Geotermisk uppvärmning - Geothermal heating

Denna artikel handlar om direkt användning av geotermisk värme. För elproduktion, se geotermisk kraft . För "geotermisk" värmepump, se markvärmepump .
En del av en serie om
Hållbar energi
Vindkraftverk nära Vendsyssel, Danmark (2004)
Översikt
Energibesparing
Förnybar energi
Hållbar transport

Geotermisk uppvärmning är den direkta användningen av geotermisk energi för vissa uppvärmningstillämpningar. Människor har utnyttjat geotermisk värme på detta sätt sedan den paleolitiska eran. Cirka sjuttio länder använde totalt 270 PJ geotermisk uppvärmning direkt 2004. Från och med 2007 installerades 28 GW geotermisk värmekapacitet runt om i världen, vilket motsvarar 0,07% av den globala primära energiförbrukningen. Värmeeffektiviteten är hög eftersom ingen energiomvandling behövs, men kapacitetsfaktorer tenderar att vara låga (cirka 20%) eftersom värmen mest behövs på vintern.

Geotermisk energi härrör från värmen som hålls kvar på jorden sedan planetens ursprungliga bildning, från radioaktivt förfall av mineraler och från solenergi som absorberats på ytan. Mest jordvärme med hög temperatur skördas i regioner nära tektoniska plattgränser där vulkanaktivitet stiger nära jordens yta. I dessa områden kan grund- och grundvatten hittas med temperaturer högre än applikationens måltemperatur. Men även kall mark innehåller värme, under 6 meter (20 ft) är den ostörda marktemperaturen konsekvent vid den genomsnittliga årliga lufttemperaturen och den kan extraheras med en markvärmepump .

Applikationer

Toppländer som använder mest geotermisk uppvärmning 2005
Land Produktion
PJ / år 		Kapacitet
GW
kapacitetsfaktor 		Dominerande
applikationer
Kina 45.38 3,69 39% badning
Sverige 43.2 4.2 33% värmepumpar
USA 31,24 7,82 13% värmepumpar
Kalkon 24,84 1.5 53% fjärrvärme
Island 24,5 1,84 42% fjärrvärme
Japan 10.3 0,82 40% bad ( onsens )
Ungern 7,94 0,69 36% spa / växthus
Italien 7.55 0,61 39% spa / rymdvärme
Nya Zeeland 7.09 0,31 73% industriella användningsområden
63 andra 71 6.8
Total 273 28 31% rymdvärme
Direkt användning av geotermisk värme per kategori 2015 enligt John W. Lund
Kategori GWh / år
Geotermiska värmepumpar 90,293
Bad och simning 33,164
Rymdvärme 24,508
Växthusvärme 7,407
Vattenbruk damm uppvärmning 3,322
Industriella användningsområden 2 904
Kylning / snösmältning 722
Jordbrukstorkning 564
Andra 403
Total 163,287

Det finns ett brett utbud av applikationer för billig geotermisk värme inklusive uppvärmning av hus, växthus, bad och simning eller industriell användning. De flesta applikationer använder geotermisk form av heta vätskor mellan 50 ° C (122 ° F) och 150 ° C (302 ° F). Lämplig temperatur varierar för olika applikationer. För direkt användning av geotermisk värme ligger temperaturområdet för jordbrukssektorn mellan 25 ° C (77 ° F) och 90 ° C (194 ° F), för rumsuppvärmning ligger mellan 50 ° C (122 ° F) och 100 ° C (212 ° F). Värmerör förlänger temperaturområdet till 5 ° C när de extraherar och "förstärker" värmen. Geotermisk värme som överstiger 150 ° C (302 ° F) används vanligtvis för geotermisk kraftproduktion.

År 2004 användes mer än hälften av direkt geotermisk värme för rymduppvärmning och en tredjedel användes för spa. Resten användes för en mängd olika industriella processer, avsaltning, tappvarmvatten och jordbruksapplikationer. Städerna Reykjavík och Akureyri rör varmt vatten från geotermiska växter under vägar och trottoarer för att smälta snö. Geotermisk avsaltning har påvisats.

Geotermiska system tenderar att dra nytta av skalfördelar, så rumsuppvärmningseffekt distribueras ofta till flera byggnader, ibland hela samhällen. Denna teknik, som länge praktiserats över hela världen på platser som Reykjavík , Island ; Boise , Idaho ; och Klamath Falls , Oregon ; är känd som fjärrvärme .

Bara i Europa var 280 geotermiska fjärrvärmeanläggningar i drift 2016 enligt Europeiska geotermiska rådet (EGEC) med en total kapacitet på cirka 4,9 GWth.

Extraktion

Huvudartikel: Jordkopplad värmeväxlare

Vissa delar av världen, inklusive betydande delar av västra USA, understryks av relativt grunda geotermiska resurser. Liknande förhållanden finns på Island, delar av Japan och andra geotermiska hotspots runt om i världen. I dessa områden kan vatten eller ånga fångas upp från naturliga varma källor och ledas direkt in i värmare eller värmeväxlare . Alternativt kan värmen komma från spillvärme som tillhandahålls av samproduktion från en geotermisk elektrisk anläggning eller från djupa brunnar till heta vattenlevande vatten. Direkt geotermisk uppvärmning är mycket effektivare än geotermisk elproduktion och har mindre krävande temperaturkrav, så den är livskraftig över ett stort geografiskt område. Om den grunda marken är varm men torr, kan luft eller vatten cirkuleras genom jordrör eller värmeväxlare i borrhål som fungerar som värmeväxlare med marken.

Ånga under tryck från djupa geotermiska resurser används också för att generera elektricitet från geotermisk kraft. Den Island djupborrning Project slog en ficka av magma på 2.100. En cementerad stålhölje konstruerades i hålet med en perforering i botten nära magma. Magmaångans höga temperaturer och tryck användes för att generera 36 MW el, vilket gjorde IDDP-1 till världens första magma-förbättrade geotermiska system.

I områden där den grunda marken är för kall för att ge komfort direkt är den fortfarande varmare än vinterluften. Den grunda jordens termiska tröghet behåller solenergi som ackumuleras på sommaren och säsongsvariationer i marktemperaturen försvinner helt under 10 meters djup. Den värmen kan extraheras med en geotermisk värmepump mer effektivt än den kan genereras av konventionella ugnar. Geotermiska värmepumpar är ekonomiskt bärkraftiga i princip var som helst i världen.

I teorin kan geotermisk energi (vanligtvis kylning) också utvinnas från befintlig infrastruktur, såsom kommunala vattenledningar.

Markvärmepumpar

Huvudartikel: Geotermisk värmepump

I områden utan geotermiska resurser med hög temperatur kan en markvärmepump (GSHP) ge uppvärmning och rymdkylning. Liksom ett kylskåp eller luftkonditionering använder dessa system en värmepump för att tvinga överföringen av värme från marken till byggnaden. Värme kan extraheras från vilken källa som helst, oavsett hur kall, men en varmare källa möjliggör högre effektivitet. En grundvärmepump använder det grunda grundvattnet eller grundvattnet (vanligtvis börjar vid 10–12 ° C eller 50–54 ° F) som värmekälla och utnyttjar därmed dess säsongsmåttiga temperaturer. Däremot hämtar en luftkällvärmepump värme från luften (kallare utomhusluft) och kräver därmed mer energi.

GSHP: er cirkulerar en bärarvätska (vanligtvis en blandning av vatten och små mängder frostskyddsmedel) genom slutna röröglor begravda i marken. Enhushållssystem kan vara "vertikala slingfält" -system med borrhål 50–400 fot (15–120 m) djupa eller, om tillräcklig mark finns för omfattande diken, är ett "horisontellt slingfält" installerat ungefär 6 fot under ytan. När vätskan cirkulerar under jorden absorberar den värme från marken och när den återgår passerar den uppvärmda vätskan genom värmepumpen som använder el för att extrahera värme från vätskan. Den återkylda vätskan skickas tillbaka i marken och fortsätter därmed cykeln. Värmen som extraheras och den som genereras av värmepumpen som biprodukt används för att värma huset. Tillägget av markvärmeslingan i energikvationen innebär att betydligt mer värme kan överföras till en byggnad än om el ensam hade använts direkt för uppvärmning.

Genom att byta riktning för värmeflödet kan samma system användas för att cirkulera det kylda vattnet genom huset för kylning under sommarmånaderna. Värmen släpps ut till den relativt kallare marken (eller grundvattnet) snarare än att leverera den till den varma utomhusluften som en luftkonditionering gör. Som ett resultat pumpas värmen över en större temperaturskillnad och detta leder till högre effektivitet och lägre energianvändning.

Denna teknik gör uppvärmning av markkällan ekonomiskt livskraftig på alla geografiska platser. År 2004 extraherades uppskattningsvis miljoner markvärmepumpar med en total kapacitet på 15 GW 88 PJ värmeenergi för rymdvärme. Den globala markvärmepumpens kapacitet ökar med 10% årligen.

Historia

Den äldsta kända poolen matad av en varm källa, byggd i Qin-dynastin på 3-talet f.Kr.

Varma källor har använts för bad minst sedan paleolitiska tider. Den äldsta kända spa är en sten pool på Kinas 's Mount Li byggt i Qin-dynastin i den 3: e århundradet före Kristus, på samma plats där Huaqing Chi palats byggdes senare. Geotermisk energi levererade kanaliserad fjärrvärme för bad och hus i Pompeji omkring år 0 e.Kr. Under det första århundradet e.Kr. erövrade romarna Aquae Sulis i England och använde de varma källorna där för att mata offentliga bad och golvvärme . Inträdesavgifterna för dessa bad utgör förmodligen den första kommersiella användningen av geotermisk kraft. En 1000 år gammal badtunna har lokaliserats på Island , där den byggdes av en av öns ursprungliga bosättare. Världens äldsta fungerande geotermiska fjärrvärmesystem i Chaudes-Aigues , Frankrike, har varit i drift sedan 1300-talet. Det tidigaste industriella exploateringen började 1827 med användning av geysånga för att extrahera borsyra från vulkanisk lera i Larderello , Italien.

1892 drevs USA: s första fjärrvärmesystem i Boise, Idaho , direkt av geotermisk energi och kopierades snart i Klamath Falls, Oregon år 1900. En djup geotermisk källa användes för att värma växthus i Boise 1926 och gejsrar användes att värma växthus på Island och Toscana ungefär samtidigt. Charlie Lieb utvecklade den första värmeväxlaren i borrhålet 1930 för att värma sitt hus. Ånga och varmvatten från gejsrarna började användas för att värma hem på Island 1943.

Vid den här tiden hade Lord Kelvin redan uppfunnit värmepumpen 1852, och Heinrich Zoelly hade patenterat idén att använda den för att hämta värme från marken 1912. Men det var inte förrän i slutet av 1940-talet som den geotermiska värmepumpen lyckades implementeras. . Den tidigaste var förmodligen Robert C. Webbers hemgjorda 2,2 kW direktväxlingssystem, men källorna är inte överens om den exakta tidslinjen för hans uppfinning. J. Donald Kroeker designade den första kommersiella geotermiska värmepumpen för att värma Commonwealth Building (Portland, Oregon) och demonstrerade det 1946. Professor Carl Nielsen från Ohio State University byggde den första bostadsversionen i sitt hem 1948. Tekniken blev populär i Sverige som ett resultat av oljekrisen 1973 och har sedan dess vuxit långsamt i världsomspännande acceptans. Utvecklingen av polybutylenrör 1979 förstärkte värmepumpens ekonomiska livskraft. Från och med 2004 finns det över en miljon geotermiska värmepumpar installerade över hela världen som ger 12 GW värmekapacitet. Varje år installeras cirka 80 000 enheter i USA och 27 000 i Sverige.

Ekonomi

Geotermisk borrmaskin

Geotermisk energi är en typ av förnybar energi som uppmuntrar till bevarande av naturresurser. Enligt US Environmental Protection Agency , geo-utbytessystem Spara husägare 30-70 procent i uppvärmningskostnader, och 20-50 procent i kyla kostnader, jämfört med konventionella system. Geo-exchange-system sparar också pengar eftersom de kräver mycket mindre underhåll. Förutom att de är mycket tillförlitliga är de byggda för att hålla i decennier.

Vissa verktyg, som Kansas City Power och Light , erbjuder speciella, lägre vinterpriser för geotermiska kunder, vilket ger ännu mer besparingar.

Geotermiska borrningsrisker

Sprickor vid det historiska rådhuset i Staufen im Breisgau antas på grund av skador från geotermisk borrning

I geotermiska uppvärmningsprojekt trängs underjordiska av diken eller borrhål. Som med allt underjordiskt arbete kan projekt orsaka problem om områdets geologi är dåligt förstådd.

Våren 2007 genomfördes en undersökande geotermisk borrning för att ge geotermisk värme till stadshuset Staufen im Breisgau . Efter att ha sjunkit några millimeter, en process som kallas nedsänkning , har stadens centrum börjat stiga gradvis och orsakar betydande skador på byggnader i stadens centrum, vilket påverkar många historiska hus inklusive rådhuset. Det antas att borrningen perforerade ett anhydritskikt som medför högtryck grundvatten för att komma i kontakt med anhydriten, som sedan började expandera. För närvarande syns inget slut på den stigande processen. Data från TerraSAR-X radarsatelliten före och efter ändringarna bekräftade att situationen var lokaliserad:

En geokemisk process som kallas svullnad av anhydrit har bekräftats som orsaken till dessa höjningar . Detta är en omvandling av mineralet anhydrit (vattenfritt kalciumsulfat) till gips (vattenhaltigt kalciumsulfat). En förutsättning för denna omvandling är att anhydriten är i kontakt med vatten, som sedan lagras i dess kristallina struktur. Det finns andra källor till potentiella risker, dvs: grottförstoring eller försämring av stabilitetsförhållandena, kvalitet eller kvantitetsförstöring av grundvattentillgångarna, Specifik fara som försämras i fall av jordskredutsatta områden, försämring av steniga mekaniska egenskaper, mark- och vattenföroreningar (dvs. på grund av frostskyddstillsatser eller förorenande konstruktivt och tråkigt material). Den design som definieras på grundval av platsspecifik geologisk, hydrogeologisk och miljökunskap förhindrar alla dessa potentiella risker.

Se även

Referenser

externa länkar