Năng lượng địa nhiệt

Khả năng tái tạo và tính bền vững

Năng lượng địa nhiệt được cho rằng có khả năng tái tạo vì bất kỳ một dự án khai thác nhiệt nào cũng nhỏ hơn so với toàn bộ nhiệt của Trái Đất. Trái đất có nội nhiệt ¬¬¬ 1031 juns(3•1015 TW•/ giờ), xấp xỉ 100 tỷ lần toàn bộ nguồn năng lượng tiêu thu hàng năm của toàn thế giới (2010). Có khoàng 20% nguồn nhiệt này là từ sự bồi tụ và sự phân rã phóng xạ đã tồn tại trong quá khứ. Dòng chảy của nguồn nhiệt tự nhiên không cân bằng, và nhiệt độ sẽ giảm đi theo niên đại của địa chất. Sự khai thác của con người chiếm một phần nhỏ của trong dòng chảy tự nhiên, thường không đáng báo động. 
Năng lượng địa nhiệt được xem như là có tính bền vững lâu dài nhờ vào nguồn năng lượng này để duy trì hệ sinh thái trên Trái Đất. Sử dụng các nguồn năng lượng tự nhiên này sẽ giúp cho con người không gây hại cho nguồn năng lượng của thế hệ tương lai, để sử dụng nguồn năng lương của họ cùng một lượng tương tự với nguồn năng lượng hiện tại đang dụng. Hơn thế nữa, nhờ vào nguồn năng lượng địa nhiệt có lượng thải ra khí thấp nên nó được xem như một nguồn năng lượng tiềm năng để giảm thiểu hiện tượng nóng lên toàn cầu.
Mặc dù nguồn năng lượng địa nhiệt phù hợp và lâu dài để bảo vệ môi trường, việc khai thác cần phải được kiểm soát để tránh tình trạng khai thác tràn lan gây nên tình trạng cạn kiệt tại địa phương. Trong suốt những thập kỷ qua, những giếng đào tư nhân đã gây ra sự sụt giảm nhiệt độ và mực nước cho đến khi có một sự cân bằng mới đạt được trong dòng chảy tự nhiên. 3 khu vực  lâu đời nhất tại Larderello, Wairakei, và Geyser từng bị giảm đi lượng nước do sự cạn kiệt của địa phương. Nhiệt và nước, với tỷ lệ không phù hợp đã bị khai thác nhanh hơn so với khi chúng được kịp bổ sung cho nhau. Nếu sản lượng nhiệt và nước được lấy lại, những giếng này về mặt lý thuyết có thể phục hồi đầy đủ tiềm năng. Các chiến lược giảm nhẹ như vậy đã được thực hiện tại một số địa điểm. Sự bền vững lâu dài về năng lượng địa nhiệt đã được chứng minh tại mỏ Lardarello ở Ý từ năm 1913, tại mỏ Wairakei ở New Zealand từ năm 1958 , và tại mỏ Geysers ở California từ năm 1960. 
Việc suy giảm trong sản xuất điện năng cũng có thể là thúc đẩy quá trình đào khoan thềm các lỗ khoan bồ sung như ở Poihipi và Ohaaki. Nhà máy điện Wairakei đã hoạt động được lâu dài hơn, với đơn vị đầu tiên được đưa vào hoạt động vào tháng 11 năm 1958 và đạt được công suất 173MW vào năm 1965, tuy nhiên nguồn cung cấp hơi nước áp lực đã giảm, năm 1982 bị giảm áp lực trung bình và trạm kiểm soát 157 mW. Khoảng đầu thế kỷ 21 nó có thể kiểm soát được khoảng 150 MW, sau đó vào năm 2005 hai hệ thống isopentane ((CH3)2CH2 CH2CH3) 8MW được thêm vào, tăng sản lượng của trạm khoảng 14MW. Dữ liệu chi tiết không có sẵn đã bị mất do việc tổ chức lại. Một trong những việc tổ chức lại vào năm 1996 khiến không còn dữ liệu ban đầu cho Poihipi (bắt đầu năm 1996), và khoảng cách năm 1996/7 đối với Wairakei và Ohaaki; dữ liệu nửa giờ cho vài tháng hoạt động đầu tiên của Ohaaki cũng bị thiếu, cũng như phần lớn lịch sử của Wairakei.

Tác động môi trường

Chất lỏng được lấy ra từ trái đất sâu mang theo một hỗn hợp các khí, đặc biệt là cacbon đioxit (CO2), hydrogen sulfide (H2S), metan (NH4) và amoniac (NH3). Những chất gây ô nhiễm này góp phần gây ra hiện tượng nóng dần lên trên toàn cầu, mưa axit, và mùi độc hại nếu được giải phóng. Các nhà máy điện địa nhiệt hiện thải ra lượng khí trung bình 122 kg CO (269 lb)2 megawatt/ giờ (MW h) của nguồn điện, một phần nhỏ của cường độ phát thải của các nhà máy nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Các loại thực vật có mức axit và hóa chất bay hơi cao thường được trang bị các hệ thống kiểm soát khí thải để giảm khí thải.
Bên cạnh các khí hoà tan, nước nóng từ các nguồn địa nhiệt có thể chứa trong các nguyên tố nguy hiểm, độc hại như thuỷ ngân, asen, bo và antimon. Các hóa chất này kết tủa khi nước mát, và có thể gây ra thiệt hại về môi trường nếu được giải phóng. Thực tiễn hiện đại của việc bơm các chất lỏng địa nhiệt đã làm mát vào Trái đất để tăng sản xuất năng lượng có lợi ích bên cạnh trong việc giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường
Các hệ thống sưởi ấm địa nhiệt trực tiếp bao gồm máy bơm và máy nén những cái có thể tiêu thụ được năng lượng từ nguồn gây ô nhiễm. Tải phụ (tải ký sinh)này thường là một phần của nhiệt lượng ra, vì vậy nó luôn luôn ít gây ô nhiễm hơn lượng điện sưởi ấm. Tuy nhiên, nếu điện được sản xuất bằng cách đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, thì lượng khí thải của hệ thống sưởi ấm địa nhiệt có thể tương đương với việc đốt trực tiếp nhiên liệu cho nhiệt. Ví dụ, một máy bơm nhiệt địa nhiệt chạy bằng điện từ một nhà máy khí đốt chu trình hỗn hợp sẽ tạo ra ô nhiễm nhiều như là một lò ngưng tụ khí tự nhiên có cùng kích cỡ.Các hệ thống sưởi ấm địa nhiệt trực tiếp bao gồm máy bơm và máy nén những cái có thể tiêu thụ được năng lượng từ nguồn gây ô nhiễm. Tải phụ (tải ký sinh)này thường là một phần của nhiệt lượng ra, vì vậy nó luôn luôn ít gây ô nhiễm hơn lượng điện sưởi ấm. Tuy nhiên, nếu điện được sản xuất bằng cách đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, thì lượng khí thải của hệ thống sưởi ấm địa nhiệt có thể tương đương với việc đốt trực tiếp nhiên liệu cho nhiệt. Ví dụ, một máy bơm nhiệt địa nhiệt chạy bằng điện từ một nhà máy khí đốt chu trình hỗn hợp sẽ tạo ra ô nhiễm nhiều như là một lò ngưng tụ khí tự nhiên có cùng kích cỡ. Do đó, giá trị mang lại cho môi trường của các ứng dụng sưởi ấm địa nhiệt trực tiếp phụ thuộc rất nhiều vào cường độ phát thải của lưới điện lân cận.
Việc xây dựng nhà máy có thể ảnh hưởng xấu đến sự ổn định của đất đai. Sự sụt lún đã từng xuất hiện ở vùng Wairakei field, New Zealand,.Ở Staufen im Breisgau,Đức, sự thay đổi kiến tạo đã xảy ra, do một lớp anhydrit trước đây bị cô lập tiếp xúc với nước và biến thành thạch cao, tăng gấp đôi lượng của nó. Các hệ thống địa nhiệt nâng cao có thể gây ra động đất như một phần của sự nứt gãy thủy lực. Dự án Basel, Thụy Sĩ đã bị cấm sản xuất vì có hơn 10.000 sự kiện địa chấn đo lên đến 3.4 trên Quy mô Richter xảy ra trong 6 ngày đầu tiên của việc phun nước..

Kinh tế

Năng lượng địa nhiệt không đòi hỏi dùng xăng dầu (trừ nhiên liệu cho máy bơm) và vì thế không bị ảnh hưởng bởi giá nhiên liệu xăng dầu. Tuy nhiên chi phí lắp đặt thì không hề nhỏ. Chi phí khoan thôi thì đã chiếm hơn ½ giá thành, khảo sát những nguồn tài nguyên sâu thì đòi hỏi rủi ro không hề nhỏ. Một giếng khoan đôi (giếng chiết tách và bơm) ở Nevada có thể cung cấp 4.5MW và tốn khoản 10 triệu đô để khoan, rủi ro là 20%..
Nhìn chung, chi phí xây nhà máy và chi phí khoan vào khoản 2-5 triệu Euro mỗi MW, chi phí để hoàn vốn là 0.04-0.10 Euro mỗi kWh. EGS có xu hướng nằm ở trên khoản này khi chi phí lắp đặt là khoản 4 triệu đô mỗi MW và hòa vốn là 0.054$ mỗi kWh năm 2017. Những ứng dụng làm nóng trực tiếp có thể dùng những giếng cạn hơn với nhiệt độ thấp hơn, cho nên những hệ thống nhỏ hơn với chi và rủi ro thấp sẽ khả thi hơn. Những máy bơm phục vụ một khu vực dân cư có công suất khoảng 10 kW và thường được lắp đặt với chi phí khoản 1-3000 đô mỗi kW. Hệ thống sưởi ấm nhà dân sẽ được hưởng lợi thì nền kinh tế quy mô nếu dựa trên mật độ dân số, như trong thành phố hoặc những ngôi nhà kính, nhưng ngược lại chi phí lắp đặt đường ống lại cao hơn chi phí lắp đặt. Chi phí lắp đặt một hệ thống sưởi nhà dân ở Bavaria và khoảng hơn 1tr Euro mỗi MW. Hệ thống trực tiếp dù ở kích cỡ mức độ nào cũng đơn giản hơn máy phát điện và có chi phí vào dưỡng mỗi kW-h thấp hơn, nhưng họ phải tiêu tốn diện năng để chạy máy bơm và máy nén. Chính phủ vài nước còn tài trợ cho những dự án địa nhiệt
-Năng lượng địa nhiệt có phạm vi sử dụng rất lớn: từ những ngôi làng xa xôi cho đến cả một thành phố.
-Khu vực phát triển cánh đồng địa nhiệt nhất ở Mĩ là Khu Geysers nằm ở Bắc California.
Các dự án địa nhiệt có nhiều giai đoạn phát triển. Mỗi giai đoạn có những rủi ro liên quan. Ở giai đoạn đầu của các cuộc điều tra trinh sát và địa vật lý, nhiều dự án đã bị hủy bỏ, làm cho giai đoạn đó không phù hợp với cho vay truyền thống. Các dự án chuyển tiếp từ việc xác định, thăm dò và thăm dò khoan thường thương mại vốn chủ sở hữu để tài trợ.

Năng lượng nhiệt

Các nguồn nhiệt độ thấp tạo ra năng lượng tương đương 100M BBL / năm. Các nguồn có nhiệt độ 30-150 °C được sử dụng mà không cần chuyển đổi thành điện năng như sưởi ấm khu vực, nhà kính, thủy sản, phục hồi khoáng sản, sưởi ấm quy trình công nghiệp và tắm ở 75 quốc gia. Bơm nhiệt trích năng lượng từ các nguồn nông ở 10-20 °C ở 43 quốc gia để sử dụng trong sưởi ấm không gian và làm mát. Nhiệt độ gia đình là phương tiện khai thác năng lượng địa nhiệt nhanh nhất, với tốc độ tăng trưởng toàn cầu hàng năm là 30% vào năm 2005 và 20% vào năm 2012.
Đã có khoảng 270 Petajoules sưởi ấm địa nhiệt đã được sử dụng trong năm 2004. Hơn một nửa đã được sử dụng để sưởi ấm không gian, và một phần ba cho bể nước nóng. Phần còn lại hỗ trợ các ứng dụng công nghiệp và nông nghiệp. Công suất lắp đặt toàn cầu là 28 GW, nhưng các yếu tố công suất có xu hướng thấp (trung bình 30%) vì nhiệt độ chủ yếu là cần thiết vào mùa đông. Khoảng 88 PJ cho sưởi ấm bằng không gian đã được chiết xuất từ 1,3 triệu máy bơm nhiệt địa nhiệt ước tính với tổng công suất 15 GW. 
Nhiệt cho các mục đích này cũng có thể được chiết xuất từ Các thế hệ đồng tại một nhà máy điện địa nhiệt.
Hệ thống sưởi ấm hiệu quả về chi phí ở nhiều nơi hơn là phát điện. Tại suối nước nóng thiên nhiên hay các mạch nước phun suối, nước có thể được bơm trực tiếp vào bộ tản nhiệt. Trong nóng, khô mặt đất, ống đất hoặc trao đổi nhiệt có thể thu thập nhiệt. Tuy nhiên, ngay cả ở các khu vực có mặt đất lạnh hơn nhiệt độ phòng, nhiệt thường có thể được chiết xuất bằng máy bơm nhiệt địa nhiệt hiệu quả hơn và sạch hơn so với các lò thông thường. Các thiết bị này thu hút nhiều tài nguyên nông và cạn hơn các kỹ thuật địa nhiệt truyền thống. Họ thường kết hợp các chức năng, bao gồm điều hòa không khí, lưu trữ năng lượng nhiệt theo mùa, thu năng lượng mặt trời, và sưởi ấm bằng điện. Bơm nhiệt có thể được sử dụng cho không gian sưởi ấm cơ bản ở bất cứ đâu.
Iceland là nước dẫn đầu thế giới về các ứng dụng trực tiếp. Khoảng 92,5% ngôi nhà của họ được nung nóng bằng năng lượng địa nhiệt, tiết kiệm cho Iceland trên 100 triệu đô la hàng năm để tránh nhập khẩu dầu. Reykjavík, Iceland có hệ thống sưởi ấm khu vực lớn nhất thế giới, thường được sử dụng để làm nóng con đường và đường đi để cản trở sự tích tụ băng Một khi được biết đến như là thành phố ô nhiễm nhất trên thế giới, bây giờ nó là một trong những nơi sạch sẽ nhất.

Tài nguyên

Dòng năng lượng nhiệt được dẫn từ bên trong trái đất lên bề mặt Trái Đất với cường độ 44.2 terawatts TW , và được làm nóng lại bởi phóng xạ từ việc phân hủy những khoáng sản với mức độ 30 TW. Mức năng lượng này cao gấp đôi mức năng lượng mà con người dùng từ tất cả mọi nguồn, nhưng mà đa số nguồn này thì không tái tạo được,
Bên cạnh sự biến đổi theo mùa, độ dốc địa nhiệt của nhiệt độ qua lớp vỏ là 25-30 °C (77-86 °F) trên một kilômét độ sâu ở hầu hết các nơi trên thế giới. Dòng nhiệt dẫn nhiệt trung bình 0.1 MW / km2. Những giá trị này cao hơn rất nhiều khi gần biên giới kiến tạo, nơi lớp vỏ mỏng hơn. Chúng có thể được tăng thêm bởi dòng lưu thông chất lỏng, thông qua các ống dẫn magma, suối nước nóng, lưu thông thuỷ nhiệt hoặc sự kết hợp của chúng.
Một máy bơm nhiệt địa nhiệt có thể giải phóng đủ lượng nhiệt từ những chỗ nông ở bất cứ đâu trên thế giới để cung cấp hệ thống gia nhiệt, nhưng các ứng dụng công nghiệp cần nhiệt độ cao hơn từ các nguồn tài nguyên sâu. Hiẹu suất nhiệt và lợi nhuận của việc phát điện đặc biệt phụ thuộc. Các ứng dụng đòi hỏi nhiều nhất nhận được lợi ích lớn nhất từ một dòng nhiệt tự nhiên với nhiệt độ cao, lý tưởng nhất là khi sử dụng lò xo nóng. Lựa chọn tốt nhất tiếp theo là khoan giếng vào tầng nước nóng. Nếu không có tầng nước ngầm thích hợp,tầng nước nhân tạo có thể được xây dựng bằng cách tiêm nước để thủy lực gãy đá. Phương pháp cuối cùng này được gọi là năng lượng địa nhiệt nóng khô ở châu Âu, hoặc các hệ thống địa nhiệt gia tăng ở Bắc Mỹ. Có thể có nhiều tiềm năng hơn từ cách tiếp cận này so với việc khai thác thông thường các tầng lớp nước tự nhiên.

Estimates of the potential for electricity generation from geothermal energy vary sixfold, from .035to2TW depending on the scale of investments. Upper estimates of geothermal resources assume enhanced geothermal wells as deep as 10 kilômét (6 mi), whereas existing geothermal wells are rarely more than 3 kilômét (2 mi) deep. Wells of this depth are now common in the petroleum industry. The deepest research well in the world, the Kola superdeep borehole, is 12 kilômét (7 mi) deep.
Ước tính tiềm năng phát điện từ năng lượng địa nhiệt thay đổi biên thiên 6 lần, từ 0,235TW đến 2TW tùy thuộc vào quy mô đầu tư. Ước tính trên của các tài nguyên địa nhiệt cho thấy các giếng khoan địa nhiệt nâng cao sâu tới 10 km (6 dặm), trong khi các kho địa nhiệt hiện tại hiếm khi ở độ sâu 3 km (2 dặm) Giếng ở độ sâu này hiện nay được dùng phổ biến trong ngành công nghiệp dầu khí. Sâu nhất thế giới, lỗ khoan siêu tân tinh Kola, sâu 12 cây số (7 dặm).
Hiệp hội kỹ thuật Myanmar đã xác nhận được ít nhất 39 địa điểm (Myanmar) có khả năng sản xuất điện năng nhiệt điện địa nhiệt và một số hồ chứa thuỷ nhiệt nằm gần Yangon, một nguồn tài nguyên không được sử dụng đáng kể