De warmte van het industriële proces is goed voor een aanzienlijk deel van de totale energievraag, maar de meeste warmte blijft afkomstig van het verbranden van fossiele brandstoffen. Aangezien industrieën worden geconfronteerd met toenemende druk om de koolstof te ontkolen en de energiekosten te stabiliseren, biedt geothermische energie een absolute, koolstofarme warmtebron die rond de klok kan werken. In tegenstelling tot zonne- of windenergie, is geothermische warmte niet onderhevig aan dagelijkse of seizoensschommelingen. Het biedt een betrouwbare thermische toevoer voor processen variërend van drogen van voedsel tot chemische synthese. Dit artikel onderzoekt hoe geothermische energie kan worden gebruikt voor industriële proceswarmte, de technologieën die het mogelijk maken, de toepassingen in de echte wereld die al aanwezig zijn, en de uitdagingen die blijven voordat deze bron zijn volledige potentieel bereikt.

Inzicht in geothermische energie

Geothermische energie is afkomstig van de warmte die onder de aardkorst wordt opgeslagen. Deze warmte komt uit twee primaire bronnen: de restwarmte van de vorming van de planeet en het voortdurende radioactieve verval van elementen zoals uranium, thorium en kalium. De temperatuur neemt toe met diepte, meestal met ongeveer 25.30°C per kilometer in de meeste continentale gebieden, hoewel geothermische gradiënten aanzienlijk variëren afhankelijk van de lokale geologie.

Geothermische hulpbronnen worden over het algemeen ingedeeld op basis van hun temperatuur en enthalpy:

  • Laag-enthalpiebronnen (minder dan 100°C)
  • Medium-enthalpy resources (100
  • High-enthalpy resources (meer dan 200°C)

Het belangrijkste onderscheid voor industriële gebruikers is dat geothermische warmte niet hoeft te worden omgezet in elektriciteit . . Het kan direct worden geleverd als warm water of stoom, waardoor de thermodynamische verliezen in verband met elektriciteitsopwekking worden geëlimineerd en algemene thermische efficiëntie boven 90% in systemen voor direct gebruik mogelijk wordt gemaakt.

Hoe Geothermische Process Warmtesystemen werken

De levering van geothermische warmte aan een industriële faciliteit omvat het extraheren van hete vloeistof uit een ondergrondse reservoir, het overbrengen van thermische energie naar het procesmedium, en vervolgens het opnieuw injecteren van de gekoelde vloeistof of het verwijderen van het volgens milieuvoorschriften. De specifieke configuratie is afhankelijk van de temperatuur die nodig is, de afstand tussen de bron en de installatie, en de kwaliteit van de geothermische vloeistof.

Rechtstreeks gebruik

De eenvoudigste methode is direct gebruik: geothermische pekel of stoom wordt geleid van een productieput naar een warmtewisselaar die energie naar een schoon waterloop, die vervolgens voert het industriële proces. In sommige gevallen, kan de geothermische vloeistof zelf direct worden geïnjecteerd in processen die tolerant zijn voor de chemische samenstelling . . bijvoorbeeld in bepaalde was-, blanchering- of droogwerkzaamheden. Direct-gebruik systemen vermijden het kapitaal en efficiëntie sancties van de elektriciteitsopwekking en zijn vooral kosteneffectief wanneer de industriële faciliteit is gelegen in de buurt van het geothermische reservoir.

Warmtewisselaar en gebiedsverwarmingsnaderingen

Voor processen die hogere temperaturen vereisen dan de aardwarmtevloeistof die natuurlijk verstrekt, kunnen warmtepompen de temperatuur verhogen. Hogetemperatuur industriële warmtepompen kunnen vloeistof stimuleren van bijvoorbeeld 80°C tot 150°C met behulp van een aantal elektrische ingangen, wat nog steeds aanzienlijke besparing van primaire energie oplevert in vergelijking met verbranding van fossiele brandstoffen. Ook kunnen geothermische stadsverwarmingsnetwerken die verschillende industriële gebruikers bedienen, worden gecascadeerd zodat hoge temperatuurwarmte eerst wordt gebruikt voor veeleisende processen, en de lagere temperatuurrendementsstromen worden hergebruikt voor ruimteverwarming, aquacultuur of broeikasgasoperaties.

Verbeterde geothermische systemen (EGS)

Een van de meest veelbelovende ontwikkelingen voor het uitbreiden van geothermische proceswarmte is Enhanced Geothermal Systems (EGS). Terwijl conventionele geothermische bronnen natuurlijke doorlaatbaarheid en waterverzadiging vereisen, creëert EGS kunstmatige breuknetwerken in warm, droog gesteente door het injecteren van water onder hoge druk. Het water warmt op terwijl het circuleert door het nieuw gecreëerde reservoir en wordt vervolgens gewonnen om warmte aan het oppervlak te leveren. EGS-technologie kan geothermische warmte toegankelijk maken in regio's zonder natuurlijke geothermische bronnen of duidelijke oppervlakte-uitingen.De V.S. Department of Energys Geothermal Technologies Office[] heeft steun verleend aan verschillende EGS demonstratieprojecten, met als doel om commerciële levensvatbaarheid te bereiken tegen 2030.

Belangrijkste industriële toepassingen

De industriële proceswarmte overstijgt een groot aantal temperaturen, van 30°C voor de visteelt tot meer dan 1000°C voor de industrie. Geothermische energie is het meest concurrerend in het lage tot middelhoge temperatuurbereik (50°C), dat een aanzienlijk deel van de industriële thermische vraag dekt.

Verwerking van levensmiddelen en dranken

De voedingsindustrie vereist warmte voor het drogen, verdampen, pasteuriseren, sterilisatie, wassen en koken. Geothermische warmte wordt gebruikt voor decennia in landen als IJsland, Nieuw-Zeeland, en Kenia om fruit, groenten en vis te drogen, pasteuriseren melk, en om bietensuiker te verdampen. In de Verenigde Staten, de Geothermal Technologies Office heeft gedocumenteerde case studies van geothermische uitdroging van uien en knoflook in Utah. Omdat voedselverwerking vaak een continue, het hele jaar door operatie, de aard van geothermische warmte is een ideale match.

Pulp en papierindustrie

Papierfabrieken verbruiken enorme hoeveelheden thermische energie voor het drogen van papierplaten en voor het koken van houtsnippers in vergisters. Veel molens werken in gebieden met toegang tot geothermische bronnen, zoals de Pacific Northwest en delen van Midden-Amerika. Integreren van geothermische warmte in een molen stoomsysteem kan grote hoeveelheden aardgas of stookolie te verplaatsen. Een studie van het Internationaal Agentschap voor hernieuwbare energie 2019 vond dat geothermische warmte voor het pulpproces tot 170°C, die bijna alle thermische eisen van een molen onder die drempel.

Chemische en petrochemische produktie

Chemische productieprocessen zoals destillatie, verdamping en chemische reactie verwarming vereisen vaak temperaturen tussen 100°C en 200°C. Geothermale stoom kan warmte voor destillatie kolommen, en geothermische pekel kan voorverwarmen stromen voeden, waardoor de belasting van fossiele brandstoffen in ketels. In sommige gevallen, geothermische vloeistoffen kunnen worden gebruikt als een bron van mineralen (zoals lithium of silica) in aanvulling op warmte, waardoor een gecombineerde productie mogelijkheid die de algemene economie verbetert.

Minerale verwerking

Operaties zoals het uitspoelen van de hoop voor goud en koper, cementproductie voorverwarming en diatomeeënaardedroging kunnen worden bediend door geothermische warmte. In Nevada hebben verschillende goudmijnen geothermische warmte in hun uitspoelingsprocessen opgenomen, waardoor het dieselverbruik wordt verlaagd. Voor cement werken de droogstappen voor de precalciner en de grondstof op 100 .200°C, een temperatuurbereik dat goed is geschikt voor de gemiddelde enthalpie geothermische bronnen.

Textiel- en lederindustrie

Droog, verven en afwerken van textiel vereisen aanzienlijk warm water en stoom . Gewoonlijk 80

Voordelen van Geothermal Process Heat

De zaak van de geothermische industriële warmte berust op verschillende dwingende voordelen die verder gaan dan eenvoudige emissiereductie.

  • Continueuze stuwkrachtvoorziening: Geothermale bronnen werken de klok rond, met capaciteitsfactoren die meer dan 90% in goed beheerde velden overschrijden. Deze betrouwbaarheid is van cruciaal belang voor industrieën die niet kunnen tolereren dat de warmtetoevoer onderbroken wordt.
  • Insolatie uit brandstofprijsvolatiliteit: Zodra een geothermische put is geboord en de oppervlakte-installatie gebouwd, is de brandstof (warmte uit de aarde) in wezen vrij. De exploitatiekosten worden gedomineerd door onderhoud en pompkracht, die veel voorspelbaarder zijn dan olie, gas of kolenprijzen.
  • Laag koolstofvoetafdruk: Geothermie bij direct gebruik zendt slechts een geringe hoeveelheid niet-condenseerbare gassen uit die uit het reservoir vrijkomen. Gedurende de levenscyclus kan een geothermische direct-use-systeem koolstofemissies hebben van 80 .95% lager dan een aardgasketel.
  • Kleine fysieke voetafdruk: Een geothermisch putpad beslaat slechts een paar hectare voor een faciliteit die tientallen MWth kan leveren. Vergeleken met zonnethermale velden of biomassa toeleveringsketens, is het landgebruik minimaal.
  • Coëgeneratiemogelijkheden: Veel geothermische installaties produceren elektriciteit en gebruiken dan de lagere temperatuur-afvalwarmte voor industriële processen of stadsverwarming, waardoor de waarde van elke put wordt gemaximaliseerd.
  • Ondersteuning van energie-onafhankelijkheid: Landen die afhankelijk zijn van geïmporteerde fossiele brandstoffen kunnen hun handelsbalans en energiezekerheid verbeteren door de ontwikkeling van binnenlandse geothermische hulpbronnen.

Uitdagingen en risico's

Ondanks de duidelijke voordelen, wordt de warmte uit geothermische industrie geconfronteerd met verschillende barrières die de goedkeuring ervan hebben beperkt tot regio's met een uitzonderlijke kwaliteit van hulpbronnen.

Hoge vooraf gemaakte kapitaalkosten

Het uitrollen van een enkele geothermische put kan kosten $2

Locatie van hulpbron

Hoogwaardige geothermische bronnen zijn geconcentreerd in tektonisch actieve gebieden: de Ring of Fire, de Oost-Afrikaanse Rift, IJsland, en gebieden langs de continentale plaatgrenzen. Veel industriële hubs bevinden zich ver van deze bronnen, waardoor warmteoverdracht over lange afstanden onpraktisch is. Echter, EGS en geavanceerde boortechnologieën zijn geleidelijk aan de kaart van economisch toegankelijke geothermische warmte uit te breiden naar gebieden met lagere natuurlijke hellingen.

Watergebruik en vochtchemie

Geothermische pekelen bevatten vaak opgeloste mineralen (silica, calcium, zware metalen) die schalen en corrosie in leidingen en warmtewisselaars kunnen veroorzaken. Om deze chemische uitdagingen te kunnen beheersen, is zorgvuldige materiaalselectie, periodieke reiniging en in sommige gevallen vochtbehandeling nodig voordat opnieuw wordt geïnjecteerd. Daarnaast zijn sommige geothermische projecten in water-schuren regio's en moet de behoefte aan make-up water worden afgewogen tegen de lokale beschikbaarheid van water.

Verleid seismische activiteit

Met name EGS-projecten hebben te maken gehad met publieke bezorgdheid over geïnduceerde seismische aardverschuivingen . Kleine aardbevingen veroorzaakt door hydraulische breuken van hete rots. Hoewel de meeste dergelijke gebeurtenissen te klein zijn om te worden gevoeld, vereisen projecten in de buurt van bevolkingscentra zorgvuldige monitoring en betrokkenheid met lokale gemeenschappen. Protocollen voor het beheer van geïnduceerde seismische activiteit zijn ontwikkeld en verfijnd, maar het probleem blijft een regelgevende en publieke perceptie obstakel.

Technische aanpassing

Industriële processen hebben behoefte aan warmte bij specifieke temperaturen, druk en debiet. Het retrofitten van een bestaande installatie om geothermische warmte te gebruiken in plaats van een aardgasketel kan een aanzienlijke herconfiguratie van warmtewisselaars, regelsystemen en leidingen vereisen. Nieuwe installaties kunnen worden ontworpen voor geothermische integratie van het begin af aan, maar het huidige tempo van de nieuwe industriële constructie in geothermische rijk regio's is traag.

Toekomstige Outlook en opkomende ontwikkelingen

De vooruitzichten voor geothermische industriële warmte zijn aanzienlijk verbeterd dankzij technologische verbeteringen en beleidsmoment. Verschillende trends wijzen op een bredere inzet in het komende decennium.

Geavanceerde boortechniek

Moderne boormethoden . . waaronder directionele boren, hoge temperatuur bits, en verbeterde putcementing . . verminderen de kosten en het risico van het bereiken van diepe geothermische reservoirs. De Amerikaanse Department of Energy. GeoVision analyse schat dat met voortdurende O&O en schaalvoordelen, geothermische capaciteit direct-gebruik zou kunnen groeien met een factor tien tegen 2050 in de Verenigde Staten alleen al.

Hybride systemen

Door geothermische warmte te combineren met thermische zonnecollectoren, biomassaketels of industriële warmtepompen kunnen de temperatuurverschillen worden opgevuld en extra flexibiliteit worden geboden. Een hybride systeem kan geothermie gebruiken om de warmte van de aarde te leveren bij 120°C, en vervolgens tot 200°C met een biogasketel tijdens piekvraag. Dergelijke hybride benaderingen verminderen de behoefte aan oversized geothermische putten en spreiden het financiële risico.

Beleidsondersteuning en koolstofprijsstelling

Naarmate meer jurisdicties koolstofbelastingen en emissieplafonds invoeren, maken de vermeden kosten van CO2 de geothermische warmte steeds concurrerender. De Europese Unie . Emissiehandelssysteem , bijvoorbeeld , nu prijzen koolstof op niveaus die de economie in het voordeel van geothermische over aardgas voor gemiddelde temperatuur warmte kan tip. Ook de Inflatie Reductie Wet in de Verenigde Staten omvat een technologieneutrale 30% investering belastingkrediet voor geothermische eigendom, die van toepassing is op zowel elektriciteit als direct-gebruik systemen.

Wereldwijd potentieel van hulpbronnen

Volgens International Renewable Energy Agency is de wereld toegankelijk geothermische grondstoffen basis enorm. Zelfs de huidige technologie kan voldoende warmte aanboren om industriële energie direct te gebruiken voor veel regio's. Landen zoals Indonesië, de Filippijnen, Kenia, IJsland, Turkije en delen van Latijns-Amerika zijn al bezig met het uitbreiden van industrieel geothermische toepassingen. In Europa zijn projecten in Nederland en Frankrijk begonnen met het gebruik van relatief ondiepe, low-enthalpy geothermische bronnen voor verwarmingskassen en industriële installaties, die het potentieel van sedimentaire bekkens en vulkanische systemen demonstreren.

Conclusie

Geothermische energie biedt een stevige, koolstofarme en kostenstabiele bron van proceswarmte die een groot deel van de fossiele brandstoffen die vandaag in de industrie worden verbrand direct kan vervangen. Van voedseldroging tot chemische destillatie, van pulp en papier tot de verwerking van mineralen, de technische haalbaarheid is aangetoond in vele sectoren en klimaten. De barrières . hoge upfront kosten, grondstoffen locatie beperkingen, en technische complexiteit . . zijn echt maar niet onuitputtelijk. Met de voortdurende vooruitgang in EGS, boortechnologie en ondersteunende beleidskaders, geothermische warmte is geposeerd om een mainstream optie voor industriële decarbonisatie te worden. Bedrijven die investeren in geothermische vandaag zijn niet alleen het verminderen van hun koolstofvoetafdruk; ze zijn ook isoleren hun activiteiten van fossiele brandstof prijsvolatiliteit en bereiden zich voor op een toekomst waarin schone warmte is een concurrentievoordeel.