Geothermische energie, een vorm van energieomzetting waarbij warmte-energie van binnenuit de aarde wordt opgevangen en gebruikt voor koken, baden, ruimteverwarming, opwekking van elektrische energie en ander gebruik.
Verkent
De takenlijst van de aarde
Menselijk optreden heeft geleid tot een enorme cascade van milieuproblemen die nu het voortbestaan van zowel natuurlijke als menselijke systemen bedreigen. Het oplossen van de kritieke milieuproblemen van opwarming van de aarde, waterschaarste, vervuiling en verlies van biodiversiteit zijn misschien wel de grootste uitdagingen van de 21e eeuw. Zullen we opstaan om ze te ontmoeten?
Warmte uit het binnenste van de aarde genereert oppervlakteverschijnselen zoals lavastromen, geisers, fumarolen, warmwaterbronnen en modderpotten. De warmte wordt voornamelijk geproduceerd door het radioactieve verval van kalium, thorium en uranium in de aardkorst en mantel en ook door wrijving langs de randen van continentale platen. De daaropvolgende jaarlijkse laagwaardige warmtestroom naar het oppervlak ligt wereldwijd tussen de 50 en 70 milliwatt (mW) per vierkante meter. Daarentegen levert binnenkomende zonnestraling die het aardoppervlak treft jaarlijks 342 watt per vierkante meter (zie zonne-energie). Geothermische warmte-energie kan worden teruggewonnen en benut voor menselijk gebruik en is overal op het aardoppervlak beschikbaar. De geschatte energie die kan worden teruggewonnen en gebruikt op het oppervlak 4,5 x 10 6 exajoules, of ongeveer 1,4 × 10 6 terawatt-jaar, wat neerkomt op ongeveer drie keer de wereld jaarlijks verbruik van alle soorten energie.
De hoeveelheid bruikbare energie uit geothermische bronnen varieert met diepte en door extractiemethode. De temperatuurstijging van gesteenten en andere ondergrondse materialen is gemiddeld 20-30 ° C (36-54 ° F) per kilometer (0,6 mijl) diepte wereldwijd in het bovenste deel van de lithosfeer, en deze stijgingssnelheid is veel hoger in de meeste Bekende geothermische gebieden van de aarde. Normaal gesproken vereist warmteafvoer een vloeistof (of stoom) om de energie naar de oppervlakte te brengen. Het lokaliseren en ontwikkelen van geothermische bronnen kan een uitdaging zijn. Dit geldt vooral voor de bronnen met hoge temperatuur die nodig zijn voor het opwekken van elektriciteit. Dergelijke hulpbronnen zijn doorgaans beperkt tot delen van de wereld die worden gekenmerkt door recente vulkanische activiteit of langs plaatgrenzen of binnen hotspots van aardkorst. Ook al is er een continue warmtebron in de aarde, de extractiesnelheid van de verwarmde vloeistoffen en stoom kan de suppletiesnelheid overschrijden en daarom moet het gebruik van de hulpbron duurzaam worden beheerd.
Toepassingen
Het gebruik van geothermie kan worden onderverdeeld in drie categorieën: toepassingen voor direct gebruik, geothermische warmtepompen (GHP's) en opwekking van elektrische energie.
Direct gebruik
Waarschijnlijk de meest gebruikte reeks toepassingen is het directe gebruik van verwarmd water uit de grond zonder dat daarvoor speciale apparatuur nodig is. Alle toepassingen voor direct gebruik maken gebruik van geothermische bronnen op lage temperatuur, die variëren tussen ongeveer 50 en 150 ° C (122 en 302 ° F). Dergelijk geothermisch water en stoom met lage temperatuur zijn gebruikt om afzonderlijke gebouwen te verwarmen, evenals hele districten waar talrijke gebouwen worden verwarmd vanuit een centrale voedingsbron. Bovendien zijn veel zwembaden, balneologische (therapeutische) faciliteiten in kuuroorden, kassen en aquacultuurvijvers over de hele wereld verwarmd met geothermische bronnen. Andere directe toepassingen van geothermische energie zijn koken, industriële toepassingen (zoals het drogen van fruit, groenten en hout), melkpasteurisatie en het op grote schaal smelten van sneeuw.Voor veel van die activiteiten wordt warm water vaak rechtstreeks in het verwarmingssysteem gebruikt, of het kan worden gebruikt in combinatie met een warmtewisselaar, die warmte overdraagt wanneer er problematische mineralen en gassen zoals waterstofsulfide zijn gemengd met de vloeistof.
Geothermische warmtepompen
Geothermische warmtepompen (GHP's) profiteren van de relatief stabiele gematigde temperatuuromstandigheden die optreden binnen de eerste 300 meter (1000 voet) van het oppervlak om gebouwen in de winter te verwarmen en in de zomer te koelen. In dat deel van de lithosfeer komen rotsen en grondwater voor bij temperaturen tussen 5 en 30 ° C (41 en 86 ° F). Op ondiepere diepten, waar de meeste GHP's worden aangetroffen, zoals binnen 6 meter (ongeveer 20 voet) van het aardoppervlak, handhaaft de temperatuur van de grond een bijna constante temperatuur van 10 tot 16 ° C (50 tot 60 ° F). Bijgevolg kan die warmte worden gebruikt om gebouwen te verwarmen tijdens de koudere maanden van het jaar wanneer de luchttemperatuur onder de grond komt. Evenzo kan tijdens de warmere maanden van het jaar warme lucht uit een gebouw worden getrokken en ondergronds circuleren, waar het veel van zijn warmte verliest en wordt teruggevoerd.
Een GHP-systeem bestaat uit een warmtewisselaar (een lus van in de grond begraven buizen) en een pomp. De warmtewisselaar draagt warmte-energie over tussen de grond en lucht aan de oppervlakte door middel van een vloeistof die door de leidingen circuleert; de gebruikte vloeistof is vaak water of een combinatie van water en antivries. Tijdens warmere maanden wordt warmte van warme lucht naar de warmtewisselaar en naar de vloeistof overgebracht. Terwijl het door de leidingen beweegt, wordt de warmte verspreid naar de rotsen, grond en grondwater. Tijdens de koudere maanden wordt de pomp omgekeerd. In de relatief warme grond opgeslagen warmte-energie verhoogt de temperatuur van de vloeistof. De vloeistof brengt deze energie vervolgens over naar de warmtepomp, die de lucht in het gebouw verwarmt.
GHP's hebben verschillende voordelen ten opzichte van meer conventionele verwarmings- en airconditioningsystemen. Ze zijn zeer efficiënt, verbruiken 25-50 procent minder elektriciteit dan vergelijkbare conventionele verwarmings- en koelsystemen en produceren minder vervuiling. De verlaging van het energieverbruik van GHP's kan zich vertalen in een verlaging van de broeikasgasemissies met maar liefst 44 procent in vergelijking met luchtwarmtepompen (die warmte overdragen tussen binnen- en buitenlucht). Bovendien, in vergelijking met verwarmingssystemen met elektrische weerstand (die elektriciteit omzetten in warmte) in combinatie met standaard klimaatregelingssystemen, kunnen GHP's tot 72 procent minder broeikasgasemissies produceren.
