La energía geotérmica es energía térmica que se encuentra en la corteza terrestre . Combina energía 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 manantiales 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 utiliza desde el siglo XX. A diferencia de la energía eólica y solar, las plantas geotérmicas producen energía a un ritmo constante, independientemente de las condiciones climáticas. Los recursos geotérmicos son teóricamente más que adecuados para satisfacer las necesidades energéticas de la humanidad. La mayor parte de la extracción ocurre 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 EE. UU. estimó que la energía de una planta "construida hoy" cuesta alrededor de 0,05 dólares/kWh. [2]
En 2019, había 13.900 megavatios (MW) de energía geotérmica disponibles en todo el mundo. [ 3 ] A partir de 2010, 28 gigavatios adicionales proporcionaron calor para calefacción urbana, calefacción de espacios, spas, procesos industriales, desalinización y aplicaciones agrícolas.
En 2019, la industria empleaba a unas 100 mil personas. [5] Los programas piloto como el Programa de Energía Verde de participación del cliente de EWEB sugieren que los clientes estarían dispuestos a pagar un poco más por la energía renovable. [6]
El adjetivo geotérmico proviene de las raíces griegas γῆ ( gê ), que significa Tierra, y θερμός ( thermós ), que significa caliente.
Las aguas termales se utilizan para bañarse desde al menos el Paleolítico . [7] El spa 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 del lugar para abastecer baños públicos y calefacción por suelo radiante . El precio de la entrada a estos baños probablemente represente el primer uso comercial de la energía geotérmica. El sistema de calefacción urbana geotérmica más antiguo del mundo, en Chaudes-Aigues , Francia, funciona desde el siglo XV. [8] 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 Estados Unidos en Boise, Idaho, funcionaba con energía geotérmica. Fue copiado en Klamath Falls, Oregón , en 1900. El primer edificio conocido del mundo que utilizó energía geotérmica como fuente principal de calor fue el Hotel Hot Lake en el condado de Union, Oregón , a partir de 1907. [9] 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. [10] 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 los hogares en Islandia en 1943.
En el siglo XX se empezó a utilizar la energía geotérmica como fuente generadora. 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. [12] En 1911 se construyó allí la primera central 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. [13]
En 1960, Pacific Gas and Electric inició la operación de la primera planta de energía geotérmica de Estados Unidos en The Geysers en California. [14] La turbina original duró más de 30 años y produjo 11 MW de potencia neta. [15]
Una central eléctrica de ciclo binario se demostró por primera vez en 1967 en la URSS y se introdujo en los EE. UU. en 1981. [14] Esta tecnología permite la generación de electricidad a partir de recursos con temperaturas mucho más bajas que antes. En 2006, entró en funcionamiento una planta de ciclo binario en Chena Hot Springs, Alaska , que produce electricidad a partir de una temperatura mínima récord de 57 °C (135 °F). [dieciséis]
La Tierra tiene un contenido de calor interno de 10,31 julios (3,10,15 TWh ) . Alrededor del 20 % de este es calor residual de la acreción planetaria ; el resto se atribuye a la desintegración radiactiva pasada y actual de isótopos naturales . [17] Por ejemplo, un pozo de 5275 m de profundidad en el Proyecto de Energía Geotérmica Profunda de 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. [18]
La temperatura y presión interiores de la Tierra son lo suficientemente altas como para provocar que algunas rocas se derritan y que el manto sólido se comporte plásticamente. Partes del manto se convectan hacia arriba porque es más ligero que la roca circundante. Las temperaturas en el límite entre el núcleo y el manto pueden alcanzar más de 4000 °C (7200 °F). [19]
La energía térmica interna de la Tierra fluye hacia la superficie por conducción a una velocidad de 44,2 teravatios (TW), [20] y se repone mediante la desintegración radiactiva de minerales a una velocidad de 30 TW. [21] Estas tarifas de energía son más del doble del consumo actual de energía de todas las fuentes primarias de la humanidad, 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 con 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 a 30 °C (45 a 54 °F) por km de profundidad en la mayor parte del mundo. El flujo de calor conductivo tiene un promedio de 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 aumentarse 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 eléctrica 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 . [22]
Las estimaciones de 2010 sobre el potencial de generación de electricidad a partir de energía geotérmica varían seis veces, de 0,035 a 2 TW , dependiendo de la escala de las inversiones. [4] Las estimaciones más altas de recursos geotérmicos suponen pozos de hasta 10 kilómetros (6 millas), 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. [23]
La energía geotérmica es energía eléctrica generada a partir de energía geotérmica. Para este fin se han utilizado centrales de vapor seco, vapor flash y ciclo binario. En 2010, se generaba electricidad geotérmica en 26 países. [25] [26]
En 2019, la capacidad de energía geotérmica mundial ascendía a 15,4 gigavatios (GW), de los cuales el 23,86 por ciento o 3,68 GW se encontraban en los Estados Unidos . [27]
La energía geotérmica suministra una parte importante de la energía eléctrica en Islandia , El Salvador , Kenia , Filipinas y Nueva Zelanda . [28]
La energía geotérmica se considera energía renovable porque la extracción de calor es insignificante en comparación con el contenido de calor de la Tierra . [21] Las emisiones de gases de efecto invernadero de las centrales eléctricas geotérmicas son en promedio 45 gramos de dióxido de carbono por kilovatio-hora de electricidad, o menos del 5 por ciento de las de las centrales alimentadas con carbón. [29]
Las plantas eléctricas geotérmicas se construían tradicionalmente en los bordes de las placas tectónicas, donde los recursos geotérmicos de alta temperatura se acercan 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 más amplio. [22] Hay proyectos de demostración operativos en Landau-Pfalz , Alemania, y Soultz-sous-Forêts , Francia, mientras que un esfuerzo anterior en Basilea , Suiza, fue cancelado después de que provocó terremotos . Se están construyendo otros proyectos de demostración en Australia , el Reino Unido y Estados Unidos. [33] En Myanmar, más de 39 lugares son capaces de producir energía geotérmica, algunos de los cuales están cerca de Yangon . [34]
La calefacción geotérmica es el uso de energía geotérmica para calentar edificios y agua para uso humano. Los humanos han hecho esto desde el Paleolítico. Aproximadamente setenta países hicieron uso directo de un total de 270 PJ de calefacción geotérmica en 2004. En 2007, 28 GW de calefacción geotérmica cubrían 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 invierno.
Incluso el suelo frío contiene calor: por debajo de los 6 metros (20 pies), la temperatura del suelo no perturbada se mantiene constantemente en la temperatura media anual del aire [35] que se puede extraer con una bomba de calor geotérmica .
Los sistemas hidrotermales producen energía geotérmica accediendo a reservorios hidrotermales naturales. Los sistemas hidrotermales vienen en formas dominadas por vapor o líquidas .
Larderello y The Geysers están dominados por el vapor. Los sitios dominados por vapor ofrecen temperaturas de 240 a 300 °C que producen vapor sobrecalentado.
Los reservorios dominados por líquidos (LDR) son más comunes con temperaturas superiores a 200 °C (392 °F) y se encuentran cerca de volcanes en/alrededor del Océano Pacífico y en zonas de rift y puntos calientes. Las plantas flash son la forma común 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 mediante separadores ciclónicos y acciona generadores eléctricos. El líquido condensado regresa al pozo para recalentarlo/reutilizarlo. En 2013, el sistema 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).
Los LDR de temperatura más baja (120–200 °C) requieren bombeo. Son comunes en terrenos extensos, donde el calentamiento se produce mediante circulación profunda a lo largo de fallas, como en el oeste de 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 finales de los años 1960 y predominan en las plantas nuevas. Las plantas binarias no tienen emisiones. [13] [36]
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 geofluido o una permeabilidad o porosidad insuficiente de la roca, para operar como sistemas hidrotermales naturales. Los tipos de sistemas geotérmicos diseñados incluyen sistemas geotérmicos mejorados , sistemas geotérmicos avanzados o de circuito cerrado y algunos sistemas geotérmicos de roca supercaliente . [37]
Los sistemas geotérmicos mejorados (EGS) inyectan activamente agua en los pozos para calentarla y bombearla nuevamente. El agua se inyecta a alta presión para expandir las fisuras de la roca existentes y permitir que el agua fluya libremente. La técnica fue adaptada de las técnicas de fracking 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. Los perforadores pueden emplear perforación direccional para ampliar el tamaño del yacimiento. [13]
Se han instalado EGS a pequeña escala en el Rin Graben en Soultz-sous-Forêts en Francia y en Landau e Insheim en Alemania. [13]
Los sistemas geotérmicos de circuito cerrado, a veces denominados coloquialmente Sistemas Geotérmicos Avanzados (AGS), son sistemas geotérmicos diseñados que contienen fluido de trabajo subterráneo que se calienta en el yacimiento 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 es necesario un geofluido, (2) no es necesario que la roca caliente sea permeable o porosa y (3) todo el fluido de trabajo introducido puede recircularse con pérdida cero. [37]
Al igual que la energía eólica y solar, la energía geotérmica tiene costos operativos mínimos; Los costos de capital dominan. 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 su perforación cuesta alrededor de 10 millones de dólares, con una tasa de falla del 20%, lo que hace que el costo promedio de un pozo exitoso sea de 50 millones de dólares. . [38]
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. [11] Los sistemas geotérmicos mejorados tienden a estar en el lado alto de estos rangos, con costos de capital superiores a $4 millones por MW y un punto de equilibrio superior a $0,054 por kW·h. [40]
Los sistemas de calefacción son mucho más simples que los generadores eléctricos y tienen menores costos de mantenimiento por kW·h, pero consumen electricidad para hacer funcionar bombas y compresores.
Los proyectos geotérmicos tienen varias etapas de desarrollo. Cada fase tiene riesgos asociados. Muchos proyectos se cancelan durante las etapas de reconocimiento y estudios geofísicos, que no son adecuados para los préstamos tradicionales. En etapas posteriores, a menudo se puede financiar mediante capital. [41]
La energía geotérmica se considera 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 de energía anual mundial en 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 antrópica de calor normalmente no acelera el proceso de enfriamiento.
Además, los pozos pueden considerarse renovables porque devuelven el agua extraída al pozo para recalentarla y volver a extraerla, aunque a una temperatura más baja.
Reemplazar el uso de materiales por energía ha reducido la huella ambiental humana en muchas aplicaciones. La geotermia tiene el potencial de permitir mayores reducciones. 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 arena. [42]
Sin embargo, se deben considerar los efectos locales de la extracción de calor. [21] A lo largo de décadas, los pozos individuales reducen las temperaturas y los niveles de agua locales. Los tres sitios más antiguos, en Larderello, Wairakei y los Geysers, experimentaron una producción reducida debido al agotamiento local. El calor y el agua, en proporciones inciertas, se extraían más rápido de lo que se reponían. Reducir la producción e inyectar agua adicional podría permitir que estos pozos recuperen su capacidad original. Estas estrategias se han implementado en algunos sitios. Estos sitios continúan proporcionando energía significativa. [43] [44]
La central eléctrica de Wairakei entró en funcionamiento en noviembre de 1958 y alcanzó su máxima generación de 173 MW en 1965, pero el suministro de vapor a alta presión ya estaba fallando. En 1982 se rebajó su potencia a presión intermedia y la potencia 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 amoníaco ( 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 emisiones de las plantas de combustibles fósiles. [45] [ necesita actualización ] Algunas plantas emiten más contaminantes que la energía alimentada por gas, al menos en los primeros años, como algunas plantas de energía geotérmica en Turquía . [46] Las plantas que experimentan altos niveles de ácidos y productos químicos volátiles generalmente están equipadas con sistemas de control de emisiones para reducir los gases de escape.
El agua de fuentes geotérmicas puede contener en solución trazas de elementos tóxicos como mercurio , arsénico , boro y antimonio . [47] Estos productos químicos 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. Se produjo un hundimiento en el campo Wairakei. [8] En Staufen im Breisgau , Alemania, se produjo un levantamiento tectónico . Una capa de anhidrita previamente aislada entró en contacto con agua y la convirtió en yeso, duplicando su volumen. [48] [49] [50] Los sistemas geotérmicos mejorados pueden provocar terremotos como parte de la fracturación hidráulica . Un proyecto en Basilea , Suiza , fue suspendido porque durante los primeros 6 días de inyección de agua se produjeron más de 10.000 eventos sísmicos de hasta 3,4 en la escala de Richter . [51]
La producción de energía geotérmica requiere mínimos de tierra y agua dulce. Las plantas geotérmicas utilizan 3,5 kilómetros cuadrados (1,4 millas cuadradas) por gigavatio de producción eléctrica (no capacidad) frente a 32 kilómetros cuadrados (12 millas cuadradas) y 12 kilómetros cuadrados (4,6 millas cuadradas) para las instalaciones de carbón y los parques eólicos , respectivamente. [8] Utilizan 20 litros (5,3 gal EE.UU.) de agua dulce por MW·h frente a más de 1.000 litros (260 gal EE.UU.) por MW·h para la energía nuclear, el carbón o el petróleo. [8]
Filipinas inició la investigación geotérmica en 1962 cuando el Instituto Filipino de Vulcanología y Sismología inspeccionó la región geotérmica en Tiwi, Albay . [52] La primera planta de energía geotérmica en Filipinas se construyó en 1977, ubicada en Tongonan, Leyte . [52] El gobierno de Nueva Zelanda contrató a Filipinas para construir la planta en 1972. [53] El campo geotérmico de Tongon (TGF) agregó las plantas Upper Mahiao, Matlibog y South Sambaloran, lo que resultó en una capacidad de 508 MV. [54]
La primera planta de energía geotérmica en la región de Tiwi se inauguró en 1979, mientras que otras dos plantas le siguieron en 1980 y 1982. [52] El campo geotérmico de Tiwi está situado a unos 450 km de Manila . [55] 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. [56] Filipinas tiene 7 campos geotérmicos y continúa explotando la energía geotérmica mediante la creación del Plan Energético de Filipinas 2012-2030 que tiene como objetivo producir el 70% de la energía del país para 2030. [57] [58]
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 se debió a siete proyectos geotérmicos que comenzaron a producir en 2012. GEA revisó al alza su estimación de capacidad instalada para 2011. en 128 MW, lo que eleva la capacidad geotérmica instalada en EE. UU. a 3.386 MW. [59]
Las emisiones de CO2 emitidas por las centrales geotérmicas oscilan entre 900 y 1300 gr/kwh
