Các cường quốc đua nhau tìm điện trong lòng đất

Thách thức khai thác nguồn năng lượng đặc biệt

Có một số địa điểm trên thế giới mà năng lượng thực sự sủi bọt lên bề mặt. Ở Iceland, nơi có hơn 200 ngọn núi lửa và hàng chục suối nước nóng tự nhiên, việc khai thác nguồn năng lượng này không khó. Rải rác khắp đất nước là những hồ nước bốc hơi, được làm nóng bởi các đám cháy địa nhiệt cháy ngay bên dưới lớp vỏ. Các luồng nước sôi và hơi nước được phun lên không trung bởi các mạch nước phun.

Nhiệt địa nhiệt gần bề mặt đất, phần còn lại của thế giới sẽ cần phải khoan sâu hơn nhiều.

Iceland hiện sưởi ấm 85% ngôi nhà của mình bằng năng lượng địa nhiệt này, trong khi 25% điện năng của đất nước cũng đến từ các nhà máy điện khai thác nhiệt này từ lòng đất. Đây là một triển vọng hấp dẫn - nguồn cung cấp năng lượng gần như vô hạn đang chờ được khai thác.

Hiện tại chỉ có 32 quốc gia trên thế giới có nhà máy điện địa nhiệt đang hoạt động. Có chưa đến 700 nhà máy điện trên toàn thế giới, tạo ra khoảng 97 Terawatt giờ (TWh) vào năm 2023. Con số này ít hơn một nửa lượng điện do năng lượng mặt trời tạo ra chỉ riêng tại Hoa Kỳ và còn kém xa so với ước tính về tiềm năng đóng góp mà địa nhiệt có thể tạo ra cho hỗn hợp năng lượng toàn cầu. Một số ước tính rằng địa nhiệt có thể đóng góp khoảng 800-1400TWh điện hàng năm vào giữa thế kỷ có thêm 3.300-3.800TWh nhiệt mỗi năm.

"Bản thân Trái đất có tiềm năng giải quyết nhiều rào cản trong quá trình chuyển đổi sang tương lai năng lượng sạch", Amanda Kolker, Giám đốc chương trình địa nhiệt tại Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia (NREL) tại Hoa Kỳ, lập luận khi công bố báo cáo về tiềm năng của năng lượng địa nhiệt vào năm 2023.

Nhưng không phải quốc gia nào cũng may mắn như Iceland, nơi có thể dễ dàng tiếp cận các hồ chứa nước nóng ở nhiệt độ khoảng 120-240 độ C (248-464F) gần bề mặt. Ở những khu vực khác của đất nước, các giếng khoan ở độ sâu lên tới 1,5 dặm (2,5km) cung cấp khả năng tiếp cận nhiệt độ lên tới 350 độ C (662F). Ví dụ, địa điểm địa nhiệt chính của Iceland tại Reykjanes đã khoan các giếng thử nghiệm sâu 2,9 dặm (4,6km) để tiếp cận chất lỏng siêu nóng tới 600 độ C (1112F).

Hiện nay, việc khai thác nhiệt hàng ngày đang diễn ra bằng cách sử dụng các giếng nông hơn, khai thác ở nhiệt độ khoảng 320 độ C (608F) để tạo ra 720 Gigawatt giờ (GWh) điện mỗi năm. Một lý do khiến địa nhiệt không phổ biến hơn là khoản đầu tư ban đầu lớn cần thiết để khai thác năng lượng đó. Nhưng cho đến nay, chúng ta vẫn chưa thể tiếp cận được nguồn năng lượng này về mặt vật lý.

Việc khai thác nhiệt lượng do Trái đất tỏa ra tương đối dễ dàng ở những nơi như Iceland, nơi nhiệt độ gần bề mặt Trái đất. Ảnh Getty Images.

Khoan sâu hơn để tạo năng lượng quy mô lớn hơn

Để các khu vực khác trên thế giới có thể tận hưởng một phần của nguồn năng lượng sạch địa nhiệt này, chúng ta cần phải khoan sâu hơn để đạt được nhiệt độ cần thiết để tạo ra điện hoặc cung cấp hệ thống sưởi ấm quy mô lớn cho các khu dân cư lân cận. Trên khắp hành tinh, nhiệt độ tăng trung bình 25-30 độ C (45-54 độ F) sau mỗi km khoan xuống lớp vỏ Trái đất. Ví dụ, tại Vương quốc Anh, nhiệt độ dưới bề mặt ở độ sâu khoảng 5 km (3 dặm) là khoảng 140 độ C (284 độ F), theo Cục Khảo sát Địa chất Anh. Tuy nhiên, nếu khoan đủ sâu, bạn có thể đạt đến điểm mà nhiệt độ nước vượt quá 374 độ C (705 độ F) ở áp suất trên 220 bar (một bar là áp suất trung bình trên bề mặt Trái đất ở mực nước biển). Đây là nơi nước đi vào trạng thái năng lượng mạnh được gọi là siêu tới hạn, khi nước tồn tại ở dạng không phải chất lỏng hoặc khí. Nước càng nóng và chịu áp suất cao thì năng lượng chứa trong đó càng lớn.

Trên thực tế, theo NREL, một giếng địa nhiệt siêu nóng có thể tạo ra năng lượng gấp 5 đến 10 lần so với các giếng địa nhiệt thương mại hiện nay. Tuy nhiên, một rào cản lớn là các máy khoan quay thông thường ngay cả những máy mũi kim cương đều không đủ khả năng để khoan đến độ sâu cần thiết để tiếp cận nhiệt độ như vậy. Trong thế giới ngầm bí ẩn sâu thẳm của địa chất không chắc chắn, nhiệt độ khắc nghiệt và áp suất lớn, các bộ phận khoan có thể thường xuyên hỏng hóc, trong khi việc giữ cho các lỗ không bị tắc nghẽn là một cuộc chiến liên tục.

Ví dụ, vào năm 2009, một nhóm làm việc trong Dự án khoan sâu Iceland đã vô tình khai thác các điều kiện siêu tới hạn khi khoan vào một khoang magma tại núi lửa Krafla, cách bề mặt khoảng 1,2 dặm (2km). Hơi nước siêu nóng thoát ra từ giếng này có tính axit cao, khiến việc sử dụng trở nên khó khăn. Áp suất và nhiệt độ cao cũng khiến việc kiểm soát trở nên khó khăn và phải xả khí liên tục trong khoảng hai năm trước khi van bị hỏng buộc phải bịt kín lỗ khoan. Khoan sâu cũng có thể là một nỗ lực tốn kém và mất nhiều thời gian.

Tuy nhiên, hố sâu nhất mà con người từng khoan có từ thời Chiến tranh Lạnh, khi có một cuộc chạy đua giữa các siêu cường để khoan sâu nhất có thể vào lớp vỏ Trái đất. Liên Xô đã xoay xở để khoan được 7,6 dặm (12,2 km) vào đá - tạo ra Hố khoan siêu sâu Kola, trên Bán đảo Kola, Vòng Bắc Cực. Họ mất gần 20 năm để đạt đến độ sâu đó và đây vẫn là hố khoan sâu nhất mà con người từng khoan được vào Trái đất.

NREL ước tính rằng chi phí khoan một giếng sâu 1 km là khoảng 2 triệu đô la (1,57 triệu bảng Anh) trong khi khoan sâu gấp bốn lần độ sâu đó có thể tốn từ 6 triệu đến 10 triệu đô la với công nghệ hiện tại. Độ sâu này sẽ cho phép tiếp cận gần như toàn cầu với năng lượng địa nhiệt Igor Kocis. Tuy nhiên, năng lượng địa nhiệt sâu có thể tiết kiệm chi phí đáng kể khi so sánh với năng lượng địa nhiệt thông thường, do nhiệt độ và áp suất cao hơn có thể tiếp cận sâu hơn vào lớp vỏ Trái đất. Một số nghiên cứu cho thấy năng lượng địa nhiệt sâu có thể cung cấp nhiệt cho cộng đồng với chi phí tương tự như các hình thức sưởi ấm khác, chẳng hạn như sử dụng khí đốt, nhưng ít phát thải khí nhà kính hơn.

Năng lượng hướng sóng milimet đã được chứng minh trong phòng thí nghiệm có khả năng khoan xuyên qua đá rắn. Ảnh: Quaise Energy.

Công nghệ khoan tan chảy đá

Với suy nghĩ này, một số nhà nghiên cứu và công ty tiên phong đang chuyển sang các loại máy khoan và kỹ thuật khoan mới để khoan một số lỗ sâu nhất từng được tạo ra với hy vọng mang năng lượng địa nhiệt đến những nơi trên thế giới mà chưa bao giờ nghĩ là có thể. Ví dụ, Quaise Energy, một công ty tách ra từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Mỹ đang hướng đến mục tiêu khoan các lỗ sâu tới 12 dặm (20km) để tiếp cận nhiệt độ 500 độ C (932F) trở lên. Để làm được như vậy, họ đang chuyển sang một công cụ dựa trên nhiều năm nghiên cứu về năng lượng nhiệt hạch hạt nhân. "Trong khi những người khác đang khoan đất, chúng tôi đang lần đầu tiên đưa vi sóng vào lòng đất", đồng sáng lập công ty Matt Houde cho biết.

Ông và các đồng nghiệp đang thử nghiệm các chùm năng lượng định hướng bằng sóng milimét có thể làm bốc hơi ngay cả loại đá cứng nhất. Thiết bị tập trung chùm bức xạ công suất cao tương tự như vi sóng nhưng ở tần số cao hơn vào một đoạn đá, làm nóng nó lên tới 3.000 độ C (5.432F) để nguyên liệu tan chảy và bốc hơi. Bằng cách định hướng chùm tia để mũi khoan qua đá, có thể tạo ra các lỗ mà không có mảnh vụn và ma sát do các kỹ thuật khoan truyền thống tạo ra.

Công nghệ này phát triển từ các thí nghiệm plasma tổng hợp hạt nhân do Paul Woskov, một kỹ sư tại Trung tâm Khoa học Plasma và Tổng hợp của MIT thực hiện. Nhưng cho đến nay, công nghệ này chỉ được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, khoan các lỗ nông trên các mẫu đá tương đối nhỏ, nhưng công ty tuyên bố rằng họ có thể khoan qua đá với tốc độ khoảng 3,5m (11,5ft) một giờ. Mặc dù tốc độ này chậm hơn so với các kỹ thuật khoan truyền thống, nhưng vẫn có những lợi ích khác vì "mũi khoan" không mài mòn vật lý qua đá, nó sẽ không bị mòn hoặc cần thay thế. Quaise Energy hiện đang ở giai đoạn cuối cùng của quá trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm về công nghệ sóng milimét trước khi bắt đầu thử nghiệm thực địa vào đầu năm 2025.

Trong khi đó, GA Drilling có trụ sở tại Slovakia đang khám phá một công nghệ khoan năng lượng cao khác để khoan vào lớp vỏ Trái đất. Công ty này đang sử dụng máy khoan plasma xung, dựa trên các lần phóng điện năng lượng cao rất ngắn làm phân hủy đá mà không khiến đá tan chảy. Điều này tránh tạo ra bất kỳ loại đá nóng chảy nhớt nào, có thể khó loại bỏ và có thể ngăn mũi khoan thâm nhập sâu hơn. Igor Kocis, Giám đốc điều hành kiêm chủ tịch của GA Drilling cho biết: "Vì quá trình này diễn ra rất nhanh với các cú sốc ngắn làm vỡ vụn đá nên không có thời gian để hình thành sự tan chảy - do đó, nhu cầu kéo lên và thay thế mũi khoan giảm đáng kể". "Năm đến tám kilômét (3-5 dặm) là mục tiêu cho chương trình phát triển hiện tại của chúng tôi - và sau đó là 10km trở lên", ông nói thêm.

Dự án khoan sâu của Iceland ở Reykjanes, Iceland, đã khoan các giếng sâu tới 2,9 dặm (4,6km). Ảnh Getty Images.

Nghiên cứu về máy khoan plasma xung - sử dụng các xung năng lượng rất ngắn để phân hủy đá bằng khí ion hóa nóng tới 6.000 độ C (10.832F) - là một hướng đi khác đang được một tập đoàn châu Âu do nhóm Năng lượng địa nhiệt và chất lỏng địa nhiệt (GEG) đứng đầu, cùng với các đối tác ở Đức và Thụy Sĩ khám phá. GA Drilling cũng đã hợp tác với Konstantina Vogiatzaki, Phó giáo sư khoa học kỹ thuật tại Đại học Oxford, Anh để điều chỉnh toán học tiên tiến nhằm tìm hiểu cách kiểm soát chất lỏng siêu tới hạn khi khai thác các nguồn năng lượng sâu trong lòng đất thông qua khoan plasma.

Những người khác đang tìm kiếm bên ngoài hành tinh của chúng ta để tìm cách giúp chúng ta khoan sâu vào đó. Công nghệ được phát triển cho các sứ mệnh thám hiểm hành tinh trên bề mặt siêu nóng của sao Kim, nơi nhiệt độ có thể lên tới 475 độ C (887F), đang được các công ty khoan địa nhiệt áp dụng. Ozark Integrated Circuits - một nhà sản xuất thiết bị điện tử có trụ sở tại Fayetteville, Arkansas, Mỹ - đã điều chỉnh các mạch có khả năng chịu được nhiệt độ khắc nghiệt có thể được sử dụng trên các giàn khoan địa nhiệt sâu trong lòng Trái Đất.

Về phần mình, NREL đã chuyển sang trí tuệ nhân tạo (AI) để phân tích các môi trường ngầm phức tạp nhằm tìm ra những nơi tốt nhất để khoan nước siêu tới hạn, cũng như giúp dự đoán và phát hiện lỗi bằng máy khoan trước khi chúng gây ra các vấn đề lớn. Và một số công ty đã thâm nhập vào sâu trong lòng đất. Công ty địa nhiệt Eavor tiết lộ rằng vào năm 2024, họ đã đạt đến độ sâu ba dặm (5km) với hai giếng thẳng đứng tại một địa điểm ở Gerestried, Bavaria, Đức. Công nghệ đang hướng đến mục tiêu khoan sâu tới 11km (6,8 dặm) trong tương lai".

Long Nguyễn