La energía geotérmica es energía térmica extraída de la corteza terrestre . Combina energía proveniente de la formación del planeta y de la desintegración radiactiva . La energía geotérmica se ha explotado como fuente de calor y/o energía eléctrica durante milenios.
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 romana. La energía geotérmica (generación de electricidad a partir de energía geotérmica) se ha utilizado desde el siglo XX. A diferencia de la energía eólica y solar, las plantas geotérmicas producen energía a un ritmo constante, sin tener en cuenta las condiciones climáticas. Los recursos geotérmicos son teóricamente más que suficientes para satisfacer las necesidades energéticas de la humanidad. La mayor parte de la extracción se produce en áreas cercanas a los límites de las placas tectónicas .
El costo de generar energía geotérmica disminuyó un 25% durante los años 1980 y 1990. [1] Los avances tecnológicos continuaron reduciendo los costos y, por lo tanto, ampliando la cantidad de recursos viables. En 2021, el Departamento de Energía de Estados Unidos estimó que la energía de una planta "construida hoy" cuesta alrededor de $0,05/kWh. [2]
En 2019, había 13.900 megavatios (MW) de energía geotérmica disponibles en todo el mundo. [3] Otros 28 gigavatios proporcionaron calor para calefacción urbana, calefacción de espacios, spas, procesos industriales, desalinización y aplicaciones agrícolas en 2010. [4] En 2019, la industria empleaba a unas cien mil personas. [5]
El adjetivo geotérmico tiene su origen en las raíces griegas γῆ ( gê ), que significa Tierra, y θερμός ( thermós ), que significa caliente.
Las aguas termales se han utilizado para bañarse al menos desde el Paleolítico . [6] El balneario más antiguo conocido se encuentra en el sitio del palacio Huaqing Chi. En el siglo I d. C., los romanos conquistaron Aquae Sulis , ahora Bath, Somerset , Inglaterra, y utilizaron las aguas termales allí para abastecer baños públicos y 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 urbana geotérmica más antiguo del mundo, en Chaudes-Aigues , Francia, ha estado funcionando desde el siglo XV. [7] 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 urbana de EE. UU. en Boise, Idaho, funcionaba con energía geotérmica. Se copió en Klamath Falls, Oregón , en 1900. El primer edificio conocido del mundo que utilizó energía geotérmica como fuente principal de calor fue el Hot Lake Hotel en el condado de Union, Oregón , a partir de 1907. [8] Se utilizó un pozo geotérmico para calentar invernaderos en Boise en 1926, y se utilizaron géiseres para calentar invernaderos en Islandia y Toscana aproximadamente al mismo tiempo. [9] Charles Lieb desarrolló el primer intercambiador de calor de fondo de pozo en 1930 para calentar su casa. El vapor y el agua de los géiseres comenzaron a calentar hogares en Islandia en 1943.
En el siglo XX, la energía geotérmica empezó a utilizarse como fuente de generación. El príncipe Piero Ginori Conti probó el primer generador de energía geotérmica el 4 de julio de 1904, en el campo de vapor de Larderello. Encendió con éxito cuatro bombillas. [11] En 1911, se construyó allí la primera planta de energía geotérmica comercial del mundo. Fue el único productor industrial de energía geotérmica hasta que Nueva Zelanda construyó una planta en 1958. En 2012, produjo unos 594 megavatios. [12]
En 1960, Pacific Gas and Electric inició la operación de la primera planta de energía geotérmica de Estados Unidos en The Geysers , en California. [13] La turbina original duró más de 30 años y produjo 11 MW de potencia neta. [14]
En 1967 se demostró por primera vez en la URSS [13] una central eléctrica de ciclo binario basada en fluidos orgánicos y luego se introdujo en los EE. UU. en 1981 [ cita requerida ] . Esta tecnología permite el uso de recursos de temperatura tan bajos como 81 °C. En 2006, una planta de ciclo binario en Chena Hot Springs, Alaska , entró en funcionamiento y produjo electricidad a partir de una temperatura mínima récord de 57 °C (135 °F). [15]
La Tierra tiene un contenido de calor interno de 10 31 julios (3·10 15 TWh ), aproximadamente el 20% de este es calor residual de la acreción planetaria ; el resto se atribuye a la desintegración radiactiva pasada y actual de isótopos naturales . [16] Por ejemplo, un pozo de 5275 m de profundidad en el Proyecto de Energía Geotérmica Profunda United Downs en Cornwall , Inglaterra, encontró granito con un contenido muy alto de torio , cuya desintegración radiactiva se cree que alimenta la alta temperatura de la roca. [17]
La temperatura y la presión en el interior de la Tierra son lo suficientemente altas como para provocar que algunas rocas se derritan y que el manto sólido se comporte de forma plástica. Algunas partes del manto se desplazan hacia arriba debido a que son más livianas que la roca circundante. Las temperaturas en el límite entre el núcleo y el manto pueden alcanzar más de 4000 °C (7230 °F). [18]
La energía térmica interna de la Tierra fluye hacia la superficie por conducción a una velocidad de 44,2 teravatios (TW), [19] y se repone mediante la desintegración radiactiva de minerales a una velocidad de 30 TW. [20] Estas tasas 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 mediante energía solar durante el verano y se enfría durante el invierno.
Fuera de las variaciones estacionales, el gradiente geotérmico de temperaturas a través de la corteza es de 25–30 °C (77–86 °F) por km de profundidad en la mayor parte del mundo. El flujo de calor conductivo promedia 0,1 MW/km 2 . 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 combinaciones de circulación de fluidos, ya sea a través de conductos de magma , fuentes termales o circulación hidrotermal .
La eficiencia térmica y la rentabilidad de la generación de electricidad son particularmente sensibles a la temperatura. Las aplicaciones reciben el mayor beneficio de un alto flujo de calor natural más fácilmente de una fuente termal . La siguiente mejor opción es perforar un pozo en un acuífero caliente . Se puede construir un depósito artificial de agua caliente inyectando agua para fracturar hidráulicamente el lecho de roca. Los sistemas de este último enfoque se denominan sistemas geotérmicos mejorados . [21]
Las estimaciones de 2010 sobre el potencial de generación de electricidad a partir de energía geotérmica varían seis veces, desde 0,035 a 2 TW , dependiendo de la escala de las inversiones. [4] Las estimaciones más altas de los recursos geotérmicos suponen pozos de hasta 10 kilómetros (6 millas) de profundidad, aunque los pozos del siglo XX rara vez alcanzaban más de 3 kilómetros (2 millas) de profundidad. [4] Los pozos de esta profundidad son comunes en la industria petrolera. [22]
La energía geotérmica es la energía eléctrica generada a partir de la energía geotérmica. Para este fin se han utilizado centrales eléctricas de vapor seco, vapor instantáneo y ciclo binario. En 2010 se generó electricidad geotérmica en 26 países. [24] [25]
En 2019, la capacidad mundial de energía geotérmica ascendió a 15,4 gigavatios (GW), de los cuales el 23,86 por ciento o 3,68 GW estaban en Estados Unidos . [26]
La energía geotérmica suministra una parte importante de la energía eléctrica en Islandia , El Salvador , Kenia , Filipinas y Nueva Zelanda . [27]
La energía geotérmica se considera una energía renovable porque las tasas de extracción de calor son insignificantes en comparación con el contenido de calor de la Tierra . [20] 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 plantas de carbón. [28]
Las plantas eléctricas geotérmicas se construían tradicionalmente en los bordes de las placas tectónicas donde los recursos geotérmicos de alta temperatura se acercaban a la superficie. El desarrollo de plantas de energía de ciclo binario y las mejoras en la tecnología de perforación y extracción permiten sistemas geotérmicos mejorados en un rango geográfico mayor. [21] Los proyectos de demostración están en funcionamiento en Landau-Pfalz , Alemania, y Soultz-sous-Forêts , Francia, mientras que un esfuerzo anterior en Basilea , Suiza, fue cancelado después de que desencadenó terremotos . Otros proyectos de demostración están en construcción en Australia , el Reino Unido y los EE. UU. [32] En Myanmar, más de 39 lugares son capaces de producir energía geotérmica, algunos de los cuales están cerca de Yangon . [33]
La calefacción geotérmica es el uso de energía geotérmica para calentar edificios y agua para uso humano. Los seres humanos han hecho esto desde la era paleolítica. Aproximadamente setenta países hicieron uso directo de un total de 270 PJ de calefacción geotérmica en 2004. En 2007, 28 GW de calefacción geotérmica satisfacían el 0,07% del consumo mundial de energía primaria. [4] 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 el invierno.
Incluso el suelo frío contiene calor: por debajo de los 6 metros (20 pies), la temperatura del suelo no perturbado se mantiene constantemente en la temperatura media anual del aire [34] que puede extraerse con una bomba de calor geotérmica .
Los sistemas hidrotermales producen energía geotérmica aprovechando depósitos hidrotermales naturales. Los sistemas hidrotermales se presentan en formas dominadas por vapor o por líquido .
Larderello y los géiseres son sitios dominados por el vapor. Los sitios dominados por el vapor ofrecen temperaturas de 240 a 300 °C que producen vapor sobrecalentado.
Los yacimientos dominados por líquido (LDR, por sus siglas en inglés) son más comunes con temperaturas superiores a 200 °C (392 °F) y se encuentran cerca de volcanes en el Océano Pacífico o sus alrededores y en zonas de rift y puntos calientes. Las plantas de vapor son la forma habitual de generar electricidad a partir de estas fuentes. El vapor del pozo es suficiente para alimentar la planta. La mayoría de los pozos generan entre 2 y 10 MW de electricidad. El vapor se separa del líquido a través de separadores ciclónicos y acciona generadores eléctricos. El líquido condensado regresa al pozo para recalentarlo o reutilizarlo. En 2013, el sistema de líquido más grande era Cerro Prieto en México, que genera 750 MW de electricidad a partir de temperaturas que alcanzan los 350 °C (662 °F).
Las LDR de temperatura más baja (120–200 °C) requieren bombeo. Son comunes en terrenos extensionales, donde el calentamiento se produce a través de la circulación profunda a lo largo de fallas, como en el oeste de los 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 plantas nuevas. Las plantas binarias no tienen emisiones. [12] [35]
Un sistema geotérmico diseñado es un sistema geotérmico que los ingenieros han creado o mejorado artificialmente. Los sistemas geotérmicos diseñados se utilizan en una variedad de yacimientos geotérmicos que tienen rocas calientes pero una calidad de yacimiento natural insuficiente, por ejemplo, una cantidad insuficiente de geofluidos o una permeabilidad o porosidad de la roca insuficiente, para funcionar como sistemas hidrotérmicos naturales. Los tipos de sistemas geotérmicos diseñados incluyen sistemas geotérmicos mejorados , sistemas geotérmicos avanzados o de circuito cerrado y algunos sistemas geotérmicos de rocas supercalientes . [36]
Los sistemas geotérmicos mejorados (EGS) inyectan activamente agua en pozos para calentarla y bombearla de regreso. El agua se inyecta a alta presión para expandir las fisuras de la roca existentes y permitir que el agua fluya libremente. La técnica es una adaptación de las técnicas de fracturación hidráulica de petróleo y gas . Las formaciones geológicas son más profundas y no se utilizan productos químicos tóxicos, lo que reduce la posibilidad de daño ambiental. En cambio, se utilizan agentes de sostén como arena o partículas de cerámica para mantener abiertas las grietas y producir caudales óptimos. [37] Los perforadores pueden emplear la perforación direccional para expandir el tamaño del yacimiento. [12]
Se han instalado sistemas de generación de energía eólica a pequeña escala en el foso del Rin, en Soultz-sous-Forêts (Francia), y en Landau e Insheim (Alemania). [12]
Los sistemas geotérmicos de circuito cerrado, a veces denominados coloquialmente como sistemas geotérmicos avanzados (AGS), son sistemas geotérmicos diseñados que contienen fluido de trabajo subterráneo que se calienta en el depósito de roca caliente sin contacto directo con los poros y fracturas de la roca. En cambio, el fluido de trabajo subterráneo permanece dentro de un circuito cerrado de tuberías profundamente enterradas que conducen el calor de la Tierra. Las ventajas de un circuito geotérmico profundo de circuito cerrado incluyen: (1) no hay necesidad de un geofluido, (2) no hay necesidad de que la roca caliente sea permeable o porosa, y (3) todo el fluido de trabajo introducido se puede recircular sin pérdida. [36] Eavor tm , una startup geotérmica con sede en Canadá, puso a prueba su sistema de circuito cerrado en formaciones rocosas blandas poco profundas en Alberta, Canadá. Situado dentro de una cuenca sedimentaria, el gradiente geotérmico demostró ser insuficiente para la generación de energía eléctrica. Sin embargo, el sistema produjo con éxito aproximadamente 11.000 MWh de energía térmica durante sus dos años iniciales de funcionamiento". [38] [39]
Al igual que la energía eólica y solar, la energía geotérmica tiene costos operativos mínimos; predominan los costos de capital. La perforación representa más de la mitad de los costos, y no todos los pozos producen recursos explotables. Por ejemplo, un par de pozos típicos (uno para extracción y otro para inyección) en Nevada puede producir 4,5 megavatios (MW) y cuesta alrededor de 10 millones de dólares perforarlos, con una tasa de fallas del 20%, lo que hace que el costo promedio de un pozo exitoso sea de 50 millones de dólares. [40]
La perforación de pozos geotérmicos es más costosa que la perforación de pozos de petróleo y gas de profundidad comparable por varias razones:
En 2007, la construcción de plantas y la perforación de pozos costaban entre 2 y 5 millones de euros por MW de capacidad eléctrica, mientras que el precio de equilibrio era de 0,04 a 0,10 euros por kW·h. [10] Los sistemas geotérmicos mejorados tienden a estar en el lado alto de estos rangos, con costos de capital superiores a los 4 millones de dólares por MW y un precio de equilibrio superior a los 0,054 dólares por kW·h. [42]
Entre 2013 y 2020, las inversiones privadas fueron la principal fuente de financiación para las energías renovables , representando aproximadamente el 75% de la financiación total. La combinación entre financiación privada y pública varía entre las distintas tecnologías de energía renovable, en función de su atractivo y disponibilidad en el mercado. En 2020, la energía geotérmica recibió solo el 32% de su inversión de fuentes privadas. [43] [44]
En enero de 2024 se publicó el informe del Programa de Asistencia para la Gestión del Sector Energético (ESMAP, por sus siglas en inglés) "Socioeconomic Impacts of Geothermal Energy Development" (Impactos socioeconómicos del desarrollo de la energía geotérmica), en el que se destacan los importantes beneficios socioeconómicos del desarrollo de la energía geotérmica, que superan notablemente a los de la energía eólica y solar al generar unos 34 puestos de trabajo por megavatio en varios sectores. El informe detalla cómo los proyectos geotérmicos contribuyen al desarrollo de habilidades a través de la capacitación práctica en el trabajo y la educación formal, fortaleciendo así la fuerza laboral local y ampliando las oportunidades de empleo. También destaca la naturaleza colaborativa del desarrollo geotérmico con las comunidades locales , lo que conduce a una mejor infraestructura, programas de desarrollo de habilidades y modelos de distribución de ingresos, mejorando así el acceso a electricidad y calor confiables. Estas mejoras tienen el potencial de impulsar la productividad agrícola y la seguridad alimentaria . El informe aborda además el compromiso de promover la igualdad de género y la inclusión social ofreciendo oportunidades de trabajo, educación y capacitación a grupos subrepresentados, asegurando un acceso justo a los beneficios del desarrollo geotérmico. En conjunto, estos esfuerzos son fundamentales para impulsar el crecimiento económico interno, aumentar los ingresos fiscales y contribuir a economías nacionales más estables y diversas, al tiempo que ofrecen importantes beneficios sociales como mejor salud, educación y cohesión comunitaria. [45]
Los proyectos geotérmicos tienen varias etapas de desarrollo y cada una de ellas conlleva riesgos asociados. Muchos proyectos se cancelan durante las etapas de reconocimiento y estudios geofísicos, que no son aptos para el financiamiento tradicional. En etapas posteriores, a menudo se pueden financiar con capital social. [46]
Un problema común que se presenta en los sistemas geotérmicos surge cuando el sistema está situado en formaciones ricas en carbonato. En tales casos, los fluidos que extraen calor del subsuelo a menudo disuelven fragmentos de la roca durante su ascenso hacia la superficie, donde posteriormente se enfrían. A medida que los fluidos se enfrían, los cationes disueltos se precipitan fuera de la solución, lo que lleva a la formación de incrustaciones de calcio, un fenómeno conocido como incrustaciones de calcita. Estas incrustaciones de calcita tienen el potencial de reducir los caudales y hacer necesario un tiempo de inactividad del sistema para fines de mantenimiento. [47]
Se considera que la energía geotérmica es sostenible porque el calor extraído es muy pequeño en comparación con el contenido de calor de la Tierra, que es aproximadamente 100 mil millones de veces el consumo anual de energía mundial de 2010. [4] Los flujos de calor de la Tierra no están en equilibrio; el planeta se está enfriando en escalas de tiempo geológicas. La extracción de calor antrópica normalmente no acelera el proceso de enfriamiento.
Los pozos también pueden considerarse renovables porque devuelven el agua extraída al pozo para recalentarla y volver a extraerla, aunque a una temperatura más baja.
La sustitución del uso de materiales por energía ha reducido la huella ambiental humana en muchas aplicaciones. La energía geotérmica tiene el potencial de permitir reducciones aún mayores. Por ejemplo, Islandia tiene suficiente energía geotérmica para eliminar los combustibles fósiles para la producción de electricidad y para calentar las aceras de Reykjavik y eliminar la necesidad de esparcir sal. [48]
Sin embargo, deben tenerse en cuenta los efectos locales de la extracción de calor. [20] A lo largo de las décadas, los pozos individuales reducen las temperaturas locales y los niveles de agua. Los tres sitios más antiguos, en Larderello, Wairakei y Geysers, experimentaron una reducción de la producción debido al agotamiento local. El calor y el agua, en proporciones inciertas, se extrajeron más rápido de lo que se repusieron. La reducción de la producción y la inyección de agua adicional podrían permitir que estos pozos recuperen su capacidad original. Tales estrategias se han implementado en algunos sitios. Estos sitios continúan proporcionando energía significativa. [49] [50]
La central eléctrica de Wairakei se puso en funcionamiento 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 la presión a intermedia y la producción a 157 MW. En 2005 se añadieron dos sistemas de isopentano de 8 MW , lo que aumentó la producción en unos 14 MW. Los datos detallados se perdieron debido a reorganizaciones.
Los fluidos extraídos del subsuelo transportan una mezcla de gases, en particular dióxido de carbono ( CO
2), sulfuro de hidrógeno ( H
2S ), metano ( CH
4) y amoniaco ( 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 libras) de CO
2por megavatio-hora (MW·h) de electricidad, una pequeña fracción de la intensidad de emisión de las plantas de combustibles fósiles. [51] [ necesita actualización ] Unas pocas plantas emiten más contaminantes que la energía a gas, al menos en los primeros años, como algunas plantas de energía geotérmica en Turquía . [52] Las plantas que experimentan altos niveles de ácidos y químicos volátiles suelen estar equipadas con sistemas de control de emisiones para reducir el escape. Las nuevas tecnologías emergentes de circuito cerrado desarrolladas por Eavor tienen el potencial de reducir estas emisiones a cero. [38]
El agua de fuentes geotérmicas puede contener en solución cantidades mínimas de elementos tóxicos como mercurio , arsénico , boro y antimonio . [53] Estos productos químicos se precipitan a medida que el agua se enfría y pueden dañar el entorno si se liberan. La práctica moderna de devolver fluidos geotérmicos a la Tierra para estimular la producción tiene el beneficio adicional de reducir este impacto ambiental.
La construcción puede afectar negativamente a la estabilidad del terreno. En el campo Wairakei se produjo un hundimiento . [7] En Staufen im Breisgau , Alemania, se produjo un levantamiento tectónico . Una capa de anhidrita previamente aislada entró en contacto con el agua y la convirtió en yeso, duplicando su volumen. [54] [55] [56] Los sistemas geotérmicos mejorados pueden desencadenar terremotos como parte de la fracturación hidráulica . Un proyecto en Basilea , Suiza , se suspendió porque ocurrieron más de 10 000 eventos sísmicos de hasta 3,4 en la escala de Richter durante los primeros 6 días de inyección de agua. [57]
La producción de energía geotérmica requiere un mínimo de tierra y agua dulce. Las plantas geotérmicas utilizan 3,5 kilómetros cuadrados (1,4 millas cuadradas) por gigavatio de producción eléctrica (no de capacidad), frente a los 32 kilómetros cuadrados (12 millas cuadradas) y 12 kilómetros cuadrados (4,6 millas cuadradas) de las instalaciones de carbón y los parques eólicos , respectivamente. [7] Utilizan 20 litros (5,3 galones estadounidenses) de agua dulce por MWh, frente a los más de 1.000 litros (260 galones estadounidenses) por MWh de la energía nuclear, el carbón o el petróleo. [7]
Filipinas comenzó la investigación geotérmica en 1962 cuando el Instituto Filipino de Vulcanología y Sismología inspeccionó la región geotérmica en Tiwi, Albay . [58] La primera planta de energía geotérmica en Filipinas se construyó en 1977, ubicada en Tongonan, Leyte . [ 58] El gobierno de Nueva Zelanda contrató a Filipinas para construir la planta en 1972. [59] El Campo Geotérmico Tongonan (TGF) agregó las plantas Upper Mahiao, Matlibog y South Sambaloran, lo que resultó en una capacidad de 508 MV. [60]
La primera planta de energía geotérmica en la región de Tiwi se inauguró en 1979, mientras que otras dos plantas siguieron en 1980 y 1982. [58] El campo geotérmico de Tiwi está ubicado a unos 450 km de Manila . [61] Las tres plantas de energía geotérmica en la región de Tiwi producen 330 MWe, lo que coloca a Filipinas detrás de Estados Unidos y México en crecimiento geotérmico. [62] Filipinas tiene 7 campos geotérmicos y continúa explotando la energía geotérmica mediante la creación del Plan Energético Filipino 2012-2030 que tiene como objetivo producir el 70% de la energía del país para 2030. [63] [64]
Según la Asociación de Energía Geotérmica (GEA), la capacidad geotérmica instalada en los Estados Unidos creció un 5%, o 147,05 MW, en 2013. Este aumento provino de siete proyectos geotérmicos que comenzaron la producción en 2012. GEA revisó su estimación de 2011 de la capacidad instalada al alza en 128 MW, lo que elevó la capacidad geotérmica instalada en Estados Unidos a 3.386 MW. [65]
El gobierno municipal de Szeged está intentando reducir su consumo de gas en un 50 por ciento utilizando energía geotérmica para su sistema de calefacción urbana. La central geotérmica de Szeged cuenta con 27 pozos, 16 plantas de calefacción y 250 kilómetros de tuberías de distribución. [66]
Las emisiones de CO2 emitidas por las centrales geotérmicas oscilan entre 900 y 1300 gr/kwh
