Sistemas geotérmicos de alta temperatura

Los sistemas geotérmicos de alta temperatura son atractivos para el desarrollo comercial porque se pueden utilizar para generar electricidad. Un recurso geotérmico requiere fluido, calor y permeabilidad para generar electricidad. Los recursos hidrotermales se consideran recursos geotérmicos convencionales y contienen los tres componentes de forma natural. Estos sistemas geotérmicos pueden darse en entornos geológicos muy diversos, a veces sin manifestaciones superficiales claras del recurso subyacente. En Estados Unidos, la mayoría de los recursos geotérmicos de alta temperatura se encuentran en los estados occidentales, principalmente debido a la favorable historia geológica y tectónica de esa zona, que se tratará más adelante en esta página.1U.S. Dept. of Energy, Energy Efficiency & Renewable Energy. (2016, April). Hydrothermal Fact Sheet. https://www.energy.gov/sites/default/files/2016/04/f30/Hydrothermal%20Fact%20Sheet_1.pdf

La energía geotérmica, a la que se accede a través de fluidos en las rocas calientes a una profundidad de hasta varios kilómetros, suministra un flujo constante de vapor o agua a alta presión para generar electricidad.
Los sistemas de energía geotérmica de alta temperatura, a los que se accede a través de fluidos en rocas calientes a varios kilómetros de profundidad en la tierra, suministran un flujo constante de vapor o agua a alta presión para crear electricidad.2U.S. Dept. of Energy, Energy Efficiency & Renewable Energy. (2016, April). Hydrothermal Fact Sheet. https://www.energy.gov/sites/default/files/2016/04/f30/Hydrothermal%20Fact%20Sheet_1.pdf

Cómo generar electricidad utilizando energía geotérmica

Existen tres tipos principales de tecnologías de centrales geotérmicas: vapor seco, vapor flash y ciclo binario. El mecanismo para convertir el calor geotérmico en electricidad forma parte del diseño de la central eléctrica y, por lo general, depende del estado del fluido subsuperficial (vapor o agua) y de su temperatura.

Veamos un vídeo introductorio del Departamento de Energía de EE. UU. que se centra en los sistemas geotérmicos de alta temperatura y la producción de energía.

Puede que te hayas relajado en una piscina natural de aguas termales, o que hayas visto al géiser Old Faithful lanzar agua caliente al aire en el Parque Nacional Yellowstone. Pero ¿alguna vez te has preguntado de dónde proviene todo ese calor?

Proviene de lo profundo del interior de la Tierra y se llama energía geotérmica. Y podemos utilizarla para generar electricidad limpia y renovable.

Bien, así es como funciona la energía geotérmica.

El calor de la corteza terrestre calienta el agua que se filtra en reservorios subterráneos. En algunos lugares, cuando el agua se calienta lo suficiente, puede abrirse paso hacia la superficie en forma de vapor o agua caliente. Esto suele ocurrir en zonas donde las placas de la corteza terrestre se encuentran y se desplazan.

En el pasado, aprovechar la energía geotérmica se limitaba a las áreas donde el agua caliente fluía cerca de la superficie. Pero a medida que la tecnología geotérmica avanza, podemos aprovechar aún más estos recursos naturales de energía renovable.

Los ingenieros han desarrollado varias formas de producir energía a partir de pozos geotérmicos perforados en el suelo. Veamos una de ellas.

Esta es una planta geotérmica de vapor seco, el tipo de tecnología geotérmica más común en la actualidad. El vapor subterráneo fluye directamente hacia una turbina, que acciona un generador para producir electricidad. Bastante sencillo.

Otra tecnología geotérmica se llama planta de vapor flash. En este caso, una bomba empuja un fluido caliente hacia un tanque en la superficie, donde se enfría. Al enfriarse, el fluido “destella”, es decir, se convierte rápidamente en vapor. Ese vapor impulsa una turbina que genera electricidad.

Una planta de ciclo binario funciona de manera diferente. Utiliza dos tipos de fluidos. El fluido caliente del subsuelo calienta un segundo fluido, llamado fluido de transferencia de calor, dentro de un gran intercambiador de calor. Este segundo fluido tiene un punto de ebullición mucho más bajo que el primero, por lo que se convierte en vapor a una temperatura menor. Cuando esto ocurre, el vapor hace girar una turbina que acciona un generador.

Los beneficios ambientales de esta fuente de energía limpia, renovable y disponible las 24 horas son significativos: bajas emisiones, una huella física reducida y un impacto ambiental mínimo. Los pocos subproductos que pueden generarse suelen reinyectarse en el subsuelo.

La energía geotérmica también puede ayudar a reciclar aguas residuales. En California, por ejemplo, las aguas residuales de la ciudad de Santa Rosa se inyectan en el subsuelo para generar más energía geotérmica.

Algunas plantas sí producen residuos sólidos, pero estos pueden contener minerales que se pueden extraer y vender, lo que reduce el costo de esta fuente de energía.

El Servicio Geológico de Estados Unidos estima que los recursos geotérmicos no aprovechados en el país, si se desarrollaran, podrían suministrar el equivalente al 10 % de las necesidades energéticas actuales y reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles.

De hecho, la electricidad generada por energía geotérmica ya proporciona alrededor del 60 % de la energía a lo largo de la costa norte de California, desde el Puente Golden Gate hasta la frontera con el estado de Oregón.

La energía geotérmica está ayudando a impulsar a Estados Unidos hacia la independencia energética y hacia una forma limpia y renovable de satisfacer la creciente demanda de energía.

Sistemas hidrotermales

En los sistemas hidrotermales de alta temperatura, el vapor de los pozos geotérmicos se puede utilizar directamente para hacer girar una turbina (vapor seco); o, a medida que el agua caliente llega a la superficie y se enfría, se produce un vapor que se puede utilizar para hacer girar una turbina (vapor flash). Ambos sistemas hidrotermales se utilizan para producir electricidad.3U.S. Dept. of Energy. (2019, May). GeoVision: Harnessing the Heat Beneath Our Feet. https://www.energy.gov/eere/geothermal/articles/geovision-full-report-0.

Central geotérmica de vapor seco
Central geotérmica de vapor flash

¿Dónde se encuentran los sistemas hidrotermales?

Los sistemas hidrotermales son el tipo de sistemas geotérmicos más consolidado y llevan décadas en funcionamiento comercial. La geología y la ubicación limitan la disponibilidad y la producción de los sistemas hidrotermales. Casi todos los sistemas hidrotermales se encuentran en el Cinturón de Fuego. El Cinturón de Fuego es una cadena de volcanes y lugares sísmicamente activos que comienza en el extremo sur de Sudamérica y rodea la costa del oeste de Estados Unidos, Japón, Indonesia y Nueva Zelanda.

El Cinturón de Fuego es el resultado de la tectónica de placas. En esta región, las placas litosféricas (por ejemplo, la placa del Pacífico) se mueven y chocan alrededor del Océano Pacífico. Las colisiones han creado una serie casi continua de zonas de subducción caracterizadas por profundas fosas oceánicas a lo largo del lecho marino, con volcanes y terremotos asociados. A medida que el magma asciende a la superficie terrestre en forma de actividad volcánica, la roca fundida ascendente calienta el agua atrapada en la roca porosa o el agua que corre a lo largo de superficies de roca fracturada y fallas. Este escenario de tectónica de placas proporciona una de las zonas geotérmicas más activas del mundo.

El Cinturón de Fuego delimita el Océano Pacífico y representa una zona definida por la actividad tectónica de placas.

El Cinturón de Fuego, delineado en el mapa anterior por puntos rojos, es el resultado de la tectónica de placas. En esta región, las placas litosféricas (por ejemplo, la placa del Pacífico) se mueven y chocan alrededor del Océano Pacífico. Las colisiones han creado una serie casi continua de zonas de subducción caracterizadas por profundas fosas oceánicas a lo largo del lecho marino, con volcanes y terremotos asociados. A medida que el magma asciende a la superficie terrestre en forma de actividad volcánica, la roca fundida ascendente calienta el agua atrapada en la roca porosa o el agua que corre a lo largo de superficies de roca fracturada y fallas. Este escenario de tectónica de placas proporciona una de las zonas geotérmicas más activas del mundo.

Como se ilustra a continuación, el Cinturón de Fuego del Pacífico está delimitado de forma natural por este registro del Servicio Geológico de Estados Unidos de actividad volcánica (amarillo), junto con terremotos (de rojo a verde a azul con el aumento de la profundidad) durante más de un siglo. Los colores cálidos indican terremotos a profundidades menores (rojo=<69 km de profundidad dentro de la tierra), mientras que los colores más fríos indican terremotos más profundos (azul=más de 300 km de profundidad dentro de la tierra). El tamaño de los círculos indica las magnitudes relativas de los terremotos. (Haga clic en el mapa para ampliarlo.)

¿Qué continente se encuentra a lo largo del Cinturón de Fuego?

África

Incorrecto

Australia

Correcto

Europa

Incorrecto

Realice una pequeña investigación geográfica y averigüe cuál de estos países se encuentra a lo largo del Cinturón de Fuego.

Angola

Incorrecto

Brasil

Incorrecto

Francia

Incorrecto

Gran Bretaña

Incorrecto

Indonesia

Correcto

Japón

Correcto

Filipinas

Correcto

Debido a la ubicación de esos países a lo largo del Cinturón de Fuego, ¿qué podría predecir sobre sus capacidades para integrar la energía geotérmica en la cartera energética de su país?

Respuesta

Predeciría que los recursos de energía geotérmica tendrían una contribución significativa a la cartera energética de los países a lo largo del Cinturón de Fuego.

Sistemas binarios

En un sistema binario, el agua/vapor geotérmico se puede utilizar para calentar un líquido de punto de ebullición más bajo a su fase gaseosa y esa presión se utiliza entonces para hacer girar una turbina. Un sistema binario es una forma indirecta de aprovechar el calor de la Tierra para la producción de electricidad. El proceso comienza con un fluido geotérmico que llega a la superficie y luego entra en las instalaciones de la central geotérmica. Un tipo común de diseño para las centrales geotérmicas se basa en el ciclo orgánico de Rankine binario (ORC). En este ciclo termodinámico, el fluido geotérmico calienta el fluido orgánico. El fluido orgánico, también denominado fluido de trabajo, tiene un punto de ebullición más bajo, por lo que el fluido se convierte en vapor a través del contacto indirecto en el intercambiador de calor. El vapor orgánico pasa a través de una turbina para generar trabajo mecánico, que luego se convierte en electricidad, como se muestra en el diagrama a continuación. La tecnología ORC a menudo utiliza hidrocarburos como el fluido de trabajo apropiado.4U.S. Energy Information Administration (EIA). (2022, December 21). Geothermal Power Plants. EIA. https://www.eia.gov/energyexplained/geothermal/geothermal-power-plants.ph

Central geotérmica de ciclo binario
¿Son los sistemas binarios un método directo o indirecto de aprovechamiento de la energía geotérmica?

Directo

Incorrecto

Indirecto

Correcto

Créditos de imagen:

  • Diagrama hidrotermal: EERE, Hoja informativa hidrotermal
  • Central de vapor seco GeoVision-2.8: DOE, GeoVision
  • Central de vapor flash GeoVision 2.8: DOE, GeoVision
  • Cinturón de Fuego NEED: NEED a través de EIA
  • Cinturón de Fuego USGS Wikipedia: Servicio Geológico de EE. UU.
  • Central de ciclo binario GeoVision 2.8: Departamento de Energía de EE. UU., GeoVision