Năng lượng địa nhiệt là một loại hình năng lượng được tạo ra từ nhiệt của Trái đất, chủ yếu là kết quả của sự phân rã các đồng vị phóng xạ tự nhiên như kali, thori và urani. Dòng nhiệt bề mặt Trái đất, trung bình là 82 mW/m2 và tương đương với tổng nhiệt khoảng 42 triệu MW (megawatt) là kết quả của việc sinh nhiệt bên trong Trái đất.  Trong đó, tổng lượng nhiệt của Trái đất được ước tính vào khoảng 12,6 x 1024 MJ.

Hiện nay, mặc dù Trái đất sở hữu một lượng năng lượng nhiệt khổng lồ, nhưng chỉ một phần nhỏ trong số đó có thể được khai thác cho các mục đích cụ thể. Các nguồn địa nhiệt ở các khu vực có điều kiện địa chất thuận lợi, chẳng hạn như nước ở dạng lỏng hoặc hơi, để tạo điều kiện truyền nhiệt từ các vùng sâu có nhiệt độ cao đến bề mặt hoặc các khu vực gần bề mặt. Bài  viết  này đưa ra những phân tích về tiềm năng của năng lượng địa nhiệt trên toàn thế giới, các hoạt động và những thách thức để phát triển nguồn năng lượng này.

1. Mô hình nhiệt độ địa nhiệt

Theo các nghiên cứu, nhiệt độ Trái đất sẽ tăng khoảng 25–30°C/km khi đi sâu hơn vào bên trong lõi trái đất. Vì vậy, nhiệt độ lớp vỏ Trái đất ở độ sâu 10 km sẽ cao hơn 300 °C, giả sử trong trường hợp có độ dốc dẫn điện. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu về việc sử dụng địa nhiệt đều  được thực hiện ở độ dốc dẫn điện lớn vì điều này cho phép khoan nhanh hơn và ít tốn kém hơn. Cùng với đó, nhiệt độ lõi Trái đất có thể đạt tới 3500–4500°C, trong khi nhiệt độ ở đáy lớp vỏ lục địa ước tính từ 200 đến 1000°C. Với những điều kiện thực tế như vậy thì dẫn nhiệt đang là phương tiện chính để truyền nhiệt từ bên trong ra bên ngoài. Các kỹ sư sẽ tạo ra một giếng địa nhiệt thường sâu từ 2 đến 3 km.

2. Các loại hình và công dụng của tài nguyên địa nhiệt

Tài nguyên địa nhiệt có thể được tìm thấy ở bất kỳ nơi nào trong lòngTrái đất, từ những nơi có nhiệt độ trung bình hàng năm khoảng 20 cho đến 300 °C. Một số loại tài nguyên có thể được tìm thấy như tài nguyên thủy nhiệt đối lưu, hệ thống hơi nước, đá nóng khô, các trường nhiệt độ cao và thấp,… Trong đó, mỗi loại hình tài nguyên sẽ được tìm thấy hoặc thu thập ở các hình thức khác nhau, tương tự, chúng sẽ tồn tại ở những điều kiện nhiệt độ nhất định. Năng lượng địa nhiệt có thể được sử dụng với nhiều loại hình năng lượng khác nhau, có thể kể đến như việc sản xuất điện, sử dụng trực tiếp năng lượng địa nhiệt, máy bơm địa nhiệt nhiệt,…

     a. Đối với việc sản xuất điện:

Điện được tạo ra bằng cách làm quay máy phát điện tuabin được thiết kế để sản xuất điện bằng hơi nước hoặc hơi hydrocarbon. Trong đó, nguồn tài nguyên hơi nước được sử dụng để tạo ra điện thông qua áp suất của hơi nước.  Đối với phương pháp. Hiện nay, phương pháp sản xuất điện này có hiệu suất tăng đáng kể nhờ việc làm nóng kép. Trong đó, nước thường được ngưng tụ trong tháp làm mát ướt hoặc khô sau khi thoát ra khỏi tuabin để tối ưu hóa chênh lệch nhiệt độ và áp suất giữa hơi đi vào và hơi đi ra và tăng hiệu quả vận hành. Tuy nhiên, các vùng khô cằn thường sử dụng phương pháp làm mát khô. Sự phát triển của các nhà máy điện phân rất quan trọng đối với ngành công nghiệp điện địa nhiệt ngày nay. Chi phí khoan và phát triển tài nguyên tác động đến nền kinh tế của sản xuất điện. Các đặc tính nhiệt động lực học của chất lỏng chứa (pha và nhiệt độ) ảnh hưởng đến sản lượng điện trên mỗi giếng. Theo các nhà nghiên cứu, số lượng giếng cần giảm khi hàm lượng năng lượng của chất lỏng chứa tăng lên, việc này dẫn đến chi phí đầu tư cho hồ chứa cũng sẽ giảm dần. Thông thường, một giếng địa nhiệt có thể sản xuất từ 1 đến 5 MWe. Một số giếng được cho là có thể sản xuất tới 30 MWe. Các nhà máy điện phân lại có thể cung cấp năng lượng giá rẻ mà không cần chi phí bơm.

     b. Sử dụng trực tiếp

Lợi ích chính của việc sử dụng năng lượng địa nhiệt cho các dự án sử dụng trực tiếp năng lượng địa nhiệt, với nhiệt độ từ thấp đến trung bình đó là dễ tiếp cận hơn và có thể được khai thác ở rất nhiều quốc gia trên thế giới. Trong vòng chưa đầy một năm, hầu hết các dự án có thể vận hành hiệu quả . Có thể  áp dụng cho quy mô nhỏ, như dự án nhà ở, nhà kính hoặc ao nuôi trồng thủy sản, hoặc có thể là quy mô thương mại lớn như hệ thống sưởi ấm/làm mát khu vực, sấy thực phẩm, gỗ hoặc nhà kính.

Do nước được thu ở tầng địa nhiệt thường không có oxy, vì vậy việc thực hiện các biện pháp phòng ngừa để giữ oxy ra khỏi hệ thống là rất quan trọng. Hơn nữa, các khí và khoáng chất hòa tan như asen, bo,... phải được loại bỏ hoặc tách riêng vì chúng độc hại đối với cả động vật và thực vật. Tuy nhiên, nước được thu ở tầng địa nhiệt thường chứa carbon dioxide (CO2), nguyên liệu này được thu giữ và sử dụng để làm đồ uống có ga hoặc dùng làm nguyên liệu nhằm tăng tốc độ phát triển của cây trồng trong nhà kính. Máy bơm giếng khoan tuần hoàn, đường truyền phân phối, thiết bị khai thác nhiệt, bộ trao đổi nhiệt, nhà máy đỉnh hoặc dự phòng (thường đốt nhiên liệu hóa thạch) và hệ thống xử lý chất lỏng là một trong những thành phần điển hình của hệ thống sử dụng trực tiếp (giếng phun). Mặc dù năng lượng địa nhiệt chỉ được thiết kế cho 50% tải đỉnh, nhưng nó có thể cung cấp 80–90% nhu cầu sưởi ấm hoặc làm mát hàng năm.

     c. Máy bơm địa nhiệt (GHP)

Máy bơm địa nhiệt sử dụng nhiệt độ không đổi của lớp vỏ Trái đất để cung cấp nước nóng và nước mát cho nhà ở, văn phòng, tòa nhà công cộng và trường học. Máy bơm cần một lượng điện năng đầu vào nhỏ, nhưng năng lượng đầu ra gấp bốn lần lượng điện đầu vào.

3. Các lợi ích của năng lượng địa nhiệt

Các nguồn năng lượng địa nhiệt được các nhà nghiên cứu đánh giá là một trong những tài nguyên năng lượng tiềm năng với những lợi ích như thân thiện với môi trường, có thể tái tạo, tính ổn định và bền vững cao,… Năng lượng địa nhiệt ít gây hại cho môi trường hơn so với các loại nhiên liệu truyền thống như than và các nhiên liệu hóa thạch khác do có lượng khí thải carbon thấp. Theo đánh của các nhà nghiên cứu, Trái đất sẽ tiếp tục nhận được năng lượng từ các nguồn địa nhiệt cho đến khi chúng trong khoảng 5 tỷ năm nữa. Vì các nguồn dự trữ nhiệt của Trái đất được bổ sung một cách tự nhiên nên chúng bền vững và có thể tái tạo. Năng lượng địa nhiệt trái ngược với các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng mặt trời và năng lượng gió, nó cung cấp nguồn năng lượng ổn định.  Tài nguyên này luôn có sẵn, không giống như năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió. Hiện nay, năng lượng địa nhiệt đang được nghiên cứu sâu rộng, điều này có nghĩa là các công nghệ mới đang được phát triển để cải thiện quy trình năng lượng. Các dự án thúc đẩy và mở rộng hoạt động khai thác này đang tăng lên. Một số nhược điểm hiện tại của năng lượng địa nhiệt sẽ được cải thiện nhờ vào tiến trình nhanh chóng này.

4. Tổng kết

Mặc dù năng lượng địa nhiệt có nhiều tiềm năng, tuy nhiên vẫn còn tồn đọng những trở ngại trong việc ứng dụng rộng rãi nguồn tài nguyên này. Những trở ngại này bao gồm chi phí đầu tư cao  cho giai đoạn thăm dò ban đầu,  kèm theo khả năng thất bại cao. Kinh nghiệm trên toàn thế giới chứng minh rằng việc giảm thiểu rủi ro có thể thúc đẩy đầu tư thành công, đặc biệt là trong giai đoạn thăm dò sơ bộ. Năng lượng địa nhiệt phải được mở rộng trên toàn cầu, điều này cần huy động đáng kể các khoản đầu tư của khu vực tư nhân được hỗ trợ bởi các chính sách giảm thiểu rủi ro, chẳng hạn như sử dụng nguồn trợ ưu đãi từ các nguồn lực công, tài chính khí hậu,...

‍