Геотермальні теплові насоси: способи використання геотермальної енергії для вашого житла.

Спеціалізовані насоси забезпечують обігрів приміщень у зимовий період та охолодження влітку. Хоча їхня вартість може бути високою, з часом інвестиції виправдовують себе.

У сучасному світі набуває популярності видобуток геотермальної енергії, що дозволяє опалювати домівки з використанням "зеленої" електрики, замість традиційних дров'яних, газових або інших котлів, які працюють на викопних паливних ресурсах. Фокус дослідив, як це функціонує та чи справді може стати корисним для українців.

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 геотермальну енергію, що має низьку температуру і зберігається в глибинах землі, для забезпечення опалення та охолодження житлових приміщень. Ці пристрої подібні до більш популярних повітряних теплових насосів, які функціонують як кондиціонери, виводячи тепло з будинків у літній період за допомогою вентиляторів і компресорів. Однак, на відміну від кондиціонерів, теплові насоси здатні працювати в зворотному режимі, постачаючи тепло в приміщення для обігріву взимку. Хоча для їх функціонування потрібна електрика, її можна отримувати з відновлювальних джерел, таких як сонячні або вітрові електростанції, що дозволяє уникнути залежності від централізованої електромережі.

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 з інформацією, наданою Міністерством енергетики США, до 2035 року геотермальні теплові насоси зможуть забезпечити обігрів і охолодження приблизно 7 мільйонів домогосподарств у країні, тоді як на сьогодні цей показник ледь перевищує 1 мільйон. Масштабне впровадження цієї технології, за оцінками американських експертів, дозволить знизити піковий електричний попит на 12 ГВт в літній період і на 40 ГВт взимку. Це приблизно дорівнює закриттю десятків вугільних або газових електростанцій у моменти найвищого споживання.

"В основі їх пропозиції лежить економічно вигідне рішення для систем опалення та охолодження. Це питання є важливим, оскільки значна частина енергетичних витрат у США та на глобальному рівні витрачається саме на підтримку комфортної температури в приміщеннях," - зазначила Лорен Бойд, керівник Управління геотермальних технологій Міністерства енергетики.

Швидке впровадження технологій для видобутку геотермальної енергії стримується через значні витрати, пов'язані з бурінням свердловин та прокладкою підземних трубопроводів. Окрім того, може виникнути потреба в установці нових повітропроводів або іншого обладнання. Наприклад, у США витрати на встановлення звичайної системи для приватного будинку складають близько 19 000 доларів після врахування податкових пільг. Хоча ця сума є досить високою, вона поступово компенсується завдяки високій ефективності системи.

У Міністерстві енергетики вважають, що для зменшення витрат доцільно організовувати теплові енергетичні мережі, які дозволяють кільком будівлям спільно користуватися системами опалення та охолодження. Багато університетів по всій території країни вже реалізували такі мережі, використовуючи ґрунтові теплові насоси.

Як зазначає виробник Dandelion, багато геотермальних систем мають спільні риси, але між ними є суттєві відмінності. Деякі з них реалізують закриті або відкриті системи, використовують ставки чи контури заземлення з гнучкими трубами. Кожна з конфігурацій контурів для геотермального опалення має свої переваги та недоліки. Інженери компанії Dandelion віддають перевагу закритим системам, коли U-подібні труби розташовані виключно під одним будинком, без підключення до зовнішніх мереж. Вони вважають цей варіант найбільш ефективним і безпечним для домогосподарств. Завдяки тепловому насосу є можливість регулювати температуру відповідно до потреб.

На відміну від традиційних великих бурових установок, які використовуються для артезіанського буріння, компанія Dandelion впроваджує малогабаритні бурильні пристрої. Вони здатні створювати одну або дві глибокі свердловини з діаметром всього кілька дюймів, куди пізніше встановлюються труби. Ця технологія потребує менше простору та дозволяє завершити монтаж за кілька днів, а не тижнів, що значно економить як час, так і кошти.

Існує можливість об'єднання численних будівель в одну єдину мережу. У 2024 році компанія Eversource Energy запустила в експлуатацію перший в США геотермальний район, який управляється комунальною службою, у місті Фрамінгем, штат Массачусетс, про що повідомляє журнал Grist. Труби були закладені в свердловини на глибину 600-700 футів (приблизно 180-215 метрів), де температура ґрунту стабільно тримається на позначці 13 градусів Цельсія. Спеціальна суміш води та пропіленгліколю (харчового антифризу) циркулює в трубах, поглинаючи геотермальну енергію та нагріваючись. Ця рідина потім подається до 31 житлової та п'яти комерційних будівель, де повністю електричні теплові насоси використовують її для обігріву або охолодження приміщень.

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 впровадження нової системи будинки зможуть отримувати тепло з рідинного розчину, який закачується з-під фундаменту, замість використання дорогого природного газу для опалення. Для створення геотермальної мережі застосовують таке ж обладнання і труби, які використовуються в газопроводах, лише тепер вони перекачують рідину замість газу. Ці мережі не вимагають специфічних геологічних умов, що дозволяє їх встановлення практично в будь-якому місці з можливістю поетапного підключення окремих районів.

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.

Стартап Borobotic з Швейцарії розробив нову технологію, яка може суттєво знизити витрати на встановлення геотермальних станцій. Інженери створили робота-хробака Grabowski, який має ширину 13,5 см та довжину 2,8 метра. Цей автономний пристрій здатний бурити свердловини на глибину до 500 метрів, і його планують протестувати в 2025 році. Grabowski може ідентифікувати типи матеріалів, через які проходить, а також виявляти газ і воду, що дозволяє йому моментально герметизувати тунель та запобігати витокам.