Löften om geotermisk energi

När kostnaderna för bränsle och el stiger har geotermisk energi en lovande framtid. Underjordisk värme finns överallt på jorden, inte bara där olja pumpas, kol bryts ut, där solen skiner eller där vinden blåser. Och det producerar dygnet runt, hela tiden, med relativt lite ledning som behövs. Så här fungerar geotermisk energi.

Oavsett var du är, om du borrar ner genom jordskorpan kommer du så småningom att träffa röd het klippa. Gruvarbetare märkte först under medeltiden att djupa gruvor är varma i botten och noggranna mätningar sedan den tiden har upptäckt att när du har kommit förbi ytfluktuationerna växer fast berg stadigt varmare med djup. I genomsnitt detta geotermisk lutning är ungefär en grad Celsius för varje 40 meters djup eller 25 C per kilometer.

Men medelvärden är bara genomsnitt. I detalj är den geotermiska lutningen mycket högre och lägre på olika platser. Höga lutningar kräver en av två saker: het magma som stiger nära ytan, eller rikliga sprickor som gör att grundvatten kan transportera värme effektivt till ytan. Endera räcker för energiproduktion, men det är bäst att ha båda.

Magma reser sig där jordskorpan sträckes isär för att låta den stiga upp divergerande zoner. Detta händer i vulkanbågarna över de flesta subduktionszoner, till exempel och i andra områden med skorpeförlängning. Världens största förlängningszon är mid-ocean ridge-systemet, där det berömda, friskande heta svarta rökare är hittad. Det skulle vara jättebra om vi kunde tappa värme från spridningsryggarna, men det är möjligt på bara två platser, Island och Salton Trough i Kalifornien (och Jan Mayen land i Arktiska havet, där ingen bor).

Områden med kontinental spridning är den näst bästa möjligheten. Bra exempel är Basin och Range-regionen i det amerikanska Väst- och Östafrika Great Rift Valley. Här finns det många områden med heta stenar som ligger över unga magmaintrång. Värmen är tillgänglig om vi kan komma åt den genom att borra, börja sedan utvinna värmen genom att pumpa vatten genom den heta berget.

Varma källor och gejsrar i hela bassängen och området pekar på vikten av sprickor. Utan sprickorna finns det ingen varm källa, bara dold potential. Frakturer stöder varma källor på många andra ställen där skorpan inte sträcker sig. Den berömda Warm Springs i Georgien är ett exempel, en plats där ingen lava har flödat på 200 miljoner år.

De allra bästa ställena för att tappa geotermisk värme har höga temperaturer och rikliga sprickor. Djupt i marken fylls sprickrummen med ren överhettad ånga, medan grundvatten och mineraler i den svalare zonen ovan tätar trycket. Att knacka in i en av dessa torra ångzoner är som att ha en gigantisk ångpanna till hands som du kan ansluta till en turbin för att generera el.

Det bästa stället i världen för detta är utanför gränserna - Yellowstone National Park. Det finns bara tre torra ångfält som producerar kraft idag: Lardarello i Italien, Wairakei i Nya Zeeland och The Geysers i Kalifornien.

Andra ångfält är våta - de producerar kokande vatten och ånga. Deras effektivitet är mindre än torra åkerfält, men hundratals av dem fortfarande gör vinst. Ett huvudexempel är Coso geotermiska fält i östra Kalifornien.

Geotermiska energianläggningar kan startas i het torr berg, helt enkelt genom att borra ner till den och spricka den. Sedan pumpas vatten ner till det och värmen skördas i ånga eller varmt vatten.

Elektricitet produceras antingen genom att blixta det trycksatta varma vattnet till ånga vid yttryck eller genom använda en andra arbetsvätska (t.ex. vatten eller ammoniak) i ett separat VVS-system för att extrahera och omvandla värme. Nya föreningar är under utveckling som arbetsvätskor som kan öka effektiviteten tillräckligt för att förändra spelet.

Vanligt varmt vatten är användbart för energi även om det inte är lämpligt för elproduktion. Själva värmen är användbar i fabriksprocesser eller bara för att värma byggnader. Hela Island är nästan helt självförsörjande med energi tack vare geotermiska källor, både varma och varma, som gör allt från att driva turbiner till uppvärmning av växthus.

Geotermiska möjligheter av alla dessa slag visas i en nationell karta över geotermisk potential utfärdades på Google Earth 2011. Studien som skapade denna karta uppskattade att Amerika har tio gånger så mycket geotermisk potential som energin i alla sina kolbäddar.

Användbar energi kan erhållas även i grunt hål, där marken inte är het. Värmepumpar kan kyla en byggnad under sommaren och värma den under vintern, bara genom att flytta värme från vilken plats som är varmare. Liknande system fungerar i sjöar, där tätt, kallt vatten ligger på sjöns botten. Cornell Universitys kylsystem för sjökällor är ett anmärkningsvärt exempel.

Till en första tillnärmning kommer jordens värme från radioaktivt sönderfall av tre element: uran, thorium och kalium. Vi tror att järnkärna har nästan inget av dessa, medan det överliggande mantel har bara små mängder. De skorpa, bara 1 procent av jordens bulk, innehar ungefär hälften så mycket av dessa radiogena element som hela manteln under den (som är 67% av jorden). I själva verket fungerar jordskorpan som ett elektriskt filt på resten av planeten.

Mindre mängder värme produceras på olika fysikalisk-kemiska sätt: frysning av flytande järn i den inre kärnan, mineralfasförändringar, påverkan från yttre rymden, friktion från jordvatten och mer. Och en betydande mängd värme rinner ut från jorden helt enkelt för att planeten svalnar, som den har gjort sedan dess födelsen för 4,6 miljarder år sedan.

De exakta siffrorna för alla dessa faktorer är mycket osäkra eftersom jordens värmebudget förlitar sig på detaljer om planetens struktur, som fortfarande upptäcks. Även jorden har utvecklats, och vi kan inte anta vad dess struktur var under det djupa förflutna. Slutligen har platta-tektoniska rörelser från jordskorpan omorganiserat den elektriska filten för eoner. Jordens värmebudget är ett omtvistat ämne bland specialister. Tack och lov kan vi utnyttja geotermisk energi utan den kunskapen.