Đang tải... (xem toàn văn)
tài liệu năng lượng nhiệt địa
MỤC LỤC MỞ ĐẦU Năng lượng địa nhiệt cùng với một số nguồn năng lượng khác như biomass, mặt trời, gió, sóng biển được quan tâm phát triển trong nhiều thập kỷ qua và được coi là những nguồn năng lượng có khả năng tái tạo, ít gây ô nhiễm, có tiềm năng rất lớn mà trình độ công nghệ hiện nay mới chỉ khai thác được một phần rất nhỏ. Nguồn năng lượng địa nhiệt có ưu việt hơn các nguồn khác là hiệu suất hoạt động cao, tuổi thọ thiết bị dài và ảnh hưởng môi trường ít nhất. Ngày nay, với những thành tựu công nghệ mới đang mở ra triển vọng lớn về khả năng cung cấp năng lượng, hiệu quả khai thác và mở rộng phạm vi ứng dụng địa nhiệt: Để phát điện: Trước đây, khai thác địa nhiệt để phát điện chỉ được quan tâm đến các nguồn nhiệt thế (Enthalpy) cao, phân bố trong vùng núi lửa hoạt động và rift. Kết quả nghiên cứu sự phân bố nhiệt độ trong lòng đất hiện nay cùng với các công nghệ phát điện ở nhiệt độ thấp (100°C) bằng turbin hai chu kỳ ORC và Kalina cho khả năng thực hiện ở phạm vi rất rộng, không chỉ 1 giới hạn trong các vành đai núi lửa hoạt động và rift. Tài liệu thực tế cho thấy, ở điều kiện bình thường mức tăng nhiệt độ (gradient) theo chiều sâu vào lòng đất trung bình là 25 -30°C/ km, với nhiệt độ trung bình ở mặt đất là 15°C, nhiệt độ đạt tới 90°C - 105°C ở độ sâu 3.000m, bằng các công nghệ hiện nay đã có điều kiện để khai thác cho phát điện. Ngoài ra, các vùng hoạt động magma, kiến tạo tích cực tạo điều kiện hình thành và tồn tại các nguồn/hệ địa nhiệt nhiệt độ cao và phân bố nông thuận lợi cho khai thác. Sử dụng trực tiếp nhiệt năng: địa nhiệt bao gồm nguồn nước nóng và nguồn địa nhiệt nhiệt độ thấp còn gọi là nhiệt đất. Nguồn nước nóng chỉ xuất lộ hạn chế ở một số ít nơi, trong khi đó nguồn nhiệt đất –tầng trung hòa nhiệt tồn tại ngay dưới mặt đất ở mọi nơi có nhiệt độ cao hơn không khí về mùa đông và thấp hơn về mùa hè là một kho lưu trữ nhiệt vô cùng lớn, dễ dàng khai thác bằng công nghệ bơm nhiệt đất (Ground Source Heat Pump -GSHP) để điều hòa không khí (sưởi ấm về mùa đông làm mát về mùa hè). Hiện nay công nghệ này đã được phổ biến rộng rãi từ quy mô gia đình đến thương mại ở Mỹ, Châu Âu, Trung Quốc và nhiều nước khác với tổng công suất lắp đặt gần 20.000 MWt với sản lượng hơn 220.000 TJ/ năm đã cho thấy đây là một giải pháp tiết kiệm 30 -50% về chi phí cũng như năng lượng và giảm khí thải gây ô nhiễm môi trường. I. TIỀM NĂNG VÀ NHU CẦU SỬ DỤNG ĐỊA NHIỆT Ở VIỆT NAM Trên bản đồ thế giới, Việt Nam không thuộc vùng tiềm năng cao về địa nhiệt, nhưng theo những kết quả điều tra hiện có, với 200 điểm lộ nước nóng trên toàn lãnh thổ, một số nơi có giá trị dòng nhiệt cao >90 mW/m 2 nhiệt độ 140°C ở độ sâu 3.000m (Ven biển Nam trung Bộ, đông nam trũng Hà Nội, nhiều địa điểm ở Miền Trung và Tây nguyên,…) chứng tỏ nước ta có biểu hiện địa nhiệt khá phong phú. • Nguồn địa nhiệt: Địa bàn Hà Nội mở rộng (sau tháng 8 – 2008) nằm trong vùng phát triển kéo dài về phía Tây bắc của dị thường dòng nhiệt >80 mW/m 2 ở đông nam trũng Hà Nội liên quan đến đới đứt gãy Sông Hồng. 2 Hỡnh 1. S phõn b dũng nhit v ngun nc núng ng bng Sụng Hng Khu vc ụng Anh cng cú mt d thng dũng nhit >60 mW/m 2 liờn quan n t góy Sụng Lụ, Vnh Ninh l du hiu v cỏc ngun tim nng phỏt in a nhit. Nc núng a nhit : vựng ng bng Sụng Hng ó phỏt hin mt s ngun nc núng: Ba Vỡ, Thanh Thy Phỳ Th, Tin Hi Thỏi Bỡnh nm trong vựng d thng dũng nhit ụng nam trng H Ni; Phự C (Hng Yờn), Gia Lc (Hi Dng), Hng H (Thỏi Bỡnh), cú mi liờn h a cht kin to vi d thng dũng nhit ụng Anh l tin tỡm kim ngun nc a nhit H Ni. Nhit t: Min Bc v Bc Trung B t ốo Hi Võn tr ra l vựng khớ hu núng v mựa hố lnh v mựa ụng, l ni tn ti tng trung hũa a nhit phõn b di mt t cú nhit n nh quanh nm 23 - 25C, trong khi nhiệt độ không khí về mùa hè >30C (ở nhiều vùng thờng xuyên 35 - 37C), nờn nng lng cho nhu cầu điều hoà không khí rất lớn, c bit l thnh ph ln nh H Ni. ú l tin thun li s dng cụng ngh bm nhit t tit kim nng lng v gim khớ thi gõy hiu ng nh kớnh. 3 đ i ể m n + ớ c n ó n g T h a n h T h ủ y B a V ì G i a L ộ c H + n g H à T i ê n L ã n g K i m S ơ n đ g . S ô n g H ồ n g đ g . S ô n g C h ả y đ g . S ô n g L ô D ị t h + ờ n g đ ị a n h i ệ t II. KHAI THÁC ỨNG DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT Trái đất là nguồn sinh nhiệt khổng lồ: nhiệt Trái đất được sinh ra từ các nguồn gốc chính là: - Nguồn nhiệt nguyên thủy là chủ yếu - Nguồn nhiệt do phản ứng phân rã các nguyên tố phóng xạ và các quá trình hoạt động vật lý –hóa học khác. Tham số gradient địa nhiệt chỉ thị sự gia tăng nhiệt độ theo chiều sâu vào lòng đất, giá trị gradient trung bình trong vỏ Trái đất là 2,5 - 3ºC/ 100 m. Tham số dòng nhiệt (Heat flow) chỉ thị lượng nhiệt thóat ra từ lòng đất trên một diện tích, giá trị trung bình ở lục địa là 65 mW/ m 2 , ở đáy đại dương là 101 mW/ m 2 . Năng lượng nhiệt của Trái đất: Năng lượng dòng nhiệt tổng cộng thóat ra trên mặt đất (từ các quá trình dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt) theo Stacey and Loper (1988), xác định được là 42 x 10 12 W, là nguồn năng lượng vô tận, nhiều gấp hàng tỷ lần nhu cầu năng lượng của con người trên Trái đất. Đặc điểm phân bố và cấu trúc hệ địa nhiệt trong vỏ Trái đất: Phân bố nhiệt độ và các vận động địa nhiệt của Trái đất mô tả trên hình I.1. Hình I.1. Mặt cắt cấu trúc và các hoạt động liên quan địa nhiệt trong Trái đất 4 Hình I.2. Mô hình cấu trúc hệ địa nhiệt [Dickson, 2004] A) Biểu đồ mô tả phân bố nhiệt độ hệ địa nhiệt; B) Mặt cắt cấu trúc mô tả hệ địa nhiệt. Các yếu tố cấu trúc và cơ chế vận động trong vùng phân bố nhiệt độ cao (dị thường địa nhiệt) trong vỏ (Hình I.2) có điều kiện cho khai thác được gọi là hệ địa nhiệt. Yếu tố cấu trúc hệ địa nhiệt là các đối tượng địa chất quen thuộc, bao gồm (hình I.2.B): 1) Nguồn nhiệt magma có nhiệt độ cao trên 600ºC; 2) Đường dẫn đối lưu nước nhiệt thường là các đứt gãy kiến tạo; 3) Vùng đá chứa nước còn gọi là bồn hay bẫy nhiệt; 4) Lớp chắn nhiệt thường là vùng đá chứa nước kém và dẫn nhiệt thấp; 5) Nguồn nước có thể là nước khí tượng, hay nước ngầm. Cơ chế chính tạo ra vùng giữ nhiệt – bồn nhiệt: 1) Quá trình dẫn nhiệt nhờ tính chất dẫn nhiệt của đá trong môi trường; 2) Quá trình đối lưu. Khi nguồn nhiệt không có quá trình đối lưu nước tự nhiên được gọi là nguồn đá nóng khô (Hot dry rock – HDR). Phân loại nguồn địa nhiệt dựa trên nhiệt thế (Enthalpy – đơn vị tỷ lệ nhiệt độ của nguồn nhiệt): 1) Nguồn nhiệt thế thấp: nhiệt độ bồn < 100°C; 2) Nguồn nhiệt thế trung bình: 100 – 200°C; 3) Nguồn nhiệt thế cao: nhiệt độ >200°C. Các dạng nguồn/ bồn địa nhiệt [10]: Kiểu nguồn địa nhiệt Nhiệt độ nguồn (°C) 5 1. Nguồn nhiệt dịch đối lưu (Convective resouces): - Nguồn Hơi khí (Vapor dominated) . . . . . . . . . . . . . - Nguồn Nước nóng (Hot-water dominated) . . . . . . . 2. Các nguồn nhiệt dịch khác : - Nguồn bồn trầm tích (Sedimentary basin) . . . . . . . - Nguồn địa áp lực (Geopressured) . . . . . . . . . . . . . . - Nguồn phóng xạ (Radiogenic) . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Các nguồn đá nóng (Hot Rocks): - Nguồn đá rắn khô (solidified hot dry rocks) . . . . . . . - Nguồn đá nóng chảy cục bộ (part molten –magma) . 240 20 đến 350 20 đến 150 90 đến 200 30 đến 150 90 đến 650 >600 Nguồn nước nóng là phần trồi lộ từ các nguồn nhiệt lên mặt đất hay lưu trữ gần mặt đất. 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 N h i Ö t ® é , ( ® é C ) - 8 - 6 - 4 - 2 0 K ý h iÖ u N h i Ö t ® é t h ¸ n g 1 N h i Ö t ® é t h ¸ n g 3 N h i Ö t ® é t h ¸ n g 5 N h i Ö t ® é t h ¸ n g 7 N h i Ö t ® é t h ¸ n g 9 N h i Ö t ® é t h ¸ n g 1 1 Hình I.3. Ví dụ biểu đồ kết quả quan trắc nhiệt đất trong năm ở Mỹ [4]. Nguồn nhiệt đất (Ground heat source): Ngoài năng lượng nhiệt từ lòng đất, bề mặt trái đất còn được cung cấp một phần năng lượng nhiệt do bức xạ Mặt trời. Phần năng lượng này tương đối ổn định tại mỗi điểm trên bề mặt Trái đất, một lượng nhiệt được thấm xuống đất phụ thuộc vào cường độ bức xạ nên có tính chu kỳ theo thời gian (ngày, mùa trong năm) được gọi là sóng bức xạ nhiệt. Tùy thuộc vào điều kiện phân bố nhiệt độ khí tượng (nhiệt độ không khí) và phân bố nhiệt độ, tính chất dẫn nhiệt của môi trường bên dưới mặt đất, ở từng vùng sẽ có độ sâu ảnh hưởng sóng bức xạ khác nhau, tới một độ sâu nhất định sẽ có sự cân bằng giữa nguồn nhiệt từ bên trong Trái đất và nhiệt bức xạ từ khí quyển được gọi là vùng hay “lớp trung hòa địa nhiệt”. Ở những vùng có nhiệt độ khí tượng thay đổi theo mùa: Lạnh về mùa đông và 6 nóng về mùa hè tại lớp trung hòa địa nhiệt này có nhiệt độ ổn định lâu dài bằng khoảng giá trị nhiệt độ trung bình năm của nhiệt độ khí tượng của nơi đó. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa tầng trung hòa và nhiệt độ không khí (thấp hơn nhiệt không khí về mùa hè, cao hơn – về mùa đông) là điều kiện dễ dàng khai thác cho mục đích điều hòa không khí (làm mát về mùa hè, sưởi ấm về mùa đông). Đây là một kho lưu trữ nhiệt tự nhiên vô cùng lớn có thể khai thác sử dụng được ở mọi nơi. Trên hình I.3 là một ví dụ kết quả quan trắc nhiệt đất tại một địa điểm ở Mỹ: Sự chênh lệch nhiệt độ giữa mùa hè và mùa đông ở mặt đất là 12°C, tới độ sâu 8 m nhiệt độ ổn định trong khoảng 8 - 9°C, không còn phụ thuộc theo mùa. III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG ĐỊA NHIỆT III.1. Phương pháp khảo sát cấu trúc nguồn địa nhiệt: Nguồn địa nhiệt có nhiệt độ cao có hiệu quả cho khai thác sử dụng chỉ được tạo thành bởi các yếu tố địa chất – kiến tạo nhất định, phân bố bên dưới lòng đất có những tính chất đặc trưng riêng, phân bố sâu trong lòng đất, trong một số điều kiện thuận lợi có sự xuất lộ nhận biết được cũng chỉ là một phần biểu hiện dấu hiệu. Vì vậy, tương tự các nguồn tài nguyên khoáng sản khác, để đánh giá được nguồn nhiệt cần phải xác định được cấu trúc, diện phân bố và tính chất vật lý của các yếu tố nguồn nhiệt bằng một hệ phương pháp thích hợp đối với điều kiện từng nơi. Các phương pháp chủ yếu để điều tra xác định cấu trúc nguồn nhiệt gồm: 1) Phương pháp địa chất – kiến tạo; 2) Phương pháp địa chất thủy văn; 3) Các phương pháp địa hóa; 4) Các phương pháp địa vật lý; 5) Khoan thăm dò và đo địa nhiệt. 0 2 0 0 0 m 4 0 0 0 m 6 0 0 0 m 2 . 0 2 . 8 4 . 0 5 . 7 8 . 0 1 1 . 0 D é s © u , m N g u å n n h i Ö t - D É n n h i Ö t n + í c n ã n g S u è i n + í c n ã n g T h a n g k ý h i Ö u ® i Ö n t r ë s u Ê t , O h m . m M Æ t c ¾ t c Ê u t r ó c b å n ® Þa n h i Ö t G r a s v a l l e y - L e a c h H o t S p r i n g - U S A Hình II.1. Mặt cắt cấu trúc một bồn nhiệt xác định theo kết quả đo địa vật lý bằng phương pháp cắt lớp điện trở [28] III.2. Phương pháp dự báo tính chất nguồn nhiệt 7 III.2.1. Phương pháp dự báo nhiệt độ và lưu lượng nguồn địa nhiệt từ tài liệu địa chất và địa vật lý: Tính toán nhiệt độ theo độ sâu: 0 00 / 2 0 )1()( T bAQ e bA zT bz + − +−= − λλ (1) Tính toán lưu lượng nhiệt ở độ sâu xác định: { } 0 )( TzTVCQ p −= ρ (2) Trong đó các tham số trong các công thức (1) và (2) xác định từ kết quả nghiên cứu địa chất và địa vật lý: T 0 – nhiệt độ đo trên mặt; Q 0 – Dòng nhiệt trên mặt; A 0 – Sản phẩm nhiệt; V- tổng khối lượng môi trường chứa nhiệt tới độ sâu khảo sát; C p – Nhiệt lượng riêng của môi trường; λ - độ dẫn nhiệt và b – độ sâu tính tóan; ρ -mật độ của đá. III.2.2. Dự báo nhiệt độ bồn nhiệt bằng các phương pháp địa hóa Các nguyên tố hóa học có trong nước và khí địa nhiệt thóat lên bề mặt được chia thành hai nhóm gồm: a) nhóm không hoạt động hóa học được gọi là chất đánh dấu (tracer) gồm các khí trơ như He, Ar và một số nguyên tố ít biến đổi khác như Cl, Li, B, Rb, Cs, N 2 ; b) nhóm hoạt động hóa học được gọi là nhóm địa -chỉ thị (geo-indicator) là những nguyên tố dễ bị thay đổi bởi điều kiện và tác động môi trường, đặc biệt là điều kiện nhiệt độ và thành phần thạch học mà nước và hơi địa nhiệt tiếp xúc. Đó là các nguyên tố Na, K, Mg, Ca, SiO 2 dễ phản ứng phụ thuộc nhiệt độ với đá giàu với silicat nhôm có trong hệ địa nhiệt hay các nguyên tố H 2 , H 2 S, CH 4 , CO 2 dễ phản ứng với các oxit sắt FeII/FeIII có trong đá phụ thuộc điều kiện nhiệt độ và áp suất. Các nguyên tố Na, K, Mg, Ca, SiO 2, Cl, Li, B, Rb, Cs thường tồn tại trong nước nóng địa nhiệt, còn He, Ar H 2 , H 2 S, CH 4 and CO 2 tồn tại trong khí địa nhiệt nên chúng được sử dụng để đánh giá nhiệt độ trong bồn địa nhiệt bằng phương pháp địa nhiệt kế hóa học (Chemical geothermometer). Có rất nhiều phương pháp xác định nhiệt độ bồn địa nhiệt, nhưng phổ biến và quan trọng hơn cả là hai phương pháp: địa nhiệt kế Silic sử dụng sự phụ thuộc nhiệt độ của các khoáng vật nhóm 1 và địa nhiệt kế Cation – sự phụ thuộc nhiệt độ của khoáng vật nhóm 2. Địa nhiệt kế Silic sử dụng để xác định nhiệt độ bồn nhiệt phụ thuộc hàm lượng (S) thạch anh SiO 2 trong trường hợp không mất hơi nước và mất hơi nước tối đa tính theo các công thức với các điều kiện sau: 8 - không mất hơi nước: t o C = (1309/(5.19 - log S)) - 273.15 (3) - mất hơi nước tối đa: t o C = (1522/(5.75 - log S)) - 273.15 (4) Các công thức này sử dụng để đánh giá nhiệt độ cho các bồn địa nhiệt có nhiệt độ 100 - 250 o C. Địa nhiệt kế Cation có dạng tương tự như (3) và (4) thay sự phụ thuộc nhiệt độ bồn với với hàm lượng thạch anh bằng hàm lượng Na/K: t o C = 1217 / [1.483 + log (Na/K) ] - 273.15 (5) t o C = 1390 / [1.750 + log (Na/K) ] - 273.15 (6) Hiệu quả và độ tin cậy của các phương pháp đánh giá tham số nguồn địa nhiệt thể hiện tiềm năng địa nhiệt nêu trên, đương nhiên rất phụ thuộc điều kiện địa chất, mức độ nghiên cứu, chất lượng và độ tin cậy các tham số địa chất, địa vật lý cũng như chất lượng mẫu và phân tích mẫu. III.2.3. Nguồn nước nóng địa nhiệt Các thông số quan trọng về tiềm năng sử dụng gồm: diện phân bố, độ sâu phân bố, nhiệt độ, thành phần hóa học và lưu lượng nước,… theo văn liệu có nhiệt lượng 0.03 - 0.4 MJ/kg. Để đánh giá các thông số về không gian phân bố của nguồn sử dụng các phương pháp địa chất và địa vật lý. Phương pháp địa vật lý có hiệu quả cho việc xác định cấu trúc của nguồn là điện trở và phân cực kích thích. Để xác định các tham số về nhiệt độ, thành phần, lưu lượng và chất lượng của nước sử dụng các phương pháp địa nhiệt và địa chất thủy văn trong các lỗ khoan bố trí hợp lý. III.2.4. Nguồn nhiệt đất Phải tiến hành đo carota nhiệt trên mạng lưới lỗ khoan đủ đại diện cho vùng nghiên cứu, đo quan trắc biến đổi nhiệt độ trong các lỗ khoan theo mùa trong năm để xác định nhiệt độ và độ sâu phân bố lớp trung hòa nhiệt độ. Xác định nhiệt độ, độ dẫn nhiệt và tham số địa chất thủy văn các tầng chứa nước là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự duy trì lớp trung hòa nhiệt. So sánh sự chênh lệch nhiệt độ giữa tầng trung hòa nhiệt độ với nhiệt độ không khí (khí tượng) trong vùng chính là tiềm năng sử dụng nguồn nhiệt đất: sự chênh lệch nhiệt độ càng cao, thời gian có sự chênh lệch càng dài thì tiềm năng sử dụng nhiệt đất càng lớn. Đánh giá khả năng/công suất khai thác, sự suy giảm nhiệt theo không gian -thời gian, sự mất cân bằng và phục hồi nhiệt,… thực hiện bằng mô hình hóa bài toán dẫn nhiệt (xây dựng phần mềm) với các tham số môi trường và cấu trúc thiết bị so sánh với quan trắc kiểm nghiệm thực tế. 9 Tiềm năng sử dụng nhiệt đất có thể đánh giá được bằng các mô hình thực nghiệm cho từng nơi cụ thể. Theo số liệu công bố quốc tế: nhiệt lượng đất có giá trị trung bình là 55 – 70 W/ 1m khoan, sản lượng nhiệt có thể khai thác sử dụng tùy từng điều kiện địa chất là 50 – 200 kWh/ 1m khoan / 1 năm, (1kWh = 3.600 kJ). Tiềm năng sử dụng nhiệt đất cao hơn ở những nơi có tầng nước ngầm so với các nơi không có nước bởi vì nước là chất dẫn truyền nhiệt tốt hơn. IV. ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG ĐỊA NHIỆT Ở HÀ NỘI Do đề tài nghiên cứu hạn chế về thời gian và kinh phí nên không có khả năng triển khai các nghiên cứu khảo sát các nguồn địa nhiệt sâu, chủ yếu sử dụng các tài liệu đã có trước đây ở vùng trũng Sông Hồng. Q 3 2 1 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 t , C o 1 3 2 0 6 0 Hình IV.1. Kết quả carota địa nhiệt lỗ khoan dầu khí ở Thái Bình Chú giải: 1- Giá trị nhiệt độ ngoại suy; Đặc điểm địa tầng: 2- cát, cát kết; 10