Geotermisk energi – definition, elproduktion, fjärrvärme och värmepumpar

Upptäck geotermisk energi: hur jordens värme ger stabil elproduktion, effektiv fjärrvärme och energisnåla värmepumpar — hållbara lösningar för framtidens uppvärmning.

Geotermisk energi (från de grekiska rötterna geo, som betyder jord, och thermos, som betyder värme) är energi som produceras av värme i jordskorpan. Denna värme kan användas direkt för uppvärmning eller omvandlas till elektricitet i geotermiska kraftverk.

Hur värmen uppstår

Även om solen värmer upp jordens yta är det inte solen som orsakar värmen från jordens inre. Den geotermiska energin i jordskorpan kommer till ungefär 20 % från planetens ursprungliga bildning och till cirka 80 % från mineralers radioaktiva sönderfall. Temperaturen är högst i kärna och avtar gradvis mot ytan.

Resurser och historisk användning

Resurser för geotermisk energi sträcker sig från den grunda marken till hett vatten och heta bergarter några kilometer under jordytan, och ännu djupare till de extremt höga temperaturerna i smält berg som kallas magma. Geotermiska källor har använts för bad sedan paleolitisk tid, men tekniken har utvecklats och är nu också viktig för produktion av elektricitet och fjärrvärme.

Geotermisk elproduktion

Över hela världen användes geotermisk energi för att producera cirka 10 gigawatt elektricitet år 2007, vilket motsvarade cirka 0,3 procent av den globala elproduktionen då. Kapaciteten har vuxit sedan dess, särskilt i länder med lättillgängliga varma reservoarer. Geotermiska kraftverk ger ofta en stabil och kontinuerlig produktion (baseload), vilket skiljer dem från många andra förnybara energikällor.

De vanligaste huvudtyperna av geotermiska kraftverk är:

• Torrånga: använder direkt ånga från reservoarerna för att driva turbiner (exempel: The Geysers i Kalifornien).
• Flash-ånga: högtempererat vatten tas upp och en del av vattnet förångas (”flashes”) till ånga som driver turbiner.
• Binary cycle (organisk Rankine-cycle): används vid lägre temperaturer där värme överförs till en arbetsvätska med lägre kokpunkt som sedan förångas och driver en turbin. Denna metod gör det möjligt att utnyttja lägre temperaturresurser effektivt.

Direkt användning och fjärrvärme

Geotermisk energi används också direkt för fjärrvärme och andra värme- och kyltillämpningar. Island är ett tydligt exempel där många byggnader värms upp med geotermiskt uppvärmt vatten via fjärrvärmenät. Direktanvändning kan omfatta:

• Fjärrvärme och uppvärmning av byggnader
• Växthusodling och akvakultur (uppvärmning av vatten i fiskodlingar)
• Torkningsprocesser och industriella processer, t.ex. pastörisering
• Spaanläggningar och termalbad

Värmepumpar och grundvärme

Nästan överallt håller marken cirka 3 meter under jordytan en relativt konstant temperatur på mellan 10 och 16 °C (50–60 °F). Geotermiska värmepumpar kan utnyttja denna stabila resurs för både uppvärmning och kylning av byggnader. Ett jordvärmepumpssystem består typiskt av en värmepump, ett luftledningssystem (kanalsystem) och en värmeväxlare — ett system av rör som är nedgrävda i den grunda marken nära byggnaden.

På vintern tar värmepumpen värme från markkretsen och för in den i byggnadens luftsystem; på sommaren reverseras processen för att kyla inomhusluften. Dessa system har ofta hög effektivitet (COP vanligtvis flera gånger inmatad el), och den el som driver värmepumpen kan komma från valfri energikälla. Det finns olika konfigurationer:

• Sluten slinga: horisontella eller vertikala kollektorslangar fyllda med vätska.
• Öppet system: använder grundvatten som cirkuleras genom byggnadens system och sedan återförs eller infiltreras.

Geologiska tekniker och utvinning

Geotermisk energi avges som varmt vatten i många varma källor eller som ånga i gejsrar. I områden med hög entalpi borras brunnar ner till reservoarer där varmt vatten eller ånga finns lagrat. Några kraftverksdriftsätt blev beskrivna ovan.

Varma torra bergarter finns på 5–8 km djup i många områden och på mindre djup i geologiskt aktiva regioner. För att utnyttja dessa måste kallt vatten injiceras i en brunn, cirkuleras genom sprickbildningar i värme berg och det uppvärmda vattnet tas upp i en annan brunn. Ett sådant system kräver avancerad borrteknik och reservoirstyrning.

Förstärkta geotermiska system (EGS) och magma

Kraftverk och termiska tillämpningar av geotermisk energi är mogna tekniker, medan projekt för förstärkta geotermiska system (EGS) är en mer nyskapande inriktning. EGS syftar till att göra varma bergarter med låg porositet tillgängliga genom konstgjord stimulering (hydraulisk spräckning) för att skapa cirkulation. Tekniken kan i teorin avsevärt utöka den geotermiska potentialen, men den möter utmaningar såsom kostnader, teknisk komplexitet och risk för inducerade jordskalv.

Den befintliga tekniken gör det ännu inte möjligt att utvinna värme direkt från magma, den mycket djupa och mest kraftfulla resursen för geotermisk energi, men forskning pågår och pilotprojekt har studerat möjligheterna.

Miljö- och ekonomiska aspekter

Geotermisk energi har flera fördelar: låg koldioxidintensitet per producerad kWh jämfört med fossila bränslen, liten intermittens (möjlighet till basproduktion) och relativt liten ytanvändning per producerad energienhet. Samtidigt finns miljörisker och utmaningar:

• Inducerad seismisk aktivitet vid borrning och injektion (särskilt för EGS).
• Risk för utsläpp av gaser som vätesulfid och små mängder koldioxid från vissa fält (kan minimeras med slutna system och behandling).
• Korrosion och mineralavlagringar (scaling) i brunnar och rör, vilket kräver kemisk hantering och underhåll.
• Höga initiala investeringskostnader för borrning och anläggningar, medan driftkostnader ofta är relativt låga.

Geotermins potential och begränsningar

Den geotermiska potentialen är stor, särskilt om tekniker som EGS blir kommersiellt konkurrenskraftiga. Högentalpikällor (mycket varma reservoarer) är lokalt koncentrerade och gör vissa länder till naturliga ledare för geotermisk elproduktion. Lågentempresurser och den stabila värmen i grunt grund ger däremot stor potential globalt för uppvärmning och värmepumpar.

Sammanfattning

Geotermisk energi är en mångsidig och i många avseenden hållbar energiresurs med användning från lokal uppvärmning till storskalig elproduktion. Teknikerna varierar från välbeprövade kraftverkstyper och fjärrvärmenät till avancerade koncept som EGS. Nyckelfaktorer för fortsatt utbyggnad är kostnadsnedgångar i borrning och teknik, hantering av miljöaspekter som induced seismicity, samt integration med andra energisystem för att maximera nyttan av denna stabila värmekälla.

Frågor och svar

F: Vad är geotermisk energi?

F: Hur mycket av världens el producerades genom geotermisk energi 2007?

F: Vilken temperatur håller marken på ett djup av tre meter under jordytan?

F: Hur kan geotermiska värmepumpar användas för att värma upp byggnader?

F: Är förbättrade geotermiska system projekt mogna tekniker?

Sök med bokstav