Aardwarmte

Warmte uit de aardbodem en het bodemwater is een duurzame vorm van energie. Afhankelijk van de diepte heet het aardwarmte of bodemwarmte. Aardwarmte is in Nederland moeilijk bereikbaar en daardoor erg duur. Bodemwarmte is wel bereikbaar en belandt als woningverwarming onder meer in nieuwbouwhuizen.

Aardwarmte en bodemwarmte zijn milieuvriendelijke alternatieven voor het stoken van gas en kolen. Want het gebruik van aard- en bodemwarmte zorgt nauwelijks voor vervuiling, uitstoot van CO2 en klimaatverandering. Een ander milieuvoordeel is dat aardwarmte en bodemwarmte nooit op raken, in tegenstelling tot fossiele brandstoffen.

In het kort

Bodemwarmte halen we tot 100 meter diepte uit de bodem, en wordt gebruikt voor verwarming van woningen, gebouwen en bijvoorbeeld kassen.
Het water in de aardbodem op 20 tot 300 meter diepte is geschikt voor warmte-uitwisseling: we kunnen het oppompen, vervolgens warmte erin stoppen (in de zomer) of eruit halen (in de winter) en dan weer terugpompen. Ook dit heet
bodemwarmte.

Op zeer grote diepte (vanaf 500 meter) zit bruikbare aardwarmte. IJsland gebruikt deze voor verwarming.
Aardwarmte ontstaat in de kern van de aarde. Bodemwarmte is afkomstig van de zon.

Aardwarmte of geothermie is energie die kan ontstaan door het temperatuurverschil tussen het aardoppervlak en diep in de aarde gelegen warmtereservoirs. Deze aardwarmte kan ingezet worden voor de winning van energie. Vooral in vulkanische streken (zoals IJsland) is geothermische warmte op zo’n geringe diepte aan te treffen, dat winning economisch lonend is.

Een andere techniek om de ondergrond te gebruiken voor duurzame energieproductie is koude-warmteopslag. Grondwater, vaak op een diepte van zo’n 100 m, wordt opgepompt en ’s winters gebruikt als (basis)verwarming van gebouwen waarna het weer de bodem wordt ingepompt. In de zomer kan het grondwater dienen als koeling. Minder diep kan ook, zie Warmtepomp.

Aardwarmte kan zowel direct gebruikt worden, bijvoorbeeld om te verwarmen en te koelen, als voor de opwekking van elektrische stroom of in een warmte-krachtkoppeling. Met aardwarmte wordt zowel de wetenschappelijk technische bezigheden met aardwarmte als de wetenschappelijke bezigheden met de thermische situatie van de aarde, geothermiek, bedoeld.

Aardwarmte komt voor een relatief gering deel (30%) voort uit de restwarmte van de tijd van het ontstaan van de aarde (accretie), voor een groter deel (70%) uit radioactiefvervalprocessen, die in de aardkorst al vele miljoenen jaren voortdurend warmte hebben opgewekt en dit vandaag nog steeds doen. Nagenoeg niet van belang zijn aandelen uit zonnestraling op het aardoppervlak en uit warmtecontact met de lucht.

De temperatuur in de binnenkern bedraagt naar verscheidene schattingen 4500 °C tot 6500 °C. 99% van onze planeet is warmer dan 1000 °C; 99% van de rest is nog altijd heter dan 100 °C. Bijna overal heeft de bodem op één kilometer diepte een temperatuur van 35 °C tot 40 °C (zie ook geothermische dieptemaat). Onder bijzondere geologische omstandigheden, zoals in huidige of voormalige vulkaangebieden, ontstaan geothermische anomalieën. Hier kan de temperatuur vele honderden graden Celsius bereiken.

De aarde is circa 4,6 – 4,7 miljard jaar geleden door accretie van materie ontstaan. Hierbij wordt het materiaal verhit, waarbij bewegingsenergie in warmte wordt omgezet. Deze warmte-energie zit wegens de geringe warmtegeleiding van de gesteenten en daarmee de geringe warmteafgifte aan de ruimte vandaag nog voor een groot deel in het binnenste van de aarde en kan als restwarmte uit de tijd van het ontstaan van de aarde worden gezien.

Ook kan restwarmte gezien worden als nevenproduct dat ontstaat tijdens het verbranden van fossiele brandstoffen. Vaak wordt deze warmte afgevoerd door koeltorens of wordt die met het water mee geloosd in sloten of rivieren. Dit water of deze warme lucht kan men beter vervoeren naar een toren waarin men de warmte uit het water of de lucht kan onttrekken. Helaas wordt dit vaak niet gedaan, waardoor er veel energie verloren gaat. Omdat er fossiele brandstoffen aan te pas komen, wordt dit proces niet echt energiezuinig genoemd. Ook is het mogelijk om de warmte te onttrekken tijdens het verbranden van biomassa.^[1] In afvalverbrandingsinstallaties verbrandt men afval, waarbij warmte vrijkomt. Dit proces heeft wel een klein rendement, maar omdat het afval hierdoor gerecycleerd wordt, is het toch duurzaam. Ook gebruikt men vaak brandhout om warmte op te wekken, maar hierdoor verdwijnen er vaak vele planten wat slecht is voor het milieu en dus niet duurzaam is.^[2] Wanneer men daarna terug nieuwe bomen plant, leidt dit niet tot het verminderen van planten en is dit proces wel duurzaam.

Dit aandeel in de aardwarmte is gebaseerd op het natuurlijk verval van de in de aarde aanwezige langlevende radioactieve isotopen zoals uraan-235 en -238, thorium-232 en kalium-40. Deze elementen zijn in de kristalroosters van bepaalde mineralen ingebouwd, bijvoorbeeld in veldspaat en mica in graniet. Het gaat hier om een natuurlijke vorm van kernenergie.

Het vermogen dat uit het radioactieve verval ontstaat bedraagt ongeveer 16 · 10¹² watt. Bij een gemiddelde aardstraal van 6137 km bedraagt de geothermische vermogensdichtheid van het radioactief verval aan de aardoppervlakte ongeveer 0,032 watt per vierkante meter aardoppervlak.

De warmte uit de diepere delen van de aarde wordt door warmtegeleiding en convectie naar ondiepere lagen getransporteerd waarop deze kan worden gebruikt.

De aardwarmtestroom, het door de aarde per vierkante meter aan de ruimte afgegeven vermogen, is ongeveer 0,063 W/m² (warmtestroomdichtheid). Dit is een relatief kleine waarde en wijst er al op dat aardwarmte zich overwegend voor decentraal gebruik eigent. In anomale gebieden, zoals vulkanische gebieden, kan de warmtestroming een veelvoud groter zijn.

Vanwege de geringe warmtestroomdichtheid wordt bij aardwarmtebenutting overwegend niet de energie gebruikt die uit de diepte naar boven komt, maar de reeds in de aardkorst opgeslagen energie. Deze wordt vanuit het centrum van de aarde zo langzaam aangevuld dat de energie bij winning dus op een gegeven moment uitgeput raakt. Een aardwarmtebenutting moet dus zo worden gedimensioneerd, dat de afkoeling van de betreffende aarddelen zo langzaam plaatsvindt dat gedurende de gehele levensduur van de installaties een economische warmteopbrengst aanwezig is.