Đẩy nhanh quá trình khử cacbon bằng địa nhiệt thế hệ tiếp theo
Với những cách tiếp cận mới và những tiến bộ công nghệ, các giếng địa nhiệt có thể trở thành một nguồn năng lượng quan trọng với giá cả phải chăng, bền vững và đáng tin cậy.
Trong khi loài người đã sử dụng suối nước nóng cho các mục đích tâm linh và y học trong hàng nghìn năm, thì các giếng địa nhiệt hiện đại đã tạo ra điện và nhiệt từ năng lượng có trong vỏ trái đất chỉ từ đầu thế kỷ trước. Để cải thiện tính kinh tế của chúng, hầu hết các giếng này đã được xây dựng ở vùng lân cận của các điểm nóng, vùng hút chìm và lớp vỏ mỏng nơi nhiệt độ dưới bề mặt cao. Các khu vực có tiềm năng địa nhiệt cách xa các đặc điểm này và do đó ít kinh tế hơn nên phần lớn đã bị bỏ qua—làm hạn chế vai trò của địa nhiệt như một nguồn năng lượng dồi dào, có thể tái tạo và đáng tin cậy.
Điều đó có vẻ được thiết lập để thay đổi. Nhiều yếu tố đã sẵn sàng để cách mạng hóa lĩnh vực này bằng cách làm cho các giếng địa nhiệt trở nên khả thi trên các khu vực rộng lớn hơn nhiều trên toàn cầu. Bao gồm các:
Các phương pháp phát triển mới cho phép tạo ra năng lượng điện sử dụng hơi nước ở áp suất và nhiệt độ thấp hơn (được gọi là điều kiện “entanpy thấp”). (Xem Phụ lục 1.)
Mối quan tâm mới đến các khoáng chất có trong giếng địa nhiệt.
Sử dụng năng lượng địa nhiệt để sưởi ấm công nghiệp và khu vực.
Những lực lượng này cũng có thể tạo ra một thị trường địa nhiệt lớn hơn nhiều và biến năng lượng địa nhiệt thành động lực quan trọng của quá trình khử cacbon trên toàn thế giới.
Những tiến bộ kỹ thuật đang thúc đẩy lĩnh vực địa nhiệt đến bờ vực mở rộng lớn. Nhiều động lực sẵn sàng biến đổi năng lượng địa nhiệt vẫn còn non trẻ hoặc đang trong giai đoạn phát triển. Tuy nhiên, chúng tôi hy vọng tốc độ thay đổi sẽ tăng nhanh, tạo ra vô số cơ hội cho người chơi. Các công ty sẽ cần phải di chuyển sớm và quyết định cách họ muốn chơi trong không gian này nếu họ muốn tận dụng tối đa những cơ hội này. Họ sẽ cần hợp tác chặt chẽ với các nhà hoạch định chính sách để đảm bảo rằng tiềm năng địa nhiệt của một quốc gia được tận dụng để đạt được các mục tiêu về an ninh năng lượng và khử cacbon.
Cơ hội thị trường trong địa nhiệt
Cho đến nay, đầu tư vào địa nhiệt chủ yếu tập trung vào Iceland, Thổ Nhĩ Kỳ, phía đông châu Phi, các quốc gia và khu vực nằm dọc theo Vành đai lửa - một vành đai hình móng ngựa ở Thái Bình Dương được đặc trưng bởi hoạt động núi lửa bao gồm một phần của Indonesia, Thái Bình Dương. Phi-líp-pin và Mỹ. Các giếng địa nhiệt ở những khu vực này thường được đánh giá là “entanpy cao” vì đặc tính nhiệt động mạnh mẽ của chúng, với nhiệt độ trung bình dưới bề mặt vượt quá 180oC ở độ sâu khả thi về mặt kinh tế.
Do những đặc điểm này, các giếng có entanpy cao có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn và sử dụng các công nghệ khai thác năng lượng rẻ hơn so với các giếng ở khu vực có entanpy thấp (có chênh lệch nhiệt độ dưới bề mặt ít thuận lợi hơn và do đó mát hơn), do đó mang lại lợi nhuận cao hơn cho sự đầu tư. Ngoài ra, điện được tạo ra từ các nguồn có entanpy cao thường rẻ hơn khoảng 50% so với điện từ các giếng có entanpy thấp.
Dựa trên các dự báo hiện tại của ngành, công suất địa nhiệt lắp đặt tích lũy có khả năng đạt 18 gigawatt (GW) điện năng trên toàn thế giới vào năm 2025, tăng từ 15,7 GW vào năm 2020. Hầu hết các giếng bổ sung cần thiết để đạt được con số này có thể sẽ là nằm ở những khu vực có entanpy cao như Indonesia. Chúng tôi ước tính rằng khối lượng công suất phát điện này sẽ tương đương với thị trường toàn cầu về thiết bị và dịch vụ trị giá khoảng 7 tỷ USD.
Tổng tài nguyên địa nhiệt của thế giới được ước tính là 600 GW công suất phát điện—và nếu được phát triển bằng các phương pháp hiện có, giá trị thị trường có thể vượt quá 100 tỷ USD.
Những dự báo này là khiêm tốn khi so sánh với những dự đoán về tổng tài nguyên địa nhiệt, ước tính khoảng 600 GW công suất phát điện. Nếu tất cả các nguồn địa nhiệt của thế giới được phát triển—giả sử việc sử dụng các công nghệ khoan hiện có và độ sâu điển hình của giếng không quá hai đến ba km—thị trường có thể trị giá hơn 100 tỷ USD. Do hai phần ba trữ lượng này nằm ở các khu vực có entanpy thấp nên kịch bản này sẽ phụ thuộc vào việc các giếng có entanpy thấp trở nên hấp dẫn hơn về mặt thương mại cũng như cam kết toàn cầu to lớn để phát triển tiềm năng địa nhiệt của thế giới.
Hơn nữa, nếu những tiến bộ trong công nghệ khoan cho phép thăm dò ở áp suất và nhiệt độ cao hơn, cho phép các nhà phát triển khoan sâu hơn nữa bên dưới bề mặt, thì cả quy mô thị trường và công suất địa nhiệt có thể còn lớn hơn nữa. Thật vậy, với lượng nhiệt gần như vô hạn chứa trong trái đất, về mặt lý thuyết, địa nhiệt có thể cung cấp gấp nhiều lần mức tiêu thụ năng lượng của toàn nhân loại.
Tiềm năng khử cacbon của địa nhiệt
Địa nhiệt entanpy thấp cũng có thể đóng một vai trò quan trọng trong quá trình khử cacbon của các hệ thống năng lượng toàn cầu, với điều kiện là nó có thể khả thi về mặt thương mại ở nhiều địa điểm hơn. 600 GW tài nguyên địa nhiệt ước tính trên toàn cầu gần như tương đương với một phần ba toàn cầu hiện nay công suất đốt than ngày nay.
Theo các mô hình của chúng tôi, địa nhiệt entanpy thấp có thể đã cạnh tranh về chi phí với nhiên liệu hóa thạch và năng lượng tái tạo như một nguồn phát điện ở một số khu vực. (Xem Phụ lục 2.) Đánh giá này phụ thuộc vào các công ty sử dụng các địa điểm mỏ nâu để xây dựng các giếng địa nhiệt, một phương pháp vẫn đang được thử nghiệm. (Xem “Làm thế nào các trang web Brownfield có thể cắt giảm chi phí phát triển.”)
CÁC MỎ BROWNFIELD CÓ THỂ CẮT GIẢM CHI PHÍ PHÁT TRIỂN NHƯ THẾ NÀO
Chúng tôi dự đoán rằng việc sản xuất điện năng lượng entanpy thấp từ mỏ xanh cũng có thể trở nên cạnh tranh về chi phí với các nguồn năng lượng thông thường một khi giá carbon trong khu vực—một động lực tăng trưởng quan trọng của phát triển địa nhiệt—vượt quá $50 cho mỗi tấn CO2 tương đương. Giá carbon ở EU và New Zealand đã vượt qua ngưỡng này, trong khi giá carbon ở California và Quebec đang bắt đầu tiệm cận ngưỡng đó.
Một ưu điểm chính của năng lượng địa nhiệt là độ tin cậy của nó, có nghĩa là không giống như gió hay mặt trời, nó có thể đóng vai trò là máy phát điện phụ tải cơ bản. Đây cũng là một giải pháp hiệu quả cho các chính phủ quan tâm đến an ninh năng lượng, vì nó không yêu cầu nhập khẩu nhiên liệu. Do đó, vì nó cung cấp năng lượng xanh, sạch nên các quốc gia có thể lựa chọn xây dựng công suất địa nhiệt có entanpy thấp để bổ sung cho danh mục năng lượng tái tạo đa dạng của họ. Ví dụ, Singapore đã khám phá việc sử dụng địa nhiệt để khử cacbon trong hỗn hợp sản xuất điện của mình.
Do có cấu hình chi phí tốt hơn, chúng tôi kỳ vọng địa nhiệt có entanpy thấp sẽ là giải pháp thay thế đặc biệt cạnh tranh cho các công nghệ tiên phong—chẳng hạn như nhà máy chạy bằng hydro xanh và khí tự nhiên có thu hồi, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS)—đối với nguồn điện phụ tải cơ bản. Chi phí năng lượng quy dẫn (LCOE) đối với địa nhiệt có entanpy thấp trong môi trường xanh có thể đạt tới 100 USD mỗi megawatt giờ (MWh), trong khi LCOE của các nhà máy chạy bằng khí hydro hoặc khí tự nhiên xanh với CCUS có thể vượt quá 150 USD mỗi MWh. Cần có sự kết hợp của các công nghệ này để đạt được các hệ thống năng lượng không có mạng trên toàn thế giới khi khả năng xây dựng các trang trại năng lượng mặt trời và gió của các quốc gia đã đạt đến giới hạn.
Động lực tăng trưởng chính
Chúng tôi tin rằng có hai yếu tố có khả năng cải thiện sức hấp dẫn của địa nhiệt entanpy thấp.
Những đổi mới công nghệ mới nổi. Một số công nghệ sắp ra mắt có thể mở rộng phạm vi tiếp cận của năng lượng địa nhiệt, chẳng hạn như Hệ thống Địa nhiệt Tiên tiến (AGS), Hệ thống Địa nhiệt Nâng cao (EGS), địa nhiệt siêu sâu và khoan plasma. AGS, đang được phát triển bởi các công ty như Eavor, sử dụng hệ thống vòng kín, làm cho nó phù hợp với các địa điểm không có đủ chất lỏng địa nhiệt tự nhiên hoặc các đặc điểm địa chất nhất định. Tương tự như vậy, EGS hoạt động bằng cách bẻ gãy đá hồ chứa để kích hoạt dòng chảy dẫn điện của chất lỏng địa nhiệt. Khai thác địa nhiệt cực sâu vào nhiệt độ địa nhiệt cao hơn đáng kể bằng cách khoan sâu bên dưới bề mặt (ví dụ: Quaise Energy đang nhắm mục tiêu đến độ sâu 20 km). Điều này có thể đạt được thông qua các công nghệ mới nổi như khoan sóng milimet hoặc khoan plasma, cho phép các công ty cắt giảm chi phí khoan bằng cách loại bỏ nhu cầu về mũi khoan và do đó giảm hao mòn tốn kém.
Các cam kết khử cacbon từ các quốc gia và công ty sẽ thúc đẩy nhu cầu về các nguồn năng lượng phụ tải cơ bản sạch—một lĩnh vực mà địa nhiệt đóng vai trò chính.
Cam kết khử cacbon và chính sách môi trường. Việc các chính phủ ngày càng áp dụng định giá carbon đang hỗ trợ quá trình chuyển đổi từ bỏ nhiên liệu hóa thạch bằng cách tạo ra các nguồn năng lượng xanh, bao gồm cả địa nhiệt, cạnh tranh với nguồn năng lượng truyền thống. Đồng thời, số lượng các công cụ chính sách quốc gia và đa khu vực tài phán nhắm mục tiêu cụ thể đến năng lượng địa nhiệt đang tăng lên. Những công cụ này bao gồm:
Biểu giá điện đầu vào mới (cung cấp mức giá đảm bảo cho các máy phát điện do họ sản xuất) giúp địa nhiệt trở thành giải pháp thay thế cạnh tranh về chi phí cho năng lượng mặt trời và gió trên bờ.
Quy trình cấp phép nhanh hơn cho các dự án địa nhiệt.
Tăng kinh phí R&D cho các phi công triển vọng.
Đồng thời, các cam kết khử cacbon từ các quốc gia và công ty sẽ thúc đẩy nhu cầu về các nguồn năng lượng tải cơ bản sạch, một lĩnh vực mà năng lượng địa nhiệt (điện và nhiệt) đóng vai trò chính.
Đổi mới mô hình kinh doanh bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận đa dịch vụ
Do nhu cầu toàn cầu ngày càng tăng đối với cả năng lượng xanh và khoáng sản quý hiếm, các công ty hiểu biết đang bắt đầu thực hiện phương pháp tiếp cận “đa dịch vụ” để phát triển địa nhiệt khai thác tất cả các nguồn tài nguyên có trong một chất lỏng địa nhiệt nhất định.
Với phương pháp này, nước muối ở nhiệt độ cao từ giếng được chuyển thành hơi nước để tạo ra điện bằng cách chạy tua-bin. Trong quá trình này, nước muối nguội đi nhưng vẫn còn khá nóng. Sau đó, nước muối được sử dụng để tạo ra nhiệt và hơi nước cho các ứng dụng có yêu cầu nhiệt độ thấp hơn, chẳng hạn như hệ thống sưởi ấm khu vực, bể tắm nước nóng và sấy khô gỗ và rau quả—với điều kiện là các hoạt động này nằm trong bán kính 10 km tính từ giếng. Cuối cùng, khi nước muối tương đối nguội, các khoáng chất như lithium có thể được chiết xuất. (Xem hình
3.)
Khai thác lithium và silicon từ các giếng địa nhiệt theo truyền thống đã bị bỏ qua do chi phí khai thác cao. Nhưng giá tăng chóng mặt của những khoáng sản này đang thay đổi điều đó. Giá của lithium, một thành phần quan trọng trong pin xe điện, đã tăng gấp đôi lên 75.000 USD/tấn trong quý đầu tiên của năm 2022. Silicon, được sử dụng trong dược phẩm và chất bán dẫn, cũng đã tăng mạnh về giá trị.1
Giá khoáng sản cao này đang biến việc khai thác khoáng sản từ chất lỏng địa nhiệt thành một giải pháp thay thế khả thi cho phương pháp khai thác cát và đá cứng rẻ hơn nhưng gây hại cho môi trường hơn. Họ cũng đang tạo ra cơ hội doanh thu mới cho các nhà phát triển địa nhiệt. Tuy nhiên, nồng độ đủ cao của các khoáng chất này thường được yêu cầu để làm cho việc khai thác trở nên đáng giá.
Các nhà phát triển đã cải thiện lợi nhuận của dự án bằng cách kết hợp sản xuất điện với khai thác khoáng sản. Ví dụ, các ước tính của BCG cho thấy rằng, bằng cách này, các công ty địa nhiệt gần Biển Salton nội địa của California có thể tăng lợi nhuận dự án lên tới 10 điểm phần trăm. Điều quan trọng là chúng tôi tin rằng cách tiếp cận đa dịch vụ có thể tăng số lượng luồng doanh thu từ chất lỏng giàu khoáng chất, có entanpy thấp, để các giếng trở nên khả thi về mặt thương mại.
Các trường hợp sử dụng và mô hình kinh doanh địa nhiệt có thể sẽ tăng lên thông qua các ứng dụng mới dựa trên các chính sách và công nghệ hỗ trợ.
Các trường hợp sử dụng địa nhiệt và mô hình kinh doanh có khả năng tăng lên khi các doanh nhân xác định các ứng dụng mới do kích hoạt các công nghệ và chính sách. Trong tương lai, khi các nhà phát triển tìm cách tạo thêm doanh thu và cắt giảm chi phí, các giếng địa nhiệt có thể được sử dụng để sản xuất hydro xanh hoặc để hỗ trợ CCUS. Về lý thuyết, hydro xanh có thể được tạo ra bằng năng lượng địa nhiệt hiệu quả hơn so với năng lượng gió hoặc mặt trời vì áp suất bên trong giếng cho phép tạo ra nhiều hydro hơn với cùng một lượng năng lượng. Công ty khởi nghiệp GreenFire Energy của Hoa Kỳ hiện đang thử nghiệm công nghệ cho phép khả năng này. Tương tự, Chevron và Pertamina của Indonesia đang khám phá kết hợp các giếng hấp thụ carbon và địa nhiệt với mục đích giảm chi phí khoan và tạo ra các nguồn doanh thu tiềm năng mới.
Một cảnh quan mới
Các khả năng mới nổi về địa nhiệt có entanpy thấp được kích hoạt bởi những tiến bộ công nghệ và mô hình kinh doanh đa dịch vụ sẽ mở ra cơ hội cho những người chơi mới và thưởng cho những người đương nhiệm có khả năng thích ứng với môi trường thay đổi. Trong tương lai, chúng tôi mong đợi một loạt người chơi tham gia vào lĩnh vực này, bao gồm:
Các công ty dầu khí đang tìm cách tối đa hóa việc sử dụng các mỏ hydrocarbon cạn kiệt.
Các nhà đầu tư và công ty mới thành lập mua lại các mỏ dầu khí cũ hoặc các khu vực có tiềm năng địa nhiệt để họ có thể khai thác chúng bằng cách sử dụng các phương pháp phát triển mới.
Những người chơi công nghệ tạo ra các giải pháp mới, chẳng hạn như phương pháp khoan sâu hơn, thúc đẩy tăng trưởng của ngành.
Các công ty địa nhiệt sử dụng phương pháp tiếp cận đa dịch vụ để làm cho các giếng có entanpy thấp trở nên khả thi hơn về mặt thương mại và mở rộng danh mục đầu tư của họ.
Các công ty điện lực đa dạng hóa đội máy phát điện của họ để bao gồm các giếng địa nhiệt.
Các chính phủ sử dụng các biện pháp khuyến khích theo quy định và cho phép hợp lý hóa để khởi động hoặc hỗ trợ các khoản đầu tư địa nhiệt.
Các nhà phát triển và vận hành hệ thống năng lượng lai có thể gửi đi (kết hợp địa nhiệt với các nguồn năng lượng tái tạo khác), các cơ sở thu giữ không khí trực tiếp (sử dụng địa nhiệt để giảm chi phí thu giữ) và các giải pháp sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí cho khu dân cư và thương mại (sử dụng địa nhiệt để sưởi ấm và để giảm dấu chân khí nhà kính của các tòa nhà).
Trong bối cảnh này, những người chơi hình thành liên minh với những người khác, đảm bảo họ có nhiều khả năng và có thể hành động nhanh chóng khi đấu thầu các dự án, có thể có vị trí thuận lợi để đạt được lợi thế cạnh tranh. Ví dụ, các công ty dầu khí có thể hợp tác với các nhà phát triển địa nhiệt. Đổi lại việc chia sẻ bí quyết khoan của họ, các công ty khai thác dầu khí sẽ có quyền tiếp cận kiến thức chuyên môn về thị trường điện của các nhà phát triển. Các công ty tiện ích và công nghệ cũng có thể được đưa vào liên minh vì vai trò của họ là bên bao tiêu chính hoặc nhà cung cấp công nghệ chủ chốt.
Địa nhiệt có tiềm năng rất lớn. Với đầu tư lớn hơn, tiến bộ công nghệ và nhiều chính sách hỗ trợ hơn, nó hứa hẹn sẽ là một nguồn năng lượng hợp lý. Nó cũng bền vững và cung cấp nguồn cung cấp năng lượng an toàn và đáng tin cậy. Do đó, địa nhiệt có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc giải quyết bộ ba bất khả thi về năng lượng toàn cầu.
Tuy nhiên, việc khai thác tiềm năng của địa nhiệt không nhất thiết phải đơn giản hoặc dễ dàng đối với các công ty—đặc biệt là khi các kế hoạch của họ liên quan đến các công nghệ hàng đầu hoặc nhiều dịch vụ. Các công ty nên bắt đầu bằng cách đánh giá khả năng hiện tại của họ, quyết định những dịch vụ địa nhiệt mới nào họ có thể cung cấp và hiểu các trình điều khiển cần thiết để khai thác các nguồn doanh thu này.
Một khi họ đã làm được điều đó, họ sẽ cần có được hoặc đưa ra những người hỗ trợ chính để đạt được mục tiêu của mình. Đây là những khả năng
bao gồm một mô hình hoạt động phù hợp và các khả năng hỗ trợ mô hình kinh doanh dự định của họ, một hệ sinh thái hiệu quả gồm những người tham gia bổ sung cho mô hình kinh doanh đó dọc theo chuỗi giá trị, khả năng tiếp cận tài chính và công nghệ phù hợp, cũng như các quy định hỗ trợ và quy trình cấp phép.
Với những người hỗ trợ này, người chơi — và chính phủ — sẽ có vị trí tốt để nắm bắt những lợi ích đáng kể do địa nhiệt mang lại.
