bắn xuống lỗ khoan. Cách này đảm bảo không gặp rủi ro nếu thiết bị hỏng hóc, vì mọi thứ đều ở nhiệt độ và áp suất bình thường trên bề mặt. Tuy nhiên, chìa khóa thành công của kỹ thuật MMW là khoan một lỗ thật thẳng.

“Công nghệ nhiệt hạch đã phát triển cách để ‘định hình tia’, truyền tải hiệu quả qua một ống dẫn sóng kim loại bằng cách tập trung hầu hết năng lượng sóng vi ba vào trung tâm của ống,” Houde giải thích. “Đá hấp thụ năng lượng vi ba (absorbs this microwave energy) này, cuối cùng bị nóng chảy trước khi bắt đầu bay hơi.

Nói cách khác, đá bị hóa hơi, sau đó khí tẩy (purge gas) được bắn xuống lỗ khoan để làm mát và ngưng tụ hơi thành vật liệu giống như khói hoặc tro bay (fly ash), trước khi được hút lên.”

Khi đá đã được loại bỏ, nước có thể được bơm xuống khu vực nhiệt độ cao này. Khi nước đạt đến nhiệt độ khoảng 374°C, không còn có thể phân biệt được giữa pha lỏng và pha khí, và nó trở thành một chất lỏng siêu tới hạn (supercritical fluid).

Một nhà máy điện hoạt động ở những nhiệt độ này có thể tạo ra lượng năng lượng hữu ích gấp 10 lần so với các nhà máy địa nhiệt hiện nay. Một giếng địa nhiệt sản xuất nước siêu tới hạn có mật độ năng lượng tương đương với giếng dầu hoặc khí, tức là lượng năng lượng chảy qua giếng đó.

“MMW là kỹ thuật khoan hiệu quả nhất về chi phí để xử lý các tầng đá nền cứng và có nhiệt độ cao ở độ sâu lớn,” Houde nói. “Mục tiêu của chúng tôi là đạt đến các độ sâu nhiệt độ cao mà khoan thông thường không thể tiếp cận.

Có rất nhiều địa điểm trên thế giới nơi có thể đạt đến nhiệt độ này ở độ sâu nông hơn 10km. Vì vậy, chúng tôi không cố gắng khoan lỗ sâu nhất ngay từ lần thử đầu tiên. Nhưng tham vọng của chúng tôi là tạo ra khả năng tiếp cận các nguồn địa nhiệt nhiệt độ cao bằng cách mở khóa các độ sâu lớn hơn nhờ công nghệ khoan này.”

Công nghệ đột phá

Mặc dù công nghệ MMW có thể cách mạng hóa việc khoan vào các tầng đá nhiệt độ cao, nhưng không phải không gặp khó khăn.

“Ba thách thức lớn là đưa năng lượng xuống lỗ khoan, loại bỏ vật liệu ra khỏi lỗ khoan và giữ cho lỗ khoan không bị sập,” Houde chia sẻ. “Do chúng tôi chưa thể khoan sâu đến 10km, nên hiện tại chúng tôi chỉ có thể mô phỏng hiệu quả truyền năng lượng xuống lỗ khoan.”

Một thách thức đặc biệt khó khăn là giảm thiểu sự hình thành plasma trong lỗ khoan. Hơi đá nóng đến mức bị ion hóa và tạo thành một loại plasma yếu. Chìa khóa là đưa càng nhiều năng lượng xuống lỗ khoan để khoan càng tốt, mà không bị mất năng lượng do plasma cản trở chùm tia hoặc thất thoát năng lượng vào ống dẫn.

Tuy nhiên, thách thức lớn nhất khiến nhiều người lo ngại không phải là quá trình khoan, mà là phương pháp thủy lực vỡ đá (hydrofracturing), vì việc bơm nước lạnh vào các tầng đá có thể kích hoạt động đất. Một buổi chiều tháng 11-2017, một trận động đất mạnh 5,5 độ richter đã làm rung chuyển thành phố Pohang, Hàn Quốc, khiến hàng chục người bị thương và nhà cửa bị phá hủy. Nguyên nhân được cho là xuất phát từ một dự án địa nhiệt gần đó.

“Động đất là một thách thức nghiêm trọng, nhưng hoàn toàn có thể kiểm soát được,” Houde khẳng định. “So với một số sự cố trong quá khứ khi các trận động đất lớn xảy ra do hoạt động địa nhiệt, nghiên cứu gần đây đã cải thiện đáng kể khả năng giám sát và giảm thiểu.

Dữ liệu từ địa điểm thí nghiệm địa nhiệt của Bộ Năng lượng Mỹ ở Utah cho thấy các sự kiện địa chấn rất nhỏ, nằm dưới một ngưỡng mà tôi gọi là ‘ngưỡng Taylor Swift’ – chúng gây ra ít địa chấn hơn so với một buổi hòa nhạc của Taylor Swift.”

Bộ Năng lượng Mỹ đang tài trợ cho các nghiên cứu tìm cách giảm rủi ro động đất đồng thời tăng sản lượng năng lượng địa nhiệt.

Một dự án của các nhà nghiên cứu tại Đại học Penn State, được công bố trên tạp chí Nature Communications vào mùa xuân năm ngoái, đã áp dụng học máy (machine learning) để phân tích dữ liệu hoạt động địa chấn.

Kết hợp với việc giám sát vi động đất bằng các thiết bị đo địa chấn trên mặt đất, các nhà nghiên cứu hy vọng phương pháp này có thể giúp kỹ sư xác định ngưỡng an toàn, đảm bảo không vượt quá mức có thể gây hại trong quá trình thủy lực vỡ đá.

Địa nhiệt cũng mang lại rủi ro sức khỏe nhỏ cho công nhân tại các công trường. Một số loại đá tự nhiên có thể phát ra phóng xạ, điều này không gây vấn đề nếu chúng nằm sâu dưới lòng đất. Nhưng các loại đá phóng xạ hòa tan được mang lên bề mặt cùng với nước trong hệ thống địa nhiệt sẽ nguội đi và tạo thành chất rắn phóng xạ gọi là “vảy”. Do đó, cần triển khai các quy trình an toàn để giảm thiểu nguy cơ này.

Địa nhiệt tại Anh Quốc

Bỏ qua những thách thức, với mục tiêu đạt phát thải ròng bằng 0, nhiều chính phủ đã nhận ra tiềm năng to lớn của địa nhiệt, và thừa nhận rằng đây không còn là nguồn năng lượng dành riêng cho các quốc gia có hoạt động núi lửa.

Thật vậy, vào đầu năm 2024, Nghị viện Châu Âu đã bỏ phiếu ủng hộ mạnh mẽ chiến lược năng lượng địa nhiệt của Châu Âu. Hiện nay, tại các thành phố như Paris, địa nhiệt đã được sử dụng trong một số hệ thống sưởi ấm khu vực. Hà Lan đặt mục tiêu 5% nhiệt lượng của cả nước sẽ được tạo ra từ địa nhiệt vào năm 2030 và tăng lên 23% vào năm 2050.

Tại Anh Quốc, Hệ thống Y tế Quốc gia (NHS) đã nhận ra tiềm năng của địa nhiệt trong việc giảm phát thải carbon cho các bệnh viện (decarbonise hospitals), và Khảo sát Địa chất Anh Quốc xác định hơn 100 địa điểm có thể nằm trên các tầng chứa nước địa nhiệt. Điều này sẽ giúp NHS đạt được các mục tiêu phát thải ròng bằng 0 đầy tham vọng (năm 2030 tại Wales, 2040 tại Scotland và 2045 tại Anh).

Mặc dù nghe có vẻ đầy hứa hẹn, Giáo sư Gioia Falcone, Chủ tịch Bộ môn Kỹ thuật Năng lượng tại Đại học Glasgow và giám đốc Trung tâm Năng lượng Bền vững Glasgow, cho biết Anh Quốc thực tế đang chậm hơn trong việc nhận ra tiềm năng của địa nhiệt.

“Muộn còn hơn không,” Falcone nhận xét. “Năng lượng địa nhiệt có thể giúp cả giảm thiểu và thích ứng với biến đổi khí hậu đang xảy ra, bằng cách giảm phát thải và cung cấp một môi trường dưới lòng đất được bảo vệ, ít chịu tác động từ các yếu tố bên ngoài.

‘Anh Quốc có gần như mọi loại tài nguyên địa nhiệt – ngoại trừ núi lửa đang hoạt động, tất nhiên. Tôi đã thấy mối quan tâm ngày càng tăng trong lĩnh vực này, từ chính phủ đến các doanh nghiệp.’”

UKRI tài trợ các dự án địa nhiệt triển vọng

Tổ chức Nghiên cứu và Đổi mới Vương quốc Anh (UKRI) đang tài trợ cho một loạt các dự án địa nhiệt triển vọng, nghiên cứu các địa điểm trên khắp Vương quốc Anh, từ đá granite cứng ở Cornwall và phía bắc Scotland, đến các loại đá trầm tích ở những khu vực như East Yorkshire và Lincolnshire.

Đá granite cứng, khô, và nóng sẽ được khai thác để sản xuất điện, trong khi các loại đá trầm tích mềm hơn, ẩm hơn dễ khoan hơn nhưng giải phóng ít năng lượng hơn, nên sẽ được nhắm đến để sưởi ấm.

“Đá khô, nóng yêu cầu tuần hoàn nước nhân tạo để thu hồi nhiệt từ đá khô,” Giáo sư Falcone cho biết. “Nhưng trong tầng ngậm nước (aquifer), nếu có đủ độ thấm (permeability) để nước di chuyển dưới lòng đất với tốc độ cần thiết, thì dễ dàng và rẻ hơn nhiều so với khoan vào đá granite. Điều này mở ra nhiều loại địa điểm dưới lòng đất để khám phá.”

Hàng thế kỷ trước, làng mạc, thị trấn và thành phố được xây dựng gần nguồn nước. Trong tương lai, các nhà quy hoạch có thể sẽ xem xét tiềm năng địa nhiệt khi quyết định vị trí cho các khu phát triển mới. Trong một số trường hợp, nơi đã có sẵn thị trấn, các lớp dưới bề mặt sẽ được đánh giá để xem liệu năng lượng địa nhiệt có thể hỗ trợ nhu cầu sử dụng hiện tại hay không. Ở những trường hợp khác, các nhà phát triển sẽ tìm kiếm các khu vực tiềm năng có thể sử dụng năng lượng địa nhiệt để sưởi ấm.

Nhưng như Falcone lưu ý: “Điều quan trọng là phải minh bạch và trung thực về số lượng nhà ở, hồ bơi hoặc tòa nhà thương mại mà một dự án có thể thực sự hỗ trợ, và trong bao lâu.”

Giải quyết khủng hoảng năng lượng

Năng lượng địa nhiệt mang lại nhiều lợi ích, thậm chí vượt trội hơn các loại năng lượng tái tạo khác. Không giống như gió và mặt trời, vốn không ổn định, địa nhiệt có thể cung cấp nguồn năng lượng (base-load source of energy) ổn định, liên tục. Gió và mặt trời cũng đòi hỏi cơ sở hạ tầng bổ sung để lưu trữ lượng điện dư thừa được tạo ra nhằm đáp ứng nhu cầu khi trời không nắng và gió không thổi.

Hạ tầng địa nhiệt cũng chiếm ít không gian hơn so với các trang trại năng lượng mặt trời hay gió. “Ngoài ra, hầu hết các vật liệu được sử dụng trong công nghệ địa nhiệt sâu đều có thể tái chế,” Falcone cho biết.

“Trong khi đó, khi các tua-bin gió ngừng hoạt động, nhiều vật liệu không thể tái chế, và có nguy cơ các sợi carbon bị hít vào, gây ra các vấn đề về sức khỏe.”

Nguồn năng lượng sạch vô tận là “chén thánh” trong mục tiêu đạt phát thải ròng bằng 0. Những năm tới đây sẽ chứng minh liệu có đủ sự quan tâm dành cho các dự án địa nhiệt hay không và liệu công nghệ khoan sâu có thể đáp ứng kỳ vọng của nó.

Houde lạc quan: “Nếu chúng ta có thể khoan đủ sâu để tiếp cận nhiệt độ cao với chi phí hợp lý, địa nhiệt là nguồn năng lượng sạch duy nhất, ổn định, có thể được mở rộng quy mô toàn cầu.”

Trở lại dự án Eden, các kế hoạch đang được thực hiện để khoan thêm một lỗ khoan thứ hai, có thể tạo ra cả điện và nhiệt. Địa nhiệt là cách để đạt được các mục tiêu phát thải ròng bằng 0 mà vẫn đảm bảo nhu cầu sử dụng năng lượng. Mọi người muốn bia lạnh và vòi sen nước nóng – để đạt được điều đó, năng lượng địa nhiệt là một bổ sung tuyệt vời cho kho vũ khí công nghệ tái tạo của chúng ta.