energía geotérmica

Energía Geotérmica

La energía geotérmica es el calor generado dentro de la Tierra. (Geo significa «tierra» y térmico significa «calor» en griego). Es un recurso renovable que se puede utilizar para uso humano.

A unos 2.900 kilómetros por debajo de la corteza terrestre, o superficie, se encuentra la parte más caliente de nuestro planeta: el núcleo. Una pequeña parte del calor del núcleo proviene de la fricción y la atracción gravitacional que se formó cuando se creó la Tierra hace más de 4 mil millones de años. Sin embargo, la gran mayoría del calor de la Tierra se genera constantemente por la desintegración de isótopos radiactivos, como el potasio-40 y el torio-232.

Los isótopos son formas de un elemento que tienen un número de neutrones diferente al de las versiones normales del átomo del elemento.

El potasio, por ejemplo, tiene 20 neutrones en su núcleo. El potasio-40, sin embargo, tiene 21 neutrones. Cuando el potasio-40 se descompone, su núcleo cambia y emite enormes cantidades de energía (radiación). El potasio-40 se descompone con mayor frecuencia en isótopos de calcio (calcio-40) y argón (argón-40).

La desintegración radiactiva es un proceso continuo en el núcleo. Las temperaturas suben a más de 5.000 ° Celsius (alrededor de 9.000 ° Fahrenheit). El calor del núcleo se irradia constantemente hacia afuera y calienta rocas, agua, gas y otros materiales geológicos.

La temperatura de la Tierra aumenta con la profundidad desde la superficie hasta el núcleo. Este cambio gradual de temperatura se conoce como gradiente geotérmico. En la mayor parte del mundo, el gradiente geotérmico es de aproximadamente 25 ° C por 1 kilómetro de profundidad.

Si las formaciones rocosas subterráneas se calientan a alrededor de 700-1,300 ° C, pueden convertirse en magma. El magma es una roca fundida (parcialmente fundida) impregnada de gas y burbujas de gas. El magma existe en el manto y la corteza inferior y, a veces, burbujas en la superficie como lava.

El magma calienta las rocas cercanas y los acuíferos subterráneos. El agua caliente se puede liberar a través de géiseres, fuentes termales, respiraderos de vapor, respiraderos hidrotermales subacuáticos y ollas de barro.

Todas estas son fuentes de energía geotérmica. Su calor puede capturarse y usarse directamente para generar calor, o su vapor puede usarse para generar electricidad. La energía geotérmica se puede utilizar para calentar estructuras como edificios, estacionamientos y aceras.

La mayor parte de la energía geotérmica de la Tierra no se escapa en forma de magma, agua o vapor. Permanece en el manto, emana hacia afuera a un ritmo lento y se acumula como bolsas de calor intenso. Este calor geotérmico seco se puede lograr perforando y reforzado con agua inyectada para crear vapor.

Muchos países han desarrollado métodos para aprovechar la energía geotérmica. Hay diferentes tipos de energía geotérmica disponibles en diferentes partes del mundo. En Islandia, las abundantes fuentes de agua subterránea caliente y de fácil acceso permiten a la mayoría de las personas depender de las fuentes geotérmicas como una fuente de energía segura, confiable y asequible. Otros países, como Estados Unidos, tienen que perforar en busca de energía geotérmica a un costo más alto.

Captación de energía geotérmica: calefacción y refrigeración

Energia geotermica a bassa temperatura

Casi en todo el mundo, el calor geotérmico es accesible y se utiliza inmediatamente como fuente de calor. Esta energía térmica se llama energía geotérmica de baja temperatura. La energía geotérmica de baja temperatura se obtiene a partir de focos de calor a unos 150 ° C. La mayoría de los focos de energía geotérmica de baja temperatura se encuentran a pocos metros bajo tierra.

La energía geotérmica de baja temperatura se puede utilizar para calentar invernaderos, hogares, pesquerías y procesos industriales. La energía de baja temperatura es más eficiente cuando se usa para calefacción, aunque a veces se puede usar para generar electricidad.

La gente ha utilizado durante mucho tiempo este tipo de energía geotérmica para la ingeniería, la comodidad y la cocina. La evidencia arqueológica muestra que hace 10,000 años, grupos de nativos americanos se reunieron alrededor de fuentes termales naturales para recuperarse o refugiarse del conflicto. En el siglo III d.C. académicos y ejecutivos se calentaron en una fuente termal alimentada por una piscina de piedra cerca de Lishan, una montaña en el centro de China. Uno de los baños termales más famosos se encuentra en la acertadamente llamada ciudad de Bath, Inglaterra. Comenzando la construcción alrededor del año 60 d.C., los conquistadores romanos construyeron un elaborado sistema de baños de vapor y piscinas utilizando el calor de los focos poco profundos de la región de energía geotérmica de baja temperatura.

Las aguas termales de Chaudes Aigues, Francia, han proporcionado una fuente de ingresos y energía para la ciudad desde el 1300. Los turistas acuden en masa a la ciudad en busca de sus spas de élite. La energía geotérmica de baja temperatura también proporciona calor a hogares y empresas.

Estados Unidos abrió su primer sistema de calefacción urbana geotérmica en 1892 en Boise, Idaho. Este sistema todavía proporciona calor a alrededor de 450 hogares.

Energía geotérmica y coproducción

La tecnología de energía geotérmica coproducida se basa en otras fuentes de energía. Esta forma de energía geotérmica utiliza agua que se ha calentado como subproducto en pozos de petróleo y gas.

En los Estados Unidos, se producen aproximadamente 25 mil millones de barriles de agua caliente cada año como subproducto. En el pasado, esta agua caliente simplemente se descartaba. Recientemente se ha reconocido como una fuente potencial de incluso más energía: su vapor se puede utilizar para generar electricidad para uso inmediato o para su venta a la red.

Uno de los primeros proyectos de energía geotérmica coproducidos se inició en el Rocky Mountain Oilfield Testing Center en el estado estadounidense de Wyoming.

La última tecnología ha permitido la portabilidad de plantas geotérmicas coproducidas. Si bien aún se encuentran en una etapa experimental, las centrales eléctricas móviles tienen un enorme potencial para las comunidades aisladas o empobrecidas.

Bombas de calor geotermales

Las bombas de calor geotérmicas (BPH) aprovechan el calor de la Tierra y se pueden utilizar en casi cualquier parte del mundo. Las BPH se perforan a una profundidad de entre 3 y 90 metros, mucho menos profunda que la mayoría de los pozos de petróleo y gas natural. Las BPH no requieren la fractura de la roca madre para alcanzar su fuente de energía.

Una tubería conectada a un GHP está dispuesta en un circuito continuo, llamado «anillo sinuoso», que rodea el subsuelo y la superficie, generalmente en todo el edificio. El circuito también puede ser contenido completamente subterráneo, para calentar un estacionamiento o una zona ajardinada.

En este sistema, el agua u otros líquidos (como el glicerol, similar al anticongelante para automóviles) se mueven a través de la tubería. Durante la estación fría, el líquido absorbe el calor geotérmico subterráneo. Transporta el calor hacia arriba a través del edificio y emite calor a través de un sistema de conductos. Estas tuberías calentadas también pueden pasar a través de tanques de agua caliente y compensar los costos de calentamiento de agua.

Durante el verano, el sistema GHP funciona al revés: el líquido de las tuberías es calentado por el calor del edificio o estacionamiento y transporta el calor para ser enfriado bajo tierra.

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos ha calificado a la calefacción geotérmica como el sistema de enfriamiento y calefacción más eficiente energéticamente y más seguro para el medio ambiente. El sistema GHP más grande se completó en 2012 en Ball State University en Indiana. El sistema ha reemplazado un sistema de calderas de carbón y los expertos estiman que la universidad ahorrará alrededor de $ 2 millones al año en costos de calefacción.

Captación de energía geotérmica: electricidad

Para obtener suficiente energía para generar electricidad, las plantas de energía geotérmica dependen del calor que existe a pocos kilómetros por debajo de la superficie de la Tierra. En algunas áreas, el calor puede existir naturalmente bajo tierra, como bolsas de vapor o agua caliente. Sin embargo, la mayoría de las áreas necesitan ser «mejoradas» con agua inyectada para crear vapor.

Plantas de energía de vapor seco

Las plantas de energía de vapor seco explotan fuentes de vapor subterráneas naturales. El vapor se dirige directamente a una central eléctrica, donde se utiliza para impulsar turbinas y generar electricidad.

El vapor seco es el tipo más antiguo de planta de energía capaz de generar electricidad utilizando energía geotérmica. La primera central de vapor seco se construyó en Larderello, Italia, en 1911. Hoy, las centrales de vapor seco de Larderello continúan suministrando electricidad a más de un millón de habitantes de la zona.

Solo hay dos fuentes conocidas de vapor subterráneo en los Estados Unidos: el Parque Nacional Yellowstone en Wyoming y The Geysers en California. Como Yellowstone es un área protegida, The Geysers es el único lugar donde se utiliza una planta de energía de vapor seco. Es uno de los complejos de energía geotérmica más grandes del mundo y proporciona aproximadamente una quinta parte de toda la energía renovable en California.

Centrales eléctricas de vapor instantáneo

Las plantas de energía de vapor instantáneo utilizan fuentes naturales de agua caliente subterránea y vapor. Se bombea agua a una temperatura superior a 182 ° C a un área de baja presión. Parte del agua «parpadea» o se evapora rápidamente en vapor y se canaliza para alimentar una turbina y generar electricidad. El agua restante se puede drenar en un tanque separado para extraer más energía.

Las plantas de energía de vapor instantáneo son el tipo más común de plantas de energía geotérmica. La nación islandesa, volcánicamente activa, abastece casi todas sus necesidades de electricidad a través de una serie de plantas de energía geotermal de vapor instantáneo. El exceso de vapor y agua caliente producidos por el rápido proceso de vaporización calienta aceras y estacionamientos congelados en el gélido invierno ártico.

Las islas Filipinas también están ubicadas en un área tectónicamente activa, el «anillo de fuego» que corre a lo largo del Océano Pacífico. El gobierno y la industria de Filipinas han invertido en plantas de energía de vapor instantáneo, y hoy la nación ocupa el segundo lugar después de Estados Unidos en el uso de energía geotérmica. De hecho, la planta de energía geotérmica más grande es una instalación de vapor instantáneo en Malitbog, Filipinas.

Sistemas geotermales avanzados

La Tierra tiene cantidades virtualmente infinitas de energía y calor debajo de su superficie. Sin embargo, no se puede utilizar para energía a menos que las áreas subterráneas sean «hidrotermales». Esto significa que las áreas subterráneas no solo son calientes, también contienen líquidos y son permeables. Muchas áreas no tienen estos tres componentes. Un sistema geotérmico mejorado (EGS) utiliza perforación, fracturamiento e inyección para proporcionar fluido y permeabilidad en áreas con roca subterránea caliente pero seca.

Para desarrollar un EGS, se perfora un «pozo de inyección» verticalmente en el suelo. Dependiendo del tipo de roca, la profundidad puede variar de 1 kilómetro a 4,5 kilómetros. Se inyecta agua fría a alta presión en el espacio perforado, lo que obliga a la roca a crear nuevas fracturas, expandir las fracturas existentes o disolverse. Esto crea un depósito de fluido subterráneo.

El agua se bombea a través del pozo de inyección y absorbe el calor de las rocas a medida que fluye a través del depósito. Esta agua caliente, llamada salmuera, se canaliza luego a la superficie de la tierra a través de un «pozo de producción». La salmuera calentada está contenida en un tubo. Calienta un fluido secundario que tiene un punto de ebullición bajo, que se evapora en vapor y alimenta una turbina. La salmuera se enfría y vuelve al pozo de inyección para absorber nuevamente el calor subterráneo. No hay emisiones gaseosas distintas del vapor de agua del líquido evaporado.

Bombear agua al suelo para los EGS puede causar actividad sísmica o pequeños terremotos. En Basilea, Suiza, el proceso de inyección provocó cientos de pequeños terremotos que aumentaron a una actividad sísmica más significativa incluso después de que se detuvo la inyección de agua. Esto llevó a la cancelación del proyecto geotérmico en 2009.

Geotermia y medio ambiente

La energía geotérmica es un recurso renovable. La Tierra ha estado emitiendo calor durante aproximadamente 4.500 millones de años y seguirá emitiendo calor durante miles de millones de años en el futuro debido a la desintegración radiactiva en curso en el núcleo de la Tierra.

Sin embargo, la mayoría de los pozos que extraen calor eventualmente se enfriarán, especialmente si el calor se extrae más rápido que el tiempo permitido para reponerlo. Larderello, Italia, hogar de la primera planta de energía geotérmica del mundo, ha visto caer su presión de vapor en más de un 25% desde la década de 1950.

Re-inyectar agua a veces puede ayudar a que un sitio geotérmico de enfriamiento dure más. Sin embargo, este proceso puede provocar «micro-terremotos». Aunque la mayoría de estos son demasiado pequeños para ser percibidos por las personas o registrados en una escala de magnitud, el suelo a veces puede temblar a niveles más amenazantes y hacer que el proyecto geotérmico se cierre, como fue el caso en Basilea, Suiza.

Los sistemas geotérmicos no requieren grandes cantidades de agua dulce. En los sistemas binarios, el agua se usa solo como agente de calentamiento y no se expone ni se evapora. Puede reciclarse, utilizarse para otros fines o liberarse a la atmósfera como vapor no tóxico. Sin embargo, si el fluido geotérmico no está contenido y reciclado en una tubería, puede absorber sustancias nocivas como arsénico, boro y fluoruro. Estas sustancias tóxicas pueden transportarse a la superficie y liberarse cuando el agua se evapora. Además, si el líquido se filtra a otros sistemas de agua subterránea, puede contaminar fuentes limpias de agua potable y hábitats acuáticos.

Ventajas

Hay muchas ventajas de utilizar energía geotérmica directa o indirectamente:

  • La energía geotérmica es renovable; no es un combustible fósil que eventualmente se utilizará. La Tierra irradia calor continuamente desde su núcleo y seguirá haciéndolo durante miles de millones de años.
  • Se puede alcanzar y recolectar alguna forma de energía geotérmica en cualquier parte del mundo.
  • El uso de energía geotérmica es relativamente limpio. La mayoría de los sistemas emiten solo vapor de agua, aunque algunos emiten cantidades muy pequeñas de dióxido de azufre, óxido nitroso y material particulado.
  • Las plantas de energía geotérmica pueden durar décadas y posiblemente siglos. Si un yacimiento se gestiona correctamente, la cantidad de energía extraída se puede equilibrar con la tasa de renovación de calor de la roca.
  • A diferencia de otras fuentes de energía renovable, los sistemas geotérmicos son de «carga base». Esto significa que pueden trabajar en verano o en invierno y no dependen de factores cambiantes como la presencia de viento o sol. Las plantas de energía geotérmica producen electricidad o calor las 24 horas del día, los 7 días de la semana.
  • El espacio requerido para construir una planta geotérmica es mucho más compacto que otras plantas de energía. Para producir un GWh (un gigavatio hora, o un millón de kilovatios de energía por hora, una gran cantidad de energía), una planta geotérmica utiliza el equivalente a aproximadamente 1.046 kilómetros cuadrados de tierra. Para producir el mismo GWh, la energía eólica requiere 3.458 kilómetros cuadrados, un centro solar fotovoltaico requiere 8.384 kilómetros cuadrados y las centrales eléctricas de carbón utilizan unos 9.433 kilómetros cuadrados.
  • Los sistemas de energía geotérmica se pueden adaptar a muchas condiciones diferentes.

Se pueden utilizar para calentar, enfriar o alimentar hogares individuales, barrios enteros o procesos industriales.

Desventajas

La recolección de energía geotérmica todavía presenta muchos desafíos:

  • El proceso de inyectar corrientes de agua a alta presión en la Tierra puede resultar en una menor actividad sísmica o pequeños terremotos.
  • Las plantas geotérmicas se han relacionado con el hundimiento o hundimiento lento de la tierra. Esto sucede cuando las fracturas subterráneas colapsan sobre sí mismas. Esto puede provocar daños en tuberías, carreteras, edificios y sistemas de drenaje natural.
  • Las plantas geotérmicas pueden liberar pequeñas cantidades de gases de efecto invernadero como el sulfuro de hidrógeno y el dióxido de carbono.
  • El agua que fluye a través de depósitos subterráneos puede acumular trazas de elementos tóxicos como arsénico, mercurio y selenio. Estas sustancias nocivas pueden liberarse a fuentes de agua si el sistema geotérmico no está adecuadamente aislado.
  • Aunque el proceso casi no requiere combustible para funcionar, el costo inicial de instalar la tecnología geotérmica es caro. Es posible que los países en desarrollo no tengan la infraestructura sofisticada o los costos de puesta en marcha para invertir en una planta de energía geotérmica. Varias instalaciones en Filipinas, por ejemplo, han sido posibles gracias a inversiones de la industria estadounidense y agencias gubernamentales. Hoy en día, las plantas pertenecen y son operadas por filipinos.

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