Αντλώντας ενέργεια μέσα από τη Γη

{{{ moto }}}
Η Γη με το μάτι των γεωλόγων δεν είναι πια κοριτσάκι αλλά μια μεσήλικη που όμως έχει ακόμη πολλή ενέργεια μέσα της και ανάλογη διάθεση για δυναμικά φαινόμενα με τη μορφή ηφαιστείων και σεισμικής δραστηριότητας. Τα φαινόμενα αυτά αποκάλυψαν στον άνθρωπο, από τους αρχαίους ακόμη χρόνους, ότι υπάρχει στο εσωτερικό του πλανήτη τους εγκλωβισμένη ενέργεια, και το μεγαλύτερο μέρος της είναι σε μορφή θερμότητας. Ο γνωστός και από τον νόμο των αερίων, που διδάσκεται στο σχολείο, άγγλος φυσικός Ρόμπερτ Μπόιλ, ήδη από τον 17ο αιώνα, με την κατασκευή των πρώτων ανθρακωρυχείων, που έφθαναν σε μεγάλο βάθος, ασχολήθηκε με το γεγονός ότι όσο πιο βαθιά κατεβαίνουμε στη Γη τόσο αυξάνεται η θερμοκρασία. Υπάρχει δηλαδή κάτι που οι γεωλόγοι ονομάζουν «γεωθερμική βαθμίδα» και έχει τη ρίζα της στη γένεση και στην εξέλιξη του πλανήτη.

Στα πρώτα στάδια της ζωής της Γης, όταν πια πήρε το σχήμα της και είχε εμφανιστεί ο πρώτος στερεός φλοιός, στο εσωτερικό της είχαν εγκλωβιστεί τεράστιες ποσότητες θερμότητας. Ο σίδηρος άρχισε με τη μορφή ρευστού να συγκεντρώνεται στον πυρήνα και τα ραδιενεργά πετρώματα να μεταφέρονται προς την επιφάνεια. Σήμερα πιστεύεται ότι κατά προσέγγιση το 80% της ροής θερμότητας στην επιφάνεια της Γης προέρχεται από διασπάσεις ραδιενεργών στοιχείων στο εσωτερικό της και το υπόλοιπο 20% οφείλεται στην πρωτογενή εκείνη «χθόνια λάβρα».

40 τρισεκατομμύρια Watt
Οπως λέει στο «Βήμα» ο κ. Ανδρέας Τζάνης, επίκουρος καθηγητής Γεωφυσικής στο Τμήμα Γεωλογίας και Γεωπεριβάλλοντος στο Πανεπιστήμιο Αθηνών, στον οποίο ανήκει και η έκφραση «χθόνια λάβρα» για τη θερμότητα στο εσωτερικό της Γης: «Στις γεωεπιστήμες ο όρος “θερμική ροή” σημαίνει τον ρυθμό με τον οποίο απάγεται η θερμότητα (θερμική ενέργεια) από το εσωτερικό της Γης προς την επιφάνεια, ανά μονάδα επιφάνειας. Η εκροή θερμικής ενέργειας από τη Γη είναι της τάξεως των 40 τρισεκατομμυρίων W (Βατ) και φαντάζει κολοσσιαία, αλλά η μέση θερμική ροή ανά μονάδα επιφάνειας είναι 0,075 W/m2 (Βατ ανά τετραγωνικό μέτρο) και είναι παρόμοια τόσο στις ηπειρωτικές περιοχές όσο και στους πυθμένες των ωκεανών. Κατά συνέπεια, η θερμότητα εκρέει με τέτοιους αργούς ρυθμούς ώστε θα χρειαζόταν περίπου ένα έτος για να λιώσει ένα στρώμα πάγου με πάχος μόνο έξι χιλιοστά του μέτρου (αν δεν υπήρχε φυσικά και ο Ηλιος). Σε σύγκριση, η θερμότητα που δέχεται η επιφάνεια της Γης από τον Ηλιο είναι 2.000 – 3.000 φορές μεγαλύτερη. Παρ’ όλα αυτά η θερμότητα που έχει παραχθεί στο εσωτερικό της Γης κατά τη διάρκεια του γεωλογικού χρόνου έχει παίξει σημαντικότατο ρόλο στη διαμόρφωση του πλανήτη μας και της επιφάνειάς του, και τελικά στην εξέλιξη της ζωής επάνω σε αυτόν».

Οι γεωλογικές παράμετροι
Ο βασικός τρόπος για την εκμετάλλευση της Γεωθερμίας είναι, με τη βοήθεια γεώτρησης, να φθάσουμε σε έναν «ταμιευτήρα», δηλαδή σε ένα στρώμα όπου αποθηκεύεται κάποιο ρευστό υψηλής θερμοκρασίας, συνήθως νερό σε πρόσμειξη με άλατα, και να το αντλήσουμε στην επιφάνεια για να «στραγγιχτεί», με τη βοήθεια ειδικών αλλά όχι πολύπλοκων μηχανημάτων, η θερμότητα. Η ύπαρξη μεγάλης θερμοκρασίας σε μια περιοχή δεν οδηγεί αυτόματα σε εκμεταλλεύσιμο γεωθερμικό δυναμικό, διότι η ενέργεια είναι διάχυτη στη μάζα των πετρωμάτων και πρέπει να συγκεντρωθεί και να μεταφερθεί στην επιφάνεια. Ετσι σε ένα εκμεταλλεύσιμο γεωθερμικό πεδίο πρέπει να συνδυάζονται τα θερμά πετρώματα με την ύπαρξη νερού που κυκλοφορεί μέσα σε αυτά και μεταφέρει τη θερμότητα στους ταμιευτήρες, αλλά και σε βάθη που μπορούμε να προσεγγίσουμε με γεωτρήσεις.

Η εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας ξεκίνησε στην Ιταλία το 1904, με παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από υδροθερμικά συστήματα υψηλής ενθαλπίας (δηλαδή ενεργειακού περιεχομένου, με θερμοκρασίες γεωθερμικού ρευστού μεγαλύτερες των 200-250°C), και συνεχίστηκε με αυτόν τον τρόπο επί μακρό χρονικό διάστημα. Κατά τα τελευταία 30-40 έτη όμως η πρόοδος της τεχνολογίας επέτρεψε την ανάπτυξη πολλαπλών εφαρμογών σε γεωθερμικά συστήματα χαμηλής έως πολύ χαμηλής ενθαλπίας, οι οποίες μπορεί να έχουν πολλαπλάσια οικονομικά και άλλα οφέλη. Αρχίζοντας από την «κλασική» παραγωγή ρεύματος, εφόσον αντλούν από μια πρακτικά ανεξάντλητη ενεργειακή πηγή και έχουν ελάχιστες έως μηδενικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Για εφαρμογές πολύ χαμηλής ενθαλπίας, γεωθερμικό ρευστό με θερμοκρασίες της τάξεως των 40°C μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα σε εφαρμογές για να θερμάνουμε θερμοκήπια, πισίνες και ιχθυοκαλλιέργειες.

Σε ακόμη χαμηλότερες θερμοκρασίες (π.χ. της τάξεως των 20°C) το υπόγειο νερό δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα και πρέπει να ενισχύεται με αντλίες θερμότητας. Η θερμότητα που είναι αποθηκευμένη στο ρηχό υπέδαφος (θερμοκρασίες της τάξεως των 10-15°C) μπορεί να εξαχθεί με συσκευές που συνδυάζουν αντλίες θερμότητας και συλλέκτες θαμμένους σε μικρά βάθη και να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση οικιών και μικρών κτιρίων. Γεωθερμικά ρευστά χαμηλής ενθαλπίας, της τάξεως των 80°C, χρησιμοποιούνται για μαζική θέρμανση αστικών περιοχών, δεδομένου ότι μπορούν άμεσα να τροφοδοτηθούν σε δίκτυα διανομής θερμού νερού, όπως π.χ. στη λεκάνη των Παρισίων, στη λεκάνη της Παννονίας στην Ουγγαρία κ.λπ.

Ζέστη από την πέτρα
Τα θερμά ξηρά πετρώματα που βρίσκονται σε βάθη της τάξεως μερικών χιλιομέτρων αποτελούν επίσης σπουδαία ενεργειακή πηγή πολλαπλών χρήσεων. Στην περίπτωση αυτή η ενέργεια εξάγεται με υδραυλική θραύση η οποία δημιουργεί επιφάνειες ανταλλαγής θερμότητας. Κατ’ αυτήν, ανοίγονται γεωτρήσεις μέσω των οποίων εγχέεται ψυχρό νερό στο θερμό πέτρωμα, ούτως ώστε να προκληθεί τεχνητός θρυμματισμός λόγω απότομης συστολής. Το νερό κατόπιν διαχέεται στο θερμό θρυμματισμένο πέτρωμα απ’ όπου συλλέγει θερμότητα και αντλείται μέσω άλλων γεωτρήσεων εκμετάλλευσης. Με θερμοκρασίες της τάξεως των 200°C και άνω, τα θερμά ξηρά πετρώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παραγωγή ηλεκτρισμού, θέρμανση κ.ά.

Ενας θησαυρός για την Ελλάδα
Απ’ όλες αυτές τις πληροφορίες που μας έδωσε ο κ. Τζάνης, πρέπει περισσότερο να τονιστεί η δυνατότητα άντλησης θερμότητας από το ρηχό υπέδαφος. Διότι αυτή τη μορφή τη συναντούμε παντού. Δεν χρειάζεται δηλαδή να υπάρχουν ιδιαίτεροι γεωλογικοί σχηματισμοί, ούτε εκτεταμένες και πολύπλοκες ή επικίνδυνες εγκαταστάσεις, όπως στην περίπτωση παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος από ένα γεωθερμικό πεδίο, και επομένως είναι μια πολύ ρεαλιστική εφαρμογή και για τα περισσότερα διαμερίσματα της Ελλάδας. Αν πραγματοποιηθεί σε μεγάλη έκταση, διότι σήμερα περιορίζεται σε κάποιες περιοχές της Βόρειας Ελλάδας (Σιδηρόκαστρο, Νέα Κεσάνη, Χαλκιδική), θα εξοικονομηθούν πολύ μεγάλες ποσότητες πετρελαίου, άρα και συναλλάγματος.

Ακόμη ένα παράδειγμα προς την κατεύθυνση αυτή δίδεται και από τον καθηγητή Βιομηχανικών Ορυκτών και πρόεδρο του Τμήματος Γεωλογίας και Γεωπεριβάλλοντος κ. Μιχάλη Σταματάκη: «Η περιοχή της Ανατολικής Στερεάς Ελλάδας (περιοχές των Θερμοπυλών – Καμένων Βούρλων, λεκάνης Σπερχειού κτλ.) χαρακτηρίζεται από σύγχρονα γεωδυναμικά φαινόμενα και διεργασίες, που έχουν ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ιδιαίτερων γεωλογικών συνθηκών, όπως η ανάπτυξη σημαντικού γεωθερμικού πεδίου στην ευρύτερη περιοχή. Το γεωθερμικό αυτό πεδίο αποτελεί τη γενεσιουργό αιτία διαφόρων φαινομένων, τα οποία, υπό κατάλληλες προϋποθέσεις, μπορούν να αποδώσουν ένα σημαντικό όφελος τόσο για τις τοπικές κοινωνίες όσο και ευρύτερα, με άμεσες θετικές κοινωνικοοικονομικές συνέπειες.

Τα κυριότερα πρωτογενή και δευτερογενή αυτά φαινόμενα σχετίζονται με:

· Την ύπαρξη υψηλής θερμικής ροής (γεωθερμικό πεδίο).

· Την παρουσία θερμοπηγών.

· Την πιθανή ύπαρξη εκμεταλλεύσιμων κοιτασμάτων βιομηχανικών ορυκτών που έχουν σχέση με τη χημική συμπεριφορά των υδάτων των γεωθερμικών ρευστών.

Δεν είναι μόνο η ενέργεια…
Μια σημαντική έρευνα πεδίου και εργαστηρίου, η οποία θα πρέπει να προτείνει λύσεις και συγκεκριμένες επενδύσεις ώστε να μπορεί να αποβεί προς όφελος της ελληνικής κοινωνίας, θα πρέπει να στοχεύει στην ενεργειακή εκμετάλλευση του γεωθερμικού πεδίου της περιοχής, στην ανάπτυξη των ποικίλων θερμών πηγών με πολυχρηστικές δυνατότητες (αναψυχή, ιαματικός τουρισμός, θερμαλισμός, θεραπείες κτλ.) και στην εκμετάλλευση των πιθανά εντοπισμένων αποθέσεων βιομηχανικών ορυκτών, που συνδέονται με τη γεωθερμική δράση. Η ευρύτερη περιοχή της Ανατολικής Στερεάς Ελλάδας, λόγω των ιδιαίτερων γεωλογικών συνθηκών της, αποτελεί μια σημαντική περιοχή που χρήζει ενδελεχούς διερεύνησης και αξιοποίησης των φυσικών χαρακτηριστικών της. Τα ιδιαίτερα αυτά χαρακτηριστικά μπορούν υπό προϋποθέσεις να αποφέρουν μεσοπρόθεσμα άμεσα και έμμεσα οικονομικά οφέλη, συμβάλλοντας στην ανάπτυξη των τοπικών κοινωνιών, στη βελτίωση της ποιότητας ζωής και στην καταπολέμηση της ανεργίας».

Η αλήθεια είναι ότι ακόμη και σε έναν μεγάλο κήπο μπορούμε να εκμεταλλευθούμε τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στην επιφάνεια και στο εσωτερικό της Γης, αλλά πέρα από μια καθαρά ατομική δραστηριότητα, όπως είναι το να φτιάξεις δικό σου οικιακό θερμικό δίκτυο, οι ειδικοί του Γεωπεριβάλλοντος στο Πανεπιστήμιο θέλουν να ανοίξουν μιαν άλλη, πολύ μεγαλύτερη πύλη, απ’ όπου θα γίνει δυνατή η εκμετάλλευση από το ελληνικό κράτος πλέον έστω και ενός πολύ μικρού μέρους της ενέργειας που το έδαφος κρατάει μέσα του αλλά κανείς δεν μας απαγορεύει να φέρουμε στην επιφάνεια.

ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΟ «ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΟ»

Τα στρώματα της Γης: Αν μπορούσαμε να κάνουμε μια τομή ως το κέντρο του πλανήτη μας με ένα φανταστικό αλλά και τεράστιο μαχαίρι, θα βλέπαμε ότι διαθέτει έναν εσωτερικό πυρήνα σε βάθη από 6.378 (κέντρο) ως 5.100 χιλιόμετρα, όπου έχουμε θερμοκρασίες της τάξεως των 5.500°C, αλλά η τεράστια πίεση από τα πιο πάνω στρώματα κάνει τον σίδηρο και το νικέλιο εκεί κάτω να συμπεριφέρονται όπως μια σχεδόν συμπαγής μπάλα. Γύρω της διακρίνουμε τον εξωτερικό πυρήνα, σε βάθη 5.100 – 2.900 χιλιομέτρων, όπου σίδηρος και νικέλιο κυκλοφορούν σε υγρή κατάσταση, δημιουργώντας και το μαγνητικό πεδίο της Γης. Ακόμη πιο έξω είναι ο μανδύας, σε βάθη 2.900 – 100 χιλιομέτρων, και τον αποτελούν πυριτικά πετρώματα πλούσια σε σίδηρο και μαγνήσιο. Πιο κοντά στην επιφάνεια, στα τελευταία 200 χιλιόμετρα του μανδύα, διακρίνονται η Ασθενόσφαιρα με πάχος 100 χιλιομέτρων σε πλαστική κατάσταση και η Λιθόσφαιρα, με επίσης περίπου 100 χιλιόμετρα πάχος. Για τη Λιθόσφαιρα θα λέγαμε ότι είναι κάτι σαν πέτρινο λεπτό μπισκότο που θρυμματίζεται δίνοντας τις γνωστές μας τεκτονικές πλάκες, οκτώ μεγάλες και πολλές μικρότερες, όπως αυτή του δικού μας Αιγαίου πελάγους, που μετατοπίζονται η μία σε σχέση με την άλλη, με ταχύτητες ως και 100 χιλιοστά του μέτρου τον χρόνο. Τέλος, έχουμε και τον φλοιό, με μέσο πάχος περίπου 35 χιλιομέτρων, που είναι πολύ παχύτερος κάτω από τις ηπείρους (ως 70 χλμ.) σε σχέση με τους ωκεανούς (10-15 χλμ.).

Γεωθερμική ενέργεια: Είναι η ενέργεια με τη μορφή θερμότητας που ρέει από το θερμό εσωτερικό του πλανήτη Γη προς την επιφάνεια.

Τρόποι μετάδοσης της θερμότητας: Με αγωγή από το εσωτερικό προς την επιφάνεια, οπότε ο ρυθμός είναι αργός, και με ρεύματα μεταφοράς που περιορίζονται κοντά στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών. Εκεί δηλαδή όπου συναντούμε ηφαιστειακά φαινόμενα και ροή θερμού νερού (περίπτωση και του ελληνικού χώρου).

Γεωθερμική βαθμίδα: Η θερμοκρασία αυξάνεται όσο προχωρούμε προς το κέντρο της Γης και το πόσο αυξάνεται για κάθε χιλιόμετρο λέγεται γεωθερμική βαθμίδα. Εχει γίνει παραδεκτό ότι κατά μέσον όρο είναι 30°C ανά χιλιόμετρο. Σε ειδικές υπέρθερμες ζώνες πάντως η γεωθερμική βαθμίδα μπορεί να φθάσει τοπικά και τους 200°C ανά χιλιόμετρο. Υπολογίζεται επίσης ότι η θερμική ροή από τον πυρήνα προς τον μανδύα είναι 80 εκατομμύρια W/m2. Σε απόλυτες τιμές και με συντηρητικούς υπολογισμούς, ο πυρήνας φαίνεται να αποβάλλει τουλάχιστον 13 τρισεκατομμύρια W θερμικής ενέργειας!

Γεωθερμικό σύστημα: Με τον όρο αυτόν εννοούμε περιοχή στην οποία η θερμική ενέργεια της Γης είναι επαρκώς συγκεντρωμένη ώστε να αποτελεί εκμεταλλεύσιμη ενεργειακή πηγή. Η συγκέντρωση της θερμότητας από τα πετρώματα όπου ευρίσκεται διάχυτη, προϋποθέτει την ύπαρξη ενός ενδιαμέσου (γεωθερμικού) ρευστού το οποίο να τη συλλέγει και να τη μεταφέρει, δημιουργώντας υπό κατάλληλες συνθήκες έναν γεωθερμικό ταμιευτήρα ή συλλέκτη: τον ρόλο αυτόν βασικά αναλαμβάνει το υπόγειο νερό.

Ενθαλπία ενός συστήματος: Είναι ένα φυσικό μέγεθος λίγο σκοτεινό για τους πολλούς αλλά ταυτόχρονα και εργαλείο για τους ειδικούς. Είναι το άθροισμα δύο όρων. Ο ένας σχετίζεται με την εσωτερική ενέργεια του συστήματος. Δηλαδή την ενέργεια των μορίων που αποτελούν το σύστημα λόγω της αέναης κίνησής τους εφόσον η θερμοκρασία τους δεν είναι στο απόλυτο μηδέν (-273°C). Ο άλλος όρος όμως έχει να κάνει με την εξωτερική πίεση και τον όγκο του συστήματος. Μας δίνει μια ιδέα για το πόση ενέργεια χρειάστηκε για να δημιουργηθεί στη συγκεκριμένη θέση το συγκεκριμένο σύστημα. Επειδή η ενθαλπία ενός συστήματος βρίσκεται σε άμεση σχέση με τη θερμοκρασία του, μιλούμε για γεωθερμικά συστήματα χαμηλής (70-100°C), μέσης (90-150°C) και υψηλής ενθαλπίας (πάνω από 150°C) και τα χαρακτηρίζουμε, όπως φαίνεται, από αντίστοιχα όρια θερμοκρασιών.

ΤΟ «ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΙΣΛΑΝΔΙΑ»

Οπως αναφέρει προς «Το Βήμα» ο δρ Κωνσταντίνος Κυριακόπουλος, καθηγητής Ηφαιστειολογίας και Πετρολογίας, διευθυντής του Εργαστηρίου Ορυκτολογίας και Πετρολογίας στο Πανεπιστήμιο Αθηνών, ως αποτέλεσμα της συνεχούς ροής γηγενούς θερμότητας από το εσωτερικό της γης, με τη μορφή θερμικών ρευμάτων στον χώρο του μανδύα-φλοιού, έχουμε μια αέναη κίνηση των λιθοσφαιρικών πλακών. Αυτό επαληθεύεται και στον ελλαδικό χώρο, όπου η αφρικανική λιθοσφαιρική πλάκα συγκρούεται με την ευρασιατική. Ετσι διαμορφώθηκαν τα τελευταία εκατομμύρια χρόνια τα ηφαίστεια του ενεργού ηφαιστειακού τόξου του Νοτίου Αιγαίου (Σουσάκι, Μέθανα, Πόρος, Αίγινα, Μήλος, Σαντορίνη, Κως, Νίσυρος). Σε παγκόσμια κλίμακα, ανάλογα φαινόμενα διαμορφώθηκαν με τη δημιουργία ηφαιστειακών κέντρων, όπως η περιοχή των Ανδεων και του Ειρηνικού ωκεανού (δακτύλιος της φωτιάς).

Αντίστοιχο γεωτεκτονικό περιβάλλον, αλλά με αντίστροφη κίνηση, υπάρχει στην περιοχή της Ισλανδίας. Εκεί οι λιθοσφαιρικές πλάκες της Ευρασίας και της Βόρειας Αμερικής απομακρύνονται συμμετρικά μεταξύ τους σε σχέση με τη μεσοωκεάνια ράχη κατά 6-10 εκατοστά περίπου τον χρόνο. Αυτό έχει αποτέλεσμα να εξέρχεται καυτή λάβα από το εσωτερικό της γης και νέο στρώμα πυθμένα να σχηματίζεται κατά μήκος των υποθαλάσσιων ρηγμάτων. Παράλληλα μεγάλες ποσότητες αερίων, υδρατμών και άλλων ηφαιστειακών υλικών διαχέονται στην ατμόσφαιρα και στο περιβάλλον. Η παρουσία της νήσου Ισλανδίας στον χώρο αυτό οφείλεται αποκλειστικά στην ηφαιστειακή δραστηριότητα. Η περιοχή της Ισλανδίας είναι ένας χώρος όπου έχει διαμορφωθεί ένα ώριμο γεωθερμικό πεδίο υψηλής ενθαλπίας με θερμοκρασία μεγαλύτερη των 250 βαθμών Κελσίου. Η γεωθερμική ενέργεια συμμετέχει σημαντικά στο ενεργειακό ισοζύγιο της Ισλανδίας με εγκατεστημένη θερμική ισχύ περίπου 200 μεγαβάτ, με πλήθος γεωτρήσεων σε όλο το νησί.