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Geothermie – Nutzung der Wärmeversorgung der Erde

Mit steigenden Kosten für Brennstoff und Strom hat Geothermie eine vielversprechende Zukunft. Unterirdische Wärme kann überall auf der Erde gefunden werden, nicht nur dort, wo Öl gepumpt wird, Kohle abgebaut wird, wo die Sonne scheint oder wo der Wind weht. Und es wird rund um die Uhr produziert, wobei relativ wenig Management erforderlich ist. So funktioniert Geothermie.

Geothermische Gradienten

Egal wo Sie sind, wenn Sie durch die Erdkruste bohren, werden Sie schließlich auf glühenden Felsen treffen. Bergleute bemerkten zum ersten Mal im Mittelalter, dass tiefe Minen am Boden warm sind, und sorgfältige Messungen seitdem haben ergeben, dass festes Gestein mit zunehmender Tiefe stetig wärmer wird, sobald Sie Oberflächenschwankungen überwunden haben. Im Durchschnitt beträgt dieser geothermische Gradient etwa 1 Grad Celsius pro 40 Meter Tiefe oder 25 Grad Celsius pro Kilometer.

Aber Durchschnittswerte sind nur Durchschnittswerte. Im Detail ist der geothermische Gradient an verschiedenen Stellen viel höher und niedriger. Hohe Gradienten erfordern eines von zwei Dingen: heißes Magma, das nahe an der Oberfläche aufsteigt, oder reichlich vorhandene Risse, die es dem Grundwasser ermöglichen, Wärme effizient an die Oberfläche zu transportieren. Beides reicht für die Energieerzeugung aus, aber beides ist am besten.

Zonen ausbreiten

Magma steigt dort auf, wo die Kruste auseinander gespannt wird, um sie aufsteigen zu lassen – in unterschiedlichen Zonen. Dies geschieht beispielsweise in den Vulkanbögen oberhalb der meisten Subduktionszonen und in anderen Bereichen mit Krustenausdehnung. Die weltweit größte Ausdehnungszone ist das Mid-Ocean-Ridge-System, in dem sich die berühmten, heißglühenden schwarzen Raucher befinden. Es wäre großartig, wenn wir Wärme von den sich ausbreitenden Kämmen ablassen könnten, aber das ist nur an zwei Orten möglich, Island und im Salton Trough von Kalifornien (und Jan Mayen Land im Arktischen Ozean, wo niemand lebt).

Gebiete mit kontinentaler Ausbreitung sind die nächstbeste Möglichkeit. Gute Beispiele sind die Region Basin and Range im Great Rift Valley in West- und Ostafrika. Hier gibt es viele Bereiche mit heißen Steinen, die über jungen Magmaeinbrüchen liegen. Die Wärme ist verfügbar, wenn wir sie durch Bohren erreichen können. Beginnen Sie dann mit der Entnahme der Wärme, indem Sie Wasser durch den heißen Stein pumpen.

Bruchzonen

Heiße Quellen und Geysire im gesamten Becken und im Bereich weisen auf die Bedeutung von Brüchen hin. Ohne die Brüche gibt es keine heiße Quelle, nur verstecktes Potenzial. Frakturen unterstützen heiße Quellen an vielen anderen Stellen, an denen sich die Kruste nicht dehnt. Die berühmten Warm Springs in Georgia sind ein Beispiel, ein Ort, an dem in 200 Millionen Jahren keine Lava geflossen ist.

Dampffelder

Die besten Orte, um Erdwärme zu nutzen, sind hohe Temperaturen und reichlich vorhandene Brüche. Tief im Boden sind die Bruchräume mit reinem überhitztem Dampf gefüllt, während Grundwasser und Mineralien in der kühleren Zone über dem Druck abdichten. Wenn Sie eine dieser Trockendampfzonen erschließen, haben Sie einen riesigen Dampfkessel zur Hand, den Sie an eine Turbine anschließen können, um Strom zu erzeugen.

Der beste Ort der Welt dafür ist tabu – der Yellowstone-Nationalpark. Es gibt heute nur drei Trockendampffelder, die Strom produzieren: Lardarello in Italien, Wairakei in Neuseeland und The Geysers in Kalifornien.

Andere Dampffelder sind nass – sie produzieren sowohl kochendes Wasser als auch Dampf. Ihre Effizienz ist geringer als die der Trockendampffelder, aber Hunderte von ihnen machen immer noch Gewinn. Ein wichtiges Beispiel ist das geothermische Feld Coso in Ostkalifornien.

Geothermie-Anlagen können in heißem Trockengestein einfach durch Bohren und Brechen in Betrieb genommen werden. Dann wird Wasser abgepumpt und die Wärme in Dampf oder heißem Wasser geerntet.

Die Stromerzeugung erfolgt entweder durch Aufblitzen des unter Druck stehenden heißen Wassers in Dampf bei Oberflächendruck oder durch Verwendung eines zweiten Arbeitsmediums (wie Wasser oder Ammoniak) in einem separaten Rohrleitungssystem, um die Wärme zu extrahieren und umzuwandeln. Neuartige Verbindungen werden als Arbeitsflüssigkeiten entwickelt, die die Effizienz ausreichend steigern könnten, um das Spiel zu verändern.

Kleinere Quellen

Gewöhnliches heißes Wasser ist nützlich für Energie, auch wenn es nicht zur Stromerzeugung geeignet ist. Die Wärme selbst ist in Fabrikprozessen oder nur zum Heizen von Gebäuden nützlich. Die gesamte isländische Nation ist dank heißer und warmer geothermischer Quellen, die alles vom Antrieb von Turbinen bis zur Beheizung von Gewächshäusern leisten, nahezu energieautark.

Geothermische Möglichkeiten aller Art werden in einer 2011 auf Google Earth veröffentlichten nationalen Karte des geothermischen Potenzials dargestellt. Die Studie, die diese Karte erstellt hat, schätzt, dass Amerika zehnmal so viel geothermisches Potenzial hat wie die Energie in allen Kohlebetten.

Nützliche Energie kann auch in flachen Löchern gewonnen werden, in denen der Boden nicht heiß ist. Wärmepumpen können ein Gebäude im Sommer kühlen und im Winter erwärmen, indem sie Wärme von einem wärmeren Ort ableiten. Ähnliche Schemata funktionieren in Seen, in denen dichtes, kaltes Wasser auf dem Grund des Sees liegt. Das Seequellenkühlsystem der Cornell University ist ein bemerkenswertes Beispiel.

Wärmequelle der Erde

In erster Näherung stammt die Erdwärme aus dem radioaktiven Zerfall von drei Elementen: Uran, Thorium und Kalium. Wir denken, dass der Eisenkern fast nichts davon hat, während der darüber liegende Mantel nur geringe Mengen hat. Die Kruste. nur 1 Prozent der Erdmasse, enthält etwa die Hälfte dieser radiogenen Elemente wie der gesamte Mantel darunter (das sind 67% der Erde). Tatsächlich wirkt die Kruste wie eine Heizdecke auf den Rest des Planeten.

Geringere Wärmemengen werden auf verschiedene physikalisch-chemische Weise erzeugt: Einfrieren von flüssigem Eisen im inneren Kern, Mineralphasenänderungen, Stöße aus dem Weltraum, Reibung durch Gezeiten auf der Erde und vieles mehr. Und eine beträchtliche Menge Wärme fließt aus der Erde, einfach weil sich der Planet abkühlt, wie es seit seiner Geburt vor 4,6 Milliarden Jahren der Fall war .

Die genauen Zahlen für all diese Faktoren sind höchst ungewiss, da das Wärmebudget der Erde von Details der Planetenstruktur abhängt, die noch entdeckt werden. Auch die Erde hat sich weiterentwickelt, und wir können nicht davon ausgehen, wie ihre Struktur in der tiefen Vergangenheit war. Schließlich haben plattentektonische Bewegungen der Kruste diese Heizdecke seit Äonen neu angeordnet. Das Wärmebudget der Erde ist unter Fachleuten ein umstrittenes Thema. Zum Glück können wir ohne dieses Wissen Geothermie nutzen.

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