Løftet om geotermisk energi

Når kostnadene for drivstoff og strøm stiger, har geotermisk energi en lovende fremtid. Underjordisk varme kan du finne overalt på jorden, ikke bare der olje pumpes, kull blir utvunnet, der solen skinner eller der vinden blåser. Og det produserer døgnet rundt, hele tiden, med relativt lite ledelse som trengs. Slik fungerer geotermisk energi.

Uansett hvor du er, hvis du borer ned gjennom jordskorpen, vil du til slutt treffe rødglødende stein. Gruvearbeidere la først merke til i middelalderen at dype gruver er varme i bunnen, og nøye målinger siden den gangen har funnet ut at når du først er kommet over overflatesvingningene, vokser solid bergart stadig varmere med dybde. I gjennomsnitt dette geotermisk gradient er omtrent en grad Celsius for hver dybde 40 meter eller 25 C per kilometer.

Men gjennomsnitt er bare gjennomsnitt. I detalj er den geotermiske gradienten mye høyere og lavere forskjellige steder. Høye graderinger krever en av to ting: varm magma som stiger nær overflaten, eller rikelig med sprekker som lar grunnvannet føre varme effektivt til overflaten. Enten er tilstrekkelig for energiproduksjon, men det å ha begge deler er best.

Magma reiser seg der jordskorpen blir strukket fra hverandre for å la den heve seg inn divergerende soner. Dette skjer i vulkanbuer over for eksempel de fleste subduksjonssoner og i andre områder med skorpeforlengelse. Verdens største utvidelsessone er midt-havryggsystemet, der den berømte, sydende heten svarte røykere er funnet. Det ville være flott om vi kunne tappe varme fra spredningsryggene, men det er bare mulig i to steder, Island og Salton-tunet i California (og Jan Mayen land i det arktiske hav, hvor ingen bor).

Områder med kontinentalspredning er den nest beste muligheten. Gode ​​eksempler er Basin and Range-regionen i det amerikanske vest- og Øst-Afrikas Great Rift Valley. Her er det mange områder med varme bergarter som ligger over unge magmainntrengninger. Varmen er tilgjengelig hvis vi kan komme til den ved å bore, og begynn å trekke ut varmen ved å pumpe vann gjennom den varme steinen.

Varme kilder og geysirer i hele bassenget og området peker på viktigheten av brudd. Uten bruddene er det ingen varm kilde, bare skjult potensial. Frakturer støtter varme kilder mange andre steder der jordskorpen ikke strekker til. Den berømte Warm Springs i Georgia er et eksempel, et sted der ingen lava har strømmet på 200 millioner år.

De aller beste stedene å tappe geotermisk varme har høye temperaturer og rikelig brudd. Dypt i bakken er bruddrommene fylt med ren overopphetet damp, mens grunnvann og mineraler i kjøligere sone over tetter trykket. Å tappe inn i en av disse tørrdampsonene er som å ha en gigantisk dampkjele praktisk som du kan plugge inn i en turbin for å generere strøm.

Det beste stedet i verden for dette er utenfor grensene - Yellowstone nasjonalpark. Det er bare tre tørrdampfelt som produserer kraft i dag: Lardarello i Italia, Wairakei på New Zealand og The Geysers i California.

Andre dampfelt er våte - de produserer kokende vann så vel som damp. Effektiviteten deres er mindre enn tørrdampfeltene, men hundrevis av dem tjener fremdeles. Et hovedeksempel er Coso geotermiske felt i det østlige California.

Geotermiske energianlegg kan startes i varm tørr berg bare ved å bore ned til den og sprekke den. Deretter pumpes vann ned til den og varmen høstes i damp eller varmt vann.

Elektrisitet produseres enten ved å blinke det trykksatte varmtvannet til damp ved overflatetrykk eller ved å bruke et andre arbeidsfluid (for eksempel vann eller ammoniakk) i et eget rørleggersystem for å trekke ut og konvertere varme. Nye forbindelser er under utvikling som arbeidsvæsker som kan øke effektiviteten nok til å endre spillet.

Vanlig varmt vann er nyttig for energi selv om det ikke er egnet til å generere strøm. Selve varmen er nyttig i fabrikkprosesser eller bare for å varme opp bygninger. Hele nasjonen Island er nesten fullstendig selvforsynt med energi takket være geotermiske kilder, både varme og varme, som gjør alt fra å drive turbiner til oppvarming av drivhus.

Geotermiske muligheter av alle disse typer er vist i a nasjonalt kart over geotermisk potensial ble utgitt på Google Earth i 2011. Studien som skapte dette kartet, estimerte at Amerika har ti ganger så mye geotermisk potensial som energien i alle kullbedene.

Nyttig energi kan oppnås selv i grunne hull, der bakken ikke er varm. Varmepumper kan avkjøle en bygning om sommeren og varme den om vinteren, bare ved å flytte varmen fra hvilket sted som er varmere. Lignende ordninger fungerer i innsjøer, der det ligger tett, kaldt vann på innsjøen. Cornell Universitys kjølesystem for innsjøkilder er et bemerkelsesverdig eksempel.

Til en første tilnærming kommer Jordens varme fra radioaktivt forfall av tre elementer: uran, thorium og kalium. Vi tror at jernkjerne har nesten ingen av disse, mens det overliggende mantelen har bare små mengder. De skorpe, bare 1 prosent av jordens bulk, rommer omtrent halvparten så mye av disse radiogene elementene som hele mantelen under den (som er 67% av jorden). I virkeligheten fungerer jordskorpen som et elektrisk teppe på resten av planeten.

Mindre varmemengder produseres på forskjellige fysisk-kjemiske måter: frysing av flytende jern i den indre kjernen, mineralfaseforandringer, påvirkninger fra det ytre rom, friksjon fra jordevann og mer. Og en betydelig mengde varme strømmer ut av jorden ganske enkelt fordi planeten avkjøles, slik den har gjort siden dens fødsel for 4,6 milliarder år siden.

De nøyaktige tallene for alle disse faktorene er svært usikre fordi jordas varmebudsjett er avhengig av detaljer om planetenes struktur, som fremdeles blir oppdaget. Også Jorden har utviklet seg, og vi kan ikke anta hva strukturen var i den dype fortiden. Endelig har platetektoniske bevegelser av jordskorpen omorganisert det elektriske teppet for eoner. Jordens varmebudsjett er et omstridt tema blant spesialister. Heldigvis kan vi utnytte geotermisk energi uten den kunnskapen.