La exploración geotérmica es la exploración del subsuelo en busca de regiones geotérmicas activas viables con el objetivo de construir una planta de energía geotérmica, donde fluidos calientes impulsan turbinas para crear electricidad. [1] Los métodos de exploración incluyen una amplia gama de disciplinas que incluyen geología , geofísica , geoquímica e ingeniería . [2]
Las regiones geotérmicas con flujo de calor adecuado para alimentar las plantas de energía se encuentran en zonas de rift , zonas de subducción y penachos del manto . Los puntos calientes se caracterizan por cuatro elementos geotérmicos. Una región activa tendrá: [1]
La exploración implica no sólo la identificación de cuerpos geotérmicos calientes, sino también regiones de baja densidad y costo-eficientes para perforar y sistemas de tuberías ya constituidos inherentes al subsuelo. [3] Esta información permite mayores tasas de éxito en la producción de plantas geotérmicas, así como menores costos de perforación.
Hasta un 42% de todos los gastos asociados con la producción de energía geotérmica se pueden atribuir a la exploración. Estos costos se deben principalmente a las operaciones de perforación necesarias para confirmar o denegar la existencia de regiones geotérmicas viables. [4] Algunos expertos en geotermia han llegado a decir que los avances en las técnicas y tecnologías de exploración tienen el potencial de generar los mayores avances en la industria. [5]
La perforación proporciona la información más precisa en el proceso de exploración, pero también es el método de exploración más costoso.
Los pozos de gradiente térmico (TGH), los pozos de exploración (pozos angostos) y los pozos de producción a gran escala (wildcats) proporcionan la información más confiable sobre el subsuelo. [4] Los gradientes de temperatura, las bolsas térmicas y otras características geotérmicas se pueden medir directamente después de la perforación, lo que proporciona información valiosa.
Los pozos de exploración geotérmica rara vez superan los 4 km de profundidad. Los materiales del subsuelo asociados con los yacimientos geotérmicos varían desde piedra caliza hasta pizarra , rocas volcánicas y granito . [1] La mayoría de los pozos de exploración geotérmica perforados, hasta el pozo de producción, todavía se consideran dentro de la fase de exploración. La mayoría de los consultores e ingenieros consideran que la exploración continúa hasta que se completa con éxito un pozo de producción. [4]
En general, el primer pozo exploratorio tiene una tasa de éxito del 25 %. Luego de más análisis e investigaciones, las tasas de éxito aumentan hasta un rango del 60 % al 80 %. Aunque los gastos varían significativamente, se estima que los costos de perforación son de $400/pie. [4] Por lo tanto, resulta primordial investigar otros medios de exploración antes de comenzar las operaciones de perforación. Para aumentar las posibilidades de una perforación exitosa, en las últimas dos décadas se han desarrollado innovaciones en tecnologías de teledetección . Estos medios de exploración menos costosos se clasifican en múltiples campos, entre ellos la geología, la geoquímica y la geofísica.
La sismología ha desempeñado un papel importante en la industria del petróleo y el gas y ahora se está adaptando a la exploración geotérmica. [4] Las ondas sísmicas se propagan e interactúan con los componentes subterráneos y responden en consecuencia. Existen dos subcategorías que son relevantes para la fuente de la señal sísmica. [6] La sismología activa se basa en el uso de vibraciones inducidas o provocadas por el hombre en la superficie o cerca de ella. La sismología pasiva utiliza terremotos, erupciones volcánicas u otra actividad tectónica como fuentes. [7]
Los estudios sísmicos pasivos utilizan la propagación natural de las ondas a través de la tierra. [7] Los campos geotérmicos suelen caracterizarse por mayores niveles de sismicidad. Los terremotos de menor magnitud son mucho más frecuentes que los de mayor magnitud. [6] Por lo tanto, estos microterremotos (MEQ), que se registran por debajo de 2,0 de magnitud en la escala de Richter , se utilizan para revelar las cualidades del subsuelo relacionadas con la exploración geotérmica. [7] La alta tasa de MEQ en las regiones geotérmicas produce grandes conjuntos de datos que no requieren largos despliegues de campo.
La sismología activa, que tiene antecedentes en la industria del petróleo y el gas, implica el estudio de la propagación de ondas vibratorias creadas por el hombre. En estos estudios, los geófonos (u otros sensores sísmicos) se distribuyen por todo el sitio de estudio. Las distribuciones de geófonos más comunes son en línea, desfasadas, en línea con disparo central y disparo en abanico. [6]
Se pueden aplicar muchas técnicas analíticas a los estudios de sismología activa, pero en general todas incluyen el principio de Huygens , el principio de Fermat y la ley de Snell . Estos principios básicos se pueden utilizar para identificar anomalías del subsuelo, capas reflectantes y otros objetos con altos contrastes de impedancia . [6]
Los estudios gravimétricos utilizan cambios en las densidades para caracterizar las propiedades del subsuelo. [6] Este método se aplica bien para identificar anomalías densas del subsuelo, incluidos cuerpos de granito, que son vitales para localizar en los proyectos de exploración geotérmica. Las fallas del subsuelo también se pueden identificar con métodos gravitacionales. Estas fallas se identifican a menudo como lugares de perforación principales, ya que sus densidades son mucho menores que el material circundante. Los avances en los estudios gravitacionales aerotransportados producen grandes cantidades de datos, que se pueden utilizar para modelar el subsuelo en tres dimensiones con niveles relativamente altos de precisión.
Los cambios en los niveles de agua subterránea también pueden medirse e identificarse con métodos gravitacionales. Este elemento de recarga es imperativo para crear sistemas geotérmicos productivos. La densidad de poros y la densidad general subsiguiente se ven afectadas por el flujo de fluidos y, por lo tanto, cambian el campo gravitacional . Cuando se correlaciona con las condiciones climáticas actuales, esto se puede medir y modelar para estimar la tasa de recarga en los yacimientos geotérmicos. [1]
Lamentablemente, hay muchos otros factores que deben tenerse en cuenta antes de poder interpretar los datos de un estudio de gravedad. El campo gravitacional promedio que produce la Tierra es de 920 cm/c^2. Los objetos de interés producen un campo gravitacional significativamente menor. Por lo tanto, la instrumentación debe detectar variaciones tan pequeñas como 0,00001%. Se deben observar y tener en cuenta cuidadosamente otras consideraciones, como la elevación, la latitud y las condiciones climáticas. [6]
Las mediciones magnetotelúricas (MT) permiten detectar anomalías de resistividad asociadas con estructuras geotérmicas productivas, incluidas fallas y la presencia de una roca de cobertura , y permiten estimar las temperaturas de los yacimientos geotérmicos a varias profundidades. MT ha contribuido con éxito al mapeo y desarrollo exitoso de recursos geotérmicos en todo el mundo desde principios de la década de 1980, incluso en los EE. UU. y países ubicados en el Cinturón de Fuego del Pacífico, como Japón, Nueva Zelanda, Filipinas, Ecuador y Perú.
Los materiales geológicos son generalmente malos conductores eléctricos y tienen una alta resistividad. Sin embargo, los fluidos hidrotermales en los poros y fracturas de la tierra aumentan la conductividad del material del subsuelo. Este cambio en la conductividad se utiliza para mapear la geología del subsuelo y estimar la composición del material del subsuelo. Las mediciones de resistividad se realizan utilizando una serie de sondas distribuidas a decenas o cientos de metros de distancia, para detectar la respuesta eléctrica de la Tierra a la inyección de impulsos eléctricos con el fin de reconstruir la distribución de la resistencia eléctrica en las rocas. Dado que las aguas geotermales que fluyen pueden detectarse como zonas de baja resistencia, es posible mapear los recursos geotermales utilizando esta técnica. Sin embargo, se debe tener cuidado al interpretar las zonas de baja resistividad, ya que también pueden ser causadas por cambios en el tipo de roca y la temperatura.
El campo magnético terrestre varía en intensidad y orientación durante el día, lo que induce corrientes eléctricas detectables en la corteza terrestre. El rango de frecuencia de esas corrientes permite un análisis multiespectral de la variación del campo electromagnético local. Como resultado, es posible una reconstrucción tomográfica de la geología, ya que las corrientes están determinadas por la respuesta subyacente de las diferentes rocas al campo magnético cambiante. [8]
La aplicación más común del magnetismo en la exploración geotérmica consiste en identificar la profundidad del punto de Curie o la temperatura de Curie . En el punto de Curie, los materiales pasarán de ser ferromagnéticos a paramagnéticos. La localización de las temperaturas de Curie de los materiales del subsuelo conocidos proporciona estimaciones sobre la productividad futura de la planta. Por ejemplo, la titanomagnetita, un material común en los campos geotérmicos, tiene una temperatura de Curie de entre 200 y 570 grados Celsius. Se utilizan anomalías geométricas simples modeladas a diferentes profundidades para estimar mejor la profundidad de Curie. [1]
Esta ciencia se utiliza con frecuencia en la exploración geotérmica. Los científicos de este campo relacionan las propiedades de los fluidos superficiales y los datos geológicos con los cuerpos geotérmicos. La temperatura, las proporciones isotópicas, las proporciones elementales, las concentraciones de mercurio y CO2 son puntos de datos que se examinan minuciosamente. Se colocan geotermómetros y otros instrumentos alrededor de los sitios de campo para aumentar la fidelidad de las estimaciones de la temperatura del subsuelo. [4]
La energía geotérmica es un recurso energético subdesarrollado y justifica una mayor investigación y exploración. [2] Según el Departamento de Energía de los EE. UU. , las capacidades geotérmicas de Utah por sí solas, si se desarrollaran por completo, podrían cubrir un tercio de las necesidades energéticas del estado. Actualmente, los Estados Unidos están planeando organizar bases de datos geotérmicas nacionales, expandir los recursos del USGS a nivel nacional y desarrollar proyectos geofísicos para validar los avances en las tecnologías de exploración. [5] A continuación se enumeran los condados y regiones de los EE. UU. que potencialmente pueden utilizar energía geotérmica y justificarían una mayor exploración. [9]