18.4: Energía geotérmica

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Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

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La energía geotérmica se origina del calor que sube a la superficie a partir del núcleo de hierro fundido de la Tierra creado durante la formación y compresión de la Tierra temprana, así como del calor producido continuamente por la desintegración radiactiva del uranio, torio y potasio en la corteza terrestre. Las centrales geotérmicas aprovechan esta energía térmica para producir electricidad de la misma manera que el calor de la quema de carbón genera energía (figura\(\PageIndex{a-c}\)). El agua se inyecta bajo tierra y se calienta. El vapor que emerge puede ser utilizado directamente, el calor puede ser transferido a sistema cerrado de otro fluido, que luego hierve (figura\(\PageIndex{c}\)). De cualquier manera, el vapor (u otro gas de alta presión) finalmente gira una turbina y alimenta un generador.

El vapor emerge de una planta geotérmica, una red de estructuras metálicas — Figura\(\PageIndex{a}\): El vapor se libera de una planta de energía geotérmica. Imagen por Gobierno de Acceso Abierto (CC-BY).

Un diagrama de planta de energía geotérmica muestra múltiples pozos para acceder al calor desde el subsuelo — Figura\(\PageIndex{b}\): En una planta geotérmica, el fluido geotérmico se inyecta bajo tierra. (El agua geotérmica se refiere al agua caliente/vapor utilizado en este proceso). Mejora la permeabilidad de las rocas y se calienta bajo tierra. Sale a la superficie a través de pozos de producción, donde se utiliza para generar electricidad en la planta geotérmica. El vapor de agua se libera de la instalación de enfriamiento de la planta de energía. Para reciclar el fluido geotérmico, se devuelve al embalse y se inyecta de nuevo en el suelo. Imagen de Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables/Departamento de Energía de Estados Unidos (dominio público).

Una planta de energía geotérmica muestra el agua caliente de debajo del suelo siendo convertida en vapor y girando una turbina — Figura\(\PageIndex{c}\): (1) En una planta de energía geotérmica, se bombea agua caliente desde las profundidades subterráneas a través de un pozo bajo alta presión. (2) Cuando el agua llega a la superficie, se baja la presión, lo que hace que el agua se convierta en vapor. (3) El vapor hace girar una turbina, la cual está conectada a un generador que produce electricidad. (4) El vapor se enfría en una torre de enfriamiento y se condensa de nuevo en agua. (5) El agua enfriada se bombea de nuevo a la Tierra para comenzar nuevamente el proceso. Imagen y subtitulo (modificado) de EPA (dominio público).

Las bombas de calor geotérmicas (bombas de calor de origen terrestre) dependen de temperaturas frías bajo tierra para enfriar o calentar hogares (figura\(\PageIndex{d}\)). A veces se les considera un segundo tipo de energía geotérmica, pero también son un medio de conservación de energía. Las bombas de calor geotérmicas utilizan un sistema de intercambio de calor que corre en el subsuelo a unos 20 pies (5 metros) por debajo de la superficie, que es constantemente fría (alrededor de 55°F o 12.5° C). El fluido se bombea bajo tierra y luego a lo largo de conductos en el hogar. Esto enfría la casa durante el verano, actuando como disipador de calor. Durante un invierno frío, calienta la casa a 55° F (actuando como fuente de calor), y los sistemas de calefacción tradicionales hacen el resto. Esto reduce el consumo de energía requerido para generar calor a partir de gas, vapor, agua caliente y sistemas de aire acondicionado eléctricos convencionales.

El diagrama de la bomba de calor de fuente terrestre muestra el tubo con fluido que va bajo tierra, transfiriendo calor al edificio. — Figura\(\PageIndex{d}\): Una bomba de calor de fuente terrestre (bomba de calor geotérmica) en modo calefacción (durante el invierno; izquierda) y en modo enfriamiento (durante el verano; derecha). Hay cuatro pasos para el modo de calentamiento (izquierda). (1) Circulación: La bomba de calor sobre el suelo mueve agua u otro fluido a través de una serie de tuberías enterradas o bucles de tierra. (2) Absorción de calor: A medida que el fluido pasa a través del circuito de tierra, absorbe calor del suelo más cálido, roca o agua subterránea a su alrededor. (3) Calor intercambio y uso: El fluido calentado regresa al edificio donde se utiliza para calentar espacios o agua. El sistema utiliza un intercambiador de calor para transferir calor al sistema existente de manejo de aire, distribución y ventilación del edificio. (4) Recirculación: Una vez que el fluido transfiere su calor al edificio, regresa a una temperatura más baja al circuito de tierra para ser calentado nuevamente. Este proceso se repite, moviendo el calor de un punto a otro. Los cuatro pasos para el modo de enfriamiento (derecha) son similares: (1) intercambio y absorción de calor, (2) circulación, (3) descarga de calor y (4) recirculación. Imágenes y subtitulo (modificado) de EPA (dominio público).

El diagrama de la bomba de calor de fuente terrestre muestra el tubo con fluido que va bajo tierra, eliminando el calor del edificio. — Figura\(\PageIndex{d}\): Una bomba de calor de fuente terrestre (bomba de calor geotérmica) en modo calefacción (durante el invierno; izquierda) y en modo enfriamiento (durante el verano; derecha). Hay cuatro pasos para el modo de calentamiento (izquierda). (1) Circulación: La bomba de calor sobre el suelo mueve agua u otro fluido a través de una serie de tuberías enterradas o bucles de tierra. (2) Absorción de calor: A medida que el fluido pasa a través del circuito de tierra, absorbe calor del suelo más cálido, roca o agua subterránea a su alrededor. (3) Calor intercambio y uso: El fluido calentado regresa al edificio donde se utiliza para calentar espacios o agua. El sistema utiliza un intercambiador de calor para transferir calor al sistema existente de manejo de aire, distribución y ventilación del edificio. (4) Recirculación: Una vez que el fluido transfiere su calor al edificio, regresa a una temperatura más baja al circuito de tierra para ser calentado nuevamente. Este proceso se repite, moviendo el calor de un punto a otro. Los cuatro pasos para el modo de enfriamiento (derecha) son similares: (1) intercambio y absorción de calor, (2) circulación, (3) descarga de calor y (4) recirculación. Imágenes y subtitulo (modificado) de EPA (dominio público).

Este video explica la construcción y el mecanismo de las bombas de calor geotérmicas.

La energía geotérmica no solo tiene múltiples aplicaciones (generación de electricidad, calefacción y refrigeración), sino que es confiable. Si bien la energía solar y eólica son intermitentes, el calor se irradia constantemente desde las profundidades subterráneas. Además, las temperaturas frías más cercanas a la superficie necesarias para las bombas de calor geotérmicas están presentes durante todo el año y en todas las ubicaciones. Sin embargo, las centrales geotérmicas para la generación de electricidad solo pueden construirse en ubicaciones específicas donde el magma caliente esté lo suficientemente cerca de la superficie de la Tierra. Estas ubicaciones suelen estar asociadas con géiseres, aguas termales o volcanes (figura\(\PageIndex{e}\)). Además, las plantas de energía geotérmica son costosas de construir.

Los triángulos en un mapa del mundo marcan la ubicación de los volcanes del mundo. — Figura\(\PageIndex{e}\): Localizaciones de los volcanes del mundo. Se concentran a lo largo de las costas occidentales de América del Norte y Sudamérica, así como justo al este de Asia y Australia. Estas regiones, que se envuelven alrededor del Océano Pacífico, forman lo que se conoce como el Anillo de Fuego. Imagen de Salazar, S.S., Muñoz, Y. & Ospino, A. Análisis de la energía geotérmica como fuente alternativa de electricidad en Colombia. *Geotherm Energy* 5, 27 (2017). (CC-BY)

El impacto ambiental de la energía geotérmica depende de cómo se esté utilizando. El uso de bombas de calor geotérmicas casi no tiene impacto negativo en el medio ambiente. Las centrales geotérmicas no queman combustible para generar electricidad, por lo que generan una mínima contaminación del aire. Liberan menos del 1% de las emisiones de dióxido de carbono de una planta de combustibles fósiles. Las plantas geotérmicas utilizan sistemas de depuración para limpiar el aire del sulfuro de hidrógeno que se encuentra naturalmente en el vapor y el agua caliente. Emiten 97% menos de compuestos de azufre (una causa de deposición ácida/lluvia ácida) que los emitidos por las plantas de combustibles fósiles. Después de que se hayan utilizado el vapor y el agua de un reservorio geotérmico, se inyectan de nuevo en la Tierra. Una preocupación ambiental asociada a las centrales geotérmicas es que la perforación geotérmica durante su construcción ha provocado sismos, similares a los efectos de los pozos de inyección para fracking.

Atribución

Modificado por Melissa Ha de Energía Renovable y Desafíos e Impactos del Uso de Energía de la Biología Ambiental por Matthew R. Fisher (licenciado bajo CC-BY)