Năng lượng từ đá

Tim Latimer từ nhỏ đã thích khám phá điều mới lạ. “Năm bảy tuổi, tôi từng xem một chương trình truyền hình về khu vui chơi dưới lòng đất và nảy ra ý tưởng đào đất cả tuần để làm cho mình một nơi thú vị giống vậy,” anh nhớ lại. Đến năm 2008, chàng thiếu niên Tim Latimer được chứng kiến lễ khởi công nhà máy nhiệt điện than Sandy Creek Energy Station cách ngôi nhà của anh 8km tại thành phố Riesel nhỏ bé ở Texas. Đây là nhà máy nhiệt điện than lớn cuối cùng được xây dựng tại Mỹ, cao sừng sững giữa vùng nông thôn bằng phẳng.

“Nhà máy này giống như một lời nhắc nhở. Năng lượng là điều thiết yếu trong cuộc sống của chúng ta, nhưng tác động tích cực hay tiêu cực sẽ tùy thuộc vào cách con người khai thác,” Tim Latimer nói.

Và rồi đam mê khám phá và niềm hứng thú với năng lượng đã thôi thúc Tim Latimer, người từng góp mặt trong danh sách Forbes 30 Under 30 năm 2019, phát triển một dự án có thể tạo thành bước ngoặt đối với sự nghiệp của doanh nhân 35 tuổi này: tạo đột phá trong sản xuất năng lượng không phát thải carbon, hoặc cũng có thể biến mọi thứ thành “giấc mơ xa vời.”

Tim Latimer, Đồng sáng lập kiêm CEO Công ty Fervo Energy đặt tại Houston (Mỹ), đã huy động 400 triệu USD cho dự án tham vọng này: khai thác địa nhiệt, nguồn năng lượng gần như vô tận từ loại đá siêu nóng có độ sâu tối thiểu 2,5km trong vỏ trái đất bằng phương pháp fracking – kỹ thuật phổ biến trong việc lấy dầu và khí đốt từ đá phiến.

Công ty thu hút nhóm nhà đầu tư gồm Mitsubishi Heavy Industries, các doanh nghiệp sản xuất dầu khí truyền thống và Breakthrough Energy Ventures. Trong đó, Breakthrough Energy Ventures là quỹ đầu tư mạo hiểm tập trung vào các dự án về biến đổi khí hậu do Bill Gates sáng lập với hậu thuẫn từ một vài tỷ phú khác như Jeff Bezos, Michael Bloomberg, Ray Dalio và Reid Hoffman.

Trong ba năm tới, Fervo Energy đặt mục tiêu khoan 80 giếng địa nhiệt ở sa mạc Escalante gần Milford, Utah, sử dụng giàn khoan cao đến 50m. Đến nay, công ty đã hoàn thành 20 giếng trong số đó. Mỗi giếng như vậy sẽ có đường kính 25cm, thường đào sâu xuống 2,4km theo chiều dọc vào lớp vỏ trái đất (sau đó khoan ngang thêm 1,6km nữa).

Đây là quy trình phức tạp, khoan xuyên qua lớp đá granite cứng cáp ở nhiệt độ 204 độ C. Sau bước này, hỗn hợp gồm cát và nước sẽ được bơm xuống lòng đất với áp suất cao để tạo ra những vết nứt nhỏ bên trong lớp đá.

Fervo Energy sử dụng cảm biến để xác định vị trí vết nứt lan ra từ mũi khoan đầu tiên, nhằm giúp công ty nắm rõ các vết nứt sẽ giao nhau ở đâu khi thực hiện lần khoan tiếp theo. Công ty sẽ tiến hành khai thác sau khi khoan xong một cặp giếng như vậy, bắt đầu bằng việc bơm nước lạnh xuống giếng đầu tiên. Nước lạnh tiếp xúc với đá nóng tạo ra hơi nước và bốc hơi lên giếng thứ hai làm quay tuabin phát điện. Cặp giếng khoan tạo thành hệ thống khép kín với hơi nước ngưng tụ lại thành chất lỏng và tái sử dụng cho giếng đầu tiên.

Gần bốn năm sau khi thuê đất để khoan thử nghiệm, tháng 10.2024, Tim Latimer được chính phủ Mỹ cấp phép mở rộng dự án khai thác địa nhiệt ở Utah, lấy tên Cape Station. Nhờ đó, anh hướng tới mục tiêu đạt công suất 2.000MW điện địa nhiệt không phát thải carbon vào năm 2030 với quy mô lên đến “hàng tỷ” USD, đủ để cung cấp cho hai triệu ngôi nhà.

“Kỹ thuật fracking trong khai thác địa nhiệt sẽ mở ra hướng đi mới cho năng lượng tái tạo, tương tự như dầu và khí đốt,” Tim Latimer nhận định. Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia Mỹ (NREL) ước tính, năng lượng địa nhiệt sẽ chiếm 12% tổng sản lượng điện tại Mỹ vào năm 2050.

Việc phát triển điện địa nhiệt ban đầu sẽ đòi hỏi nguồn tài chính đáng kể. Tim Latimer kỳ vọng qua thời gian, chi phí cho năng lượng địa nhiệt sẽ giảm xuống giống như điện mặt trời, hiện đã rẻ hơn 80% so với cách đây 15 năm. Theo thống kê của Lazard, mức phí của điện địa nhiệt là 6 cent/kWh (tính luôn cả vốn đầu tư và các khoản trợ cấp), thấp hơn điện mặt trời và khí đốt tự nhiên lần lượt 12 và 8 cent cho mỗi kWh.

Dựa trên thống kê của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), giáo sư Samuel Noynaert tại Đại học Texas A&M, đã nghiên cứu về địa nhiệt trong nhiều thập niên, cho rằng để thương mại hóa năng lượng này sẽ cần đến khoảng 25 tỷ USD và thêm 250 tỷ USD nữa cho việc nâng công suất lên khoảng 100MW (đủ cung cấp điện cho bang Texas).

Fervo Energy đã hoàn thành 20 giếng, trung bình chỉ mất 21 ngày để khoan xong một giếng, rút ngắn rất nhiều so với trước đây là 70 ngày và giảm 50% chi phí thi công. Tim Latimer dự báo chi phí của Cape Station sẽ hạ còn 4,5 cent/kWh, nhờ đó trở thành lựa chọn tốt hơn về mặt kinh tế so với các dự án điện mặt trời và điện gió mới.

Trí tuệ nhân tạo (AI) có thể đẩy nhanh hơn nữa việc phát triển năng lượng địa nhiệt. Hiện tại, các tập đoàn công nghệ – với nhiều cái tên trong số đó cam kết sử dụng năng lượng tái tạo – đang đầu tư mạnh vào điện hạt nhân nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện của trung tâm dữ liệu. Google đã ký thỏa thuận mua điện hạt nhân từ các lò phản ứng mới do công ty khởi nghiệp Kairos phát triển và Microsoft chuẩn bị tái khởi động lò phản ứng Three Mile Island. Còn Amazon hồi tháng 3.2024 đã đầu tư 650 triệu USD vào một trung tâm dữ liệu đặt gần lò phản ứng hạt nhân ở Pennsylvania.

Tuy vậy, so với điện hạt nhân, năng lượng địa nhiệt sẽ là lựa chọn tốt hơn về lâu dài. Điện địa nhiệt cũng có khả năng vận hành liên tục, không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết nhưng an toàn hơn và không xả thải như điện hạt nhân.

Fervo Energy đã đạt thỏa thuận dài hạn để cung cấp 115MW điện địa nhiệt cho các trung tâm dữ liệu của Google, bên cạnh 320MW cho Công ty điện lực Southern California Edison. Cape Station sở hữu vị trí thuận lợi khi đặt gần một trang trại điện gió quy mô 165 tuabin, cho phép dự án tận dụng đường truyền cao thế sẵn có để hòa vào lưới điện.

Một lợi thế khác của Cape Station là khu vực Milford, Utah nằm gần Vành đai Lửa, dãy núi lửa bao quanh Thái Bình Dương với các dãy đá nóng sát với bề mặt trái đất. Thêm vào đó, dự án này không đe dọa đến những loài động vật có nguy cơ tuyệt chủng, địa điểm khảo cổ hay vấp phải phản đối từ các nhà hoạt động NIMBY (thuật ngữ ám chỉ nhóm người phản đối các dự án thực hiện gần nơi họ sinh sống) tại Milford, nơi có nhu cầu lớn về việc làm.

Chỉ một điều đáng lo ngại: Donald Trump. Tổng thống của Mỹ thực hiện cam kết đưa ra trong chiến dịch tranh cử là cắt giảm các khoản trợ cấp cho năng lượng tái tạo trong Đạo luật Giảm lạm phát (IRA) năm 2022, ảnh hưởng đến tài chính của Cape Station.

Năm 2008, Tim Latimer theo học ngành kỹ thuật cơ khí tại Đại học Tulsa, Oklahoma. Đến năm cuối đại học, anh cảm thấy hứng thú với những cuộc thảo luận, nghiên cứu thuộc chuyên ngành kỹ thuật dầu khí tập trung vào fracking, kỹ thuật tiên tiến giúp các nhà sản xuất dầu độc lập làm giàu từ việc “giải phóng” dầu và khí đốt trong đá phiến. “Tôi muốn trở thành một phần của lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ này,” Tim Latimer chia sẻ.

Tim Latimer khởi đầu sự nghiệp từ vị trí kỹ sư giàn khoan tại mỏ đá phiến Eagle Ford ở phía nam Texas. Vào thời điểm đó, hoạt động khai thác dầu và khí đốt tại đây đang diễn ra mạnh mẽ, song gặp phải tình trạng thiết bị khoan và cảm biến bị nung chảy do tiếp xúc với nhiệt quá cao của các lớp đá ở mức 148 độ C. Do đó, sếp của Latimer đã giao cho anh nhiệm vụ tìm kiếm giải pháp khả thi áp dụng trong điều kiện nhiệt độ như vậy.

Trong một thập niên tới, điện địa nhiệt sẽ rẻ như điện mặt trời mà còn có thể vận hành liên tục, bất kể ngày đêm.

Quá trình tìm kiếm đã đưa Tim Latimer đến với việc khám phá về năng lượng địa nhiệt, khái niệm còn xa lạ với doanh nhân này vào thời điểm đó. Nhiều thập niên qua, các tập đoàn năng lượng như Chevron và Getty Oil đã tìm cách khai thác năng lượng địa nhiệt trên quy mô lớn nhưng không thành công. Năm 2006, Tim Latimer được đọc qua những bài phân tích từ Viện công nghệ Massachusetts (MIT), trong đó cũng khẳng định sự cần thiết phải cải tiến công nghệ khoan để thương mại hóa năng lượng địa nhiệt.

Anh còn nhớ mình đã bật cười lớn khi nhận ra phương pháp fracking trong khai thác dầu cũng có thể áp dụng cho năng lượng địa nhiệt. “Suy nghĩ ban đầu của tôi là ý tưởng này quá hiển nhiên và chắc hẳn đã có người thử rồi,” anh kể. Tim Latimer quyết định dò hỏi và nhận thấy các đồng nghiệp trong ngành dầu khí không quan tâm đến năng lượng địa nhiệt.

Trong khi đó, hoạt động khai thác địa nhiệt lại không theo kịp những tiến bộ trong công nghệ khoan. “Việc phát triển năng lượng địa nhiệt như tụt hậu đến cả thế kỷ vậy,” Tim Latimer, người thuộc thế hệ cư dân thứ tám ở Texas, nhận xét.

Anh bắt đầu theo đuổi việc triển khai kỹ thuật fracking trong khai thác địa nhiệt từ đá nóng và viết bài luận nêu rõ tầm nhìn của mình. Bài luận này giúp Tim Latimer được nhận vào Đại học Stanford, nơi anh theo học chương trình thạc sĩ quản trị kinh doanh và khóa tiến sĩ ngành kỹ thuật địa nhiệt. Tại đây, anh quen biết Jack Norbeck, người viết luận văn thạc sĩ về phương pháp khai thác địa nhiệt mà không gây ra động đất.

Sau khi hoàn tất chương trình học, vào năm 2017, cả hai sáng lập Fervo Energy và Jack Norbeck (hiện 37 tuổi) giữ chức giám đốc công nghệ. Công ty nhanh chóng được chấp nhận vào Cyclotron Road, chương trình hỗ trợ tài chính danh tiếng do phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley thuộc Bộ Năng lượng Mỹ tổ chức. Trong hai năm tham gia, hai người đã tiếp xúc và tích lũy kinh nghiệm từ những chuyên gia khác nhau.

Thời điểm đó DOE đã có nhiều nghiên cứu về tiềm năng của năng lượng địa nhiệt. Vào năm 2015, DOE khảo sát năm địa điểm phù hợp nhất để đặt FORGE (Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy), cơ sở đầu tiên về nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng địa nhiệt và đã chọn Utah theo lời khuyên từ Joseph Moore, giáo sư tại Đại học Utah, người từng thử nghiệm kỹ thuật fracking trong khai thác địa nhiệt cho mục đích học thuật.

Là trung tâm cấp quốc gia, FORGE đã công bố toàn bộ tài liệu nghiên cứu, giúp các công ty như Fervo Energy tiết kiệm thời gian và hàng triệu USD. “FORGE đã tạo sức bật mạnh mẽ cho chúng tôi,” Tim Latimer cho biết.

Anh đã rút ra được bài học quý báu từ sự phát triển mạnh mẽ của hoạt động khai thác dầu khí: chủ động thuê đất từ sớm và thường xuyên gia hạn hợp đồng. Do vậy, khi còn tham gia Cyclotron Road, anh đã thuê khu đất rộng 242 héc ta với số vốn vài triệu USD từ Breakthrough Energy Ventures và các nhà đầu tư khác. Nằm gần FORGE, khu đất này được công ty thuê lại từ nhiều bên khác nhau gồm chủ trang trại, Chính phủ Mỹ và Cơ quan quản lý đất đai của bang Utah.

Năm 2022, Fervo Energy huy động thành công 138 triệu USD, dùng một phần để triển khai dự án thí điểm tại một nhà máy địa nhiệt ở Nevada lúc đó đang có năng suất vận hành kém do sản xuất ít hơi nước. Tim Latimer và Jack Norbeck đã cho khoan cặp giếng ở cùng độ sâu 2,3km bằng kỹ thuật fracking, đánh dấu việc đưa phương pháp này từ lý thuyết sang thực tiễn.

Hồi tháng 2.2024, Fervo Energy huy động thêm 244 triệu USD và nhận về mức định giá 850 triệu USD. Trong đó, dẫn đầu là 100 triệu USD từ Devon Energy, công ty đặt trụ sở tại Oklahoma (hiện nắm 17% cổ phần) và 30 triệu USD từ tỉ phú lĩnh vực năng lượng ở Houston, John Arnold. Tim Latimer không tiết lộ về số cổ phần mình nắm giữ, nhưng Forbes ước tính có giá trị tối thiểu 50 triệu USD.

Latimer có những mục tiêu đầy tham vọng dành cho Fervo Energy, nhưng anh sẽ phải đối mặt với rất nhiều rủi ro phía trước. Một trong số đó là việc Tổng thống Donald Trump muốn bãi bỏ Đạo luật Giảm lạm phát (IRA), bao gồm các khoản ưu đãi thuế cho những nhà khai thác năng lượng địa nhiệt. Bù lại, họ có hai lựa chọn: hoặc là hưởng khoản ưu đãi tương đương 30% vốn đầu tư đối với các dự án triển khai từ năm 2032 trở đi, hoặc doanh nghiệp nhận 2,75 cent/KW điện năng đã sản xuất trong một thập niên qua.

Tim Latimer tin rằng Fervo Energy vẫn sẽ hoạt động tốt trong nhiệm kỳ của Tổng thống Donald Trump, chỉ cần chính phủ không đưa ra bất kỳ sự thay đổi nào về chính sách khiến năng lượng địa nhiệt bị bất lợi so với các nguồn năng lượng tái tạo khác.

Fervo Energy không phải cái tên duy nhất trên “sân chơi” này. Quaise Energy, công ty có trụ sở tại Houston, đã huy động 96 triệu USD để triển khai công nghệ khoan mới phát triển tại MIT. Công nghệ này sử dụng sóng năng lượng cao, công suất tương đương với 10 ngàn lò vi sóng, để phá vỡ các khối đá granite nằm sâu trong lòng đất.

Tiếp đến là Sage Geosystems, doanh nghiệp do Cindy Taff – cựu giám đốc Shell – điều hành, thực hiện cải tiến phương pháp sản xuất điện địa nhiệt bằng một giếng duy nhất. Sage Geosystems đang xây dựng một nhà máy thí điểm gần San Antonio và ký thỏa thuận cung cấp đến 150MW điện năng cho Tập đoàn Meta.

Bên cạnh các thách thức về mặt kỹ thuật, Fervo sẽ phải vượt qua khó khăn về cấp phép và hai nguồn tài nguyên đất, nước. Đầu tiên là nước. Mỗi giếng địa nhiệt cần hàng triệu gallon nước và dù hệ thống của Fervo Energy vận hành khép kín, vẫn không tránh được việc tiêu hao nước do bốc hơi và rò rỉ (Ưu điểm là hệ thống không kén chọn, có thể sử dụng nước mưa, nước thải công nghiệp chưa qua xử lý hay thậm chí là nước mặn).

Tiếp theo là đảm bảo nguồn đất. Phần lớn diện tích ở miền tây nước Mỹ, bao gồm cả 70% đất đai ở Utah, do Cục Quản lý Đất đai Mỹ (BLM) quản lý, mở ra tiềm năng đáng kể cho việc phát triển các dự án năng lượng địa nhiệt. Về cấp phép, năng lượng địa nhiệt được xem là “thân thiện với môi trường” nên sẽ ít bị phản đối hơn so với khai thác dầu khí. Dẫu vậy, Cindy Taff cũng thừa nhận có một số người cho rằng dự án với quy mô vận hành lớn như vậy sẽ gây mất mỹ quan.

Việc sử dụng kỹ thuật fracking cũng tiềm ẩn rủi ro gây ra các trận động đất nhỏ. Tuy nhiên, các cảm biến của FORGE ghi nhận cường độ động đất chỉ đến 1,9 độ richter, dưới ngưỡng báo động. Đã xuất hiện lo ngại về ảnh hưởng của việc khai thác bằng fracking đến lõi trái đất. Nhưng điều đó rất khó xảy ra, vì núi lửa tự nhiên giải phóng nhiều năng lượng hơn mức con người có thể khai thác. Trên thực tế, lõi trái đất có nhiệt độ trung bình lên đến năm ngàn độ C, hình thành từ quá trình phân rã phóng xạ của các nguyên tố như uranium, thorium và sẽ duy trì sức nóng trong một vài tỉ năm nữa.

Theo Cindy Taff, sản lượng điện địa nhiệt qua thời gian có thể giảm khoảng 10% sau năm năm, đồng nghĩa Fervo Energy sẽ cần khoan thêm giếng để duy trì nguồn cung. Tim Latimer cho rằng việc này là chuyện bình thường và lấy ví dụ từ Eagle Ford, mỏ đá phiến ban đầu có công suất một ngàn thùng dầu mỗi ngày nhưng giảm còn 600 thùng sau một năm.

“Các lớp đá thường dẫn nhiệt rất chậm và mất nhiều thời gian để nhiệt sản sinh trở lại tại khu vực liên tục diễn ra hoạt động khai thác, gây ảnh hưởng đến công suất,” Tim Latimer nói. Anh đưa ra giải pháp đơn giản: Đào sâu hơn nữa.

Biên dịch: Quỳnh Anh