Nhà máy năng lượng địa nhiệt quy mô công nghiệp ở Iceland. Nguồn ảnh: Tommy Kwak qua Unsplash.

Điện được sản xuất lần đầu tiên từ nguồn địa nhiệt vào đầu những năm 1900 ở Ý. Tại Hoa Kỳ, mỏ địa nhiệt Geysers ở California bắt đầu sản xuất điện quy mô lớn vào năm 1960 và hiện nay thường xuyên sản xuất hơn 725 megawatt điện năng tiêu thụ ổn định.

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), năng lượng địa nhiệt hiện vẫn chỉ cung cấp chưa đến 1% nhu cầu điện toàn cầu, mặc dù các quốc gia như Kenya (hơn 40% sản lượng điện) và Iceland (gần 30% điện năng và 90% nhiệt năng) đã chứng kiến ​​sự phổ biến rộng rãi của công nghệ này.

Trong những năm gần đây, những tiến bộ công nghệ, dòng vốn tư nhân đổ vào và sự thay đổi trong chính sách năng lượng và môi trường đã thúc đẩy sự quan tâm trở lại đối với việc mở rộng phát triển năng lượng địa nhiệt. Nếu chi phí dự án tiếp tục giảm, Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) dự đoán rằng năng lượng địa nhiệt có thể đáp ứng 15% mức tăng trưởng nhu cầu điện toàn cầu từ năm 2024 đến năm 2050. Nhiều quốc gia, bao gồm Hoa Kỳ, Indonesia, New Zealand và Thổ Nhĩ Kỳ, đang ưu tiên mở rộng năng lượng địa nhiệt như một phần trong chiến lược năng lượng rộng lớn hơn của họ.

Việc đạt được sản lượng điện quy mô lớn từ nguồn địa nhiệt sẽ phụ thuộc vào sự mở rộng đáng kể của cái gọi là địa nhiệt thế hệ tiếp theo. Điều này đề cập đến việc khai thác nhiệt từ các tầng đá nguồn ở nhiệt độ từ 100 độ C đến hơn 400 độ C, thường ở độ sâu vài km dưới bề mặt. Tháng trước, Hạ nghị sĩ Jake Auchincloss (Đảng Dân chủ - Massachusetts) và Hạ nghị sĩ Mark Amodei (Đảng Cộng hòa - Nevada) đã giới thiệu dự luật lưỡng đảng nhằm thúc đẩy nghiên cứu, thử nghiệm và phát triển một loại năng lượng địa nhiệt thế hệ tiếp theo được gọi là đá siêu nóng.

Năng lượng địa nhiệt tại MIT

Báo cáo “Tương lai của năng lượng địa nhiệt” do cựu giáo sư MIT Jeff Tester đứng đầu, MIT và tiền thân của Sáng kiến ​​Năng lượng MIT (MITEI) đã đóng một vai trò quan trọng trong chiến lược địa nhiệt quốc gia hai thập kỷ trước. Năm 2008, các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học Plasma và Nhiệt hạch (PSFC) đã phát minh ra công nghệ khoan sóng milimét với sự hỗ trợ từ một trong những khoản tài trợ đổi mới ban đầu của MITEI. Công nghệ này, có thể đặc biệt hữu ích cho các công trình địa nhiệt trong đá siêu nóng và sâu, đang được thương mại hóa bởi Công ty Khởi nghiệp Quaise Energy của MIT .

MITEI đang tài trợ các dự án địa nhiệt thế hệ mới thông qua Trung tâm Hệ thống Năng lượng Tương lai của mình. Một dự án do Nhà khoa học nghiên cứu Pablo Duenas-Martinez của MITEI dẫn đầu tập trung vào khía cạnh kinh tế kỹ thuật của việc sản xuất điện từ nhà máy địa nhiệt đặt cạnh trung tâm dữ liệu, một chủ đề rất thời sự trong bối cảnh các thỏa thuận mua bán điện năng giữa các trung tâm dữ liệu với nguồn điện được tạo ra từ năng lượng địa nhiệt đang ngày càng phổ biến.

Hội thảo mùa xuân ngày 4 tháng 3 của MITEI tập trung vào năng lượng địa nhiệt thế hệ tiếp theo để tạo ra nguồn điện ổn định, và nhiều công ty hàng đầu trong lĩnh vực thăm dò, khoan, phát triển mỏ và công nghệ tiên tiến đã cử các chuyên gia và diễn giả tham gia. Ngày 5/3, MITEI hợp tác với Lực lượng Đặc nhiệm Không khí Sạch (CATF) để đồng tổ chức Hội nghị thượng đỉnh GeoTech, nhằm tìm hiểu về việc đẩy nhanh phát triển công nghệ và đầu tư vào năng lượng địa nhiệt thế hệ tiếp theo.

Để chuẩn bị cho hội thảo gần đây, MITEI đã tổ chức một khóa huấn luyện ngắn hạn về địa nhiệt trong thời gian hoạt động độc lập (IAP) của MIT, giới thiệu cho hơn 40 thành viên cộng đồng MIT về những kiến ​​thức cơ bản về địa nhiệt, các công nghệ chủ chốt và các nghiên cứu liên quan của MIT.

Carolyn Ruppel, Phó Giám đốc Khoa học và công nghệ của MITEI kiêm người tổ chức trại huấn luyện IAP và Hội nghị chuyên đề mùa xuân, cho biết: “Các công ty thành viên của MITEI, đại diện cho những tiếng nói hàng đầu trong lĩnh vực năng lượng, sản xuất điện, cơ sở hạ tầng, công nghiệp nặng và công nghệ kỹ thuật số, ngày càng liên hệ với chúng tôi để bày tỏ sự quan tâm đến năng lượng địa nhiệt thế hệ tiếp theo. Ngoài ra, cũng có những động lực tích cực đang được xây dựng trên toàn MIT, từ các dự án tại Phòng thí nghiệm Tài nguyên Trái đất đến hệ thống thử nghiệm sóng milimét đang được phát triển bởi PSFC và các cộng tác viên của MIT, các dự án riêng lẻ trong các khoa học thuật, và tất nhiên là công việc mà MITEI đã tài trợ.”

Các nguyên tắc cơ bản về địa nhiệt

Nhiệt độ ở độ sâu vài chục mét dưới lòng đất thường ổn định quanh năm. Ở một số địa điểm, nhiệt độ này ấm hơn bề mặt vào mùa đông và mát hơn vào mùa hè, cho phép sử dụng bơm nhiệt địa nhiệt để điều hòa nhiệt độ trong các tòa nhà suốt cả năm.

Nằm bên bờ sông Charles, Trung tâm Khoa học Máy tính và Dữ liệu 19 tầng của Đại học Boston đáp ứng khoảng 90% nhu cầu sưởi ấm và làm mát bằng hệ thống địa nhiệt kiểu này. Ở quy mô các tổ chức lớn hoặc toàn bộ thành phố, mạng lưới nhiệt, hệ thống sưởi ấm khu vực và các phương pháp khác có thể cung cấp nhiệt hiệu quả từ các nguồn địa nhiệt nông mà không tạo ra khí thải nhà kính.

Việc khai thác các nguồn địa nhiệt nóng hơn và thường nằm sâu hơn có thể tạo ra lượng điện năng lớn trong nhiều thập kỷ tại một địa điểm duy nhất. Địa nhiệt thế hệ tiếp theo là thuật ngữ được áp dụng cho các hệ thống nhiệt độ cao hơn này, được phát triển bằng cách sử dụng các công nghệ tiên tiến, hiện đại và siêu nóng.

Năng lượng địa nhiệt tăng cường đề cập đến việc tuần hoàn chất lỏng qua các hệ thống khe nứt được thiết kế trong đá khô sâu với độ thấm tự nhiên tương đối thấp. Năng lượng địa nhiệt tiên tiến áp dụng phương pháp vòng kín, trong đó chất lỏng làm việc được làm nóng bằng cách tuần hoàn qua các đường ống được chôn trong lòng đất. Năng lượng địa nhiệt siêu nóng, hiện vẫn còn ở giai đoạn sơ khai, có khả năng sẽ sử dụng công nghệ địa nhiệt tăng cường để tuần hoàn nước siêu tới hạn qua đá ở nhiệt độ gần 400°C.

Năng lượng địa nhiệt thế hệ tiếp theo

Nếu khoan đủ sâu, các nguồn tài nguyên có nhiệt độ cao hơn gần như phổ biến khắp nơi dưới lòng đất các lục địa, nhưng giai đoạn phát triển ban đầu cần tập trung vào những địa điểm triển vọng nhất, nơi các phương pháp và công nghệ để tiếp cận thường xuyên các tầng đá nóng hơn này có thể được thử nghiệm và hoàn thiện.

Các khu vực như Iceland và bang Nevada ở tây nam Hoa Kỳ, nơi các mảng kiến ​​tạo đang tách rời hoặc lớp vỏ ngoài của Trái đất đang mỏng đi, có nhiệt độ gần bề mặt cao hơn so với các khu vực như đông bắc Hoa Kỳ, nơi lớp vỏ Trái đất lâu đời, dày và mát hơn.

Ngay cả ở vùng tây nam Hoa Kỳ, việc đạt được nhiệt độ cao cần thiết để sản xuất điện bằng hệ thống địa nhiệt vẫn đòi hỏi phải thường xuyên khoan sâu hơn 4 km trong đá kết tinh. Điều này khó khăn hơn đáng kể so với việc khoan trong các lưu vực trầm tích, nơi chứa phần lớn trữ lượng dầu khí của thế giới.

Để một địa điểm phù hợp cho việc lắp đặt hệ thống địa nhiệt thế hệ mới, không chỉ cần nhiệt mà còn cần chất lỏng (thường là nước) để dẫn nhiệt. Nước được tuần hoàn qua các tầng đá để khai thác nhiệt có thể có sẵn trong tự nhiên hoặc được đưa từ nơi khác đến và bơm vào tầng chứa. Loại hệ thống này cũng yêu cầu độ thấm liên tục, chẳng hạn như mạng lưới khe nứt được thiết kế để ngăn ngừa thất thoát chất lỏng đáng kể và dẫn chất lỏng về phía giếng khai thác. Các hệ thống khép kín (tiên tiến) thay thế nước tuần hoàn tự do bằng chất lỏng làm việc có đặc tính nhiệt thuận lợi và được giữ kín trong đường ống.

Nhiều phương pháp địa vật lý được sử dụng để tìm kiếm các vị trí có đủ nhiệt lượng trong vòng vài kilomet tính từ bề mặt, một điều kiện tiên quyết cho việc phát triển chúng thành các công trình địa nhiệt thế hệ mới. Bên cạnh việc đo trực tiếp nhiệt độ trong các giếng khoan thử nghiệm, khảo sát điện trở suất và điện từ trường là những phương pháp hữu ích nhất để suy luận về chế độ nhiệt độ dưới lòng đất. Cả hai kỹ thuật này đều suy luận cấu trúc dẫn điện bên dưới mặt đất, cho phép xác định các loại đá có nhiệt độ tương đối cao hơn và dễ thấm nước hơn.

Khoan thăm dò thường là công đoạn tốn nhiều thời gian và chi phí nhất trong quá trình chuẩn bị mặt bằng cho nhà máy địa nhiệt. Điều này đặc biệt đúng đối với các nhà máy địa nhiệt thế hệ mới, nơi các mục tiêu có thể nằm sâu hoặc thiết kế hệ thống có thể yêu cầu khoan ngang quy mô lớn.

Trong vài năm qua, nhiều cải tiến đã giúp tăng tốc độ khoan, độ sâu và nhiệt độ đạt được, đồng thời giảm chi phí. Tuy nhiên, ngay cả với các cuộc khảo sát địa vật lý chất lượng cao, "bạn có thể chi 10 triệu đô la cho một giếng thăm dò mà không tìm thấy nhiệt", Andrew Inglis, người xây dựng dự án kênh địa nhiệt tại MIT Proto Ventures, cho biết.

Năng lượng địa nhiệt siêu nóng, một phương pháp địa nhiệt thế hệ mới đang phát triển nhanh chóng, đặt ra những thách thức đặc biệt. Các dụng cụ khoan bằng kim loại, đá trong tầng địa chất và chất lỏng tuần hoàn đều có phản ứng khác nhau ở nhiệt độ vài trăm độ, và các quy trình, vật liệu và cảm biến tiêu chuẩn phải được sửa đổi đáng kể để chịu được các điều kiện khắc nghiệt.

Khi nhiệt độ vượt quá 374°C trong giếng khoan ở độ sâu khoảng 1 km, nước sẽ đạt đến trạng thái siêu tới hạn. Điều này mang lại những lợi thế đáng kể cho việc khai thác nhiệt từ tầng địa nhiệt, nhưng lại tiềm ẩn nguy cơ ăn mòn kim loại nhanh chóng và sự kết tủa của muối và silica, có thể làm tắc nghẽn giếng khoan. Các nhà nghiên cứu đang tìm hiểu việc thay thế nước bằng carbon dioxide siêu tới hạn làm chất lỏng làm việc cho hệ thống địa nhiệt siêu nóng.

Những đổi mới của MIT thúc đẩy công nghệ địa nhiệt thế hệ tiếp theo

Công nghệ khoan sóng milimét được phát minh tại PSFC và đang được thương mại hóa bởi Quaise Energy là sự đổi mới địa nhiệt thế hệ tiếp theo nổi bật nhất xuất phát từ MIT cho đến nay. Công nghệ sóng milimét sử dụng năng lượng vi sóng để làm bay hơi đá và có thể nhanh hơn nhiều lần so với phương pháp khoan thông thường.

PSFC và một nhóm nghiên cứu đa ngành của MIT đang thiết kế một  phòng thí nghiệm chuyên dụng để nghiên cứu cách khoan sóng milimét tương tác với đá kết tinh ở điều kiện áp suất và nhiệt độ thực tế, và để thử nghiệm những cải tiến đối với công nghệ hiện có. Steve Wukitch, giám đốc tạm thời và nhà khoa học nghiên cứu chính tại PSFC, lưu ý rằng: “Cơ sở mà chúng tôi đang xây dựng tại MIT sẽ cho phép chúng tôi thử nghiệm các mẫu lớn hơn 500 lần so với hiện tại. Đây là một bước quan trọng để nghiên cứu các công nghệ có thể khai thác năng lượng địa nhiệt siêu nóng.”

MIT Proto Ventures, một tổ chức tập trung vào việc tạo ra các công ty khởi nghiệp dựa trên công nghệ được phát minh tại MIT, hiện đang điều hành một kênh chuyên về năng lượng địa nhiệt do Inglis dẫn đầu. Kể từ khi đến MIT vào cuối năm 2024, Inglis đã xác định được những phát minh và nghiên cứu có thể thúc đẩy sự phát triển của năng lượng địa nhiệt thế hệ tiếp theo từ các lĩnh vực khác nhau như kỹ thuật cơ khí và vật liệu, khoa học trái đất và hóa học.

Một số ví dụ về công nghệ có nguồn gốc từ các nhà nghiên cứu của MIT bao gồm các cảm biến đo vết nứt siêu nhỏ trong đá ở nhiệt độ cao, hợp kim kim loại tiên tiến có thể xử lý chất lỏng siêu nóng với chi phí thấp hơn nhiều so với titan, và lớp phủ chống đóng cặn để bảo vệ đường ống khỏi các chất lỏng địa chất ăn mòn thường thấy trong các hệ thống sâu, nóng.

Tại Hội nghị chuyên đề mùa xuân MITEI gần đây, các nhà sáng tạo của MIT đã giới thiệu công nghệ của họ cho các công ty thành viên MITEI trong một phiên do Inglis chủ trì. Wukitch, người điều hành một phiên thảo luận về khoan tiên tiến, đã mô tả về hệ thống thử nghiệm sóng milimét theo kế hoạch, và Duenas-Martinez đã dẫn dắt một phiên thảo luận về sản xuất và lưu trữ năng lượng.

Terra Rogers, Giám đốc phụ trách năng lượng địa nhiệt đá siêu nóng tại CATF và là người tổ chức Hội nghị thượng đỉnh GeoTech chung giữa CATF và MITEI vào ngày 5/3, đã chủ trì cuộc thảo luận về các chính sách quốc tế và của Hoa Kỳ cũng như môi trường pháp lý cho việc mở rộng năng lượng địa nhiệt thế hệ tiếp theo.