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.