Energía geotérmica (conceptos generales)

La geotermia es referida como la energía que se deriva del calor natural existente en el interior de la Tierra. La mayor parte de este calor se genera a partir de material fundido llamado magma. La mayoría del magma producido en la Tierra no llega a la superficie, sino que tiende acumularse a profundidades entre 5 y 10 km, en donde suele calentar grandes regiones de roca o reservorios de fluidos confinados, los cuales dan origen a la formación de los sistemas geotérmicos (Armstead, 1983; Dickson & Fanelli, 2005). Desde un punto de vista práctico, se denomina energía geotérmica o simplemente geotermia al estudio y utilización de la energía térmica que, transportada a través de la roca y/o de fluidos, se desplaza desde el interior de la corteza terrestre hacia los niveles superficiales de la misma. Esta energía produce en la superficie terrestre impresionantes manifestaciones tales como fumarolas, manantiales termales, géiseres (Fig. 1), así como la manifestación más extraordinaria de todas, los volcanes.

Figura 1. Erupción del géiser Clepsydra, en el parque de Yellowstone, EE.UU. Fuente: Wikipedia.

El flujo de calor promedio que se da través de la corteza terrestre es del orden de 59 mW/m2 [1.9 x 102 Btu/h/ft2] (MIT, 2006). El contenido total de calor de la Tierra se estima que es del orden de 12.6 x 1012 EJ, mientras que en la corteza terrestre se ha estimado en ~5.4 x 109 EJ (Dickson & Fanelli, 2004). El calor interno de la Tierra es generado continuamente por el decaimiento natural de sus isótopos radiactivos con una tasa energética de 860 EJ/año, lo cual representa 2 veces la energía primaria consumida en el 2004 (463 EJ/año; MIT, 2006). La conductividad térmica de la roca de los sistemas geotérmicos es muy baja, de tal forma que se requiere mucho tiempo para agotar este recurso geoenergético (probablemente del orden de billones de años). Con base en estas características, la geotermia es considerada como una fuente inmensa de energía y casi inagotable si se explota sustentablemente.

La explotación comercial de la geotermia, en la generación de electricidad, inició en 1904, en el campo geotérmico de Larderello, Italia, cobrando mayor importancia hace apenas cuatro décadas. En los 70´s, con el incremento en el costo de los combustibles fósiles, se le dio a la geotermia una importancia relevante, contribuyendo en parte a solucionar los requerimientos de energía de algunos países (Kagel & Gawell, 2005). En la actualidad, la energía geotérmica se considera ya como un recurso explotable, tanto económica como técnicamente, limpio, flexible, confiable y abundante, con posibilidades de usarse en una amplia variedad de aplicaciones (Lund, 2010). Entre los usos más comunes se encuentran: (i) la generación de electricidad; (ii) el acondicionamiento de viviendas mediante bombas de calor geotérmicas (enfriamiento o calentamiento); (iii) recreación (balneología y turismo) y tratamientos medicinales; (iv) invernaderos (agricultura); (v) criaderos de peces y mariscos; y (vi) procesos industriales y de manufactura (p. ej., secado de madera o productos agrícolas).

La energía geotérmica que se explota actualmente para generar electricidad proviene del calor transportado por fluidos de alta temperatura, los cuales han sido calentados por el calor transportado de las intrusiones magmáticas a las rocas. Entre más profundo se vaya en dirección al centro de la Tierra, más alta es la temperatura (figura 2).

Figura. 2.  Estructura interna de la Tierra.

En sitios geotérmicos privilegiados, el gradiente geotérmico suele llegar a ser varias veces mayor que el gradiente normal (cuyo promedio es de 30 °C/km, ó 1 ºC cada 30 metros de profundidad). Por ello, en estas zonas es posible encontrar fluidos con temperaturas entre 200 °C y 350 °C, a profundidades promedio de ~3 km. No obstante, existen actualmente algunos sitios, como en el campo geotérmico de Kakkonda en Japón en donde se han registrado temperaturas hasta de 500 °C (Muraoka et al., 1998). Los sistemas geotérmicos que presentan fluidos con temperaturas superiores a los 200 °C normalmente justifican la perforación de pozos, los cuales son más apropiados para la generación geotermoeléctrica. Se han identificado nueve tipos de sistemas geotérmicos:

• sistemas convectivos hidrotermales;

• sistemas geotérmicos mejorados (roca seca caliente);

• sistemas geopresurizados;

• sistemas geotérmicos conductivos sedimentarios;

• sistemas geotérmicos radiogénicos;

• sistemas marinos;

• sistemas magmáticos;

• sistemas geotérmicos de agua caliente asociado con yacimientos de petróleo y gas; y

• los sistemas geotérmicos supercríticos.

(1)Sistemas geotérmicos convectivos hidrotermales. Están constituidos por una fuente de calor, fluido (líquido y/o vapor) y roca, en donde se almacena el fluido geotérmico (yacimiento o reservorio; Fig. 3). El fluido que existe en los sistemas hidrotermales tiene su origen como agua meteórica (agua de lluvia, hielo o de nieve). Esta agua se infiltra lentamente en la corteza terrestre, a través de poros y fracturas,  penetrando varios kilómetros de profundidad en donde es acumulada y calentada por la roca, interacción que puede alcanzar en ocasiones temperaturas de hasta 500 °C.

Figura 3.  Modelo esquemático de un sistema geotérmico hidrotermal. Fuente: Dickson & Fanelli, 2004.

Estos sistemas pueden a su vez clasificarse en: yacimientos de vapor dominante, líquido dominante de alta entalpía y líquido dominante de baja entalpía. Estos yacimientos pueden estar asociados con sistemas volcánicos o no-volcánicos dependiendo de la temperatura de sus recursos. Cuando las temperaturas son superiores a 200 °C, los yacimientos tienen correlación con sistemas volcánicos y la tectónica de placas, mientras que a temperaturas menores se relacionan generalmente con sistemas no-volcánicos, siendo estos últimos los más comunes. En la actualidad, los sistemas convectivos hidrotermales son los sistemas geotérmicos más convencionales y los que se explotan comercialmente, tanto para la generación de electricidad, como en usos directos.

(2) Sistemas geotérmicos mejorados o de roca seca caliente. Los sistemas geotérmicos mejorados, SGM (“Enhanced Geothermal Systems”, EGS por su acrónimo en inglés), también conocidos como sistemas de roca seca caliente, son concebidos actualmente como una nueva generación de sistemas con un alto potencial térmico. Se caracterizan principalmente por la disponibilidad de una fuente de calor (roca caliente) y la ausencia de fluidos debido las características geológicas propias de estos sistemas, generalmente rocas cristalinas y no permeables (Tester et al., 2007). La explotación de un SGM implica la creación artificial de un yacimiento fracturado mediante técnicas de fracturamiento hidraúlico y acompañado por la inyección de agua a temperatura ambiente a través de un pozo inyector perforado para estos fines. Esta agua es calentada por conducción al entrar en contacto con la roca seca caliente, y después de adquirir condiciones adecuadas de presión y temperatura, es extraída mediante un segundo pozo productor para su aprovechamiento en la superficie (Fig. 4).

Figura 4. Modelo esquemático de un sistema geotérmico mejorado.  Fuente: Dickson & Fanelli, 2004.

Este recurso se encuentra disponible en el subsuelo a 2-4 km de profundidad en todo el planeta, con temperaturas atractivas para la generación de electricidad (en el intervalo 90-350°C), por lo que se consideran sistemas más abundantes y prácticamente inagotables. No obstante que el proceso de explotación de los SGM parece ser muy simple, tecnológicamente todavía presenta algunas barreras y retos por resolver para su explotación comercial, entre las cuales destacan: (a) la creación de un volumen apropiado de roca fracturada; (b) la disposición segura de un sistema tecnológico comercialmente atractivo; (c) la minimización del enfriamiento en el agua geotérmica producida; (d) la minimización de pérdidas de agua inyectada hacia la formación fracturada; y (e) la minimización de problemas de micro-sismicidad inducida por estos proyectos.

Por estas razones, el avance de estos sistemas ha sido lento. De hecho, la mayoría de los proyectos están todavía en fase de I+D y evaluación preliminar de su potencial, aunque cabría mencionar que existen ya algunos proyectos de demostración tecnológica con centrales de generación. Este importante desarrollo se está dando en Australia, Francia, Suiza, Inglaterra, Japón y E.U.A. y podría ser indicativo de lo que ocurrirá a nivel mundial en el futuro (Chamorro-Camazón, 2009). Estudios realizados por el Servicio Geológico de los E.U.A., reportan que la energía almacenada en estos yacimientos equivale a más de 500 veces la energía acumulada en todos los yacimientos de gas y petróleo del mundo, lo que habla de un recurso inmenso (MIT, 2006). Las reservas recuperables de esta energía en los E.U.A. se han estimado en más de 200,000 EJ, equivalentes a más de 2,000 veces la demanda anual de energía primaria. Pronósticos energéticos sobre estos recursos indican que para el 2050 se podrían instalar más de 100,000 MWe con una inversión de 1 billón de dólares americanos (MIT, 2006).

(3) Sistemas geotérmicos geopresurizados. Contienen agua y metano disuelto a alta presión (~700 bar) y mediana temperatura (entre 90 y 200°C) y están generalmente confinados en yacimientos de roca sedimentaria (Sanyal, 2010). Este tipo de recursos de alta presión pueden ofrecer energías: térmica (agua caliente), química (metano) y mecánica (energía cinética debido a que los fluidos con alta presión). Actualmente no se explotan comercialmente, aunque existen detectados algunos sistemas en Texas y Louisiana (E.U.A.: Lund et al., 2010). Se ha estimado el potencial energético solamente en las costas de Texas en unos 40,000 MWt. Se desconoce el potencial de este recurso en México.

(4) Sistemas geotérmicos asociados con cuencas sedimentarias. Estos sistemas pueden producir recursos de baja y mediana temperatura (20 a 150°C) debido a su flujo de calor y a la baja conductividad térmica de las rocas con gradientes geotérmicos superiores a los normales >30˚C/km (Lund et al., 2010). Algunos intentos están siendo evaluados para desarrollar proyectos geotérmicos en cuencas sedimentarias con flujos de calor atractivos. Estos sistemas se han detectado en regiones típicas de la formación Madison en el Norte y Sur de Dakota, Montana and Wyoming en los E.U.A., así como en la cuenca Pannonian de Europa central (Hungría, en donde se usan como recursos de baja entalpía).

(5) Sistemas geotérmicos radiogénicos. Sistemas asociados a intrusiones graníticas que con el calor generado por el decaimiento radioactivo de los isótopos de torio, potasio y uranio calientan el agua subterránea local. Este calentamiento incrementa los gradientes geotérmicos arriba del promedio global y provee un fluido factible de aprovecharse con la perforación de pozos profundos. Este tipo de recursos geotérmicos se tienen disponibles en el Este de los E.U.A., aunque no han sido todavía explotados comercialmente (Lund et al., 2010).

(6) Sistemas geotérmicos marinos. Recursos geotérmicos de alta entalpía existentes en el fondo del mar y manifestados como descargas hidrotermales, chimeneas o fumarolas. Los sistemas marinos han sido poco estudiados hasta ahora, aunque se han detectados ya algunos en México en el Golfo de California con temperaturas hasta de 350 °C y flujos de calor de hasta 0.34 W/m2 (Mercado, 1988; Villanueva et al., 2006). No se explotan comercialmente en la actualidad.

(7) Sistemas geotérmicos magmáticos. Sistemas de roca fundida asociados con aparatos volcánicos activos o detectados a gran profundidad en zonas de debilidad cortical (Wohletz & Heiken, 1992). Existen algunos proyectos piloto desarrollados en Hawaii (Volcán Mauna) y Heimaey en Islandia (una de las islas Westmann) para tratar de extraer la energía térmica de los procesos de fusión de roca. El atractivo más importante de este tipo de recursos son las altas temperaturas disponibles >800 °C (Iglesias-Rodríguez et al., 2005). No se explotan comercialmente en la actualidad por falta de tecnología apropiada. A largo plazo, cuando se disponga la tecnología y los materiales adecuados para resistir la corrosión y las altas temperaturas, se podría explotar la enorme cantidad de energía almacenada en las cámaras magmáticas de los volcanes activos.

(8) sistemas geotérmicos de agua caliente asociados con yacimientos de petróleo y gas. Existen hoy en día, otro tipo de recursos geotérmicos disponibles para su posible explotación a partir del calor contenido en el agua producida en pozos profundos de petróleo o gas (Davis & Michaelides, 2009). Esta agua caliente puede ser co-producida ya sea con petróleo o extraída a partir de los pozos petroleros que han sido abandonados por no tener una producción rentable, o simplemente por agotamiento del yacimiento. Su explotación no se ha hecho aún atractiva debido a que no se tiene evaluado completamente el recurso térmico disponible, en términos de las temperaturas y la producción de agua en estos sistemas.

(9) Sistemas geotérmicos supercríticos. Son sistemas muy profundos caracterizados por disponer fluidos geotérmicos en estado supercrítico y con temperaturas de hasta 600 °C. Hoy en día se han detectado en Islandia, en donde se lleva a cabo un proyecto de perforaciones profundas conocido por su acrónimo IDDP (“Iceland Deep Drilling Project”). El fluido supercrítico puede proveer hasta 10 veces más energía que la de un fluido almacenado en un sistema geotérmico convencional (Fridleifsson & Elders, 2005).