Geotérmica
La energía geotérmica es inagotable, independientemente de las estaciones del año, del tiempo atmosférico o de las condiciones climáticas. En muchos países de todo el mundo se aplica la energía geotérmica, bien para generar electricidad o para su utilización directa en redes térmicas. Especialmente en regiones con condiciones geológicas favorables (por ej. en las regiones del llamado “cinturón de fuego” del Pacífico) o regiones con actividad volcánica, temperatura > 200 °C, la energía geotérmica constituye una base sólida para la obtención de energía ecológica, económica y sostenible. La energía geotérmica existente en la corteza terrestre procede en su mayor parte de procesos de descomposición radioactiva, y el resto existe desde los tiempos de formación de la tierra. Además, las capas superiores almacenan parte del calor resultante de la radiación solar. En países como Alemania, Italia, Indonesia, México, Filipinas, EE.UU. e Islandia, el aprovechamiento de calor geotérmico es ya parte del concepto energético desde hace muchos años. En los últimos años, también en el continente africano, por ejemplo en Kenia, está teniendo mucho éxito el uso de la energía geotérmica para la generación de electricidad.
La industria geotérmica alemana cubre toda la gama de tecnologías geotérmicas: desde la energía geotérmica cercana a la superficie hasta la energía geotérmica profunda hidrotermal y petrotermal para la calefacción, la refrigeración y la generación de electricidad.
Tecnologías y aplicaciones
Dependiendo de la profundidad de excavación se puede diferenciar entre energía geotérmica profunda y energía geotérmica cercana a la superficie.
Energía geotérmica profunda
Aunque no existe un límite estricto, se habla en Alemania de un yacimiento geotérmico profundo a partir de una profundidad mínima de 400 m (límite conforme a la directriz alemana VDI 4640). Sirviéndose de la energía geotérmica profunda, puede obtenerse tanto electricidad en centrales energéticas, como calor en grandes redes térmicas destinadas a la producción industrial o a la calefacción de edificios. Una ventaja frente a otras fuentes de energía renovables es que la energía geotérmica profunda no está sujeta a fluctuaciones estacionales o diarias, está disponible de manera constante y no se tiene que proteger. En Alemania, la energía geotérmica se emplea para cubrir las necesidades básicas. Hay que diferenciar entre geotermia hidrotermal, geotermia petrotermal y sondas geotérmicas profundas.
Para la geotermia hidrotermal, se utilizan directamente capas conductoras de agua caliente en grandes profundidades. La capa de roca portadora de agua (horizonte de uso) debe tener una distribución vertical y lateral amplia para garantizar un uso a largo plazo. La geotermia hidrotermal es aplicable, según la temperatura y cantidad extraída de agua termal, para la obtención de calor o electricidad.
GFZ German Research Centre for Geosciences
Principio de geotermia petrotermal según el proceso Organic Rankine Cycle (ORC).
En la geotermia petrotermal se utiliza el calor de los estratos profundos, en los que se encuentran pocos o casi ningún recurso acuífero. Se usan como reserva las rocas cristalinas y las rocas sedimentarias, a una profundidad de tres a seis kilómetros y con el correspondiente incremento de las temperaturas (más de 150 °C). El acceso se realiza a través de dos o más perforaciones, que se realizan en las rocas densas situadas a suficiente profundidad. Mediante métodos de estimulación hidráulica y química (Enhanced Geothermal Systems, EGS) se crean grietas y fisuras en la roca. Con una perforación de inyección, se inyecta agua a alta presión en la roca, donde se calienta y luego a través de una perforación de transporte vuelve a enviarse a la superficie. El agua caliente calienta a su vez sustancias de bajo punto de ebullición (el denominado proceso de Ciclo Kalina y Organic Rankine Cycle ORC) con el fin de generar vapor para una turbina. El calor también puede ser alimentado, a través de un intercambiador de calor, en la red de calefacción urbana. El 90 % de la energía geotérmica generada en Alemania proviene de sistemas petrotermales, siendo estos el principal potencial.
La sonda geotérmica profunda es un sistema cerrado destinado a la obtención de energía geotérmica, que se coloca a una profundidad de entre 400 m y varios miles de metros. El sistema de la sonda geotérmica profunda funciona de manera similar al de la sonda empleada en la geotermia cercana a la superficie (véase más adelante), pero la sonda geotérmica profunda alcanza temperaturas superiores, así que por lo general no se necesita una bomba de calor y no es posible un uso simultáneo para refrigeración. La energía obtenida se utiliza directamente en forma de calor. También en este caso están disponibles todas las posibles formas de utilizar el calor, que van desde el calor de proceso para la industria a altas temperaturas hasta el uso agrícola a bajas temperaturas. Incluso la generación de electricidad a altas temperaturas no es rentable debido a la pequeña superficie de intercambio de calor de la sonda.
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Distribución natural de la temperatura en la capa cercana a la superficie a más profundidad.
Energía geotérmica cercana a la superficie
Cuando se habla de energía geotérmica cercana a la superficie, se hace referencia a aquella generada a una profundidad máxima de 400 m. Dado que la tierra tiene una temperatura mucho más uniforme que la temperatura de la atmósfera o la del agua, es ideal tanto para la refrigeración como para la calefacción de edificios. A una profundidad de unos 15 m, dependiendo de las condiciones geológicas a un máximo de 40 m, la temperatura en las capas superiores del suelo está sujeta a las fluctuaciones de las estaciones anuales y está determinada por la influencia de los rayos solares. Aquí las temperaturas se encuentran justo por encima de la temperatura media anual de la superficie terrestre. A partir de esta profundidad, la temperatura, de acuerdo con el gradiente geotérmico, aumenta unos 3 °C por 100 m de profundidad, para alcanzar los 20 – 25 °C a una profundidad de 400 m. El calor que puede ser extraído del suelo, también está determinado por la naturaleza del suelo o de la roca.
Diversos sistemas como los colectores geotérmicos, sondas geotérmicas, pilares de energía u otras piezas de hormigón conectadas a tierra, posibilitan el aprovechamiento del calor de la Tierra. Por lo general, el calor del subsuelo poco profundo se aprovecha, gracias a la bomba de calor, para calentar un edificio o para proporcionar agua caliente. En caso de precisarse calefacción, las bombas térmicas elevan el nivel de temperatura predominante en el suelo hasta conseguir la temperatura necesaria en el edificio. Para ello, el calor se extrae del suelo en un proceso de circulación. Las temperaturas constantes existentes en el subsuelo también pueden aplicarse, sin la necesidad de usar una bomba térmica, para refrigerar el edificio directamente. Si la potencia refrigerante del subsuelo no es suficiente, el funcionamiento de la bomba térmica en dirección contraria puede proporcionar la potencia faltante.
- Representación esquemática del uso del calor mediante colectores y sondas geotérmicas, usando una bomba térmica.
Los colectores geotérmicos se colocan horizontalmente a una profundidad de entre 80 y 160 cm, y están sujetos a las condiciones atmosféricas que imperen en la superficie. Se precisa una superficie mayor a la que se necesita en el caso de los pilares de energía (para una vivienda unifamiliar se necesita una superficie de 200 – 250 m²). Para poder absorber el calor almacenado en el suelo, a través de los colectores fluye un medio portador de calor. Esta energía
es transportada hasta la bomba térmica.
Las sondas geotérmicas son un tipo de instalación muy extendida en Europa central y del norte. Se colocan a una profundidad de entre 50 m y 160 m para el aprovechamiento de energía geotérmica cercana a la superficie. Necesitan poco espacio y aprovechan un nivel de temperatura constante. Consisten en tubos de plástico (PEAD o HDPE) que están conectados a circuitos así como con el sistema de refrigeración y calefacción del edificio. Dentro de ellos circula un líquido portador de calor, que absorbe el calor de la tierra circundante y lo conduce a la bomba térmica. Con esta tecnología se pueden abastecer con calor o frío instalaciones de diversos tamaños, desde pequeñas viviendas hasta grandes complejos residenciales.
En el caso de los pilares de energía se cubren, con tuberías de plástico, pilares profundos de hormigón, pantallas subterráneas u otras piezas de hormigón estáticas construidas en el subsuelo que explotan el calor o el frío de la tierra utilizando el agua como conductor. El agua fría se calienta en los pilares de hormigón gracias al calor geotérmico. El agua caliente caldea el edificio mediante la intercalación de una bomba térmica. En verano puede utilizarse el sistema para una agradable refrigeración.
