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Electricidad

Energía geotérmica

¿Puede la energía geotérmica sustituir para siempre la quema de combustibles?

Hay una fuente de energía casi inagotable justo bajo nuestros pies. Contamos la historia de la energía geotérmica. Después comparamos las centrales geotérmicas convencionales con los sistemas geotérmicos mejorados, que se pueden ajustar para equilibrar la energía eólica y solar, y las bombas de calor geotérmicas para edificios individuales. También analizamos una nueva tecnología de perforación profunda que vaporiza la roca en vez de cortarla, un camino que podría hacer posible la geotermia en casi cualquier lugar de la Tierra.

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ImpactoRapidezCosteMadureztecnológicaNaturaleza

3,4general

Puntuación de esta solución

  • Impacto4 / 5Energía limpia siempre disponible, con nuevas tecnologías de perforación que permiten aprovecharla en más lugares.
  • Rapidez3 / 5La perforación necesaria para cada central lleva años; una mayor implantación requiere abaratarla.
  • Coste3 / 5Cara de perforar, pero luego muy barata de operar.
  • Madurez tecnológica4 / 5Probada desde hace un siglo; la perforación de nueva generación aún está surgiendo.
  • Naturaleza3 / 5Ocupa muy poco espacio en la superficie; riesgo menor de pequeños temblores.

Guía

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Cuestionario

Pregunta 1 de 10

¿Quién generó electricidad por primera vez con el calor de la Tierra, en 1904?

Puntuación 0 / 10

Transcripción

Desde las hogueras de leña de la prehistoria hasta los combustibles fósiles de la modernidad, los seres humanos han estado obsesionados con quemar cosas. De hecho, se les ha dado tan bien que ya han quemado el equivalente a toda la vida vegetal que existe actualmente en la Tierra, unos colosales 450.000 millones de toneladas métricas de carbono [1,2].

Pero ¿y si la era del fuego pudiera llegar a su fin? ¿Y si la humanidad pudiera aprovechar la energía del planeta y convertir la propia Tierra en una colosal central eléctrica?

Puede sonar a ciencia ficción, pero bajo la superficie de la Tierra hay una fuente secreta de energía casi ilimitada que podría alimentar al mundo durante milenios - la energía geotérmica.

Mucho antes de que los humanos empezaran a quemar combustibles fósiles, la propia Tierra daba calor a las civilizaciones antiguas. De hecho, los pueblos antiguos creían que las fuentes geotérmicas eran sagradas [3,4].

Los antiguos romanos incluso construyeron complejos a su alrededor [5,6,7] para poder hacer lo único que a los humanos les gusta más que quemar cosas - bañarse en aguas calientes y humeantes, un pasatiempo que disfrutaba el escritor romano y amante de los baños Plinio el Viejo [4,8] mientras escribía la primera enciclopedia del mundo [9,10].

Pero el calor de la Tierra también puede ser destructivo, como descubrió después Plinio cuando él y la ciudad de Pompeya quedaron enterrados bajo ceniza y gas tóxico en la erupción volcánica del Vesubio en el año 79 d. C. [11,12,13].

No fue hasta 1904 cuando el innovador príncipe italiano Piero Ginori Conti descubrió que, si perforas un agujero muy, muy profundo, puedes acceder al calor de la Tierra y usarlo para generar electricidad [14,15,16].

Pero ¿de dónde sale toda esa energía? ¿Y cómo funcionan exactamente máquinas como el artilugio de Conti?

La Tierra puede parecer acogedora desde fuera, pero su exterior fresco y verde es como una cáscara de huevo, poco más que una corteza fina y quebradiza sobre gruesas capas de roca fundida y semifundida. Cuanto más bajas, más calor hace. Y, a más de 5.000 °C[17,18], el núcleo de la Tierra está tan caliente como la superficie del Sol [19,20].

Menos mal que está a casi 3.000 kilómetros de profundidad [17,21], ¡o esos humeantes baños romanos podrían haber escaldado bastante más!

Parte de este calor es energía que quedó de la ardiente formación de la Tierra hace 4.500 millones de años, y el resto procede de la desintegración de elementos radiactivos en la propia roca [22,23]. Juntos, generan tanta energía que el calor que llega a la superficie podría, en teoría, abastecer a los humanos durante millones de años [24,25].

Entonces, ¿cómo pueden los humanos liberar el potencial del planeta?

Hay tres enfoques principales:

1) Geotermia convencional

2) Geotermia mejorada

3) Bombas de calor geotérmicas

La forma convencional necesita una fuente natural de agua subterránea y vapor sobrecalentados, que puedes encontrar en abundancia en Islandia. Como está situada en la unión entre dos placas tectónicas que se separan y es básicamente una enorme colección de volcanes, tiene abundante vapor y agua sobrecalentada justo bajo la superficie. Al perforar para acceder a ellos, este vapor puede usarse para mover turbinas y generar electricidad.

Si el yacimiento se gestiona de forma sostenible devolviendo el agua al suelo cuando se enfría, este proceso puede mantenerse durante siglos [26-29]. Parte de esta agua calentada geotérmicamente también puede llevarse por tuberías para calentar directamente casas, invernaderos e incluso piscinas, permitiendo a quienes viven allí bañarse todo el año.

De hecho, Islandia tiene tanta energía geotérmica que ahora cubre un impresionante 70 % de sus necesidades de energía primaria [30,31].

Pero ¿y si no tienes la suerte de vivir cerca de un volcán con yacimientos de agua sobrecalentada bajo tus pies? Ahí entra la opción 2.

Incluso en zonas sin vapor natural [32,33,34], se puede inyectar agua en la roca caliente de debajo para crear un yacimiento artificial de agua sobrecalentada, conocido como sistema geotérmico mejorado [35,36,37], que después puede producir energía casi igual que un sistema convencional.

Los yacimientos geotérmicos mejorados también podrían resolver el mayor reto de la energía eólica y solar.

La demanda energética humana sigue un patrón: sube por la mañana cuando la gente se levanta para tomar sus tostadas, baja cuando se va a trabajar y vuelve a subir cuando regresa para ver la tele y encender las luces.

Irónicamente, la energía del Sol está más disponible cuando menos se necesita.

Y como la disponibilidad de energía eólica es un poco aleatoria, incluso juntas a menudo no dan lo que hace falta.

Por otro lado, el flujo de energía de un yacimiento geotérmico mejorado puede ajustarse durante el día, lo que significa que siempre hay electricidad cuando los humanos la necesitan.

Es una combinación realmente ganadora [43-56]. Así que ¿cuál es la pega?

Tanto los sistemas geotérmicos convencionales como los mejorados requieren perforar cientos (y a veces miles) de metros de roca. Y, como sabe cualquiera que conozca las rocas, son famosas por ser bastante duras, lo que hace que perforar sea todo un reto.

Los futuros avances en tecnologías como las ondas milimétricas, que vaporizan la roca con un haz de alta energía [38,39], podrían algún día permitir a los humanos perforar tan profundo [40] que se pudiera acceder al calor geotérmico casi en cualquier lugar de la Tierra.

Pero ¿y si hubiera una forma más barata y fácil de usar el calor geotérmico?

Ahí entra la tercera opción: ¡las bombas de calor geotérmicas!

A diferencia de los sistemas geotérmicos convencionales y mejorados, estas pueden instalarse a mucha menos profundidad. Usan el calor del suelo para calentar un fluido especial a temperaturas más moderadas, aumentan su temperatura mediante un sistema de intercambio de calor, transfieren ese calor al agua y la hacen circular por tuberías para calentar las casas de la gente [41,42].

Puede sonar descabellado pero, cuando el calor se aumenta así, el suave calor que hay bajo solo unos metros de tierra es más que suficiente para calentar agua para un buen baño humeante.

¡Y lo hace de forma mucho más eficiente que las calderas tradicionales!

¿Puede de verdad la energía geotérmica ayudar a los humanos a dejar su adicción a quemar cosas? ¡Sí!

Con la inversión adecuada, incentivos fiscales, investigación y tecnologías, los humanos podrían por fin liberar todo el potencial del planeta y acceder a esta energía subterránea en todas partes - desde fuentes volcánicas hasta jardines de las afueras - creando un futuro sin fuego y con un montón de baños calientes y humeantes para todos.

Asesores expertos

Queremos dar las gracias a

Prof. Jon Gluyas

Universidad de Durham

Presidente, The Geological Society

Departamento de Ciencias de la Tierra

Dr. Andrea Paulillo

University College London

Departamento de Ingeniería Química

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Fuentes adicionales

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Fuentes

Todo lo enlazado aquí está en inglés.

  1. [1] Análisis: ¿Qué países son históricamente responsables del cambio climático? | Carbon Brief (ver Notas de referencia*)
  2. [2] El peso de toda la vida en la Tierra | ESALQ - College of Agriculture, University of São Paulo
  3. [3] Breve historia de la larga relación entre la raza humana y los fenómenos geotérmicos | Proceedings World Geothermal Congress
  4. [4] La energía geotérmica a lo largo de los tiempos - Electricidad y energías alternativas | Alberta's Energy Heritage
  5. [5] Sistema de recuperación de calor del agua termal de Roman Baths | Buro Happold
  6. [6] Tomar las aguas: recuperar calor de los baños romanos | CIBSE Journal
  7. [7] Bath Abbey se calentará con agua de las fuentes termales de la ciudad | Energy | The Guardian
  8. [8] Fuentes termales medicinales y balnearios curativos en el mundo grecorromano (En: Ocio, placer y curación) | Supplements to the Journal for the Study of Judaism
  9. [9] Enciclopedias de la naturaleza: leer a Plinio | Leonardo's Library | Spotlight at Stanford
  10. [10] Recordando a Plinio el Viejo y la primera enciclopedia | Knowable Magazine
  11. [11] Sobre la muerte de Plinio el Viejo | Memoirs of the American Academy of Arts and Sciences
  12. [12] La trágica muerte de Plinio el Viejo y los últimos días de Pompeya | The Collector (ver Notas de referencia*)
  13. [13] Los vaciados de Pompeya: perspectivas metodológicas postdeposicionales | PLOS ONE (ver Notas de referencia*)
  14. [14] La ciudad geotérmica: historia | MIT
  15. [15] ¿Sabías que… Italia alberga la central geotérmica más antigua del mundo? | Utah FORGE
  16. [16] La primera central geotérmica del mundo | World-Energy
  17. [17] El núcleo de la Tierra | National Geographic
  18. [18] ¿Por qué está tan caliente el núcleo de la Tierra? ¿Y cómo miden los científicos su temperatura? | Scientific American
  19. [19] ¿Por qué el núcleo de la Tierra no derrite el planeta? | BBC Science Focus
  20. [20] Presentadas pruebas sólidas de la teoría del calentamiento coronal en la reunión TESS de 2015 | NASA
  21. [21] Conductividad térmica y eléctrica del hierro en las condiciones del núcleo de la Tierra | Nature
  22. [22] ¿Qué es la energía geotérmica? | Planète Energies
  23. [23] Energía geotérmica: potencial para calor y electricidad en Gran Bretaña | House of Lords Library
  24. [24] Una revisión global de los sistemas geotérmicos mejorados (EGS) | Renewable and Sustainable Energy Reviews
  25. [25] La energía geotérmica como forma de descarbonizar el mix energético de las megaciudades | Communications Earth & Environment | Nature
  26. [26] Reinyección en campos geotérmicos: una revisión mundial actualizada de 2020 | Geothermics
  27. [27] Reinyección - una visión general | ScienceDirect Topics
  28. [28] Vida útil y densidad de potencia de pozos geotérmicos intermedios-a-profundos en aplicaciones de calefacción urbana | The European Physical Journal Plus
  29. [29] Energía geotérmica | National Geographic
  30. [30] Aprovechamiento de la energía geotérmica en una estrategia insular basada al 100 % en energías renovables. Estudio de caso de Tenerife (España) | Journal of Cleaner Production
  31. [31] Energy Figures 2021 | Orkustofnun (También Primary Energy Use in Iceland 1940-2020 | Orkustofnun)
  32. [32] Predicción de la idoneidad geográfica de las centrales geotérmicas | Journal of Cleaner Production
  33. [33] CGG concede licencias de estudios geotérmicos multi-cliente que apoyan la transición energética a una empresa energética estadounidense | Viridien
  34. [34] De roca caliente a energía útil: una estimación mundial del potencial de los sistemas geotérmicos mejorados | Applied Energy
  35. [35] Ficha informativa sobre sistemas geotérmicos mejorados (EGS) | US Department of Energy
  36. [36] Programa de tecnologías geotérmicas: sistemas geotérmicos mejorados | NLR (NREL)
  37. [37] Sistemas geotérmicos mejorados - una visión general | ScienceDirect Topics
  38. [38] Energía geotérmica con perforación por ondas milimétricas o por energía directa | Geoengineering Global
  39. [39] Quaise Energy
  40. [40] Perforación geotérmica profunda con tecnología de ondas milimétricas | OSTI.GOV
  41. [41] Energía limpia 101: bombas de calor geotérmicas | RMI
  42. [42] Bombas de calor geotérmicas: cómo funcionan | AHRI
  43. [43] Los recursos flexibles ayudan a las renovables | Datos rápidos | California ISO
  44. [44] ¿Por qué la hidroeléctrica de bombeo? | Queensland Hydro
  45. [45] Red eléctrica operativa en tiempo real | U.S. Energy Information Administration (EIA)
  46. [46] Captar la variación a lo largo del tiempo en los perfiles diarios de demanda energética con análisis de conglomerados en hogares británicos | Applied Energy
  47. [47] La demanda es inteligente y se adapta a los cambios en el perfil de precios | AleaSoft Energy Forecasting
  48. [48] Figura 1: Curvas de generación de energía eólica y solar comparadas con la potencia (En: The New Hybrid Model of Compressed Air for Stable Production of Wind Farms) | International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering
  49. [49] Figura 1: Oferta y demanda diarias con almacenamiento de energía renovable (En: Geophysical assessments of renewable gas energy compressed in geologic pore storage reservoirs) | SpringerPlus
  50. [50] Figura 4: Previsión y potencia real de un parque eólico (En: Wind power forecasting error-based dispatch method for wind farm cluster) | Journal of Modern Power Systems and Clean Energy
  51. [51] Figura 1: Generación eléctrica eólica y térmica y precio al contado cada media hora (En: Changing winds: how wind energy interacts with the New Zealand power system) | Electricity Authority
  52. [52] Figura 1: Consumo eléctrico medio cada media hora (En: Consumo eléctrico y características de los hogares: implicaciones para el censo en un futuro con contadores inteligentes) | Computers Environment and Urban Systems
  53. [53] Figura 1: Perfiles horarios simulados de producción eólica, solar, de un sistema híbrido eólico-solar y perfil de carga (En: Aprovechar la complementariedad de los recursos eólico y solar para reducir la necesidad de almacenamiento de energía) | AIMS Energy
  54. [54] Figura 2: Demanda eléctrica media cada media hora durante el periodo de control (En: ¿Cómo afecta el horario de verano a la demanda eléctrica? Una respuesta usando datos agregados de un experimento natural en Australia Occidental) | Energy Economics
  55. [55] El valor del almacenamiento de energía en el yacimiento para el despacho flexible de energía geotérmica | Applied Energy
  56. [56] Figura 15 (En: Comparación tecnoeconómica cuantitativa de un sistema eléctrico híbrido fotovoltaico-eólico con distintas tecnologías de almacenamiento de energía para electrificar tres zonas remotas de Camerún usando el algoritmo de búsqueda del cuco) | Journal of Energy Storage

Notas de referencia

1

informa de 1718 Gt de CO2, lo que equivale a 468,54 Gt de carbono.

12,13

Material extra - Plinio el Viejo, bañándose en sus últimos momentos (ver animación)

[12] Plinio el Viejo observó una gran nube amenazante salir de la cima del monte Vesubio. Al decidir que algo no iba bien, eligió no escapar y salvarse, sino enviar una flota de barcos de guerra para ayudar a otras personas de la costa, y partió con ellos. Al recibir una nota de su amiga Rectina pidiendo ayuda, el viaje pasó rápidamente a ser una misión de rescate. Plinio llegó hasta Rectina en su casa a 5 km de Pompeya, y su timonel le aconsejó retirarse - pero Plinio se negó y siguió adelante para ayudar a su otro amigo, Pomponiano, en Estabia. Fue allí donde ambos hombres intentaron relajarse, cenar, bañarse y pasar la noche mientras duraba el peligro. Pero durante la noche, empezaron a caer ceniza y piedra pómez, los temblores sacudieron sus cimientos y el flujo de lava se tragó casas lejanas y se acercaba rápidamente a la casa. Las condiciones empeoraron, y los peligros aumentaron tanto dentro como fuera. Por la mañana, decidieron evacuar y dirigirse a la playa - por desgracia, el calor creciente, las llamas y los humos asfixiantes los vencieron durante su huida.

[13] aclara que no hubo un único evento que causara la catástrofe, sino múltiples desastres acumulados, y que los habitantes de Pompeya tuvieron tiempo de intentar escapar mientras caían ceniza caliente y piedra pómez antes de que la oleada piroclástica acabara con la vida de la mayoría. Esto refuerza la conclusión de que Plinio el Viejo tuvo tiempo de bañarse y relajarse antes de que se intentara evacuar.

43-56

Gráfico de demanda energética

El gráfico mostrado es una representación simplificada de los cambios diarios en la demanda energética y los problemas de la intermitencia de las renovables basada en [43-56], visualizada mediante 4 parámetros principales:

  • La demanda energética suele variar a lo largo del día según la gente sigue sus rutinas diarias. El consumo de electricidad suele alcanzar su pico por la mañana y por la tarde, cuando la gente se levanta o vuelve del trabajo - encendiendo luces, televisores, aparatos de cocina, etc. - y normalmente se estabiliza o baja a mediodía, cuando la gente está trabajando, desplazándose o fuera. Como era de esperar, la demanda es más baja por la noche, cuando la gente duerme.
    (Los patrones concretos de demanda varían en la bibliografía; se consultaron varias fuentes y se simplificaron para este gráfico.)
  • Energía solar - El suministro eléctrico de la generación solar alcanza su pico a mediodía, cuando la luz solar es máxima, y baja al caer la tarde, cuando se pone el sol. Este patrón conocido no coincide con el consumo eléctrico de la gente, creando déficits de suministro cuando la demanda es mayor: incluso cuando sale el sol y aumenta el suministro, no basta para cubrir el pico de demanda matinal. Por otro lado, hay un excedente de electricidad a mediodía, cuando el sol está más alto, pero la demanda es relativamente baja.
  • Energía eólica - El suministro eléctrico de la generación eólica es, por naturaleza, bastante variable e irregular. No hay un patrón constante y predecible del viento a corto plazo (cada hora) como el de la luz solar (aunque algunas fuentes indican que el viento tiende a alcanzar su pico por la tarde). Pero, como la solar, la energía eólica puede crear excedentes en algunos momentos del día y no cubrir la demanda en otros. Podrían pasar días enteros de calma en los que el viento no bastara para la demanda, o días de viento incesante que aportaran un excedente continuo de electricidad. En definitiva, por sí sola, la energía eólica es una fuente de energía poco fiable. Incluso combinadas, la eólica y la solar a menudo no aportan suficiente electricidad durante los periodos de máxima demanda, y sobre todo en días nublados y sin viento.
  • Energía complementaria - Se pueden usar otras fuentes de energía para compensar los déficits intermitentes de electricidad asociados a la eólica y la solar, y ayudar a que el suministro cubra la demanda. La energía de fuentes como la hidroeléctrica, los biocombustibles y la geotermia mejorada puede ajustarse a lo largo del día, aportando energía adicional cuando hace falta o reduciendo la sobreproducción y los excedentes desperdiciados durante los periodos de menor demanda. Esto permite cubrir la demanda de forma constante a cualquier hora del día usando un conjunto de fuentes de energía. Usar una fuente renovable (en vez de combustibles fósiles) como suministro ajustable y complementario ayuda a cubrir la demanda sin crear más emisiones de carbono innecesarias.

Seguimiento de carga frente a energía de carga base:

La energía geotérmica mejorada es un ejemplo clave de fuente energética que puede ajustarse de forma flexible y dinámica para seguir los cambios de demanda en tiempo real causados por la intermitencia y los patrones de consumo humano, y se conoce como suministro de «seguimiento de carga». Otras fuentes de energía, como las centrales de combustibles fósiles o nucleares, se conocen tradicionalmente como suministros de energía de «carga base» A. Esto significa que pueden aportar electricidad continua y fiable para cubrir nuestras necesidades energéticas más básicas; sin embargo, a diferencia de la geotermia mejorada, no se ajustan fácilmente, y su producción no puede aumentar o reducirse rápido para seguir la demanda. Se integran centrales eléctricas adicionales, conocidas como de «carga punta», en la red eléctrica para aportar electricidad extra durante los periodos de máxima demanda. Pero incluso las centrales de carga punta tardan en encenderse y apagarse, lo que genera ineficiencia, sobreproducción y desperdicio.

Nuestro gráfico es una variante simplificada de la curva del pato B, un gráfico muy conocido que ilustra la diferencia entre la demanda y el suministro de energía solar(/eólica) y la carga resultante en nuestra red eléctrica - es decir, muestra la demanda neta restante tras tener ya en cuenta la cubierta por la energía solar(/eólica), combinando así esos parámetros en una sola curva. Destaca que, aunque la eólica y la solar pueden ayudar a cubrir las necesidades energéticas, no pueden (por ahora) sustituir totalmente la carga base. Al no cubrir el 100 % de la demanda en todo momento, pueden añadir presión a la red eléctrica al exigir ajustes rápidos y más frecuentes de las centrales tradicionales de carga base, lentas para aumentar o reducir producción, para compensar (o al menos, no sin provocar redundancias, ineficiencias importantes y electricidad desperdiciada). Por ejemplo, cuando la producción solar baja por la tarde justo cuando la demanda eléctrica alcanza su pico, las compañías eléctricas que operan centrales de carga base deben aumentar rápidamente la producción en lugar de la solar. Esto no solo crea presión operativa, sino que estas centrales solo son rentables cuando funcionan de forma continua - encenderlas y apagarlas a lo largo del día las hace inviables económicamente.

Las soluciones a este problema buscan «aplanar la barriga del pato» (y así reducir cuánto deben aumentar o reducir producción las centrales de carga base), e incluyen:

  • Mejorar el funcionamiento de la carga base para ajustar la producción con más flexibilidad
  • Ajustar nuestro consumo de energía para que sea más constante a lo largo del día
  • Redirigir el excedente de electricidad a otras aplicaciones
  • Incorporar almacenamiento de energía a escala de red eléctrica
  • Cambiar a otras fuentes más flexibles de «seguimiento de carga», como la geotermia mejorada o la energía hidroeléctrica

Véase también: Diez años analizando la gráfica del pato: cómo un descubrimiento de NREL en 2008 ayuda hoy a incorporar más energía solar a la red eléctrica | NLR (NREL) (archivado)

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