Замість газу з Росії: як добувати для дому безкоштовну енергію з-під землі

У світі стає популярним видобуток геотермальної енергії, що дає змогу обігрівати оселі завдяки "зеленій" електриці замість дров'яних, газових чи інших котлів на викопному паливі. Фокус розібрався, як це працює і чи справді може стати в пригоді українцям.

Як добувають геотермальну енергію і навіщо вона потрібна

У надрах Землі відбувається багато процесів, які продукують тепло, свідчення тому — вулкани та гейзери. Але необов'язково в них копатися, щоб отримати теплову енергію, адже звичайний ґрунт сам по собі непогано нагрівається і зберігає стабільну температуру незалежно від погоди чи пори року.

Теплові насоси використовують низькотемпературну геотермальну енергію, що зберігається глибоко під землею, для обігріву та охолодження будинків. Пристрої схожі на більш широко використовувані повітряні теплові насоси, які працюють як кондиціонери, використовуючи вентилятори і компресори для відводу тепла з будівель влітку. На відміну від кондиціонерів, теплові насоси також працюють за зворотним принципом, доставляючи тепло в будівлі для їх обігріву взимку. Вони потребують електрики для роботи, але можуть отримувати її від сонячних або вітрових електростанцій і не залежати від центральної мережі.

Коли температура зовнішнього повітря різко підвищується влітку або різко падає взимку, повітряні теплові насоси повинні працювати інтенсивніше, що робить їх менш ефективними. Однак ґрунтові теплові насоси зазвичай отримують тепло разом із розчином на основі води з підземних свердловин, пробурених на глибині кількох десятків метрів, або спеціальних труб, закопаних просто під поверхнею землі, де температура становить близько 55 градусів за Фаренгейтом (13 градусів за Цельсієм) цілий рік. Влітку ж вони, навпаки, охолоджують приміщення, виводячи тепло під землю, додатково нагріваючи ґрунт і запасаючи енергію на зиму. Це робить їх високоефективним джерелом опалення та охолодження протягом усього року.

Температура в 13 градусів за Цельсієм не така вже й висока, щоб люди комфортно почувалися в будівлі, але насоси закачують теплопровідний рідкий розчин у спеціальний резервуар, де він обмінюється тепловою енергією з рідким холодоагентом. Потім цей холодоагент перетворюється на пару і стискається, в результаті його температура підвищується. Щойно ця пара стає досить гарячою, вона надходить у теплообмінник, де повітря нагрівається, а потім подається в кімнати через стандартну систему повітропроводів.

Згідно зі звітом Міністерства енергетики США, до 2035 року геотермальні теплові насоси зможуть обігрівати й охолоджувати близько 7 мільйонів будинків у країні, тоді як сьогодні цей показник становить трохи більше 1 мільйона. Широке впровадження технології знизить піковий попит на електромережу на 12 ГВт влітку і на 40 ГВт взимку, вважають американські експерти. Це еквівалентно відключенню десятків вугільних або газових електростанцій у періоди високого споживання.

"По суті, вони пропонують економічно ефективне рішення для опалення та охолодження, і причина, через яку це важливо, полягає в тому, що значна частина споживання енергії у США та в усьому світі йде на опалення та охолодження приміщень", — сказала Лорен Бойд, керівник Управління геотермальних технологій Міністерства енергетики.

Швидкому впровадженню технологій для видобутку геотермальної енергії заважають високі витрати, пов'язані з бурінням свердловин і прокладанням труб під землею. Крім того, може знадобитися встановлення нових повітропроводів або іншого обладнання. Наразі у США витрати на встановлення типової системи для житлового будинку становлять 19 000 доларів після вирахування податкових пільг, хоча висока вартість окуповується з часом завдяки високій ефективності.

У Міненергетики впевнені, що для скорочення витрат варто створювати теплові енергетичні мережі, в яких кілька будівель спільно використовують систему опалення та охолодження. Десятки університетів по всій країні вже встановили такі мережі з ґрунтовими тепловими насосами.

Види геотермальних насосів

Як пояснює виробник Dandelion, багато геотермальних систем схожі між собою, але між ними є відмінності. Деякі використовують замкнуту або відкриту систему, ставки або контури заземлення з гнучкою котушкою. Існують плюси і мінуси різних конфігурацій контурів для геотермального опалення будинків. Інженери Dandelion використовують замкнуті системи, коли U-подібні труби прокладають тільки під одним будинком, і їх не під'єднують до будь-якої зовнішньої мережі. Вони вважають їх найбільш ефективним і безпечним варіантом для домогосподарств. Тепловий насос при цьому дає змогу регулювати температуру за потребою.

Замість використання великих бурових установок, подібних до тих, що застосовуються для буріння артезіанських свердловин, Dandelion застосовує невеликі бури, які свердлять одну або дві глибокі свердловини шириною всього кілька дюймів, куди потім заводяться труби. Така система займає менше місця і монтується за кілька днів замість тижнів, заощаджуючи гроші і час.

Інша справа, що в одну мережу можна об'єднати багато будівель. У 2024 році компанія Eversource Energy ввела в експлуатацію перший у США геотермальний район, керований комунальною службою, у Фрамінгемі, Массачусетс, повідомляє журнал Grist. Труби помістили в свердловини глибиною 600-700 футів (близько 180-215 метрів), де температура ґрунту постійно становить 13 градусів Цельсія. Суміш води і пропіленгліколю (харчова добавка, що служить антифризом) котиться по трубах і поглинає геотермальну енергію, нагріваючись, а потім надходить до 31 житлової та п'яти комерційних будівель, де повністю електричні теплові насоси використовують рідину для обігріву або охолодження приміщення.

Така геотермальна система надзвичайно ефективна. Вона має "коефіцієнт продуктивності" рівний 6, тобто на кожну витрачену одиницю енергії припадає шість одиниць тепла. Для порівняння, газові печі мають коефіцієнт менше 1.

Після встановлення системи будинки зможуть отримувати тепло з розчину, що закачується з-під фундаменту, замість того, щоб опалюватися недешевим природним газом. Для розгортання геотермальної мережі використовують те саме обладнання і навіть такі самі труби, що й для газопроводів — вони просто перекачують рідину замість газу. Для роботи мереж не потрібна особлива геологія, тому їх можна встановлювати практично де завгодно і поступово підключати район за районом.

Це відносно нова технологія, тому витрати на установку все ще високі. Eversource стверджує, що її бюджет на проєкт становив близько $18 млн. Найімовірніше, як і у випадку з будь-якою технологією, витрати знижуватимуться в міру вдосконалення і поширення. Перехід із газових підключень на мережеве геотермальне опалення може скоротити витрати на електроенергію на 15-20%, за оцінками Eversource Energy.

Знизити вартість встановлення геотермальних станцій може нова технологія стартапу Borobotic зі Швейцарії. Інженери створили робота-хробака Grabowski завширшки 13,5 см і завдовжки 2,8 метра, який може автономно бурити свердловини завглибшки до 500 метрів, і планують випробувати його в ділі вже 2025 року. Машина вміє розпізнавати типи матеріалів, крізь які пробивається, а також газ і воду, щоб одразу ж запечатати тунель і не допустити витоку.