Qué es la energía geotérmica, sistemas de climatización y futuro

Energía geotérmica

Seguro que conoces que es a rasgos generales la energía geotérmica pero ¿sabes todo lo básico sobre esta energía?

De forma muy general decimos que la energía geotérmica es la energía calorífica procedente del interior de la Tierra.

Dicho de otro modo, la energía geotérmica es el único recurso renovable, de energía, que no deriva del Sol.

Además, podemos decir que esta energía no es una energía renovable como tal, ya que su renovación no es infinita, no obstante es inagotable a escala humana, por lo que se considera renovable a efectos prácticos.

Origen del calor del interior de la Tierra

La principal causa del calor en el interior de la Tierra es la continua desintegración de algunos elementos radioactivos como el Uranio 238, el Torio 232 y el Potasio 40.

Otro de los orígenes de la energía geotérmica son los choques de las placas tectónicas.

En ciertas regiones, sin embargo, el calor geotérmico se encuentra más concentrado, tal como ocurre en las cercanías de los volcanes, corrientes de magma, géiseres y fuentes termales.

Aprovechamiento de la energía geotérmica

Esta energía se ha venido utilizando por un mínimo de 2.000 años.

Los romanos utilizaron las fuentes termales para baños y, más recientemente, dicha energía ha sido utilizada para la calefacción de edificios e invernaderos y para la generación de electricidad.

Actualmente existen 3 tipos de yacimientos de los que podemos obtener energía geotérmica:

  • Yacimientos de alta temperatura
  • Yacimientos de baja temperatura
  • Yacimientos de rocas calientes secas

Yacimientos de alta temperatura

Decimos que hay un yacimiento de alta temperatura cuando el agua del yacimiento alcanza temperaturas superiores a los 100ºC debido a la presencia de un foco de calor activo.

A fin de que el calor geotérmico pueda crear energía geotérmica aprovechable, las condiciones geológicas deben hacer posible la formación de un embalse geotérmico, similar a los que contienen el petróleo o el gas natural, constituido por una roca permeable, areniscas o piedra caliza por ejemplo, coronado por un estrato de impermeable, como la arcilla.

temperatura alta esquema

Las aguas freáticas  calentadas por las rocas pasan en dirección ascendente al embalse, donde permanecen atrapadas debajo de la capa impermeable.

Cuando existen agrietamientos en dicha capa impermeable, resulta posible el escape de vapor o del agua hacia la superficie, apareciendo  en forma de fuentes termales o géiseres.

Estas fuentes termales han sido utilizadas desde la antigüedad y pueden ser fácilmente usadas para calefacción y procesos industriales.

baños termales

Termas romanas de Bath

Yacimientos de baja temperatura

Los yacimientos de baja temperatura son aquellos en los que la temperatura  del agua, que vamos a utilizar, se sitúa entre 60 y 100ºC.

En estos yacimientos, el valor del flujo calorífico es el normal de la corteza terrestre, por lo que es innecesaria la existencia de 2 de las condiciones anteriores: existencia de foco de calor activo y aislamiento del almacén de fluido.

Temperatura baja esquema

Sólo es necesaria la presencia de un almacén a la profundidad adecuada para que, con el gradiente geotérmico existente en dicha zona, se tengan temperaturas que hagan económica su explotación.

Yacimientos de rocas calientes secas

El potencial de la energía geotérmica es mucho mayor si se extrae el calor de las rocas calientes secas, que no contienen agua naturalmente.

Se encuentran a una temperatura de entre 250 y 300ºC y a una profundidad de entre 2.000 y 3.000 metros.

Para su explotación es necesario romper las rocas calientes secas, para hacerlas porosas.

A continuación, se introduce agua fría desde la superficie por una tubería, dejándola pasar por la roca caliente fracturada, para que se caliente y después, se extrae el vapor de agua por otra tubería para utilizar su presión en mover una turbina y generar energía eléctrica.

esquema roca caliente

El problema de este tipo de explotaciones son las técnicas para fracturar las rocas a tanta profundidad y de perforación.

Aunque se ha avanzado mucho en estas áreas empleando técnicas de perforación petrolíferas.

Energía geotérmica de muy baja temperatura

Podemos considerar el subsuelo a pequeñas profundidades como una fuente de calor a 15ºC, totalmente renovable e inagotable.

Mediante un sistema de captación adecuado y una bomba de calor se puede transferir calor de esta fuente a 15ºC a un sistema que alcance los 50ºC, y utilizar esta última para la calefacción y la obtención de agua caliente sanitaria para el uso en la vivienda.

Además, la misma bomba de calor puede absorber calor del ambiente a 40ºC y entregarlo al subsuelo con el mismo sistema de captación, por lo que el sistema  que puede solucionar la calefacción doméstica también puede solucionar la refrigeración, es decir, la vivienda tiene una sola instalación para su climatización integral.

El principal inconveniente de este tipo de energía es el necesitar una superficie muy grande de enterramiento del circuito exterior, sin embargo, su principal ventaja es la posibilidad de utilizarla como sistema de calefacción y de refrigeración con un coste muy bajo.

En el siguiente esquema puedes ver distintas formas de captar o ceder calor al suelo para su utilización posterior en calefacción, refrigeración y obtención de A.C.S (agua caliente sanitaria). El procedimiento lo explicaré a continuación.

esquema sistemas de climatización

La climatización de una vivienda, de un bloque de viviendas, de un hospital, etc. se puede alcanzar de forma individual, ya que no precisa de grandes inversiones para el sistema, a diferencia de las instalaciones geotérmicas de alta y media temperatura.

Este sistema de aprovechamiento de la energía solar  absorbida por la superficie de la Tierra se basa en 3 elementos principales:

  1. Bomba de calor
  2. Circuito de intercambio con la Tierra
    1. Intercambio de calor con aguas superficiales
    2. Intercambio con el suelo
  3. Circuito de intercambio con la vivienda

La bomba de calor

La bomba de calor es una máquina termodinámica que se basa en el Ciclo de Carnot realizado por un gas.

Esta máquina absorbe calor de una fuente para entregarlo a otra que esta a una temperatura superior.

El ejemplo más típico son los  frigoríficos, estos disponen de una máquina que extrae calor de su interior y lo expulsa al exterior que esta a mayor temperatura.

Otros ejemplos de bomba de calor son los aires acondicionados y climatizadores de viviendas y automóviles.

En este esquema, puedes ver que el foco frío absorbe calor del suelo en un intercambio y el líquido que circula por el circuito del foco frío absorbe calor hasta evaporarse.

esquema bomba de calor

El circuito que transporta el agua con calor del suelo se enfría y vuelve al suelo, la recuperación de la temperatura del suelo es muy rápida.

Por otro lado, el foco caliente, en el interior de la vivienda, calienta el aire cediéndole calor.

La bomba de calor esta “bombeando” calor del foco frío al foco caliente.

El rendimiento (energía suministrada/energía absorbida) depende de la temperatura de la fuente que suministra el calor evaporado.

Los sistemas de climatización convencionales absorben el calor de la atmósfera, que en invierno puede llegar a temperaturas por debajo de los -2ºC.

A estas temperaturas el evaporador no puede captar prácticamente nada de calor y el rendimiento de la bomba es muy bajo.

En verano cuando hace más calor, la bomba tiene que ceder el calor de la atmósfera que puede estar a 40ºC, con lo que el rendimiento no es todo lo bueno que cabe esperar.

Sin embargo, el sistema de captación geotérmico, al disponer de una fuente a temperatura constante, el rendimiento siempre es óptimo sin importar las condiciones de la temperatura atmosférica. Por lo que este sistema es mucho más eficiente que una bomba de calor convencional.

Circuitos de intercambio con la Tierra

Intercambio de calor con aguas superficiales

Este sistema se basa en poner en contacto térmico agua proveniente de una fuente superficial con el evaporador/condensador, según las necesidades, para la absorción o cesión de calor a dichas aguas.

Ventaja: presenta es que tiene un bajo coste

Inconveniente:  no hay siempre fuente de agua disponible.

Intercambio con el suelo

Este puede ser directo cuando el intercambio entre el suelo y el evaporador/condensador de la bomba de calor se realiza mediante una tubería de cobre enterrada.

Para una vivienda pueden precisarse entre 100 y 150 metros de tubería.

  • Ventajas: bajo coste, sencillez y buen rendimiento.
  • Inconvenientes: posibilidad de fugas de gas y de congelación de zonas del terreno.

O también puede ser un circuito auxiliar cuando dispone de un conjunto de tuberías enterradas, por las que se hace circular agua, que a su vez intercambia el calor con el evaporador/condensador.

Para una vivienda pueden precisarse entre 100 y 200 metros de tubería.

  • Ventajas: baja presión en el circuito con lo que se evitan grandes diferencias de temperatura
  • Inconvenientes: coste alto.

Circuitos de intercambio con la vivienda

Estos circuitos pueden ser con un intercambio directo o con una distribución de agua fría y caliente.

El intercambio directo se basa en hacer circular una corriente de aire por la superficie del evaporador/condensador del lado de la vivienda  para el intercambio de calor y distribuir este aire frío/caliente por toda la vivienda, por medio de canalizaciones aisladas térmicamente.

Con un sistema único de distribución se soluciona la distribución de frío y calor en la vivienda.

  • Ventajas: normalmente tienen un bajo coste y mucha simplicidad.
  • Inconvenientes: rendimiento bajo, confort moderado y sólo es aplicable a viviendas de nueva construcción o que dispongan de un sistema de calefacción por convección de aire.

El sistema de distribución de agua fría y caliente se basa en hacer circular un caudal de agua por la superficie del evaporador/condensador del lado de la vivienda para el intercambio de calor.

El agua se suele enfriar hasta 10ºC en  verano y calentarse a 45ºC en invierno para ser utilizada como medio de climatización.

El suelo radiante es el método de mejor rendimiento y mayor confort para solucionar la calefacción, sin embargo, no puede emplearse para la refrigeración, por lo que sí se usa este método o el de radiadores por agua caliente, se tendrá que instalar otro sistema para poder usar la refrigeración.

  • Ventajas: confort y rendimiento muy altos.
  • Inconvenientes: elevado coste.

Rendimiento de los sistemas de climatización

La eficiencia energética de un sistema de climatización usando como fuente de calor el subsuelo a 15ºC es de cómo mínimo del 400% en calentamiento y del 500% en refrigeración.

Cuando se está calentando sólo  hay un aporte de energía eléctrica del 25% del total de la energía requerida. Y cuando se usa para enfriar el rendimiento es más del doble que tendría una bomba de calor intercambiando con el aire a 40 grados, por lo que en este caso hay también un ahorro energético de más del 50% respecto a un climatizador convencional.

Esto quiere decir que para bombear del polo frío al polo caliente 4 unidades de energía (por ejemplo 4 calorías), solamente son necesarias 1 unidad de energía.

En refrigeración por cada 5 unidades bombeadas hace falta 1 unidad para bombearlas.

Esto es posible ya que no genera todo el calor, sino que la mayor parte sólo se transfiere de una fuente a otra.

Las unidades de energía que suministramos a la bomba de calor son en forma de energía eléctrica, así que en el fondo estamos produciendo CO2 en la central productora de energía eléctrica, aunque en mucha menor cantidad.

No obstante, podríamos emplear bombas de calor que no sea eléctricas, sino que su fuente de energía fuera solar térmica pero todavía están en fase experimental.

Si comparamos este sistema frente a un sistema de calefacción por captación de energía solar mediante paneles podemos ver que presenta una gran ventaja, ya que no precisa de grandes acumuladores para compensar las horas de falta de radiación solar.

La gran acumuladora es la propia masa de la Tierra que hace que dispongamos de una fuente de energía a temperatura constante, que en el ámbito de esta aplicación se comporta como infinita.

Rendimiento

Sin embargo, la que sí es la mejor opción de utilización de esta fuente de energía es combinarla con la energía solar térmica, no para mover la bomba de calor como se ha mencionado anteriormente (que también) sino para agregar calor al sistema, dado que en aplicaciones de calefacción y producción de agua caliente sanitaria, el agua se puede poner a 15ºC utilizando energía geotérmica para posteriormente, elevar la temperatura del agua con energía solar.

En este caso la eficiencia de la bomba de calor aumenta exponencialmente.

Distribución de la energía geotérmica

La energía geotérmica está muy extendida por todo el planeta, especialmente en la forma de rocas calientes secas, pero existen zonas en las que se extiende quizás sobre el 10% del superficie del planeta y disponen de especiales condiciones para desarrollar este tipo de energía.

Me refiero a las zonas en las que más se manifiestan los efectos de los terremotos y volcanes y que, en general, coinciden con fallas tectónicas importantes.

mapa energía geotérmica

Entre ellas se encuentran:

  • La costa del Pacífico del Continente Americano, desde Alaska hasta Chile.
  • La zona occidental del Pacífico, desde Nueva Zelanda, pasando por las Filipinas e Indonesia, hasta la China meridional y Japón.
  • El valle de dislocación de Kenia, Uganda, Zaire y Etiopía.
  • Los alrededores del Mediterráneo.

Ventajas y desventajas de la energía geotérmica

Esta energía como todo lo que existe tiene sus partes buenas como sus partes malas.

Como ventajas podemos decir que:

  • Se encuentra distribuida por todo el planeta.
  • Las fuentes geotérmicas más económicas se encuentran en las zonas volcánicas situadas en su mayor parte en los países de vías de desarrollo, lo que puede ser muy útil para mejorar su situación.
  • Es una fuente de energía inagotable a escala humana.
  • Es la energía más barata que se conoce.

Sus desventajas por el contrario son:

  • El empleo de la energía geotérmica presenta algunos problemas ambientales, en particular, la liberación de gases sulfurosos a la atmósfera, junto con las descargas de agua caliente a los ríos, que con frecuencia, contienen un elevado nivel de sólidos.

Aunque en general, las aguas de desecho pueden volver a inyectarse en la tierra, tras haberse extraído, en algunos casos, las sales potásicas comercialmente aprovechables.

  • En general, no resulta viable la transmisión del calor geotérmico a largas distancias. El agua caliente o el vapor deberán utilizarse en las proximidades de su origen, antes de que se enfríe.
  • La mayor parte de las aguas geotérmicas se encuentran a temperaturas inferiores a los 150ºC por lo que en general, no es suficientemente caliente para la generación de electricidad.

Dichas aguas sólo pueden utilizarse para bañarse, calefacción de edificios e invernaderos y cultivos al exterior, o como agua precalentada para calderas.

  • Los yacimientos de rocas calientes secas tienen corta duración, ya que las superficies agrietadas se enfrían con rapidez, con lo que su rendimiento energético desciende rápidamente.
  • Los costes de su instalación son muy elevados.

El futuro de la energía geotérmica

Hasta el momento, solamente se pueden realizar perforaciones y extraer el calor hasta profundidades de unos 3 km, si bien se espera poder alcanzar mayores profundidades, con lo cual se podría utilizar más ampliamente la energía geotérmica.

La energía total disponible a manera de agua caliente, vapor o rocas calientes, hasta una profundidad de 10 km, se aproxima a 3.1017 tep. 30 millones de veces el consumo mundial actual de energía. Lo cual indica que la energía geotérmica puede ser una alternativa interesante a corto plazo.

Las técnicas perfeccionadas para el desarrollo de los recursos geotérmicos son muy similares a las utilizadas en el sector petrolífero. Sin embargo, dado que el contenido energético del agua a 300ºC es mil veces inferior al del petróleo, el capital puede invertirse económicamente en la exploración y perforación es mucho menor.

No obstante, la escasez de petróleo puede potenciar el uso cada vez mayor de la energía geotérmica.

Proceso industrial

Por otro lado, siempre ha sido posible la utilización de fuentes geotérmicas para la generación de electricidad en turboalternadores de tamaño medio (10-100MW) situados cerca del emplazamiento de los pozos, pero la temperatura geotérmica mínima utilizable para la generación de electricidad era de 150ºC.

Últimamente se han desarrollado turbinas sin paletas para aguas y vapores geotérmicos de hasta 100ºC solamente, lo que permite ampliar el campo de utilización de esta energía.

Además, se puede utilizar en procesos industriales como la elaboración de metales, el calentamiento de procesos industriales de todo tipo, el calentamiento de invernaderos, etc.

Pero probablemente el mayor futuro de la energía geotérmica se encuentre en la utilización de la energía geotérmica de muy baja temperatura, debido a su versatilidad, simplicidad, bajo coste económico y ambiental y a la posibilidad de utilizarla como sistema de calefacción y refrigeración.

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