La energía geotérmica es energía eléctrica generada a partir de energía geotérmica . Las tecnologías en uso incluyen centrales eléctricas de vapor seco, centrales eléctricas de vapor flash 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 2019, la capacidad de energía geotérmica mundial asciende a 15,4 gigavatios (GW), de los cuales el 23,9% (3,68 GW) están instalados en 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 de energía geotérmica global alcance entre 14,5 y 17,6 GW para 2020. [5] Con base en el conocimiento y la tecnología geológicos actuales, la Energía Geotérmica Según lo divulga públicamente la Asociación (GEA), la GEA estima que hasta ahora sólo se ha aprovechado el 6,9% del potencial global total, mientras que el IPCC informó que el potencial de energía geotérmica se encuentra 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 centrales convencionales alimentadas con carbón. [8]
Como fuente de energía renovable tanto para electricidad como para calefacción, la geotermia tiene el potencial de satisfacer del 3 al 5% de la demanda global para 2050. Con incentivos económicos , se estima que para 2100 será posible satisfacer el 10% de la demanda global con energía geotermica. [6]
En el siglo XX, la demanda de electricidad llevó a considerar 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 Larderello, Italia . Encendió con éxito cuatro bombillas. [9] Más tarde, en 1911, se construyó allí la primera central geotérmica comercial del mundo. Se construyeron generadores experimentales en Beppu, Japón y en los 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 estación Wairakei . Wairakei fue la primera estación en utilizar tecnología de vapor flash. [11] Durante los últimos 60 años, la producción neta de fluidos ha superado los 2,5 km 3 . El hundimiento en Wairakei-Tauhara ha sido un tema en varias audiencias formales relacionadas con consentimientos ambientales para un mayor desarrollo 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]
La central eléctrica de ciclo binario se demostró por primera vez en 1967 en la Unión Soviética y luego se introdujo en los Estados Unidos en 1981, [12] tras la crisis energética de la década de 1970 y cambios significativos en las políticas regulatorias. Esta tecnología permite el uso de recursos a temperaturas mucho más bajas de las que antes eran recuperables. En 2006, se puso en funcionamiento una estación de ciclo binario en Chena Hot Springs, Alaska , que produjo electricidad a partir de una temperatura de fluido mínima récord de 57 °C (135 °F). [14]
Hasta hace poco, las estaciones eléctricas geotérmicas se construían exclusivamente donde había recursos geotérmicos de alta temperatura disponibles 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 operativos en Landau-Pfalz , Alemania, y Soultz-sous-Forêts , Francia, mientras que un esfuerzo anterior en Basilea , Suiza, fue cerrado después de que provocó terremotos. Se están construyendo otros proyectos de demostración en Australia , el Reino Unido y los Estados Unidos de América . [dieciséis]
La eficiencia térmica de las centrales eléctricas geotérmicas es baja, alrededor del 7% al 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 a la hora de extraer energía útil durante la generación de electricidad. El calor de escape se desperdicia, a menos que pueda utilizarse directa y localmente, por ejemplo en invernaderos, aserraderos y calefacción urbana. La eficiencia del sistema no afecta los costos operativos como lo haría con una planta de carbón u otro combustible fósil, pero sí influye 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 necesaria ] Debido a que la energía geotérmica no depende de fuentes variables de energía, a diferencia de, por ejemplo, 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 hacia la superficie por conducción a una velocidad de 44,2 TW [20] y se repone mediante desintegración radiactiva a una velocidad de 30 TW. [7] Estas tasas de energía son más del doble del consumo actual de energía de fuentes primarias de la humanidad, 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 capa aislante que debe ser perforada por conductos de fluidos (de magma , agua u otros) para liberar el calor que se encuentra debajo.
La generación de electricidad requiere recursos de alta temperatura que sólo pueden provenir de las profundidades del subsuelo. El calor debe ser llevado a la superficie mediante la circulación de fluidos, ya sea a través de conductos de magma , fuentes termales , circulación hidrotermal , pozos petroleros , 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 traen el calor a la superficie. Si no se dispone de una fuente termal, 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 calientes pero secos, o donde la presión del agua es inadecuada, el fluido inyectado puede estimular la producción. Los desarrolladores perforaron dos agujeros en un sitio candidato y fracturaron 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 denomina energía geotérmica de roca seca caliente en Europa, o sistemas geotérmicos mejorados en América del Norte. Este enfoque puede ofrecer un potencial mucho mayor que el de 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 mediante 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 mil millones de dólares en investigación y desarrollo durante 15 años permitiría la creación de 100 GW de capacidad de generación eléctrica para 2050 en los Estados Unidos. solo. [15] El informe del MIT estimó que se podrían extraer más de 200 × 10 9 TJ (200 ZJ; 5,6 × 10 7 TWh), con el potencial de aumentar esto a más de 2000 ZJ con mejoras tecnológicas, suficiente para proporcionar toda la energía actual del mundo. necesidades durante varios milenios . [15]
En la actualidad, los pozos geotérmicos rara vez tienen más de 3 km (1,9 millas) de profundidad. [3] Las estimaciones superiores de recursos geotérmicos suponen pozos de hasta 10 km (6,2 millas). Perforar 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 Kola Superdeep Borehole (KSDB-3), tiene 12,261 km (7,619 millas) de profundidad. [21] Los pozos perforados a profundidades superiores a 4 km (2,5 millas) 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 grandes volúmenes 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 la extracción aún 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 los Geysers, han reducido su 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 teóricamente podrían recuperar todo su potencial. Estas estrategias de mitigación ya se han implementado en algunos sitios. La sostenibilidad a largo plazo de la energía geotérmica ha quedado demostrada 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 de turbina 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 . Luego, el fluido de trabajo se utiliza para hacer girar la turbina de un generador, produciendo así electricidad. Luego, el fluido se enfría y se devuelve a la fuente de calor.
Las estaciones de vapor seco son el diseño más simple y antiguo. Existen pocas centrales de este tipo, porque requieren de un recurso que produzca vapor seco , pero son las más eficientes, con las instalaciones más sencillas. [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 las turbinas. [3] A medida que la turbina gira, alimenta un generador que produce electricidad y aumenta el campo de energía. [26] Luego, el vapor se emite a un condensador, donde se convierte nuevamente en 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 se puede recalentar y producir 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 había reducido sustancialmente. Para restaurar parte de la capacidad anterior, se desarrolló una inyección suplementaria de agua durante las décadas de 1990 y 2000, incluida la utilización de efluentes de instalaciones municipales cercanas de tratamiento de aguas residuales. [28]
Las estaciones de vapor flash extraen agua caliente profunda a alta presión hacia tanques de menor presión y utilizan el vapor flash resultante para impulsar turbinas. Requieren temperaturas del fluido de al menos 180 °C, normalmente más. Este es el tipo de estación más común en funcionamiento en la actualidad. [ cita necesaria ] Las plantas de vapor flash utilizan depósitos geotérmicos de agua con temperaturas superiores a 360 °F (182 °C). El agua caliente fluye a través de pozos excavados 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 sobrante y el vapor condensado pueden inyectarse 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 los ciclos Organic Rankine y Kalina . La eficiencia térmica de este tipo de estación suele oscilar entre el 10% y el 13%. [32] Las centrales eléctricas de ciclo binario tienen una capacidad unitaria promedio de 6,3 MW, 30,4 MW en centrales eléctricas de flash único, 37,4 MW en plantas de flash doble y 45,4 MW en centrales eléctricas que funcionan con vapor sobrecalentado. [33]
La Agencia Internacional de Energías Renovables ha informado que a finales de 2020 había 14.438 megavatios (MW) de energía geotérmica en funcionamiento en todo el mundo, generando 94.949 GWh de electricidad. [35] En teoría, los recursos geotérmicos del mundo son suficientes para suministrar energía a los seres humanos. Sin embargo, actualmente sólo una pequeña fracción de los recursos geotérmicos del mundo puede explorarse de forma rentable . [36]
En 2021, Estados Unidos lideró el mundo en producción de electricidad geotérmica con 3.889 MW de capacidad instalada, un aumento sustancial con respecto a 2020, cuando produjo 2.587 MW. Indonesia sigue a Estados Unidos como el segundo mayor productor de energía geotérmica del mundo, con 2.277 MW de capacidad en línea en 2021.
Al Gore dijo en la Cumbre Asia Pacífico del Proyecto Climático que Indonesia podría convertirse en un país superpotencia en la producción de electricidad a partir de energía geotérmica. [37] En 2013, el sector eléctrico de propiedad pública de 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 alto potencial debido a su posición en el Anillo de Fuego del Pacífico . La región de mayor potencial es la Cordillera canadiense , que se extiende desde la Columbia Británica hasta el Yukón , donde las estimaciones de producción oscilan entre 1.550 MW y 5.000 MW. [39]
La geografía de Japón es especialmente adecuada para la producción de energía geotérmica. Japón tiene numerosas fuentes termales que podrían proporcionar combustible para plantas de energía geotérmica, pero sería necesaria una inversión masiva en la infraestructura japonesa. [40]
El grupo de plantas de energía geotérmica más grande del mundo se encuentra ubicado 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]
La siguiente tabla enumera estos datos para cada país:
Los datos corresponden al año 2021. Los datos proceden de la EIA . [41] Solo incluye países con más de 0,01 TWh de generación. Los enlaces para cada ubicación dirigen a la página de energía geotérmica correspondiente, cuando esté disponible.
Las estaciones 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 ). A modo de comparación, una central eléctrica de carbón emite 1.001 kg de CO
2equivalente por megavatio-hora cuando no se combina con la captura y almacenamiento de carbono (CAC). [8] Como muchos proyectos geotérmicos están situados en áreas volcánicamente activas que naturalmente emiten gases de efecto invernadero, se plantea la hipótesis de que las plantas geotérmicas en realidad pueden disminuir la tasa de desgasificación al reducir la presión sobre los depósitos subterráneos. [43]
Las estaciones que experimentan altos niveles de ácidos y químicos volátiles generalmente están equipadas con sistemas de control de emisiones para reducir los gases de escape. Las estaciones geotérmicas también pueden inyectar estos gases nuevamente a la tierra como una forma de captura y almacenamiento de carbono, como en Nueva Zelanda [43] y en el proyecto CarbFix en Islandia.
Otras estaciones, como la planta de energía geotérmica de Kızıldere , exhiben la capacidad de utilizar fluidos geotérmicos para procesar gas de dióxido de carbono en hielo seco en dos plantas cercanas, lo que genera muy poco impacto ambiental. [44]
Además de los gases disueltos, el agua caliente de fuentes geotérmicas puede contener en solución trazas de sustancias químicas tóxicas, como mercurio , arsénico , boro , antimonio y sal. [45] Estos productos químicos salen 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 nuevamente 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 ha producido un hundimiento en el campo Wairakei en Nueva Zelanda. [46] Los sistemas geotérmicos mejorados pueden provocar terremotos debido a la inyección de agua. El proyecto en Basilea , Suiza , se suspendió 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 . [47] En Staufen im Breisgau se ha experimentado el riesgo de que la perforación geotérmica provoque un levantamiento .
La geotermia tiene requisitos mínimos de tierra y agua dulce. Las estaciones geotérmicas utilizan 404 metros cuadrados por GW·h frente a 3.632 y 1.335 metros cuadrados para las instalaciones de carbón y los parques eólicos, respectivamente. [46] Utilizan 20 litros de agua dulce por MW·h frente a más de 1000 litros por MW·h para la energía nuclear, el carbón o el petróleo. [46]
Las centrales geotérmicas también pueden alterar los ciclos naturales de los géiseres. Por ejemplo, los géiseres de Beowawe, Nevada , que eran pozos geotérmicos sin tapar, dejaron de hacer erupción debido al desarrollo de la estación de doble flash.
El enfriamiento del clima local es posible gracias al funcionamiento de los sistemas de circulación geotérmica. Sin embargo, según una estimación realizada por el Instituto de Minería de Leningrado en los años 1980, el posible enfriamiento será insignificante en comparación con las fluctuaciones climáticas naturales. [48]
Si bien la actividad volcánica produce energía geotérmica, también es riesgosa. A partir de 2022, [actualizar]la Puna Geothermal Venture aún no ha regresado a su capacidad total después de la erupción de la Puna inferior de 2018 . [49]
La energía geotérmica no requiere combustible; por lo tanto, es inmune a las fluctuaciones del coste del combustible. 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 entraña riesgos importantes. Un doblete de pozo típico en Nevada puede soportar 4,5 megavatios (MW) de generación de electricidad y su perforación cuesta alrededor de 10 millones de dólares, con una tasa de falla del 20%. [22] En total, la construcción de centrales eléctricas y la perforación de pozos cuestan entre 2 y 5 millones de euros por MW de capacidad eléctrica, mientras que el coste 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 $4 millones por MW y costos nivelados superiores a $0,054 por kW·h en 2007. [50]
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 . [51] [52]
La energía geotérmica es altamente escalable: una pequeña central eléctrica puede abastecer a una aldea rural, aunque los costos de capital iniciales pueden ser altos. [53]
El campo geotérmico más desarrollado son los géiseres de California. En 2008, este campo albergaba 15 estaciones, todas propiedad de Calpine , con una capacidad de generación total de 725 MW. [54]
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