Năng lượng địa nhiệt: Sử dụng Trái đất để sưởi ấm các tòa nhà và tạo ra điện

Không giống như không khí, nhiệt độ ở lòng đất thay đổi rất ít trong năm hoặc theo vị trí địa lý. Ở độ sâu vài mét dưới bề mặt, nhiệt độ mặt đất nằm trong khoảng từ 10 đến 21°C (50 đến 70°F) tùy theo khu vực. Càng đào sâu hơn, nhiệt độ sẽ tăng từ 20 đến 40 độ C/km, chạm tới lõi Trái đất, nơi có nhiệt độ lên tới 5000 °C.

Trên thực tế, nghĩ về việc chúng ta đang sinh sống trên một quả cầu quay quanh không gian với tâm phát sáng có thể sẽ khiến nhiều người lo lắng. Tuy nhiên, việc sử dụng các năng lượng hình thành từ Trái đất để tạo ra điện lại được xem là giải pháp bền vững, hiệu quả và đang phổ biến ở một số nước hiện nay. Theo đó, chúng ta cũng có thể tận dụng nhiệt độ ôn hòa cách mặt đất vài mét để thích nghi với khí hậu của các tòa nhà, dù ở vùng khí hậu nóng hay lạnh.

Suối nước nóng là một ví dụ điển hình về cách tận dụng sự chênh lệch nhiệt độ trong các lớp của Trái đất. Ngoài ra, một số quá trình phun trào núi lửa hoặc do chính sự chênh lệch nhiệt độ, nước nóng được làm nóng tự nhiên và nổi lên trên bề mặt của một số nơi cũng là cơ hội giúp chúng ta sử dụng nhiệt độ từ Trái đất để phục vụ quá trình sản xuất, sinh hoạt. Vì nước của các quá trình trên thường chứa hàm lượng khoáng hóa cao hơn nước thông thường nên chúng có xu hướng được dùng để thư giãn, thậm chí để giảm đau và chữa bệnh. Suối nước nóng có ở khắp nơi trên thế giới, nhưng có những quốc gia, nó chỉ hoạt động ngầm dưới lòng đất.

Ngoài việc giải trí, chúng ta có thể tận dụng nhiệt lượng chứa trong đá và chất lỏng bên dưới lớp vỏ trái đất để tạo ra năng lượng điện. Năng lượng địa nhiệt lần đầu tiên được sử dụng ở Ý vào năm 1904 và kể từ đó nó đã phát triển và được xác định là nguồn năng lượng tái tạo tốt. Để làm được điều này, người ta đào giếng để tiếp cận hơi nước nóng và nước chứa trong lòng đất. Khi nổi lên trên bề mặt, lượng nhiệt này được sử dụng để chạy các tua-bin tạo ra điện. Hiện nay, năng lượng địa nhiệt được sử dụng phổ biến ở hơn 20 quốc gia, như Indonesia, Mexico và Nhật Bản, trong đó Hoa Kỳ là nhà sản xuất lớn nhất.

Bên cạnh những ưu điểm là sạch và thải ra ít CO2, loại năng lượng này có một số nhược điểm phải kể đến như chi phí lắp đặt ban đầu cao, khí sulfur dioxide và hydrogen sulfide có thể bị xả thải ra môi trường gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người, các trận động đất nhỏ cũng có thể xảy ra khi chúng hoạt động dọc theo các mảng kiến tạo của vỏ Trái đất.

Thông qua cơ chế hoạt động của các năng lượng trên, chúng ta có thể làm nóng nước và phân phối đến các mạng lưới cơ sở hạ tầng. Trong đó, PK Arkitektar đã phát triển một bộ trạm bơm địa nhiệt ở thủ đô Reykjavik của Iceland. Ngày nay, mọi ngôi nhà ở Reykjavik đều được đun nóng bằng nước địa nhiệt, khiến cho hệ thống sưởi dầu cũ bằng việc đốt nhiên liệu hóa thạch - nguyên nhân tạo ra khói và làm ô nhiễm không khí thành phố, trở nên lỗi thời.

Ngoài ra, chúng ta cũng có thể tận dụng sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và lòng đất để sưởi ấm và làm mát các tòa nhà. Về cơ bản, hệ thống này bao gồm việc lắp đặt các đường ống ngầm bên cạnh tòa nhà, chứa đầy nước hoặc một số chất lỏng khác và một máy bơm nhiệt. Điều này sẽ khiến chất lỏng chảy trong đường ống từ dưới lòng đất lên bề mặt, giúp trao đổi nhiệt với mặt đất. Thiết bị này cũng có thể cung cấp năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí của tòa nhà, thông qua các ống dẫn hoặc được sử dụng để làm nóng nước. Nếu nhiệt độ mặt đất cao hơn nhiệt độ không khí xung quanh, bơm nhiệt sẽ truyền nhiệt từ mặt đất đến tòa nhà. Nó cũng có thể hoạt động ngược lại, truyền nhiệt từ không khí xung quanh tòa nhà xuống mặt đất, làm mát tòa nhà.

Một số công trình tiêu biểu sử dụng năng lượng địa nhiệt để điều hòa không khí có thể kể đến như: Không gian làm việc Hàng hải Gare, do Neutelings Riedijk Architects + Bureau Bouwtechniek thiết kế gồm 12 giếng đào sâu 140 mét có tác dụng làm mát không gian, trường mẫu giáo Sant Pere Pescador, được thiết kế bởi Abar + Ovidi Alum với hệ thống ống nước chạy qua tầng hầm của sân được kết nối với hệ thống sưởi ấm dưới sàn giúp cung cấp điều hòa không khí cho tòa nhà; Khách sạn Ecco do Dissing+Weitling Architecture thiết kế ở Đan Mạch, hệ thống địa nhiệt được biết đến là một phần của ý tưởng tổng thể. Được biết, thiết kế của tòa nhà đã tối ưu hóa về mọi mặt, không chỉ bằng cách sử dụng hệ thống sưởi/làm mát địa nhiệt và năng lượng mặt trời, mà còn bởi hình dạng tròn của chính sơ đồ mặt bằng cho phép sử dụng tốt nhất không gian sẵn có, khoảng cách ngắn trong tòa nhà và tổn thất nhiệt tối thiểu do diện tích bề mặt giảm.

Việc tận dụng các nguồn tài nguyên có sẵn và có thể tái tạo cho các tòa nhà là điều cần thiết để xây dựng tương lai xanh và bền vững.