Introducción a la energía geotérmica: cómo convertir el calor subterráneo en electricidad con sistemas de descarga instantánea y binarios.

A diferencia de la energía solar y eólica, la energía geotérmica no depende de las condiciones climáticas. El calor del magma en las profundidades del subsuelo está presente día y noche, llueva o haga sol. Por eso, la energía geotérmica se ha considerado durante mucho tiempo como "la energía renovable que puede servir como fuente de energía base". Sin embargo, Japón, ubicado en el Cinturón de Fuego del Pacífico y con una de las mayores reservas geotérmicas del mundo, cuenta con una capacidad instalada que sigue siendo pequeña en relación con dicho recurso. Esta brecha tiene menos que ver con la física del vapor en sí que con la dificultad de determinar qué hay realmente bajo tierra y con las limitaciones sociales derivadas de la superposición de intereses en la superficie. Este artículo analiza las dos tecnologías básicas —sistemas de vaporización instantánea y binarios—, el proceso de evaluación de recursos, la estructura regulatoria de Japón y los proyectos de demostración de la tecnología de próxima generación.

Resumen en 30 segundos

• Lo que hace que un yacimiento subterráneo sea utilizable para la energía geotérmica es la combinación de tres factores: calor, agua y permeabilidad (los espacios por los que puede circular el agua). La tecnología empleada difiere entre los recursos donde se puede extraer vapor a alta temperatura directamente y los recursos de temperatura media a baja que contienen agua caliente pero nunca generan vapor.

• Los recursos de alta temperatura, entre 200 y 350 °C, son adecuados para el método de vaporización instantánea (que hace girar una turbina directamente con el vapor separado del agua). Los recursos de temperatura media a baja, entre 80 y 150 °C, son adecuados para el método binario (un ciclo Rankine de circuito cerrado que utiliza un fluido de trabajo de bajo punto de ebullición).

• Los recursos geotérmicos de Japón se encuentran entre los terceros más grandes del mundo, pero la capacidad instalada solo abarca una parte. Las razones no son únicas: los largos plazos de desarrollo, el riesgo de fracaso en la exploración, las regulaciones de los parques nacionales y la coordinación con los operadores de aguas termales se entrelazan.

• La geotermia es un recurso que no se puede conocer completamente sin perforar. Incluso después de generar confianza mediante estudios geofísicos y análisis químicos, la viabilidad del proyecto a menudo solo se confirma una vez que se perforan los pozos de producción, y los períodos de desarrollo suelen superar los diez años. Como tecnología de última generación, se están realizando investigaciones sobre los Sistemas Geotérmicos Mejorados (EGS), que crean permeabilidad artificialmente, y sobre el aprovechamiento de fluidos geotérmicos supercríticos a mayor profundidad. Ambas tecnologías se encuentran aún en fase de demostración, y su comercialización todavía está lejos.

1. ¿Qué es un recurso geotérmico? — Las tres condiciones de calor, agua y permeabilidad

Cuanto más profundo se excava en la Tierra, mayor es la temperatura. El gradiente geotérmico promedio de la corteza es de aproximadamente 25-30 °C por kilómetro, pero en las zonas volcánicas una cámara magmática puede ascender cerca de la superficie, produciendo un aumento de temperatura local mucho más pronunciado. El calor por sí solo no genera energía. Solo cuando hay agua para transportar ese calor y permeabilidad (fracturas altamente permeables al agua o estructuras porosas que permiten el paso del agua a través de la roca) se convierte en un yacimiento geotérmico económicamente viable.

La exploración de recursos comienza por identificar los sitios prometedores a partir de fuentes termales superficiales, fumarolas y estructuras geológicas. Los estudios de resistividad (estudios electromagnéticos como el método MT) estiman la extensión del agua caliente subterránea, mientras que la termometría geoquímica —que calcula la temperatura subterránea a partir de la composición química del gas y el agua— evalúa la calidad del recurso. Sin embargo, estas son solo pistas indirectas; la disponibilidad de vapor o agua caliente en cantidades económicamente viables solo se conoce una vez perforado el pozo. Perforar un solo pozo exploratorio cuesta cientos de millones de yenes y requiere mucho tiempo, y no es raro que un pozo no resulte comercialmente viable incluso después de la perforación. Este "riesgo de exploración", asumido por el desarrollador, es una característica que distingue claramente la energía geotérmica de otras energías renovables.

Figura 1 — A Una planta geotérmica convierte el vapor y el agua caliente extraídos del yacimiento a través de un pozo de producción en electricidad en la superficie, y luego devuelve el agua residual a la misma capa mediante un pozo de inyección. Esta reinyección es la decisión de diseño fundamental que previene el agotamiento del recurso y el hundimiento del terreno.

2. Sistemas de vaporización instantánea: Uso directo del vapor de alta temperatura

El método de vaporización instantánea toma la mezcla de agua caliente y vapor a alta temperatura y presión extraída del subsuelo y la hace pasar por un separador, reduciendo la presión para que hierva instantáneamente y se separe en vapor y salmuera. El vapor separado va directamente a la turbina y hace girar el generador. La salmuera restante a veces se puede vaporizar una segunda vez a una presión aún menor para extraer vapor adicional; esto se denomina doble vaporización instantánea. En comparación con la vaporización instantánea simple, se dice que la doble vaporización instantánea extrae aproximadamente entre un 10 % y un 25 % más de producción del mismo recurso, y se utiliza ampliamente como una forma de aprovechar mejor un recurso existente.

Después de trabajar en la turbina, el vapor se condensa en un condensador y se La torre de enfriamiento disipa el calor. El diseño estándar devuelve el agua caliente y el condensado utilizados en la producción al subsuelo mediante un pozo de inyección; esto no solo evita el agotamiento del recurso, sino que también ayuda a suprimir la subsidencia del terreno y la descarga de agua caliente a la superficie. Simplificando el trabajo entregado a la turbina, utilizando el caudal másico \dot m, la eficiencia de la turbina \eta_t y la diferencia de entalpía de entrada/salida h_{in}-h_{out}, se puede aproximar como:

Dado que la diferencia de entalpía está determinada por las condiciones de presión y temperatura del vapor, un recurso más caliente produce una mayor producción para el mismo caudal másico. Por eso, el método de vaporización instantánea es adecuado para recursos de alta temperatura en el rango de 200 a 350 °C.

El vapor suele contener gases no condensables como el sulfuro de hidrógeno (H₂S) y el dióxido de carbono, que causan problemas de olor y corrosión. Estos requieren tratamiento con extractores de gas. Equipo de desulfuración, junto con un diseño de emisiones que considera la dispersión atmosférica y las normas de seguridad locales. El método de destilación instantánea es una tecnología madura y ha sido el pilar de la generación de energía geotérmica a gran escala en el mundo.

3. Sistemas binarios: Ciclo Rankine con un fluido de bajo punto de ebullición

No todos los recursos geotérmicos tienen la temperatura suficiente para extraer vapor directamente. En recursos de agua caliente a temperaturas medias y bajas, entre 80 y 150 °C, es difícil hervir el agua directamente para hacer girar una turbina. Aquí es donde entra en juego el método binario. El calor del fluido geotérmico se transfiere primero, mediante un intercambiador de calor (un evaporador), a un fluido de trabajo orgánico con un punto de ebullición inferior al del agua (hidrocarburos como el pentano y el isobutano, o alternativas de tipo refrigerante), y el vapor de ese fluido hace girar la turbina. Dado que el fluido geotérmico en sí nunca toca la turbina —solo el fluido de trabajo de circuito cerrado circula a través de la turbina, el condensador y la bomba—, este método también se denomina ciclo Rankine. Ciclo Rankine Orgánico (ORC).

Cuanto menor sea la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el lado de refrigeración, menor será el límite superior teórico de trabajo que puede extraer una máquina térmica. Expresado en términos de eficiencia de Carnot,

donde T_h es la temperatura absoluta de la fuente de calor (el fluido geotérmico) y T_c la del lado de rechazo de calor (aire ambiente o agua de refrigeración). En comparación con los recursos superiores a 200 °C que utiliza el método de calentamiento instantáneo, los recursos de temperatura media a baja que utiliza el método binario tienen una T_h menor y una diferencia menor con respecto a T_c, por lo que este límite teórico es inferior. La eficiencia térmica real se ve influenciada además por la elección del fluido de trabajo, el rendimiento del intercambiador de calor y las fluctuaciones estacionales de la temperatura del aire exterior, y generalmente es inferior a la del método de calentamiento instantáneo, que utiliza vapor directamente. Aun así, esto se debe a que el fluido geotérmico nunca entra en contacto con la turbina. Directamente, se evitan más fácilmente la acumulación de incrustaciones y la corrosión en las tuberías y la turbina, y al ser un circuito cerrado, las emisiones a la atmósfera son mínimas. Sobre todo, su mayor valor reside en que puede convertir recursos de agua caliente a temperaturas medias y bajas —recursos que el método de evaporación instantánea no podría utilizar para generar energía— en electricidad.

El método binario, que genera energía a partir del agua caliente de pozos termales existentes sin reducir significativamente el volumen de descarga del propio manantial, también está ganando popularidad por ser una forma más fácil de integrar con las comunidades locales. Existe además un «ciclo combinado de evaporación instantánea y binario», que recupera el calor residual de la salmuera que queda tras la evaporación instantánea en un recurso de alta temperatura —calor que el método de evaporación instantánea no podría utilizar— mediante un ciclo binario, y que también se utiliza para aumentar la producción de un recurso existente.

4. Diferencias entre el método de evaporación instantánea y el binario

5. Situación del sector geotérmico de Japón: la brecha entre el volumen de recursos y la capacidad instalada

Los recursos geotérmicos de Japón se encuentran entre los terceros más grandes del mundo (solo por detrás de Estados Unidos e Indonesia). Sin embargo, la capacidad instalada real no ha alcanzado un nivel acorde con ese recurso. La central eléctrica de Hatchobaru (Prefectura de Oita), operada por Kyushu Electric Power, tiene una potencia de 110.000 kW y es la planta geotérmica más grande del país, suficiente para cubrir la demanda de decenas de miles de hogares. Pero el hecho mismo de que sea la "más grande" de Japón ya revela el gran retraso del desarrollo con respecto a la base de recursos.

No existe una sola razón por la que el despliegue se resista a avanzar.

• Largos plazos de desarrollo: no es raro que transcurran diez años o más desde el estudio hasta la operación comercial. Solo después de estudios de superficie, exploración geofísica, perforación de múltiples pozos exploratorios y una evaluación ambiental se puede tomar una decisión de comercialización.

• Costo y riesgo de exploración y desarrollo: hay casos en los que se perfora un pozo exploratorio, pero el proyecto nunca llega a la comercialización, y la estructura tiende a dejar al desarrollador solo con el riesgo de no recuperar su inversión inicial.

• Superposición con las regulaciones de los parques nacionales: muchos Las zonas ricas en recursos se encuentran dentro de parques nacionales volcánicos o parques cuasi-nacionales, y su desarrollo requiere diversos permisos, además de considerar el paisaje y el medio ambiente natural. Este punto ha surgido repetidamente en los debates gubernamentales sobre la reforma regulatoria.

• Coordinación de intereses con los operadores de aguas termales: las aguas termales son un recurso importante para el turismo y las economías regionales de Japón, y la preocupación de que la energía geotérmica pueda afectar el caudal, la calidad del agua o la temperatura de un manantial termal puede implicar largas negociaciones con las asociaciones locales de aguas termales. En algunos casos, grupos como la Asociación Japonesa de Balnearios han presentado solicitudes oponiéndose a la flexibilización de las regulaciones para el desarrollo geotérmico dentro de los parques nacionales.

Dentro de estas limitaciones, los desarrolladores utilizan soluciones técnicas alternativas, como la perforación direccional en ángulo, que ubica la cabeza del pozo en un lugar menos problemático para el paisaje o la regulación, sin dejar de alcanzar el recurso subterráneo, para equilibrar el costo con la aceptación social. El desafío para la energía geotérmica no radica en la física del vapor, sino en la construcción de un consenso social sobre "dónde y cómo perforar".

6. Medio ambiente Impacto y Monitoreo

Dado que la energía geotérmica no quema combustible, prácticamente no produce gases de efecto invernadero derivados de la combustión. Sin embargo, gases como el sulfuro de hidrógeno disuelto en el fluido geotérmico pueden afectar la atmósfera y el medio ambiente circundante si no se tratan adecuadamente. Si se altera el equilibrio a largo plazo entre el bombeo y la reinyección de agua caliente, puede provocar una disminución de la presión del yacimiento y hundimiento del terreno, por lo que gestionar la ubicación de los pozos de inyección y el volumen reinyectado es tan importante como el propio plan de generación.

Al desarrollar proyectos cerca de una zona de aguas termales, es fundamental monitorear continuamente el volumen de descarga, la temperatura y la calidad del agua de las aguas termales circundantes antes incluso de que comience la operación, y contar con un sistema para detectar rápidamente cualquier cambio, para mantener la confianza de la comunidad local. Más allá de los márgenes de seguridad técnica, este tipo de monitoreo y divulgación de información es lo que sustenta la sostenibilidad social de la energía geotérmica.

7. Tecnología de Próxima Generación: Sistemas Geotérmicos Mejorados y Geotermia Supercrítica

La energía geotérmica convencional se ha limitado a recursos hidrotermales donde el calor, el agua y la permeabilidad son factores clave. Naturalmente, coinciden. Los sistemas geotérmicos mejorados (EGS, por sus siglas en inglés), por el contrario, son una tecnología que aplica presión hidráulica a rocas calientes pero poco permeables para crear artificialmente una red de fracturas, y luego hace circular agua a través de ella para extraer calor. Si tiene éxito, podría convertir vastas extensiones de roca de alta temperatura, que antes no se consideraban un recurso, en recursos geotérmicos.

Utah FORGE (Observatorio Fronterizo para la Investigación en Energía Geotérmica), respaldado por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), es un campo de demostración dedicado a validar la tecnología EGS. Cerca de Milford, Utah, el proyecto perforó un pozo con una inclinación de 65 grados en 2021, y en 2023 combinó un segundo pozo para crear un yacimiento artificial; se informa que logró recuperar más de dos tercios del agua inyectada del otro pozo. El proyecto ha obtenido una prórroga hasta 2028, junto con financiación adicional, y se encuentra en la etapa de superar los obstáculos técnicos para su uso práctico, uno a uno. tiempo.

La investigación que apunta a profundidades aún mayores se centra en la geotermia supercrítica. El Proyecto de Perforación Profunda de Islandia (IDDP) ha estado investigando si el fluido geotérmico supercrítico, que alcanza temperaturas de 400–600 °C a profundidades de 4–5 km, puede utilizarse. Se informa que el pozo IDDP-2 (Reykjanes), completado en 2017, confirmó condiciones supercríticas de 426 °C y 340 bar de presión a una profundidad de 4,5 km. El fluido supercrítico posee una alta entalpía, y se dice que el mismo pozo podría extraer potencialmente mucha más energía que un pozo geotérmico convencional, aunque aún quedan muchos desafíos técnicos antes de su comercialización, incluyendo la tecnología de perforación, los materiales del pozo y las contramedidas contra la corrosión.

Ambas tecnologías se encuentran todavía en la etapa de demostración e investigación, y ninguna ha alcanzado el punto de reemplazar la tecnología de inyección instantánea y binaria existente. Sin embargo, tienen el potencial de ampliar la definición de un recurso geotérmico, pasando de ser "un lugar donde el agua y la permeabilidad coinciden" a «Dondequiera que exista roca caliente», este es un campo de investigación que podría transformar sustancialmente el futuro de la energía geotérmica.

Resumen: Una perspectiva para comprender la energía geotérmica

La tecnología de la energía geotérmica en sí misma —la diferencia entre el ciclo instantáneo y el binario— se determina casi mecánicamente por la temperatura del recurso. Lo que realmente vale la pena examinar al evaluar la energía geotérmica en Japón no es el tamaño del recurso, sino la cuestión práctica del tiempo y el dinero necesarios, así como las regulaciones y la coordinación de intereses que debe superar para convertir ese recurso en electricidad.

Al analizar un proyecto geotérmico, conviene verificar lo siguiente:

1. ¿Cuál es la temperatura del recurso y se trata de un ciclo instantáneo, binario o combinado?

2. ¿Cuál es el tiempo estimado desde el estudio hasta la operación comercial y quién asume el riesgo de exploración?

3. ¿Cuál es su relación con los parques nacionales y las zonas de aguas termales y cuál es el estado de las negociaciones locales?

4. ¿Existe un plan para la ubicación de los pozos de inyección y la gestión del yacimiento a largo plazo?

Teniendo en cuenta estos cuatro puntos, podrá comprender mejor la situación. Noticias sobre energía geotérmica: no solo como el tercer recurso más grande del mundo, sino también considerando la distancia real que debe recorrer antes de convertirse en electricidad.

Referencias

• JOGMEC — Aprendiendo sobre energía geotérmica
• Agencia de Recursos Naturales y Energía — Energía geotérmica
• NEDO — Materiales de tecnología para la generación de energía geotérmica
• Asociación Geotérmica de Japón (JGA)
• [Utah FORGE — Observatorio Fronterizo para la Investigación en Energía Geotérmica (https://utahforge.com/)
• Departamento de Energía de EE. UU. — Oficina de Tecnologías Geotérmicas
• Proyecto de Perforación Profunda de Islandia
• AIE — Energía Geotérmica