Năm 1962, các nhà khoa học đã từng khoan 12.000m vào Bán đảo Kola của Nga để thử nghiệm giới hạn của kỹ thuật. Nửa thế kỷ sau, tư duy siêu sâu đó đang được tái sử dụng cho mục đích thực tế hơn: thu thập nhiệt của trái đất như một nguồn năng lượng gần như vô hạn. 

Nhiều bằng chứng chỉ ra rằng công nghệ cắt xuyên qua đá áp suất cao có thể là giải pháp cho quá trình chuyển đổi năng lượng.

Tại sao địa nhiệt sâu lại quan trọng?

Gió, mặt trời và pin điện đang phát triển nhanh chóng, nhưng chúng vẫn chỉ thay thế một phần nhỏ trong 80% năng lượng chính do than, dầu và khí đốt cung cấp. Trong khi đó, nhu cầu toàn cầu vẫn tiếp tục tăng. Một nguồn năng lượng khác là địa nhiệt, liên tục tái tạo trong lớp phủ và lớp vỏ trái đất, cung cấp một nguồn tài nguyên dồi dào, có tiềm năng gánh vác phần lớn tải trọng đó mà không cần phát thải carbon, chất thải phóng xạ… 

Cơ quan Năng lượng tái tạo quốc tế ước tính rằng tiềm năng địa nhiệt có thể đáp ứng ít nhất gấp 10 lần nhu cầu điện hiện tại của thế giới. Đó là nếu chúng ta có thể khoan đủ nhanh và chi phí đủ rẻ.

Bài toán khó

Trung bình mỗi kilomet chiều sâu trên vỏ trái đất sẽ tăng thêm khoảng 25–30 MPa áp suất – tương đương với việc xếp chồng 250 chiếc xe gia đình trên 1m2. Cùng với đó, nhiệt độ cũng sẽ tăng 25 – 30°C. Chưa kể đá nông giống như thủy tinh giòn; các lớp sâu hơn chảy như kẹo mềm, bóp chặt các lỗ khoan. 

Các dây khoan dài hàng nghìn mét có thể cong vênh dưới sức nặng của chúng, các mũi khoan bị mòn trong nhiều ngày và “bùn” tuần hoàn phải làm mát mũi khoan, giữ cho giếng mở và đẩy đá nghiền lên bề mặt. Các giàn khoan quay truyền thống, đủ mạnh để khoan dầu ở độ sâu từ 3 đến 5km, và tốc độ sẽ giảm mạnh ở độ sâu hơn 10km. Đây là một trong những lý do khiến Kola Superdeep của Liên Xô mất hai thập kỷ để hoàn thành.

Ngay cả khi lỗ khoan vẫn mở, nhiệt độ sẽ phá hủy các thiết bị điện tử và chất đàn hồi. Vượt qua những hạn chế này là trận chiến kỹ thuật trung tâm của địa nhiệt thế hệ tiếp theo.

Vượt qua ngưỡng 373°C và 220 bar (đơn vị đo áp suất), nước được đưa vào pha siêu tới hạn – không phải dạng lỏng hay khí, nhưng có mật độ năng lượng cao hơn hẳn. Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy nước siêu tới hạn có thể nhân sản lượng của một nhà máy địa nhiệt thông thường lên gấp 10 lần. Ở 500°C, mỗi kilôgam chất lỏng có thể mang theo lượng nhiệt gần gấp đôi so với hơi nước ở 200°C.

Cuộc đua của các công ty địa nhiệt

Quaise Energy có trụ sở tại Texas đang đặt cược rằng sóng điện từ sẽ làm được điều mà thép cứng không làm được. Một ống dẫn sóng kim loại chưa tới 8cm cung cấp tới 1 megawatt năng lượng vi sóng trực tiếp đến mặt đá, làm bốc hơi ngay lập tức đá granit và bazan. Cách làm này có thể thay thế giàn khoan tốn kém. 

Không có giới hạn mô-men xoắn cơ học, lỗ khoan có thể được bọc bằng ống thép tiêu chuẩn khi hạ xuống. Quaise đã thử nghiệm hệ thống của mình bằng plasma tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia và đặt mục tiêu giếng trình diễn 3km vào năm 2026, tiếp theo là nhà máy thí điểm 100 MW đầu tiên trước năm 2030.

Một công ty khác là Fervo Energy áp dụng bí quyết về khí đá phiến vào đá khô nóng. Công ty khoan các giếng ngang giao nhau ở độ sâu khoảng 2,5 km, sử dụng nước áp suất cao để tạo ra mạng lưới nứt gãy kích thích, sau đó dựa vào hiệu ứng nhiệt xi phông để lưu thông chất lỏng mà không cần máy bơm. 

Các dự án thí điểm đầu tiên ở Nevada đạt 3,5 MW; một thử nghiệm ở nhiệt độ 400 °C ở Utah đạt mục tiêu 90 MW, đủ cho hơn 400.000 ngôi nhà. Vì kỹ thuật này dựa vào các giàn khoan dầu mỏ phổ biến, Fervo cho rằng nó có thể sao chép các nhà máy nhanh chóng ở bất cứ nơi nào có lớp vỏ nóng – có khả năng là 70% lục địa Hoa Kỳ.

So sánh địa nhiệt và hạt nhân

Các nhà máy địa nhiệt sâu nhỏ gọn, chỉ thải ra hơi nước và tái chế chất làm mát trong một vòng khép kín. Chúng chạy trên các tua-bin chu trình Rankine hữu cơ tiêu chuẩn đã được sản xuất hàng loạt để thu hồi nhiệt công nghiệp. Các nhà phát triển cho rằng một khi chi phí khoan siêu sâu giảm thông qua ống dẫn sóng thay vì mũi khoan, chúng có thể thay đổi bức tranh năng lượng. 

Các hệ thống địa nhiệt thế hệ tiếp theo hướng tới mục tiêu đạt độ sâu 10km và nhiệt độ lên tới 500°C, có khả năng tạo ra lượng điện sạch khổng lồ với diện tích đất nhỏ hơn nhiều so với các hệ thống điện mặt trời hoặc điện gió.

Các rào cản địa nhiệt bao gồm vốn đầu tư trước và rủi ro ngầm. Tỷ lệ thành công khoan phải tăng trên 90% và phải quản lý được tình trạng đóng cặn khoáng sản hoặc động đất gây ra để giành được lòng tin của cộng đồng. Tuy nhiên, việc không có chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài và khả năng đặt các nhà máy gần các trung tâm lưới điện hiện có mang lại cho địa nhiệt lợi thế.

Những người ủng hộ hạt nhân lại rằng các lò phản ứng cung cấp mật độ công suất vô song, nhưng các công trình xây dựng mới phải đối mặt với quy trình cấp phép tốn thời gian, chi phí vượt mức và sự phản đối của công chúng. 

Theo Interesting Engineering