La roca seca caliente (HDR, por sus siglas en inglés) es una fuente extremadamente abundante de energía geotérmica a la que es difícil acceder. Una gran cantidad de energía térmica se encuentra contenida en rocas de basamento cristalinas calientes, pero esencialmente secas e impermeables, que se encuentran casi en todas partes en las profundidades de la superficie de la Tierra. [1] En 1970, en el Laboratorio Nacional de Los Álamos se originó un método para la extracción de cantidades útiles de energía geotérmica de la HDR , y los investigadores del laboratorio obtuvieron una patente estadounidense que lo cubría. [2]
Esta tecnología se ha probado ampliamente con múltiples pozos profundos perforados en varias áreas de campo alrededor del mundo, incluidos los EE. UU., Japón, Australia, Francia y el Reino Unido, y se han invertido miles de millones de dólares en fondos de investigación. Sigue siendo el foco, junto con una técnica relacionada llamada Sistema Geotérmico Mejorado (EGS), para estudios de investigación importantes dirigidos por el gobierno que implican perforaciones profundas y estudios de rocas costosos. Se ha recuperado energía térmica en pruebas razonablemente sostenibles durante períodos de años y, en algunos casos, también se logró la generación de energía eléctrica. Sin embargo, no hay proyectos comerciales en curso o es probable que se realicen debido al alto costo y la capacidad limitada de los yacimientos diseñados, los pozos asociados y los sistemas de bombeo. Comúnmente, las pruebas han abierto solo una o más fracturas, de modo que las áreas de intercambio de calor de la superficie del yacimiento son limitadas. Para que esta tecnología compita con éxito con otras fuentes de energía, los costos de perforación tendrían que reducirse drásticamente o se tendrían que establecer nuevos enfoques que resulten en rutas de flujo mucho más extensas, complejas y de mayor velocidad a través de las redes de fracturas reales. El entusiasmo de la comunidad investigadora está justificado por la enorme extensión del suministro de energía y el bajo impacto ambiental del método, sin embargo se requerirán avances significativos para convertirlo en un recurso energético comercial.
Aunque a menudo se confunde con el recurso hidrotermal relativamente limitado que ya se comercializa en gran medida, la energía geotérmica HDR es muy diferente. [3] Mientras que la producción de energía hidrotermal puede explotar fluidos calientes que ya se encuentran en la corteza terrestre , un sistema HDR (que consiste en el depósito HDR presurizado, los pozos perforados desde la superficie y las bombas de inyección de superficie y las tuberías asociadas) recupera el calor de la Tierra de las regiones calientes pero secas a través de la circulación de circuito cerrado de fluido presurizado. Este fluido, inyectado desde la superficie a alta presión, abre juntas preexistentes en la roca del basamento, creando un depósito artificial que puede tener un tamaño de hasta un kilómetro cúbico. El fluido inyectado en el depósito absorbe energía térmica de las superficies de la roca a alta temperatura y luego transmite el calor a la superficie para su uso práctico.
La idea de la extracción de calor de rocas secas y calientes a gran profundidad fue descrita por Konstantin Tsiolkovsky (1898), Charles Parsons (1904) y Vladimir Obruchev (1920). [4]
En 1963 se construyó en París un sistema de calefacción geotérmica que aprovechaba el calor de rocas fracturadas naturales. [4]
El proyecto Fenton Hill fue el primer sistema para extraer energía geotérmica HDR de un yacimiento formado artificialmente; fue creado en 1977. [4]
Como el yacimiento se forma por la dilatación por presión de las diaclasas, la respuesta elástica de la masa rocosa circundante da como resultado una región de roca sellada y fuertemente comprimida en la periferia, lo que hace que el yacimiento HDR esté totalmente confinado y contenido. Por lo tanto, un yacimiento de este tipo está completamente diseñado, ya que las características físicas (tamaño, profundidad a la que se crea) así como los parámetros operativos (presiones de inyección y producción, temperatura de producción, etc.) se pueden planificar de antemano y controlar de cerca. Por otro lado, la naturaleza confinada y de compresión estricta del yacimiento limita severamente esa cantidad y la velocidad a la que se puede extraer energía.
Como lo describe Brown, [5] un sistema de energía geotérmica HDR se desarrolla, primero, utilizando perforación convencional para acceder a una región de roca de basamento caliente y profunda. Una vez que se ha determinado que la región seleccionada no contiene fallas abiertas o diaclasas (con mucho, la situación más común), una sección aislada del primer pozo se presuriza a un nivel lo suficientemente alto como para abrir varios conjuntos de diaclasas previamente selladas en la masa rocosa. Mediante el bombeo continuo (estimulación hidráulica), se crea una región muy grande de roca estimulada (el yacimiento HDR) que consiste en una serie interconectada de caminos de flujo de diaclasas dentro de la masa rocosa. La apertura de estos caminos de flujo provoca movimiento a lo largo de las diaclasas activadas por presión, generando señales sísmicas (microterremotos). El análisis de estas señales proporciona información sobre la ubicación y las dimensiones del yacimiento que se está desarrollando.
Por lo general, un yacimiento HDR se forma en forma de elipsoide , con su eje más largo ortogonal a la menor tensión principal de la Tierra. A esta región estimulada por presión se accede luego mediante dos pozos de producción, perforados para intersectar el yacimiento HDR cerca de los extremos alargados de la región estimulada. En la mayoría de los casos, el pozo inicial se convierte en el pozo de inyección para el sistema de circulación de agua presurizada de tres pozos.
Durante la operación, el fluido se inyecta a presiones lo suficientemente altas como para mantener abierta la red interconectada de uniones contra las tensiones de la Tierra y para hacer circular el fluido de manera eficaz a través del yacimiento HDR a un ritmo elevado. Durante la producción de energía de rutina, la presión de inyección se mantiene justo por debajo del nivel que provocaría una mayor estimulación por presión de la masa rocosa circundante, con el fin de maximizar la producción de energía y limitar el crecimiento del yacimiento. Sin embargo, el tamaño limitado del yacimiento limita la energía del yacimiento. Mientras tanto, la operación a alta presión agrega un costo significativo a los sistemas de tuberías y bombeo.
El volumen de la nueva serie de diaclasas abiertas dentro del yacimiento HDR es mucho menor que el 1% del volumen de la masa rocosa estimulada por presión. A medida que estas diaclasas continúan ejerciendo presión y enfriándose (dilatándose), la impedancia general del flujo a través del yacimiento se reduce, lo que genera una alta productividad térmica. Si el enfriamiento genera fracturas de enfriamiento de una manera que exponga más roca, entonces es posible que estos yacimientos mejoren con el tiempo. Hasta la fecha, solo se informa que el crecimiento de la energía del yacimiento proviene de nuevos y costosos esfuerzos de estimulación de pozos a alta presión.
La viabilidad de extraer calor de las profundidades de la Tierra se demostró en dos demostraciones de flujo de yacimientos HDR independientes (cada una de ellas con un año de circulación) realizadas por el Laboratorio Nacional de Los Álamos entre 1978 y 1995. Estas pruebas pioneras se llevaron a cabo en el sitio de pruebas HDR Fenton Hill del Laboratorio en las montañas Jemez del centro-norte de Nuevo México , a profundidades de más de 8000 pies (2400 m) y temperaturas de roca superiores a 180 °C. [6] Los resultados de estas pruebas demostraron de manera concluyente la viabilidad de ingeniería del nuevo y revolucionario concepto de energía geotérmica HDR. Los dos yacimientos independientes creados en Fenton Hill siguen siendo los únicos yacimientos de energía geotérmica HDR verdaderamente confinados probados en flujo en cualquier parte del mundo. Aunque estas pruebas demostraron que se podían construir sistemas HDR, los caudales y las tasas de extracción de energía no justificaban el coste de los pozos. [ cita requerida ]
El primer depósito HDR probado en Fenton Hill, el depósito de la Fase I, se creó en junio de 1977 y luego se probó su flujo durante 75 días, de enero a abril de 1978, a un nivel de potencia térmica de 4 MW. [7] La tasa final de pérdida de agua, a una presión de inyección de superficie de 900 psi (6,2 MPa), fue de 2 galones estadounidenses por minuto (7,6 L/min) (2% de la tasa de inyección). Se demostró que este depósito inicial consistía esencialmente en una única junta dilatada por presión, casi vertical, con una impedancia de flujo extremadamente pequeña de 0,5 psi/galón estadounidense/min (0,91 kPa/L/min).
El depósito inicial de la Fase I se amplió en 1979 y se sometió a pruebas de flujo durante casi un año en 1980. [8] De mayor importancia, esta prueba de flujo confirmó que el depósito ampliado también estaba confinado y exhibió una baja tasa de pérdida de agua de 6 gpm. Este depósito consistía en la única junta casi vertical del depósito inicial (que, como se señaló anteriormente, se había sometido a pruebas de flujo durante 75 días a principios de 1978) aumentada por un conjunto de juntas casi verticales recientemente estimuladas por presión que eran algo oblicuas al rumbo de la junta original. [ cita requerida ]
A finales de 1983, durante una operación masiva de fracturación hidráulica (MHF) se creó un yacimiento HDR más profundo y más caliente (Fase II). [8] Se probó su flujo por primera vez en la primavera de 1985, mediante una prueba de flujo de circuito cerrado inicial (ICFT) que duró poco más de un mes. [9] La información obtenida de la ICFT proporcionó la base para una prueba de flujo de largo plazo (LTFT) posterior, realizada entre 1992 y 1995.
El LTFT comprendió varias pruebas individuales de flujo en estado estacionario, intercaladas con numerosos experimentos adicionales. [10] En 1992-1993, se implementaron dos períodos de circulación en estado estacionario, el primero durante 112 días y el segundo durante 55 días. Durante ambas pruebas, se produjo agua de manera rutinaria a una temperatura de más de 180 °C y a una tasa de 90-100 galones estadounidenses/min (20-23 m 3 /h), lo que resultó en una producción continua de energía térmica de aproximadamente 4 MW. Durante este lapso de tiempo, la presión del yacimiento se mantuvo (incluso durante los períodos de cierre) a un nivel de aproximadamente 15 MPa.
A mediados de 1993, el yacimiento se cerró durante un período de casi dos años y se dejó que la presión aplicada cayera prácticamente a cero. En la primavera de 1995, se volvió a presurizar el sistema y se realizó una tercera prueba de circulación continua de 66 días. [11] Sorprendentemente, los parámetros de producción observados en las dos pruebas anteriores se restablecieron rápidamente y la producción de energía en estado estable se reanudó al mismo nivel que antes. Las observaciones durante las fases de cierre y de funcionamiento de todos estos períodos de prueba de flujo proporcionaron pruebas claras de que la roca en el límite de este yacimiento artificial había sido comprimida por la presurización y la expansión resultante de la región del yacimiento.
Como resultado de la LTFT, la pérdida de agua se eliminó como una preocupación importante en las operaciones HDR. [12] Durante el período de la LTFT, el consumo de agua cayó a solo el 7% de la cantidad de agua inyectada; y los datos indicaron que habría seguido disminuyendo en condiciones de circulación en estado estable. Los sólidos y gases disueltos en el fluido producido alcanzaron rápidamente valores de equilibrio a bajas concentraciones (alrededor de una décima parte de la salinidad del agua de mar), y el fluido se mantuvo geoquímicamente benigno durante todo el período de prueba. [13] La operación de rutina de la planta de superficie automatizada mostró que los sistemas de energía HDR podían funcionar utilizando los mismos horarios económicos de personal que ya emplean varias plantas hidrotermales comerciales no tripuladas.
Las pruebas de Fenton Hill demostraron claramente las ventajas de un yacimiento de HDR totalmente diseñado sobre los recursos hidrotermales naturales, incluidos los EGS. Con todas las características físicas esenciales del yacimiento (incluido el volumen de roca, la capacidad de fluido, la temperatura, etc.) establecidas durante la creación diseñada de la zona del yacimiento, y todo el volumen del yacimiento encerrado por una periferia hiperestresada de roca sellada, cualquier variación en las condiciones de operación está totalmente determinada por cambios intencionales realizados en la superficie. En contraste, un “yacimiento” hidrotermal natural (que es esencialmente abierto y, por lo tanto, no confinado (tiene límites que son altamente variables)) está inherentemente sujeto a cambios en las condiciones naturales. Por otro lado, los sistemas naturales menos confinados, más complejos, de menor presión y más penetrantemente fracturados admiten tasas de flujo de pozo mucho más altas y un desarrollo de generación de energía de bajo costo. [ cita requerida ]
Otra ventaja de un yacimiento HDR es que su naturaleza confinada lo hace muy adecuado para operaciones de seguimiento de carga, mediante las cuales la tasa de producción de energía varía para satisfacer la demanda variable de energía eléctrica, un proceso que puede aumentar en gran medida la competitividad económica de la tecnología. [14] Este concepto se evaluó cerca del final del período de prueba de la Fase II, cuando la producción de energía se incrementó en un 60% durante 4 horas cada día, mediante un venteo programado de las regiones del yacimiento de alta presión que rodean el pozo de producción. En dos días se hizo posible informatizar el proceso, de modo que la producción se incrementó y disminuyó automáticamente de acuerdo con el cronograma deseado para el resto del período de prueba. Las transiciones entre los dos niveles de producción tomaron menos de 5 minutos, y en cada nivel se mantuvo de manera constante la producción en estado estable. Tales operaciones de seguimiento de carga no se podrían implementar en un sistema hidrotermal natural o incluso en un sistema EGS debido al volumen no confinado y las condiciones de contorno. El seguimiento de carga casi nunca mejora la economía del desarrollo geotérmico porque el costo del combustible se paga efectivamente por adelantado, por lo que retrasar su uso solo perjudica la economía. Los sistemas geotérmicos normales también se han aplicado (por necesidad) para seguir las cargas, pero este tipo de generación aumenta los costos de mantenimiento y generalmente reduce los ingresos (a pesar de los precios más altos para una parte de la carga). [ cita requerida ]
Los experimentos en Fenton Hill han demostrado claramente que la tecnología HDR es única, no sólo en lo que respecta a cómo se crea el depósito presurizado y luego se hace circular, sino también por la flexibilidad de gestión que ofrece. Tiene en común con la tecnología hidrotermal normal sólo que ambas se basan en pozos que producen agua caliente que hace funcionar generadores. [ cita requerida ]
En 1986 se inició el proyecto del sistema HDR de Francia y Alemania en Soultz-sous-Forêts . En 1991 se perforaron pozos de 2,2 km de profundidad y se estimularon. Sin embargo, el intento de crear un yacimiento no tuvo éxito porque se observaron grandes pérdidas de agua. [15] [16]
En 1995 se profundizaron los pozos hasta 3,9 km y se estimularon. En 1997 se creó con éxito un yacimiento y se logró una prueba de circulación de cuatro meses con un caudal de 25 L/s (6,6 USgal/s) sin pérdida de agua. [16]
En 2003, los pozos se profundizaron a 5,1 km. Se realizaron estimulaciones para crear un tercer reservorio, durante las pruebas de circulación en 2005-2008 se produjo agua a una temperatura de aproximadamente 160 °C con baja pérdida de agua. Se inició la construcción de una planta de energía. [17] La planta de energía comenzó a producir electricidad en 2016, se instaló con una capacidad bruta de 1,7 MW e . [18] La planta de prueba de 1,7 MW es puramente una planta de demostración. En comparación, el desarrollo normal de una planta de energía geotérmica generalmente implica plantas iniciales de 10 a 100 MW. Estas plantas pueden tener éxito comercialmente, pero son mucho más baratas que el sistema HDR, con pozos más superficiales, que producen órdenes de magnitud más energía, en tuberías y plantas de energía económicas. Parece posible que se produzcan avances que nos permitan acceder a las enormes cantidades de energía térmica almacenada en las rocas profundas utilizando tecnología HDR, pero muy pocos avances parecen estar en el horizonte, especialmente cuando se los compara con el rápido progreso que se está logrando en combinaciones de energía solar y batería con un riesgo mucho menor. [ cita requerida ]
Existen numerosos informes sobre pruebas de sistemas geotérmicos no confinados estimulados por presión en rocas de basamento cristalino: por ejemplo, en la cantera Rosemanowes en Cornwall, Inglaterra; [19] en las calderas Hijiori [20] y Ogachi [21] en Japón; y en la Cuenca Cooper , Australia. [22] Sin embargo, todos estos sistemas geotérmicos “diseñados”, si bien se desarrollaron en el marco de programas dirigidos a la investigación de tecnologías HDR, han demostrado ser abiertos, como lo evidencian las altas pérdidas de agua observadas durante la circulación presurizada. [23] En esencia, todos son EGS o sistemas hidrotérmicos, no verdaderos reservorios HDR.
El concepto EGS fue descrito por primera vez por investigadores de Los Álamos en 1990, en un simposio geotérmico patrocinado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) [24] , muchos años antes de que el DOE acuñara el término EGS en un intento de enfatizar el aspecto geotérmico de la minería de calor en lugar de las características únicas de HDR.
La tecnología hidrotermal de roca caliente y húmeda (HWR, por sus siglas en inglés) utiliza fluidos calientes que se encuentran de forma natural en la roca del basamento, pero estas condiciones de HWR son poco frecuentes. [25] La mayor parte de la base de recursos geotérmicos del mundo (más del 98%) se encuentra en forma de roca del basamento que es caliente pero seca, sin agua disponible de forma natural. Esto significa que la tecnología HDR es aplicable en casi todas partes de la Tierra (de ahí la afirmación de que la energía geotérmica HDR es omnipresente). Por otro lado, un recurso no económico es en realidad solo un almacenamiento de energía y no es útil.
Por lo general, la temperatura en esas vastas regiones de la roca cristalina del basamento accesible aumenta con la profundidad. Este gradiente geotérmico, que es la principal variable de los recursos de HDR, varía de menos de 20 °C/km a más de 60 °C/km, dependiendo de la ubicación. La variable económica concomitante de HDR es el costo de perforación a profundidades en las que las temperaturas de la roca son lo suficientemente altas como para permitir el desarrollo de un yacimiento adecuado. [26] La aparición de nuevas tecnologías para perforar rocas cristalinas del basamento duras, como las nuevas brocas de PDC (compacto de diamante policristalino), las turbinas de perforación o las tecnologías de percusión impulsadas por fluidos (como Mudhammer [27] ) pueden mejorar significativamente la economía de HDR en el futuro cercano.
Como se señaló anteriormente, a fines de la década de 1990, el Departamento de Energía comenzó a referirse a todos los intentos de extraer energía geotérmica de la roca del basamento como "EGS", lo que ha provocado confusión tanto biográfica como técnica. Desde el punto de vista biográfico, existe una gran cantidad de publicaciones que analizan el trabajo para extraer energía de la HDR sin ninguna mención del término EGS. Por lo tanto, una búsqueda en Internet que utilice el término EGS no identificaría estas publicaciones. [ cita requerida ]
Pero la distinción técnica entre HDR y EGS, como se aclara en este artículo, puede ser incluso más importante. Algunas fuentes describen la permeabilidad de la roca del basamento de la Tierra como un continuo que va desde la HDR totalmente impermeable a la HWR ligeramente permeable y a la hidrotermal convencional altamente permeable. [28] Sin embargo, este concepto de continuo no es técnicamente correcto. Una visión más apropiada sería considerar la roca HDR impermeable como un estado separado del continuo de la roca permeable, de la misma manera que uno consideraría un grifo completamente cerrado como distinto de uno que está abierto en cualquier grado, ya sea que el flujo sea un goteo o una inundación. De la misma manera, la tecnología HDR debe considerarse totalmente distinta de la EGS. Desafortunadamente no es fácil abrir el grifo para obtener un flujo significativo. [ cita requerida ]
En abril de 2012, Springer-Verlag publicó un libro definitivo sobre el desarrollo de HDR, que incluye un relato completo de los experimentos en Fenton Hill. [6]
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