Hành tinh của chúng ta đang gặp rắc rối. Báo cáo về khí hậu của Liên hợp quốc từ đầu tháng 4 cho thấy rõ chúng ta đang đi trên con đường thực hiện các mục tiêu khí hậu được đặt ra trong Thỏa thuận Paris là cắt giảm lượng khí thải carbon một cách nhanh chóng. Mặc dù năng lượng mặt trời và năng lượng gió rất quan trọng, đặc biệt là trong kế hoạch khí hậu của Chính quyền Tổng thống Mỹ Biden, nhưng chúng lại là loại năng lượng đã quá phổ biến, có nghĩa là tác dụng của chúng chỉ giới hạn đến mức hiện tại mà thôi.
Báo cáo của Liên Hợp Quốc cho biết điều chúng ta cần là những giải pháp mới. Đó là lý do một chương trình thí điểm được Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) trình bày gần đây đặc biệt được chú ý. Nếu hiểu quả, nhiều vấn đề có thể được giải quyết cùng một lúc, bằng cách sử dụng một giải pháp thường bị bỏ qua: năng lượng địa nhiệt.
Năng lượng địa nhiệt hoạt động dựa trên một tiền đề đơn giản: Lõi Trái đất nóng. Chỉ cần khoan vài dặm dưới lòng đất, chúng ta có thể khai thác một nguồn nhiệt không giới hạn để tạo ra năng lượng mà không phát thải từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch.
Tuy nhiên, chi phí khoan không hề rẻ, việc này chiếm một nửa chi phí của hầu hết các dự án năng lượng địa nhiệt. Bên cạnh đó, dự án còn đòi hỏi lao động chuyên môn để lập bản đồ bề mặt dưới đất, khoan vào lòng đất và lắp đặt cơ sở hạ tầng cần thiết để đưa năng lượng lên bề mặt.
Chính phủ liên bang đã phân bổ 4,7 tỷ USD để lắp đặt cơ sở hạ tầng để cải tạo các giếng bị bỏ hoang
Nhưng Mỹ hiện đang trong bối cảnh bùng nổ dầu khí, hàng triệu giếng dầu khí bị bỏ hoang trên khắp đất nước. Các giếng dầu khí này hóa ra lại có nhiều đặc điểm giống như giếng địa nhiệt, đều là những hố sâu trong lòng đất với các đường ống có thể đưa chất lỏng lên trên bề mặt. Vì vậy, DOE đặt ra câu hỏi tại sao không tái sử dụng chúng?
Làm mới cái cũ
Wells of Opportunity: ReAmplify đã thử nghiệm một chương trình, trong đó trao tổng cộng 8,4 triệu USD cho bốn dự án trên khắp đất nước. Mỗi dự án sẽ cố gắng khai thác năng lượng địa nhiệt từ một số giếng cổ đó thay vì khí đốt hoặc dầu. Nếu hoạt động hiệu quả, đây có thể là chìa khóa để giảm việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch gây hại cho hành tinh. Không chỉ vậy, hơn 125.000 người đang làm công việc khai thác dầu khí trên khắp nước Mỹ cũng có thể chuyển sang ngành năng lượng sạch.
Saeed Salehi, phó giáo sư kỹ thuật dầu khí tại Đại học Oklahoma và là trưởng nhóm của một trong bốn nhóm nhận tài trợ từ DOE, giải thích rằng các giếng dầu khí chỉ có tuổi thọ giới hạn trong vài thập kỷ, sau đó chúng sẽ dần cạn kiệt. Năng lượng địa nhiệt sẽ không xảy ra vấn đề đó nếu được quản lý đúng cách. "Đây là một nguồn năng lượng liên tục. Nó có thể ở đó mãi mãi, miễn là giếng còn hoạt động", ông Salehi nói.
Hàng nghìn giếng dầu bị bỏ hoang ở Depew, Oklahoma, đã rò rỉ dầu, khí tự nhiên và nước muối vào đất
Salehi và nhóm của ông tại Đại học Oklahoma muốn sử dụng bốn giếng thuộc sở hữu của Blue Cedar Energy, một công ty địa phương, để "sử dụng trực tiếp" - sử dụng nước nóng để làm nóng các tòa nhà gần đó. Nước có thể được khai thác từ các hồ chứa ngầm hiện có hoặc được bơm vào lòng đất rồi đưa trở lại bề mặt. Salehi và nhóm của ông hy vọng nước họ bơm vào giếng sẽ nóng lên đến nhiệt độ khoảng 150 độ F, sau đó cung cấp cho hệ thống sưởi và làm mát của một trường tiểu học và trung học ở thị trấn Tuttle, nằm cách giếng khoảng 1,6 km.
Lauren Boyd, giám đốc của chương trình Hệ thống địa nhiệt nâng cao tại Văn phòng Công nghệ địa nhiệt của DOE, nơi giám sát các khoản trợ cấp, cho biết: "Sử dụng những giếng này để sưởi ấm và làm mát là một cơ hội lớn. Vào năm 2020, các hộ gia đình Mỹ sử dụng hơn một nửa nguồn năng lượng dành cho sưởi ấm và làm mát, nhưng chỉ 7% trong số đó đến từ các nguồn tái tạo. Sử dụng hàng triệu giếng bỏ hoang rải rác trên khắp đất nước để khai thác năng lượng địa nhiệt có thể giúp giảm phát thải khí nhà kính".
Salehi và nhóm của ông tập trung vào việc sưởi ấm và làm mát bởi vì việc chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác thường khiến một số khối lượng bị mất đi trong quá trình này. Jefferson Tester, giáo sư về hệ thống năng lượng bền vững tại Đại học Cornell, cho biết: "Tùy thuộc vào nhiệt độ của nước dưới lòng đất, có lẽ chỉ khoảng 10% năng lượng bạn lấy ra khỏi mặt đất sẽ trở thành điện năng. Nhưng với địa nhiệt, bạn có thể đạt được từ 90% trở lên một cách dễ dàng".
Sức nóng đó không chỉ hữu ích vào mùa đông mà còn cả vào mùa hè. Nước từ giếng địa nhiệt có thể điều khiển máy bơm nhiệt hấp thụ để làm mát các tòa nhà. Chiếc máy này về cơ bản là trích xuất nhiệt từ tòa nhà và đưa vào nước. Nước sau đó sẽ được bơm vào các hồ chứa dưới lòng đất và lưu trữ nhiệt lượng để dành cho mùa đông tới.
Để được coi là thành công, dự án của Đại học Oklahoma phải sản xuất ít nhất một megawatt năng lượng trong một năm, tức là đủ để cung cấp điện cho vài trăm ngôi nhà. Salehi tự tin họ sẽ dễ dàng vượt qua mục tiêu đó. "Chúng tôi có ý định sử dụng bốn giếng này cho ít nhất là một trường tiểu học và trung học, nhưng dựa trên các mô phỏng và tính toán đã thực hiện, nguồn năng lượng sẽ đủ để cung cấp cho ba trường học", ông Salehi cho biết.
Tương lai địa nhiệt
Một số nước châu Âu đã sử dụng trực tiếp năng lượng địa nhiệt trên quy mô lớn. Iceland, quốc gia nổi tiếng về hoạt động núi lửa, đã dùng trữ lượng địa nhiệt khổng lồ của mình để sưởi ấm 90% các ngôi nhà trên toàn quốc. Nhưng có một số hạn chế khi sử dụng trực tiếp. Patrick Fulton, phó giáo sư khoa học trái đất và khí quyển tại Cornell, giải thích: Nhiệt sẽ nhanh chóng bị tản đi khi vận chuyển, thường là trong một vài dặm, trừ khi các đường ống được cách nhiệt tốt.
Trạm địa nhiệt Reykjanes ở Iceland khai thác tại một trong những hố sâu và nóng nhất trên thế giới, vì vậy quốc gia này gần như không phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch
Hạn chế về khoảng cách đó là lý do tại sao DOE tài trợ cho ba dự án khác, tập trung vào việc biến năng lượng địa nhiệt thành điện, có thể di chuyển xa hơn nhiều so với nhiệt. Những giếng ở gần các thị trấn và thành phố sẽ phù hợp cho việc cung cấp nhiệt thông qua việc sử dụng trực tiếp, còn các giếng ở vùng sâu vùng xa sẽ tạo ra điện.
Take Transitional Energy, một công ty có trụ sở tại Colorado, đã nhận được tài trợ từ DOE để xây dựng cơ sở phát điện tại mỏ dầu Blackburn ở Nevada. Không giống như các dự án khác, Transition sẽ làm việc trên một mỏ dầu vẫn đang hoạt động, mặc dù các giếng đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ và sản xuất rất ít dầu.
Johanna Ostrum, giám đốc điều hành Transitional Energy, giải thích rằng hầu hết những gì họ sản xuất là nước thải cực nóng, đây là sản phẩm phụ tự nhiên của tất cả các hoạt động khai thác dầu khí. Ông Ostrum nói: "Họ chỉ đang đưa một lượng nước qua hệ thống, cố gắng loại bỏ lượng dầu không đáng kể".
Dự án Địa nhiệt Thung lũng Imperial gồm 11 trạm điện địa nhiệt nằm gần Biển Salton ở Calipatria, California
Sau khi tách dầu và khí đốt, các nhà khai thác sẽ tốn một khoản tiền đáng kể để làm mát và xử lý tất cả lượng nước thải đó. Lượng nước này thường nhiều hơn gấp 10 lần so với dầu chiết xuất, ông Ostrum giải thích. Thay vì để nước và nhiệt của nó bị lãng phí, Transitional Energy có kế hoạch lắp đặt các máy được gọi là Động cơ chu trình Rankine hữu cơ tại mỏ dầu để biến nhiệt đó thành điện.
Giống như dự án của Đại học Oklahoma, Transitional Energy cũng hướng tới mục tiêu tạo ra ít nhất một megawatt trong một năm, ông Ostrum mong đợi đạt được bằng cách sử dụng nước từ ba đến năm giếng. Đầu tiên, điện năng tạo ra sẽ được sử dụng để cung cấp năng lượng cho bộ sạc xe điện và các hoạt động tại mỏ dầu.
Trước đó, máy móc vốn thường được cung cấp năng lượng dựa vào các tiện ích địa phương hoặc máy phát điện diesel. Ông Ostrum cho biết đó là một triển vọng hấp dẫn đối với các nhà khai thác các mỏ dầu và khí đốt. Họ coi đó là một cách để tận dụng nguồn nhiệt, nếu không sẽ rất lãng phí.
Trong tương lai gần, chi phí vận hành của các nhà sản xuất dầu có thể giảm xuống vì họ sẽ không còn phải phụ thuộc vào một tiện ích để cung cấp năng lượng cho hoạt động của mình. Bên cạnh đó, việc chuyển sang năng lượng địa nhiệt sẽ giúp giảm lượng khí thải khi bơm dầu và khí đốt ra khỏi đất. Ông Ostrum cho biết, theo thời gian, mục tiêu của Transitional Energy sẽ là tiếp quản các giếng không còn sản xuất đủ dầu và khí đốt để có hiệu quả kinh tế, sau đó chuyển đổi chúng hoàn toàn sang hoạt động địa nhiệt.