Đây là nguồn năng lượng dồi dào tới mức chỉ 2% cũng đủ cung cấp cho 2.000 nước Mỹ

Giữa vùng hoang mạc Nam California, Jason Czapla đang tản bộ trong lòng hồ cạn nước. Mặt đất óng ánh theo mỗi bước chân anh, khi mà bùn núi lửa nóng đùn ra từ những kẽ nứt. Biển Salton lấp lánh đằng xa, như chùm đèn báo hiệu nhiệt độ đã sắp sửa chạm ngưỡng 41°C.

Cái nóng tạo cảm giác vùng đất miền Nam này sắp bừng lửa dưới ánh nắng chói lòa. Nhưng với Czapla, một cựu kỹ sư dầu mỏ, thì nắng to lại làm những tia hy vọng sáng rõ hơn bao giờ hết.

Czapla đang nắm quyền điều hành những dự án nằm trong khuôn viên rộng gần 30km² do tổ chức Kiểm soát Tài nguyên Nhiệt (CTR) làm chủ sở hữu. Với đại đa số chúng ta, đây là miền hoang mạc trải khuất tầm mắt, nằm kế bên biển hồ nước mặn khổng lồ. Với một kỹ sư địa nhiệt, đây là thiên đường chắp cánh những ước mơ trong tầm tay.

Sâu 2km dưới bề mặt hoang mạc, hiện hữu một lòng chảo giàu khoáng sản chứa đầy nước nóng tới 390°C. Biển nước muối Salton rút dần khỏi nơi đây, để lộ ra những cơ hội mà một chuyên gia năng lượng không thể bỏ qua: từ cái lòng chảo ngầm kia, một lượng năng lượng lớn cùng những cơ hội làm kinh tế béo bở bốc lên nghi ngút. Nếu bang California chấp thuận lời thỉnh cầu, CTR có thể thực hiện dự án Năng lượng và Khai thác Lithium Hell’s Kitchen vào năm 2023; “Gian bếp Địa ngục” sẽ trở thành nhà máy năng lượng địa nhiệt mới đầu tiên của Mỹ trong vòng gần một thập kỷ qua.

Xét tới tiềm năng lớn của điện lấy từ địa nhiệt, đây sẽ chẳng thể là dự án cuối cùng. Bên bờ biển Salton, ta thấy thấp thoáng bóng dáng của 10 nhà máy địa nhiệt - đa số chúng được xây vào thập niên 80. Nhưng những yếu tố địa lý, chính trị và cả nhu cầu năng lượng ngày một cao sẽ khiến Hell’s Kitchen và những dự án tương tự đâm hoa kết trái.

Suốt thập niên qua, California rót hàng tỷ USD tiền vốn vào nghiên cứu giải pháp sản xuất năng lượng tái tạo. Các dự án năng lượng mặt trời và năng lượng gió phát triển vượt mong đợi, thế mà người ta lại bỏ quên năng lượng địa nhiệt. Ngày nay, gió và ánh nắng Mặt Trời cung cấp hơn 86% lượng điện tái tạo cho California. Mới chỉ hai thập kỷ trước, năng lượng địa nhiệt đóng góp một con số tương tự.

Trong giai đoạn biến đổi khí hậu phức tạp, địa nhiệt - thứ năng lượng tái tạo bị lãng quên - thấy cho mình cơ hội thứ hai.

Nằm ngay tại lõi sắt của Trái Đất là một lò phản ứng hạt nhân tự nhiên. Do hoạt động phân rã hạt nhân còn sót lại từ ngày Trái Đất mới hình thành, các nhà khoa học cho rằng lõi Trái Đất còn nóng hơn cả bề mặt Mặt Trời. Theo thời gian, nhiệt lượng len lỏi ra rìa hành tinh, đá magma tiếp cận bề mặt Trái Đất và mang theo nhiệt lượng khổng lồ.

Tất cả những nhận định trên tới từ giả định của chuyên gia; chúng ta mới chỉ đào sâu được tới 12 kilomet , nhưng với sự trợ giúp của công nghệ LIDAR đang ngày một tiên tiến hơn, ta đang dần nhận ra cấu trúc lòng đất nằm dưới chân mỗi người.

Theo ước tính được Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đưa ra hồi 2006, lượng năng lượng có thể khai thác được bên dưới Bắc Mỹ là 200.000 exajoule, tức là 2% của con số này có thể thỏa mãn nhu cầu sử dụng điện của 2.000 nước Mỹ. Dự án này hoàn toàn khả thi mà không cần đột phá trong công nghệ khoan sâu. Đây là một mỏ năng lượng nằm hớ hênh cho bất cứ ai có khả năng tận dụng.

Đó cũng là suy nghĩ của những nhà đầu tư vào cái ngày ngành công nghiệp địa nhiệt bắt đầu vươn lên từ lòng đất. Năm 1960, nhà máy địa nhiệt thương mại đầu tiên được xây dựng tại miền bắc California. Hệ thống turbine 11-megawatt vận hành bằng hơi nước từ những khe địa nhiệt tự nhiên trở thành bước đầu cho cuộc cách mạng, chẳng mấy lâu sau người ta xây dựng thêm nhà máy tại Hawaii, Utah, Nevada và bên bờ biển Salton của California, nơi nhiệt độ tỏa lên từ lòng đất có thể chạm ngưỡng 300°C.

Những nhà máy địa nhiệt đầu tiên hút cạn cả hơi nóng lẫn nước, thế là tiềm năng phát triển lâu dài của chúng cũng theo hơi nước mà bay hết lên không. Nhưng khi các nhà nghiên cứu công bố thiết kế mới hồi thập niên 80, công trình có tên “nhà máy đôi” với khả năng vừa hút nhiệt từ lòng đất mà vừa duy trì được khả năng tạo năng lượng, người ta có cái nhìn khác về địa nhiệt.

Công suất nhà máy lúc ấy vẫn khiêm tốn (khoảng 5 megawatt, bằng 3% khả năng sản xuất điện của một nhà máy đốt than), nhưng công suất nhanh chóng tăng lên khi Quốc hội Hoa Kỳ hậu thuẫn phát triển địa nhiệt trong giai đoạn khủng hoảng dầu mỏ hồi thập niên 70.

Thế rồi trì trệ xuất hiện. Giá than giảm khiến tính cạnh tranh của địa nhiệt cũng giảm theo. Các nguồn quỹ liên bang không còn chú ý tới địa nhiệt: năm 1980, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ xin cấp 111 triệu USD cho phát triển địa nhiệt nhưng chỉ nhận được 15 triệu USD tiền vốn. Giữa khoảng thời gian 2006-2019, nước Mỹ chỉ đầu tư 1 tỷ USD vào công nghệ địa nhiệt, bằng khoảng 1/10 số tiền đầu tư vào nhiên liệu hóa thạch và bằng 1/3 các khoản đầu tư vào các dự án năng lượng mặt trời. Các nhà nghiên cứu tại MIT nhận định: “Dù địa nhiệt sở hữu tiềm năng khổng lồ, không mấy ai cân nhắc tới việc lựa chọn nó [làm cách thức sản xuất năng lượng]”.

Ngày nay, vị thế của địa nhiệt vẫn thuộc hàng “cỏn con”: chỉ đóng góp được 0,4% năng lượng cho lưới điện quốc gia Hoa Kỳ. Ngay cả California, khu vực sở hữu nguồn địa nhiệt lớn nhất Bắc Mỹ, cũng chỉ tạo ra lượng điện bằng 5,5% tổng sản lượng điện tại bang.

Nhưng cuộc cách mạng năng lượng tái tạo sẽ hồi sinh địa nhiệt, sẽ vinh danh một trong những cách thức sản xuất năng lượng hiệu quả nhất mà ta có. Năng lượng gió và năng lượng mặt trời rẻ đi nhiều lần, nhưng chúng không thể tạo ra điện quanh năm suốt tháng được. Ở thời điểm hiện tại, ngay cả khi được hậu thuẫn bởi một hệ thống pin lưu trữ năng lượng, các hệ thống năng lượng tái tạo chạy bằng gió và Mặt Trời đều khó có thể duy trì cung cấp điện trong giờ cao điểm.

Vào ngày 14 tháng 8 năm 2020, lưới điện toàn bang California suýt dừng hoạt động. Thời điểm nóng nhất trong ba thập kỷ trở lại đây khiến nhu cầu sử dụng điện tăng cao vọt. Hàng ngàn megawatt điện sản sinh từ Mặt Trời và gió dừng đột ngột khi tối trời và gió lặng. Nhà máy sản xuất điện từ khí gas tự nhiên đột ngột dừng hoạt động, điện mua lại từ mấy "bang hàng xóm" phập phù vì ai cũng đang phải hứng chịu thời tiết nóng bức.

Để ngăn lưới điện toàn bang sập, các kiểm soát viên điều khiển lưới điện tại California đi xin từng megawatt điện: họ liên hệ với Hải quân Hoa Kỳ để ngắt đường điện nối tàu chiến của họ với các trạm trên bờ, bên cạnh đó yêu cầu nhà máy sản xuất Tesla giảm mức tiêu thụ điện năng.

Thế nhưng từng đó là chưa đủ. Đêm định mệnh ấy, người dân California chứng kiến màn mất điện hiếm có trong lịch sử 20 năm trở lại đây; hai triệu người phải sống trong cảnh tăm tối và nóng bức. Sự kiện cận-thảm-họa thu hút sự chú ý của các nhà hành pháp, họ nhận định việc lưới điện bất ổn có thể đe dọa tới hiện trạng kinh tế của bang cũng như những mục tiêu giảm thiểu khí thải nhà kính trong tương lai. Sau biến cố, mọi người mới thấy hệ thống mỏng manh dễ vỡ nhường nào.

California đặt mục tiêu đến năm 2030, 60% tổng sản lượng điện toàn bang sẽ là năng lượng tái tạo, hứa hẹn sẽ chấm dứt mọi hoạt động thải khí nhà kính vào năm 2045. Để đạt được mục tiêu này, lưới điện sẽ cần thêm nhiều những nguồn năng lượng không thải carbon. Hai sự lựa chọn được cân nhắc đầu tiên là năng lượng hạt nhân và thủy điện, nhưng chỉ còn vài con đập thủy điện ở California còn tồn tại thôi, và nhà máy năng lượng hạt nhân cuối cùng nơi đây, Diablo Canyon với sản lượng 2.240 MW, sẽ dừng hoạt động vào năm 2025.

California phải xây thêm nhà máy điện dùng khí tự nhiên và các hệ thống pin lithium-ion để đảm bảo nguồn cung điện được liên tục. Cả hai phương án này đều không lý tưởng: hà máy đốt khí tự nhiên sẽ đồng nghĩa với vài thập kỷ xả thải, trong khi đó hệ thống pin li-ion chỉ phát được điện trong vào giờ.

Cho tới thời gian gần đây, kế hoạch xây dựng nhà máy năng lượng mới ngả dần theo hướng thân thiện với bầu khí quyển. “Địa nhiệt sẽ lấp đầy khoảng trống tối quan trọng để hoàn thiện được quá trình chuyển giao năng lượng. Tiềm năng về mặt công nghệ không phải vấn đề lớn. Chủ yếu là các vướng mắc về mặt kinh tế”, Jesse Jenkins, kỹ sư hệ thống năng lượng công tác tại Đại học Princeton cho hay. Jenkins tin rằng địa nhiệt rồi sẽ trở thành nguồn cung cấp điện chính, hiệu quả hơn điện hạt nhân và thủy điện.

Tổ chức Kiểm soát Tài nguyên Nhiệt nghĩ rằng họ biết cách sinh lời từ nhiệt. Các hệ thống cung cấp điện gió và điện mặt trời rẻ sẽ xuống cấp nhanh chóng theo thời gian, đến mức làm ô nhiễm ngược lại cho môi trường.

Nhìn vào dữ kiện có được trong quá khứ, địa nhiệt dường như là giải pháp sản xuất năng lượng tốn kém. Theo cơ quan theo dõi mức ô nhiễm từ hoạt động sản xuất năng lượng của California, chi phí cho mỗi megawatt-giờ điện nhiệt có thể lên tới 140 USD, gấp đôi chi phí sản xuất điện của các tuabin gió đặt trên đất liền, gấp gần 5 lần điện mặt trời.

Năm 2017, công ty Berkshire Hathaway của tỷ phú Warren Buffett - doanh nghiệp nắm quyền kiểm soát khu vực địa nhiệt biển Salton - phải từ bỏ giấy phép xây dựng nhà máy năng lượng công suất 215 MW do không tìm được khách hàng mua điện.

Nhưng những con số trên đã bỏ qua một trong những chỉ số quan trọng: điện gió và điện mặt trời không cung cấp được phụ tải nền - là lượng năng lượng tối thiểu phải có trong lưới điện ở bất cứ thời điểm nào, nhằm bảo đảm một nguồn năng lượng ổn định và liên tục. Bằng cách đo được giá thành của một lượng megawatt được thêm vào lưới điện chung, ta sẽ có cách tính chi phí cơ sở hạ tầng sản xuất năng lượng tối ưu hơn. Bên cạnh đó, những hệ thống điện cho phép bật/tắt theo nhu cầu sẽ có giá trị hơn hẳn.

Thông qua cách tiếp cận này, Ban quản lý Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ nói rằng công suất nhà máy địa nhiệt mới (dự kiến hoàn thành vào 2025) sẽ có chi phí chỉ 37 USD/MWh, rẻ hơn đa số cách sản xuất điện khác chỉ trừ quang điện (có chi phí 36 USD/MWh).

Tổ chức Kiểm soát Tài nguyên Nhiệt sẽ không chỉ kiếm lời từ bán điện, mà lợi nhuận còn có thể tới từ khai khoáng. Sau khi bơm nước nóng lên để tạo điện, hệ thống sẽ lọc lấy lithium bằng các tấm hút chuyên dụng được sản xuất bởi Lilac Solutions, một doanh nghiệp được hậu thuẫn bởi công ty Năng lượng Đột phá do Bill Gates sáng lập. Sau đó, nước sẽ lại được bơm xuống lòng đất.

Nhưng không phải nơi nào cũng đắc địa giống California, ít nơi có được cái may mắn mà khu vực biển Salton mang trong lòng. Lớp trầm tích dày, tổ hợp của hàng triệu năm bồi đắp, nằm trên một khoang magma nóng bỏng. Túi nước muối nóng này đủ khả năng để làm quay tuabin và cũng là một nguồn khoáng vật giàu có.

Suốt nhiều thập kỷ, các kỹ sư muốn biến biển Salton thành nhà máy sản xuất năng lượng sạch khổng lồ. Và họ đang từng bước gặt hái thành công.

Năm 1974, bằng sáng chế đứng tên phòng thí nghiệm Los Alamos trở thành tiếng súng phát động cuộc đua đường dài tạo ra những nguồn địa nhiệt nhân tạo. Họ gọi nó là Hệ thống Địa nhiệt Cải tiến (Enhanced Geothermal System - EGS), là một phương pháp xây dựng cấu trúc tích trữ địa nhiệt trên nền đá khô nóng. Ba năm sau, New Mexico chứng kiến những người kỹ sư đầu tiên những người đặt nền móng cho mọi hệ thống EGS sau này.

Hóa ra việc tạo ra khu vực địa nhiệt nhân tạo không khó đến thế, các nhà nghiên cứu chỉ cần một tổ hợp hài hòa giữa đá và nhiệt. Thứ “bánh mì kẹp pate” nóng giòn này xuất hiện khắp nơi, chỉ cần ta sẵn lòng khoan xuống lòng đất là thấy. Đi sâu xuống 1km, ta sẽ thấy nhiệt độ trung bình trong lòng đất tăng khoảng 25°C.

Việc khoan sâu xuống khoảng 1km tại vùng đồi núi Fenton Hill tại New Mexico sẽ làm nứt vỡ cấu trúc đá, và khi bơm nước xuống rồi lại hút nước lên, họ nhái lại quá trình tạo ra hơi nước tự nhiên vẫn xuất hiện ở những khu vực nhiều nước như biển Salton. Trong suốt 6 tháng, hệ thống EGS cung cấp sức quay cho hệ thống tuabin 60kW bằng hoạt động địa chất chưa từng sản sinh ra điện.

Những nỗ lực tái tạo thành công này tại Anh Quốc, Nhật Bản và Pháp đều bị gặp phải những vấn đề như thất thoát nước hay đá nứt vỡ không đồng đều. Phải tới cuối thập niên 90, khi các kỹ sư Úc khoan sâu xuống lớp đá bằng cách men theo đường nứt sẵn có, họ mới lặp lại được thành công của nhóm kỹ sư làm việc tại New Mexico khi xưa.

Tính từ thời điểm này, một loạt những dự án EGS lắp đặt tại các khu vực địa nhiệt nhân tạo xuất hiện ở nhiều nơi khác nữa, cung cấp một nguồn nước cực nóng ổn định có khả năng tạo ra thứ năng lượng có giá gần bằng điện thương mại. Ở những khu vực tỏa ra địa nhiệt tự nhiên, sản lượng điện bắt đầu tăng.

Một mô hình sản xuất năng lượng trên đà đi lên thu hút ánh mắt của các nhà đầu tư. Lần đầu tiên, quỹ của bộ phận điều phối và kiểm soát địa nhiệt trực thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ vượt mức 1 tỷ USD. Các khoản đầu tư tới từ các doanh nghiệp tư nhân cũng xuất hiện ngày một nhiều. Theo số liệu từ Bloomberg, trong nửa đầu năm 2020, lượng tiền đầu tư vào địa nhiệt tính trên quy mô toàn cầu vượt ngưỡng 675 triệu USD, cao gấp 6 lần năm ngoái.

Tổ chức Kiểm soát Tài nguyên Nhiệt và các đối thủ của họ sẽ bắt đầu thu lợi nhuận một khi họ thương mại hóa được công nghệ sản xuất điện này. Nhưng theo nhận định của tổ chức nghiên cứu môi trường Breakthrough Institute, từng đó cố gắng là chưa đủ để điện có nguồn gốc địa nhiệt tìm được đường vào danh sách những nguồn năng lượng tái tạo đáng tin cậy. Ngành công nghiệp năng lượng cần những dự án lớn hơn và nhiều các EGS hơn nữa, nhằm cạnh tranh được với cái giá rẻ mà điện gió và điện mặt trời mang lại.

Nhiều khả năng, câu chuyện thành công của địa nhiệt sẽ tương tự với cách ngành năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch vươn lên thuở xưa, hay cụ thể là việc sản xuất năng lượng từ khí tự nhiên. Dầu đá phiến của Mỹ chiếm lĩnh thị trường, biến Mỹ thành một trong những nước sản xuất dầu hàng đầu thế giới khi và chỉ khi nỗ lực cải thiện công nghệ kéo dài nhiều thập kỷ hái trái ngọt; nhờ có công nghệ thủy lực cắt phá và những mũi khoan mới, chi phí khai thác nhiên liệu hóa thạch mới giảm xuống mức sinh lời.

Công nghệ khai thác địa nhiệt ngày nay cũng đang đứng ở ngã ba đường mà nhiệt liệu hóa thạch từng đi qua. Hai bên đường, những người sử dụng điện cũng phải đưa lời động viên, hưởng ứng tiến bộ tới từ các nguồn năng lượng không tạo khí nhà kính để địa nhiệt gắng sức chạy về đích.

Mô hình một số hệ thống khai thác nhiệt điện.

Giả sử chi phí khoan tìm mạch nhiệt giảm (cũng giống như những gì đã xảy ra với hệ thống khoan dầu mỏ khí đốt xưa kia), Bộ Năng lượng Hoa Kỳ ước tính tiềm năng sản xuất năng lượng từ địa nhiệt có thể tăng gấp 10 lần hiện tại. Không có sự hậu thuẫn từ cộng đồng và các chính sách địa phương, địa nhiệt khó có thể mở khóa tiềm năng mà cung cấp điện trên quy mô lớn.

Mong muốn ổn định là lý do tại sao tổ chức Kiểm soát Tài nguyên Nhiệt tìm về Mỹ để hiện thực hóa mong ước tận dụng điện nhiệt. “Ý đồ của chúng tôi là trở thành một phần của ngành công nghiệp địa nhiệt sẽ thành hình tại đất Úc”, kỹ sư Jason Czapla nói. Nhưng chỉ trong 5 năm qua, nước Úc thay tới bốn vị thủ tướng và hiện lại đang sủng ái nhiên liệu hóa thạch, khiến nhiều doanh nghiệp khai thác địa nhiệt rời đi.

Không mái nhà nào ấm áp bằng quê hương, và có vẻ câu này đúng theo cả nghĩa đen luôn. California trở thành thiên đường nuôi dưỡng nỗ lực xây dựng hệ thống sản xuất điện từ địa nhiệt: nơi đây có những khu vực tỏa một lượng lớn địa nhiệt, có thành phố lớn, có sẵn cơ sở hạ tầng truyền tải điện, thậm chí còn có cả chính sách nhằm loại bỏ khí nhà kính trong tương lai gần.

Tất cả những gì tổ chức Kiểm soát Tài nguyên Nhiệt nói riêng, hay mọi doanh nghiệp khai thác địa nhiệt nói chung, cần ở thời điểm hiện tại là thời gian.

Tham khảo Quartz

Kim