Introducción a la geotermia (II)

Antes de comenzar a hablar de las instalaciones geotérmicas, lo primero que habría que explicar es el recurso en sí. En ese sentido, este post va encaminado a introducir de forma somera las magnitudes que en geotermia se trata y qué tipos de recursos se pueden aprovechar. El cómo lo dejaremos para más adelante (tanto para explotaciones eléctricas como térmicas).

Origen del calor geotérmico

De todos es sabido que el planeta actúa como un reservorio de energía térmica, más que como productor de la misma. El origen del flujo de calor que se genera entre el núcleo y la superficie viene dado por la diferencia de temperatura existente. El núcleo interno, a más de 4.000 ºC, está compuesto por Fe y Ni (en estado sólido debido a la altas presiones), y se extiende a lo largo de 1.220 km de espesor. En la superficie, la temperatura media es de 15ºC, y el flujo de calor que la alcanza tiene dos orígenes: el propio calor almacenado en el núcleo y la desintegración de elementos radiactivos como 232Th, 40K, 235U y 238U, que contribuyen con 500 EJ/año. La velocidad de desintegración decrece exponencialmente con el tiempo, por lo que se puede intuir que durante la época de formación del planeta, esta energía liberada era unas 5 veces mayor. Además, la fricción entre capas internas, la generación de corrientes convectivas y las reacciones exotérmicas contribuyen también a la producción de recurso geotérmico. Por tanto, en un sentido estricto, la energía geotérmica es un recurso no renovable. Sin embargo, al ser un flujo de energía sólo se puede considerar como energía almacenada para períodos de tiempo de miles de millones de años.

composicion_interna

El flujo de calor global que alcanza la superficie es del orden de 1.000 EJ/año, casi el doble de los 532 EJ  que se consumieron globalmente en el año 2008. Sin embargo, esta energía emana muy diluida, alcanzando un valor promedio de 0,06 W/m2, o lo que es lo mismo 60 mW/m2, o también 1,5 HFU (Heat Flux Unit). Además, de forma global, esta cantidad de energía es pequeña si se compara con el flujo de 500 W/m2 (5.400.000 EJ/año), que es la cantidad de calor proveniente de la radiación solar que, por término medio, absorbe la biosfera y pone en marcha los ciclos hidrológico y atmosférico.

Tipo de yacimientos geotérmicos

La geotermia es explotable en aquellas zonas de flujos anómales, donde se alcanzan valores de 10-15 HFU. Estas zonas, además han de ser accesibles para planificar su explotación de forma competitiva. Si nos fijamos en el gradiente de temperatura, la media es de 30ºC por cada km de profundidad, pero en zonas de flujo anómalo pueden alcanzar los 150 ºC/km. Existen tres tipos o clases de regiones geotérmicas:

Hipertérmicas o de alta entalpía:

  • Gradiente de temperatura = 80-100 ºC/km.
  • Temperatura de la fuente hidrotermal = 150-200 ºC.

Semitérmicas o de entalpía media:

  • Gradiente de temperatura = 40-80 ºC/km.
  • Temperatura de la fuente hidrotermal < 100 ºC.

Normales o de baja entalpía:

  • Gradiente de temperatura < 40 ºC/km.

Cabe destacar que, dependiendo del autor, la clasificación puede variar.

Sistemas geotérmicos

Tres elementos son, generalmente, los ejes del sistema geotérmico. La fuente hidrotermal (acuífero), la cubierta impeagrmeable que lo encierra (arcillas o esquistos), y el foco térmico (por ejemplo, granito cristalizado). En los ciclos hidrotermales, el agua proviene de agua de infiltraciones de agua de lluvia, aguas oceánicas, y en mucha menor medida agua expulsada de sedimentos enterrados.

system geothermal

El agua es almacenada gracias a la porosidad de las rocas, y es transferida a lo largo del sistema si además son permeables. Por debajo del acuífero, una cubierta de roca cristalina impermeable y poco porosa actúa de barrera. Sin embargo, no se encuentra confinado, sino abierto a los puntos de recarga, y no tiene por qué encontrarse en forma de agua subenfriada, sino que puede coexistir con vapor sobrecalentado. De hecho, una de las principales clasificaciones de sistemas geotérmicos consiste en separarlos según qué fase es la dominante. La transferencia de calor se produce fundamentalmente por conducción y convección, y es a través de los gradientes térmicos (más constantes o no) que permiten conocer cuál de los dos fenómenos es predominante. La figura de arriba representa un sistema geotérmico ideal, pero existen diferentes tipos:

Sistemas hidrotérmicos.

  • Sistemas con predominio de vapor de agua.
  • Sistemas con predominio de agua líquida.

Sistemas geopresurizados: sistemas donde el agua a 150-200 ºC permanece en estado líquido, debido a presiones hidrostáticas de hasta 100 MPa (1.000 atmósferas) a grandes profundidades. Al ascender el agua, desciende la presión, hecho que puede dar lugar a una evaporación súbita, dando un vapor húmedo y de menor entalpía que el seco.

Sistemas HDR (Hoy Dry Rock) de roca caliente seca: asociadas al calor almacenado en estratos rocosos virtualmente impermeables. Requieren de técnicas de microsismicidad inducida para su aprovechamiento.

Otros autores proponen clasificaciones más extensas, según estén asociados a unas determinadas formaciones geológicas y a su origen:

Sistemas geotérmicos volcánicos: asociados, directa o indirectamente, con la actividad volcánica. El foco térmico lo constituye una intrusión magmática, y se encuentran en sistema volcánicos donde las fracturas existentes controlan el flujo hídrico.

Sistemas geotérmicos sedimentarios: se encuentran en cuencas sedimentarias, donde existen gradientes anómalos de calor (>30 ºC/km), y donde es la conducción la principal forma de transmisión del calor.

Sistemas geopresurizados: sistemas donde el agua a 150-200 ºC permanece en estado líquido, debido a presiones hidrostáticas de hasta 100 MPa (1.000 atmósferas) a grandes profundidades. Al ascender el agua, desciende la presión, hecho que puede dar lugar a una evaporación súbita, dando un vapor húmedo y de menor entalpía que el seco.

Sistemas HDR (Hoy Dry Rock) de roca caliente seca: asociadas al calor almacenado en estratos rocosos virtualmente impermeables. Requieren de técnicas de microsismicidad inducida para su aprovechamiento.

Sistemas hidrotérmicos convectivos de fractura controlada: en estos sistemas, a profundidades > 1 km, el agua se infiltra por las fracturas verticales de las rocas para entrar en contacto con el calor almacenado.

Una vez vista la clasificación de los sistemas (que no del tipo de instalaciones existentes), conviene decir algo de la conductividad hidráulica de las rocas, factor clave en el aprovechamiento de los sistemas geotérmicos:

La Ley de Darcy

La conductividad hidráulica (Kw) va a representar el volumen de fluido que emana por unidad de superficie y día. Aparece como factor de proporcionalidad en la ley de Darcy, que establece que la velocidad (en m3 por unidad de superficie y día, o sencillamente m/día) a la que se mueve un fluido a través de un medio poroso es proporcional al gradiente de presión que provoca el flujo.

v = Kw (H/L)

Donde H representa la altura efectiva del agua que provoca el flujo, y (H/L) es el gradiente hidráulico, y representa el cambio que experimenta la altura de agua por cada metro de distancia medido en la dirección de flujo.  En geotermia, lechos de caliza o areniscas son buenos para albergar acuíferos, dada su elevada Kw. Para evitar que el fluido encuentre una salida al exterior, el acuífero ha de estar confinado por su parte inferior por un lecho de roca impermeable, como arcilla o lava sin fracturar. Esto ayuda a que, debajo del punto de extracción, la presión que actúa sobre el fluido sea elevada.

kw

En resume, una buena fuente geotérmica ha de caracterizarse por poseer un flujo anómalo de calor, así como una porosidad, conductividad hidráulica y un gradiente hidráulico suficientemente elevado. Igualmente importante es la conductividad térmica (Kt) de las rocas: por ejemplo, en areniscas y calizas ronda los 2,5 – 3,5 W/m ºC, mientras que en arcillas y esquistos es de 1 – 2 W/m ºC, lo que unido a su elevada impermeabilidad (o Kw baja) las convierten en excelentes barreras que impiden la fuga de agua y almacenan el calor, aumentando el gradiente geotérmico o de temperatura sobre los acuíferos subyacentes.

Aplicaciones de la energía geotérmica

Me gustaría terminar con un gráfico muy ameno y visual donde se establecen los usos geotérmicos para diferentes rangos de temperatura.

IMG_20121219_160739

En el siguiente artículo de la serie introduciremos los sistemas de generación eléctrica geotérmicos, con ejemplos de plantas en operación, por lo que nos centraremos en los de alta y media entalpía.

Fuentes:

Energías Renovables – Jaime González Velasco

Energía, agua, medioambiente, territorialidad y sostenibilidad – Xavier Elías Castells, Santiago Bordas Alsina

ESMAP – Geothermal Handbook: Planning and Financing Power Generation

Piensa en Geotermia

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