Kust tuleb geotermiline energia?

Geotermiline energia tuleb kahest allikast: maakoores toimuvast radioaktiivsest lagunemisest ja Maa tuumast läbi vahevöö immitsevast soojusest. Maa tuum on soe, sest kunagi hõõguv-kuum olnud Maa ikka veel jahtub ja tahkestub; tuuma soojus suureneb ka loodetes tekkivast hõõrdumisest: Maa deformeerub Päikese ja Kuu gravitatsiooniväljas üsna samamoodi kui deformeerub käte vahel muljutav või rullitav apelsin.

Geotermiline energia pakub meile huvi, sest see „töötab" sõltumata ilmast; kui me ehitame geotermilise energia jaamad, siis võime neid sisse ja välja lülitada vastavalt vajadusele.

Aga kui palju on geotermilist energiat? Me võime hinnata kahte tüüpi geotermilist energiat: see mis on kättesaadav suvalisest maakoore punktist ja see, mida võib saada erilistest kuumadest kohtadest nagu Island (joonis 16.3). Kuigi geotermilise tehnoloogia arendamiseks on sellised kuumad kohad kindlasti sobivaimad, eeldan ma järgnevas, et põhiline energia saab tulla „tavalistest" kohtadest, sest neid on lihtsalt nii palju rohkem.

Jätkusuutliku geotermilise energia tootmise keerukus seisneb selles, et kiirus, millega soojus läbi kivimite liigub, piirab Maa hõõguvpunasest sisemusest soojusenergia jätkusuutlikku välja imemise kiirust. See on umbes nagu jääjoogi joomine läbi kõrre. Sa pistad kõrre selle sisse ja imed ning saad mõnusa suutäie külma vedelikku. Aga jätkamisel leiad, et imed õhku. Sa oled kõrre otsa ümbritsevast jääst eraldanud kogu vedeliku. Sinu esmane imemise kiirus ei olnud jätkusuutlik.

Kui pista kõrs $15$-km sügavusse auku maas, siis seal on hea ja soe - kindlasti piisavalt soe vee keetmiseks. Nii et me võiksime pista auku kaks kõrt, pumbata ühe kaudu alla külma vett ja imeda teise kaudu vett üles. Nii imeksime üles auru ja võiksime käima panna jõujaama. Piiramatu energia? Ei. Kivimitest soojuse välja imemisel selle temperatuur langeb. Me ei imenud jätkusuutlikult. Nüüd peate tükk aega ootama, kuni kivi kõrre otsa ümbruses uuesti soojeneb.

Võimalik lahendus sellele probleemile oleks see, kui käsitleksime geotermilist energiat samal viisil, nagu fossiilkütuseid: ressurss, mida tuleb kaevandada, mitte jätkusuutlikult koguda. Sellisel viisil geotermilise energia kulutamine võib olla planeedile parem kui jätkusuutmatu fossiilkütustel põhinev elu; aga võib-olla on see ainult järjekordne ajutine abinõu, mis annab meile veel $100$ aastat jätkusuutmatut elu? Selles raamatus oleme eelkõige huvitatud taastuvenergiast. Teeme oma rehkendused.

Geotermiline energia oleks igavesti taastuv 

Kujutlegem esmalt, et me kasutame geotermilist energiat jätkusuutlikult nii, et pistame kõrre sobilikku sügavusse ja imeme ettevaatlikult. Ehk siis imeme sellise kiirusega, et kivimid kõrre otsas ei jahtuks. See tähendaks imemist kiirusega, millega soojus niikuinii maapinnast välja voolab.

Nagu eespool öeldud sai, leidub geotermilise energia saamiseks kaks allikat: radioaktiivne lagunemine ja Maa tuumast soojuse immitsemine läbi vahevöö. Tüüpilisel kontinendil on soojuse voog läbi vahevöö ligikaudu $10mW/m^2$. Soojuse voog läbi maapinna on $50mW/m^2$. Nii et radioaktiivne lagunemine lisab täiendavalt $40mW/m^2$.

Nii et tüüpiliselt on maksimaalne geotermilise energia voog ühikpindala kohta $50mW/m^2$. Aga see energia ei ole mitte kõrgema sordi energia vaid üles immitsev keskkonna temperatuuril oleva maapinna madala sordi soojusenergia. Eeldatavasti tahame me toota elektrienergiat ja just sellepärast peame me puurima sügavamale. Soojus on kasulik vaid siis, kui selle allikas on ümbritsevast keskkonnast kõrgemal temperatuuril. Maapõue temperatuur kasvab sügavuse suurenedes, nagu näidatakse joonisel 16.4: $40km$ sügavusel jõuab see temperatuurini ligikaudu $500{}^{\circ }C$. Sügavuste $0km$, kus soojusvoog on suurim, aga kus kivimite temperatuur on liiga madal, ja $40km$, kus on kõige kuumem aga kus soojusvoog on $5$ korda väiksem (sest me jääme ilma kogu radioaktiivsest lagunemisest saadavast soojusest) vahel on sügavus, mis on soojuse imemiseks optimaalne. Täpne optimaalne sügavus sõltub sellest, milliseid seadmeid me jõujaamas kasutame. Me saame piiritleda maksimaalse jätkusuutlikult kättesaadava soojusenergia koguse kui leiame selleks optimaalse sügavuse, kasutame soojuse elektriks muundamiseks ideaalset masinat ja kui eeldame, et suvalisele sügavusele puurimine on tasuta.

Joonisel 16.4 näidatud temperatuuri profiili jaoks on minu arvutuste kohaselt optimaalne puurimise sügavus umbes $15km$. Sellistel tingimustel annab ideaalne soojusmasin $17mW/m^2$. Kui kogumaailmas on elanike asustustihedus $43$ inimest ruutkilomeetri kohta, siis teeb see $10kWh$ inimese kohta päevas, kui kogu maapind oleks kasutuses. Ühendkuningriikides on asustustihedus $5$ korda suurem, nii et suuremahulise igavesti jätkusuutliku geotermilise energia tootmise võimsus saab olla maksimaalselt $2kWh$ inimese kohta päevas. See hinnang ei arvesta kuumi punkte, eeldab ideaalseid jõujaamasid ning eeldame, et iga maapinna ruutmeeter on kasutuses ja et puurimine ei maksa midagi. Ja et $15km$ sügavuste aukude puurimine on üleüldse võimalik.

Geotermiline energia kaevandamine 

Teine geotermilise energia strateegia on käsitleda seda kaevandatava maavarana. Tõhustatud geotermilise energia eraldamisel (enhanced geothermal extraction) kuumadest kivimitest (joonis 16.5) puuritakse kõigepealt $5$ kuni $10km$ sügavuseni ja purustatakse sinna vett pumbates kivimid. (See samm võib põhjustada maavärinaid, mis ei pruugi kohalikele elanikele meeldida.) Pärast seda puuritakse teise kaevu purustatud kivimiteni. Pumbates ühte kaevu vett, saadakse teisest ülekuumenenud vett või auru, mida saab kasutada elektri tootmiseks või soojuse saamiseks. Kui palju kuuma ja kuiva kivimit on Ühendkuningriikides? Kahjuks ei ole me hästi varustatud. Suurem osa kuumi kivimeid asuvad peamiselt Cornwalli piirkonnas. Seal viidi 1985. aastal läbi ka mõned geotermilised eksperimendid. Eksperimendi tulemusi uurinud eksperdid jõudsid järeldusele, et „Lühemas või keskmises perspektiivis on Cornwallis kuumadest kuivadest kivimitest elektrienergia tootmine vaevalt tehniliselt või majanduslikult teostatav.” Sellegipoolest, kui suured on need varud? Suurim kuumade kuivade kivimite energiavaru hinnang Ühendkuningriikides on $130000TWh$, millest ekspertide arvamuse kohaselt on mõeldav saada kätte $1,1kWh$ päevas inimese kohta umbes $800$ aasta jooksul.

Maailmas on kohti, kus kuumade ja kuivade kivimite varu on paljulubavam, nii et oma riigi geotermiliste varude kohta peaksite küsima kohalikelt. Aga Suurbritannia jaoks saab geotermiline energia kahjuks mängida vaid imeväikest osa.

Kas Southampton juba ei kasuta geotermiliste energiat? Kui palju seda saadakse?

Jah, Southampton'i Geotermilise Küttevõrgu Plaan oli vähemasti 2004. aastal ainus geotermilist soojust kasutav soojussüsteem Ühendkuningriikides. See varustab linna sooja veega. Geotermiline kaev on osa kombineeritud soojendavast, elektrit tootvast ja jahutavast süsteemist, mis annab klientidele kuuma ja jahutatud vett ning müüb võrku elektrienergiat. Geotermiline energia annab umbes $15\%$ selle süsteemi toodetavast $70GWh$ soojusenergiast aastas. Southamptoni elanike arv viimase loenduse andmetel oli 217 445, nii et toodetud geotermiline energia Southamptonis on $0,13kWh/p$ inimese kohta.

Märkused ja edasine lugemine

Soojusvoog maapinnal on $50mW/m^2$. Massachusettsi Tehnoloogiainstituut (2006) pakub keskmiseks $59mW/m^2$, mis muutub USA-s vahemikus $25mW$ kuni $150mW$. Shepherd (2003) annab $63mW/m^2$.

Kuumadest kuivadest kivimitest elektrienergia tootmine Ühendkuningriikides on vaevalt tehniliselt või majanduslikult teostatav. Allikas: MacDonald et al. (1992). Vaata ka Richards et al. (1994).

Suurim kuumade kuivade kivimite energiavaru hinnang Ühendkuningriikides on ... millest oleks mõeldav saada $1,1kWh$ inimese kohta päevas umbes $800$ aasta jooksul. Allikas: MacDonald et al. (1992).

Maailmas on kohti, kus kuumade ja kuivade kivide varu on paljulubavam. USA kuumade kuivade kivide varudest on olemas põhjalik uurimus (Massachusetts'i Tehnoloogiainstituut, 2006). Üks teine, spekulatiivsem lähenemine, mida uuris 1970-ndatel Sandia Riiklik Laboratoorium, on puurida kuni magmani temperatuuridel $600-1300{}^{\circ }C$, võib-olla $15km$ sügavusele ja võtta energiat sealt. Veebilehe www.magma-power.com arvutuste kohaselt kataks magmabasseinide soojus USA pinna all riigi energiavajaduse $500$ või $5000$ aastaks ja seda on võimalik kätte saada majanduslikult tasuval viisil.

Southampton'i Geotermilise Küttevõrgu Plaan. www.southampton.gov.uk.