Vòng địa nhiệt CO₂ sâu 2.500 m của Trung Quốc cho thấy nhiệt dưới lòng đất có thể được khai thác ở nhiều nơi

Dự án địa nhiệt vòng kín sử dụng CO₂ siêu tới hạn đầu tiên được đưa vào vận hành tại Trịnh Châu, Trung Quốc, là một hệ thống cung cấp nhiệt, không phải nhà máy điện địa nhiệt. Từ ngày 19/5/2026, dự án của Tập đoàn China Huaneng đưa CO₂ qua một giếng kín sâu khoảng 2.500 m để hấp thụ nhiệt từ đá xung quanh, sau đó truyền nhiệt sang một mạch nước riêng phục vụ sưởi ấm các tòa nhà vào mùa đông. 613

Điểm đáng chú ý là hệ thống này thử nghiệm cách khai thác nhiệt địa nhiệt mà không cần bơm nước ngầm lên mặt đất. Tuy nhiên, kết quả hiện tại nên được xem là một cột mốc vận hành ban đầu, chưa phải bằng chứng cho thấy địa nhiệt vòng kín đã có thể tạo ra điện 24/7 với chi phí rẻ.

Hệ thống ở Trịnh Châu hoạt động ra sao?

Giếng của dự án sử dụng cấu hình vòng kín đồng trục. Một đường ống đưa CO₂ được nén và tương đối lạnh xuống lòng đất, trong khi một đường dẫn khác đưa dòng CO₂ đã nóng trở lại mặt đất. Ở độ sâu 2.500 m, nhiệt từ các tầng đá truyền qua kết cấu giếng vào CO₂ đang tuần hoàn. Khi lên đến bề mặt, CO₂ nhả nhiệt cho nước trong mạch sưởi khu vực. CO₂ vẫn nằm trong hệ thống kín và không hòa lẫn với tầng địa chất xung quanh. 6713

Cách làm này khác với các nhà máy địa nhiệt thủy nhiệt truyền thống. Những hệ thống đó thường bơm nước nóng tự nhiên từ các tầng chứa nước có độ thấm cao lên mặt đất, rồi xử lý và tái bơm chất lưu xuống lòng đất.

Với vòng kín, nhà vận hành có thể tận dụng nhiệt lưu trữ trong đá ngay cả tại những nơi dòng nước ngầm không đủ mạnh để duy trì một hệ thống địa nhiệt hở.

Vì sao dùng CO₂ thay vì nước ngầm?

Dự án chọn CO₂ siêu tới hạn làm môi chất truyền nhiệt. Khi đạt các điều kiện nhiệt độ và áp suất thích hợp, CO₂ có một số đặc tính kết hợp giữa chất khí và chất lỏng: khả năng chuyển động của chất khí cùng mật độ cao giống chất lỏng. Lý do kỹ thuật được công bố là CO₂ có thể tuần hoàn với lực cản dòng tương đối thấp, đồng thời truyền nhiệt hiệu quả trong giếng sâu. 613

CO₂ cũng có thể tạo ra hiệu ứng xi-phông nhiệt. Khi nóng lên và chuyển động đi lên, mật độ của CO₂ giảm so với dòng lạnh đang đi xuống. Chênh lệch mật độ này có thể hỗ trợ quá trình tuần hoàn và giảm công suất bơm cần thiết, dù không loại bỏ hoàn toàn thiết bị trên mặt đất hay bảo đảm chi phí vận hành thấp.

Về lý thuyết, cấu hình vòng kín đem lại một số lợi ích:

• Không cần khai thác hoặc tái bơm nước ngầm.
• Môi chất làm việc được cách ly với tầng địa chất xung quanh.
• Hạn chế một số vấn đề về cặn khoáng và xử lý khoáng chất thường gặp khi đưa nước muối nóng lên mặt đất.
• Có thể mở rộng khai thác nhiệt địa nhiệt đến những khu vực có đá nóng nhưng độ thấm tự nhiên của tầng chứa quá thấp. 613

Dù vậy, đây mới là những lợi thế ở cấp độ thiết kế hệ thống, chưa phải bảo đảm về hiệu quả thương mại. Nhiệt vẫn phải truyền qua đá và thành giếng đủ nhanh để đáp ứng công suất yêu cầu.

Các chỉ số Trịnh Châu đã đạt được

Theo các báo cáo công khai, CO₂ đi vào hệ thống ở khoảng 8°C và trở lại mặt đất ở khoảng 22°C. So với phương án khai thác nhiệt dùng nước, dự án được cho là tăng khoảng 20% công suất lấy nhiệt và giảm khoảng 10% mức tiêu thụ năng lượng cho mỗi đơn vị nhiệt cung cấp. Hệ thống được thiết kế để sưởi ấm tập trung vào mùa đông cho hơn 18.000 m² không gian nhà ở. 3613

Những con số này cho thấy một ứng dụng sưởi ấm thực tế, nhưng không chứng minh công suất phát điện. Nhiệt độ hồi lưu được công bố hiện phù hợp với quy mô sưởi ấm, còn các bằng chứng được cung cấp không cho thấy dự án đang phát điện.

Cũng cần thận trọng với thuật ngữ “CO₂ siêu tới hạn”. Cụm từ này mô tả môi chất làm việc và trạng thái nhiệt động của nó trong những điều kiện áp suất - nhiệt độ phù hợp. Các bản tóm tắt vận hành công khai chưa cho biết đầy đủ hồ sơ áp suất và nhiệt độ tại mọi điểm dưới lòng đất. Một báo cáo thứ cấp đưa ra các mức nhiệt đầu vào và đầu ra khác, vì vậy con số 8°C - 22°C được nhắc đến rộng rãi nên được hiểu là một chỉ số vận hành được báo cáo, không phải mô tả nhiệt động hoàn chỉnh của toàn bộ vòng tuần hoàn. 34

Liệu công nghệ này có thể cung cấp điện nền 24/7?

Nhiệt địa nhiệt có thể được khai thác liên tục, không phụ thuộc vào thời tiết hay ánh sáng ban ngày như điện gió và điện mặt trời. Về nguyên tắc, một hệ thống vòng kín tiếp cận được đá đủ nóng và tuần hoàn đủ lưu lượng có thể cung cấp nhiệt ổn định suốt ngày đêm; ở nhiệt độ cao hơn, nó có thể tạo ra điện.

Tuy nhiên, dự án Trịnh Châu chưa chứng minh được kết quả đó. Phát điện đòi hỏi dòng nhiệt hữu ích lớn hơn đáng kể cùng nhiệt độ đủ cao để vận hành một chu trình chuyển đổi điện năng. Vai trò hiện tại của dự án là sưởi ấm nhà ở, vì vậy nói rằng hệ thống đã chứng minh được khả năng phát điện địa nhiệt 24/7 sẽ vượt quá những gì bằng chứng hiện có cho phép kết luận.

Bài toán kinh tế còn khắt khe hơn. Các mô hình cho thấy hệ thống vòng kín có thể đạt chi phí cạnh tranh khi cung cấp nhiệt, nhưng để điện địa nhiệt vòng kín cạnh tranh, chi phí khoan thường phải giảm mạnh. Một nghiên cứu khác cho thấy các hệ thống mô phỏng tại một tầng chứa có nhiệt độ 180°C vẫn có thể không thu hồi đủ chi phí trong suốt vòng đời, ngay cả khi có 30 nhánh giếng và lưu lượng khai thác 75 kg/giây.

Vì sao các giếng hình chữ U sâu hơn đang được nghiên cứu?

Giếng đồng trục có diện tích tiếp xúc trao đổi nhiệt tương đối hạn chế. Thiết kế hình chữ U hoặc vòng chữ U sâu hơn tìm cách tăng diện tích này bằng cách khoan hai nhánh thẳng đứng, nối với nhau bởi một đoạn giếng ngang dài xuyên qua vùng đá nóng. Đường đi dài hơn dưới lòng đất tạo thêm diện tích tiếp xúc với tầng địa chất và có thể tăng lượng nhiệt truyền vào môi chất tuần hoàn.

Thiết kế này nhằm giải quyết một hạn chế cốt lõi của hệ thống một giếng: để thu được công suất hữu ích, hệ thống cần đủ diện tích tiếp xúc với đá, nhiệt độ đủ cao và lưu lượng ổn định trong thời gian dài.

Đổi lại, giếng chữ U đòi hỏi kỹ thuật khoan định hướng phức tạp hơn, kéo theo rủi ro thi công, rủi ro hoàn thiện giếng và chi phí vốn cao hơn. Các tài liệu được cung cấp chưa xác nhận chính xác độ sâu, hiệu suất, tình trạng xây dựng hay chi phí của một dự án giếng chữ U sâu cụ thể tại Trung Quốc. Vì vậy, đây nên được xem là hướng phát triển, chưa phải giải pháp thương mại đã được chứng minh.

Những rào cản kỹ thuật và kinh tế chính

Thách thức không chỉ nằm ở việc tìm đá nóng. Bài toán khó hơn là tạo ra một bộ trao đổi nhiệt ngầm bền vững, có công suất cao và đủ rẻ để lượng nhiệt hoặc điện tạo ra có thể hoàn vốn cho chi phí xây dựng.

Các trở ngại chính gồm:

• Chi phí khoan sâu, đặc biệt với các đoạn giếng định hướng hoặc giếng đa nhánh.
• Tạo đủ diện tích trao đổi nhiệt dưới lòng đất.
• Duy trì độ nguyên vẹn của giếng và hệ thống bịt kín ở nhiệt độ, áp suất cao.
• Kiểm soát ăn mòn, thất thoát nhiệt và đặc tính vận hành của CO₂.
• Ngăn hiện tượng “đoản mạch nhiệt” giữa dòng đi xuống và dòng trở lên.
• Phát triển giàn khoan, mũi khoan, thiết bị dưới giếng và vật liệu có thể hoạt động trong môi trường đá sâu khắc nghiệt.

Một bài tổng quan trên Nature ước tính chi phí của một bộ giếng đa nhánh đơn lẻ trong một số bối cảnh vào khoảng 50 - 100 triệu USD, đồng thời lưu ý rằng khả năng sinh lời phụ thuộc cả vào sản lượng lẫn nhu cầu tại địa phương. Bài nghiên cứu cũng chỉ ra một giới hạn nền tảng: hệ thống vòng kín phụ thuộc nhiều vào quá trình dẫn nhiệt từ đá xung quanh, vốn chậm hơn đối lưu trong một tầng chứa địa nhiệt có dòng chảy tự nhiên.

Điều này lý giải vì sao sưởi ấm khu vực có thể là cơ hội thương mại sớm hơn phát điện. Một dự án có thể bán trực tiếp nhiệt độ vừa phải cho các tòa nhà lân cận mà không cần chuyển nhiệt thành điện. Trong khi đó, nhà máy điện cần nguồn nhiệt nóng hơn, lưu lượng lớn hơn và thiết bị chuyển đổi đắt tiền hơn.

Dự án Eavor ở Đức cho thấy điều gì?

Dự án Geretsried của Eavor tại bang Bavaria là một phép so sánh quan trọng. Ngày 4/12/2025, dự án bắt đầu đưa điện lên lưới điện Đức từ một hệ thống địa nhiệt vòng kín đa nhánh. Đây là dự án đầu tiên được báo cáo tạo ra điện theo mô hình thương mại hóa này.

Dự án có công suất thiết kế được báo cáo khoảng 8,2 MW điện và 64 MW nhiệt. Các vòng tuần hoàn sử dụng những giếng ngầm dài thay vì phụ thuộc vào một tầng chứa nước nóng tự nhiên có năng suất cao. Tuy nhiên, đến tháng 3/2026, mới có vòng đầu tiên trong tổng số bốn vòng dự kiến hoạt động. Vì vậy, Geretsried là một minh chứng đáng kể cho tính khả thi kỹ thuật, nhưng quy mô hoàn thiện và hiệu quả kinh tế vẫn là những câu hỏi chưa được giải đáp đầy đủ. 17

Đặt cạnh nhau, Trịnh Châu và Geretsried cho thấy hai giai đoạn của cùng một ý tưởng. Trịnh Châu chứng minh CO₂ có thể tuần hoàn trong một hệ thống kín để cung cấp nhiệt địa nhiệt hữu ích. Geretsried cho thấy vòng kín đa nhánh có thể đưa điện lên lưới. Nhưng chưa dự án nào chứng minh rằng địa nhiệt vòng kín sâu đã rẻ, có thể triển khai ở mọi nơi hoặc sẵn sàng thay thế các nguồn phát điện thông thường.

Kết luận

Dự án Trịnh Châu nên được hiểu là phép thử thực tế cho ý tưởng “lấy nhiệt mà không lấy nước”. Giếng đồng trục sâu 2.500 m, mạch CO₂ kín, mức tăng công suất lấy nhiệt được báo cáo khoảng 20% và khả năng sưởi ấm hơn 18.000 m² cho thấy vì sao hướng tiếp cận này đang thu hút sự chú ý. 613

Về lâu dài, công nghệ có thể giúp địa nhiệt xuất hiện tại nhiều địa điểm hơn bằng cách tách quá trình thu hồi nhiệt khỏi sự phụ thuộc vào dòng nước ngầm tự nhiên. Nhưng con đường đến nguồn điện 24/7 đòi hỏi giải quyết những bài toán khó hơn: xây dựng bộ trao đổi nhiệt sâu và lớn hơn, khoan đáng tin cậy ở nhiệt độ cao, duy trì hiệu suất nhiệt trong nhiều thập kỷ và cắt giảm mạnh chi phí vốn.

Bằng chứng hiện có cho phép lạc quan thận trọng, chưa cho phép gọi đây là một đột phá thương mại đã được chứng minh ở quy mô lớn.