Geothermische energie wordt al lang erkend als een stabiele, koolstofarme energiebron die afkomstig is van de interne warmte van de aarde’. Het volledige potentieel van deze bron strekt zich echter uit tot ver buiten de elektriciteitsproductie. Een aanzienlijk deel van de energie die uit geothermische reservoirs wordt gewonnen wordt niet omgezet in elektriciteit maar wordt in plaats daarvan vrijgegeven als afvalwarmte. Dit thermische bijproduct, vaak uitgevonden of geloosd in het milieu, vertegenwoordigt een enorme, onaangeboorde bron voor industriële en commerciële sectoren. Het vastleggen en gebruiken van geothermische afvalwarmte kan de algehele energie-efficiëntie scherp verbeteren, de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen verminderen en lagere bedrijfskosten. Aangezien industrieën en bedrijven worden geconfronteerd met toenemende druk om koolstof te ontkolen, biedt het strategische gebruik van deze anders afgedankte warmte een praktische, economisch aantrekkelijke weg naar duurzame exploitatie.

Wat is Geothermische Afvalwarmte?

Geothermale afvalwarmte is de thermische energie die overblijft na het primaire energie extractieproces in een geothermische systeem. In geothermische energiecentrales wordt warm water of stoom uit ondergrondse reservoirs gebruikt om turbines te drijven en elektriciteit te genereren. Zelfs in de meest efficiënte binaire of flash-stoominstallaties, een aanzienlijk deel van de vloeistof’s warmte wordt niet omgezet in elektriciteit en uitgangen als warm of matig warm water. Evenzo, in direct-gebruik geothermische toepassingen, zoals baden of broeikasverwarming, de verbruikte vloeistof bevat nog steeds herstelbare warmte. Deze restwarmte is de afvalwarmte die kan worden opgevangen en hergebruikt.

De temperatuur van geothermische afvalwarmte varieert sterk afhankelijk van het type installatie en de omstandigheden van het reservoir. De warmte van laagtemperatuurafval varieert doorgaans van 30°C tot 90°C, terwijl de gemiddelde temperatuurstromen 120°C of hoger kunnen bereiken. Zelfs aan het onderste uiteinde van het bereik, is deze warmte voldoende voor veel industriële en commerciële processen, vooral wanneer gekoppeld met warmtepompen of warmtewisselaars. De sleutel is om de temperatuur en de stroom kenmerken van de afvalwarmtestroom aan een passende eindgebruik toepassing aan te passen.

Bronnen van warmte uit geothermisch afval

  • In de koelinstallaties van de centrale wordt de stoom die de turbine verlaat, gecondenseerd; de latente warmte die vrijkomt kan worden opgevangen voor stadsverwarming of industriële voorverwarming.
  • Binaire installatie werkende vloeistof . . Nadat de secundaire werkende vloeistof door de turbine is gegaan, draagt het nog steeds aanzienlijke thermische energie die kan worden gecascadeerd naar lagere temperatuur toepassingen.
  • Geothermale pekelherinjectiestromen . . De in het reservoir geïnjecteerde pekel blijft vaak bij temperaturen boven 70°C, die een stabiele warmtebron bieden indien deze vóór het opnieuw injecteren wordt onderschept.
  • Geothermiesystemen voor direct gebruik .. Water dat wordt gebruikt voor ruimteverwarming, aquacultuur of kasbewerking kan worden gecascadeerd tot secundaire lussen voor extra warmtewinning.

Industriële toepassingen van warmte uit geothermisch afval

De industrie is goed voor een groot deel van het wereldwijde energieverbruik, grotendeels in de vorm van proceswarmte. Geothermale afvalwarmte kan de verbranding van fossiele brandstoffen in veel van deze processen verplaatsen, waardoor zowel de kosten als de emissies worden verminderd.

Voorverwarming Grondstoffen

Veel industriële processen vereisen dat grondstoffen tot verhoogde temperaturen worden gebracht voordat ze in de hoofdreactie- of behandelingsfase terechtkomen. Zo moet de ruwe maaltijd bij de cementproductie worden voorverwarmd tot ongeveer 800°C voordat ze de oven binnenkomen. Hoewel aardwarmte alleen niet tot zulke hoge temperaturen kan komen, kan het worden gebruikt om de diervoeders voorverwarmd tot 100°C–150°C, waardoor de hoeveelheid brandstof die in de oven nodig is, wordt verminderd. Ook in de staalindustrie kan schroot worden voorverwarmd met warmte uit geothermische afvalstoffen voordat ze in een elektrische boogoven worden geladen, waardoor het elektriciteitsverbruik wordt verlaagd en de smelttijden worden versneld. Het Amerikaanse ministerie van Energie heeft voorverwarming aangemerkt als een toepassing met een hoge impact voor de terugwinning van industriële afvalwarmte (zie DOE industriële afvalwarmteterugwinning bronnen ]).

Proceswarmte voor chemische reacties

De chemische productie is sterk afhankelijk van stoom en warm water voor reacties, destillatie, drogen en reinigen. Geothermale afvalwarmte bij temperaturen tussen 80°C en 120°C kan direct worden gebruikt voor veel van deze endotherme processen. Bijvoorbeeld, bij de productie van ethanol, moet de mash worden verhit voor gisting en destillatie. Geothermale afvalwarmte kan een groot deel van die thermische belasting leveren. In pulp- en papierfabrieken, afvalwarmte kan worden gebruikt voor zwarte vloeistof verdamping en papierdroging. Het Internationaal Energie Agentschap schat dat industriële warmte goed is voor ongeveer twee derde van de totale industriële energievraag, en geothermische afvalwarmte kan direct compenseren een deel van die vraag, vooral in industrieën met matige temperatuurvereisten.

Stoomproductie voor turbines en machines

Hoewel geothermische afvalwarmte niet warm genoeg is om direct hogedrukstoom voor elektriciteitsopwekking te genereren, kan deze worden gebruikt om ketelvoerwater voor te verwarmen of om lagedrukstoom voor mechanische aandrijvingen en hulpturbines te genereren. In gecombineerde warmte- en stroomconfiguraties (WKK) kan een geothermische installatie eerst elektriciteit opwekken en vervolgens afvalwarmte leveren aan een secundaire stoomgenerator die pompen, compressoren of ventilatoren aandrijft. Deze cascadebenadering maximaliseert de energie die uit elke geothermische vloeistofeenheid wordt gewonnen en stelt industriële installaties in staat om hun aangekochte elektriciteit en brandstofverbruik te verminderen. Sommige installaties in IJsland en Nieuw-Zeeland bedienen reeds dergelijke cascaded systemen, die de technische en economische levensvatbaarheid aantonen.

Droogproducten en materialen

Drooging is een van de meest energie-intensieve unit bewerkingen in industrieën zoals voedselverwerking, hout, keramiek en mineralen. Geothermale afvalwarmte is zeer geschikt voor het drogen toepassingen omdat de vereiste temperaturen vaak dalen tussen 40°C en 100°C. Bijvoorbeeld, in de productie van vismeel, geothermische warmte kan drogen de vis vaste stoffen, waardoor de behoefte aan aardgas branders. In de houtindustrie, oven drogen van hout kan worden aangedreven gedeeltelijk of volledig door geothermische afval warmte. Landbouwproducten zoals granen, fruit en groenten kunnen ook worden gedroogd met behulp van geothermische afval warmte in gecontroleerde omgevingen. De consistente, goedkope warmte verbetert de productkwaliteit en vermindert koolstofvoetafdruk. De Geothermische Energie Vereniging heeft vele case studies van directe geothermische droging in de landbouw gedocumenteerd.

Aanvullende industriële toepassingen

  • Evaporatie en concentratie .. Bij zuivelverwerking kan geothermische afvalwarmte wei of melk concentreren voordat het wordt sproeid.
  • Reinigen en sterilisatie .. Voedsel- en drankenfabrieken hebben warm water nodig voor het reinigen van de plaats (CIP) systemen; geothermische afvalwarmte kan dit water leveren op 70°C
  • Broeikasverwarming
  • Aquacultuur .. Afvalwarmte kan optimale watertemperatuur voor de vis- en garnalenteelt handhaven, waardoor de groei toeneemt en de sterfte wordt verminderd.

Commerciële toepassingen van warmte uit geothermisch afval

Commerciële gebouwen en wijken vereisen ruimteverwarming, koeling, warm water, en soms proceswarmte voor keukens, wasserijen en zwembaden. Geothermale afvalwarmte kan aan veel van deze eisen voldoen, vooral wanneer geïntegreerd in district energienetwerken of bouwniveau warmtepompsystemen.

Stadsverwarming en -koeling

Een van de meest effectieve manieren om geothermische afvalwarmte in een commerciële context te gebruiken is via stadsverwarmingsnetwerken. Een geothermische centrale of direct-use faciliteit kan warm water leveren aan een centrale warmtewisselaar, die vervolgens een netwerk van geïsoleerde leidingen die naar nabijgelegen gebouwen. Dit netwerk kan ruimteverwarming, huishoudelijk warm water, en zelfs absorptiekoeling (met behulp van chillers aangedreven door warmte in plaats van elektriciteit) bouwen Steden zoals Reykjavik, IJsland, hebben uitgebreide districtsverwarming systemen gebouwd met behulp van geothermische bronnen, waardoor een aantal van de laagste verwarmingskosten in de wereld. Meer recentelijk, projecten in Frankrijk, Duitsland en de Verenigde Staten hebben aangetoond dat zelfs laag-enthalpie geothermische afval warmte kan dienen hele stedelijke districten.

Ruimteverwarming en warm water in commerciële gebouwen

Voor individuele commerciële gebouwen zoals hotels, kantoorcomplexen en winkelcentra kan geothermische afvalwarmte worden geleverd via een secundaire lus die is aangesloten op een warmtepomp of directe warmtewisselaar. Warmtepompen kunnen de temperatuur van afvalwarmtestromen (bijv. van 30°C tot 50°C) verhogen om efficiënt te voldoen aan de eisen van gebouwen. In de zomer kan hetzelfde systeem in omgekeerde werking werken om koeling te bieden door warmte te weigeren in de grond of een warmtestroom. Veel hotels in geothermische gebieden hebben deze aanpak gevolgd voor gastenkamerverwarming, zwembadverwarming en warm water, waardoor energierekeningen aanzienlijk worden verminderd. De commerciële sector profiteert van de hoge prestatiecoëfficiënt (COP) van warmtepompen wanneer de temperatuur van de bron wordt verhoogd door geothermische afvalwarmte.

Sneeuwsmelten en ijspreventie

Geothermale afvalwarmte kan worden verspreid via leidingen die zijn ingebed in trottoirs, opritten en parkeerplaatsen om sneeuw- en ijsophoping te voorkomen. Deze toepassing is vooral waardevol in koude klimaten waar sneeuwverwijdering kostbaar en storend is. Het gebruik van afvalwarmte voor sneeuwsmelten elimineert de behoefte aan chemische deicers en vermindert slijtage op de infrastructuur. Verschillende luchthavens en transitautoriteiten in IJsland en Japan hebben dergelijke systemen ingezet met behulp van geothermische energie.

Zwembaden en badplaatsen

Openbare zwembaden, watercentra en gezondheidskuuroorden verbruiken grote hoeveelheden energie voor het verwarmen van water. Geothermale afvalwarmte biedt een goedkope, hernieuwbare alternatief. Op veel locaties, besteed geothermische water van elektriciteitscentrales of direct-gebruik putten wordt rechtstreeks in het zwembad warmtewisselaars. Deze toepassing is eenvoudig, vereist minimale apparatuur, en levert snelle terugverdientijd. De consistente warmtevoorziening verlengt ook het zwemseizoen en verbetert het comfort voor gebruikers.

Uitvoering Technologieën

De meest voorkomende componenten zijn warmtewisselaars, warmtepompen, stadsverwarmingsleidingen en besturingssystemen. De keuze van de technologie is afhankelijk van de temperatuur, de stroomsnelheid en de chemische samenstelling van de afvalwarmtestroom, evenals de afstand tot de eindgebruiker.

Warmtewisselaars

Warmtewisselaars brengen thermische energie van de geothermische vloeistof (vaak pekel of stoomcondensaat) over naar een schone werkvloeistof zonder de twee te mengen. Platenwarmtewisselaars en shell-and-tube warmtewisselaars worden op grote schaal gebruikt. Ze moeten worden gebouwd van corrosiebestendige materialen zoals roestvrij staal of titanium als de geothermische vloeistof chemisch agressief is. Goed ontworpen warmtewisselaars maximaliseren de terugwinningsefficiëntie en beschermen downstream apparatuur tegen schaalvergroting of vervuiling.

Warmtepompen

Wanneer de warmtetemperatuur van het afval te laag is voor direct gebruik (bv. onder 40°C), kunnen warmtepompen het opwaarderen tot een nuttige temperatuur. Geothermale warmtepompen (GHP's) gekoppeld aan afvalwarmtestromen bereiken hogere efficiëntie dan die welke gebruik maken van omgevings- of luchttemperaturen. Bijvoorbeeld, een warmtebron van het afval bij 30°C kan worden verhoogd tot 60°C met een COP van 5 of meer, wat betekent dat vijf warmte-eenheden worden geleverd voor elke verbruikte eenheid elektriciteit. Hogetemperatuurwarmtepompen die water kunnen leveren bij 90°C–120°C zijn nu commercieel beschikbaar, waardoor ze ook geschikt zijn voor vele industriële toepassingen.

Stadswarmtenetwerken

De centrale warmtebron, een distributienetwerk van voorgeïsoleerde leidingen en onderstations bij elk aangesloten gebouw. Voor geothermische afvalwarmte werkt het netwerk doorgaans met een toevoertemperatuur van 70°C–90°C en retourtemperaturen van 30°C–45°C. Moderne leidingen gebruiken polyureen schuimisolatie en polyethyleenbehuizing, waardoor warmteverliezen tot minder dan 5% per kilometer worden teruggebracht. De regelsystemen moduleren de stroomsnelheden om de vraag te kunnen afstemmen, waardoor de algehele efficiëntie wordt verbeterd. In verschillende Europese landen zijn gestandaardiseerde componenten ontwikkeld die de installatiekosten verminderen en een snelle inzet mogelijk maken.

Uitdagingen en opkomende oplossingen

Ondanks de duidelijke voordelen, wordt het gebruik van geothermische afvalwarmte op grote schaal gebruikt voor verschillende hindernissen, die worden aangepakt door technologische innovatie, beleidsondersteuning en samenwerking in de industrie.

Kapitaalkosten en infrastructuur

Het installeren van warmtewisselaars, pijpleidingen, warmtepompen en de bouw van retrofit vereist aanzienlijke investeringen vooraf. Voor industriële installaties kan de terugverdientijd drie tot zeven jaar zijn, wat een belemmering kan vormen in kapitaal-gearmde industrieën. Echter, financiële prikkels zoals belastingkredieten, subsidies en koolstofprijzen verbeteren de economie. Daarnaast, modulair en schaalbaar systeem ontwerpen verminderen de initiële kosten door het mogelijk te maken gefaseerde implementatie. Overheidsprogramma's zoals de VS DOE Geothermische Technologies Office verstrekken financiering voor demonstratieprojecten die deze investeringen de-risico (zie ]DOE Geothermische Technologies Office ).

Specifieke voorwaarden voor de locatie

Niet elke geothermische locatie produceert afvalwarmte bij temperaturen of debieten die geschikt zijn voor economische afvang. De afstand tussen de warmtebron en de eindgebruiker beïnvloedt ook de levensvatbaarheid. Echter, de vooruitgang in het directionele boren en downhole warmtewisselaars hebben het mogelijk gemaakt om diepere, heter bronnen te bereiken. Verbeterde Geothermische Systemen (EGS) technologie kan reservoirs in heet droog gesteente creëren, waardoor het geografische bereik van geothermische afvalwarmtepotentieel wordt uitgebreid. Naarmate EGS rijpt, zal het gebruik van afvalwarmte in veel meer regio's haalbaar worden.

Corrosie en scale

Geothermische vloeistoffen bevatten vaak opgeloste mineralen en gassen die schaalvergroting (bijvoorbeeld silica, calciumcarbonaat) en corrosie van apparatuur kunnen veroorzaken. Dit vereist zorgvuldige materiaalselectie, chemische behandeling, of ontwerpkenmerken zoals flitskristallisatie om schaalvergrotingsverbindingen te verwijderen voordat de vloeistof in warmtewisselaars komt. Onderzoek naar geavanceerde coatings en additief-gemaakte componenten levert langerdurende apparatuur. Exploitanten ontwikkelen ook voorspellende onderhoudsalgoritmen om schaalvergroting te monitoren en reinigingsschema's te optimaliseren.

Regelgevings- en vergunningsbelemmeringen

In veel rechtsgebieden is het regelgevingskader voor het gebruik van geothermische afvalwarmte onderontwikkeld. Vergunningen kunnen nodig zijn voor vloeistofextractie, herinjectie en warmtedistributie, en de classificatie van afvalwarmte als een bron in plaats van een afval kan dubbelzinnig zijn. Gestroomlijnde vergunningsprocedures en duidelijke juridische definities zijn nodig om investeringen aan te moedigen. Sommige VS-staten en Europese landen hebben “geothermale warmte” statuten die expliciet toestemming geven voor het vangen van afvalwarmte en het bieden van eigendomsrechten bescherming.

Toekomstige vooruitzichten

Het wereldwijde potentieel voor warmtegebruik van geothermische afvalstoffen is groot. Volgens het International Renewable Energy Agency (IRENA) overschrijdt de geïnstalleerde geothermische energiecapaciteit wereldwijd meer dan 15 GW, met een extra capaciteit van 20 GW direct-gebruik. Zelfs als slechts een fractie van de bijbehorende afvalwarmte wordt opgevangen, kan het miljoenen ton CO2 verdrijven. Het technische potentieel voor industriële warmte alleen wordt geschat op honderden TWh per jaar.

Verschillende trends versnellen de adoptie. Ten eerste, de dalende kosten van warmtepompen en stadsverwarmingscomponenten maakt projecten economischer. Ten tweede, corporate duurzaamheidsverbintenissen en overheids-netto-nuldoelstellingen creëren vraag naar koolstofarme warmte. Ten derde, hybride systemen die geothermische afvalwarmte combineren met zonne-thermale, biomassa, of warmteopslag ontstaan als flexibele oplossingen die warmte op vraag kunnen leveren. Ten slotte, digitalisering en slimme controles maken geoptimaliseerde verzending van afvalwarmtebronnen over meerdere gebruikers, het maximaliseren van het gebruikstempo.

Innovaties zoals de biologische rankinecyclus (ORC) bodemcycli, die extra elektriciteit kunnen opwekken uit middelhoge temperatuur afvalwarmte, breiden ook de economische envelop uit. Naarmate boortechnologie verbetert en EGS commercieel wordt, zal het aanbod van geothermische afvalwarmte groeien, waardoor nieuwe kansen worden geopend voor industriële en commerciële gebruikers.

Geothermale afvalwarmte is geen marginaal bijproduct; het is een strategische hulpbron die de energie-economie van industrieën en gemeenschappen kan transformeren. Door de afvang en het gebruik ervan prioriteit te geven, kunnen bedrijven de bedrijfskosten verlagen, energiezekerheid verhogen en betekenisvol bijdragen aan mondiale klimaatdoelstellingen. De technologie is klaar, de economie verbetert en de tijd om te handelen is nu.