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La energía y el cambio climático mundial
Fuentes de dióxido de carbono geotérmica

Energía geotérmica

Fotografía cortesía de DOE/NREL, Joel Renner, NEEL, fotógrafo

Planta de energía geotérmica Steamboat Hills en Steamboat Springs, Nevada.

 

Cuando el agua subterránea entra en contacto con rocas muy calientes debajo de la superficie terrestre, el agua caliente puede subir a la superficie en forma de estructuras hidrotermales. El agua caliente puede surgir de la Tierra tal como el vapor y el agua caliente de un géiser. Puede escaparse a través de una pequeña grieta en la Tierra, como un chorro de vapor o fumarola. O bien, puede burbujear ligeramente en aguas termales.

Las aguas termales han sido usadas para cocinar y para bañarse durante miles de años. Este tipo de energía se denomina energía geotérmica, energía que proviene de la Tierra. Desde el inicio del siglo XIX, las personas encontraron formas de usar la energía del agua caliente y el vapor para calefaccionar sus hogares y generar electricidad. Estos usos aumentaron considerablemente durante las últimas décadas.

La energía geotérmica proporciona una fuente confiable y totalmente renovable de electricidad y calor. Siempre está disponible, a diferencia de la energía solar o la eólica. Es renovable: la lluvia y el regreso del agua fría reemplazan el agua caliente y el vapor que expulsa la tierra. No obstante, la energía geotérmica no soluciona por completo el problema de la emisión de CO2. Las bombas que extraen el agua de la tierra utilizan electricidad. Sin embargo, el sistema de energía geotérmica reduce considerablemente la dependencia del uso de los combustibles fósiles.

 

¿Qué es la energía geotérmica?

La energía geotérmica proviene del núcleo de la Tierra. No directamente, por supuesto. El núcleo fundido de la Tierra contiene mucha energía en forma de calor. Este calor se traslada por el interior de la Tierra hacia la superficie. Derrite la roca a su paso y se forma el magma. Si el magma llega a la superficie, se convierte en lava y se forma un volcán.

En algunos lugares del mundo, el magma asciende a puntos muy cercanos a la superficie de la Tierra, particularmente en los límites de las placas de la corteza terrestre o en puntos calientes dispersos. En estos lugares, el magma puede encontrarse a pocos kilómetros (millas) de profundidad o menos. Las rocas que están sobre estas cámaras de magma se calientan mucho. Si el agua subterránea o el agua de lluvia alcanza estas rocas, el agua también se calienta. La temperatura del agua puede ascender hasta los 275 ºC (527 ºF) cuando está bajo presión. Cuando alcanza la superficie de la Tierra, el agua subterránea forma aguas termales, géiseres y fumarolas.

Ahora que conocemos la fuente de la energía geotérmica, ¿cómo se producen el calor o la electricidad? Existen dos métodos: calefacción geotérmica directa y plantas de energía geotérmica.

Calefacción geotérmica directa

La calefacción geotérmica directa utiliza el agua termal o el agua subterránea caliente para calefaccionar hogares y oficinas, y para empresas, como por ejemplo, las que derriten nieve para la producción de invernaderos o la piscicultura. Los depósitos de agua caliente con temperaturas que abarcan entre 10 y 149 ºC (50 y 300 ºF) son los más adecuados para este uso. En 2005, 72 países informaron el empleo de la energía geotérmica para usos directos, con un suministro mayor a los 16,000 megavatios de energía. Entre los países que usan la calefacción geotérmica directa se encuentran: Francia, Alemania, Islandia, Estados Unidos y China.

Desde hace mucho tiempo, la gente ha utilizado las aguas termales para cocinar y bañarse, y como sitios de reunión. Los primeros indígenas de América del Norte dejaron rastros de sus visitas a las aguas termales. Los japoneses han tomado sol en aguas termales durante siglos. Los antiguos romanos construyeron baños comunitarios abastecidos por aguas termales naturales. Se cree que las aguas termales favorecen la salud de las personas. De hecho, las termas modernas se desarrollaron de acuerdo con la creencia de los beneficios curativos de los antiguos baños.

La primera evidencia de la calefacción geotérmica directa proviene de Pompeya, Italia, donde las aguas termales calefaccionaban algunos edificios. En una aldea francesa del siglo XIV también se hacía lo mismo. Cuando Islandia fue colonizada, las aguas termales se utilizaban para tomar baños y asearse. La idea de usarlas para algo más comenzó en 1755-56 cuando se perforaron pozos de agua caliente como método de prueba. Sin embargo, nada surgió de estos pozos.  En Islandia, el siguiente intento de utilización a gran escala de la energía geotérmica comenzó en 1928. Se realizaron nuevos pozos de agua y, en 1930, una escuela fue el primer edificio que utilizó la calefacción geotérmica. En la actualidad, la calefacción geotérmica directa calefacciona la mayoría de los hogares de Islandia.

El primer sistema moderno de calefacción geotérmica centralizada directa se inauguró en los Estados Unidos, en la ciudad occidental de Boise, Idaho. La perforación para encontrar pozos geotérmicos comenzó en 1890. Para 1892 Boise tenía calefacción geotérmica centralizada para sus edificios.

Existen dos tipos de sistemas que utilizan agua calefaccionada de forma geotérmica para calefaccionar edificios. El primer sistema desarrollado bombea agua caliente desde un depósito geotérmico y la conduce por tuberías directamente hacia los edificios que la utilizan como calefacción. La mayor parte de esa agua vuelve a la tierra después de enfriarse, para regresar al depósito subterráneo. Los sistemas más nuevos bombean el agua caliente hacia un intercambiador de calor que contiene un líquido que absorbe el calor del agua. Este líquido térmico, que puede ser agua, se encuentra en una cañería separada que rodea los edificios del distrito. El sistema que utiliza el intercambiador de calor mantiene el agua caliente y el líquido térmico por separado. El motivo de esta separación: el agua subterránea caliente posiblemente contenga sales y minerales que pueden obstruir el sistema de calefacción centralizada. La mayor parte del agua caliente bombeada desde la tierra vuelve a ella y evita que el depósito se vacíe.

Sistema de uso directo 

Los sistemas geotérmicos directos tienen un impacto mínimo en el medio ambiente. Los sistemas más antiguos que utilizaban agua caliente directamente debían devolver el agua al depósito subterráneo para mantener el sistema. En los sistemas más nuevos, el agua caliente sólo llega al intercambiador de calor, por lo que regresa rápidamente al depósito subterráneo. Los sistemas directos dependen del agua bombeada del suelo y deben utilizar energía generada por combustibles fósiles para impulsar las bombas. Los sistemas geotérmicos directos indirectamente agregan emisiones de CO2. Sin embargo, estos sistemas disminuyen considerablemente la dependencia de la utilización de combustibles fósiles para generar calor.

Plantas de energía geotérmica

La electricidad generada de forma geotérmica está en aumento. Según un informe de 2005 de la empresa italiana proveedora de energía ENEL, las plantas de energía geotérmica suministraban 8,900 megavatios a 24 países en todo el mundo. Estados Unidos produce más electricidad geotérmica que cualquier otro país, lo que representa aproximadamente el 32% del total mundial.
La primera planta de energía geotérmica se construyó en Larderello, Italia en 1904. Un grupo liderado por el Príncipe Piero Ginori Conti elaboró un modo de utilizar un arroyo de fumarolas locales para hacer girar turbinas e impulsar un generador. Esta planta todavía funciona en la actualidad. En 1950 el gobierno de Nueva Zelanda comenzó a estudiar la posibilidad de usar el campo geotérmico Wairakei para generar energía. El campo incluía géiseres, fumarolas, aguas termales y piscinas de lodo. La planta de energía geotérmica Wairakei, la segunda en el mundo, se inauguró en 1958. La mayor planta que genera electricidad geotérmica es The Geysers, cerca de Santa Rosa, California. Esta planta se inauguró en 1960. Aunque en realidad no existen géiseres en ese lugar, los chorros de vapor se esparcen por la región. The Geysers produce aproximadamente 750 megavatios de energía, lo suficiente como para una ciudad del tamaño de San Francisco.

Planta generadora de vapor directo

Esquema de una planta generadora de vapor directo

Planta por impulso de vapor

Esquema de una planta por impulso de vapor

Planta de ciclo binario

Esquema de una planta de ciclo binario

Ilustraciones cortesía de Departamento de Energía de Estados Unidos

Desde el año 2000, la producción de energía geotérmica se ha triplicado en Francia, Rusia y Kenia. Países tan diversos como Filipinas, Islandia y El Salvador producen un promedio del 25% de su electricidad a partir de recursos geotérmicos, mientras que el El Tíbet satisface el 30% de sus necesidades energéticas de esta forma.

Las plantas de energía geotérmica utilizan uno de estos tres procesos para generar electricidad. Las plantas de vapor seco o vapor directo se construyen en lugares donde las principales características hidrotérmicas son los chorros de vapor. Un pozo de producción captura el vapor presurizado que emana del suelo y lo transporta por una tubería hacia una turbina. La turbina consta de una serie de aletas angulares montadas en un eje central. El vapor presurizado atraviesa la turbina y la hace girar sobre su eje central. La turbina giratoria luego impulsa un generador. El agua se enfría y regresa al suelo. Larderello y The Geysers son ejemplos de plantas de vapor directo.

La planta por impulso de vapor utiliza agua a temperaturas superiores a los 180 ºC (360 ºF) para generar vapor. La técnica por impulsos de vapor extrae agua profunda de alta presión y la rocía en tanques de baja presión. El agua se transforma rápidamente en vapor, o "flash", creando algo denominado "impulso de vapor". El vapor de alta presión hace girar las turbinas, que impulsan el generador y producen electricidad. El agua enfriada vuelve a inyectarse al suelo.

Una planta de ciclo binario utiliza agua geotérmica moderadamente caliente, entre 107 y 182 ºC (225 y 360 ºF). El agua geotérmica atraviesa un intercambiador de calor, donde pasa por un segundo líquido con un punto de fusión mucho menor que el del agua. El calor geotérmico hace que el líquido secundario se convierta en vapor haciendo girar las turbinas. El agua geotérmica nunca llega directamente a la turbina, se inyecta al suelo desde el intercambiador de calor. La mayoría de los recursos geotérmicos corresponden a la categoría de temperatura moderada. Sin embargo, las plantas binarias son las que posiblemente se construyan en el futuro.

Bomba de calor geotérmica

Como todos sabemos, la temperatura de la superficie de la Tierra varía ampliamente según la ubicación, la elevación, la estación y la corriente de agua. Bajo la tierra, la historia cambia. De 30.5 a 122 m (100 a 400 pies) bajo la superficie de la Tierra, la temperatura se estabiliza en una proporción entre 7 y 21 ºC (45 y 70 ºF), según la latitud. La bomba de calor geotérmica toma este calor subterráneo y lo transporta a la superficie, donde puede utilizarse para calefaccionar un edificio durante las épocas de clima frío. El sistema puede invertirse para que, durante las épocas de clima cálido, se extraiga el calor de la casa y se bombee bajo tierra para refrigerar. Parte del calor extraído durante las épocas de clima cálido puede utilizarse para calentar agua.

Este concepto es antiguo. El matemático y físico británico Lord Kelvin desarrolló la idea de una bomba para extraer calor del suelo en 1852, pero nunca desarrolló el concepto con mayor profundidad. El primer sistema moderno de bomba de calor geotérmica fue instalado en un hogar en Indianápolis, Indiana, en 1945. El interés por este método de calefacción siguió siendo escaso hasta que los precios del petróleo aumentaron en 1970. Para entonces, también en Europa estaban interesados en estos sistemas. Las bombas de calor geotérmicas se siguen utilizando principalmente en América del Norte y Europa.

La mayoría de las bombas de calor geotérmicas usan un sistema de circuito cerrado. Se instala una serie de cañerías bajo tierra. Estas cañerías pueden ser rectas o enrolladas, horizontales o verticales y pueden estar en el suelo, en aguas subterráneas o debajo de un estanque, si hubiera uno cerca. Un líquido de intercambio térmico llena las cañerías. El líquido recoge el calor subterráneo y lo traslada al edificio. Dentro del edificio, hay un intercambiador de calor que recoge el calor subterráneo y lo transfiere a un sistema de compresión. Entonces, se impulsa el calor comprimido por todo el edificio mediante tuberías de calefacción. El calor también puede utilizarse para el suministro de agua caliente.

Sistema de circuito cerrado Sistema de circuito cerrado
Sistema de circuito cerrado Sistema de circuito cerrado

Ilustraciones cortesía de Departamento de Energía de Estados Unidos

El otro tipo de bomba de calor geotérmica es un sistema de circuito abierto. Este sistema utiliza agua subterránea como líquido de intercambio térmico. Se realizan dos pozos: uno para extraer agua subterránea más cálida y otro para inyectarla nuevamente al depósito después de extraerle el calor. Este tipo de sistema requiere agua subterránea de fácil acceso que esté muy limpia.

El intercambiador de calor interior y la bomba funcionan con electricidad, por lo que la bomba de calor geotérmica no reemplaza por completo a los combustibles fósiles. Sin embargo, permite que el edificio pueda aprovechar al máximo la energía y disminuya la dependencia de la utilización de petróleo, gas natural, electricidad o calor.

Temas

Las plantas de energía geotérmica representan la mayor preocupación en cuanto a energía geotérmica. Un problema: el hundimiento del terreno a medida que el agua o el vapor se extraen inicialmente. Éste puede ser un problema grave. En Wairakei, el terreno descendió cerca de 13 m (42.7 pies) cuando la planta comenzó a funcionar. Esto sigue siendo un tema preocupante en Wairakei. En plantas nuevas, se reinyecta rápidamente agua para mantener los niveles de presión de agua y del depósito subterráneo.

Las plantas de energía geotérmica binaria no emiten ningún gas. Sin embargo, las plantas de vapor seco y por impulso de vapor emiten cantidades relativamente menores de CO2, según el contenido del agua. También se genera un poco de sulfuro de hidrógeno, pero no en cantidades importantes como para contribuir con la lluvia ácida. A causa de los compuestos de azufre disueltos en el agua subterránea, las plantas producen un olor a azufre desagradable para las personas. En Estados Unidos, las plantas de energía geotérmica deben eliminar el sulfuro de hidrógeno, ya sea quemándolo o bien convirtiéndolo en dióxido de azufre. Luego, el dióxido de azufre puede disolverse o convertirse en ácido sulfúrico y venderse. Las sales y los minerales que se eliminan del agua se vuelven a inyectar al depósito de agua subterránea. También se produce un poco de lodo, que ahora se procesa para extraer minerales valiosos.

En camino

Los investigadores se concentran en la extracción de calor de la Tierra por medio de la perforación de capas más cálidas en las profundidades de la Tierra, por ejemplo, cerca del manto. Sin embargo, esto requiere la capacidad de perforar a la mayor profundidad posible, más que en la actualidad.  


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