Năng lượng tái tạo: Lợi ích, vấn đề và giải pháp sử dụng nhiệt địa nhiệt và nước ngầm (Phương pháp vòng hở)

Năng lượng địa nhiệt và nhiệt nước ngầm, là những nguồn năng lượng tái tạo, là nguồn nhiệt "mát mẻ vào mùa hè và ấm áp vào mùa đông".

Nhìn chung, nhiệt độ Trái Đất có xu hướng ổn định quanh mức nhiệt độ trung bình hàng năm của khu vực. Khi xuống đến độ sâu khoảng 10m hoặc hơn dưới bề mặt, nhiệt độ bề mặt ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ, và nhiệt độ hầu như không thay đổi giữa mùa hè và mùa đông. Khi xuống đến độ sâu 200m hoặc hơn, nhiệt độ bắt đầu tăng do ảnh hưởng của địa nhiệt. Ở độ sâu từ 10m đến 200m, tức là nằm giữa hai độ sâu này, nhiệt độ được duy trì ổn định quanh năm. Mặc dù nhiệt độ có sự khác biệt tùy theo khu vực, nhưng ở Honshu, nhiệt độ thường dao động trong khoảng 12-18°C.
Nhiệt độ này mát hơn nhiệt độ bên ngoài vào mùa hè và ấm hơn nhiệt độ bên ngoài vào mùa đông. Đây là nguồn nhiệt đặc biệt lý tưởng cho điều hòa không khí, và nếu sử dụng hiệu quả, có thể tiết kiệm năng lượng trong điều hòa không khí.

Sự khác biệt giữa vòng kín và vòng hở (sử dụng nhiệt nước ngầm)

Có nhiều phương pháp khác nhau để sử dụng năng lượng địa nhiệt, một nguồn năng lượng tái tạo, nhưng phổ biến nhất là phương pháp bơm nhiệt địa nhiệt, sử dụng bơm nhiệt để thu hồi nhiệt địa nhiệt và cung cấp ở nhiệt độ cần thiết. Phương pháp bơm nhiệt địa nhiệt được phân loại thành hai loại tùy thuộc vào phương pháp thu hồi nhiệt.

1. Phương pháp vòng kín
Hiện nay, đây là phương pháp phổ biến nhất ở Nhật Bản. Các ống (ống chữ U, v.v.) dùng để thu hồi nhiệt được chôn ngầm dưới lòng đất, và chất làm lạnh (chất chống đông) được tuần hoàn qua chúng để truyền nhiệt đến bơm nhiệt. Vì đường ống dẫn chất làm lạnh được khép kín, nên phương pháp này được gọi là phương pháp vòng kín.

2. Phương pháp vòng hở (sử dụng nhiệt nước ngầm)
Trong phương pháp này, nước ngầm được bơm lên mà không sử dụng chất làm lạnh, và được sử dụng như một chất làm lạnh để truyền nhiệt nước ngầm đến máy bơm nhiệt. Vì nước ngầm có nhiệt độ gần bằng nhiệt độ mặt đất, nên nó cũng có thể được sử dụng làm chất làm lạnh. Nước ngầm mang nhiệt được giải phóng (trở về lòng đất hoặc thải ra, v.v.), vì vậy nó được gọi là phương pháp vòng hở.

Vòng kín và vòng hở (Từ trang web của Hiệp hội thúc đẩy năng lượng địa nhiệt)

Năng lượng tái tạo: Sử dụng địa nhiệt và nhiệt nước ngầm có tốn kém không? Đây là lý do

Như thể hiện trong hình, bơm nhiệt địa nhiệt gần như luôn được coi là hệ thống vòng kín. Chúng hấp dẫn vì có hiệu suất năng lượng cao và có thể được lắp đặt ở bất cứ đâu, ngay cả trong các nguồn năng lượng tái tạo, và là nguồn nhiệt được dự đoán sẽ trở nên phổ biến hơn như một chính sách quốc gia. Tuy nhiên, không thể nói rằng chúng được sử dụng rộng rãi, và lý do chính là chi phí cao. Những lý do khiến bơm nhiệt địa nhiệt, đặc biệt là hệ thống vòng kín, đắt đỏ như sau:

1. Chi phí chôn ống cực kỳ cao
Để thu nhiệt địa nhiệt gián tiếp bằng chất làm lạnh, cần phải lưu thông nó dưới lòng đất một khoảng cách dài hơn bạn tưởng. Một tính toán sơ bộ cho thấy cần phải mở rộng tổng cộng khoảng 100m xuống lòng đất để có công suất sưởi ấm 10kW (khoảng 66m² diện tích văn phòng). Chỉ riêng việc đào đất này đã tốn hàng triệu yên, khiến nó trở thành một hình thức điều hòa không khí rất tốn kém. Ngay cả khi tính đến việc giảm hóa đơn tiền điện do tiết kiệm năng lượng, sẽ mất hơn 20 năm để thu hồi vốn đầu tư, đây chỉ là một bất lợi về mặt kinh tế. Hiện tại, để khắc phục điều này, các nỗ lực đang được thực hiện để giảm độ sâu đào đất và chôn chất làm lạnh theo chiều ngang, và các khoản trợ cấp đang trở nên hào phóng hơn, nhưng điều này vẫn chưa mang lại một giải pháp cơ bản.

2. Có ít máy bơm nhiệt chuyên dụng
Máy bơm nhiệt sử dụng năng lượng địa nhiệt được gọi là "làm mát bằng nước" vì chúng sử dụng chất lỏng làm nguồn nhiệt, không giống như loại "làm mát bằng không khí" thường được sử dụng trong máy điều hòa không khí và tủ đông. Có rất ít lựa chọn cho loại làm mát bằng nước, đặc biệt là ở Nhật Bản, và chỉ có một số ít nhà sản xuất sản xuất các mẫu máy phù hợp với việc sử dụng năng lượng địa nhiệt. Thị trường vẫn còn non trẻ, và giá thành của máy là một trong những yếu tố làm tăng chi phí.

Sự phổ biến của máy bơm nhiệt địa nhiệt (Bộ Môi trường, 2017)

Mặt khác, sử dụng nhiệt nước ngầm (phương pháp vòng hở) là nguồn năng lượng tái tạo có lợi nhuận cao nhất.

Xét về mặt lợi nhuận, rất khó để áp dụng một hệ thống vòng kín, nhưng hệ thống vòng hở sử dụng nhiệt nước ngầm lại là hệ thống có lợi nhuận cao hơn so với các nguồn năng lượng tái tạo khác. Bí quyết như sau.

1. Chi phí khoan thấp hơn so với phương pháp vòng kín.
Ngược lại với vòng kín, trong đó công suất cơ sở càng lớn thì chi phí khoan càng cao, thì trong trường hợp sử dụng nhiệt nước ngầm, tất cả những gì cần thiết là đảm bảo lượng nước cần thiết, vì vậy ngay cả đối với một cơ sở công suất lớn, chỉ cần một giếng cộng thêm vài giếng phụ. Điều này giúp giảm đáng kể chi phí khoan và giúp giảm chi phí triển khai.

2. Hiệu quả hơn phương pháp vòng kín
Trong hệ thống vòng kín, để cân bằng giữa chi phí khoan và hiệu suất nhiệt, nhiệt độ môi chất lạnh không bao giờ đạt đến cùng nhiệt độ với nhiệt độ mặt đất. Do đó, mặc dù nhiệt độ mong muốn được sử dụng ở khoảng 15°C, nhưng vẫn có sự chênh lệch vài độ và hiệu suất nhiệt không tăng hoàn toàn. Ngược lại, khi sử dụng nước ngầm, nhiệt độ mặt đất được cung cấp cho bơm nhiệt nguyên trạng, do đó không bị mất nhiệt và hiệu suất có thể được tối đa hóa.

3. Nước ngầm có thể được tái sử dụng sau khi đã được sử dụng để sưởi ấm
Sau khi cải tạo nhiệt, nước ngầm có thể được sử dụng để tưới tiêu, phun nước, làm tan tuyết, v.v. Bằng cách trải qua quá trình xử lý thứ cấp, nước ngầm cũng có thể được sử dụng làm nước xám, giúp giảm hóa đơn tiền nước và đảm bảo nguồn nước sinh hoạt trong trường hợp xảy ra thiên tai.

Vì những lý do này, việc sử dụng nhiệt nước ngầm (phương pháp vòng hở) là một phương pháp tuyệt vời không chỉ về mặt tiết kiệm năng lượng mà còn về mặt lợi nhuận.

Khoan giếng để tận dụng nhiệt nước ngầm

Lý do tại sao việc sử dụng nhiệt nước ngầm không tiến triển

Như đã đề cập ở trên, phương pháp vòng hở có những đặc điểm cực kỳ tuyệt vời, nhưng như có thể thấy từ thực tế là việc áp dụng phương pháp này vẫn chưa có tiến triển, có một số vấn đề cần được giải quyết trước khi có thể áp dụng.

1. Khảo sát nước ngầm và tuân thủ quy định
Trữ lượng nước ngầm, chất lượng nước và điều kiện đất đai khác nhau tùy theo từng vùng, và việc khảo sát phải được tiến hành trước để xác định xem nước ngầm có thể được sử dụng làm nguồn nhiệt hay không. Tuy nhiên, việc khảo sát đòi hỏi kiến thức chuyên môn và không hề dễ dàng.
Tùy thuộc vào khu vực, bạn có thể cần phải cân nhắc đến tình trạng sụt lún và sử dụng cơ sở theo đúng các quy định của chính quyền địa phương.

2. Máy bị mài mòn do chất lượng nước (cặn bẩn)
Nước ngầm chứa nhiều thành phần như canxi, magie, silica và sắt bám vào đường ống và bộ trao đổi nhiệt. Khi những thành phần này kết tinh và bám vào thiết bị, hiện tượng này được gọi là đóng cặn, có thể dẫn đến giảm hiệu suất, ăn mòn và hư hỏng thiết bị. Việc loại bỏ những chất này đòi hỏi thiết bị quy mô lớn và tốn kém, làm mất đi lợi ích của việc sử dụng nhiệt nước ngầm.

3. Thiếu thiết bị tương thích
Do vấn đề đóng cặn đã đề cập ở trên, hầu hết các bơm nhiệt làm mát bằng nước đều có tiêu chuẩn chất lượng nước nghiêm ngặt và không thể sử dụng trực tiếp nước ngầm. Để khắc phục, các thành phần hòa tan phải được loại bỏ với chi phí lớn, hoặc phải thiết kế thêm một bộ trao đổi nhiệt để ngăn nước ngầm xâm nhập trực tiếp vào bơm nhiệt. Tuy nhiên, những phương pháp này dẫn đến thất thoát nhiệt và nhiệt độ, làm tăng chi phí thiết bị và làm mất đi lợi ích của vòng tuần hoàn kín. Vì lý do này, việc sử dụng nhiệt nước ngầm chỉ được thực hiện ở những khu vực có chất lượng nước cực kỳ tốt.

Ống bị tắc do đóng cặn

Cung cấp nhiệt nước ngầm cho nhiều người hơn

Chúng tôi đã phát triển nhiều công nghệ khác nhau và đạt được những đột phá để giải quyết các vấn đề sử dụng nhiệt nước ngầm và giúp nhiều người hơn nữa được hưởng lợi ích từ việc sử dụng nhiệt nước ngầm như một nguồn năng lượng tái tạo.

1. Khảo sát tình trạng nước ngầm miễn phí và bảo hành
Chúng tôi vận dụng kinh nghiệm và kiến thức chuyên môn tích lũy được từ nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực cung cấp nước ngầm đạt tiêu chuẩn nước uống, và ngay cả đối với những cơ sở chưa từng có giếng nước, chúng tôi cũng có thể thực hiện khảo sát nguồn nước miễn phí, đề xuất hệ thống sử dụng nhiệt nước ngầm và bảo hành. Đây là dịch vụ giúp giảm thiểu gánh nặng và rủi ro cho những ai đang cân nhắc sử dụng nước ngầm.

2. Việc áp dụng bộ trao đổi nhiệt có độ bền cao và công nghệ lọc xúc tác cho phép sử dụng trực tiếp nước ngầm
Máy bơm nhiệt và bộ trao đổi nhiệt của chúng tôi là những sản phẩm nguyên bản, sử dụng vật liệu có độ bền cao và kháng hóa chất như SUS316 và titan, đã được sử dụng nhiều năm tại các khu vực nước cứng dễ bị đóng cặn. Hơn nữa, chúng tôi đã phát triển các bộ lọc sử dụng công nghệ xúc tác được cấp bằng sáng chế tại tám quốc gia trên thế giới, và bằng cách lắp ráp chúng thành một chuỗi hệ thống, chúng tôi có thể dẫn nước trực tiếp qua máy bơm nhiệt cho nhiều loại nước ngầm có chất lượng khác nhau tại Nhật Bản. Tất nhiên, vẫn có những hạn chế, nhưng ngay cả trong những trường hợp đó, chúng tôi vẫn có thể khắc phục bằng cách lắp đặt cơ chế làm sạch hóa học hoặc thiết kế một hệ thống. Sản phẩm có độ bền cao đến mức có thể sử dụng được ngay cả với nước suối nóng, nước thải và nước mặn, những nguồn nước có chất lượng khắc nghiệt hơn.

3. Thiết kế tích hợp từ nguồn nhiệt đến thiết bị
Cho đến nay, các công ty khoan giếng, nhà sản xuất bơm nhiệt, thiết kế thiết bị, v.v. đều hoạt động riêng lẻ, gây khó khăn cho việc tối ưu hóa và bảo trì toàn bộ hệ thống, dẫn đến khó khăn trong lắp đặt và chi phí thiết bị cao. Công ty chúng tôi có thể thiết kế tất cả các hệ thống này cùng nhau, cho phép chúng tôi đưa ra các đề xuất hiệu quả.

4. Hỗ trợ xin trợ cấp
Nhiệt nước ngầm cũng là một dạng năng lượng tái tạo. Hiện tại, Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp và Bộ Môi trường đang hỗ trợ chi phí lắp đặt. Công ty chúng tôi hỗ trợ từ khâu chuẩn bị hồ sơ đăng ký đến nộp báo cáo, và tỷ lệ áp dụng cho đến nay là 100%. (Tính đến tháng 2 năm 2018)

Tiết kiệm năng lượng với năng lượng tái tạo! Sử dụng hiệu quả nhiệt địa nhiệt và nhiệt nước ngầm

Chúng tôi hy vọng rằng việc sử dụng nhiệt nước ngầm, một nguồn năng lượng tái tạo có nhiều lợi ích, sẽ giúp ích cho việc quản lý và cuộc sống của nhiều người.
Hãy cân nhắc sử dụng nhiệt nước ngầm cho phát triển xã hội bền vững và chiến lược kinh doanh bền vững.