De belofte van geothermische energie

Naarmate de kosten van brandstof en elektriciteit stijgen, heeft aardwarmte een veelbelovende toekomst. Ondergrondse warmte is overal op aarde te vinden, niet alleen waar olie wordt gepompt, steenkool wordt gewonnen, waar de zon schijnt of waar de wind waait. En het produceert de hele dag door, met relatief weinig beheer nodig. Hier is hoe geothermische energie werkt.

Waar je ook bent, als je door de aardkorst boort, raak je uiteindelijk de gloeiend hete rots. Mijnwerkers merkten in de middeleeuwen voor het eerst op dat diepe mijnen aan de onderkant warm zijn, en zorgvuldige metingen sinds die tijd hebben we ontdekt dat zodra je voorbij oppervlakteschommelingen komt, vast gesteente steeds warmer wordt met diepte. Dit gemiddeld geothermische gradiënt is ongeveer één graad Celsius voor elke 40 meter diepte of 25 C per kilometer.

Maar gemiddelden zijn slechts gemiddelden. In detail is de geothermische gradiënt op verschillende plaatsen veel hoger en lager. Hoge hellingen vereisen een van de volgende twee dingen: heet magma dat dicht bij het oppervlak stijgt, of overvloedige scheuren waardoor grondwater de warmte efficiënt naar het oppervlak kan transporteren. Beide zijn voldoende voor energieproductie, maar beide zijn het beste.

Magma rijst op waar de korst uit elkaar wordt gerekt om hem te laten opstijgen uiteenlopende zones. Dit gebeurt bijvoorbeeld in de vulkanische bogen boven de meeste subductiezones en in andere gebieden met uitbreiding van de aardkorst. De grootste uitbreidingszone ter wereld is het midden van de oceaanrug, waar het beroemde, zinderende heet is zwarte rokers zijn gevonden. Het zou mooi zijn als we warmte van de spreidruggen zouden kunnen aftappen, maar dat kan in slechts twee plaatsen, IJsland en de Salton Trough of California (en Jan Mayen Land in de Noordelijke IJszee, waar niemand leeft).

Continentale verspreidingsgebieden zijn de op één na beste mogelijkheid. Goede voorbeelden zijn de Basin and Range-regio in het Amerikaanse Westen en de Great Rift Valley in Oost-Afrika. Hier zijn er veel gebieden met hete rotsen die over de indringing van jonge magma's heen liggen. De warmte is beschikbaar als we die kunnen bereiken door te boren en dan de warmte te onttrekken door water door het hete gesteente te pompen.

Warmwaterbronnen en geisers in het hele bekken en het bereik wijzen op het belang van breuken. Zonder de breuken is er geen warmwaterbron, alleen verborgen potentieel. Breuken ondersteunen warmwaterbronnen op veel andere plaatsen waar de korst niet uitrekt. De beroemde Warm Springs in Georgia is een voorbeeld, een plek waar in 200 miljoen jaar geen lava is gestroomd.

De allerbeste plaatsen om aardwarmte aan te boren hebben hoge temperaturen en overvloedige breuken. Diep in de grond worden de breukruimten gevuld met pure oververhitte stoom, terwijl grondwater en mineralen in de koelere zone boven de druk de druk opvangen. Tikken op een van deze droge-stoomzones is alsof je een gigantische stoomketel bij de hand hebt die je op een turbine kunt aansluiten om elektriciteit op te wekken.

De beste plek ter wereld hiervoor is verboden terrein - Yellowstone National Park. Er zijn tegenwoordig slechts drie droge stoomvelden die stroom produceren: Lardarello in Italië, Wairakei in Nieuw-Zeeland en The Geysers in Californië.

Andere stoomvelden zijn nat - ze produceren zowel kokend water als stoom. Hun efficiëntie is minder dan de droge stoomvelden, maar honderden maken nog steeds winst. Een belangrijk voorbeeld is het geothermische veld Coso in het oosten van Californië.

Geothermische energiecentrales kunnen worden gestart in hete, droge rotsen door er eenvoudig naar toe te boren en te breken. Vervolgens wordt er water naar toe gepompt en wordt de warmte geoogst in stoom of heet water.

Elektriciteit wordt geproduceerd door het onder druk staande hete water in stoom te flitsen bij oppervlaktedrukken of door gebruik een tweede werkvloeistof (zoals water of ammoniak) in een apart leidingsysteem om de warmte. Nieuwe verbindingen worden ontwikkeld als werkvloeistoffen die de efficiëntie voldoende zouden kunnen verhogen om het spel te veranderen.

Gewoon warm water is nuttig voor energie, zelfs als het niet geschikt is om elektriciteit op te wekken. De warmte zelf is nuttig in fabrieksprocessen of gewoon voor het verwarmen van gebouwen. Het hele land IJsland is bijna volledig zelfvoorzienend in energie dankzij geothermische bronnen, zowel warm als warm, die alles doen, van het aandrijven van turbines tot het verwarmen van kassen.

Geothermische mogelijkheden van al deze soorten worden weergegeven in a nationale kaart van geothermisch potentieel uitgegeven op Google Earth in 2011. De studie die deze kaart heeft gemaakt, schatte dat Amerika tien keer zoveel geothermisch potentieel heeft als de energie in al zijn kolenbedden.

Nuttige energie kan zelfs worden verkregen in ondiepe gaten, waar de grond niet heet is. Warmtepompen kunnen een gebouw in de zomer koelen en in de winter verwarmen, gewoon door warmte te verplaatsen van welke plaats het warmer is. Soortgelijke schema's werken in meren, waar dicht, koud water op de bodem van het meer ligt. Het koelsysteem met meerbronnen van Cornell University is een opmerkelijk voorbeeld.

Tot een eerste benadering komt de warmte van de aarde door radioactief verval van drie elementen: uranium, thorium en kalium. We denken dat de ijzeren kern heeft bijna geen van deze, terwijl de bovenliggende mantel heeft slechts kleine hoeveelheden. De korst, slechts 1 procent van de massa van de aarde, bevat ongeveer de helft van deze radiogene elementen als de hele mantel eronder (dat is 67% van de aarde). In feite werkt de korst als een elektrische deken op de rest van de planeet.

Kleinere hoeveelheden warmte worden geproduceerd door verschillende fysisch-chemische middelen: bevriezing van vloeibaar ijzer in de binnenkern, veranderingen in minerale fase, inslagen vanuit de ruimte, wrijving door aardgetijden en meer. En er stroomt een aanzienlijke hoeveelheid warmte uit de aarde, simpelweg omdat de planeet afkoelt, zoals sindsdien zijn geboorte 4,6 miljard jaar geleden.

De exacte cijfers voor al deze factoren zijn zeer onzeker omdat het warmtebudget van de aarde afhankelijk is van details van de structuur van de planeet, die nog steeds wordt ontdekt. Ook is de aarde geëvolueerd en we kunnen niet aannemen wat haar structuur was in het diepe verleden. Ten slotte hebben de platentektonische bewegingen van de korst die elektrische deken eeuwenlang herschikt. Het warmtebudget van de aarde is een controversieel onderwerp onder specialisten. Gelukkig kunnen we zonder die kennis aardwarmte benutten.