Energía geotérmica

La energía geotérmica es la energía térmica en la corteza terrestre que se origina a partir de la formación del planeta y de la descomposición radiactiva de materiales en proporciones actualmente inciertas pero posiblemente aproximadamente iguales. La alta temperatura y la presión en el interior de la Tierra hacen que algunas rocas se derritan y que el manto sólido se comporte plásticamente. Esto da como resultado que partes del manto se convecten hacia arriba, ya que es más liviano que la roca circundante. Las temperaturas en el límite entre el núcleo y el manto pueden alcanzar más de 4000 ° C (7200 ° F).

La calefacción geotérmica, que utiliza agua de fuentes termales, por ejemplo, se ha utilizado para bañarse desde el Paleolítico y para calentar espacios desde la época de los antiguos romanos. Más recientemente, la energía geotérmica, el término utilizado para la generación de electricidad a partir de la energía geotérmica, ha ganado importancia. Se estima que los recursos geotérmicos de la tierra son teóricamente más que adecuados para satisfacer las necesidades energéticas de la humanidad, aunque actualmente solo una fracción muy pequeña se está explotando de manera rentable, a menudo en áreas cercanas a los límites de las placas tectónicas.

Como resultado de la investigación asistida por el gobierno y la experiencia de la industria, el costo de generar energía geotérmica se redujo en un 25 % durante las décadas de 1980 y 1990. Los avances tecnológicos más recientes han reducido drásticamente los costos y, por lo tanto, han ampliado la gama y el tamaño de los recursos viables. En 2021, el Departamento de Energía de EE. UU. estima que la energía geotérmica de una planta de energía "construida hoy" cuesta alrededor de $ 0,05/kWh.

En 2019, 13.900 megavatios (MW) de energía geotérmica estaban disponibles en todo el mundo. A partir de 2010, se han instalado 28 gigavatios adicionales de capacidad de calefacción geotérmica directa para calefacción urbana, calefacción de espacios, spas, procesos industriales, desalinización y aplicaciones agrícolas.

Los pronósticos para el futuro de la energía geotérmica dependen de suposiciones sobre la tecnología, los precios de la energía, los subsidios, el movimiento de los límites de las placas y las tasas de interés. Los programas piloto, como la opción del cliente de EWEB en el Programa de Energía Verde, muestran que los clientes estarían dispuestos a pagar un poco más por una fuente de energía renovable como la geotérmica. Cerca de 100 mil personas están empleadas en la industria. El adjetivo geotérmico proviene de las raíces griegas γῆ ( gê ), que significa Tierra, y θερμός ( thermós ), que significa caliente.

Historia

Las aguas termales se han utilizado para bañarse al menos desde el Paleolítico. El spa más antiguo que se conoce es una piscina de piedra en la montaña Lisan de China construida en la dinastía Qin en el siglo III a. C., en el mismo sitio donde más tarde se construyó el palacio Huaqing Chi. En el siglo I d.C., los romanos conquistaron Aquae Sulis, ahora Bath, Somerset, Inglaterra, y usaron las aguas termales allí para alimentar los baños públicos y la calefacción por suelo radiante. Las tarifas de admisión para estos baños probablemente representan el primer uso comercial de la energía geotérmica. El sistema de calefacción de distrito geotérmico más antiguo del mundo en Chaudes-Aigues, Francia, ha estado en funcionamiento desde el siglo XV. La primera explotación industrial comenzó en 1827 con el uso de vapor de géiser para extraer ácido bórico del lodo volcánico en Larderello, Italia.

En 1892, el primer sistema de calefacción de distrito de Estados Unidos en Boise, Idaho, se alimentó directamente con energía geotérmica y se copió en Klamath Falls, Oregón en 1900. El primer edificio conocido en el mundo que utilizó energía geotérmica como fuente de calor principal fue el Hot Lake. Hotel en el condado de Union, Oregón, cuya construcción se completó en 1907. Se usó un pozo geotérmico profundo para calentar invernaderos en Boise en 1926, y se usaron géiseres para calentar invernaderos en Islandia y Toscana aproximadamente al mismo tiempo. Charlie Lieb desarrolló el primer intercambiador de calor de fondo de pozo en 1930 para calentar su casa. El vapor y el agua caliente de los géiseres comenzaron a calentar los hogares en Islandia a partir de 1943.

En el siglo XX, la demanda de electricidad llevó a considerar la energía geotérmica como fuente de generación. El príncipe Piero Ginori Conti probó el primer generador de energía geotérmica el 4 de julio de 1904, en el mismo campo de vapor seco de Larderello donde comenzó la extracción de ácido geotérmico. Encendió con éxito cuatro bombillas. Más tarde, en 1911, se construyó allí la primera planta de energía geotérmica comercial del mundo. Fue el único productor industrial de electricidad geotérmica del mundo hasta que Nueva Zelanda construyó una planta en 1958. En 2012, produjo unos 594 megavatios.

En 1960, Pacific Gas and Electric inició la operación de la primera planta de energía eléctrica geotérmica exitosa en los Estados Unidos en The Geysers en California. La turbina original duró más de 30 años y produjo una potencia neta de 11 MW.

La planta de energía de ciclo binario se demostró por primera vez en 1967 en la URSS y luego se introdujo en los EE. UU. en 1981. Esta tecnología permite la generación de electricidad a partir de recursos de temperatura mucho más baja que antes. En 2006, una planta de ciclo binario en Chena Hot Springs, Alaska, entró en funcionamiento y produjo electricidad a partir de una temperatura de fluido mínima récord de 57 °C (135 °F).

Recursos

La energía térmica interna de la Tierra fluye hacia la superficie por conducción a un ritmo de 44,2 teravatios (TW) y se repone mediante la desintegración radiactiva de los minerales a un ritmo de 30 TW. Estas tarifas de energía son más del doble del consumo actual de energía de la humanidad de todas las fuentes primarias, pero la mayor parte de este flujo de energía no es recuperable. Además de los flujos de calor internos, la capa superior de la superficie hasta una profundidad de 10 m (33 pies) se calienta con energía solar durante el verano y libera esa energía y se enfría durante el invierno.

Fuera de las variaciones estacionales, el gradiente geotérmico de temperaturas a través de la corteza es de 25 a 30 °C (45 a 54 °F) por km de profundidad en la mayor parte del mundo. El flujo de calor conductivo promedia 0,1 MW/km. Estos valores son mucho más altos cerca de los límites de las placas tectónicas, donde la corteza es más delgada. Pueden aumentar aún más mediante la circulación de fluidos, ya sea a través de conductos de magma, aguas termales, circulación hidrotermal o una combinación de estos.

La eficiencia térmica y la rentabilidad de la generación de electricidad son particularmente sensibles a la temperatura. Las aplicaciones más exigentes reciben el mayor beneficio de un alto flujo de calor natural, idealmente del uso de una fuente termal. La siguiente mejor opción es perforar un pozo en un acuífero caliente. Si no se dispone de un acuífero adecuado, se puede construir uno artificial mediante la inyección de agua para fracturar hidráulicamente el lecho rocoso. Este último enfoque se denomina energía geotérmica de roca seca y caliente en Europa o sistemas geotérmicos mejorados en América del Norte. Este enfoque puede ofrecer un potencial mucho mayor que el de la extracción convencional de acuíferos naturales.

Las estimaciones del potencial de generación de electricidad a partir de la energía geotérmica varían seis veces, de 0,035 a 2 TW, según la escala de las inversiones. Las estimaciones superiores de los recursos geotérmicos asumen pozos geotérmicos mejorados de hasta 10 kilómetros (6 millas), mientras que los pozos geotérmicos existentes rara vez tienen más de 3 kilómetros (2 millas) de profundidad. Los pozos de esta profundidad ahora son comunes en la industria del petróleo. El pozo de investigación más profundo del mundo, el pozo superprofundo de Kola, tiene 12 kilómetros (7 millas) de profundidad.

Energía geotermica

La energía geotérmica es energía eléctrica generada a partir de la energía geotérmica. Las tecnologías en uso incluyen centrales eléctricas de vapor seco, centrales eléctricas de vapor instantáneo y centrales eléctricas de ciclo binario. La generación de electricidad geotérmica se utiliza actualmente en 26 países, mientras que la calefacción geotérmica se utiliza en 70 países.

A partir de 2019, la capacidad de energía geotérmica mundial asciende a 15,4 gigavatios (GW), de los cuales el 23,86 por ciento o 3,68 GW están instalados en los Estados Unidos. Los mercados internacionales crecieron a una tasa anual promedio del 5 por ciento durante los tres años hasta 2015, y se espera que la capacidad de energía geotérmica global alcance los 14,5–17,6 GW para 2020. Con base en el conocimiento geológico y la tecnología actual que GEA divulga públicamente, la Asociación de Energía Geotérmica (GEA) estima que hasta ahora solo se ha aprovechado el 6,9 por ciento del potencial global total, mientras que el IPCC informó que el potencial de energía geotérmica está en el rango de 35 GW a 2 TW. La energía geotérmica es una fuente renovable clave que cubre una parte importante de la demanda de electricidad en países como Islandia, El Salvador, Kenia, Filipinas y Nueva Zelanda. y más del 90 % de la demanda de calefacción en Islandia.

La energía geotérmica se considera una fuente de energía sostenible y renovable porque la extracción de calor es pequeña en comparación con el contenido de calor de la Tierra. Las emisiones de gases de efecto invernadero de las centrales eléctricas geotérmicas son en promedio de 45 gramos de dióxido de carbono por kilovatio-hora de electricidad, o menos del 5 por ciento de las de las centrales eléctricas de carbón convencionales.

Como fuente de energía renovable tanto para electricidad como para calefacción, la geotermia tiene el potencial de satisfacer el 3-5 % de la demanda mundial para 2050. Con incentivos económicos, se estima que para 2100 será posible satisfacer el 10 % de la demanda mundial.

Las plantas eléctricas geotérmicas se construyeron tradicionalmente exclusivamente en los bordes de las placas tectónicas donde los recursos geotérmicos de alta temperatura están disponibles cerca de la superficie. El desarrollo de centrales eléctricas de ciclo binario y las mejoras en la tecnología de perforación y extracción permiten sistemas geotérmicos mejorados en un rango geográfico mucho mayor. Los proyectos de demostración están operativos en Landau-Pfalz, Alemania, y Soultz-sous-Forêts, Francia, mientras que un esfuerzo anterior en Basilea, Suiza, se cerró después de que provocó terremotos. Se están construyendo otros proyectos de demostración en Australia, el Reino Unido y los Estados Unidos de América.En Myanmar, más de 39 ubicaciones capaces de producir energía geotérmica y algunos de estos depósitos hidrotermales se encuentran bastante cerca de Yangon, que es un recurso significativamente subutilizado.

Calefacción geotérmica

La calefacción geotérmica es el uso directo de la energía geotérmica para algunas aplicaciones de calefacción. Los humanos han aprovechado el calor geotérmico de esta manera desde la era paleolítica. Aproximadamente setenta países hicieron uso directo de un total de 270 PJ de calefacción geotérmica en 2004. A partir de 2007, se instalaron 28 GW de capacidad de calefacción geotérmica en todo el mundo, satisfaciendo el 0,07% del consumo mundial de energía primaria. La eficiencia térmica es alta ya que no se necesita conversión de energía, pero los factores de capacidad tienden a ser bajos (alrededor del 20 %) ya que el calor se necesita principalmente en invierno.

La energía geotérmica se origina del calor retenido dentro de la Tierra desde la formación original del planeta, de la desintegración radiactiva de los minerales y de la energía solar absorbida en la superficie. La mayor parte del calor geotérmico de alta temperatura se recolecta en regiones cercanas a los límites de las placas tectónicas, donde la actividad volcánica se eleva cerca de la superficie de la Tierra. En estas áreas, se pueden encontrar aguas subterráneas y subterráneas con temperaturas superiores a la temperatura objetivo de la aplicación. Sin embargo, incluso el suelo frío contiene calor, por debajo de los 6 metros (20 pies) la temperatura del suelo no perturbada está constantemente en la temperatura media anual del aire y puede extraerse con una bomba de calor de fuente terrestre.

Tipos

La energía geotérmica viene en formas dominadas por vapor o dominadas por líquido. Larderello y The Geysers están dominados por el vapor. Los sitios dominados por vapor ofrecen temperaturas de 240 a 300 °C que producen vapor sobrecalentado.

Plantas dominadas por líquidos

Los reservorios dominados por líquido (LDR) son más comunes con temperaturas superiores a 200 °C (392 °F) y se encuentran cerca de volcanes jóvenes que rodean el Océano Pacífico y en zonas de grietas y puntos calientes. Las plantas flash son la forma común de generar electricidad a partir de estas fuentes. Por lo general, no se requieren bombas, sino que se encienden cuando el agua se convierte en vapor. La mayoría de los pozos generan de 2 a 10 MW de electricidad. El vapor se separa de un líquido a través de separadores ciclónicos, mientras que el líquido se devuelve al depósito para su recalentamiento/reutilización. A partir de 2013, el sistema líquido más grande es Cerro Prieto en México, que genera 750 MW de electricidad a partir de temperaturas que alcanzan los 350 °C (662 °F). El campo Salton Sea en el sur de California ofrece el potencial de generar 2000 MW de electricidad.

Los LDR de temperatura más baja (120–200 °C) requieren bombeo. Son comunes en terrenos extensionales, donde el calentamiento tiene lugar a través de una circulación profunda a lo largo de fallas, como en el oeste de EE. UU. y Turquía. El agua pasa a través de un intercambiador de calor en una planta binaria de ciclo Rankine. El agua vaporiza un fluido de trabajo orgánico que impulsa una turbina. Estas plantas binarias se originaron en la Unión Soviética a fines de la década de 1960 y predominan en las nuevas plantas estadounidenses. Las plantas binarias no tienen emisiones.

Sistemas geotérmicos mejorados

Los sistemas geotérmicos mejorados (EGS) inyectan agua de forma activa en los pozos para calentarla y bombearla. El agua se inyecta a alta presión para expandir las fisuras rocosas existentes y permitir que el agua fluya libremente hacia adentro y hacia afuera. La técnica fue adaptada de las técnicas de extracción de petróleo y gas. Sin embargo, las formaciones geológicas son más profundas y no se utilizan productos químicos tóxicos, lo que reduce la posibilidad de daño ambiental. Los perforadores pueden emplear la perforación direccional para expandir el tamaño del yacimiento.

Se han instalado EGS a pequeña escala en el Rin Graben en Soultz-sous-Forêts en Francia y en Landau e Insheim en Alemania.

Ciencias económicas

La energía geotérmica no requiere combustible (a excepción de las bombas) y, por lo tanto, es inmune a las fluctuaciones del costo del combustible. Sin embargo, los costos de capital son significativos. La perforación representa más de la mitad de los costos y la exploración de recursos profundos implica riesgos significativos. Un doblete de pozo típico (pozos de extracción e inyección) en Nevada puede soportar 4,5 megavatios (MW) y cuesta alrededor de $ 10 millones para perforar, con una tasa de falla del 20%.

Como se señaló anteriormente, el costo de perforación es un componente importante del presupuesto de una planta de energía geotérmica y es una de las barreras clave para un desarrollo más amplio de los recursos geotérmicos. Una planta de energía debe tener pozos de producción para llevar el fluido caliente (vapor o agua caliente) a la superficie y también debe tener pozos de inyección para bombear el líquido de vuelta al depósito después de que haya pasado por la planta de energía. La perforación de pozos geotérmicos es más costosa que la perforación de pozos de petróleo y gas de profundidad comparable por varias razones:

• Los yacimientos geotérmicos suelen estar en rocas ígneas o metamórficas, que son más duras que las rocas sedimentarias de los yacimientos de hidrocarburos.
• La roca a menudo se fractura, lo que provoca vibraciones que dañan las brocas y otras herramientas de perforación.
• La roca suele ser abrasiva, con un alto contenido de cuarzo y, a veces, contiene fluidos altamente corrosivos.
• La formación es, por definición, caliente, lo que limita el uso de la electrónica de fondo de pozo.
• El revestimiento de los pozos geotérmicos debe cementarse de arriba abajo para resistir la tendencia del revestimiento a expandirse y contraerse con los cambios de temperatura. Los pozos de petróleo y gas generalmente se cementan solo en el fondo.
• Debido a que el pozo geotérmico produce un fluido de bajo valor (vapor o agua caliente), su diámetro es considerablemente mayor que los pozos típicos de petróleo y gas.

En total, la construcción de plantas eléctricas y la perforación de pozos cuestan entre 2 y 5 millones de euros por MW de capacidad eléctrica, mientras que el precio de equilibrio es de 0,04 a 0,10 euros por kW·h. Los sistemas geotérmicos mejorados tienden a estar en el lado alto de estos rangos, con costos de capital por encima de $4 millones por MW y un punto de equilibrio por encima de $0,054 por kW·h en 2007. El costo de capital de uno de esos sistemas de calefacción de distrito en Bavaria se estimó en algo más de 1 millón de € por MW. Los sistemas directos de cualquier tamaño son mucho más simples que los generadores eléctricos y tienen menores costos de mantenimiento por kW·h, pero deben consumir electricidad para hacer funcionar las bombas y los compresores. Algunos gobiernos subvencionan proyectos geotérmicos.

La energía geotérmica es altamente escalable: desde un pueblo rural hasta una ciudad entera, lo que la convierte en una parte vital de la transición de energía renovable.

El campo geotérmico más desarrollado en los Estados Unidos es The Geysers en el norte de California.

Los proyectos geotérmicos tienen varias etapas de desarrollo. Cada fase tiene riesgos asociados. En las primeras etapas de los estudios geofísicos y de reconocimiento, se cancelan muchos proyectos, lo que hace que esa fase no sea adecuada para los préstamos tradicionales. Los proyectos que avanzan desde la identificación, exploración y perforación exploratoria a menudo intercambian capital por financiamiento.

Renovabilidad y sostenibilidad

La energía geotérmica se considera renovable porque cualquier extracción de calor proyectada es pequeña en comparación con el contenido de calor de la Tierra. La Tierra tiene un contenido de calor interno de 10 julios (3·10 TWh), aproximadamente 100 mil millones de veces el consumo anual mundial de energía en 2010. Alrededor del 20% de esto es calor residual de la acumulación planetaria; el resto se atribuye a la desintegración radiactiva pasada y actual de isótopos naturales. Por ejemplo, un pozo de 5275 m de profundidad en el Proyecto de Energía Geotérmica Profunda de United Downs en Cornualles, Inglaterra, encontró granito con un contenido de torio muy alto, cuya desintegración radiactiva se cree que alimenta la alta temperatura de la roca.

Los flujos de calor naturales no están en equilibrio y el planeta se está enfriando lentamente en escalas de tiempo geológicas. La extracción humana aprovecha una fracción diminuta del flujo de salida natural, a menudo sin acelerarlo. De acuerdo con la mayoría de las descripciones oficiales del uso de la energía geotérmica, actualmente se la llama renovable y sostenible porque devuelve un volumen igual de agua al área donde se lleva a cabo la extracción de calor, pero a una temperatura algo más baja. Por ejemplo, el agua que sale del suelo es de 300 grados y el agua que regresa es de 200 grados, la energía que se obtiene es la diferencia de calor que se extrae. Las estimaciones de investigación actuales sobre el impacto en la pérdida de calor del núcleo de la Tierra se basan en estudios realizados hasta 2012. Sin embargo, si los usos domésticos e industriales de esta fuente de energía se expandieran drásticamente en los próximos años,

La energía geotérmica también se considera sostenible gracias a su poder para sustentar los intrincados ecosistemas de la Tierra. Mediante el uso de fuentes geotérmicas de energía, las generaciones actuales de humanos no pondrán en peligro la capacidad de las generaciones futuras para utilizar sus propios recursos en la misma cantidad que se utilizan actualmente esas fuentes de energía. Además, debido a sus bajas emisiones, se considera que la energía geotérmica tiene un excelente potencial para mitigar el calentamiento global.

Aunque la energía geotérmica es sostenible a nivel mundial, la extracción aún debe monitorearse para evitar el agotamiento local. A lo largo de décadas, los pozos individuales reducen las temperaturas locales y los niveles de agua hasta que se alcanza un nuevo equilibrio con los flujos naturales. Los tres sitios más antiguos, en Larderello, Wairakei y Geysers, han experimentado una producción reducida debido al agotamiento local. El calor y el agua, en proporciones inciertas, se extraían más rápido de lo que se reponían. Si se reduce la producción y se reinyecta el agua, estos pozos teóricamente podrían recuperar todo su potencial. Tales estrategias de mitigación ya se han implementado en algunos sitios. La sostenibilidad a largo plazo de la energía geotérmica se ha demostrado en el campo Lardarello en Italia desde 1913, en el campo Wairakei en Nueva Zelanda desde 1958,y en el campo The Geysers en California desde 1960.

La caída de la producción de electricidad puede impulsarse mediante la perforación de pozos de suministro adicionales, como en Poihipi y Ohaaki. La central eléctrica de Wairakei ha estado funcionando mucho más tiempo, con su primera unidad puesta en marcha en noviembre de 1958, y alcanzó su pico de generación de 173 MW en 1965, pero el suministro de vapor a alta presión ya estaba fallando, en 1982 se redujo a presión intermedia. y la central que gestiona 157 MW. A principios del siglo XXI gestionaba unos 150 MW, luego en 2005 se añadieron dos sistemas de isopentano de 8 MW, aumentando la producción de la central en unos 14 MW. Los datos detallados no están disponibles y se han perdido debido a reorganizaciones. Una de esas reorganizaciones en 1996 provoca la ausencia de datos iniciales para Poihipi (comenzado en 1996) y la brecha en 1996/7 para Wairakei y Ohaaki; datos cada media hora para Ohaaki'

Efectos ambientales

Los fluidos extraídos de las profundidades de la Tierra transportan una mezcla de gases, en particular dióxido de carbono ( CO
₂), sulfuro de hidrógeno ( H
₂S ), metano ( CH
₄) y amoníaco ( NH
₃). Estos contaminantes contribuyen al calentamiento global, la lluvia ácida y los olores nocivos si se liberan. Las plantas eléctricas geotérmicas existentes emiten un promedio de 122 kilogramos (269 lb) de CO
₂por megavatio-hora (MW·h) de electricidad, una pequeña fracción de la intensidad de emisión de las plantas convencionales de combustibles fósiles. Pero algunas plantas emiten más que energía a gas, al menos en los primeros años, como algunas plantas geotérmicas en Turquía. Las plantas que experimentan altos niveles de ácidos y productos químicos volátiles suelen estar equipadas con sistemas de control de emisiones para reducir los gases de escape.

Además de los gases disueltos, el agua caliente de las fuentes geotérmicas puede contener trazas de elementos tóxicos como el mercurio, el arsénico, el boro y el antimonio. Estos productos químicos se precipitan a medida que el agua se enfría y pueden causar daños ambientales si se liberan. La práctica moderna de inyectar fluidos geotérmicos enfriados nuevamente en la Tierra para estimular la producción tiene el beneficio adicional de reducir este riesgo ambiental.

La construcción de plantas puede afectar negativamente la estabilidad de la tierra. Se ha producido un hundimiento en el campo Wairakei en Nueva Zelanda. En Staufen im Breisgau, Alemania, se produjo un levantamiento tectónico debido a que una capa de anhidrita previamente aislada entró en contacto con el agua y se convirtió en yeso, duplicando su volumen. Los sistemas geotérmicos mejorados pueden desencadenar terremotos como parte de la fracturación hidráulica. El proyecto en Basilea, Suiza, se suspendió debido a que se produjeron más de 10.000 eventos sísmicos de hasta 3,4 en la escala de Richter durante los primeros 6 días de inyección de agua.

La energía geotérmica tiene requisitos mínimos de tierra y agua dulce. Las plantas geotérmicas utilizan 3,5 kilómetros cuadrados (1,4 millas cuadradas) por gigavatio de producción eléctrica (no capacidad) frente a 32 kilómetros cuadrados (12 millas cuadradas) y 12 kilómetros cuadrados (4,6 millas cuadradas) para instalaciones de carbón y parques eólicos, respectivamente. Utilizan 20 litros (5,3 gal EE.UU.) de agua dulce por MW·h frente a más de 1000 litros (260 gal EE.UU.) por MW·h para energía nuclear, carbón o petróleo.

Producción

Según la Asociación de Energía Geotérmica (GEA), la capacidad geotérmica instalada en los Estados Unidos creció un 5%, o 147,05 MW, desde la última encuesta anual en marzo de 2012. Este aumento provino de siete proyectos geotérmicos que comenzaron a producir en 2012. GEA también revisó su estimación de 2011 de capacidad instalada aumentó en 128 MW, elevando la capacidad geotérmica actual instalada en EE. UU. a 3.386 MW.