NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT
CÁC VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT VỀ NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT
1.1 Giới thiệu chung về năng lượng địa nhiệt
1.1.1 Năng lượng địa nhiệt là gì ?
Năng lượng địa nhiệt là nguồn năng lượng tự nhiên tồn tại dưới lòng đất dưới dạng nhiệt năng Nó được hình thành từ nhiệt sơ khai trong trái đất, từ ma sát khi các phiến lục địa di chuyển và từ sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên trong đá.
Năng lượng địa nhiệt là nguồn nhiệt chủ yếu được hình thành từ các phản ứng phóng xạ hạt nhân của các nguyên tố phóng xạ nặng như Thori (Th), Protactini (Pa) và Uranium (U) có trong lòng đất.
❖ Nhiệt năng cũng có thể tích tụ dần thông qua sự hấp thụ năng lượng mặt trời của lớp vỏ trái đất
❖ Năng lượng địa nhiệt còn được tạo ra do ma sát khi hai mảnh vỏ Trái Đất dịch chuyển mà một mảnh chuyển động dịch lên mảng kia
Một phần lớn nhiệt lượng trong lòng Trái Đất bắt nguồn từ quá trình hình thành hành tinh cách đây 4,5 tỷ năm, trong khi phần còn lại đến từ sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ trong lõi Nhiệt độ cao trong lõi dẫn đến dòng nhiệt di chuyển ra ngoài vỏ theo nguyên lý tuần hoàn Dưới tác động của kiến tạo mảng, vỏ Trái Đất được chia thành 12 mảng lớn, di chuyển chậm với tốc độ vài cm/năm Khi các mảng va chạm, một mảng có thể chìm xuống mảng khác, tạo ra trũng đại dương và động đất, làm yếu vỏ Trái Đất và cho phép vật chất nóng từ lòng đất dịch chuyển.
Tại các đới hội tụ, ở độ sâu lớn, nhiệt độ tăng đủ cao để nung chảy đất đá và tạo ra magma Với mật độ thấp hơn, magma di chuyển lên phía trên vỏ Trái Đất, mang theo nhiệt lượng Đôi khi, magma có thể phun trào ra bề mặt thông qua các điểm yếu của vỏ Trái Đất, tạo ra lava tại các miệng núi lửa Tuy nhiên, phần lớn magma được giữ lại trong vỏ Trái Đất, làm nóng đất đá và các khối nước ngầm.
Khối nước nóng có thể di chuyển lên mặt đất qua các đới đứt gãy hoặc khe nứt, tạo ra suối nước nóng và geysers Khi nước nóng và hơi nước bị "bẫy" bởi lớp đất đá không thấm ở trên, chúng được giữ lại trong khối đất đá thấm, hình thành bồn trũng địa nhiệt Những bồn trũng này là nguồn địa nhiệt có thể được sử dụng trực tiếp hoặc để sản xuất điện thông qua hệ thống turbine hơi nước.
1.2 Phân loại các nguồn năng lượng địa nhiệt
Có 4 nguồn năng lượng địa nhiệt chính:
Nước nóng tự nhiên là nguồn nước được nung nóng dưới áp suất cao, thường xuất hiện trong các tầng đá xốp hoặc khe nứt của đá Nước này được giữ lại bởi lớp đá đặc kín và không thấm, tạo ra các nguồn hơi nước hoặc hỗn hợp hơi nước Các nguồn nước nóng chất lượng cao thường chứa chủ yếu hơi nước, có thể lẫn một ít nước, và có nhiệt độ vượt quá 240°C.
1.2.2 Nguồn áp suất địa nhiệt
Các nguồn nước muối chứa khí Metan (CH4) hòa tan có nhiệt độ trung bình, bị nén dưới áp suất cao trong các tầng trầm tích sâu, được bao bọc bởi lớp đất sét và trầm tích không thấm nước Áp suất tại các nguồn này dao động từ 34MPa đến 140MPa, nằm ở độ sâu từ 1500m đến 15000m, trong khi nhiệt độ của chúng thường từ 90°C đến 200°C.
Nguồn địa nhiệt bao gồm các khối đá có nhiệt độ từ 90°C đến 650°C Những khối đá này có thể bị nứt gãy, dẫn đến khả năng chứa ít hoặc không có nước nóng Để khai thác nguồn địa nhiệt, người ta thực hiện khoan sâu vào tầng đá và tạo ra các nứt gãy nhân tạo.
Việc sử dụng chất lỏng làm chất vận chuyển nhiệt để thu nhiệt từ các tầng đá nứt gãy là một phương pháp khai thác năng lượng địa nhiệt Tuy nhiên, việc khai thác từ các nguồn đá nóng khô gặp nhiều khó khăn và không mang lại hiệu quả kinh tế cao so với các nguồn địa nhiệt khác.
1.2.4 Nguồn năng lượng địa nhiệt từ các núi lửa hoạt động
Năng lượng địa nhiệt từ các lỗ hổng núi lửa đang hoạt động trên thế giới rất phong phú Magma, với nhiệt độ từ 700°C đến 1600°C, là đá nóng chảy nằm dưới vỏ trái đất, có độ dày khoảng 24 đến 48 km Các nguồn magma này chứa một lượng năng lượng khổng lồ, lớn nhất trong các nguồn địa nhiệt, tuy nhiên, chúng thường nằm sâu dưới mặt đất, khiến việc khai thác trở nên khó khăn.
1.3 Phân loại các nhà máy sản xuất năng lượng địa nhiệt
1.3.1 Nhà máy hơi nước nóng khô
Dry steam sử dụng hơi nước ở nhiệt độ cao hơn 235°C cùng với một lượng nhỏ nước nóng từ bể địa nhiệt Hơi nước này được dẫn trực tiếp vào turbine qua hệ thống ống dẫn, giúp quay máy phát điện hiệu quả.
Trong sơ đồ trực tiếp, hơi nóng áp suất cao được sử dụng để quay tuốc bin và sản xuất điện Đây là loại nhà máy điện địa nhiệt lâu đời nhất, lần đầu tiên thử nghiệm tại Italia vào năm 1904 và vẫn được áp dụng cho đến hiện nay California hiện có nhà máy điện địa nhiệt lớn nhất thế giới hoạt động theo nguyên lý này.
1.3.2 Nhà máy hơi nước siêu lỏng
Flash steam là công nghệ phổ biến nhất hiện nay trong lĩnh vực địa nhiệt Nhà máy flash steam khai thác nước nóng ở áp suất cao (>182°C) từ bể địa nhiệt, nơi nước nóng tự phụt lên bề mặt qua giếng nhờ áp suất Khi nước nóng được bơm vào máy phát điện, áp suất giảm nhanh chóng khiến nước bốc hơi hoàn toàn, tạo ra hơi nước để quay turbine phát điện Phần nước không bốc hơi sẽ được bơm trở lại bể địa nhiệt qua giếng bơm xuyên Trong sơ đồ gián tiếp, nước “siêu lỏng” từ tầng nước nóng được đưa lên và giữ ở nhiệt độ trên 182 °C, sau đó hỗn hợp nước nóng và hơi nước được dẫn vào buồng hơi để giảm áp suất, biến phần lớn thành hơi nước, từ đó quay turbine phát điện.
1.3.3 Nhà máy hai chu trình
Các nhà máy địa nhiệt binary-cycle khai thác nước nóng từ bể địa nhiệt với nhiệt độ trung bình từ 107-182°C Trong hệ thống này, chất lỏng địa nhiệt được dẫn qua một bên của hệ thống trao đổi nhiệt để làm nóng chất lỏng thứ cấp, thường là các hợp chất hữu cơ như Isobutane hoặc Iso-pentane, có nhiệt độ sôi thấp hơn nước Sau khi chất lỏng thứ cấp bốc hơi, nó sẽ được dẫn vào turbine để sản xuất điện Hệ thống làm nguội, bao gồm các tháp làm nguội, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ cho turbine, giúp kéo dài tuổi thọ của thiết bị Hai loại hệ thống làm nguội chính là sử dụng nước và không khí.
Hệ thống hai chu trình mang lại lợi thế lớn nhờ vào việc sử dụng chất lỏng thứ cấp có nhiệt độ sôi thấp hơn nước, cho phép khai thác hiệu quả từ các bể địa nhiệt nhiệt độ thấp Thêm vào đó, với thiết kế chu trình kín, hệ thống này gần như không tạo ra khí thải, góp phần bảo vệ môi trường Chính vì những lợi ích này, các chuyên gia địa nhiệt dự đoán rằng hệ thống hai chu trình sẽ trở thành giải pháp kỹ thuật chủ đạo cho sản xuất điện địa nhiệt trong tương lai.
NĂNG LƯỢNG THỦY TRIỀU
Đặc điểm và nguyên nhân của thủy triều
Những biến đổi thủy triều trải qua các giai đoạn sau:
❖ Triều dâng (flood tide): xảy ra khi mực nước biển dâng lên trong vài giờ, làm ngập vùng gian triều
❖ Triều cao (high tide): nước dâng lên đến điểm cao nhất của nó
❖ Triều xuống (ebb tide): mực nước biển hạ thấp trong vài giờ làm lộ ra vùng triều
❖ Triều thấp (low tide): nước hạ thấp đến điểm thấp nhất của nó
Thủy triều tạo ra các dòng chảy dao động, được gọi là dòng triều hay triều lưu Thời điểm dòng triều ngừng chuyển động được gọi là nước chùng hoặc nước đứng (Slack Water).
Sau khi thủy triều thay đổi hướng, hiện tượng nước đứng xuất hiện, thường xảy ra gần thời điểm triều cao hoặc triều thấp Tuy nhiên, ở một số khu vực, thời gian nước đứng có thể khác biệt rõ rệt so với thời gian triều cao hoặc triều thấp.
Hiện tượng thủy triều phổ biến nhất là bán nhật triều và nhật triều, với hai lần nước lớn trong ngày có đỉnh không bằng nhau Điều này bao gồm mực nước lớn cao và mực nước lớn thấp trên đồ thị triều, cũng như hai lần nước ròng với nước ròng cao và nước ròng thấp.
Thủy triều hình thành do thủy quyển có hình cầu dẹt bị kéo cao ở hai miền đối diện nhau, tạo thành hình ellipsoid, với một đỉnh nằm trực diện với Mặt Trăng, tạo ra miền nước lớn thứ nhất do lực hấp dẫn của Mặt Trăng Miền nước lớn thứ hai nằm đối diện, tạo ra bởi lực li tâm Giữa hai miền nước lớn là nước ròng Khi vận tốc góc của Trái Đất không đổi, lực li tâm lớn nhất xuất hiện tại xích đạo, nhưng bán kính quay không hoàn toàn tương ứng với bán kính Trái Đất Hệ Trái Đất-Mặt Trăng quay quanh trọng tâm của hệ, nằm trong lòng Trái Đất, cách tâm khoảng 0.73 bán kính của Trái Đất (4650.83 km) Tóm lại, Trái Đất vừa quay vừa lắc.
Thủy triều đạt cực đại khi Mặt Trăng và Mặt Trời cùng nằm về một phía so với Trái Đất, trong khi mức triều phía đối diện sẽ giảm xuống mức cực tiểu.
Khái niệm thủy triều trong vật lý học đề cập đến sự chênh lệch tương tác hấp dẫn ảnh hưởng đến các vật thể trong một trường hấp dẫn.
2.3 Mối liên hệ giữa con người và thủy triều
Người xưa sống gần sông và biển, chủ yếu dựa vào chu kỳ thủy triều để sinh hoạt và bắt hải sản như tôm, cua, cá Thủy triều không chỉ ảnh hưởng đến đời sống hàng ngày mà còn góp phần vào các chiến thắng lịch sử, như trận Bạch Đằng năm 938 của Ngô Quyền và năm 1288 của nhà Trần trước quân Nguyên-Mông Ngày nay, con người đã biết tận dụng thủy triều cho nhiều lĩnh vực, từ sản xuất điện, ngư nghiệp đến nghiên cứu thủy văn Hiện tại, việc khai thác năng lượng từ thủy triều, đặc biệt là năng lượng điện thủy triều, đang được phát triển mạnh mẽ.
2.4 Sự tạo thành của năng lượng thủy triều
Năng lượng thủy triều được khai thác từ các biến thiên của thủy triều đại dương trên Trái Đất, do lực hấp dẫn của các thiên thể gây ra Khi Trái Đất quay, sự phình ra của nước ở đại dương gặp nước nông gần bờ biển, tạo ra hiện tượng thủy triều.
Năng lượng thủy triều là công nghệ độc đáo khai thác năng lượng từ quỹ đạo của hệ thống Trái Đất–Mặt Trăng, và phần nào từ hệ thống Trái Đất–Mặt Trời Trong khi đó, các nguồn năng lượng tự nhiên khác như nhiên liệu hoá thạch, thủy điện thông thường, gió, nhiên liệu sinh học, sóng và năng lượng mặt trời đều có nguồn gốc trực tiếp hoặc gián tiếp từ Mặt Trời.
Máy phát điện thủy triều chuyển đổi năng lượng từ dòng thủy triều thành điện năng, với tiềm năng phát điện tăng lên đáng kể ở những vị trí có biến thể thủy triều lớn và vận tốc dòng triều cao.
Thủy triều của Trái Đất hình thành từ sự tương tác của lực hấp dẫn giữa Mặt trăng và Mặt trời, cùng với chuyển động của Trái Đất Năng lượng thủy triều được coi là vô tận và là một nguồn năng lượng tái tạo Sự dịch chuyển của thủy triều tiêu hao năng lượng cơ học trong hệ thống Trái Đất - Mặt Trăng, do nước được bơm qua các hạn chế tự nhiên xung quanh bờ biển.
Sự phân tán độ nhớt dưới đáy đại dương và trong dòng chảy rối đã dẫn đến sự tiêu hụt năng lượng, làm chậm quá trình di chuyển vòng của Trái Đất trong suốt 4,5 tỷ năm qua Trong 620 triệu năm gần đây, thời gian quay của Trái Đất đã tăng từ 21,9 giờ lên 24 giờ, đồng nghĩa với việc Trái Đất đã mất 17% năng lượng quay Mặc dù thủy triều cũng làm tiêu hao năng lượng từ hệ thống, nhưng ảnh hưởng của nó là không đáng kể và chỉ có thể nhận thấy sau hàng triệu năm.
2.5 Các loại hình khai thác điện thủy triều
Máy phát điện thủy triều khai thác động năng của dòng chảy để vận hành tuabin điện, tương tự như cách tuabin gió sử dụng năng lượng gió Một số máy phát điện thủy triều có thể được tích hợp vào các cấu trúc cầu hiện có hoặc lắp đặt dưới nước, giúp bảo vệ cảnh quan thiên nhiên Những khu vực hạn chế về đất đai như eo biển hay cửa hút gió có thể tạo ra vận tốc dòng chảy cao, tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng thông qua các loại tuabin như nằm ngang, thẳng đứng, mở hoặc ngầm hóa.
Năng lượng dòng chảy có khả năng khai thác hiệu quả hơn so với tuabin gió nhờ vào độ đặc của nước cao hơn không khí Công nghệ chuyển đổi năng lượng từ thủy triều tương tự như tuabin gió, nhưng mang lại hiệu suất cao hơn Khi dòng thủy triều đạt tốc độ gần 10 mph (khoảng 8,6 hải lý), công suất của nó có thể bằng hoặc vượt trội hơn so với tốc độ gió.
90 mph cho hệ thống tuabin cùng một kích thước
Đập thủy triều là công trình khai thác thế năng từ sự chênh lệch mực nước giữa thủy triều cao và thấp Khi thủy triều dâng lên, nước được giữ lại trong một lưu vực lớn phía sau đập, tích lũy một lượng lớn thế năng Khi thủy triều giảm, nước được giải phóng qua các tuabin lớn, chuyển đổi thế năng thành cơ năng và tạo ra điện năng thông qua máy phát điện.
NĂNG LƯỢNG ĐẠI DƯƠNG
Tổng quan
Trong những năm gần đây, năng lượng sóng biển đã thu hút sự chú ý toàn cầu Việc khai thác nguồn năng lượng này từ đại dương có thể giúp giải quyết vấn đề năng lượng hiện nay Chuyển đổi tài nguyên sóng biển có khả năng cung cấp một phần lớn nhu cầu điện năng cho nhiều quốc gia châu Âu như Bắc Ai-len, Đan Mạch, Bồ Đào Nha và Tây Ban Nha.
Bảng 3.1 Tiềm năng năng lượng đại dương
Khu vực Tiềm năng năng lượng sóng [TWh/năm]
Vùng Địa Trung Hải và Đại Tây Dương 1300
Khu vực Thái Bình Dương 5600
Một số nhà máy điện năng lượng đại dương
Hình 3 1 AWS-3 nước Anh tổng công suất là 2MW
Hình 3 2 Oceanlinx nước Úc, tổng công suất 2,5MW
Viện Nghiên cứu Năng lượng Điện của Mỹ ước tính rằng năng lượng từ sóng biển dọc theo bờ biển nước này có thể sản xuất khoảng 2100 TWh/năm, đủ để đáp ứng một nửa nhu cầu điện năng của quốc gia Tương tự, các chuyên gia ở Anh cho rằng năng lượng biển có thể cung cấp tới 25% nhu cầu năng lượng cần thiết cho đất nước này.
3.1 Tạo năng lượng điện từ sóng biển bằng cột nước dao động (OWC)
Công nghệ này sử dụng nguyên lý cột nước dao động, với nguồn năng lượng chủ yếu từ tuabin không khí, trong đó Tuabin Wells là loại phổ biến nhất Mực nước trong khoang thay đổi theo nhịp sóng biển, hoạt động như một phích tông, buộc không khí di chuyển qua tuabin và tạo ra chuyển động quay Chuyển động này giúp máy phát điện chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng Đặc biệt, Tuabin Wells có khả năng quay theo một chiều nhất định, bất kể hướng gió.
Hình 3 3 Nguyên lý cột nước dao động
Hình 3 4 Hướng quay của Tuabin Wells
❖ Cấu tạo cánh của Tuabin Wells
Hình 3 5 Cấu tạo cánh của tuabin Wells
Cánh quạt của tuabin Wells được thiết kế theo hình giọt nước nằm ngang, cho phép nhận áp suất từ cả hai hướng trên và dưới, giúp tuabin quay theo một chiều nhất định.
Hình 3 6 Hướng gió nhận của Tuabin Ưu điểm:
➢ Trạm phát điện thường được đặt trên bờ và có công suất rất lớn
➢ Điện áp ra có thể điều chỉnh và có độ ổn định cao
➢ Thuận tiện cho việc thử nghiệm, lắp đặt, vận hành và bảo trì sửa chữa
➢ Chi phí truyền tải cho trạm phát điện đến trạm phân phối và nơi tiêu thụ thấp
➢ Chi phí đầu tư cao
➢ Ảnh hưởng đến nhiều cảnh quan, diện tích và môi trường bờ biển
3.2 Chuyển đổi năng lượng sóng biển dạng phao (OWAP)
Năng lượng được chuyển đổi thành chuyển động của piston, tạo ra áp suất nén lên chất lỏng hoặc khí Quá trình này làm cho chúng di chuyển qua ống dẫn và tác động lên tuabin của máy phát điện, từ đó tạo ra điện năng.
Hình 3 7 Năng lượng đại dương dạng phao
➢ Nguyên lý hoạt động đơn giản dễ chế tạo, hiệu suất chuyển đổi khá cao, nhưng thường có công suất nhỏ
➢ Công suất lớn hơn và nguồn điện tạo ra ổn định hơn, có khả năng điều chỉnh
➢ Việc thử nghiệm, lắp đặt, vận hành và bảo trì sửa chữa gặp nhiều khó khăn
➢ Ảnh hưởng nhiều đến giao thông đường biển
➢ Tổn hao và chi phí truyền tải phân phối vào bờ là rất lớn.
