Nghiên cứu hệ thống phát điện từ thủy động lực MHD sử dụng năng lượng địa nhiệt

Nghiên cứu hệ thống phát điện từ thủy động lực MHD sử dụng năng lượng địa nhiệt với chu trình kết hợp, mang lại giải pháp năng lượng bền vững.

• Tác giả: Lâm Hữu Dũng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Chí Kiên
• Trường học: Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện – Điện Tử
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống phát điện từ thủy động lực sử dụng năng lượng địa nhiệt với chu trình kết hợp
• Loại tài liệu: Luận Văn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về hướng nghiên cứu
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ của đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Phạm vi và giới hạn của đề tài
• 1.6. Nội dung nghiên cứu
• 1.7. Kết quả nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Năng lượng địa nhiệt
• 2.2. Nguồn gốc hình thành
• 2.3. Năng lượng địa nhiệt ở Việt Nam
• 2.4. Nhà máy điện địa nhiệt
• 2.5. Nhà máy địa nhiệt điện Dry steam
• 2.6. Nhà máy địa nhiệt điện Flash steam
• 2.7. Nhà máy địa nhiệt điện Binary Cycle
• 2.8. Chu trình hơi nước (Rankine)
• 2.9. Máy phát điện từ thủy động lực (MHD)
• 2.9.1. Các nguyên lý cơ bản và phương trình toán học
• 2.9.2. Quy trình hoạt động
• 2.9.3. Các mẫu máy phát điện MHD
• 2.9.3.1. Máy phát điện Faraday
• 2.9.3.2. Máy phát điện Hall
• 2.9.4. Lưu chất cho máy phát điện MHD hoạt động
• 2.9.4.1. Kim loại lỏng (Liquid Metal)
• 2.9.4.2. Máy phát MHD sử dụng kim loại lỏng
• 2.9.5. Hệ thống MHD
• 2.9.5.1. Hệ thống chu kì mở
• 2.9.5.2. Hệ thống chu kì đóng
• 2.9.6. Một số ưu điểm của máy phát điện MHD
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN LMMHD KẾT HỢP NĂNG LƯỢNG ĐỊA NHIỆT
• 3.1. Mô hình nhà máy địa nhiệt truyền thống
• 3.2. Phân tích các khối trong mô hình địa nhiệt truyền thống
• 3.2.1. Máy tách kiểu xoáy
• 3.2.2. Tháp giải nhiệt
• 3.2.3. Bộ ngưng tụ
• 3.2.4. Tính toán hiệu suất hệ thống dựa trên chu trình năng lượng Rankine
• 3.3. Mô hình nhà máy địa nhiệt tuabin 2 cấp
• 3.4. Mô hình nhà máy địa nhiệt sử dụng máy phát điện LMMHD
• 3.5. Mô hình nhà máy địa nhiệt – LMMHD kết hợp tuabin hơi nước
• 3.6. Phân tích các khối trong chu trình LMMHD
• 3.6.1. Bộ trộn kim loại lỏng và hơi
• 3.6.2. Phân tích máy phát MHD sử dụng kim loại lỏng NaK
• 3.6.3. Bộ tách hơi và kim loại lỏng
• 3.6.4. Bơm áp suất khí vào buồng trộn
• 3.6.5. Tính toán hiệu suất của chu trình LMMHD
• 3.6.6. Phân tích nhiệt lượng trong chu trình LMMHD
• 3.6.7. Phân tích Entropy mẫu
• 3.6.8. Hiệu suất của hệ thống
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ CỦA CÁC CHU TRÌNH
• 4.1. Tính toán và mô phỏng các thông số của chu trình địa nhiệt truyền thống
• 4.1.1. Dữ liệu tính toán
• 4.1.2. Kết quả tính toán
• 4.2. Tính toán và mô phỏng các thông số của chu trình địa nhiệt – LMMHD và so sánh với chu trình địa nhiệt truyền thống
• 4.2.1. Dữ liệu tính toán
• 4.2.2. Kết quả tính toán
• 4.3. Tính toán và mô phỏng các thông số của chu trình địa nhiệt – LMMHD kết hợp với tua bin hơi nước và so sánh với chu trình tương tự đã được công bố
• 4.3.1. Dữ liệu tính toán
• 4.3.2. Kết quả tính toán
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 5.1. Hướng phát triển của đề tài
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU KHOA HỌC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu hệ thống phát điện MHD từ năng lượng địa nhiệt

Năng lượng địa nhiệt đang trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng toàn cầu. Hệ thống phát điện MHD (Magnetohydrodynamic) sử dụng năng lượng địa nhiệt với chu trình kết hợp hứa hẹn mang lại hiệu suất cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Nghiên cứu này sẽ phân tích các khía cạnh của hệ thống phát điện MHD từ năng lượng địa nhiệt, bao gồm nguyên lý hoạt động, lợi ích và thách thức trong việc triển khai.

1.1. Năng lượng địa nhiệt và tiềm năng ứng dụng

Năng lượng địa nhiệt là nguồn năng lượng sạch và bền vững, có khả năng cung cấp điện năng liên tục mà không phụ thuộc vào thời tiết. Theo báo cáo của IRENA, năng lượng địa nhiệt có thể cung cấp một phần lớn sản lượng điện cho các quốc gia đang phát triển. Việc khai thác nguồn năng lượng này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững.

1.2. Hệ thống phát điện MHD Nguyên lý và lợi ích

Hệ thống phát điện MHD hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa chất lỏng dẫn điện và từ trường. Phương pháp này cho phép chuyển đổi năng lượng nhiệt thành điện năng mà không cần đến các thành phần cơ khí chuyển động, từ đó giảm thiểu tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu suất phát điện. Hệ thống này có thể đạt hiệu suất lên đến 34,81%, cao hơn nhiều so với các hệ thống địa nhiệt truyền thống.

II. Thách thức trong việc phát triển hệ thống phát điện MHD từ năng lượng địa nhiệt

Mặc dù hệ thống phát điện MHD từ năng lượng địa nhiệt có nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần được giải quyết. Các vấn đề như chi phí đầu tư ban đầu cao, công nghệ chưa hoàn thiện và yêu cầu về nghiên cứu sâu hơn về hiệu suất và độ bền của các vật liệu sử dụng trong hệ thống là những yếu tố cần được xem xét.

2.1. Chi phí đầu tư và công nghệ

Chi phí đầu tư cho hệ thống phát điện MHD thường cao hơn so với các hệ thống truyền thống. Việc phát triển công nghệ mới và cải tiến quy trình sản xuất là cần thiết để giảm thiểu chi phí và nâng cao khả năng cạnh tranh của hệ thống này trên thị trường năng lượng.

2.2. Nghiên cứu và phát triển vật liệu

Vật liệu sử dụng trong hệ thống phát điện MHD cần phải có khả năng chịu nhiệt và độ bền cao. Nghiên cứu về các loại kim loại lỏng và plasma là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống trong thời gian dài.

III. Phương pháp nghiên cứu hệ thống phát điện MHD từ năng lượng địa nhiệt

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp mô hình hóa và mô phỏng để phân tích hiệu suất của hệ thống phát điện MHD kết hợp với năng lượng địa nhiệt. Các thông số kỹ thuật và điều kiện hoạt động sẽ được xác định để tối ưu hóa hiệu suất phát điện.

3.1. Mô hình hóa chu trình phát điện

Mô hình hóa chu trình phát điện MHD sẽ được thực hiện dựa trên các thông số nhiệt động lực học và điện từ. Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và lưu lượng sẽ được tính toán để xác định hiệu suất tối ưu của hệ thống.

3.2. Mô phỏng hiệu suất hệ thống

Sử dụng phần mềm mô phỏng, nghiên cứu sẽ tiến hành phân tích hiệu suất của hệ thống phát điện MHD trong các điều kiện khác nhau. Kết quả sẽ giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và đề xuất các giải pháp cải tiến.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống phát điện MHD từ năng lượng địa nhiệt

Hệ thống phát điện MHD từ năng lượng địa nhiệt có thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất điện năng cho đến cung cấp nhiệt cho các khu công nghiệp. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất điện năng

Hệ thống phát điện MHD có thể được triển khai tại các nhà máy điện địa nhiệt, cung cấp nguồn điện ổn định và bền vững. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các quốc gia đang phát triển, nơi nhu cầu điện năng ngày càng tăng.

4.2. Cung cấp nhiệt cho khu công nghiệp

Ngoài việc sản xuất điện, hệ thống phát điện MHD còn có thể cung cấp nhiệt cho các khu công nghiệp, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành. Việc sử dụng năng lượng địa nhiệt cho các ứng dụng công nghiệp sẽ góp phần vào sự phát triển bền vững.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống phát điện MHD từ năng lượng địa nhiệt

Hệ thống phát điện MHD từ năng lượng địa nhiệt đang mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành năng lượng. Với những lợi ích vượt trội về hiệu suất và tính bền vững, công nghệ này có thể trở thành một phần quan trọng trong chiến lược phát triển năng lượng của các quốc gia. Tương lai của hệ thống này phụ thuộc vào việc giải quyết các thách thức hiện tại và đầu tư vào nghiên cứu và phát triển.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ

Công nghệ phát điện MHD cần được nghiên cứu và phát triển hơn nữa để tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí. Các nghiên cứu mới về vật liệu và quy trình sản xuất sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao khả năng cạnh tranh của hệ thống này.

5.2. Định hướng chính sách năng lượng

Các chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo, bao gồm năng lượng địa nhiệt và hệ thống phát điện MHD, cần được thiết lập để khuyến khích đầu tư và nghiên cứu. Điều này sẽ giúp thúc đẩy sự chuyển đổi sang một nền kinh tế năng lượng bền vững hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự cạn kiệt nhanh chóng của nhiên liệu hóa thạch và nguy cơ biến đổi khí hậu toàn cầu đang thúc đẩy mạnh mẽ quá trình chuyển dịch năng lượng. Theo ước tính từ Viện Nghiên cứu Điện năng Quốc tế, tổng năng lượng nhiệt lưu trữ xuống đến độ sâu 3 km trong vỏ lục địa đạt khoảng 43 triệu Exajoule (EJ), vượt xa mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp toàn cầu khoảng 560 EJ. Báo cáo từ Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA) cũng chỉ ra rằng tỷ trọng năng lượng tái tạo trên thế giới dự kiến tăng từ 23% vào năm 2014 lên mức 45% vào năm 2030. Trong bức tranh đó, năng lượng địa nhiệt nổi lên như một nguồn tài nguyên sạch, hoạt động ổn định 24/7 mà không phụ thuộc vào thời tiết. Tại Việt Nam, tiềm năng khai thác điện địa nhiệt được đánh giá đạt trên 300 MW, tập trung chủ yếu tại các tỉnh ven biển miền Trung.

Tuy nhiên, các nhà máy điện địa nhiệt truyền thống sử dụng tuabin hơi nước hiện có hiệu suất nhiệt rất khiêm tốn, trung bình toàn cầu chỉ đạt khoảng 12% và tối đa khoảng 21%. Nguyên nhân cốt lõi là do tổn thất ma sát và suy hao động năng tại các bộ phận cơ khí chuyển động quay liên tục trong môi trường hơi nhiệt độ trung bình - thấp.

Để giải quyết triệt để rào cản này, luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện của tác giả Lâm Hữu Dũng, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Chí Kiên tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đã thực hiện đề tài nghiên cứu hệ thống phát điện từ thủy động lực học sử dụng kim loại lỏng (LMMHD) kết hợp với năng lượng địa nhiệt theo chu trình hỗn hợp. Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc mô hình hóa và tích hợp máy phát LMMHD nhằm loại bỏ hoàn toàn các cơ cấu cơ khí chuyển động ở tầng phát điện sơ cấp, từ đó nâng hiệu suất phát điện tổng thể lên 34,81%, cao hơn 9,01% so với chu trình địa nhiệt truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng tích hợp giữa lý thuyết động lực học chất lưu, điện từ trường học và nhiệt động lực học cổ điển.

Thứ nhất, nguyên lý phát điện từ thủy động lực học (MHD) dựa trên định luật cảm ứng điện từ Faraday và lực Lorentz. Khi dòng chất lỏng dẫn điện chuyển động với vận tốc qua từ trường vuông góc có cảm ứng từ, các hạt mang điện chịu tác dụng của lực từ làm xuất hiện điện trường cảm ứng và dòng điện thu nhận qua các cặp điện cực. Mật độ dòng điện được xác định theo định luật Ohm tổng quát phụ thuộc trực tiếp vào độ dẫn điện của lưu chất. Khác với MHD thể khí plasma đòi hỏi nhiệt độ vận hành trên 2000 độ C, hệ thống LMMHD sử dụng hợp kim kim loại lỏng Natri - Kali (NaK) có độ dẫn điện cao gấp 10^6 lần ở nhiệt độ phòng, cho phép vận hành hiệu quả ở dải nhiệt độ nguồn địa nhiệt từ 74 độ C đến 182 độ C.

Thứ hai, lý thuyết chu trình Rankine và chu trình kết hợp nhị phân (Binary Cycle/Combined Cycle). Chu trình Rankine mô tả quá trình biến đổi pha lỏng - khí của nước trong việc chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng và điện năng thông qua các thông số trạng thái nhiệt dung riêng, entanpy và entropy tại các nút truyền nhiệt.

Các khái niệm then chốt trong nghiên cứu gồm: máy phát LMMHD dòng Faraday và dòng Hall, buồng trộn hai pha hơi nước - kim loại lỏng, thiết bị tách xoáy ly tâm và gradient nhiệt địa chất trung bình từ 2,5 đến 3,1 độ C trên 100 mét chiều sâu vỏ Trái Đất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa toán học kết hợp mô phỏng số trên nền tảng phần mềm MATLAB. Nguồn dữ liệu đầu vào được thu thập từ 9 hệ thống nhà máy điện địa nhiệt thực tế trên thế giới cùng cơ sở dữ liệu điều tra gần 300 điểm xuất lộ nước nóng khoáng tại Việt Nam với dải nhiệt độ từ 30 độ C đến 105 độ C (tiêu biểu như nguồn Suối Bang 105 độ C và Hội Vân 85 độ C). Cỡ mẫu phân tích gồm 4 bộ kịch bản mô phỏng tương ứng với 4 cấu hình chu trình nhiệt động: chu trình địa nhiệt truyền thống đơn cấp, chu trình địa nhiệt tuabin 2 cấp, chu trình địa nhiệt kết hợp LMMHD và chu trình lai ghép LMMHD phối hợp tuabin hơi nước thu hồi nhiệt.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm khảo sát các giếng địa nhiệt có thông số áp suất và nhiệt độ phù hợp với điều kiện khai thác thực tế tại khu vực miền Trung. Việc lựa chọn phương pháp phân tích nhiệt động lực học và mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng là giải pháp tối ưu, giúp đánh giá chính xác cân bằng năng lượng và tổn thất entropy tại từng nút truyền nhiệt mà không đòi hỏi chi phí chế tạo thực nghiệm đắt đỏ trong giai đoạn nghiên cứu tiền khả thi. Nghiên cứu được triển khai đồng bộ với các định hướng lớn trong chương trình khoa học công nghệ cấp nhà nước mã số KC-05-11/15 theo Quyết định số 1244/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đưa ra các kết quả định lượng cụ thể qua các kịch bản tính toán nhiệt động học:

• Hiệu suất phát điện vượt trội: Chu trình phát điện LMMHD kết hợp địa nhiệt và tuabin hơi nước đạt hiệu suất nhiệt tổng thể là 34,81%. Con số này vượt trội hơn hẳn chu trình địa nhiệt truyền thống (đạt 25,80%, chênh lệch tăng 9,01%) và hệ thống địa nhiệt tuabin 2 cấp (đạt 28,02%, chênh lệch tăng 6,79%).
• Tối ưu hóa khả năng dẫn điện ở nhiệt độ thấp: Việc sử dụng hợp kim NaK làm lưu chất làm việc lỏng giúp cải thiện độ dẫn điện lên khoảng 10^6 lần so với khí ion hóa, cho phép hệ thống vận hành hiệu quả ngay cả khi nhiệt độ nguồn hơi địa nhiệt chỉ ở mức 100 đến 180 độ C.
• Giảm tổn thất cơ học và nâng cao độ tin cậy: Hệ thống LMMHD tầng đầu không sử dụng các cánh tuabin quay cơ khí, giảm thiểu tổn thất ma sát và giảm nguy cơ xói mòn cánh tuabin do cặn khoáng chất thường có trong hơi địa nhiệt.
• Tận dụng tối đa nhiệt dư: Khí và hơi sau khi đi qua máy tách LMMHD vẫn giữ mức nhiệt năng đáng kể để tiếp tục cấp nhiệt cho chu trình tuabin Rankine thứ cấp, giúp tận thu năng lượng tối đa trước khi đưa qua bình ngưng tụ và bơm hoàn lưu xuống lòng đất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng hiệu suất lên mức 34,81% là nhờ sự kết hợp cơ chế chuyển đổi nhiệt - điện trực tiếp của máy phát từ thủy động lực học và chu trình hỗn hợp hơi nước. Trong buồng trộn, kim loại lỏng NaK tiếp xúc trực tiếp với hơi nước áp suất cao, tạo ra dòng hỗn hợp hai pha giãn nở qua ống dẫn đặt trong từ trường mạnh từ 5 đến 7 Tesla, sinh ra dòng điện trực tiếp DC mà không trải qua bước trung gian biến đổi cơ năng.

Khi thảo luận kết quả, sự phân bố năng lượng và quá trình truyền nhiệt được thể hiện trực quan qua đồ thị nhiệt độ - entropy (T-s) và bảng dữ liệu trạng thái tại các nút chu trình. So sánh trên đồ thị T-s cho thấy chu trình LMMHD kết hợp mở rộng diện tích bao quanh chu trình nhiệt động lực học, chứng minh lượng công hữu ích sinh ra lớn hơn so với diện tích chu trình Rankine cổ điển.

So với mức hiệu suất trung bình toàn cầu 12% được tổng hợp bởi các nghiên cứu quốc tế trước đây, mô hình đề xuất trong luận văn mở ra bước đột phá mới cho các dự án điện địa nhiệt quy mô vừa và nhỏ. Kết quả này chứng minh rằng việc áp dụng công nghệ máy phát không chi tiết chuyển động LMMHD hoàn toàn có thể khắc phục nhược điểm muôn thuở về hiệu suất thấp của các trạm phát điện địa nhiệt truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng và tiềm năng địa nhiệt tại Việt Nam, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp mang tính ứng dụng thực tiễn cao:

1. Thiết kế và thử nghiệm mô hình pilot LMMHD: Đề xuất Bộ Khoa học và Công nghệ cùng Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) tài trợ kinh phí xây dựng trạm thử nghiệm phát điện LMMHD quy mô nhỏ 50 - 100 kW tại các điểm lộ địa nhiệt tiềm năng như Suối Bang (Quảng Bình) hoặc Đakrông (Quảng Trị) trong giai đoạn 2024 - 2026, nhằm kiểm chứng sai số thực nghiệm dưới 5% so với tính toán lý thuyết.
2. Nghiên cứu chuyên sâu về an toàn và vật liệu buồng MHD: Giao nhiệm vụ cho các viện nghiên cứu vật lý và trường đại học kỹ thuật tập trung nghiên cứu công nghệ chống ăn mòn điện cực, vật liệu cách điện chịu nhiệt và quy trình xử lý an toàn đối với hợp kim lỏng NaK trong môi trường công nghiệp liên tục từ năm 2025 đến 2027, mục tiêu đảm bảo tuổi thọ thiết bị trên 10 năm.
3. Hoàn thiện chính sách giá mua điện địa nhiệt (Feed-in Tariff): Kiến nghị Bộ Công Thương xây dựng khung biểu giá hỗ trợ phát triển điện địa nhiệt ở mức khoảng 7,5 đến 9,0 xu Mỹ/kWh trong giai đoạn 2026 - 2028, tạo động lực kinh tế thu hút các nguồn vốn tư nhân vào khai thác hơn 300 MW tiềm năng địa nhiệt tại 12 tỉnh miền Trung.
4. Tích hợp hệ thống chu trình kết hợp LMMHD vào quy hoạch điện quốc gia: Các đơn vị phát triển dự án năng lượng tái tạo cần chủ động ứng dụng công nghệ chu trình lai ghép LMMHD - hơi nước để giảm từ 15% đến 20% suất tiêu hao nhiệt và hạn chế phát thải khí nhà kính tương đương nhiệt điện than trước năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng chuyên sâu cho nhiều nhóm đối tượng:

• Kỹ sư và nhà thiết kế nhà máy nhiệt điện/năng lượng tái tạo: Tham khảo chi tiết phương pháp tính toán cân bằng nhiệt, mô hình các khối buồng trộn, thiết bị tách xoáy và công thức tính tổn thất để tối ưu hóa hiệu suất nhà máy điện địa nhiệt thực tế.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Năng lượng: Sử dụng làm tài liệu học tập, giảng dạy nâng cao về nguyên lý phát điện từ thủy động lực học, phương trình Navier-Stokes kết hợp phương trình Maxwell và kỹ thuật mô phỏng chu trình Rankine bằng MATLAB.
• Các doanh nghiệp và quỹ đầu tư dự án năng lượng sạch: Khai thác các dữ liệu so sánh kinh tế - kỹ thuật, hiểu rõ cơ hội nâng cao hiệu suất đầu tư đối với các dự án khai thác nguồn nhiệt lòng đất tại khu vực duyên hải miền Trung (như dự án địa nhiệt Đakrông quy mô 947 tỷ đồng).
• Cơ quan quản lý và chuyên gia hoạch định chính sách năng lượng: Có thêm cơ sở khoa học để đánh giá nguồn tài nguyên địa nhiệt, xây dựng quy hoạch phát triển nguồn điện phân tán xanh và triển khai các cam kết giảm phát thải theo thỏa thuận khí hậu quốc tế COP21.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ máy phát điện LMMHD có nguyên lý hoạt động khác gì so với máy phát điện tuabin truyền thống?
Máy phát điện truyền thống biến đổi nhiệt năng thành cơ năng làm quay cánh tuabin, sau đó máy phát cơ khí quay để tạo ra dòng điện. Ngược lại, máy phát LMMHD chuyển đổi trực tiếp nhiệt năng thành điện năng bằng cách cho kim loại lỏng dẫn điện chuyển động cắt ngang từ trường 5 đến 7 Tesla mà không cần bất kỳ bộ phận cơ khí chuyển động nào.

Tại sao hợp kim kim loại lỏng NaK lại được lựa chọn làm môi chất làm việc trong hệ thống này?
Hợp kim Natri - Kali (NaK) tồn tại ở thể lỏng ngay tại nhiệt độ phòng và sở hữu độ dẫn điện cao gấp 10^6 lần so với khí plasma ion hóa. Nhờ đặc tính này, hệ thống LMMHD có thể tạo ra mật độ công suất điện lớn ở dải nhiệt độ nguồn địa nhiệt vừa và thấp (dưới 200 độ C) mà không cần nung nóng môi chất lên hàng nghìn độ C.

Hiệu suất 34,81% của mô hình nghiên cứu có ý nghĩa như thế nào đối với ngành điện địa nhiệt?
Mức hiệu suất 34,81% là một bước tiến vượt bậc so với hiệu suất trung bình 12% và mức cao nhất 21% của các nhà máy địa nhiệt thương mại hiện nay. Việc tăng thêm 9,01% hiệu suất so với hệ thống truyền thống giúp sản xuất lượng điện lớn hơn từ cùng một giếng khoan, giảm chi phí đầu tư trên mỗi kWh điện thương phẩm.

Tiềm năng phát triển nhà máy điện địa nhiệt kết hợp LMMHD tại Việt Nam hiện nay ra sao?
Việt Nam sở hữu gần 300 nguồn nước nóng tự nhiên với tiềm năng phát điện ước tính trên 300 MW, đặc biệt tập trung tại miền Trung với nhiều nguồn nhiệt trên 100 độ C như Suối Bang (105 độ C). Công nghệ LMMHD rất phù hợp với đặc thù nhiệt độ này, giúp khai thác triệt để nguồn năng lượng sạch sẵn có.

Hạn chế và thách thức kỹ thuật lớn nhất khi hiện thực hóa mô hình LMMHD ngoài thực tế là gì?
Thách thức lớn nhất nằm ở việc kiểm soát tính phản ứng hóa học mạnh của kim loại lỏng NaK với nước và không khí, đòi hỏi hệ thống đường ống kín tuyệt đối. Ngoài ra, việc chế tạo buồng phát điện MHD bằng vật liệu chịu mài mòn, cách điện tốt và duy trì hệ thống nam châm tạo từ trường cao liên tục cũng cần chi phí đầu tư ban đầu đáng kể.

Kết luận

• Luận văn đã giải quyết thành công bài toán nâng cao hiệu suất nhà máy điện địa nhiệt thông qua việc đề xuất mô hình chu trình lai ghép tích hợp máy phát từ thủy động lực học kim loại lỏng LMMHD.
• Kết quả mô phỏng khẳng định hệ thống đạt hiệu suất phát điện 34,81%, cao hơn 9,01% so với chu trình địa nhiệt truyền thống và cao hơn 6,79% so với hệ thống tuabin 2 cấp.
• Nghiên cứu làm chủ cơ sở lý thuyết nhiệt động lực học và hoàn thiện các mô hình toán học giải tích mô tả chính xác quá trình trao đổi nhiệt, chuyển hóa năng lượng trên phần mềm MATLAB.
• Công trình mở ra tiềm năng thương mại hóa và ứng dụng kỹ thuật to lớn cho việc khai thác nguồn tài nguyên địa nhiệt sạch hơn 300 MW tại 12 tỉnh miền Trung Việt Nam.
• Đề tài đóng góp thiết thực vào chiến lược phát triển năng lượng tái tạo quốc gia theo Quyết định số 1244/QĐ-TTg và nỗ lực giảm thiểu biến đổi khí hậu toàn cầu theo khung thỏa thuận COP21.

Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2025 đến 2030, việc mở rộng nghiên cứu sang chế tạo mô hình thực nghiệm pilot và tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật sẽ là chìa khóa hiện thực hóa giải pháp này vào hệ thống điện lưới quốc gia. Các tổ chức khoa học, doanh nghiệp năng lượng và nhà đầu tư quan tâm đến công nghệ điện địa nhiệt tiên tiến hãy kết nối, chia sẻ và tiếp tục phát triển công trình nghiên cứu đầy triển vọng này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Trình bày tính cấp thiết của đề tài trong giai đoạn khủng hoảng năng lượng, vấn đề biến đổi khí hậu, quy hoạch phát triển hiện tại và tương lai các nguồn năng lượng tái tạo, một số nghiên cứu đã được thực hiện, tính khả thi của nguồn năng lượng địa nhiệt và khả năng kết hợp với máy phát điện MHD, mục đích, nhiệm vụ, phạm vi, giới hạn, phương pháp và bố cục của luận văn. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày cơ sở lý thuyết về nguồn năng lượng địa nhiệt, chu trình Rankine, nguyên lý hoạt động của hệ thống phát điện MHD. Chương 3: Xây dựng mô hình máy phát điện LMMHD kết hợp năng lượng địa nhiệt. HVTH: Lâm Hữu Dũng 7 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Luận Văn Xây dựng mô hình toán học, đưa ra các thông số hệ thống địa nhiệt truyền thống.

Trên cơ sở đó, tiếp tục xây dựng mô hình địa nhiệt kết hợp MHD. Chương 4: Tính toán và mô phỏng các thông số của các chu trình. Tính toán mô hình kết hợp địa nhiệt với hệ thống phát điện LMMHD ra các thông số cụ thể, mô phỏng thông số của các khối, đồ thị mối quan hệ thông số, so sánh kết quả với các mô hình địa nhiệt điện truyền thống và mô hình địa nhiệt tuabin Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài. Đánh giá kết quả và trình bày hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.

Kết quả nghiên cứu Xây dựng mô hình phát điện MHD kết hợp với nhà máy điện truyền thống sử dụng năng lượng địa nhiệt nhằm nâng cao hiệu suất phát điện chung của hệ thống. HVTH: Lâm Hữu Dũng 8 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Luận Văn Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Năng lượng địa nhiệt 2. Tổng quan Địa nhiệt là nguồn nhiệt năng có sẵn trong lòng đất.

Cụ thể hơn, nguồn năng lượng nhiệt này tập trung ở khoảng vài km dưới bề mặt Trái Đất, phần trên cùng của vỏ Trái Đất. Cùng với sự tăng nhiệt độ khi đi sâu vào vỏ Trái Đất cứ xuống sâu thì khoảng 3,10C/100m [14], trữ lượng nhiệt tự nhiên của trái đất rất to lớn. Theo “Electric Power Research Institute (EPRI)” (1978) ước tính năng lượng nhiệt lưu trữ xuống đến 3 km trong vỏ lục địa khoảng 43 x 106 EJ. Con số này cao hơn đáng kể so với tổng tiêu thụ năng lượng sơ cấp của thế giới là 560 EJ vào năm 2021.

Các ước tính của Bertani (2003), Stefansson (2005), Tester và cộng sự (2005) về tiềm năng điện có thể tiếp cận dao động từ 35 đến 200 GW, gấp 16 lần so với công suất lắp đặt hiện tại [8]. Người ta ước tính rằng, qua một năm, tương đương hơn 100 triệu GWh năng lượng nhiệt được sản xuất từ bên trong đến bề mặt trái đất [14]. Lòng đất thì vẫn tiếp tục nóng hằng tỷ năm nữa, đảm bảo một nguồn nhiệt năng gần như vô tận. Chính vì vậy địa nhiệt được liệt vào dạng năng lượng tái tạo.

Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất. Năng lượng này có nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt Trái Đất. Năng lượng địa nhiệt đã được sử dụng để nung và tắm kể từ thời La Mã cổ đại, nhưng ngày nay nó được dùng để phát điện. Theo “Báo cáo sản lượng năng lượng địa nhiệt hàng năm của Hoa Kỳ và Toàn cầu” có khoảng 13.1) công suất điện địa nhiệt được lắp đặt trên thế giới tính đến năm tháng 01 năm 2016 [9].

Khai thác năng lượng địa nhiệt có hiệu quả về kinh tế, có khả năng thực hiện và thân thiện với môi trường, nhưng trước đây bị giới hạn về mặt địa lý đối với các HVTH: Lâm Hữu Dũng 9 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Luận Văn khu vực gần các ranh giới kiến tạo mảng. Các tiến bộ khoa học kỹ thuật gần đây đã từng bước mở rộng phạm vi và quy mô của các tài nguyên tiềm năng này, đặc biệt là các ứng dụng trực tiếp như dùng để sưởi trong các hộ gia đình. Các giếng địa nhiệt có khuynh hướng giải phóng khí thải nhà kính bị giữ dưới sâu trong lòng đất, nhưng sự phát thải này thấp hơn nhiều so với phát thải từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch thông thường. Công nghệ này có khả năng giúp giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu nếu nó được triển khai rộng rãi.

Nhu cầu điện tăng vọt trong thế kỷ 20 và nguồn điện địa nhiệt ngay lập tức được xem là nguồn năng lượng có triển vọng khai thác. Điện địa nhiệt được sản xuất tại 24 quốc gia trên thế giới bao gồm : Hoa Kỳ, Iceland, Ý, Đức, Thổ Nhĩ Kỳ, Pháp, Hà Lan, New Zealand, Mexico, El Salvador, Nicaragua, Costa Rita, Nga, Philippines, Indonesia, Trung Quốc, Nhật Bản, Kenya, Papua New Guinea, Guatemala, Ethiopia, Austria, Australia và Thái Lan. Trong thập kỷ qua, công suất lắp đặt địa nhiệt trên thế giới đã tăng trưởng với tốc độ từ 3 đến 4% mỗi năm, tương ứng với tốc độ tăng trưởng kinh tế thế giới. Hầu hết sự tăng trưởng này diễn ra ở Kenya (392 MWe), Mỹ (352 MWe), New Zealand (400 MWe) và Thổ Nhĩ Kỳ (306 MWe), chiếm 60% tăng trưởng công suất của thế giới.

Nhìn về tương lai, các dự án cam kết sẽ bổ sung gần 2.000 MWe (tăng 16% công suất) giữa tháng 1 năm 2015 và tháng 12 năm 2018. Hầu hết công suất mới này sẽ được lắp đặt tại Indonesia (636 MWe), Thổ Nhĩ Kỳ (298 MWe) và Kenya (255 MWe) [9]. Phát điện địa nhiệt sẽ mở rộng sang Iran, Croatia, Chile, và Honduras. Nếu tính cả việc sử dụng trực tiếp, năng lượng địa nhiệt được sử dụng trên 80 quốc gia trên thế giới.

Phát triển năng lượng địa nhiệt đang chứng kiến một sự tăng trưởng nhanh khắp thế giới. Dựa trên số liệu hiện tại, ngành công nghiệp địa nhiệt toàn cầu dự kiến đạt khoảng 18,3 GW vào năm 2021(Hình 2. Nhìn chung, nếu tất cả các nước đều đạt được mục tiêu phát triển điện địa nhiệt và nhắm tới thị trường toàn cầu có thể đạt đến 32 GW vào đầu những năm 2030 [9]. HVTH: Lâm Hữu Dũng 10 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Luận Văn Hình 2.

Công suất lắp đặt nhà máy điện địa nhiệt trên thế giới [9]. Giá thành địa nhiệt điện phụ thuộc mật thiết vào nguồn địa nhiệt và qui mô nhà máy. Giá điện dao động từ 2,5-10 xu Mỹ/kWh. Các yếu tố ảnh hưởng đến giá cả địa nhiệt điện là độ sâu và nhiệt độ của bồn địa nhiệt, sản lượng khai thác của giếng, các vấn đề đáp ứng tiêu chuẩn về môi trường, cơ sở hạ tầng và các yếu tố kinh tế khác như qui mô phát triển, qui hoạch tài chính.

Nguồn gốc hình thành Năng lượng địa nhiệt là dạng năng lượng tồn tại trong lòng đất ở dưới dạng nhiệt năng. Năng lượng địa nhiệt, dạng nhiệt năng tự nhiên ở sâu trong lòng trái đất, phát sinh từ nguồn nhiệt sơ khai trong lòng trái đất, từ nhiệt ma sát do các phiến lục địa trượt lên nhau và từ sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ tồn tại tự nhiên với một lượng nhỏ trong đá. HVTH: Lâm Hữu Dũng 11 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Luận Văn Hình 2. Cấu tạo và nhiệt độ từng lớp vỏ Trái Đất.

- Năng lượng địa nhiệt được tạo ra do các quá trình phản ứng phóng xạ hạt nhân của các nguyên tố phóng xạ nặng có trong lòng trái đất như thori (Th), protactini (Pa), urani (U), …, Đây là nguồn nhiệt chính. - 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 trượt trên mảnh kia. Một phần trong tổng khối nhiệt lượng khổng lồ trong lòng Trái Đất này bắt nguồn từ quá trình hình thành hành tinh trong khoảng 4,5 tỷ năm trước (trái đất hình thành từ một khối cầu vật chất cực nóng, nguội dần từ trong ra ngoài qua quá trình quay quanh trục), phần còn lại là kết quả của quá trình phân rã của các nguyên tố phóng xạ tồn tại trong lõi trái đất.

Theo nguyên lý tuần hoàn nhiệt lượng từ nơi nhiệt độ cao xuống nhiệt độ thấp, dòng nhiệt của trái đất di chuyển từ trong lõi ra ngoài vỏ. Quá trình hình thành địa nhiệt từ sự di chuyển của các mảng vỏ trái đất. HVTH: Lâm Hữu Dũng 12 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Luận Văn Theo tính toán, nhiệt độ của tâm trái đất vào khoảng 6650°C. Trái đất nguội dần với tốc độ khoảng 300 đến 350°C trong một tỉ năm.

Tại một số vùng trong vỏ trái đất đặc biệt tại những vùng có hoạt động địa chấn mạnh, nhiệt độ tăng rất nhanh theo chiều sâu. Phân bố nhiệt trong vỏ Trái Đất được đặc trưng bởi tham số Gradient nhiệt biểu thị mức tăng nhiệt độ theo chiều sâu. Các kết quả nghiên cứu đánh giá được giá trị Gradient trung bình là 2,5 – 30C/100m [3]. Tuy nhiên giá trị này thay đổi phụ thuộc vào đặc điểm địa chất và hoạt động kiến tạo: ở nhiều vùng trũng giá trị này còn nhỏ hơn 10C/100m, trong khi đó nhiều nơi khác giá trị Gradient nhiệt cao hơn hàng chục lần giá trị bình thường [3].

Năng lượng địa nhiệt là nguồn nhiệt tự nhiên được lấy trong lòng quả đất bằng cách khoan sâu xuống lòng đất. Nguồn nhiệt này được đưa lên mặt đất dưới dạng hơi nóng hoặc nước nóng. Các dạng biểu hiện của nguồn năng lượng địa nhiệt trên mặt đất. Năng lượng địa nhiệt ở Việt Nam [2] Trên đất liền, Việt Nam có khoảng gần 300 điểm lộ nước nóng và hàng ngày vẫn thường gọi là nước nóng - nước khoáng.

Những điểm lộ đó nằm rải rác từ miền HVTH: Lâm Hữu Dũng 13 GVHD: PGS.TS Lê Chí Kiên Luận Văn Bắc tới miền Nam, nhiệt độ thường vào khoảng từ 300C tới 1050C, nhiều nhất ở 12 tỉnh ven biển miền Trung. Những điểm lộ nước nóng – nước khoáng Việt Nam thường biểu hiện dưới dạng xuất lộ trực tiếp trên mặt đất dưới dạng khí phun, hình thành những con suối nhỏ, hoặc được tìm thấy trong những giếng khoan nông của các công trình địa chất thủy văn. Một số trong gần 300 điểm lộ đó đã và đang được sử dụng trực tiếp phục vụ đời sống dân sinh. Sau đây là 4 điểm lộ điển hình, từ miền Bắc vào miền Nam: - Điểm lộ thứ nhất, nước nóng - nước khoáng Mỹ Lâm, nhiệt độ 760C ở huyện Yên Sơn, tỉnh Tuyên Quang, cách thủ đô Hà Nội khoảng 150km về phía Tây Bắc.