thumb|upright=1.2|Nesjavellir, een van de grootste geothermische centrales van IJsland 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.
Oorsprong van geothermische energie 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.
Restwarmte uit de tijd van het ontstaan van de aarde 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.
Andere vormen van restwarmte 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.https://web.archive.org/web/20180119060631/http://staatvan.zuid-holland.nl/Paginas/Factsheets/Bodemenergie_en_restwarmte.aspx 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.Biomassa: Verbranden_voor_warmte op de Nederlandstalige Wikipedia Wanneer men daarna terug nieuwe bomen plant, leidt dit niet tot het verminderen van planten en is dit proces wel duurzaam.
Radioactiefvervalprocessen
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.
Warmtestroom uit het binnenste van de aarde 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.
Indeling van aardwarmtebronnen thumb|Opwekken van elektriciteit met geothermische energie Aardwarmte kan als energiebron voor de winning van warmte en stroom worden gebruikt. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen: Aardwarmte nabij de oppervlakte voor direct gebruik, meestal om te verhitten en te koelen. Diepe aardwarmte voor direct gebruik maar ook voor stroomopwekking.
Verder wordt tussen hoog- en laagenthalpie-vindplaatsen onderscheiden. Hoogenthalpie betekent dat op dergelijke vindplaatsen een hoge temperatuur aanwezig is.
Diepe aardwarmte Hoe dieper men in de aardkorst boort, hoe meer de temperatuur stijgt. Over het algemeen bereikt men per kilometer diepte een temperatuurstijging van 35 °C tot 40 °C (geothermische dieptemaat). De geothermische dieptemaat is echter regionaal zeer verschillend. Afwijkingen van de standaard worden aangeduid als warmteanomalieën. Interessant zijn in het bijzonder gebieden met duidelijk hogere temperaturen. Hier kunnen de temperaturen al op geringe diepte ettelijke honderden graden bedragen. Dergelijke anomalieën zijn hoofdzakelijk aan vulkanische activiteit gekoppeld. In de geothermiek gelden ze als hoogenthalpie vindplaatsen. Ze worden wereldwijd voor stroomopwekking gebruikt.
Hoogenthalpievindplaatsen LandAantal vulkanen Aardwarmte-bronvermogen (MW)eV.S.13323.000Japan10020.000Indonesië12616.000Filipijnen536000Mexico356000IJsland335800Nieuw-Zeeland193650Italië (Toscane)3700
De wereldwijde stroomopwekking uit aardwarmte wordt door het gebruik van hoogenthalpievindplaatsen gedomineerd. Dit zijn warmteanomalieën die met vulkanische activiteit samengaan. Hier is water (of stoom) van honderden graden Celsius aan te treffen. Het voorkomen hiervan correleert sterk met de aanwezigheid van vulkanen in de betreffende landen.
Afhankelijk van de druk- en temperatuurvereisten kunnen hoge-enthalpievindplaatsen meer stoom- of meer watergedomineerd zijn. Vroeger werd de stoom na gebruik in de lucht geloosd, wat tot een flinke zwavelstank kon leiden (Italië, Larderello). Vandaag worden de afgekoelde vloeistoffen in de vindplaats "gereïnjecteerd" (teruggepompt). Zo worden negatieve milieu-effecten vermeden. Gelijktijdig wordt de productiviteit door het op druk houden van de vindplaats verbeterd.
Laagenthalpievindplaatsen In niet-vulkanische gebieden kunnen de temperaturen in de ondergrond zeer verschillend zijn. In de regel zijn, indien voor gebruik hogere temperaturen nodig zijn, diepe boringen nodig. Voor een economische stroomopwekking zijn temperaturen hoger dan 100 °C nodig. Liggen deze in een waterhoudende grondlaag dan kan dit water opgepompt, afgekoeld en opnieuw geïnjecteerd worden. Men spreekt dan van hydrothermale geothermie. Is het gesteente waarin de hoge temperaturen worden aangetroffen weinig poreus zodat er geen water kan worden uitgehaald, dan moet men door een kunstmatig spletenstelsel water laten circuleren. Men spreekt dan van petrothermale geothermie. Een laatste mogelijkheid, waarbij echter in vergelijking weinig energie geëxtraheerd (onttrokken) wordt, is een diepe aardwarmtesonde, waarbij het water alleen in de sonde circuleert (gesloten systeem).
In het algemeen worden bij de diepe aardwarmte drie soorten van wateropname uit de ondergrond onderscheiden: thumb|Geothermisch doublet in de glastuinbouw Hydrothermale systemen: in de ondergrond voorhanden warm water circuleert tussen een doublet van twee boringen door natuurlijke waterhoudende grondlagen. Het warme water wordt opgepompt en het afgekoelde water wordt in dezelfde watervoerende laag teruggevoerd op enkele km afstand van de inlaat. Petrothermale systemen, vaak ook HDR-systemen (Hot-Dry-Rock) genoemd: met hydraulische stimulatiemaatregelen ('fracken') worden in een droge ondergrond spleten en kloven gemaakt, waarin kunstmatig ingebracht water tussen twee diepe bronnen circuleert. In werkelijkheid is de aanname, bij deze temperaturen en diepten droge gesteenteformaties aan te treffen, niet correct. Om deze reden bestaan ook verscheidene andere aanduidingen voor deze methode: onder andere Hot-Wet-Rock (HWR), Hot-Fractured-Rock (HFR) of Enhanced Geothermal System (EGS). Een neutrale aanduiding is petrothermale systemen. Diepe aardwarmtesondes: het warmtedragend medium circuleert in een gesloten circulatie in een boring in een U-bocht of coaxiale sonde.
Welke methode in kwestie uiteindelijk wordt gebruikt is van de geologische situatie op de locatie, de benodigde hoeveelheid energie en het gewenste temperatuurniveau van het warmtegebruik afhankelijk.
Hydrothermale systemen Voor de hydrothermale geothermie worden op grote diepte natuurlijk voorkomende warmwatervoorraden, zogenoemde warmwaterhoudende grondlagen of aquifers aangetapt. De hydrothermale energiewinning is afhankelijk van de temperatuur alleen als water of ook als stoom mogelijk. In Nederland en België wordt vooralsnog (2013) alleen van hydrothermale geothermie gebruikgemaakt. Petrothermale systemen zijn hier nog in de onderzoeksfase.
Petrothermale systemen Gesteenten op grotere diepte vertonen een hogere temperatuur (Hot Dry Rock). Deze energie kan worden gebruikt voor zowel stoom als warmte. Om de warmte in deze gesteenten te kunnen gebruiken moeten ze door een warmtedrager worden doorstroomd, die de energie daarna aan de oppervlakte brengt. Het door de hete gesteentelagen verhitte water kan voor de bereiding van industriestoom en voor de voeding van lokale en stadsverwarmingsnetwerken worden gebruikt. Bijzonder interessant is de opwekking van elektriciteit uit de hete stoom. Hiervoor wordt het in de ondergrond verhitte water gebruikt om een turbine aan te drijven. De gesloten kringloop in het circulatiesysteem staat zodanig onder druk, dat koken van het ingeperste water wordt verhinderd en de stoom pas in de turbine ontstaat.
Het in de diepte voorhandene hete gesteente wordt door middel van boringen bereikt. Hierbij is er minstens een winningsboring en een groutingsboring, welke door een gesloten waterkringloop worden verbonden.