Lỗ khoan bị chốt chặt ở Kola vào năm 2012. Ảnh: Wikimedia
Địa nhiệt liên tục tái tạo trong lớp phủ và lớp vỏ Trái Đất. Đây là nguồn tài nguyên dồi dào và sẵn sàng 24/7, có thể giải quyết vấn đề này mà không thải carbon, chất thải phóng xạ hay chiếm nhiều diện tích trên bề mặt. Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IREA) ước tính, tiềm năng địa nhiệt khai thác được về mặt kỹ thuật sẽ lớn ít nhất gấp 10 lần nhu cầu điện của thế giới hiện nay. Tuy nhiên thách thức lớn nhất để khai thác địa nhiệt là cần mũi khoan sâu, theo Interesting Engineering.
Mỗi km khoan xuống, áp suất tăng khoảng 25-30 MPa, tương đương với xếp chồng 250 ôtô lên một m2, còn mức nhiệt tăng 25-30 độ C. Đá ở gần bề mặt có tính chất tương tự thủy tinh giòn, nhưng các lớp sâu hơn chảy như kẹo mềm, "bóp nghẹt" lỗ khoan.
Chuỗi ống khoan dài hàng nghìn mét có thể bị oằn dưới trọng lượng của chính chúng còn mũi khoan mòn chỉ trong vài ngày. Bùn tuần hoàn phải làm mát mũi khoan, giữ lỗ khoan mở và đẩy đá nghiền lên bề mặt. Các giàn khoan quay truyền thống, đủ mạnh để khai thác dầu ở độ sâu 3-5 km, chậm lại khi xuống sâu quá 10 km - một lý do khiến siêu lỗ khoan Kola của Liên Xô mất hai thập kỷ để hoàn thành.
Kể cả khi lỗ khoan vẫn mở, nhiệt độ sẽ phá hủy thiết bị điện và nhựa. Hệ thống đo từ xa thường có giới hạn 175 độ C sẽ hỏng trước khi xuống đến lớp đá siêu nóng, vượt 373 độ C, sâu trong vỏ Trái Đất. Giải quyết những hạn chế này là mục tiêu kỹ thuật chính của công cuộc khai thác năng lượng địa nhiệt.
Vượt qua ngưỡng 373 độ C, nước bơm xuống sẽ chuyển sang pha siêu tới hạn - không phải lỏng cũng không phải khí, nhưng có mật độ năng lượng cao hơn cả hai. Thí nghiệm cho thấy nước muối đặc siêu tới hạn có thể tăng công suất của một nhà máy địa nhiệt thông thường lên gấp 10 lần, cung cấp năng lượng lớn như nhà máy điện hạt nhân từ giếng khoan diện tích nhỏ hơn nhiều.
Địa điểm thử nghiệm khai thác năng lượng địa nhiệt của Fervo ở phía bắc Nevada. Ảnh: Alastair Wiper/Fervo Energy
Các dự án khai thác năng lượng địa nhiệt
Công ty Mỹ Quaise Energy đang thử nghiệm dùng sóng điện từ để khoan thay vì dùng thép cứng. Công ty đặt mục tiêu xây giếng thử nghiệm 3 km vào năm 2026, sau đó xây nhà máy thí điểm 100 MW đầu tiên trước năm 2030.
Trong khi đó, công ty Mỹ Fervo Energy khoan các giếng giao nhau với độ sâu khoảng 2,5 km, sử dụng nước áp suất cao để tạo ra mạng lưới nứt kích thích, sau đó dựa vào hiệu ứng siphon nhiệt - nước lạnh đặc hơn nước nóng - để tuần hoàn chất lỏng mà không cần bơm.
Một thử nghiệm khác ở Utah đặt mục tiêu 400 MW điện, đủ phục vụ hơn 400.000 ngôi nhà. Vì kỹ thuật này dựa vào các giàn khoan dầu phổ biến, công ty tin rằng có thể nhanh chóng đặt nhà máy ở bất cứ đâu có lớp vỏ nóng.
Một số startup đang thử nghiệm "bộ tản nhiệt dưới lỗ khoan" kín, trong đó dung dịch khoan không tiếp xúc với đá, tránh khoáng chất tích tụ làm tắc nghẽn các hệ thống mở. Số khác kết hợp nước muối địa nhiệt với CO2 siêu tới hạn. Các nhà máy lai thậm chí có thể đặt cùng vị trí với nhà máy điện than cũ, tái sử dụng turbine, máy biến áp và tháp làm mát nhưng thay lò đốt than bằng bộ trao đổi địa nhiệt.
Phys.org tháng trước cho biết, chính phủ New Zealand đang đầu tư gần 34,5 triệu USD vào năng lượng địa nhiệt siêu tới hạn. Viện nghiên cứu GNS Science ước tính, nguồn tài nguyên địa nhiệt siêu sâu ở trung tâm Đảo Bắc của nước này trị giá khoảng 3.500 MW, dù việc tiếp cận có thể khó khăn và tốn kém.
Nhà máy điện địa nhiệt Appi tại Hachimantai, tỉnh Iwate, hoạt động thương mại vào tháng 3/2024. Ảnh: Appi Geothermal Energy/Jiji
Nhật Bản có nhiều suối nước nóng, phản ánh tiềm năng địa nhiệt lớn. Tháng 3/2024, nhà máy điện địa nhiệt Appi ở Hachimantai, tỉnh Iwate, bắt đầu hoạt động thương mại. Được vận hành bởi Appi Geothermal Energy, công ty con của Mitsubishi Materials, nhà máy này có công suất tối đa khoảng 15.000 kW, đủ cung cấp điện cho 26.000 hộ gia đình.
Theo Japan Times, Mitsubishi Materials đang tiến hành khảo sát tại Hokkaido, Iwate, Fukushima và Akita, với mục tiêu khởi động một dự án địa nhiệt mới cứ mỗi ba năm. Đến năm tài chính 2050, công ty hy vọng sẽ đáp ứng hiệu quả nhu cầu điện của mình tại Nhật Bản từ nguồn tái tạo, trong đó năng lượng địa nhiệt chiếm khoảng 70%.
Các nhà máy địa nhiệt sâu thường nhỏ gọn, chỉ thải ra hơi nước và tái chế chất làm mát trong vòng lặp kín. Khi chi phí khoan siêu sâu giảm và thời gian khoan được rút ngắn, thế giới có thể giảm sử dụng điện từ nhiên liệu hóa thạch.
Các hệ thống địa nhiệt tương lai hướng đến độ sâu 10 km và nhiệt độ lên tới 500 độ C, có thể sản xuất lượng lớn năng lượng sạch với diện tích đất nhỏ hơn nhiều so với trang trại điện mặt trời hoặc gió. Thêm vào đó, địa nhiệt là nguồn năng lượng liên tục, giúp khắc phục điểm yếu của năng lượng mặt trời và gió, đồng thời giảm nhu cầu lưu trữ pin theo mùa.
Thu Thảo (Tổng hợp)