Năng lượng địa nhiệt có tiềm năng to lớn trong việc tạo ra năng lượng sạch, bao gồm cả từ các giếng dầu khí đã qua sử dụng.
Tác giả: Moones Alamooti, The Conversation
Nguồn: Pixabay/CC0 Public Domain
Khi nhu cầu sử dụng năng lượng tăng cao và hành tinh nóng lên, bạn có thể đã mơ về một nguồn năng lượng hoạt động 24/7, dù mưa hay nắng, lặng lẽ cung cấp điện cho nhà ở, các ngành công nghiệp và thậm chí cả thành phố mà không gặp phải những biến động như năng lượng mặt trời hay gió—và ít gây ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu.
Lời hứa về các kỹ thuật kỹ thuật mới cho năng lượng địa nhiệt—nhiệt từ chính Trái Đất—đã thu hút ngày càng nhiều đầu tư vào nguồn năng lượng đáng tin cậy, ít phát thải này, có thể cung cấp điện liên tục ở hầu hết mọi nơi trên hành tinh. Điều này bao gồm các cách khai thác năng lượng địa nhiệt từ các giếng dầu khí đang hoạt động hoặc bị bỏ hoang. Trong quý đầu tiên của năm 2025, các cơ sở địa nhiệt ở Bắc Mỹ đã thu hút 1,7 tỷ đô la Mỹ tiền tài trợ công - so với 2 tỷ đô la Mỹ cho cả năm 2024, đây cũng là một mức tăng đáng kể so với những năm trước, theo phân tích ngành từ công ty tư vấn Wood Mackenzie.
Là một nhà địa vật lý thăm dò và kỹ sư năng lượng, tôi đã nghiên cứu trực tiếp tiềm năng tài nguyên của các hệ thống địa nhiệt và những đánh đổi trong vận hành. Từ những tiến bộ về đầu tư và công nghệ mà tôi đang thấy, tôi tin rằng năng lượng địa nhiệt sẽ trở thành một nguồn đóng góp đáng kể vào cơ cấu năng lượng ở Hoa Kỳ và trên toàn thế giới, đặc biệt là khi được tích hợp với các nguồn năng lượng tái tạo khác.
Một đánh giá vào tháng 5 năm 2025 của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ cho thấy các nguồn địa nhiệt chỉ riêng ở Great Basin, một khu vực bao gồm Nevada và một phần các tiểu bang lân cận, có tiềm năng đáp ứng tới 10% nhu cầu điện của cả nước - và thậm chí còn cao hơn nữa khi công nghệ khai thác năng lượng địa nhiệt ngày càng tiên tiến. Và Cơ quan Năng lượng Quốc tế ước tính rằng đến năm 2050, năng lượng địa nhiệt có thể cung cấp tới 15% nhu cầu điện của thế giới.
Tại sao năng lượng địa nhiệt lại độc đáo
Năng lượng địa nhiệt khai thác nhiệt bên dưới bề mặt Trái đất để tạo ra điện hoặc cung cấp nhiệt trực tiếp. Không giống như năng lượng mặt trời hay gió, năng lượng địa nhiệt không bao giờ ngừng lại. Nó hoạt động suốt ngày đêm, cung cấp nguồn điện ổn định, đáng tin cậy với hệ thống nước vòng kín và ít phát thải.
Địa nhiệt có khả năng cung cấp một lượng năng lượng đáng kể. Ví dụ, dự án Cape Station của Fervo Energy tại Utah được cho là đang trên đà cung cấp 100 megawatt điện địa nhiệt không carbon, phụ tải cơ bản vào năm 2026. Con số này ít hơn lượng điện do một nhà máy điện than trung bình ở Hoa Kỳ tạo ra, nhưng nhiều hơn sản lượng của một nhà máy khí đốt tự nhiên trung bình.
Tuy nhiên, dự án này, ước tính có chi phí 1,1 tỷ đô la, vẫn chưa hoàn thành. Khi hoàn thành vào năm 2028, nhà máy dự kiến sẽ cung cấp 500 megawatt điện. Con số này cao hơn 100 megawatt so với mục tiêu ban đầu mà không cần khoan thêm, nhờ vào nhiều cải tiến kỹ thuật kể từ khi dự án được khởi công.
Và năng lượng địa nhiệt đang trở nên cạnh tranh về mặt kinh tế. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, đến năm 2035, những tiến bộ kỹ thuật có thể đồng nghĩa với việc năng lượng từ các hệ thống địa nhiệt cải tiến có thể có giá thành chỉ 50 đô la Mỹ cho mỗi megawatt giờ, một mức giá cạnh tranh với các nguồn năng lượng tái tạo khác.
Các loại năng lượng địa nhiệt
Có một số cách để khai thác năng lượng từ sâu trong lòng đất.
Các hệ thống thủy nhiệt khai thác nước nóng và hơi nước ngầm để tạo ra điện. Các nguồn tài nguyên này tập trung ở các khu vực có hoạt động địa chất, nơi nhiệt, nước và đá thấm tự nhiên trùng khớp. Tại Hoa Kỳ, đó thường là California, Nevada và Utah. Trên toàn thế giới, hầu hết năng lượng thủy nhiệt nằm ở Iceland và Philippines.
Một số cơ sở thủy nhiệt, chẳng hạn như Larderello ở Ý, đã hoạt động hơn một thế kỷ, chứng minh tính khả thi lâu dài của công nghệ này. Các cơ sở khác ở New Zealand và Hoa Kỳ đã hoạt động từ cuối những năm 1950 và đầu những năm 1960.
Các hệ thống địa nhiệt nâng cao tạo ra hiệu quả các quá trình thủy nhiệt tạo ra điện ở hầu hết mọi nơi trên hành tinh. Ở những nơi không có đủ nước trong lòng đất hoặc đá quá đặc để truyền nhiệt tự nhiên, các hệ thống này khoan các lỗ sâu và bơm chất lỏng vào đá nóng, tạo ra các vết nứt mới và mở các vết nứt hiện có, giống như phương pháp nứt vỡ thủy lực trong khai thác dầu khí.
Một hệ thống như thế này sử dụng nhiều hơn một giếng. Trong một giếng, nước lạnh được bơm xuống, thu thập nhiệt từ đá và sau đó được bơm trở lại qua một giếng khác, nơi nhiệt làm quay tua bin. Trong những năm gần đây, nghiên cứu của các học giả và doanh nghiệp đã cải thiện đáng kể tốc độ khoan và giảm chi phí.
Máy bơm nhiệt mặt đất không cần khoan lỗ sâu như vậy, mà thay vào đó, tận dụng lợi thế nhiệt độ của Trái Đất tương đối ổn định ngay dưới bề mặt, ngay cả khi chỉ cách mặt đất 1,8 đến 2,4 mét - và nhiệt độ sẽ nóng hơn ở độ sâu hàng trăm feet.
Những hệ thống này không tạo ra điện mà lưu thông chất lỏng trong các đường ống ngầm, trao đổi nhiệt với đất, lấy nhiệt từ mặt đất vào mùa đông và truyền nhiệt.
cung cấp hơi ấm cho mặt đất vào mùa hè. Các hệ thống này tương tự nhưng hiệu quả hơn máy bơm nhiệt nguồn không khí, đôi khi được gọi là máy tách nhiệt mini, đang ngày càng phổ biến trên khắp Hoa Kỳ để sưởi ấm và làm mát. Hệ thống máy bơm nhiệt địa nhiệt có thể phục vụ cho các hộ gia đình riêng lẻ, các tòa nhà thương mại và thậm chí cả các khu dân cư hoặc khu kinh doanh.
Các ứng dụng sử dụng trực tiếp cũng không tạo ra điện mà sử dụng trực tiếp nhiệt địa nhiệt. Nông dân sưởi ấm nhà kính và cây trồng khô; các cơ sở nuôi trồng thủy sản duy trì nhiệt độ nước tối ưu; các hoạt động công nghiệp sử dụng nhiệt để khử nước thực phẩm, làm đông cứng bê tông hoặc các quy trình tiêu tốn nhiều năng lượng khác. Trên toàn thế giới, các ứng dụng này hiện cung cấp hơn 100.000 megawatt công suất nhiệt. Một số chất lỏng địa nhiệt chứa các khoáng chất có giá trị; nồng độ lithium trong nước ngầm ở vùng Biển Salton của California có khả năng cung cấp cho các nhà sản xuất pin. Các thẩm phán liên bang đang xem xét một đề xuất để thực hiện điều đó, cũng như các thách thức pháp lý đối với đề xuất này.
Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm ra những cách mới để sử dụng tài nguyên địa nhiệt. Một số đang sử dụng các khối đá ngầm để lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt khi nhu cầu tiêu thụ thấp và sử dụng nó để sản xuất điện khi nhu cầu tăng.
Một số nhà máy điện địa nhiệt có thể điều chỉnh công suất để đáp ứng nhu cầu, thay vì hoạt động liên tục ở công suất tối đa.
Các nguồn địa nhiệt cũng đang giúp các dự án năng lượng tái tạo khác hiệu quả hơn. Việc kết hợp năng lượng địa nhiệt với các nguồn năng lượng mặt trời, gió và lưu trữ pin đang làm tăng độ tin cậy của năng lượng tái tạo trên mặt đất ở Texas, cùng nhiều nơi khác.
Năng lượng địa nhiệt có thể cung cấp năng lượng cho sản xuất hydro sạch cũng như các nỗ lực tiêu tốn nhiều năng lượng để loại bỏ carbon dioxide khỏi khí quyển, như đang diễn ra ở Iceland.
Tiềm năng địa nhiệt tại Hoa Kỳ và trên toàn thế giới
Hiện tại, Hoa Kỳ có khoảng 3,9 gigawatt công suất địa nhiệt đã lắp đặt, chủ yếu ở miền Tây. Con số này tương đương khoảng 0,4% sản lượng năng lượng hiện tại của Hoa Kỳ, nhưng theo đánh giá kỹ thuật của liên bang và quốc tế, lượng năng lượng khả dụng còn lớn hơn nhiều.
Việc chuyển đổi các giếng dầu khí bỏ hoang thành các hệ thống địa nhiệt nâng cao có thể làm tăng đáng kể lượng năng lượng khả dụng và phạm vi địa lý của nó.
Một ví dụ đang diễn ra ở Quận Beaver, phía tây nam Utah. Từng là một cộng đồng nông thôn gặp nhiều khó khăn, nơi đây hiện là nơi đặt nhiều nhà máy địa nhiệt đang được phát triển để chứng minh tiềm năng và cung cấp điện cho khách hàng ở xa tận California.
Các dự án đó bao gồm việc tái sử dụng các giếng dầu hoặc khí đốt nhàn rỗi, một việc tương đối đơn giản: Các kỹ sư xác định các giếng tiếp cận các thành tạo đá nóng sâu và tuần hoàn nước hoặc chất lỏng khác trong một vòng kín để thu nhiệt tạo ra điện hoặc cung cấp nhiệt trực tiếp. Phương pháp này không yêu cầu khoan giếng mới, giúp giảm đáng kể chi phí lắp đặt và gián đoạn môi trường, đồng thời đẩy nhanh quá trình triển khai.
Có tới 4 triệu giếng dầu khí bị bỏ hoang trên khắp Hoa Kỳ, một số trong số đó có thể chuyển đổi từ cơ sở hạ tầng nhiên liệu hóa thạch thành cơ hội cho năng lượng sạch.
Thách thức và đánh đổi
Năng lượng địa nhiệt không phải là không có rào cản về kỹ thuật, môi trường và kinh tế.
Khoan rất tốn kém, và các hệ thống thông thường cần các điều kiện địa chất cụ thể. Các hệ thống nâng cao, sử dụng công nghệ nứt vỡ thủy lực, có nguy cơ gây ra động đất.
Nhìn chung, lượng khí thải từ các hệ thống địa nhiệt thấp, mặc dù các hệ thống này có thể giải phóng hydro sunfua, một loại khí ăn mòn gây độc cho con người và có thể gây kích ứng đường hô hấp. Tuy nhiên, các nhà máy địa nhiệt hiện đại sử dụng hệ thống giảm thiểu có thể thu giữ tới 99,9% hydro sunfua trước khi nó đi vào khí quyển.
Các hệ thống này sử dụng nước, mặc dù các hệ thống vòng kín có thể giảm thiểu mức tiêu thụ.
Việc xây dựng các nhà máy điện địa nhiệt đòi hỏi đầu tư đáng kể, nhưng khả năng cung cấp năng lượng lâu dài của nó có thể bù đắp phần lớn chi phí này. Các dự án như dự án do Fervo Energy thực hiện cho thấy chính phủ không còn cần trợ cấp để một dự án được tài trợ, xây dựng và bắt đầu sản xuất năng lượng.
Bất chấp những thách thức, độ tin cậy, lượng khí thải thấp và khả năng mở rộng của năng lượng địa nhiệt khiến nó trở thành một sự bổ sung thiết yếu cho năng lượng mặt trời và gió—và là nền tảng của một tương lai năng lượng ổn định, ít carbon.
