6. Geotermisk energi

Der er masser af termisk energi i undergrunden, og denne kan benyttes til at levere varme til dagligdagen. Her ses en gejser i Yellowstone National Park. Den sprøjter fordi vandet opvarmes af undergrunden.

 

Inde i Jordens indre ligger Jordens kerne. Det øverste lag af denne kerne består af flydende sten også kaldet magma. En gang imellem sker det, at denne magma kommer gennem Jordens overflade i en vulkan (her kaldes det lava). Nogle steder oplever vi også, at vand bliver opvarmet og bryder jordens overflade som gejsere eller varme kilder.

Dette er ekstreme tilfælde af varme, men det forholder sig således, at når man kommer nogle meter ned i jorden har denne en konstant temperatur. For hver 100 meter man kommer ned stiger denne med ca. 3 grader.

Energien inde i Jorden er vedvarende og neutral energi, som er gratis når først produktionsanlæggene er bygget. Der skelnes mellem forskellige former for kommercielle ressourcer: geotermisk energi og jordvarme.

Navnet geotermi stammer fra de græske ord geo (jord) og therme (varme) og betyder altså Områder med mere luft end de omkringliggende områder kaldes højtryk eller varme fra Jorden. Det udnytter at Jorden kerne er mellem 4000-5000 grader varm. Kernen består af hovedsageligt af metallerne jern og nikkel. Den inderste kerne er på fast form pga. det meget høje tryk, som er næsten 4 millioner gange højere end på jordoverfladen. I den ydre kerne er metaller flydende ved en temperatur mellem 3000-4000 grader. Varmen fra Jordens kerne hjælper til at opvarme klippelag, som ligger tættere på jordoverfladen. Den indre varmen i Jorden består af flere bidragsydere: fra en rest af den primære varme fra klodens dannelse, henfald fra radioaktive isotoper i jordkernen og gnidningsvarme fra tektoniske processer dvs. deformation af jordkloden og sammenstød mellem klippestykker.

Nogle af disse klippelag er porøse og fyldt med vand, som har adgang til jordoverfladen. Fænomenet kan bl.a. opleves på Island, hvor gejsere sprøjter varmt vand op fra undergrunden. Anvendelse af varmt vand fra termiske kilder har stået på i tusinder af år, og antikkens romere og grækere brugte bl.a. vandet til varme bade.

 

 

Definition: Geotermisk energi

Geotermisk energi er udnyttelse af vand og varme fra Jordens indre. Det udnyttes ved at pumpe varmt vand op fra vandførende lag i undergrunden.

 

Jordens skorpe beskytter os fra den direkte varme fra Jordens kerne. Bevæger man sig ned igennem skorpen, vil de normale temperaturstigninger være på 20-30 °C pr. km, mens de kan være meget større i nærheden vulkaner. Steder hvor temperaturerne i skorpen er meget større og klippelagene samtidig er porøse og fyldt med vand, kan det virke som en kedel. Resultatet er damp og varmt vand, som kan anvendes til produktion af elektricitet, fjernvarme og opvarmning af huse, skoler og fabrikker. Islands hovedstad Reykjavik udnytter det varme vand fra landets mange gejsere og vulkaner til fjernvarme. Faktisk modtager 95 procent af byen fjernvarme fra geotermisk energi og sparer klimaet for mange tons CO2 hvert år. Det er også godt for Islands energiforsyningssikkerhed, da importen af udenlandsk kul og naturgas, som normalt bliver brugt til produktion af fjernvarme, reduceres.

 

Fremstilling af elektricitet fra geotermisk energi

Varmt vand eller damp fra undergrunden kan også anvendes til fremstilling af elektricitet i et geotermisk kraftværk. Et geotermisk kraftværk fungerer ligesom et almindeligt kraftværk bortset fra at ingen brændstoffer afbrændes for at opvarme vand til damp – dampen eller det varme vand i det geotermisk kraftværk opvarmes af jorden. Denne damp føres ind i en speciel turbine. Herinde får dampen turbinebladene til at spinde og akslen fra turbinen er forbundet til en generator, der fremstiller elektricitet. Dampen bliver herefter afkølet i et køletårn.

Princippet i udnyttelse af geotermisk energi. Varmt vand pumpes op fra undergrunden, og der pumpes koldere vand tilbage for at opretholde konstant tryk.

 

Islands ældste geotermiske anlæg fra 1969. Anlægget ligger i det nordlige Island og har en kapacitet på 3 MW.

 

Varmepumpe

Næsten overalt på kloden forbliver de øverste 10 meter under jordoverfladen den samme temperatur året rundt – mellem 10 og 16 grader. Hvis du går ned i kælderen eller i en grotte i jorden vil du også opleve, at der næsten altid føles koldt.

Et geotermisk- eller jordvarmeanlæg kan bruge den konstante temperatur til at opvarme eller afkøle en bygning. Rør er nedgravede i jorden i nærheden af bygningen og inde i disse rør løber en væske, der minder om kølervæske i en bil.

Om vinteren, føres varme fra den varmere jorden gennem varmeveksleren på en varmepumpe, som sender denne varme luft ind i huse og andre bygninger. I varmt vejr er processen omvendt. Her trækkes varm luft indefra bygningen ud gennem varmeveksleren, og varmen ledes ned i den relativt koldere jord. Den fjernede varme kan også anvendes til at opvarme vand.

En varmepumpe udnytter altså korte træk at temperaturforskelle altid vil forsøge at udligne hinanden.

 

Geotermisk energi i Danmark

I Danmark vurderer Energistyrelsen, af der er god mulighed for udnyttelse af geotermisk energi til produktion af fjernvarme, selv om temperaturen i undergrunden er ikke høj nok til at producere damp til turbiner. Ofte er de geotermiske anlæg koblet sammen med konventionelle kraftværker, som kan levere drivdamp til processen. Da der ikke findes nogen geotermiske kilder nær jordoverfladen, er det nødvendigt af udføre boringer, præcis som når man udvinder olie. Temperaturen af vandet stiger med dybden, men det gør omkostningerne ved boringerne også. Samtidig falder de vandledende egenskaber, når trykket øges dybere i undergrunden. Derfor kan det ikke betale at bore i mere end 2,5-3 km dybde, hvis anlægget skal opnå en fornuftig økonomi.

 

Fakta: Danmarks fjernvarmebehov

Varmemængden der strømmer fra undergrunden svarer teoretisk set til 2/3 af Danmarks nuværende fjernvarmebehov. Det anslås at 20%-30% af Danmark fjernvarmebehov kan blive dækket af geotermisk energi.

 

Der findes pr. 2012 to geotermiske anlæg i Danmark: ét i Thisted i Nordjylland og ét i København på Amager. Anlægget i Thisted, som blev taget i brug i 1984 og som bruges til fjernevarme, pumper ca. 45 °C varmt vand 1250 meter op fra undergrunden. Vandet afkøles til 12 °C, inden det sendes tilbage i undergrunden. Anlægget har en kapacitet, der kan forsyne 2000 husstande med fjernvarme året rundt.
På Amager begyndte man i 2005 at pumpe varmt vand op af undergrunden. Her hentes vandet i 2600 meters dybde, og det har en temperatur på ca. 73 °C, når det kommer op. Anlægget kan levere en effekt på 14 MW fra geotermisk energi, svarende til det årlige varmeforbrug i 4600 husstande i hovedstadsområdet.
Der er udført boringer og planlagt et nyt geotermisk anlæg i Sønderborg. Efter planen skal det tages i brug i slutningen af 2012.

Udnyttelsen af geotermisk energi giver ikke nogle direkte udledninger af drivhusgasser eller andre forurenende partikler, da der ikke bruges fossile brændsler til opvarmningen af vandet. Da fjernvarme oftest produceret med energi fra naturgas og kul spares store mængder fossilt brændsel. Der kan dog være en indirekte udledning af drivhusgasser, idet geotermiske anlæg skal bruge strøm og drivdamp for at kunne fungere. Strømmen produceres stadigvæk hovedsageligt på kulkraftværker og den drivdamp, der anvendes kunne være brugt i en turbine til elproduktion. Det samlede elforbrug udgør ca. 5%-20% af den leverede effekt fra et geotermisk anlæg.

CO2-udledningerne er dog stadig mindre for geotermiske anlæg end for konventionelle varmeværker. CO2-udledningen fra geotermisk energi er 30 kg CO2 pr. MWh, hvor det for kulfyrede værker er 356 kg CO2 pr. MWh.

DONGs geotermiske anlæg som ligger ved siden af Amagerværket på Refshaleøen i København.

 

Varmekapacitet

Når et fysisk system (det kan være et glas med vand eller en jernklods) tilføres varme, Q, vil det give anledning til en temperaturstigning, ΔT, i systemet. Dette er under forudsætning af, at der ikke sker en faseændring i systemet dvs. at der ikke må forekomme en smeltning eller en fordampning. Hvis et gryde med vand opvarmes, og vandet ikke begynder at fordampe, vil vandets temperatur begynde at stige.
Hvis man måler sammenhørende værdier for den tilførte varme, Q, og temperaturstigningen, ΔT, for et system, er der en lineær sammenhæng. Man siger, at Q er proportional med ΔT. Proportionalitetskonstanten er forskellig for forskellige systemer, da der ikke skal lige meget energi til at varme f.eks.et glas med vand og en jernklods op. Proportionalitetskonstanten kaldes for systemets varmekapacitet, C.

 

Definition: Varmekapacitet

Varmekapacitet for et system fortæller, hvor meget energi (varme) der skal til at opvarme systemet 1 grad.

Et systems varmekapacitet C defineres som:

C = tilført varme / temperaturstigning  = Q/ΔT            

SI-enheden for et systems varmekapacitet er Joule pr. Kelvin (J/K)

 

 

 

Definition: Specifik varmekapacitet

Den specifikke varmekapacitet fortæller hvor meget energi der skal til at opvarme 1 kg af et stof 1 grad.

Hvis systemet består af et enkelt stof som har massen m, er systemets specifikke varmekapacitet defineret som:

c = C/m

SI-enheden for specifik varmekapacitet er Joule pr. kilogram gange Kelvin J/(kg · K).

 

Eksempel: Varmekapaciteten

En aluminiumsterning vejer 200 gram. Den opvarmes over en flamme, hvorved terningen tilføres en given mængde varme. Udregn hvor stor en energimængde, der skal tilføres terningen, for at temperaturen stiger fra 20 °C til 45 °C.

Først finder vi den temperaturstigningen:

ΔT = 45°C – 20°C =25°C = 25K

Derefter bruger vi formlen for specifik varmekapacitet til at finde systemets varmekapacitet (aluminiums specifikke varmekapacitet er givet i tabel 3.3.1):

C = c · m = 900 J/(kg · K) · 0,2 kg = 180 J/K

Dermed kan vi finde den mængde varme der skal til for at øge temperaturen 25K:

Q = C · ΔT = 180 J/K · 25K = 4500J

 

Udfordringer

Faciliteter til produktion af geotermisk elektricitet skal bygges, hvor der er meget geotermisk aktivitet. Eksempler på disse steder er Island eller USA (bl.a. Californien og Yellowstone National Park).

I løbet af geotermisk produktion, bliver damp, der kommer fra jorden, på nogle tidspunkter meget ætsende, hvilket får rør til at korroderer og falde fra hinanden. Det kræver derfor en del vedligeholdelse af have et geotermisk kraftværk. Desuden kan geotermiske kraftværker undertiden komme til at koste mere end et gasfyret kraftværk, fordi de også omfatter omkostningerne til at bore.

 

Øvelse: Effekt på geotermisk anlæg

I denne opgave kigger vi nærmere på det geotermiske anlæg i Thisted (få informationer om anlægget på s. 54).

Antag et der pumpes 300 m3 vand op i timen.

Hvor stor effekt kan anlægget levere?

 

[ssquiz id=”18″]

Link til kapitel 7: Vandenergi

More...