Šilumos atliekos kainuoja mums milijardus ir jaukia klimatą – planuojama tai apsukti ir pajungti jas darbui
Giliai Londono metropoliteno tuneliuose, kaip ir daugelyje metro sistemų pasaulyje, karšta, kaip pragare. Ir nors rūsys vos už keleto metrų, kūrenasi vandens šildytuvas, ruošdamas vandenį kažkieno dušui.
Užuot troškinęsi perteklinėje šilumoje, gal galėtume priversti ją dirbti mums? Šilumos atliekų juk netrūksta. Visoje energijos sistemoje – nuo elektros gamybos elektrinėse iki virdulio, nuo vandens šildytuvų iki automobilių – daugiau, nei 50 procentų sunaudojamos energijos patenka į aplinką, kaip šilumos atliekos.
Jos surinkimas ir antrinis panaudojimas ne tik teigiamai paveiktų ne tik mūsų pinigines. Tai sumažintų žalojantį šilumos atliekų poveikį mūsų didmiesčių ir miestų daromą klimatui.
Gera žinia ta, kad keletas miestų jau sugalvojo būdų, kaip sugaudyti savo šilumos atliekas neįprastose vietose. Šie miestai stato sistemas, pristatančias šilumą į namus maždaug taip pat, kaip elektros tinklai ir vandentiekis. Ar galėtų tai būti kelias į kitą energetikos revoliuciją?
Šilumos atliekos yra didžiulė problema. 2008 metų JAV Energijos departamento pranešime pažymima, kad kasmet JAV pramonės šilumos energijos nuostoliai atitinka metines 5 milijonų amerikiečių energijos sąnaudas. Elektros gamyba – pagrindinė priežastis; vien šio sektoriaus šilumos nuostoliai didesni, nei visas Japonijos energijos sunaudojimas. Kitose pramoninėse valstybėse padėtis nėra daug geresnė.
Ataskaitoje dar vertinama, kad su tinkamomis technologijomis galėtume atgauti beveik pusę tos energijos, tačiau lengviau pasakyti, nei padaryti. „Dažnai kalbame apie šilumos atliekų kiekį,“ pastebi Davidas MacKay'us, pagrindinis mokslinis JK Energijos ir klimato kaitos departamento patarėjas, „bet ne apie kokybę.“ Didžioji dalis to, ką vadiname „atliekamu karščiu“ visai nėra taip karšta; apie 60 procentų yra vėsesni, nei 230 °C. Nors tai atrodo gana karšta, tai yra per šalta elektrą gaminančių turbinų sukimui.
Alternatyva būtų karščio nukreipimas tiesiogiai ten, kur jo reikia. Taip daroma kogeneracinėse elektrinėse. Tai tokios elektrinės, kurios paima visą ar dalį atliekamos šilumos ir siunčia ją – kaip garą ar karštą vandenį – per vamzdžių tinklą į gretimus miestus. Čia namai prijungiami prie tinklo savo vandens pašildymui ar centriniam oro šildymui.
Daugelyje šalių kogeneracija skatinama. Pavyzdžiui, JAV kogeneracijos iniciatyva, šalies mastu galėtų sutaupyti 10 milijardų dolerių per metus. Kogeneracija leidžia elektrinių efektyvumą pakelti nuo 30-ies procentų iki beveik 90-ies.
Tačiau elektrinių šilumos atliekos tėra lašas jūroje, palyginus su šilumos nuostoliais iš mūsų namų, biurų, automobilių ir traukinių. Šilumos atliekas iš tokios daugybės šaltinių daug sunkiau panaudoti, nei karštį iš koncentruotų šaltinių, pavyzdžiui, elektrinių. Be to, jos vos pakankamai šiltos, kad galėtų taip vadintis. Jas atgauti daug sudėtingiau.
Laimei, yra technologija, leidžianti išgauti energiją ir iš neaukštų temperatūrų ir ją naudojame seniai. Gruntiniai šilumos siurbliai padeda mažinti šildymo sąskaitas jau nuo 1940-ųjų, kai JAV išradėjas Robertas Webberis suprato, kad galima apsukti šaldymo procesą ir taip ištraukti šilumą iš grunto.
Sistema naudojasi tuo, kad žemė yra labai blogas šilumos laidininkas; vidutinėse platumose, nepriklausomai nuo paviršiaus temperatūros, keleto metrų gylyje dirvos temperatūra visada išlieka apie 10 °C. Grunto šilumos siurbliai šią stabilią temperatūrą naudoja namo šildymui žiemą.
Požeminės karščio kasyklos
Mechanizmas paprastas. Vamzdžių tinklas sudaro uždarą ratą tarp namo vidaus ir po žeme užkastų vijų. Šiais vamzdžiais teka vandens ir skysto šaldalo mišinys. Skysčio mišinys, tekėdamas požeminiais vamzdeliais, sugeria šilumą iš 10 °C dirvos. Nors tokią temperatūrą būtų sunku pavadinti karščiu, tačiau jos pakanka šaldalui iš skysčio virsti dujomis. Grįžusios į namą, dujos patenka į kompresorių, tas dujas suspaudžiantį ir tuo pačiu įkaitinantį. Šis karštis gali būti panaudotas šilumokaityje karšto vandens ruošimui ar ortakiuose.
Šis mechanizmas gali tiekti šilumą netgi tokiose vėsiose vietose, kaip Norvegija ir Aliaska. Taip gaunama šiluma yra pigi. JK geriausios sistemos sumažina sąskaitas už šilumą 30 procentų, nes dujų suslėgimui reikia daug mažiau energijos, nei tradiciniams dujų ar elektros šildymo metodams.
Tačiau tai dar ne viskas, ką jie gali daryti. Apsukus procesą, gruntiniai šilumos siurbliai vasarą gali namą vėsinti. Jei žemė pakankamai vėsi, skystis vamzdžiuose paprasčiausiai sugeria šilumą iš namo vidaus, o ne iš grunto. Vieninteliai kaštai – skysčio cirkuliavimas vamzdžiais. „Juos galima naudoti kaip nemokamą vėsinimo šaltinį“, sako Stephenas Hillas iš Londone įsikūrusios inžinerijos firmos Arup.
Itin efektyvaus šildymo ir vėsinimo galimybė gali paaiškinti dabartinį šilumos siurblių populiarumo sprogimą, sako Hillas. 2010 m. JK šilumos siurblių rinka išaugo iki bemaž 50 milijonų svarų, daugiausiai naujuose namuose ir komerciniuose pastatuose. Didesni mechanizmai veikia dar geriau, pažymi Hillas. Pavyzdžiui, Pacífico, metro stotis Madride, Ispanijoje, visiems šildymo ir aušinimo poreikiams naudoja šilumos siurblius.
Bet yra kabliukas. Šias sistemas galima plėsti tol, kol neatsitrenkiama į fundamentalią kliūtį – paprasčiausiai neįmanoma įrengti šilumos siurblių po kiekvienu miesto pastatu. Pirmiausia, tektų raustis po jau stovinčių pastatų pamatais. Bet netgi rengiant naujas konstrukcijas, neišvengiamai reikėtų – kaip ir buvo Madrido atveju – gręžti keletą šimtų metrų po žeme, norint įdiegti pakankamo ilgio vamzdžius, kad būtų patenkinti viso biurų ar butų poreikiai.
Tačiau yra daug geresnė alternatyva: naudoti šilumos siurblius šilumos atgavimui iš miestų šilumos atliekų. Kaip grunto šilumos siurbliai pumpuoja šilumą iš žemės, būtų galima išgauti ją iš šilumos atliekų, glūdinčių po miestais – nuo metro sistemų iki kanalizacijos. Atgautą šilumą būtų galima paskirstyti, kur reikia, naudojant vamzdžių ir šilumokaičių sistemas, sukuriant miesto šilumos tinklą.
Keleiviai dažnai skundžiasi dėl traukinių tuneliuose po didmiesčiais susikaupiančios atliekamos šilumos. Netgi šaltomis dienomis Londono metro platformose temperatūra gali siekti 20 °C. Siekdamos panaudoti šią šilumą, Vokietijos kompanijos Züblin ir Rehau, kartu su Arup, sukūrė tunelio segmentų dangą, veikiančią, kaip užkastos vamzdžių gijos grunto šilumos siurbliuose, ir sugeriančią variklių ir stabdžių sukuriamą šilumą kartu su aplinkinės žemės šiluma. Vamzdeliuose išgaravęs šaldalas suslegiamas ir gaunama šiluma. Kadangi šis procesas paima perteklinę šilumą iš tunelio į šaldalą, procesas kartu tunelį ir vėsina.
Šia danga – vadinama Energietübbing – buvo išklota 54 metrų ilgio atkarpa naujame greitaeigių traukinių tunelyje Jenbache, Austrijoje. Ji teikia aukščiau stovintiems municipaliniams pastatams šilumą, visiškai pakeičiančią esamus šildytuvus. Ji dar optimizuojama, bet pirmąją žiemą sistema susitvarkė su -15 °C lauko temperatūra.
Londono keleiviai irgi gali greitai pajusti naudą. Crossraile, po miestu konstruojamame geležinkelyje, planuojama naudoti Energietübbing keletui naujo tunelio segmentų, kur jis tuo pačiu aušintų tunelį ir tiektų šilumą virš jų stovintiems pastatams.
Metro tuneliai toli gražu nėra vienintelis miesto šilumos taršos šaltinis. Pagalvokite apie rytinį dušą ar savaitgalį skalbtus drabužius. JAV kanalizacijos vamzdžiais pernai nutekėjo 350 milijardų kilovatvalandžių – tai galima palyginti su visa JAV hidroelektrinių pagaminta energija. Ši energija išsklaidyta drungnais, 15 °C, nuotekų srautais.
Visame pasaulyje vykdomi projektai, kuriais siekiama šilumos siurbliais susigrąžinti dalį su nuotekomis ištekančios šilumos. Vienas iš pirmųjų miestų plačiu mastu panaudojusių savo drungnas nuotekas šildymui, yra Oslas. Čia daug didesnė grunto šilumos siurblio vamzdžių vijų versija panardinta į tekančias neapdorotas nuotekas. Įrenginys jų temperatūrą pamažina 3 – 5 °C, kuriuos koncentruoja iki daug karštesnių 90 °C. Ir taip vos šiltos nuotekos per vamzdžių tinklą suteikia šilumą ir karštą vandenį 13 000 būstų.
Kitos šalys irgi įžvelgia čia potencialią aukso gyslą. Vankuveris paima šilumą iš neapdorotų nuotekų ir tiekia ją atgal į rajoną, kuriame stovi olimpinis miestelis, pastatytas 2010 metų žiemos olimpinėms žaidynėms – taip tiekiama apie 70 procentų reikiamos šilumos ir karšto vandens. Miestas planuoja plėsti šilumos tinklus, prijungdamas juos prie įvairių šaltinių, tarp kurių ir vietinių kogeneracinių elektrinių šilumos atliekos.
Iš tiesų, kuo didesnis šilumos tinklas, tuo daugiau šaltinių jis gali išnaudoti: kogeneracinės elektrinės, metro tuneliai, kanalizacijos ir netgi duomenų centrai. „Vienas iš pagrindinių rajono šildymo privalumų yra galimybė jungtis prie įvairių energijos šaltinių,“ sako Chrisas Baberis, Vankuverio projekto dalininkas. Projektas Niu Hampšire netgi pradeda išgauti irimo šilumą iš sąvartynų.
Kai kurie miestai pradeda eksperimentuoti ir su šilumos siurblių vėsinimo potencialu. Helsinkis naudoja šilumos atliekas absorbcijos šaldytuvams. Šiuos įrenginius galima laikyti sudėtingesne šilumos siurblių versija, bet pagrindinė idėja ta pati; per karštas vietas tekėdamas šaldalas sugeria šilumą. Šio mechanizmo privalumas tas, kad jis gali vėsinti visą rajoną, sugerdami karštį iš pastatų ir perduodami jį išvalytoms nuotekoms.
Danija, Švedija ir Suomija pirmauja pasaulyje pagal šilumos siurblių technologijos naudojimą miestų šilumos atliekų valdymui. Helsinkis laimėjo apdovanojimus už jo didelę šildymo ir vėsinimo sistemą iš 1200 kilometrų požeminių šilumos vamzdžių, jungiančių 93 procentus miesto šildomų erdvių.
Ar ši energijos revoliucija įsigalės, dar pamatysime. Reikalingos infrastruktūros įdiegimui reikia didelių investicijų ir politinės valios. Naujausiame JK Energijos ir klimato kaitos departamento pranešime apgailestaujama, kad, nors iki pusės šilumos naudotojų yra srityse, kur šilumos tinklai ekonomiškai apsimoka, tik 172 000 namų yra prijungti.
Šilumos siurblių kaina reiškia, kad kai kuriose šalyse jais išgaunama energija brangesnė, nors jie naudoja mažiau energijos, nei įprastiniai šildytuvai. „Viskas susiveda į energijos kainą,“ pažymi Jeffas Snyderis, Kalifornijos technologijos instituto fizikas. Dėl skalūnų dujų bumo Kanadoje, Vankuverio nuotekų šiluma yra 10 procentų brangesnė už šilumą iš gamtinių dujų. Tačiau, kitaip, nei svyruojanti energijos išteklių rinka, grunto šilumos siurblių kaina bus stabili. „Augant energijos kainai, matysite vis daugiau tokių įrenginių,“ sako Snyderis.
Tačiau yra ir svarbesnė priežastis žvelgti miestų šilumos tinklus rimtai: klimato kaita. Galų gale, šilumos atliekos neišnyksta, jeigu jų neperdirbame. Sutelkta miestuose ir spinduliuojama į atmosferą mažomis kompaktiškomis kišenėlėmis, ji pakeičia aukštuminius greituosius srautus, pakeldama žiemos temperatūras plačiuose Šiaurės Amerikos ir šiaurinės Eurazijos srityse 1 °C. Ši naujai atrasta pasekmė sustiprina jau žinomą šiltnamio efektą ir karščio salų efektą aplink miestus.
Šilumos gamyba atsakinga už trečdalį JK anglies dvideginio emisijos, tad, sumažinę sunaudojamą energiją, tuo pačiu galėtume sumažinti ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas. Išties, tai gali sukurti savotišką teigiamą užburtą ratą. „Šilumos siurbliai darysis vis labiau efektyvūs mažindami anglies emisiją, kadangi jie naudoja mažiau anglies išskiriančią elektrą, pakeisdami dujas,“ paaiškina Hillas. Išvalius elektros gamybą, šilumos siurbliai taps neutralūs anglies išskyrimo požiūriu.
Šilumos siurblių naudojimas miesto šilumos atliekų perdirbimui miesto tinkluose galėtų padėti išspręsti visas tris klimato kaitos priežastis. Tai iš tiesų būtų energijos revoliucija.
Pasikinkykime vėjo sūkurius Švaistoma šiluma kainuoja, bet seniai stengiamės ja pasinaudoti. Šilumos atliekos iš elektrinių yra per vėsios, kad būtų tinkamos elektros gamybai (žr. pagrindinį pasakojimą). Vietoje to, paprasčiausiai jos atsikratome, naudodami aušinimo bokštus, išleidžiančius ją į atmosferą.
O kas, jei tuos bokštus patobulinus, būtų galima gaminti elektrą iš šilumos, kurią jie siunčia pavėjui? Tai galėtų veikti, jei kaminai būtų pakankamai aukšti. Tada būtų galima pasinaudoti konvekcija: atliekamai šilumai kylant kaminu, didžiulis temperatūrų skirtumas tarp vėsaus oro viršuje ir ir šilto oro apačioje sukurtų oro srautą, pakankamai galingą, kad galėtų sukti ant žemės stovinčią turbiną.
Šios idėjos variacijos jau naudojamos kitur. Kinija sukonstravo didžiulį kaminą, renkantį saulės šilumą Vidinės Mongolijos dykumose; Ispanija ir Arizona taip pat pastatė prototipus.
Yra tik viena problema. Ypatingai aukšti kaminai nepraktiški. Kai Eckhardas Grollis iš Purdue universiteto Indianoje, Vakarų Lafayette'e, peržvelgė keletą projektų, suprato, kad norint gaminti vos dalį tipiškos anglimi kūrenamos elektrinės elektros, reikėtų 850 metrų aukščio kamino, aukštesnio už aukščiausią pasaulio pastatą. „Kapitalo kaštai būtų siaubingai dideli,“ sako jis.
Prieš dvylika metų, Louisas Michaud, pramonės inžinieriui iš Sarnia'os, Ontario, Kanadoje, kilo geresnė mintis. Jei galėtume pastatyti mašiną, kuriančią save palaikantį sūkurį – tornadą, – jis galėtų pašalinę šilumą iškelti iki troposferos ir išsilaikyti dėl įcentrinių jėgų. Jo idėja sulaukė daug nuostabos, bet mažai susidomėjimo.
Tačiau dabar idėja sulaukė pasekėjų. Thiel Fondas pasiūlė Michaudui 350 000 $ prototipo statymui. Iš daug praktiškesnio 50 metrų kamino Michaudas sakosi sukursiąs 15 kilometrų, 200 megavatų galios tornadą. „Jis turi potencialo gaminti visą mums reikalingą elektros energiją,“ teigia jis.
