Geothermische energie komt van twee bronnen: van radioactief verval in de aardkorst, en van hitte die vanuit de kern via de mantel van de aarde naar buiten sijpelt. De kern is nog zeer warm omdat de aarde vroeger gloeiend heet was, en nog steeds aan het afkoelen en stollen is; de hitte in de kern wordt ook aangevuld door getijdenwrijving: de aarde buigt in reactie op de zwaartekrachtvelden van de maan en de zon, op dezelfde manier als een sinaasappel van vorm verandert als je er in knijpt en die tussen je handen laat rollen.

Geothermie is een aantrekkelijke hernieuwbare energiebron omdat die altijd beschikbaar is, en onafhankelijk is van het weer; als we geothermische electriciteitscentrales maken, dan kunnen we die in en uit schakelen om aan de vraag te voldoen. Maar hoeveel geothermische energie is er beschikbaar? We kijken naar twee soorten geothermisch vermogen: het beschikbare vermogen op een gewone locatie op de aardkorst; en het vermogen dat beschikbaar is op speciale hotspots zoals IJsland (figuur 16.3). Hoewel het goed is om eerst geothermie te ontwikkelen op de speciale hotspots, ga ik ervan uit dat het meeste vermogen komt van de gewone locaties, omdat die zo veel talrijker zijn.

De moeilijkheid bij het maken van duurzame geothermische energie is dat de snelheid waarmee warmte door vast gesteente beweegt, de snelheid beperkt waarmee warmte duurzaam uit het gloeiend hete binnenland van de aarde kan worden gezogen. Het is als met een rietje een crushed ijsdrankje drinken. U doet het rietje in het glas, zuigt, en u krijgt een lekker slokje koude vloeistof. Maar na een beetje meer zuigen, merkt u dat u lucht aan het zuigen bent. U heeft alle vloeistof uit het ijs rond het puntje van het stro gehaald. Die eerste zuigsnelheid was niet duurzaam.

Als u een rietje in een 15 km diep gat in de aarde steekt, zult u merken dat het daar heet genoeg is om water te koken. Dus u zou twee rietjes kunnen gebruiken, door de ene pompt u koud water naar beneden en via het andere zuigt u warm water naar boven. U zuigt stoom op en u kunt een krachtcentrale laten draaien. Onbegrensd vermogen? Nee. Na een tijdje zal het afvoeren van warmte uit de rots, de temperatuur van de rots hebben verlaagd. U was niet duurzaam aan het zuigen. U heeft nu een lange wachttijd voordat de rots bij het puntje van uw rietjes weer is opgewarmd. Een mogelijke houding tenopzichte van dit probleem is om geothermie te behandelen zoals we op dit moment omgaan met fossiele brandstoffen: als een te ontginnen bron in plaats van een duurzame bron.

Op deze manier van aardwarmte leven is misschien beter voor de planeet dan onhoudbaar van fossiele brandstoffen te leven; maar misschien is het ook alleen maar een doekje voor het bloeden die ons nog eens 100 jaar oplevert om niet-duurzaam te leven? In dit boek ben ik het meest geïnteresseerd in duurzame energie, zoals de titel aangeeft. Laten we de schattingen maken.

Geothermische energie die voor altijd duurzaam is.

Stelt u zich eerst voor dat u op een duurzame manier geothermische energie gebruikt door rietjes in de bodem te steken tot een geschikte diepte en dan zacht te zuigen. Zuigen met zo’n snelheid dat de rotsen aan het einde van onze rietjes niet steeds kouder en kouder worden. Dit betekent zuigen met de natuurlijke snelheid waarmee de warmte al wegstroomt uit de aarde.

Zoals ik eerder zei, komt geothermische energie uit twee bronnen: uit radioactief verval in de korst van de aarde, en van de hitte die er doorheen druppelt vanuit de mantel van de kern van de aarde. Op een typisch continent is de warmte die vanuit het centrum door de mantel naar boven komt ongeveer 10 mW / m2. De warmtestroom aan het oppervlak is 50 mW / m2. Dus heeft het radioactieve verval  een extra 40 mW / m2 toegevoegd aan de warmtestroom vanuit het midden.

Kortom, op een typische locatie, is het maximale vermogen dat we per oppervlakte-eenheid zouden kunnen benutten 50 mW / m2. Maar dat vermogen is geen hoogwaardig vermogen, het is laagwaardige warmte die omhoog stroomt en uiteindelijk bij de omgevingstemperatuur uitkomt. We willen graag elektriciteit maken, en daarom moeten we dieper gaan. Warmte is alleen nuttig als het afkomstig is van een bron met een hogere temperatuur dan de omgevingstemperatuur. De temperatuur neemt toe met de diepte zoals getoond infiguur 16.4, een temperatuur van ongeveer 500 ° C wordt bereikt op een diepte van 40 km. Tussen dieptes van 0 km waar de warmtestroom het grootst is maar de steentemperatuur te laag is, en 40 km, waar de rotsen het warmst zijn, maar de hittestroom 5 keer kleiner is (omdat we alle gegenereerde warmte van radioactief verval missen ) is er een optimale diepte waarop we zouden moeten zuigen. De exacte optimale diepte hangt af van het soort machine waarmee we warmte oppompen en electriciteit gaan maken. We kunnen het maximale duurzame vermogen bepalen door de optimale diepte te vinden, ervan uitgaande dat we een ideal apparaat hebben voor het omzetten van warmte in elektriciteit, en dat boren naar elke diepte is gratis.Voor het temperatuurprofiel getoond in figuur 16.4, heb ik berekend dat de optimale diepte ongeveer 15 km is. Onder deze omstandigheden zou een ideale hittemotor 17 mW / m2 leveren. Met een wereldbevolkingdichtheid van 43 mensen per vierkante kilometer, is dat 10 kWh per persoon per dag, als alle landoppervlakte zou worden gebruikt. In het Verenigd Koninkrijk is de bevolkingsdichtheid 5 keer groter, dus grootschalige geothermische energie van deze duurzaam voor altijd variëteit zou hooguit 2 kWh per persoon per dag kunnen leveren. 

Dit is de “duurzaam voor altijd” schatting, die hot spots negeert, ervan uitgaat dat de omzetting van warmte naar electriciteit zonder verlies plaatsvindt, dat elke vierkante meter continent wordt geëxploiteerd, en dat boren gratis is. En bovendien dat het mogelijk is om 15 km diepe gaten te boren.

Geothermische energie als mijnbouw

De andere geothermische strategie is om de warmte te behandelen als een te ontginnen bron. In de “verbeterde geothermische winning” van hete droge gesteenten (figuur 16.5), boren we eerst tot een diepte van 5 of 10 km, en breekt de rotsen door er water in te pompen. (Deze stap kan aardbevingen veroorzaken, waar de lokale bevolking niet echt blij mee zal zijn.)

Vervolgens boren we een tweede put in de breukzone. Dan pompen we water via  de eerste put naar beneden en halen water of stoom via de andere naar boven. Deze stoom kan worden gebruikt om elektriciteit te maken of om warmte te leveren.

Wat is de potentie van hete droge rots als energiebron in het VK? Helaas is die in Groot-Brittannië niet erg groot. De meeste hete rotsen komen voor in Cornwall, waar sommige geothermische experimenten werden uitgevoerd in 1985 in een onderzoeksfaciliteit op Rosemanowes, nu gesloten. Consultants die deze experimenten beoordeelden kwamen to de conclusie dat “het genereren van elektrische stroom uit hete droge rots technisch of commercieel in Cornwall, of elders in deVerenigd Koninkrijk niet haalbaar zou zijn, op de korte of middellange termijn.” Desalnietemin, wat is de omvang van deze hulpbron? De grootste schatting van de mogelijke opbrengst van hete droge rotsen in het VK is een totale energie van 130 000 TWh, dit zou volgens de adviseurs mogelijk 1,1 kWh per dag per persoon aan elektriciteit gedurende 800 jaar kunnen leveren.

Andere plaatsen in de wereld hebben hete droge rotsen met meer potentie, dus als u de geothermische antwoorden voor andere landen wilt weten, dan moet u het aan een lokale deskundige vragen. Jammer genoeg voor Groot-Brittannië, zal geothermie slechts een zeer kleine rol spelen.

Southampton gebruikt toch al geothermische energie? Hoeveel levert dat op?

Ja, geothermische verwarming in Southhampton was, tenminste in 2004, het enige geothermische verwarmingssysteem in het VK. Het levert de stad een toevoer aan warm water. De geothermische bron maakt deel uit van een cogeneratiesysteem van electriciteit, warm en koud water, dat warm en gekoeld water aan klanten levert en elektriciteit aan het net. Geothermische energie levert ongeveer 15% van de 70 GWh warmte per jaar geleverd door dit systeem. De omvang van de bevolking van Southampton was bij de laatste telling 217.445, dus het geleverde geothermische vermogen, is 0.13kWh / d per persoon in Southampton.

Aantekeningen en verdere lectuur

De warmtestroom aan het oppervlak is 50 mW / m2. Massachusetts Institute of Technology(2006) zegt gemiddeld 59 mW / m2, met een bereik in de VS van 25 mW tot 150 mW. Shepherd (2003) geeft 63 mW / m2.98

“Het is onwaarschijnlijk dat de opwekking van elektriciteit met hete droge rots technisch of commercieel levensvatbaar is in het VK “. Bron: MacDonald et al. (1992). Zie ook Richards et al. (1994).

De grootste schatting van de hete droge-steen in het VK als energiebron … komt neer op 1,1 kWh electriciteit per dag per persoon gedurende ongeveer 800 jaar. Bron: MacDonald et al. (1992).

Andere plaatsen in de wereld hebben meer veelbelovende hete droge rotsen. Er is een goede studie (Massachusetts Institute of Technology, 2006) die het hete droge gesteente in de VS beschrijft. Nog een meer speculatieve benadering, onderzocht door Sandia National Laboratories in de jaren 1970, is om helemaal naar beneden in het magma te boren waar temperaturen van 600-1300 ° C heersen, misschien 15 km diep, en er vermogen uit te halen. De website www.magma-power.com schat dat de warmte in het magma onder de VS het Amerikaanse energieverbruik voor 500 of 5000 jaar zou kunnen dekken, en dat het economisch kan worden geëxtraheerd.

Southampton Geothermische stadsverwarming. www.southampton.gov.uk.