Energía geotérmica y Geotermia

A pesar de que la geotermia ha sido utilizada desde hace siglos, todavía es desconocida. Por ello, en este artículo, os hablamos de esta otra energía renovable que no es tan famosa como la solar, la eólica o la hidráulica. Aquí os contamos en qué consiste la energía geotérmica, cómo se usa y cuáles son sus ventajas e inconvenientes, entre otras cosas.

¿Qué es la energía geotérmica y la geotermia?

El término “geotérmico” deriva del griego “Geo” (“Tierra”) y “Thermos” (“calor”) y significa “calor de la Tierra”, por lo que la energía geotérmica se basa en el aprovechamiento del calor natural del interior de la Tierra. Engloba el calor almacenado en suelos, rocas o aguas subterráneas, cualquiera que sea su temperatura, profundidad y procedencia.

La energía geotérmica es una “energía renovable” así entre comillas, porque dicho calor natural terrestre, se puede ver disminuido o incluso puede llegar a desaparecer localmente en algún momento, tras su aprovechamiento continuo.  Cabe indicar que, a diferencia de las otras energías renovables, la energía geotérmica es la única que no emplea elementos externos como el aire, el agua y la luz del Sol. Ésta depende de la diferencia de temperatura entre el interior de la Tierra y la superficie, por lo que, en principio, está disponible 24 horas al día, 365 días al año.

La geotermia, por su parte, es una rama de la ciencia geofísica que se dedica al estudio de las condiciones o fenómenos térmicos internos de nuestro planeta. Sin embargo, la palabra “geotermia” se utiliza indistintamente para designar tanto a esta ciencia como al conjunto de procesos industriales que se emplean para explotar ese calor para producir energía eléctrica o calor útil.

¿Cómo se obtiene la energía geotérmica? Tipos de energía geotérmica según yacimientos y temperatura

La energía geotérmica  tiene diferentes orígenes, entre los que se destacan:

• Gradiente geotérmico: una proporción en la que a cierta distancia desde la superficie a nivel del mar, hacia el interior, se aumenta 1ºC.
• Calor radiogénico: relativo a la energía interna de la materia, generando calor por el decaimiento de distintos isótopos.
• Yacimientos geotérmicos: son zonas del planeta donde el gradiente térmico en profundidad es más pronunciado. Pueden ser zonas de grietas o roturas en las placas tectónicas, o zonas con actividad que causan terremotos, erupciones, etc. El caso, es que estos lugares tienen una mayor eficiencia energética para ser explotados.

Para poder extraer energía de los yacimientos geotérmicos, primero es necesario realizar un estudio de mercado que sea viable, ya que el coste de la perforación crece enormemente con la profundidad. Para obtener y extraer la energía geotérmica, se distinguen tres tipos de yacimientos geotérmicos principales:

• Yacimientos de agua caliente: pueden ser de fuente o subterráneos. Los de fuente son aprovechados desde hace tiempo como baños termales. Los subterráneos son nacimientos de aguas termales muy calientes a poca o media profundidad de la superficie, de los que se extrae la energía geotérmica en forma de agua caliente o vapor por bombeo o por impulsos de flujos de agua y vapor. En la mayoría de los casos, la explotación se realiza con dos pozos, de modo que por uno se obtiene el agua caliente y por el otro se vuelve a inyectar en el acuífero, tras haber enfriado el caudal obtenido. Esto permite que el yacimiento térmico no se agote, ya que la cantidad total se mantiene y la que se inyecta todavía contiene energía térmica. Además, las posibles sales o emisiones de gases disueltos en el agua no se manifiestan al circular ésta en un circuito cerrado.

Según la temperatura, se distinguen 4 tipos de yacimientos de agua caliente:

• • • Energía geotérmica de alta temperatura: se da en las zonas activas de la corteza terrestre. Esta temperatura está comprendida entre 150 y 400ºC. Se produce vapor en la superficie y mediante una turbina, se utiliza para generar electricidad. Su existencia, requiere una serie de condiciones: que haya una capa superior compuesta por rocas impermeables, un acuífero o depósito de permeabilidad elevada, que esté entre 0.3 y 2Km de profundidad, que el suelo esté fracturado para permitir la circulación de fluidos por convección, y que haya una fuente de calor magmático entre 3 y 15Km de profundidad y a 500-600ºC. Su explotación se lleva a cabo utilizando técnicas de perforación similares al fracking.
    • Energía geotérmica de temperatura media: aquí la temperatura suele estar entre los 70 y los 150ºC. Se suele explotar por medio de un fluido volátil. Sirven para pequeñas centrales eléctricas y sistemas urbanos de reparto de calor para su uso en forma de calefacción y/o refrigeración.
    • Energía geotérmica de baja temperatura: en este caso, los fluidos están entre 50 y 70ºC y se aprovecha en zonas más amplias, como en todas las cuencas sedimentarias.
    • Energía geotérmica de temperatura muy baja: se consideran así cuando la temperatura es de 20-50ºC. Se utiliza para necesidades domésticas, urbanas y agrícolas, como la climatización geotérmica con bombas de calor, que veremos más adelante.

  

• Yacimientos secos: se trata de fuentes petrotermales o “Hot Dry Rocks” (HDR) en inglés (“Rocas Secas Calientes”), consistiendo, por tanto, en un lecho de rocas secas muy calientes. En este tipo de yacimientos no existen fluidos que porten la energía geotérmica ni ningún tipo de material permeable. Así que, para su extracción se perfora la tierra hasta llegar a ese lecho rocoso y se inyecta agua fría en la perforación. Entonces, se realiza una segunda perforación, por la que sale el vapor o el agua caliente que se va a aprovechar. Un efecto similar a esto, se produce en el Parque Nacional de Timamfaya, donde se pueden ver demostraciones por parte de los operarios del Parque arrojando agua por un agujero, y que ésta sale a los pocos segundos precediendo a un gran estruendo, en forma de columna de agua caliente y vapor de agua. Sin embargo, el inconveniente de este tipo de yacimientos, es que la tecnología y los materiales para llevar a cabo esta práctica todavía son inviables económicamente, por lo que se está trabajando en su desarrollo y mejora, como en los programas HDR de Australia, Francia, Suiza y Alemania.
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• Yacimientos de Géiser: los géiseres o fuentes geopresurizadas consisten en fuentes a temperaturas relativamente bajas pero a presiones muy altas y arrojan columnas de vapor y agua caliente hacia el exterior, aunque a veces pueden contener también agentes químicos dañinos. La mayoría de ellos están en el Parque Nacional de Yellowstone (EE.UU.) y en Islandia, en zonas especialmente volcánicas. Para poder extraer el calor de los yacimientos de géiseres se debe aprovechar directamente su calor por medio de turbinas para poder obtener energía mecánica. El problema de este tipo de extracciones, es que la reinyección del agua hace enfriar los magmas y hacen que se agoten, así como también produce pequeños pero frecuentes terremotos.

¿Cómo funciona la energía geotérmica?

En cuanto al funcionamiento de la energía geotérmica, como hemos comentado, la temperatura del interior de la Tierra aumenta con la profundidad (de 2 a 4ºC por cada 100 metros). Así, las capas profundas están a temperaturas más elevadas y suele haber capas freáticas con agua caliente. Pero hay zonas con un mayor gradiente de temperatura, dado que ahí la corteza terrestre es más delgada,  y que constituyen los yacimientos geotérmicos.

Este calor del interior de la Tierra proviene de procesos de descomposición nucleares de los elementos radiactivos, como el uranio, torio y potasio, del Núcleo, Manto y Corteza terrestre.

El agua o vapor caliente es extraído de esas capas profundas mediante pozos y bombas y luego, según la temperatura, se aprovecha para obtener electricidad haciendo mover turbinas, o se emplea para calefacción y climatización.

En concreto, la bomba de calor utiliza el calor cercano a la superficie, donde la temperatura es casi uniforme durante todo el año. Una bobina que funciona como colector, se instala a una profundidad de 1,5 metros y extrae el calor de la tierra. Alternativamente, también se puede conseguir ese calor mediante una pequeña sonda geotérmica.

Energía geotérmica: usos

Hoy en día se puede aprovechar la energía geotérmica en muchos aspectos de nuestra vida cotidiana. Se puede utilizar para calentar y crear las condiciones adecuadas en los invernaderos y suministrar calefacción a las casas y centros comerciales. También se puede usar para la refrigeración y la producción de agua caliente sanitaria (ACS). En general, la energía geotérmica se utiliza para los balnearios, calefacciones y agua caliente, generación de energía eléctrica, para la extracción de minerales y en la agricultura y acuicultura.

Sin embargo, como hemos visto, las aplicaciones de la geotermia dependen de las características de cada fuente. Así, los recursos geotérmicos de alta temperatura (superiores a los 100-150ºC), se aprovechan principalmente para la producción de electricidad. Cuando la temperatura del yacimiento no es suficiente para producir energía eléctrica, sus principales aplicaciones son térmicas, en los sectores industrial, servicios y residencial. En el caso de temperaturas por debajo de 100ºC, puede hacerse un aprovechamiento directo o a través de una bomba de calor geotérmica. Por último, cuando se trata de recursos de temperaturas muy bajas (por debajo de los 25ºC), las posibilidades de uso están en la climatización y obtención de agua caliente.

En cuanto a la historia de su uso, la energía geotérmica de baja temperatura se viene explotando ya desde 1930 en países de Europa, como Alemania, Suecia, Austria, Suiza y Francia. Suecia fue el primer país europeo en utilizar la energía geotérmica, como consecuencia de la crisis del petróleo de 1979. En la actualidad, empieza a conocerse en España.

La energía geotérmica del subsuelo español tiene potencial para producir 700GW, pero todavía se encuentra en fase de desarrollo. Lo que hay son yacimientos geotérmicos de baja temperatura que se aprovechan para producir calor en balnearios e invernaderos, como en Ourense y Murcia.

Sin embargo, un ejemplo de aplicación de la geotermia en nuestro país, es el de la estación de Pacífico de Metro de Madrid, que será la primera de toda la red de metro capaz de generar su propia energía para la climatización de sus instalaciones, a través de un sistema de energía geotérmica. Gracias a ello, esta instalación ahorrará hasta un 75% de energía y reducirá en un 50% sus emisiones de CO₂. Asimismo, la región de Galicia puede convertirse en una de las pioneras en utilizar la energía geotérmica para la calefacción, climatización y agua caliente en edificios. Incluso, se ha llegado a hablar de la primera empresa de fabricación de bombas de calor gallega.

Por otro lado, la empresa eslovaca Arllen Development ya se ha instalado en el Cabildo de Tenerife, más concretamente en el municipio de Güímar, para gestionar la primera central geotérmica de España. La entidad ya ha dado sus primeros pasos para levantar las instalaciones de alta temperatura, que además contará con una estación depuradora de aguas residuales para la agricultura y una desaladora de agua de mar para convertirla en agua potable. Arllen empleará el calor procedente de un pozo seco y lo transformará en energía eléctrica, enviada a la red de distribución convencional.

Fuera de Europa, esta tecnología ha adquirido un desarrollo muy importante en EE.UU. y China, pero en donde está más implantada es en Islandia, donde un 18% de la electricidad se genera por geotermia; y en Filipinas, donde la cifra llega al 27%. Islandia constituye el país con mayor actividad geotérmica del mundo y allí, el 99% de las viviendas se abastacen de calefacción mediante esta energía.

Centrándonos ahora en los usos de la energía geotérmica, ésta es utilizada principalmente para generar electricidad y para obtener calor para calefacción, ACS, climatización y refrigeración. Veamos a continuación cada uno de ellos con un poco más de detalle.

Energía geotérmica para obtener electricidad

La energía eléctrica geotérmica fue producida por primera vez en Larderello, Italia, en 1904, cuando Piero Ginori Conti probó el primer generador geotérmico, logrando encender con éxito cuatro bombillas. Después, en 1911 se construyó en ese lugar la primera central geotérmica comercial. En los años 20 también se construyeron generadores experimentales en Japón y California, pero Italia fue el único productor de electricidad geotérmica a escala industrial hasta 1958, año en el que Nueva Zelanda se convirtió en el segundo mayor productor. Su central de Wairakei fue la  primera en utilizar la tecnología de vapor de destello.

Posteriormente, se desarrolló en Rusia la central geotérmica de ciclo binario, la cual permite el aprovechamiento de temperaturas mucho más bajas, y fue después empleada en los Estados Unidos. Así, estas nuevas centrales geotérmicas, no necesitaban ser construidas específicamente en zonas de altas temperaturas.

La electricidad geotérmica se considera sostenible puesto que la tasa de extracción es pequeña comparada con el contenido calorífico de la Tierra, pero aun así debe ser monitorizada para evitar el agotamiento local del yacimiento. Aunque se pueda obtener energía durante muchas décadas, los pozos individuales pueden enfriarse o quedarse sin agua. De hecho, los tres sitios de extracción más antiguos (Larderello, Wairakei y The Geysers), han reducido la producción desde sus respectivos máximos.

Como vemos, para obtener electricidad con energía geotérmica, se utilizan generadores que se manejan en las centrales geotérmicas. Una central o planta geotérmica es similar a otras centrales termoeléctricas que se basan en turbinas y generadores: el calor de una fuente de energía (del interior de la Tierra en este caso), se utiliza para calentar agua u otro fluido, el cual hace girar una turbina conectada a aun generador que transforma esa energía en electricidad.

Básicamente, se pueden diferenciar tres tipos de centrales geotérmicas:

• Central geotérmica de vapor seco (Dry Steam Power Station): son las más simples y antiguas. Utilizan directamente el vapor geotérmico a 150ºC o más para mover las turbinas.

• Central geotérmica de vapor de destello (Flash Steam Power Station): este tipo de centrales hacen ascender agua cliente a alta presión a través de pozos y la introducen en depósitos de baja presión. Al disminuir su presión, parte del agua se vaporiza. Este vapor se separa del líquido y se utiliza para accionar una turbina. El agua sobrante y el vapor condensado, pueden ser reinyectados de nuevo en los depósitos, haciendo que el proceso sea parcialmente sostenible.

• Central geotérmica de ciclo binario (Binary Cycle Power Station): son las centrales más recientes y pueden operar con temperaturas de solo 57ºC. En este caso, se utiliza agua caliente junto a otro fluido con un punto de ebullición inferior, de modo que este fluido se vaporiza antes y se usa para mover las turbinas.

Energía geotérmica para sistemas de climatización, calefacción y refrigeración

En lugar de la producción de electricidad, las zonas de más baja temperatura, pueden proporcionar climatización de edificios (calefacción y refrigeración). Para el aprovechamiento de la energía geotérmica en la climatización, se necesita un circuito de captación de agua, formado por perforaciones en el terreno con tubos rellenos de un líquido de alta capacidad de intercambio energético, y una bomba de calor geotérmica, la cual aprovecha la energía captada con el circuito y con un pequeño aporte de energía eléctrica extra, consigue la temperatura necesaria para calentar o refrigerar una vivienda (o un edificio) y también obtener agua caliente sanitaria.

En general, las bombas de calor son capaces de aprovechar tres fuentes geotérmicas diferentes, dependiendo de su tecnología: tierra, aire o agua. Las bombas de calor de aire pueden utilizar la energía del aire (aerotermia) y utilizarla para la calefacción; las de tierra, utilizan un circuito en el suelo o terreno (geotermia); mientras que las bombas de calor de agua, son capaces de extraer el calor de las corrientes de agua subterráneas, teniendo una temperatura constante en todo momento, independientemente de la época del año o de la temperatura exterior; aunque necesitan también la presencia de un pozo, con el que se extrae agua de una perforación hasta la bomba de calor y se devuelve a otro punto del suelo en otra perforación diferente. En este caso, también se recomienda incorporar suelo radiante para obtener la máxima eficiencia, el cual también se puede combinar con instalaciones de energía solar térmica.

Energía geotérmica en casa

Utilizar la energía geotérmica para casas como suministro para la calefacción geotérmica casera es, con diferencia, el método más eficiente que existe hasta el momento, ya que estas instalaciones son capaces de “producir” hasta 6 veces más energía de la que consumen.

Así pues, la climatización geotérmica es un sistema de climatización (calefacción y/o refrigeración) que utiliza la gran inercia térmica (temperatura constante, dependiendo de los diferentes lugares) del subsuelo poco profundo.

Como ya sabréis, el componente principal de una instalación de energía geotérmica en casa, es la bomba de calor, la cual es una máquina térmica que permite transferir energía en forma de calor de un ambiente a otro, según se requiera. Su funcionamiento es muy similar a un aire acondicionado tradicional que funciona tanto para frío como para calefacción.

Con la bomba de calor geotérmica (BCG), se lleva a cabo la transferencia del calor interno del subsuelo al agua del circuito cerrado de la instalación. El proceso se invierte en verano para la refrigeración.

Cabe indicar que las bombas de calor, han experimentado una evolución muy importante que continua en marcha (en control, componentes y posibilidades de hibridación). Dicha evolución, permite realizar instalaciones aún más eficientes, con menor coste de equipos e instalación.

En cuanto a su instalación, para poder colocar la bomba de calor cuando una casa está ya hecha, se tiene que levantar el suelo, instalarla y, posteriormente, poner el suelo radiante. En el caso de una nueva construcción, se puede instalar de tres maneras diferentes:

• Geotérmica vertical: es un sistema hidráulico que se encarga de realizar el intercambio de calor con el subsuelo. Consiste en un tubo de unas decenas de metros que llega a la profundidad en la que se encuentra el calor.
• Geotérmica horizontal: necesita mucho más espacio porque no va insertada, por lo que tiene que ir ocupando todo el ancho de la casa.
• Geotérmica bajo cimientos: sería la ideal, pero hay que planificarla bien, hasta antes de la construcción y antes de colocar la base. De esta manera, cuando se coloquen los tubos que comunican con el subsuelo, podrá instalarse una bomba hidráulica que se encargará de repartir el calor de manera mucho más óptima que las dos anteriores.

Sin duda, contar en el hogar con energía geotérmica, no sólo para calentar la casa, sino para dar energía a las diferentes instalaciones, puede ahorrarnos todos los meses una cifra considerable de electricidad. Sin embargo, su instalación puede ser algo costosa y requiere una inversión inicial bastante grande, sobre todo si se va a integrar en la construcción de la casa desde cero. En este caso, lo más asequible, es contar con el suelo radiante, que nos dará los beneficios de la energía geotérmica, pero con un poco menos de compromiso.

Hibridación de las bombas de calor

Saber qué fuente de energía y por tanto, qué tipo de bomba de calor es la más adecuada depende de varios factores. Los costes de adquisición y de funcionamiento han de ser considerados, pero también el tipo de bomba de calor, pues los diferentes tipos difieren entre sí en cuanto a permisos, licencias y exigencias de la construcción.

La bomba de calor, que puede ser de geotermia o aerotermia, presentan un modo de calefacción, en el que se cede calor del foco caliente al frío, y un modo de refrigeración que funciona de forma inversa. Sin embargo, en la actualidad también es posible combinar la geotermia y la aerotermia, lo cual es rentable para edificios que tienen grandes consumos. Dado que a veces resulta complicado realizar los sondeos para la captación geotérmica, esta combinación de ambas tecnologías es una buena solución. Para ello, las bombas de calor actuales incorporan softwares de control muy avanzados, que permiten discriminar en cada momento el funcionamiento óptimo y decidir si trabaja el sistema geotérmico, el sistema aerotérmico o ambos de manera simultánea.

Asimismo, también se puede combinar la aerotermia con las bombas de calor de agua subterránea de energía geotérmica. Este tipo de bombas de calor, utilizan un gas refrigerante que se comprime, potenciando la energía hasta 4 veces. Este sistema es altamente eficiente incluso con el aire a una temperatura tan baja como -20ºC. Además, la alta eficiencia de estos generadores, los sitúan entre los mejores, con la más alta clasificación energética posible A++. Siempre utilizan la mayor cantidad de energía renovable posible y apenas emiten CO₂ al medio ambiente.

Y en cuanto a su instalación, las bombas de calor aire-agua no necesitan grandes reformas o espacios, por lo que son perfectas para la modernización de instalaciones de calefacción ya existentes, aprovechando incluso los sistemas actuales mediante la hibridación de diferentes tecnologías. Asimismo, los sistemas con bombas de calor aire-agua también se pueden ampliar fácilmente, como por ejemplo, con paneles solares y calderas de condensación.

Y por otro lado, como acabamos de indicar, también se pueden combinar o hibridar instalaciones de geotermia con fotovoltaicas para obtener electricidad, o solar térmicas, para agua caliente sanitaria. De esta manera, la electricidad proporcionada por los paneles fotovoltaicos, permitiría climatizar la casa de forma gratuita, ya que cubriría el consumo eléctrico de la bomba de calor.

Comprar kits de energía geotérmica para casa

Hoy en día, en el mercado existe una amplia gama de bombas de calor de distintos tipos y potencias, asequibles económicamente y que no precisan de personal excesivamente cualificado para su instalación y mantenimiento.

Así pues, podéis comprar vosotros mismos una completa bomba de calor para calefacción, refrigeración y ACS, o una bomba de calor más sencilla solo para tener agua caliente, así como también tenéis disponibles bombas de calor para piscinas.

Además, incluso podéis adquirir el suelo radiante para llevar a cabo vuestra instalación completa de energía geotérmica en casa.

Energía geotérmica: ventajas y desventajas

Finalmente, aquí os contamos cuáles son las ventajas y las desventajas de la energía geotérmica.

Ventajas de la energía geotérmica

Como beneficios o ventajas de la energía geotérmica, podemos citar:

1. Es una fuente de energía “renovable” natural que disminuye la dependencia energética de los combustibles fósiles y de otros recursos no renovables.
2. Los residuos que produce son mínimos y ocasiona poco impacto ambiental.
3. Es un sistema de gran ahorro, tanto económico como energético.
4. No genera ruidos exteriores.
5. Es una energía continua, a diferencia de la solar y la eólica.
6. No está sujeta a precios internacionales, sino que siempre puede mantenerse a precios nacionales o locales.
7. El área de terreno requerido por las plantas geotérmicas por megavatio es menor que otro tipo de plantas. No requiere construcción de represas, ni tala de bosques.
8. La emisión de CO₂, con aumento del efecto invernadero, es inferior al que se emitiría para obtener la misma energía por combustión, y puede llegar a ser nula cuando se reinyecta el agua, haciéndola circular en circuito cerrado por el exterior.
9. Presenta una rápida amortización de la inversión de las instalaciones (entre 4 y 8 años).
10. Su coste de mantenimiento es bajo y tiene una larga vida útil.
11. Las instalaciones carecen de torres de refrigeración, lo que elimina el riesgo de contaminaciones y enfermedades respiratorias, como legionelosis.
12. Se cree que la cantidad de energía geotérmica que se puede generar en el mundo es más alta que todo el petróleo, gas natural, uranio y carbón juntos.

Desventajas de la energía geotérmica

Y en cuanto a los contras o desventajas de la energía geotérmica, hay que indicar los siguientes:

1. Se trata de una energía todavía en desarrollo.
2. No es una energía inagotable, puesto que el calor de la Tierra se va agotando.
3. En yacimientos secos se han producido a veces microsismos como resultado del enfriamiento brusco de las piedras calientes, y su consiguiente fisuración.
4. Cuando no ser realiza reinyección y se trata de un yacimiento muy energético o calorífico, puede haber: emisiones de ácido sulfhídrico, que es letal; contaminación de aguas con arsénico, amoníaco, etc.; contaminación térmica; y deterioro del paisaje.
5. La energía geotérmica, no está disponible más que en determinados lugares, salvo la que se emplea en la bomba de climatización geotérmica, que se puede utilizar en cualquier lugar de la Tierra.
6. La energía obtenida se debe consumir en el mismo territorio de su extracción, ya que no se puede trasportar a sitios alejados.
7. La instalación de centrales geotérmicas provoca considerables impactos paisajísticos. Además, su instalación está limitada a zonas donde el calor del subsuelo sea muy elevado, las cuales, en ocasiones están en lugares de difícil acceso.

Fuentes: Wikipedia, Renovables Verdes, Erenovable.com y Geotermia Vertical