Geotermaalenergia – sõbralik varaait
Ülo Vaher
22.04.2007

Kui inimkond tahab edasi eksisteerida, peab ta lahendama energeetikaprobleemid. Varsti – et mitte öelda kohe. Üks võimalik lahendus on peidus meie jalge all, sügaval maakera sisemuses.

Põhjusi muretsemiseks, kas lastele või lapselastele energiat jätkub, jagub. Inimeste arv maamunal aina kasvab ja juba hoiatatakse meid aastakümnete (mitte -sadade!) järel kätte jõudvast kriitilisest hulgast. Samas laieneb tarbimismõnuline ühiskond tormiliselt aladele, kus eurooplase pilguga vaadates elati veel kümme-kakskümmend aastat tagasi sajanditaguses ajas. Parema puudumisel taas kulunud väljendit appi võttes ja maakera supipajaga võrreldes ei saa väita, et elu kusagil kehvem peaks olema kui Euroopas või Ameerikas. Igaüks tahab köetavat varjupaika, sinna sisse külmkappi, telerit, arvutit… Samas teavad kõik, et peamiselt fossiilsete kütuste põletamisega me ülemaailmset energianälga varsti enam ei kustuta, ja enne nende lõppemist jõuame oma ühisele elupaigale veel palju kurja teha. Selles hirmus otsustasid Euroopa Liidu keskkonnaministrid äsja, et 2020. aastaks tuleb vähendada kasvuhoonegaase 1990. a tasemega võrreldes 20% võrra – seda siis, kui teised riigid algatusega kaasa ei tule, ja 30% võrra, kui üritus muutub globaalseks.
Seetõttu on aktiivselt keskendutud uute lahenduste otsimisele, et igaühe tarbeks jätkuks energiat, mis teeks ta elu ja töö kergemaks ja mugavamaks. Üheks võimaluseks teiste hulgas – ja sealjuures küllaltki paljulubavaks – on maapõues peituv soojus e geotermiline energia e geotermaalenergia, mille osakaal üldises energeetikas on hakanud kiiresti kasvama.

Elame ahju peal
Soojuse ja elektri saamiseks ei ole vaja põletada hinnalisi tooraineid, nagu gaas, nafta, kivisüsi jt, sest meie kõigi jalge all laiub hiiglaslik “ahi” – maakera ise –, milles peituva soojusenergia hulk on praktiliselt ammendamatu. Maakera soojusenergia hulk on 1,3 x 1031 J ning ainuüksi maakoores 5,4 x 1027 J. Isegi kui sellest ära kasutada vaid 1%, jätkuks seda miljoniks aastaks. Ühesõnaga – energiapuudust Maal küll ei ole, kogu küsimus seisneb selles, kui kiiresti ja efektiivselt õpib Homo sapiens seda enda huvides ära kasutama.
Osaliselt on seda tehtud juba ajaloo algaegadest peale seal, kus emake loodus on maapõuesoojuse inimesele nagu kandikul kätte toonud. Looduslikke kuumaveeallikaid, geisreid ja fumaroole on kasutatud alates kümblemisest kuni kütmise ja toiduvalmistamiseni välja. Sellest hüvest on ahvidki aru saanud – küllap on paljud näinud loodusfilme Jaapanis talvepakasega soojaveeallikais kümblevatest pärdikutest.
Maakoores peituv soojus on jaotunud aga üsna ebaühtlaselt ja seepärast on ka selle kättesaadavus väga erinev. Mida lähemal maapinnale on kuuma vee või auru lademed, mida kõrgem on nende temperatuur ja mida suurem on nende mass, seda lihtsam ja odavam on nendest vajalikku energiat ammutada. Sellised geotermiliselt soodsad vööndid paiknevad peamiselt suurte maakoorelaamade ääre- ja kokkupuutealadel, nagu näiteks Vaikse ookeani lääne- (Jaapan, Uus-Meremaa) ja idaserv (California, Mehhiko), Atlandi ookeani keskjoon (Island) ja Vahemeri (Itaalia). Nendel aladel võib Maa termiline gradient (siin: füüsikalise suuruse muutus pikkusühiku kohta – toim) ulatuda 100 ºC/km ja sealt võib puuraukude abil saada külluses nii kuuma vett kui auru. Maapõues valitseva suure rõhu tõttu saab nad kätte ka erilise pingutuseta.
Geotermaalenergia kasutamisele peab muidugi eelnema ulatuslik uurimistöö maapõues olevate temperatuurigradientide kohta. Selleks tuleb teha arvukalt puurauke, mis tavaliselt ulatuvad 6 km sügavusele, kuid tänapäevane puurimistehnika võimaldab rajada ka 15 km sügavusi puurauke. Maapõue soojusenergia kasutamine toimub kas vahetult soojusena või muundatuna elektrienergiaks.

Otsene ja muundatud kasutamine
Otsene kasutamine on tänapäeval tunduvalt mitmekesisem kui aastakümneid tagasi. Moodsate spaade kõrval tarbitakse seda soojust kasvuhoonetes, kalatiikides ja majade kütmiseks (näiteks Reykjavikis) ning tööstuses (teravilja kuivatamine, piima pastöriseerimine jne). 35 riigis üle maailma läheb geotermaalenergiast otsekasutusse umbes 10 000 MW. Ainuüksi USAs oli juba 1998. a maasoojuse baasil ehitatud 18 elamurajooni küttesüsteemi, 38 suurt kasvuhoonekompleksi, 28 kalafarmi, 12 tööstusseadet ja 218 spaad. Soojusenergia suurimaks puuduseks on aga see, et seda on väga raske kaugemale transportida. Praktiline piir on 30 km. Seevastu elektrienergia on ideaalne transportimiseks suurte kauguste taha, ta on universaalne ja tarbitav kõikjal, mistõttu on ka arusaadavad püüded transformeerida geotermaalenergia elektrienergiaks.
Elektri tootmine auru/gaasiturbiinide abil, kasutades soojust, on traditsiooniline ja hästi välja töötatud tehnoloogia, mida saab pruukida ka geotermaalsetes elektrijõujaamades. Siinjuures tuleb aga arvestada, et auruturbiinide efektiisus sõltub suurel määral auru kuumusest, mis muudab elektri tootmise ökonoomseks vaid vee või auru piisava temperatuuri korral. Tavaline auruturbiin vajab tööks auru temperatuuriga üle 150 ºC. Vee ja auru temperatuuri järgi võib eristada kolme geotermaalelektrijaama põhitüüpi.
Vaid auruga töötav elektrijaam saab endale lubada luksust, et tema jaoks rajatud puuraukudest väljub praktiliselt puhas aur ilma vee lisandita ja seda võib mugavalt juhtida otse generaatori turbiini labadele. Maailma esimene geotermaalelektrijaam oli just seda tüüpi ja see ehitati Itaalias Larderellosse juba 1904. a (seega juba rohkem kui 100 aastat tagasi!). Teise maailmasõja ajal see küll hävis, kuid hiljem taastati ning laiendati ja ta töötab edukalt tänaseni. Seda tüüpi elektrijaam töötab ka USAs Californias (The Geysers) alates 1960. a ja suudab tänaseni varustada elektriga San Franciscot. Aurumaardla on ka Yellowstone’i rahvuspargi territooriumil, kuid seadused ei luba rahvuspargis elektrijaama ehitada.
Välkauru (flash steam) elektrijaamad on tänapäeval kõige levinumad. Nad kasutavad geotermilist vett, mille temperatuur on üle 182 ºC. Selline väga kuum vesi tõuseb puuraugust üles enda survel ja läbib 1-2 separaatorit, mille käigus vabaneb maa-aluse reservuaari väga kõrgest rõhust ja millest siis suur osa aurustub plahvatusliku kiirusega. Et säilitada maa-all vee ja selle rõhu tasakaal, suunatakse turbiini läbinud ja kondenseerunud aur teise puuraugu kaudu tagasi maa-aluse reservuaari kaugemasse ossa, et see seal uuesti kuumeneks ja alustaks uut töötsüklit.
Binaarsetes elektrijaamades on võimalik ära kasutada ka madalama temperatuuriga (85–182 ºC) sooja vett. Selline vesi juhitakse läbi soojusvaheti, kus ta annab oma soojuse ära teisele (binaarsele), madalama keemistemperatuuriga töövedelikule (tavaliselt on selleks isobutaan või isopentaan), mis selles temperatuurivahemikus samuti kiiresti aurustub ja käivitab turbiini, kondenseerub ja alustab soojusvahetis uut tsüklit. Termaalvesi aga saadetakse tagasi oma algallikasse taaskuumenemiseks. Seda tüüpi elektrijaamades puuduvad veekaod ning soojuskaodki on väikesed. Samuti puuduvad neis igasugused heitmed. Binaarsed elektrijaamad ehitatakse sageli ka väikeste moodulitena võimsustega mõnest kilovatist kuni mõne megavatini. Neid omavahel ühendades saadakse elektrijaamu võimsustega kümneid megavatte. Nende hind sõltub mitmest faktorist, eriti aga kasutatava geotermaalse vee temperatuurist, mis mõjutab nii soojusvaheti kui ka turbiini ja jahutussüsteemi suurust. Binaarsed elektrijamad on ökonoomsed ja töökindlad, kui vee temperatuur on alla 170 ºC. Viimasel ajal on elektrijaamade tarbeks välja töötatud ka uus binaarne süsteem – nn Kalina tsükkel, mis kasutab töövedelikuna vee-ammooniumi segu. Selle vedeliku ülekuumendatud aur suunatakse kõrgsurve turbiini, seejärel pärast mõningast jahtumist ja paisumist taaskuumutatakse ja suunatakse madalsurve turbiini. Pärast teist paisumist liigub küllastatud aur läbi rekuperatiivboileri ja alles seejärel läbib vesijahutusega kondensaatori.
Väikese võimsusega mobiilsed binaarsed elektrijaamad on eriti sobivad suurtest asustatud piirkondadest kaugel olevate asumite varustamiseks elektriga – see tuleb kokkuvõttes odavam kui pikkade elektriliinide vedamine.
Lisaks eespool nimetatutele on viimasel ajal hakatud rajama ka nn hübriidseid elektrijaamu, milles kombineeritakse nii välkaurustumist kui ka binaarset protsessi. Näiteks Hawaii geotermaalelektrijaam, mis varustab elektriga 25% Suursaarest (Big Island).
Umbes 300 geotermaalelektrijaamas üle maailma toodetakse kokku ligi 10 000 MW elektrienergiat. Esirinnas on sel alal USA, Filipiinid, Itaalia, Mehhiko, Indoneesia ja Uus-Meremaa. Ainuüksi Itaalias toodetava geotermaalelektri osa on suurem kui kogu Eesti elektritarbimine üldse.

Maasoojuspumbad
Need on lihtsaimad ja universaalseimad seadmed maa sees oleva soojusenergia efektiivseks ärakasutamiseks nii ruumide kütmiseks külmal aastaajal kui ka jahutamiseks kuumal perioodil. Viimasel aastakümnel on nad juba levinud paljudes maades, sealhulgas ka Eestis. Nende tööpõhimõte on lihtne ja konstruktsioon töökindel.
Teatavasti on pinnase temperatuur ligi 3 m sügavusel aastaringselt konstantne vahemikus umbes 7–16 ºC, mis võimaldab sealt suhteliselt väikese energiakuluga “pumbata” soojust meie majade küttesüsteemi. Süsteem töötab paljuski analoogselt tavalisele külmutuskapile. Enamikul juhtudel kasutatakse neis auru kompressiooni, harvemini ka absorbtsiooni põhimõtet. Kompressioonil põhinevas soojuspumbas tsirkuleerib nn töövedelik, milleks on sageli freoon, üksteisega järjestikku ühendatud paisventiilist, aurustist ja kompressorist ning kahest soojusvahetist koosnevas süsteemis. Aurusti paigutatakse maa sisse ja sinna siseneb läbi ventiili töövedelik. Rõhu alanemise tõttu vedelik aurustub ja koos sellega neelab ümbritsevast pinnasest (või näiteks ka kaevust) aurustumiseks vajaminevat soojust. Edasi liigub aur kütmist vajavasse ruumi ja teise soojusvahetisse-kondensaatorisse, kus ta kompressori abil surutakse kokku, millega kaasneb paratamatult auru veeldumine ja eelnevalt kogutud soojuse äraandmine. Kogu tsükkel kordub üha uuesti.
Absorbtsioonil põhineva soojuspumba kasutamisel toimub töövedeliku kokkusurumine termiliselt lahuse ringis, mille moodustavad absorber, lahuse pump, generaator ja paisventiil.
Tänapäevastel soojuspumpadel on kõrge kasutegur. Kulutades vooluvõrgust näiteks 1 kW elektrit soojuspumba töös hoidmiseks, võib selle abil toota ruumide kütmiseks ja vee soojendamiseks 3 kW energiat. Seega on energia kokkuhoid kolmekordne, mis omakorda tähendab, et kolmekordselt väheneb ka elektri tootmiseks kulunud fossiilkütuse ja seejuures õhku paisatava kasvuhoonegaasi CO2 kogus. Hoonete kütmisest tingitud CO2 emissioon atmosfääri moodustas kogu maailmas juba 1997. a 6,6 miljardit tonni. Soojuspumpade abil võiks inimkond seda 4,4 miljardi tonni võrra vähendada (!). Praegu töötab Euroopa Liidus 380 000 (sh ainuüksi Rootsis 186 000) ja USAs üle 300 000 soojuspumba. _veitsis ja mitmes teises riigis on käivitatud rahvuslikud soojuspumpade kasutamise programmid.

Tulevikutehnoloogia
Niisiis on seni maapõuest hangitud energiat peamiselt maakoores leiduvast kuumast veest ja aurust (jättes kõrvale nafta, gaasi jt energiakandjad), kuid kahjuks ei leidu selliseid alasid kõikjal ja küllaldaselt. Määratult rohkem peitub soojusenergiat aga kõikjal maapõues leiduvates nn kuivades kivides, mille temperatuur on sageli väga kõrge.
Teadlased ja insenerid on seadnud eesmärgiks välja töötada uus tehnoloogia, mis lubaks ära kasutada ka seda osa maakoores leiduvast energiast. See tehnoloogia on Euroopas saanud nimeks Hot Dry Rock (HDR) ja USAs ka Enhanced Geothermal Systems (EGS). Teadlased on tulnud järeldusele, et aastaks 2050 võiks selle tehnoloogia abil toota elektrienergiat 100 000 MWe ulatuses. Tõsiseid tehnilisi probleeme seejuures muidugi jätkub. Eeskätt on see seotud süvakivimikihtide pragundamise ja seeläbi soojuse läbilaskvuse-edasikandumise suurendamisega.
Selle tehnoloogia arendamisel on esirinnas Euroopa Liit. Vastav suurprojekt Prantsusmaal Soultzis areneb edukalt. Kuivadesse süvakivimikihtidesse – kogumahuga 2–3 km3 – on 4–5 km sügavustesse puuraukudesse suure surve all pumbatud vee abil tekitatud ulatuslikke pragulisi tsoone. Niinimetatud injektsioonkaevude kaudu pumbatakse neisse pragudesse vesi ja kuumades kivimikihtides soojenenud vesi pumbatakse kaugemal nn produktsioonkaevude kaudu maapinnale kasutamiseks.
Pole sugugi võimatu, et veelgi kaugemas tulevikus suudab inimene tehnika arenedes ammutada koguni ülikuuma magmasse kätketud soojusenergiat.

Sarnased artiklid