Исследователи, бурившие скважины под кампусом колледжа в 1980-х годах, проложили путь новому амбициозному проекту в городах-побратимах.
автор: Фил Маккенна
СЕНТ-ПОЛ, Миннесота. — Почти полвека назад Министерство энергетики США начало эксперимент по использованию чистой энергии под Университетом Миннесоты с простой целью: хранить горячую воду в течение нескольких месяцев в водоносном слое на глубине нескольких сотен футов под землей. Идея так называемого сезонного хранения тепловой энергии заключалась в том, чтобы спрятать избыточное тепло, вырабатываемое летом, а затем использовать его зимой для обогрева зданий. Сегодня, спустя 45 лет после бурения первых контрольных скважин под кампусом университета в Сент-Поле, менее чем в 10 милях от первоначального испытательного полигона строится одна из первых в стране крупномасштабных систем водоносной тепловой энергии.
The Heights, многофункциональный комплекс, возвышающийся над бывшим полем для гольфа в районе Большого Ист-Сайда, будет использовать тепловую энергию из водоносного слоя на глубине от 350 до 500 футов (от 107 до 150 метров). Грунтовые воды, забираемые из скважин, расположенных в северной части комплекса площадью 112 акров, в сочетании с высокоэффективными электрическими тепловыми насосами, частично работающими от солнечных панелей, обеспечат недорогое отопление и охлаждение с минимальными или нулевыми выбросами парниковых газов для 850 домов и нескольких зданий лёгкой промышленности.
Совет по экологическому строительству США недавно присвоил проекту, реализуемому Управлением порта Сент-Пол, статус LEED Platinum . Это высший уровень сертификации в области устойчивого развития, предлагаемый отраслевой организацией. Водоносный горизонт обеспечит стабильную температуру 50 градусов, необходимую для отопления зимой и охлаждения летом. В зависимости от конкретных потребностей будущих жильцов, грунтовые воды также могут служить тепловым аккумулятором, накапливая избыточное тепло летом для использования зимой, отметил Майкл Ахерн, старший вице-президент по разработке систем компании Ever-Green Energy, которая проектирует систему отопления и охлаждения. Эта система станет одним из первых крупномасштабных проектов по использованию тепловой энергии водоносных горизонтов, реализуемых в США с момента полевых испытаний Министерства энергетики в 1980-х годах.
С тех пор по всему миру было построено более 3000 подобных систем, подавляющее большинство из которых, согласно исследованию, опубликованному в прошлом году в журнале Clean Technologies and Environmental Policy , находится в Нидерландах . Согласно исследованию, в США существует только две такие системы. Издание Inside Climate News подтвердило существование системы, предназначенной только для охлаждения, построенной в 2005 году на территории нынешнего кампуса Университета Стоктона в Нью-Джерси. Вторая система хранения тепловой энергии в водоносном слое, которая обеспечивает отопление и охлаждение одного из зданий в Форт-Беннинге , военном гарнизоне США в Джорджии, была завершена в 2015 году.
Марк Хойер, бывший учёный, работавший в Геологической службе Миннесоты и Университете Миннесоты, в 1980-х годах руководил проектом по испытаниям системы хранения тепловой энергии в водоносном слое в Сент-Поле. Система, которую они оценивали, работала при температуре свыше 212 градусов по Фаренгейту, что значительно выше, чем та, которая сейчас предлагается для проекта The Heights. В то время он и другие члены исследовательской группы по очереди спали в трейлере рядом со скважинами, просыпаясь каждый час, чтобы записать показания датчиков температуры и давления в рамках круглосуточного мониторинга производительности системы.
Сезонное хранение обещало «значительно сократить потребность в выработке первичной энергии в Соединенных Штатах», а водоносные горизонты рассматривались как «наиболее экономически эффективный подход», — заключил федеральный отчет, опубликованный в 1991 году организацией, которая сейчас известна как Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория. Хойеру, которому сейчас 82 года и который живёт в Мэриленде, в последние десятилетия не следил за развитием технологий хранения тепловой энергии в водоносных горизонтах. Он сказал, что рад слышать, что эта технология вновь привлекает внимание в США. «Я думал, что это никого не волнует», — сказал он.
Светодиод отопления и охлаждения
По сравнению с традиционными методами отопления и охлаждения, такими как газовые котлы и кондиционеры, накопление тепла в водоносных слоях может значительно сократить выбросы парниковых газов. Согласно исследованию 2024 года, это может сократить выбросы до 74%. По данным Министерства энергетики США, это повышение эффективности сопоставимо с переходом с традиционных ламп накаливания на светодиоды. «Это светодиодная версия отопления и охлаждения», — сказал Юй-Фэн Линь, директор Центра водных ресурсов Иллинойса в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне, который не принимал участия в исследовании 2024 года.
Отопление и охлаждение с использованием водоносного слоя работает аналогично воздушным тепловым насосам – всё более распространённой электрической технологии, использующей наружный воздух для обогрева и охлаждения зданий. Эти устройства высокоэффективны. Однако при резких повышениях температуры летом или резком понижении зимой вентиляторы и компрессоры воздушных тепловых насосов работают с большей нагрузкой, что снижает их эффективность в наиболее необходимый момент.
В то время как температура воздуха в Миннесоте может колебаться от 90 градусов по Фаренгейту летом до нескольких градусов зимой, водоносный слой под Хайтс круглый год сохраняет температуру около 50 градусов по Фаренгейту. «Подумайте, сколько энергии вы там экономите», — сказал Линь, главный исследователь международного консорциума, возглавляемого Геологической службой США, который разрабатывает стандарты и передовые методы хранения тепловой энергии. «Многие представляют геотермальную энергию просто как раскаленную лаву [и] горячий пар, который вращает турбину для выработки электроэнергии. Но это ещё не всё».
По словам Линя, загрузка части водоносного горизонта тёплой водой летом может повысить его температуру на несколько градусов, что делает отопление зимой ещё более эффективным. Охлаждение других частей водоносного горизонта холодной водой зимой также может снизить потребление энергии на кондиционирование воздуха летом, добавил Лин. Эта система аналогична геотермальным сетям отопления и охлаждения, уже используемым в других частях региона , которые используют слои горных пород и осадочных пород в качестве источников и накопителей тепловой энергии. Главное отличие заключается в том, что для геотермальной воды в водоносных горизонтах требуется гораздо меньше бурения.
Планы проекта The Heights предусматривают бурение шести скважин. Если бы при разработке проекта использовалась более традиционная геотермальная система, для получения такого же объёма тепловой энергии потребовалось бы пробурить около 500 скважин. «Это другой тип стратегии геообмена, который ограничивает объем необходимого пространства», — сказал Ахерн из Ever-Green Energy. Затраты на оба подхода сопоставимы, поскольку скважины, используемые для геотермальной добычи в водоносных горизонтах, имеют больший размер и значительно дороже в бурении. Геотермальная добыча в водоносных горизонтах также требует доступа к неглубоко залегающим подземным водоносным горизонтам, которые встречаются не везде, но хорошо подходят для Миннесоты, где подземные воды в изобилии. «Вполне логично использовать местные ресурсы», — сказал Роб Торнтон, президент и генеральный директор Международной ассоциации централизованной энергетики, отраслевой группы.
Местный ресурс
Во время экскурсии по объекту в конце июня ботинки Ахерна увязли в мягкой грязи после недавнего ливня, когда он проходил мимо геодезических вех, отмечающих контуры будущих улиц и зданий. «Это было всего лишь поле для гольфа, — сказал он, идя. — Его можно ощутить по холмам». Компания Ahern’s Ever-Green Energy является дочерней компанией District Energy St. Paul, некоммерческой коммунальной компании, которая управляет крупнейшей системой централизованного теплоснабжения с горячей водой в Северной Америке, обеспечивая отопление и охлаждение большей части центра города Сент-Пол.
Майкл Ахерн описывает план участка для жилого комплекса The Heights в Сент-Поле. Многофункциональный комплекс будет использовать подземный водоносный горизонт для отопления и охлаждения. Фото: Фил Маккенна/Inside Climate News
В 1998 году компания запустила компанию Ever-Green для разработки и эксплуатации аналогичных систем централизованного теплоснабжения и охлаждения в других местах. С тех пор компания участвовала в проектировании, расширении и оптимизации более двух десятков систем централизованного теплоснабжения по всей стране. Ever-Green всё чаще обращается к геотермальной энергии, включая геотермальную энергию водоносных горизонтов, и другим возобновляемым источникам энергии для сокращения или полного устранения выбросов парниковых газов из своих систем теплоснабжения и охлаждения. По словам Ахерна, когда ему поручили спроектировать кампус с нулевым уровнем выбросов для The Heights, геотермальная энергия водоносного слоя оказалась лучшим выбором как по производительности, так и по стоимости.
В то время как администрация Трампа быстро отменяет налоговые льготы для ветровой и солнечной энергетики, льготы для геотермальных проектов, одобренных в рамках Закона о снижении инфляции, в основном остаются неизменными . Строительство системы тепловой энергии на водоносных горизонтах Хайтс, включая скважины, теплообменники и трубопроводную сеть, обойдётся примерно в 12 миллионов долларов. В эту сумму не входят тепловые насосы и другое оборудование, которое будет установлено в каждом здании. По словам Ахерна, федеральные налоговые льготы должны покрыть примерно 50% общей стоимости системы.
По мнению Ченики Джонсон, члена городского совета Сент-Пола, представляющего округ 7, соседний район в восточной части города, прогнозируемая экономия средств для жителей Хайтс может оказаться существенной. «Это разница между оплатой счёта в 200–300 долларов в месяц и менее чем 100 долларами», — сказал Джонсон, который также является казначеем Управления порта Сент-Пол. «Именно к этому мы и стремимся». Джонсон добавила, что многим членам ее общины коммунальная компания просто отключила газ или электричество, поскольку они не смогли оплатить счета.
Ченика Джонсон, член городского совета Сент-Пола и казначей Управления порта Сент-Пол, подписывает геотермальную трубу на церемонии закладки фундамента в районе Хайтс в октябре 2024 года. Источник: District Energy St. Paul
Прежде чем Ever-Green Energy начнет бурение скважин, проект должен быть одобрен Департаментом здравоохранения и Департаментом природных ресурсов Миннесоты. Одна из проблем заключается в том, что система не сможет существенно повысить или понизить температуру водоносного горизонта. Например, более высокие температуры могут привести к более высокому содержанию минералов из окружающих пород и отложений в грунтовых водах. Согласно исследованию «Чистые технологии и экологическая политика 2024 года», нормативные акты в Нидерландах, где теплоаккумулирование наиболее развито, ограничивают диапазон температур, в котором грунтовые воды могут нагреваться или охлаждаться, не более чем 25 градусами Цельсия (77 градусов Фаренгейта) и не менее чем 5 градусами Цельсия (41 градус Фаренгейта ) .
Еще одна потенциальная проблема заключается в том, что если грунтовые воды подвергаются воздействию воздуха над поверхностью, они могут насытиться кислородом, что изменит геохимию водоносного слоя. «Параметр проектирования, на котором следует сосредоточиться, — это ограничение времени, в течение которого вода из водоносного слоя находится над землей, а также ограничение или исключение риска ее попадания в атмосферу», — сказал Ахерн. Представители компании из Миннесоты, которая бурит скважины для систем тепловой энергии из водоносных слоев и будет контролировать проектирование и строительство скважин для The Heights, заявили, что одним из способов решения этой проблемы стало размещение теплообменников непосредственно в скважинах.
«Вся вода остаётся в земле», — сказал Дэн Кинг, главный технолог Darcy Solutions, стартапа, занимающегося геотермальной энергетикой из водоносных горизонтов в Сент-Поле. «Она никогда не поднимается на поверхность». Кинг рассказал, что его компания, выросшая на базе геологического факультета Университета Миннесоты, извлекла уроки из ранних работ по хранению тепла в водоносных слоях в Сент-Поле в 1980-х годах. В настоящее время компания Darcy Solutions контролирует бурение скважин для отдельной геотермальной системы в районе The Heights, которая будет обеспечивать отопление и охлаждение нового сервисного центра для Xcel Energy — газо- и электроснабжающей компании, которая станет первым крупным работодателем, разместившимся на этой площадке.
Xcel — одна из крупнейших газовых и электрических компаний в стране, но использование природного газа в новом сервисном центре будет ограничено в основном тестированием и калибровкой оборудования, которое компания будет использовать в других местах, заявила Кристин Уильямс, директор по развитию Управления порта Сент-Пол. Уильямс заявил, что геотермальные исследования в этом районе могут быть признаком грядущих перемен. «Я думаю, что этот тип промышленного развития, хотя он и уникален сегодня, — это то, что мы увидим в будущем», — сказал Уильямс.
автор: Фил Маккенна — бостонский репортёр Inside Climate News. До прихода в ICN в 2016 году он работал внештатным автором, освещая вопросы энергетики и окружающей среды для таких изданий, как The New York Times, Smithsonian, Audubon и WIRED. Его статья «Uprising» об утечках газа под американскими городами получила премию AAAS Kavli Science Journalism Award и премию NASW Science in Society Award 2014. Фил получил степень магистра в области научной журналистики в Массачусетском технологическом институте и был научным сотрудником по экологической журналистике в Миддлбери-колледже.
фото: Майкл Ахерн, старший вице-президент по развитию систем компании Ever-Green Energy, рассказывает о том, где будут буриться скважины на территории The Heights, многофункционального комплекса площадью 112 акров, который в настоящее время строится в Сент-Поле, штат Миннесота. Фото: Фил Маккенна/Inside Climate News