Nuo senovės laikų žinoma energija po mūsų kojomis
Kai žiemą šildome namus ar verdam kavą, retai pagalvojame, kad didžiulė energijos atsarga slypi tiesiog po mūsų kojomis. Žemės gelmėse temperatūra nuolat auga – kuo giliau, tuo karščiau. Šis reiškinys nėra naujas atradimas, žmonės apie jį žino jau tūkstančius metų. Senovės romėnai statė termas virš karštų šaltinių, islandai šimtmečius naudojo geizerius maistui virti, o japonai mėgavosi onsenu – natūraliais karštais baseinais.
Žemės šiluma, arba geoterminis energijos šaltinis, veikia visai paprastai. Mūsų planeta nėra šaltas akmens kamuolys – jos vidus išliko įkaitęs nuo pat susiformavimo prieš 4,5 milijardo metų. Radioaktyvių elementų skilimas žemės branduolyje ir mantijoje nuolat gamina šilumą, kuri pamažu keliauja link paviršiaus. Vidutiniškai temperatūra didėja maždaug 25-30 laipsnių kas kilometrą gilyn, nors kai kuriose vietose šis pokytis būna daug didesnis.
Kodėl žemė viduje karšta
Žemės branduolys yra karštas kaip saulės paviršius – ten temperatūra siekia apie 5000-6000 laipsnių Celsijaus. Tai skamba neįtikėtinai, bet taip yra dėl kelių priežasčių. Pirmiausia, kai prieš milijardus metų formavosi mūsų planeta, didžiuliai akmenys ir meteorai trenkėsi vienas į kitą milžiniška jėga. Visa ta kinetinė energija virto šiluma.
Antra, žemės gelmėse vyksta nuolatinis radioaktyvių elementų – urano, torio ir kalio izotopų – skilimas. Šis procesas vyksta labai lėtai, bet nesiliauja nė akimirką. Kiekvieną sekundę milijardai atomų skyla ir išskiria energiją. Per milijardus metų tai sukaupia neįsivaizduojamą šilumos kiekį.
Trečia, žemės branduolys yra iš geležies ir nikelio, kurie lėtai kristalizuojasi. Kai skystis virsta kietu kūnu, išsiskiria papildoma šiluma – panašiai kaip vanduo atšąlant iki ledo išskiria energiją. Visi šie procesai kartu palaiko mūsų planetą įkaitusią iš vidaus.
Kaip ta šiluma pasiekia paviršių
Šiluma iš žemės gelmių keliauja aukštyn trimis būdais: laidumu, konvekcija ir spinduliuote. Žemės plutoje – kietoje išorinėje sluoksnyje – šiluma juda daugiausia laidumu, kaip šiluma per metalinę keptuvę. Mantijoje, kuri yra plastiškas sluoksnis po pluta, vyksta lėta konvekcija – karštos uolienos kyla aukštyn, o atvėsusios leidžiasi žemyn, tarsi labai lėtas virimas.
Kai kur šiluma pasiekia paviršių greičiau nei kitur. Vulkaninėse zonose, tektoninių plokščių sandūrose ar plyšiuose žemės pluta plonesnė, todėl ten geoterminis gradientas – temperatūros kilimas su gyliu – būna daug didesnis. Islandijoje, Naujojoje Zelandijoje, Filipinuose ar Kalifornijoje žmonės gali pasiekti labai karštą vandenį ar garą iškasę vos kelių šimtų metrų gylį.
Lietuvoje ir daugelyje kitų stabilių tektoninių zonų žemės pluta storesnė, todėl norint pasiekti reikšmingą temperatūrą reikia kasti giliau – paprastai 1-3 kilometrus. Bet net ir čia žemės šiluma yra ir ją galima panaudoti.
Geoterminis šildymas namams – kaip tai veikia praktiškai
Daugelis žmonių mano, kad geoterminis šildymas tinka tik ten, kur iš žemės trykšta garai, bet tai toli gražu ne tiesa. Šiuolaikinės technologijos leidžia išnaudoti žemės šilumą net ir ten, kur temperatūros nėra ekstremalios. Paprasčiausias būdas – žemės šilumos siurblys, kuris veikia panašiai kaip šaldytuvas, tik atvirkščiai.
Įsivaizduokite: net ir žiemą, kai lauke šalta, jau 1,5-2 metrų gylyje žemės temperatūra išlieka stabili – apie 8-12 laipsnių. Tai daug šilčiau nei oras viršuje. Žemės šilumos siurblys tą šilumą „ištraukia” ir pakelia jos temperatūrą iki reikiamo lygio namams šildyti.
Kaip tai vyksta? Į žemę įkasamos vamzdžių kilpos, kuriomis cirkuliuoja specialus skystis (dažniausiai vandens ir glikolio mišinys). Šis skystis žemėje sušyla keliomis laipsniais ir grįžta į siurblį. Siurblyje yra kompresorius ir specialus darbinis skystis, kuris garuoja žemoje temperatūroje. Kai šiltas skystis iš žemės pašildo šį darbinį skystį, jis išgaruoja. Tada kompresorius suspaudžia tuos garus, o suspausti garai labai įkaista – net iki 50-60 laipsnių. Ši šiluma perduodama namų šildymo sistemai, garai vėl suskystėja, ir ciklas kartojasi.
Gilus gręžimas ir elektros gamyba
Kai kalbame apie pramonines geotermines elektrines, reikalai tampa rimtesni. Čia jau nebe kelių metrų gręžiniai, o gilios skylės – kartais net 3-5 kilometrai į žemės gelmes. Tokiame gylyje temperatūra gali siekti 150-300 laipsnių Celsijaus, o kai kur ir daugiau.
Geotermines elektrines paprasčiausiai statyti ten, kur yra natūralūs požeminiai vandens rezervuarai, kuriuos šildo karštos uolienos. Išgręžus skylę, karštas vanduo ar garas pats kyla į viršų dėl slėgio. Jei tai garas, jis tiesiogiai sukasi turbinas, kurios generuoja elektros energiją. Jei vanduo – jis perleidžiamas per specialų įrenginį, kur sumažinus slėgį virsta garu.
Yra ir sudėtingesni metodai. Pavyzdžiui, binarine sistema, kai karštas geotermalinis vanduo nepatenka tiesiai į turbiną, o šildo kitą skystį, kuris virsta garu žemesnėje temperatūroje. Tai leidžia efektyviai naudoti net santykinai vėsius – 100-150 laipsnių – geoterminius šaltinius.
Įdomiausia nauja technologija – Enhanced Geothermal Systems (EGS). Čia žmonės dirbtinai sukuria geoterminį rezervuarą ten, kur jo natūraliai nėra. Kaip? Išgręžiamos dvi ar daugiau gylių skylių į karštas, bet sausas uolienas. Tada į vieną skylę dideliu slėgiu įpumpuojamas vanduo, kuris atskleidžia esamų plyšių tinklą arba sukuria naujų. Vanduo pasiskirsto po karštas uolienas, įkaista ir kyla atgal kita skyle. Taip galima gauti geoterminę energiją net ten, kur nėra natūralių vandens sluoksnių.
Kur pasaulyje geriausiai veikia geotermalė
Islandija yra tikras geoterminis rojus. Ši šalis gauna beveik 90% savo šilumos ir apie 30% elektros iš žemės gelmių. Ten galima pamatyti kaip garai kyla iš žemės tiesiog miesto centre, o žmonės maudosi lauke karštose lagūnose net žiemą. Islandijos sostinė Reikjavikas šildoma beveik išimtinai geotermine energija – karštas vanduo teka vamzdžiais tiesiai iš gręžinių į namus.
Filipinai yra antra pagal dydį geoterminio elektros gamintoja pasaulyje. Šalis yra ant Ugnikalnių žiedo, todėr turi puikias sąlygas. Indonezija, Kenija, Naujoji Zelandija, Meksika – visos šios šalys aktyviai plėtoja geoterminę energetiką.
Bet net ir stabilesnėse geologinėse zonose geotermija veikia. Vokietijoje veikia kelios dešimtys geoterminio šildymo sistemų, kurios šildo ištisus miestus. Prancūzijoje Paryžiaus priemiesčiai naudoja geoterminę šilumą iš gilių sluoksnių. JAV Kalifornijoje veikia didžiausia pasaulyje geoterminio elektros kompleksas The Geysers, kuris gamina pakankamai energijos keliems šimtams tūkstančių namų.
Privalumai ir iššūkiai
Geoterminė energija turi vieną milžinišką pranašumą – ji veikia visada. Saulė šviečia ne visada, vėjas pučia ne nuolat, bet žemės šiluma niekur nedingsta. Tai bazinė energija, kuria galima pasikliauti 24 valandas per parą, 365 dienas per metus. Geotermines elektrines galima eksploatuoti 90-95% laiko, o tai daug daugiau nei bet kokį kitą atsinaujinantį šaltinį.
Ekologiškai geotermalė taip pat švari – praktiškai jokių išmetamų teršalų, jokio kuro deginimo, labai mažas plotas palyginus su saulės ar vėjo fermomis. Viena geoterminio elektrinė užima vos kelis hektarus, o gamina energiją kaip didelė vėjo ferma, kuriai reikėtų šimtų hektarų.
Tačiau yra ir problemų. Pirmiausia – pradinės investicijos. Gilus gręžimas brangus, o niekada nežinai tiksliai, ką rasi žemėje. Gali išgręžti brangią skylę ir nerasti pakankamai karšto vandens ar tinkamo sluoksnio. Tai rizika, kuri stabdo investuotojus.
Antra problema – geografija. Ne visur žemės šiluma pasiekiama ekonomiškai pagrįstame gylyje. Lietuvoje, pavyzdžiui, reikia kasti giliau nei Islandijoje, todėl kaina didesnė. Trečia – kai kuriose vietose geoterminė veikla gali sukelti nedidelius žemės drebėjimus, ypač naudojant EGS technologiją. Nors dažniausiai tai labai silpni drebėjimai, žmonės jų bijo.
Dar viena problema – korozija ir mineralų nusėdimas. Geotermalinis vanduo dažnai turi daug ištirpusių mineralų ir dujų, kurie gali greitai sugadinti įrangą. Reikia specialių medžiagų ir reguliarios priežiūros.
Ką galima padaryti savo namuose
Jei galvojate apie geoterminį šildymą savo namui, pirmiausia reikia suprasti, kad tai ilgalaikė investicija. Žemės šilumos siurblio įrengimas gali kainuoti nuo 10 000 iki 25 000 eurų priklausomai nuo namo dydžio ir sistemos tipo. Bet eksploatacijos sąnaudos bus 3-4 kartus mažesnės nei šildant dujomis ar elektra.
Yra keletas sistemų tipų. Horizontalūs kolektoriai – vamzdžiai klojami 1,5-2 metrų gylyje dideliame plote. Tai pigiausia, bet reikia daug žemės. Vertikalūs gręžiniai – viena ar kelios skylės 50-150 metrų gylio. Užima mažai vietos, bet gręžimas brangesnis. Yra ir vandens sistemų, jei turite šalia ežerą ar upę – vamzdžiai klojami vandens dugne.
Svarbu suprasti, kad žemės šilumos siurblys efektyviausias su grindinio šildymo sistemomis, kur reikia žemesnės temperatūros. Jei jūsų namuose seni radiatoriai, gali tekti juos keisti arba rinktis galingesnį siurblį. Taip pat būtina, kad namas būtų gerai apšiltintas – kitaip bet kokia šildymo sistema bus neefektyvi.
Prieš įrengiant sistemą verta pasikviesti specialistą, kuris įvertins jūsų žemės geologiją, namo šilumos poreikius ir pasiūlys optimalų sprendimą. Lietuvoje yra ES paramos programų, kurios gali kompensuoti dalį išlaidų, todėl verta pasiteirauti savivaldybėje ar energetikos agentūroje.
Ateitis po mūsų kojomis
Žemės šiluma – tai energijos šaltinis, kuris bus su mumis tol, kol egzistuos pati planeta. Skirtingai nei iškastinis kuras, kuris baigiasi, ar saulė, kuri šviečia ne visada, geotermalė energija yra patikima ir praktiškai neišsemiama žmogiškuoju laiko mastu. Technologijos tobulėja, gręžimas tampa pigesnis, o nauji metodai leidžia pasiekti šilumą ten, kur anksčiau tai buvo neįmanoma.
Daugelis šalių jau suprato, kad investicijos į geotermalę atsipirks ne tik ekonomiškai, bet ir ekologiškai. Mažiau teršalų, mažiau priklausomybės nuo importuojamo kuro, stabilesnės energijos kainos – tai argumentai, kurie svarbu tiek namų savininkams, tiek valstybėms.
Lietuvoje geotermalė dar tik pradeda plėtotis, bet potencialas tikrai yra. Nors neturime ugnikalnių ar geizerių, turime stabilią geologiją ir technologijas, kurios leidžia išnaudoti net santykinai žemesnės temperatūros šaltinius. Kuo daugiau žmonių sužinos apie šią technologiją ir jos privalumus, tuo greičiau ji taps įprasta dalimi mūsų energetikos sistemos. Galbūt po kelių dešimtmečių žemės šiluma šildys ne tik atskirus namus, bet ir ištisus miestus, o mes stebėsimės, kaip anksčiau galėjome to nenaudoti.