La energía geotérmica es la energía eléctrica generada a partir de la energía geotérmica . Las tecnologías que se utilizan 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, [1] [2] mientras que la calefacción geotérmica se utiliza en 70 países. [3]
A partir de 2019, la capacidad mundial de energía geotérmica asciende a 15,4 gigavatios (GW), de los cuales el 23,9% (3,68 GW) están instalados en los Estados Unidos . [4] 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 mundial de energía geotérmica alcance los 14,5-17,6 GW para 2020. [5] Con base en el conocimiento geológico y la tecnología actuales que la Asociación de Energía Geotérmica (GEA) divulga públicamente, la GEA estima que hasta ahora solo se ha aprovechado el 6,9% 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 . [3] Los países que generan más del 15 por ciento de su electricidad a partir de fuentes geotérmicas incluyen El Salvador , Kenia , Filipinas , Islandia , Nueva Zelanda , [6] y Costa Rica . Indonesia tiene un potencial estimado de 29 GW de recursos de energía geotérmica, el mayor del mundo; en 2017, su capacidad instalada fue de 1,8 GW.
La energía geotérmica se considera una fuente de energía renovable y sostenible porque la extracción de calor es pequeña en comparación con el contenido de calor de la Tierra . [7] Las emisiones de gases de efecto invernadero de las centrales eléctricas geotérmicas promedian 45 gramos de dióxido de carbono por kilovatio-hora de electricidad, o menos del 5% de las de las plantas convencionales de carbón. [8]
Como fuente de energía renovable tanto para electricidad como para calefacción, la geotermia tiene el potencial de satisfacer entre el 3 y el 5% de la demanda mundial para 2050. Con incentivos económicos , se estima que para 2100 será posible satisfacer el 10% de la demanda mundial con energía geotérmica. [6]
En el siglo XX, la demanda de electricidad llevó a que se considerara 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 Larderello, Italia . Encendió con éxito cuatro bombillas. [9] Más tarde, en 1911, se construyó allí la primera central eléctrica geotérmica comercial del mundo. Se construyeron generadores experimentales en Beppu, Japón y en Geysers, California , en la década de 1920, pero Italia fue el único productor industrial de electricidad geotérmica del mundo hasta 1958.
En 1958, Nueva Zelanda se convirtió en el segundo mayor productor industrial de electricidad geotérmica cuando se puso en funcionamiento su central Wairakei . Wairakei fue la primera central en utilizar tecnología de vapor instantáneo. [11] En los últimos 60 años, la producción neta de fluidos ha superado los 2,5 km3 . El hundimiento de Wairakei-Tauhara ha sido un tema en varias audiencias formales relacionadas con los consentimientos ambientales para el desarrollo ampliado del sistema como fuente de energía renovable. [6]
En 1960, Pacific Gas and Electric inició la operación de la primera central eléctrica geotérmica exitosa en los Estados Unidos en The Geysers en California. [12] La turbina original duró más de 30 años y produjo 11 MW de potencia neta. [13]
En 1967 se demostró por primera vez en la Unión Soviética [12] una central eléctrica de ciclo binario basada en fluidos orgánicos y luego se introdujo en los Estados Unidos en 1981 [ cita requerida ] , tras la crisis energética de los años 1970 y cambios significativos en las políticas regulatorias. Esta tecnología permite el uso de recursos de temperatura tan bajos como 81 °C. En 2006, una central de ciclo binario en Chena Hot Springs, Alaska , entró en funcionamiento, produciendo electricidad a partir de una temperatura de fluido récord de 57 °C (135 °F). [14]
Hasta hace poco, las centrales eléctricas geotérmicas se construían exclusivamente en lugares donde había recursos geotérmicos de alta temperatura cerca de la superficie. El desarrollo de plantas de energía de ciclo binario y las mejoras en la tecnología de perforación y extracción pueden permitir sistemas geotérmicos mejorados en un rango geográfico mucho mayor. [15] Hay proyectos de demostración en funcionamiento en Landau-Pfalz (Alemania) y Soultz-sous-Forêts (Francia), mientras que un proyecto anterior en Basilea (Suiza) se suspendió después de que provocara terremotos. Hay otros proyectos de demostración en construcción en Australia , el Reino Unido y los Estados Unidos de América . [16]
La eficiencia térmica de las centrales eléctricas geotérmicas es baja, alrededor del 7-10%, [17] porque los fluidos geotérmicos están a baja temperatura en comparación con el vapor de las calderas. Según las leyes de la termodinámica, esta baja temperatura limita la eficiencia de los motores térmicos para extraer energía útil durante la generación de electricidad. El calor de escape se desperdicia, a menos que pueda usarse directamente y localmente, por ejemplo en invernaderos, aserraderos y calefacción urbana. La eficiencia del sistema no afecta los costos operativos como lo haría para una planta de carbón u otro combustible fósil, pero sí es un factor en la viabilidad de la estación. Para producir más energía de la que consumen las bombas, la generación de electricidad requiere campos geotérmicos de alta temperatura y ciclos de calor especializados. [ cita requerida ] Debido a que la energía geotérmica no depende de fuentes variables de energía, a diferencia, por ejemplo, de la eólica o la solar, su factor de capacidad puede ser bastante grande: se ha demostrado hasta el 96%. [18] Sin embargo, el factor de capacidad promedio global fue del 74,5% en 2008, según el IPCC . [19]
El contenido de calor de la Tierra es de aproximadamente 1 × 10 19 TJ (2,8 × 10 15 TWh) . [3] Este calor fluye naturalmente a la superficie por conducción a una velocidad de 44,2 TW [20] y se repone por desintegración radiactiva a una velocidad de 30 TW. [7] Estas tasas de energía son más del doble del consumo actual de energía de la humanidad de fuentes primarias, pero la mayor parte de esta energía es demasiado difusa (aproximadamente 0,1 W/m 2 en promedio) para ser recuperable. La corteza terrestre actúa efectivamente como una gruesa manta aislante que debe ser perforada por conductos de fluidos (de magma , agua u otros) para liberar el calor debajo.
La generación de electricidad requiere recursos de alta temperatura que solo pueden provenir de las profundidades del subsuelo. El calor debe ser transportado a la superficie por la circulación de fluidos, ya sea a través de conductos de magma , fuentes termales , circulación hidrotermal , pozos de petróleo , pozos de agua perforados o una combinación de estos. Esta circulación a veces existe de forma natural donde la corteza es delgada: los conductos de magma llevan el calor cerca de la superficie y las fuentes termales llevan el calor a la superficie. Si no hay una fuente termal disponible, se debe perforar un pozo en un acuífero caliente . Lejos de los límites de las placas tectónicas, el gradiente geotérmico es de 25 a 30 °C por kilómetro (km) de profundidad en la mayor parte del mundo, por lo que los pozos tendrían que tener varios kilómetros de profundidad para permitir la generación de electricidad. [3] La cantidad y calidad de los recursos recuperables mejora con la profundidad de perforación y la proximidad a los límites de las placas tectónicas.
En terrenos cálidos pero secos, o donde la presión del agua es inadecuada, el fluido inyectado puede estimular la producción. Los desarrolladores perforan dos pozos en un sitio candidato y fracturan la roca entre ellos con explosivos o agua a alta presión . Luego bombean agua o dióxido de carbono licuado por un pozo, y sube por el otro pozo en forma de gas. [15] Este enfoque se llama energía geotérmica de roca seca caliente en Europa, o sistemas geotérmicos mejorados en América del Norte. Puede haber mucho más potencial con este enfoque que con la explotación convencional de acuíferos naturales. [15]
Las estimaciones del potencial de generación de electricidad de la energía geotérmica varían de 35 a 2000 GW dependiendo de la escala de las inversiones. [3] Esto no incluye el calor no eléctrico recuperado por cogeneración, bombas de calor geotérmicas y otros usos directos. Un informe de 2006 del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) que incluía el potencial de los sistemas geotérmicos mejorados estimó que invertir 1.000 millones de dólares en investigación y desarrollo durante 15 años permitiría la creación de 100 GW de capacidad de generación eléctrica para 2050 solo en los Estados Unidos. [15] El informe del MIT estimó que más de 200 × 10 9 TJ (200 ZJ; 5,6 × 10 7 TWh) serían extraíbles, con el potencial de aumentar esto a más de 2000 ZJ con mejoras tecnológicas, suficiente para satisfacer todas las necesidades energéticas actuales del mundo durante varios milenios . [15]
En la actualidad, los pozos geotérmicos rara vez superan los 3 km (1,9 mi) de profundidad. [3] Las estimaciones más altas de los recursos geotérmicos suponen pozos de hasta 10 km (6,2 mi) de profundidad. La perforación cerca de esta profundidad ahora es posible en la industria petrolera, aunque es un proceso costoso. El pozo de investigación más profundo del mundo, el pozo superprofundo Kola (KSDB-3), tiene 12,261 km (7,619 mi) de profundidad. [21] Los pozos perforados a profundidades superiores a 4 km (2,5 mi) generalmente incurren en costos de perforación de decenas de millones de dólares. [22] Los desafíos tecnológicos son perforar pozos anchos a bajo costo y romper volúmenes mayores de roca.
La energía geotérmica se considera sostenible porque la extracción de calor es pequeña en comparación con el contenido de calor de la Tierra, pero aún así la extracción debe ser monitoreada para evitar el agotamiento local. [7] Aunque los sitios geotérmicos son capaces de proporcionar calor durante muchas décadas, los pozos individuales pueden enfriarse o quedarse sin agua. Los tres sitios más antiguos, en Larderello, Wairakei y Geysers, han reducido la producción desde sus picos. No está claro si estas estaciones extrajeron energía más rápido de lo que se reponía desde mayores profundidades, o si los acuíferos que las abastecen se están agotando. Si se reduce la producción y se reinyecta agua, estos pozos podrían teóricamente recuperar su potencial completo. 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 Larderello en Italia desde 1913, en el campo Wairakei en Nueva Zelanda desde 1958, [23] y en el campo Geysers en California desde 1960. [24]
Las centrales geotérmicas son similares a otras centrales térmicas con turbinas de vapor en que el calor de una fuente de combustible (en el caso de la geotermia, el núcleo de la Tierra) se utiliza para calentar agua u otro fluido de trabajo . El fluido de trabajo se utiliza luego para hacer girar una turbina de un generador, produciendo así electricidad. Luego, el fluido se enfría y se devuelve a la fuente de calor.
Las centrales de vapor seco son el diseño más simple y antiguo. Hay pocas centrales eléctricas de este tipo, porque requieren un recurso que produzca vapor seco , pero son las más eficientes, con las instalaciones más simples. [25] En estos sitios, puede haber agua líquida presente en el depósito, pero solo se produce vapor, no agua, en la superficie. [25] La energía de vapor seco utiliza directamente vapor geotérmico de 150 °C o más para hacer girar turbinas. [3] A medida que la turbina gira, alimenta un generador que produce electricidad y se suma al campo de energía. [26] Luego, el vapor se emite a un condensador, donde se convierte nuevamente en un líquido, que luego enfría el agua. [27] Después de que el agua se enfría, fluye por una tubería que conduce el condensado de regreso a pozos profundos, donde puede recalentarse y producirse nuevamente. En The Geysers en California, después de los primeros 30 años de producción de energía, el suministro de vapor se había agotado y la generación se redujo sustancialmente. Para recuperar parte de la capacidad anterior, durante los años 1990 y 2000 se desarrolló una inyección de agua suplementaria, incluida la utilización de efluentes de instalaciones de tratamiento de aguas residuales municipales cercanas. [28]
Las centrales de vapor instantáneo extraen agua caliente a alta presión y profunda hacia tanques de menor presión y utilizan el vapor instantáneo resultante para impulsar turbinas. Requieren temperaturas de fluido de al menos 180 °C, generalmente más. Este es el tipo de central más común en funcionamiento en la actualidad. [ cita requerida ] Las plantas de vapor instantáneo utilizan depósitos geotérmicos de agua con temperaturas superiores a 360 °F (182 °C). El agua caliente fluye hacia arriba a través de pozos en el suelo bajo su propia presión. A medida que fluye hacia arriba, la presión disminuye y parte del agua caliente se transforma en vapor. Luego, el vapor se separa del agua y se utiliza para alimentar una turbina/generador. El agua restante y el vapor condensado se pueden inyectar nuevamente en el depósito, lo que lo convierte en un recurso potencialmente sostenible. [29] [30]
Las centrales eléctricas de ciclo binario son el desarrollo más reciente y pueden aceptar temperaturas de fluido tan bajas como 57 °C. [14] El agua geotérmica moderadamente caliente pasa por un fluido secundario con un punto de ebullición mucho más bajo que el agua. Esto hace que el fluido secundario se vaporice instantáneamente, lo que luego impulsa las turbinas. Este es el tipo más común de central eléctrica geotérmica que se construye en la actualidad. [31] Se utilizan tanto el ciclo orgánico Rankine como el ciclo Kalina . La eficiencia térmica de este tipo de central suele ser de alrededor del 10-13%. [32] Las centrales eléctricas de ciclo binario tienen una capacidad unitaria promedio de 6,3 MW, 30,4 MW en centrales eléctricas de un solo flash, 37,4 MW en centrales de doble flash y 45,4 MW en centrales eléctricas que funcionan con vapor sobrecalentado. [33]
La Agencia Internacional de Energías Renovables ha informado de que a finales de 2020 había en funcionamiento en todo el mundo 14.438 megavatios (MW) de energía geotérmica, lo que generó 94.949 GWh de electricidad. [35] En teoría, los recursos geotérmicos del mundo son suficientes para abastecer de energía a los seres humanos. Sin embargo, en la actualidad solo se puede explorar de forma rentable una pequeña fracción de los recursos geotérmicos del mundo . [36]
Al Gore dijo en la Cumbre Asia Pacífico del Proyecto Clima que Indonesia podría convertirse en un país superpoderoso en la producción de electricidad a partir de energía geotérmica. [37] En 2013, el sector eléctrico de propiedad pública en la India anunció un plan para desarrollar la primera instalación de energía geotérmica del país en el estado sin salida al mar de Chhattisgarh . [38]
La energía geotérmica en Canadá tiene un gran potencial debido a su posición en el Cinturón de Fuego del Pacífico . La región de mayor potencial es la Cordillera Canadiense , que se extiende desde Columbia Británica hasta el Yukón , donde se estima que la generación de energía oscila entre 1.550 MW y 5.000 MW. [39]
La geografía de Japón es especialmente apropiada para la producción de energía geotérmica. Japón cuenta con numerosas fuentes termales que podrían proporcionar combustible para plantas de energía geotérmica, pero sería necesaria una inversión masiva en la infraestructura del país. [40]
El grupo más grande de plantas de energía geotérmica del mundo se encuentra en The Geysers , un campo geotérmico en California , Estados Unidos . [42] A partir de 2021, cinco países ( Kenia , Islandia , El Salvador , Nueva Zelanda y Nicaragua) generan más del 15% de su electricidad a partir de fuentes geotérmicas. [41]
En la siguiente tabla se enumeran estos datos para cada país:
Los datos corresponden al año 2021 y proceden de la EIA . [41] Solo incluye países con más de 0,01 TWh de generación. Los enlaces de cada ubicación llevan a la página de energía geotérmica correspondiente, cuando está disponible.
Las centrales eléctricas geotérmicas existentes, que se encuentran dentro del percentil 50 de todos los estudios de emisiones totales del ciclo de vida revisados por el IPCC , producen en promedio 45 kg de CO
2emisiones equivalentes por megavatio-hora de electricidad generada (kg CO
2eq/ MW·h ). [43] A modo de comparación, una central eléctrica de carbón emite 1.001 kg de CO
2equivalente por megavatio-hora cuando no se combina con captura y almacenamiento de carbono (CCS). [8] [43] Como muchos proyectos geotérmicos están situados en áreas volcánicamente activas que emiten naturalmente gases de efecto invernadero, se plantea la hipótesis de que las plantas geotérmicas pueden en realidad disminuir la tasa de desgasificación al reducir la presión sobre los reservorios subterráneos. [44]
Las centrales que registran altos niveles de ácidos y sustancias químicas volátiles suelen estar equipadas con sistemas de control de emisiones para reducir los gases de escape. Las centrales geotérmicas también pueden inyectar estos gases de nuevo en la tierra como una forma de captura y almacenamiento de carbono, como en Nueva Zelanda [44] y en el proyecto CarbFix en Islandia.
Otras estaciones, como la planta de energía geotérmica de Kızıldere , muestran la capacidad de utilizar fluidos geotérmicos para procesar gas de dióxido de carbono en hielo seco en dos plantas cercanas, lo que resulta en un impacto ambiental muy pequeño. [45]
Además de los gases disueltos, el agua caliente de fuentes geotérmicas puede contener en solución cantidades traza de sustancias químicas tóxicas, como mercurio , arsénico , boro , antimonio y sal. [46] Estas sustancias químicas se liberan de la solución a medida que el agua se enfría y pueden causar daños ambientales si se liberan. La práctica moderna de inyectar fluidos geotérmicos en la Tierra para estimular la producción tiene el beneficio adicional de reducir este riesgo ambiental.
La construcción de estaciones puede afectar negativamente a la estabilidad del terreno. Se han producido hundimientos en el campo Wairakei en Nueva Zelanda. [47] Los sistemas geotérmicos mejorados pueden provocar terremotos debido a la inyección de agua. El 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. [48] El riesgo de que la perforación geotérmica provoque un levantamiento se ha experimentado en Staufen im Breisgau .
La energía geotérmica requiere un mínimo de tierra y agua dulce. Las centrales geotérmicas utilizan 404 metros cuadrados por GW·h, frente a los 3.632 y 1.335 metros cuadrados de las instalaciones de carbón y los parques eólicos, respectivamente. [47] Utilizan 20 litros de agua dulce por MW·h, frente a los más de 1.000 litros por MW·h de la energía nuclear, el carbón o el petróleo. [47]
El enfriamiento del clima local es posible gracias al funcionamiento de los sistemas de circulación geotérmica. Sin embargo, según una estimación del Instituto de Minería de Leningrado de los años 80, el posible enfriamiento será insignificante en comparación con las fluctuaciones climáticas naturales. [49]
Si bien la actividad volcánica produce energía geotérmica, también es riesgosa. En 2022, [update]Puna Geothermal Venture aún no ha recuperado su capacidad máxima después de la erupción de 2018 en la zona baja de Puna . [50]
La energía geotérmica no requiere combustible, por lo que es inmune a las fluctuaciones de los precios. Sin embargo, los costos de capital tienden a ser altos. La perforación representa más de la mitad de los costos, y la exploración de recursos profundos implica riesgos significativos. Un pozo doble típico en Nevada puede soportar 4,5 megavatios (MW) de generación de electricidad y cuesta alrededor de 10 millones de dólares perforarlo, con una tasa de falla del 20%. [22] En total, la construcción de una estación eléctrica y la perforación de pozos cuestan alrededor de 2 a 5 millones de euros por MW de capacidad eléctrica, mientras que el costo energético nivelado es 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 costos nivelados superiores a los 0,054 dólares por kW·h en 2007. [51]
Las investigaciones sugieren que el almacenamiento en yacimientos podría aumentar la viabilidad económica de los sistemas geotérmicos mejorados en sistemas energéticos con una gran proporción de fuentes de energía renovables variables . [52] [53]
La energía geotérmica es altamente escalable: una pequeña central eléctrica puede abastecer a un pueblo rural, aunque los costos iniciales de capital pueden ser elevados. [54]
El campo geotérmico más desarrollado es el de Geysers en California. En 2008, este campo sustentaba 15 centrales, todas propiedad de Calpine , con una capacidad de generación total de 725 MW. [55]
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