Energie van aardwarmte met een kunstmatige geiser

Met een kunstmatige geiser bedoel ik iets zoals de geisers bekend uit Yellowstone Park in Noord Amerika maar dan zelfgemaakt.

Een geiser ontstaat doordat er onder de grond een holte is met een verbinding naar het oppervlak van de aarde. Deze holte loop vol met water. Het water wordt tot boven het kookpunt verwarmt. Het water gaat op een bepaald moment verdampen. Water verdampt aan op de plaats waar de warmte het verhit wordt. Dan ontstaan er waterdamp bellen in het water. Het soortelijk gewicht van waterdamp is veel lager als dat van water. Daardoor gaat de bel omhoog. Bij het opstijgen van de bel gaat het door water met een lagere temperatuur en verwarmt dat water en condenseert de waterdamp. Pas als al het water een voldoende hoge temperatuur heeft zullen de waterdamp bellen tot aan het oppervlak komen. Dan begint de geiser te spuiten. De waterdamp zoek een weg naar boven en neemt gelijk een hoeveelheid water mee en dan zien we de kokend water fontein. De druk in de holte onder de grond is weg en deze loop weer vol met minder warm water. Door de warmte wordt er weer stoom gemaakt en bouwt er weer druk op. En zo is er een constant proces van opbouw en ontlading.

Natuurkundig verschijnsel

Normaal kookt water bij 100 °C. Wat is daar nu normaal aan? Normaal is wat we gewend zijn en dat is hier een luchtdruk van 75 cm kwikdruk of 1 Bar. Maar hoog in de Himalaya is een lagere luchtdruk. Daar kookt het water al bij een temperatuur lager als 100°C. Dus hoe lager de luchtdruk hoe lager het kookpunt. Neemt de druk toe dan vindt het omgekeerde plaats en gaat het kookpunt verschuiven naar boven de 100 °C. Dus hoe hoger de “lucht”druk hoe hoger het kookpunt.

Systemen

Er zijn meer mogelijkheden om met aardwarmte energie te maken. Mijn voorkeur gaat uit naar het hieronder beschreven systeem. De risico’s van het 2 buizen systeem beschrijf ik later in dit stuk.

1 gat systeem

Wanneer we een gat boren, in de aardkorst, tot in een laag waar voldoende warmte is kunnen we een kunstmatige geiser maken. Om zeker te zijn dat we een continu proces realiseren is een gesloten systeem nodig. Daarom wordt er in het gat een buis met een binnenbuis geplaatst. De buis bestaat uit meerdere segmenten. De koppelingen zijn zo gemaakt dat er niets in of uit de buis kan.
Het onderste segment van de buis heeft geen binnenbuis. Op die diepte is de temperatuur zo hoog dat de vloeistof daar, met die druk, verdampt. In de segmenten waar een binnenbuis in zit, zitten tussen de binnen- en de buitenbuis, op regelmatige afstanden, een verbinding met gaten en terugslagkleppen of gleuven aan de zijkant.

Terugslagkleppen

De terugslagkleppen zorgen dat vloeistof en of gas naar beneden kan stromen maar niet meer naar boven gestuwd kan worden. Terugslagkleppen waren in het eerste ontwerp de oplossing om een een richting stuwing te realiseren. Nadeel is, ze hebben onderhoud nodig en dat is bijna niet te realiseren. Water is niet smeren en als er afzettingen van mineralen of corrosie plaatsvinden wordt de opening kleiner en kunnen de kleppen vast gaan zitten.

Gleuven

Door de verbinding de vorm te geven van een omgekeerde trechter met smalle gleuven bij de buiten wand. De hoeveelheid vloeistof die daar door heen kan van te voren berekend worden. Door de doorstroming zullen de gleuven uitslijten. Hiervoor dien een materiaal gekozen te worden dat een grote slijt weerstand heeft. Afzettingen van mineralen kan worden tegen gegaan door de gecondenseerde vloeistof te centrifugeren en daar eventuele vervuiling af te vangen.
Door dat de gleuven bij de buitenbuis stroomt de vloeistof direct langs het warmste deel van de buis. Wanneer de verdamping temperatuur bereikt wordt zal een deel van de vloeistof verdampen. Door de oplopende druk is er een hogere verdampingstemperatuur nodig.

Energie opwekking

Vlak onder deze plaat, met terugslagkleppen of gleuven, zitten openingen in de wand van de binnenbuis. Door deze openingen verdeeld de druk zich. De enige plaats waar de druk weg kan is aan de bovenzijde van de binnenbuis. Daar zit een overdrukventiel dat opengaat als de druk voldoende is opgebouwd. Met het uitstromende gas kan een turbine worden aangedreven. Daarna onttrekt een warmte wisselaar de warmte aan het gas en wordt het weer een vloeistof. Deze wordt dan weer in de buitenbuis gegoten. Omdat we hier met warmte uitwisseling te doen hebben zijn de binnen- en de buitenbuis van af het oppervlak, in een aantal segmenten, beide geïsoleerd. Dit gaat tot een diepte waar de temperatuur van de aardkorst hogere is als die van de ingegoten vloeistof. Vanaf die diepte tot het laatste segment is de binnenbuis geïsoleerd. Gecondenseerde vloeistof in de binnenbuis kan via de gaten weer naar de buitenbuis stromen onder de verbindingsplaat tussen de binnen en de buiten buis.

Materialen

De materialen van de buis moeten zo gekozen worden dat ze niet corroderen en slijtvast zijn. Voor de vloeistof niet corosief mag zijn, milieu vriendelijk en het moet mineraal loos blijven.

Ontwikkeling

In mijn eerste gedacht, ik was 30 jaar oud, was de vloeistof water. Water is veel aanwezig en goedkoop, maar kan ijzer doen roesten wat zeker niet goed is voor de terugslagkleppen. Als er een vloeistof gekozen wordt die een lager verdamping temperatuur dan water heeft en de kleppen kan smeren, dan hebben we de perfecte combinatie.

Boorgat

Een oud boorgat van een zoektocht naar aardgas of olie of een ander onderzoek zou prima gebruikt kunnen worden om een kunstmatige geiser in te bouwen. Afhankelijk van de te gebruiken vloeistof mag de temperatuur van de aardlaag lager zijn dan 100°C.

Energie

Op deze manier kunnen we elektriciteit en warmte maken voor honderden jaren. Het de kosten van het boren van een gat zijn afhankelijk van de hardheid van de aardkorst en de diepte waarop we de gewenste warmte kunnen onttrekken. De materialen die gekozen worden voor de buizen en de terugslagkleppen moeten nagenoeg niet slijten. Aan de generator zit een vliegwiel bevestigt. Daardoor zal de generator langer elektriciteit produceren en zal er en minder groot piekvermogen zijn. De onderdelen boven de grond kunnen van een lagere kwaliteit zijn. Maar ze kunnen dan ook onderhouden worden. De geiser kan ook stilgezet worden. Dan moet de druk in de buis worden lager gemaakt als de buiten druk.

Kassen

Kassen zouden met deze installatie ook op de koudste gebieden van de aarde kunnen worden gebruikt. Elektra voor de verlichting en warmte voor een groeizaam klimaat.

Waarschuwingen

Toch wil ik een kanttekening plaatsen bij het veelvuldig gebruiken van deze energie opwekking. Als er veel warmte ontrokken wordt aan een locatie on de aardkorst verwacht ik dat er naar binnen toe stollingen kunnen plaatsvinden. Daar niet bekend is hoe de magma stromingen hier op zullen reageren is ongelijkmatige afkoeling van de korst onverstandig. De beweging van de schollen zou beïnvloed kunnen worden. Er moet dan wel veel gebruik worden gemaakt van deze techniek maar voorzichtigheid is gewenst. Niemand zit te wachten op extra aardbevingen.

2 gaten systeem

Momenteel zijn er al 2 buizen systemen. Deze systemen hebben 2 geboorde gaten. In een buis wordt water naar beneden gepompt. De buizen zit op enige afstand van elkaar. Het water stroomt vrij door de grond en neemt de temperatuur aan van de omgeving. Bij de andere buis wordt een lagere druk aangebracht waardoor het verwarmde water naar boven kan stromen / stomen. Stromen als het kookpunt nog niet bereikt is en stomen als het water verhit is tot boven zijn kookpunt.
Dit is een efficiënt werkend systeem. Het water krijgt voldoende de tijd om de omgevingstemperatuur aan te nemen. Er zijn geen bewegende delen in de buizen en daarmee is alles wat onderhouden moet worden boven de grond
Er zijn al vergaande plannen om deze systemen tot een diepte van 500 °C aan te leggen.

Sinkhole en aardbevingen

Van af de eerste keer dat ik over het gebruik van aardwarmte nadacht heb ik dit open ondergrondse doorstroom systeem gevaarlijk gevonden. Er is geen goed controle mogelijk wat er met de grond, waar het water doorheen stroomt, gebeurd. Onder druk zullen er mineralen uit de bodem in het water oplossen. Deze zullen zich afzetten in de installatie waar warmte uitgewisseld wordt. Door het weg spoelen van de mineralen is de kans groot dat er een holte in het stroomgebied en ronde de uitstroombuis ontstaan met ook weer de mogelijkheid dat de bodem gaat zetten. Vergelijkbaar met de gaswinning in Groningen Nederland. Ook verwacht ik dat het “Venturi” effect en wervelstromen gaan optreden in de bodem. De doorstroom snelheid is daarbij belangrijk. Als er een grote centrale mee aangedreven moet worden kan de doorstroming aanzienlijk zijn. Daarmee wordt de kans op het ontstaan van een Sinkhole groot.
Bij duurzaamheid is het de bedoeling dat we geen problemen voor de volgende generatie creëren en dat is de rede waarom ik voor een gesloten systeem kies waarbij we alles behalve natuurlijke grondbewegingen onder controle kunnen hebben.