Вместо газа из России: как добывать для дома бесплатную энергию из-под земли

В мире становится популярной добыча геотермальной энергии, которая позволяет обогревать дома благодаря "зеленому" электричеству вместо дровяных, газовых или других котлов на ископаемом топливе. Фокус разобрался, как это работает и действительно ли может пригодиться украинцам.

Как добывают геотермальную энергию и зачем она нужна

В недрах Земли происходит много процессов, которые производят тепло, свидетельство тому — вулканы и гейзеры. Но необязательно в них копаться, чтобы получить тепловую энергию, ведь обычный грунт сам по себе неплохо нагревается и сохраняет стабильную температуру независимо от погоды или времени года.

Тепловые насосы используют низкотемпературную геотермальную энергию, хранящуюся глубоко под землей, для обогрева и охлаждения домов. Устройства похожи на более широко используемые воздушные тепловые насосы, которые работают как кондиционеры, используя вентиляторы и компрессоры для отвода тепла из зданий летом. В отличие от кондиционеров, тепловые насосы также работают по обратному принципу, доставляя тепло в здания для их обогрева зимой. Они нуждаются в электричестве для работы, но получать его от солнечных или ветровых электростанций и не зависеть от центральной сети.

Когда температура наружного воздуха резко повышается летом или резко падает зимой, воздушные тепловые насосы должны работать интенсивнее, что делает их менее эффективными. Однако грунтовые тепловые насосы обычно получают тепло вместе с раствором на основе воды из подземных скважин, пробуренных на глубине нескольких десятков метров, или специальных труб, зарытых прямо под поверхностью земли, где температура составляет около 55 градусов по Фаренгейту (13 градусов по Цельсию) круглый год. Летом же они, напротив, охлаждают помещение, выводя тепло под землю, дополнительно нагревая грунт и запасая энергию на зиму. Это делает их высокоэффективным источником отопления и охлаждения в течение всего года.

Температура в 13 градусов по Цельсию не так уж высока, чтобы люди комфортно себя чувствовали в здании, но насосы закачивают теплопроводный жидкий раствор в специальный резервуар, где он обменивается тепловой энергией с жидким хладагентом. Затем этот хладагент превращается в пар и сжимается, в результате его температура повышается. Как только этот пар становится достаточно горячим, он поступает в теплообменник, где воздух нагревается, а затем подается в комнаты через стандартную систему воздуховодов.

Согласно отчету Министерства энергетики США, к 2035 году геотермальные тепловые насосы смогут обогревать и охлаждать около 7 миллионов домов в стране, тогда как сегодня этот показатель составляет чуть более 1 миллиона. Широкое внедрение технологии снизит пиковый спрос на электросеть на 12 ГВт летом и на 40 ГВт зимой, считают американские эксперты. Это эквивалентно отключению десятков угольных или газовых электростанций в периоды высокого потребления.

"По сути, они предлагают экономически эффективное решение для отопления и охлаждения, и причина, по которой это важно, заключается в том, что значительная часть потребления энергии в США и во всем мире идет на отопление и охлаждение помещений", — сказала Лорен Бойд, руководитель Управления геотермальных технологий Министерства энергетики.

Быстрому внедрению технологий для добычи геотермальной энергии мешают высокие затраты, связанные с бурением скважин и прокладкой труб под землей. Кроме того, могут понадобиться установка новых воздуховодов или другого оборудования. Сейчас в США затраты на установку типичной системы для жилого дома составляют 19 000 долларов после вычета налоговых льгот, хотя высокая стоимость окупается со временем благодаря высокой эффективности.

В Минэнергетики уверены, что для сокращения расходов стоит создавать тепловые энергетические сети, в которых несколько зданий совместно используют систему отопления и охлаждения. Десятки университетов по всей стране уже установили такие сети с грунтовыми тепловыми насосами.

Виды геотермальных насосов

Как объясняет производитель Dandelion, многие геотермальные системы похожи между собой, но между ними есть различия. Некоторые используют замкнутую или открытую систему, пруды или контуры заземления с гибкой катушкой. Существуют плюсы и минусы различных конфигураций контуров для геотермального отопления домов. Инженеры Dandelion используют замкнутые системы, когда U-образные трубы прокладываются только под одним домом и не подключены к какой-либо внешней сети. Они считают их наиболее эффективным и безопасным вариантом для домохозяйств. Тепловой насос при этом позволяет регулировать температуру по необходимости.

Вместо использования больших буровых установок, подобных тем, что применяются для бурения артезианских скважин, Dandelion применяет небольшие буры, сверлящих одну или две глубокие скважины шириной всего несколько дюймов, куда потом заводятся трубы. Такая система занимает меньше места и монтируется за несколько дней вместо недель, экономя деньги и время.

Другое дело, что в одну сеть можно объединить много зданий. В 2024 году компания Eversource Energy ввела в эксплуатацию первый в США геотермальный район, управляемый коммунальной службой, во Фрамингеме, Массачусетс, сообщает журнал Grist. Трубы поместили в скважины глубиной 600-700 футов (около 180-215 метров), где температура грунта постоянно составляет 13 градусов цельсия. Смесь воды и пропиленгликоля (пищевая добавка, служащая антифризом) качается по трубам и поглощает геотермальную энергию, нагреваясь, а затем поступает в 31 жилое и пять коммерческих зданий, где полностью электрические тепловые насосы используют жидкость для обогрева или охлаждения помещения.

Такая геотермальная система чрезвычайно эффективна. Она имеет "коэффициент производительности" равный 6, то есть на каждую потраченную единицу энергии приходится шесть единиц тепла. Для сравнения, газовые печи имеют коэффициент менее 1.

После установки системы дома смогут получать тепло из раствора, закачиваемого из-под фундамента, вместо того, чтобы отапливаться недешевым природным газом. Для развертывания геотермальной сети используют то же оборудование и даже такие же трубы, что и для газопроводов — они просто перекачивают жидкость вместо газа. Для работы сетей не нужна особая геология, поэтому их можно устанавливать практически где угодно и постепенно подключать район за районом.

Это относительно новая технология, поэтому затраты на установку все еще высоки. Eversource утверждает, что ее бюджет на проект составил около $18 млн. Скорее всего, как и в случае с любой технологией, затраты будут снижаться по мере усовершенствования и распространения. Переход с газовых подключений на сетевое геотермальное отопление может сократить расходы на электроэнергию на 15–20%, по оценкам Eversource Energy.

Снизить стоимость установки геотермальных станций может новая технология стартапа Borobotic из Швейцарии. Инженеры создали робота-червя Grabowski шириной 13,5 см и длиной 2,8 метра, который может автономно бурить скважины глубиной до 500 метров, и планирует испытать его в деле уже в 2025 году. Машина умеет распознавать типы материалов, сквозь которые пробивается, а также газ и воду, чтобы сразу же запечатать тоннель и не допустить утечки.