Fizika geotermalne energije

Geotermalna energija, oblik pretvorbe energije u kojem se toplinska energija iz Zemlje uzima i koristi za kuhanje, kupanje, grijanje prostora, proizvodnju električne energije i druge namjene.

Istražuje

Zemljin popis obaveza

Ljudsko djelovanje pokrenulo je veliku kaskadu ekoloških problema koji sada prijete kontinuiranoj sposobnosti prirodnog i ljudskog sustava da cvjeta. Rješavanje kritičnih okolišnih problema globalnog zagrijavanja, oskudice vode, zagađenja i gubitka biološke raznolikosti možda su najveći izazovi 21. stoljeća. Hoćemo li se ustati s njima?

Toplina iz Zemljine unutrašnjosti stvara površinske pojave kao što su tokovi lave, gejziri, fumarole, vrući izvori i lonci s blatom. Toplina se proizvodi uglavnom radioaktivnim raspadanjem kalija, torija i urana u Zemljinoj kori i plaštu, a također i trenjem generiranim uz rubove kontinentalnih ploča. Sljedeći godišnji niskokvalitetni toplinski tok na površinu prosječno iznosi između 50 i 70 milivata (mW) po kvadratnom metru u svijetu. Suprotno tome, ulazno sunčevo zračenje koje udara na Zemljinu površinu osigurava 342 vata po kvadratnom metru godišnje (vidi solarnu energiju). Geotermalna toplinska energija može se povratiti i iskoristiti za ljudsku upotrebu, a dostupna je bilo gdje na Zemljinoj površini. Procijenjena energija koja se može obnoviti i iskoristiti na površini je 4,5 × 106 ⁶ eksejula, odnosno oko 1,4 × 106 ⁶ teravatnih godina, što je otprilike tri puta veća od svjetske godišnje potrošnje svih vrsta energije.

Količina upotrebljive energije iz geotermalnih izvora ovisi o dubini i metodom ekstrakcije. Porast temperature stijena i drugih materijala pod zemljom u prosjeku iznosi 20–30 ° C (36–54 ° F) po kilometru (0,6 milje) dubine u svijetu u gornjem dijelu litosfere, a ta stopa porasta znatno je veća u većini Zemlje poznata geotermalna područja. Normalno, za uklanjanje topline potrebna je tekućina (ili para) koja dovodi energiju na površinu. Lociranje i razvoj geotermalnih resursa može biti izazov. To se posebno odnosi na visokotemperaturne izvore potrebne za proizvodnju električne energije. Takvi su resursi obično ograničeni na dijelove svijeta koji karakteriziraju nedavne vulkanske aktivnosti ili su smješteni duž granica ploča ili unutar žarišta mrlje. Iako postoji kontinuirani izvor topline unutar Zemlje, brzina ekstrakcije zagrijane tekućine i pare može premašiti stopu nadopunjavanja, pa se upotreba resursa mora održivo upravljati.

koristi

Potrošnja geotermalne energije može se podijeliti u tri kategorije: aplikacije za izravno korištenje, geotermalne toplinske pumpe (GHP) i proizvodnja električne energije.

Izravne uporabe

Vjerojatno najčešće korišteni skup primjena uključuje izravnu upotrebu grijane vode s tla bez potrebe za bilo kakvom specijaliziranom opremom. Sve aplikacije za izravnu upotrebu koriste geotermalne resurse niske temperature koji se kreću između oko 50 i 150 ° C (122 i 302 ° F). Takva geotermalna voda i para niskih temperatura korišteni su za zagrijavanje pojedinih zgrada, kao i cijelih četvrti u kojima se brojne zgrade zagrijavaju iz središnjeg izvora napajanja. Pored toga, mnogi bazeni, balneološki (terapeutski) objekti u toplicama, staklenicima i ribnjacima za akvakulturu širom svijeta grijani su geotermalnim resursima. Ostale izravne uporabe geotermalne energije uključuju kuhanje, industrijsku primjenu (poput sušenja voća, povrća i drva), pasterizaciju mlijeka i topljenje snijega velikih razmjera. Za mnoge od tih aktivnosti vruća se voda često koristi izravno u sustavu grijanja, ili se može upotrebljavati zajedno s izmjenjivačem topline, koji prenosi toplinu kada postoje problematični minerali i plinovi poput sumporovodika pomiješanog s tekućinom.

Geotermalne toplinske pumpe

Geotermalne toplinske pumpe (GHP) koriste prednosti relativno stabilnih uvjeta umjerene temperature koji se javljaju unutar prvih 300 metara (1.000 stopa) površine kako bi grijali zgrade zimi i hladili ih ljeti. U tom dijelu litosfere stijene i podzemne vode pojavljuju se na temperaturama između 5 i 30 ° C (41 i 86 ° F). Na manjim dubinama, gdje se nalazi većina GHP-a, na primjer unutar 6 metara (oko 20 stopa) od Zemljine površine, temperatura tla održava gotovo konstantnu temperaturu od 10 do 16 ° C (50 do 60 ° F). Posljedično, ta se toplina može iskoristiti za pomaganje toplih zgrada tijekom hladnijih mjeseci u godini kad temperatura zraka padne ispod temperature tla. Slično tome, tijekom toplijih mjeseci godine topli zrak se može izvući iz zgrade i kružiti pod zemljom, gdje gubi velik dio svoje topline i vraća se.

GHP sustav sastoji se od izmjenjivača topline (petlje cijevi ukopanih u zemlju) i pumpe. Izmjenjivač topline prenosi toplinsku energiju između tla i zraka na površini pomoću tekućine koja cirkulira kroz cijevi; upotrebljena tekućina je često voda ili kombinacija vode i antifriza. Tijekom toplijih mjeseci toplina toplog zraka prenosi se u izmjenjivač topline i u tekućinu. Kako se kreće kroz cijevi, toplina se raspršuje na stijene, tlo i podzemne vode. Crpka je obrnuta tijekom hladnijih mjeseci. Toplinska energija pohranjena u relativno toplom tlu podiže temperaturu tekućine. Tekućina zatim ovu energiju prenosi u toplinsku pumpu, koja zagrijava zrak unutar zgrade.

GHP imaju nekoliko prednosti u odnosu na konvencionalnije sustave grijanja i klimatizacije. Vrlo su učinkoviti, koriste 25–50 posto manje električne energije od usporedivih sustava grijanja i hlađenja, a stvaraju i manje zagađenja. Smanjenje potrošnje energije povezano sa stakleničkim plinovima može se pretvoriti u čak 44 posto smanjenja emisija stakleničkih plinova u usporedbi s toplinskim crpkama iz izvora zraka (koje prenose toplinu između unutarnjeg i vanjskog zraka). Osim toga, u usporedbi sa sustavima grijanja s električnim otporom (koji pretvaraju električnu energiju u toplinu) zajedno sa standardnim klimatizacijskim sustavima, GHP mogu proizvesti do 72 posto manje emisije stakleničkih plinova.