Mūsų nuostabiajai planetai Žemei, teigia mokslininkai, jau daugiau kaip 4 mlrd. metų. Gražus amžius. Didžiąją dalį šio laiko Žemė tvarkingai sandėliavo augalų ir gyvūnų liekanas, kurios per milijonus metų virto dideliu turtu – biogeninėmis nuosėdinėmis uolienomis arba kaustobiolitais, pagrindiniais šių dienų energijos šaltiniais. Tai gamtinės dujos, nafta, anglis, degieji skalūnai.

Džiugu, kad Žemėje turime šitą turtą. Tačiau liūdna suvokti, kad jis nėra begalinis. Tai, kas kaupta šimtus milijonų metų, gali būti sunaudota per kelis šimtmečius. Paskui liks tik tuščios ertmės uolienose. Reikės gyventi be kaustobiolitų. Rusų roko grupė DDT jau sukūrė dainą „Kai pasibaigs nafta“.

Sustabdyti naftos, dujų ir kitų natūralių angliavandenilių eksploataciją neįmanoma. Visi norime gyventi gražiai, patogiai, šiltai, naudotis technologijų naujovėmis. Galima šiek tiek sumažinti eksploatavimo tempą, jeigu bus naudojami alternatyvūs energijos šaltiniai. Kitaip sakant, pasitelkus technologiškai ir ekologiškai protingus sprendimus galima pailginti patogaus žmonijos gyvenimo su nafta ir dujomis laiką.

Vienas alternatyviosios energijos šaltinių – pačios Žemės gelmių šiluma, tai, ką vadiname geotermine energija. Kai kur ji ranka pasiekiama (pavyzdžiui, Islandijoje, kur vandens pirčiai šildyti nereikia, nes geizeriai jį patiekia beveik verdantį), kai kur sunkiau prieinama. Vis dėlto visur ji yra, ir žmonija pasiryžusi tuo naudotis.

Geotechnikai, įrengdami giliuosius pamatus, juos tokius gilius visų pirma daro ne dėl šilumos paėmimo, o dėl pastatų ir statinių konstrukcijų stabilumo bei ilgaamžiškumo. Šiuo metu giliausi poliniai pamatai, kuriuos įrengė beveik visame pasaulyje dirbanti prancūzų bendrovė „Soletanche Bachy“, siekia 125 metrų gylį (po 450 metrų aukščio dangoraižiais – bokštais „Petronas“ Malaizijos sostinėje Kvala Lumpūre).

Atėjo mintis: jei polio ar tranšėjinės sienos gylis siekia dešimtis metrų, kur yra pastovi teigiama temperatūra (vidutiniškai apie 10 laipsnių), gal būtų galima tuose poliuose ar tose požeminėse sienose įrengti šilumos paėmimo iš gelmių ir perdavimo į paviršių sistemą? Tegu poliai ne tik laiko namą, bet ir šildo jį, kai žiema lauke, ar vėsina, kai vasarą už lango spigina saulė.

Pasakyta – padaryta. Pirmiausia Austrijoje ir Vokietijoje, vėliau kai kuriose kitose šalyse buvo pradėta tirti visiškai nauja gręžtinių polių naudojimo sritis: pritaikyti juos ne tik pastatui atremti, bet ir šildyti arba vėsinti. Tam greta gręžtinio polio armatūros karkaso strypų pritvirtinami specialūs šilumos perdavimo vamzdeliai. Jais vanduo arba kitas šilumos pernešimo skystis nugabenamas iki polio pado, kur žiemą temperatūra yra aukštesnė nei paviršiuje, jau pašildytas atgabenamas iki polio viršaus ir toliau iki namo šildymo sistemos. Karštą vasarą pastovi neaukšta giliųjų grunto sluoksnių temperatūra leidžia vėsinti pastato vidų, nes namo šilumos perteklius gali būti išsklaidomas grunte. Vadinasi, šildymas arba vėsinimas gali būti naudojamas priklausomai nuo sezono.

Energijos poliai yra veiksminga sistema, priskiriama atsinaujinantiems energijos šaltiniams. Juos įrengus nereikia rūpintis brangiu išlaikymu, tereikia atidžiai stebėti ir kruopščiai prižiūrėti. Jeigu sistema suprojektuota kokybiškai, energijos poliai ilgainiui nepraranda efektyvumo. Imdami šilumą iš gilesniųjų grunto sluoksnių (arba ją atiduodami karštuoju metų laiku), jie neardo aplinkos, nedaro jai neigiamo poveikio, todėl yra ekologiški.

Energijos polių sistema susideda iš uždaro šilumos rato: geoterminės šilumos siurblio, sujungto su vertikaliais polietileno vamzdžiais, įstatytais į suarmuotą gręžtinį gelžbetonio polį. Cirkuliuojant tokiam šilumos srautui polietileniniais vamzdynais, šiluma gali būti išgaunama iš po pastatu esančio grunto.

Stengiantis suprasti, kaip veikia energijos poliai, kaip šiluma keliauja iš gilumos poliais, atlikdama šildymo arba vėsinimo funkciją, buvo atlikta daugybė tyrimų. Geoterminė energija gaunama iš žemės gelmių dėl nuolatinio magmos ir tektoninių plokščių judėjimo litosferoje. Vietų su dideliais geoterminės šilumos ištekliais yra ten, kur liečiasi tektoninės plokštės, taigi tokios energijos gavimo ir naudojimo galimybės toliau nuo plokščių sandūrų yra mažesnės.

Projektuojant energijos polius pirmiausia rūpinamasi tuo, kad jie atlaikytų pastato konstrukcijas ir patikimai paskirstytų jų apkrovą pagrindo gruntui – kaip kad įprasti poliai. Šilumos vamzdynai ir plieninės armatūros strypynai, prieš juos įstatant į paruoštą gręžinį ir užpilant betonu, yra sujungiami.

Kai gręžtiniai energijos poliai pagaminami, vamzdynai sujungiami su šilumos siurbliu, kuris perduoda šilumą. Šilumos perdavimo skystis yra pumpuojamas žemyn. Polio apačioje tą skystį pašildo grunto šiluma, tada jis pumpuojamas atgal į pastatą ir paskleidžiamas visose patalpose.

Energijos polių privalumas yra tai, kad jie leidžia patenkinti konstrukcinius ir šildymo (vėsinimo) reikalavimus vienoje sistemoje. Kadangi energijos poliai gauna energiją iš aplinkos, jie sumažina kuro naudojimą ir CO₂ emisiją apie 50%, palyginti su kitomis šildymo ir vėsinimo sistemomis.

Šios sistemos trūkumas yra tai, kad šilumos siurbliui veikti būtina elektros energija. Be to, yra šiokia tokia rizika, kad šilumą pernešantis skystis stichinei nelaimei sukėlus avariją gali pratekėti į gruntą ir gruntinį vandenį.

Kadangi ši technologija dar nauja, informacijos apie tai, koks šilumos ir vėsinimo ciklų poveikis energijos polio konstrukcijai, yra mažai. Kai vyksta šilumos ir vėsinimo ciklai, konstrukcija yra veikiama kontrastiškai: kai šilta – išsiplečia, kai šalta – susitraukia. Toks nuolatinis kitimas galėtų daryti įtaką polio ilgaamžiškumui. Inžinieriai turi nepamiršti šių niuansų ir ieškoti galimybių energijos polio konstrukcijai patobulinti.

Geoterminis skystis (vanduo ar vanduo su antifrizu), cirkuliuojantis energijos polyje, teka šilumos siurbliu. Žiemą terminė energija yra šilumos siurblio ištraukiama iš grunto, o vasarą šis siurblys naudojamas kaip šaldymo įrenginys. Jis tiekia šaltą vandenį į pastato sienas ar grindis – ten, kur įrengta sistema. Atsiradęs kondensatas išsklaidomas grunte.

Siekiant užtikrinti kokybę statybos metu, apatinė vamzdyno kilpa energijos polyje yra užpildoma vandeniu. Tai leidžia kilpai saugiai atlaikyti skystą betoną, pilamą į polio galą. Gali būti atliekamas bandymas prieš ir po energijos polio armatūros su vamzdynu įstatymo, vėliau atlikus betonavimo darbus – taip sužinoma, ar sistema veikia.

Technologijos eiliškumas: gręžiamas gręžinys; polietileniniai vamzdžiai įstatomi į armatūros strypyno vidų; energijos polio armatūra su šilumos vamzdeliais įstatoma į gręžinį; energijos polis betonuojamas; energijos polis prijungiamas prie pastato šildymo ir vėsinimo sistemos.

Austrijoje energijos poliai įrengiami nuo 1984 metų, o nuo 2002-ųjų – ir energijos tranšėjinės sienos grunte. Nuo 2005 metų šioje šalyje kasmet sumontuojama daugiau kaip 7000 energijos polių, iš viso jų įrengta jau daugiau kaip 100 tūkst. Visos naujosios Vienos metro stotys aprūpintos tranšėjinėmis energijos sienomis, kurių ekonominė nauda ir pačioms metro stotims, ir virš jų esantiems pastatams šildyti ir vėsinti yra akivaizdi.

Nuo 2000 metų Austrijoje mažėja energijos naudojimas šildymui, bet didėja jos poreikis pastatams vėsinti ir vėdinti daugiausia dėl šiuolaikinių daugiaaukščių pastatų didelių stiklinių fasadų, kur nėra galimybės atidaryti langų. Šioje šalyje apskaičiuota, kad jeigu nebus imtasi specialių energiją taupančių priemonių, per 50 metų moderniems daugiaaukščiams pastatams šildyti ir vėdinti bus išleista daugiau pinigų, negu kainuoja tų pastatų statyba. Energijos poliai ir tranšėjinės sienos – viena taupančių priemonių.

Alternatyviosios ar papildančios geoterminės energijos įdarbinimas, ją naudojant ir šildymui, ir vėsinimui, Lietuvoje yra aktualus. Tačiau tam reikia atlikti galimybių studiją, vertinant ir technines galimybes, ir ekonomines atsiperkamumo sąnaudas. Šiame etape tai mokslo tyrėjų darbas. Vilniaus Gedimino technikos universiteto (VGTU) Geotechnikos katedra ir kiti mokslo padaliniai aktyviai dirba šioje srityje. VGTU partneriai Europoje šioje geotechninių tyrimų srityje darbuojasi jau dešimtmečius, jiems padedant realizuota daug projektų, kurių efektyvumas ir nauda patvirtinti praktikoje. Iš mūsų partnerių paminėčiau profesorių Heinzą Brandlį, ilgametį Austrijos Vienos technologijos universiteto Gruntų mechanikos ir geotechnikos inžinerijos instituto vadovą, ir profesorių Rolfą Katzenbachą, Vokietijos Darmštato universiteto Energijos centro direktorių ir Geotechnikos instituto bei laboratorijos vadovą. Šiemet gegužės mėnesį juodu dalyvavo VGTU Statybos fakulteto organizuotoje tarptautinėje 11-ojoje konferencijoje „Naujos statybinės medžiagos, konstrukcijos ir technologijos“, čia skaitė pranešimus apie geoterminės energijos naudojimą ir pasiekimus pasitelkiant geotechnines konstrukcijas (polius, atramines sienas ir kt.).

Apsilankę ir susipažinę su VGTU Geotechnikos katedros tyrėjais bei mokslo tyrimų potencialu, svečiai pripažino aukščiausią jų lygį. Su šiais Europoje pripažintais ekspertais buvo sutarta inicijuoti bendrus tyrimus geoterminės energijos naudojimo srityje geotechnikos inžinerijos ir gretutinėmis priemonėmis, tarp kitų – ir teikiant bendras paraiškas finansavimui iš Europos struktūrinių fondų.