Introdução à energia geotérmica — Transformando o calor subterrâneo em eletricidade com sistemas de flash e binários

Ao contrário da energia solar e eólica, a energia geotérmica não está à mercê do clima. O calor do magma nas profundezas da terra está presente dia e noite, faça chuva ou faça sol. É por isso que a energia geotérmica tem sido vista há muito tempo como "a energia renovável que pode servir como fonte de energia de base". No entanto, o Japão, situado no Círculo de Fogo do Pacífico e com uma das maiores reservas geotérmicas do mundo, possui uma capacidade instalada que permanece pequena em relação a esse recurso. Essa discrepância tem menos a ver com a física do vapor em si do que com a dificuldade de saber o que realmente existe no subsolo e com as restrições sociais decorrentes da sobreposição de interesses na superfície. Este artigo aborda as duas tecnologias básicas — sistemas de vaporização instantânea e binários — o processo de avaliação de recursos, a estrutura regulatória do Japão e projetos de demonstração para a tecnologia de próxima geração.

Resumo em 30 segundos

• O que torna um reservatório subterrâneo utilizável para energia geotérmica é a combinação de três fatores: calor, água e permeabilidade (os espaços por onde a água pode se mover). A tecnologia utilizada difere entre recursos onde o vapor de alta temperatura pode ser extraído diretamente e recursos de temperatura média a baixa que possuem água quente, mas nunca formam vapor.

• Recursos de alta temperatura na faixa de 200–350°C são adequados para o método de evaporação instantânea (que aciona uma turbina diretamente com o vapor separado da água). Recursos de temperatura média a baixa, em torno de 80–150°C, são adequados para o método binário (um ciclo Rankine de circuito fechado usando um fluido de trabalho de baixo ponto de ebulição).

• Os recursos geotérmicos do Japão estão classificados entre os terceiros maiores do mundo, mas a capacidade instalada representa apenas uma parte disso. Os motivos não são únicos — longos prazos de desenvolvimento, risco de falha na exploração, regulamentações de parques nacionais e coordenação com operadores de fontes termais estão todos interligados.

• A energia geotérmica é um recurso que você não pode conhecer completamente sem perfuração. Mesmo após aumentar a confiança por meio de levantamentos geofísicos e análises químicas, a viabilidade do projeto geralmente só é confirmada depois que os poços de produção são perfurados, e os períodos de desenvolvimento normalmente ultrapassam dez anos. Como tecnologia de próxima geração, pesquisas estão em andamento sobre EGS (Sistemas Geotérmicos Aprimorados), que criam permeabilidade artificialmente, e sobre a exploração de fluidos geotérmicos supercríticos em profundidades maiores. Ambas ainda estão em fase de demonstração, com a comercialização ainda distante.

1. O que é um recurso geotérmico? — As três condições de calor, água e permeabilidade

Quanto mais fundo se vai na Terra, mais quente fica. O gradiente geotérmico médio da crosta terrestre é de aproximadamente 25–30 °C por quilômetro, mas em zonas vulcânicas, uma câmara magmática pode ascender perto da superfície, produzindo um aumento de temperatura local muito mais acentuado. O calor sozinho não gera energia. Somente quando há "água" para transportar esse calor e "permeabilidade" (fraturas altamente permeáveis à água ou estrutura porosa que permite a passagem da água pela rocha) é que se torna um reservatório geotérmico economicamente viável.

A exploração de recursos começa com a seleção de locais promissores a partir de fontes termais superficiais, fumarolas e estruturas geológicas. Levantamentos de resistividade (levantamentos eletromagnéticos, como o método MT) estimam a dispersão de água quente subterrânea, enquanto a termometria geoquímica — que calcula a temperatura subterrânea a partir da composição química do gás e da água — avalia a qualidade do recurso. Mas esses são apenas indícios indiretos; a disponibilidade de vapor ou água quente em quantidades economicamente viáveis só é conhecida após a perfuração de um poço. A perfuração de um único poço exploratório custa centenas de milhões de ienes e leva muito tempo, sendo bastante comum que um poço não atinja a viabilidade comercial mesmo após a perfuração. Esse "risco de exploração" assumido pelo desenvolvedor é uma característica que diferencia a energia geotérmica de outras fontes renováveis.

Figura 1 — Uma usina geotérmica converte vapor e água quente extraídos do reservatório através de um poço de produção em eletricidade acima do solo e, em seguida, retorna a água residual essencialmente para a mesma camada através de um poço de injeção. Essa reinjeção é a escolha básica de projeto que evita o esgotamento dos recursos e o afundamento do solo.

2. Sistemas de Flash — Utilizando Vapor de Recursos de Alta Temperatura Diretamente

O método de flash utiliza a mistura de água quente e vapor de alta temperatura e alta pressão extraída do subsolo e a passa por um separador, reduzindo a pressão para que ela ferva instantaneamente ("vaporize") e se separe em vapor e salmoura. O vapor separado vai diretamente para a turbina e gira o gerador. A salmoura restante pode, às vezes, ser vaporizada uma segunda vez a uma pressão ainda menor para extrair vapor adicional — isso é chamado de flash duplo. Comparado ao flash simples, o flash duplo é considerado Para extrair aproximadamente 10 a 25% mais produção do mesmo recurso, o método de evaporação instantânea é amplamente adotado como forma de melhor aproveitar um recurso existente.

Após realizar trabalho na turbina, o vapor é condensado em um condensador e a torre de resfriamento dissipa o calor. O projeto padrão retorna a água quente e o condensado utilizados na produção para o subsolo por meio de um poço de injeção — isso não apenas evita o esgotamento do recurso, mas também ajuda a suprimir o afundamento do solo e a descarga de água quente na superfície. Simplificando o trabalho entregue à turbina, usando a vazão mássica \dot m, a eficiência da turbina \eta_t e a diferença de entalpia de entrada/saída h_{in}-h_{out}, ele pode ser aproximado como:

Como a diferença de entalpia é determinada pelas condições de pressão e temperatura do vapor, um recurso mais quente produz maior rendimento para a mesma vazão mássica. É por isso que o método de evaporação instantânea é adequado para altas temperaturas. Recursos geotérmicos na faixa de 200–350 °C.

O vapor frequentemente contém gases não condensáveis, como sulfeto de hidrogênio (H₂S) e dióxido de carbono, que causam problemas de odor e corrosão. Esses gases exigem tratamento com extratores de gás e equipamentos de dessulfurização, além de um projeto de emissões que leve em consideração a dispersão atmosférica e as normas de segurança locais. O método de evaporação instantânea é uma tecnologia consolidada e tem sido o principal pilar da geração de energia geotérmica em larga escala no mundo.

3. Sistemas Binários — Operando um Ciclo Rankine com um Fluido de Baixo Ponto de Ebulição

Nem todo recurso geotérmico é quente o suficiente para extrair vapor diretamente. Em recursos de água quente de temperatura média a baixa, em torno de 80–150 °C, é difícil ferver a água diretamente para girar uma turbina. É aí que entra o método binário. O calor do fluido geotérmico é primeiro transferido, por meio de um trocador de calor (um evaporador), para um fluido de trabalho orgânico com um ponto de ebulição inferior ao da água. (hidrocarbonetos como pentano e isobutano, ou alternativas do tipo refrigerante), e o vapor desse fluido gira a turbina. Como o fluido geotérmico em si nunca toca a turbina — apenas o fluido de trabalho do circuito fechado circula pela turbina, condensador e bomba — isso também é chamado de Ciclo Rankine Orgânico (ORC).

Quanto menor a diferença de temperatura entre a fonte de calor e o lado de resfriamento, menor o limite superior teórico de trabalho que uma máquina térmica pode extrair. Escrito na forma de eficiência de Carnot,

onde T_h é a temperatura absoluta da fonte de calor (o fluido geotérmico) e T_c a do lado de rejeição de calor (ar ambiente ou água de resfriamento). Comparados aos recursos com temperatura acima de 200 °C usados pelo método de flash, os recursos de temperatura média a baixa visados pelo método binário têm um T_h menor e uma lacuna menor. A partir de T_c, portanto, esse limite teórico é inferior. A eficiência térmica real é ainda influenciada pela escolha do fluido de trabalho, pelo desempenho do trocador de calor e pelas variações sazonais da temperatura do ar externo, sendo geralmente inferior à do método de vaporização instantânea, que utiliza vapor diretamente. Mesmo assim, como o fluido geotérmico nunca entra em contato direto com a turbina, a formação de incrustações e a corrosão nas tubulações e na turbina são mais fáceis de evitar e, por se tratar de um circuito fechado, as emissões para a atmosfera são mínimas. Acima de tudo, seu maior valor reside na capacidade de transformar recursos de água quente de temperatura média a baixa — recursos que o método de vaporização instantânea não poderia utilizar para geração de energia — em eletricidade.

O método binário, que gera energia a partir da água quente de poços termais existentes sem reduzir significativamente o volume de descarga da própria fonte termal, também está atraindo atenção como uma forma mais fácil de coexistir com as comunidades locais. Existe ainda um "ciclo combinado binário-instantâneo", que recupera o calor residual da salmoura remanescente após a vaporização instantânea em um recurso de alta temperatura — o calor. O método flash não podia ser usado — com um ciclo binário, e este também é usado como forma de aumentar a produção de um recurso existente.

4. O que diferencia o flash do ciclo binário

5. Situação Atual do Setor Geotérmico Japonês — A Lacuna entre o Volume de Recursos e a Capacidade Instalada

Os recursos geotérmicos do Japão estão entre os terceiros maiores do mundo (atrás apenas dos Estados Unidos e da Indonésia), mas a capacidade instalada real ainda não atingiu um nível compatível com esses recursos. A Usina Termelétrica de Hatchobaru (Prefeitura de Oita), operada pela Kyushu Electric Power, tem uma potência de 110.000 kW e é a maior usina geotérmica do país — suficiente para suprir a demanda de dezenas de milhares de residências. Mas o próprio fato de ser a "maior" do Japão já diz muito sobre o quanto o desenvolvimento está atrasado em relação à base de recursos.

Não há um único motivo para a dificuldade de implantação.

• Longos prazos de desenvolvimento: não é incomum que dez anos ou mais se passem entre o levantamento e a operação comercial. Somente após levantamentos de superfície, exploração geofísica, perfuração de múltiplos poços exploratórios e uma avaliação ambiental é que se pode tomar uma decisão de comercialização.

• Custo e risco de exploração e desenvolvimento: há casos em que um poço exploratório é perfurado, mas o projeto nunca chega à comercialização, e a estrutura tende a deixar o desenvolvedor sozinho arcando com o risco de não recuperar seu investimento inicial.

• Sobreposição com regulamentações de parques nacionais: muitas áreas ricas em recursos naturais estão localizadas dentro de parques nacionais vulcânicos ou quase nacionais, e o desenvolvimento requer várias licenças, além da consideração da paisagem e do meio ambiente natural. Este ponto tem surgido repetidamente nas discussões de reforma regulatória do governo.
• Coordenação de interesses com operadores de fontes termais: as fontes termais são um recurso importante para o turismo e as economias regionais do Japão, e a preocupação de que a energia geotérmica possa afetar o volume de descarga, a qualidade da água ou a temperatura de uma fonte termal pode significar longas negociações com associações locais de fontes termais. Grupos como a Associação Japonesa de Spas, em alguns casos, apresentaram solicitações opondo-se à flexibilização das regulamentações de desenvolvimento geotérmico dentro de parques nacionais.

Dentro dessas restrições, os desenvolvedores usam soluções técnicas alternativas — como a perfuração direcional em ângulo, que coloca a cabeça do poço em um local menos problemático para a paisagem ou para a regulamentação, ao mesmo tempo que se visa o recurso subterrâneo — equilibrar o custo com a aceitação social. O desafio para a energia geotérmica não é a física do vapor; é a construção de consenso social sobre "onde e como perfurar".

6. Impacto Ambiental e Monitoramento

Como a energia geotérmica não queima combustível, ela praticamente não produz gases de efeito estufa derivados da combustão. Dito isso, gases como o sulfeto de hidrogênio dissolvido no fluido geotérmico podem afetar a atmosfera e o meio ambiente circundante se não forem tratados adequadamente. Se o equilíbrio a longo prazo entre o bombeamento e a reinjeção de água quente for afetado, isso pode levar à queda da pressão do reservatório e ao afundamento do solo; portanto, o gerenciamento da localização dos poços de injeção e do volume reinjetado é tão importante quanto o próprio plano de geração.

Ao desenvolver projetos perto de uma área de fontes termais, o monitoramento contínuo do volume de descarga, da temperatura e da qualidade da água das fontes termais circundantes antes mesmo do início da operação, e a implementação de um sistema para detectar rapidamente qualquer alteração, é essencial para manter a confiança da comunidade local. Além das margens de segurança técnicas, esse tipo de monitoramento e divulgação de informações é o que... sustenta a sustentabilidade social da energia geotérmica.

7. Tecnologia de Próxima Geração — EGS e Geotermia Supercrítica

A energia geotérmica convencional tem se limitado a recursos "hidrotermais", onde calor, água e permeabilidade coincidem naturalmente. O EGS (Sistemas Geotérmicos Aprimorados/Projetados), por outro lado, é uma tecnologia que aplica pressão hidráulica a rochas quentes, porém pouco permeáveis, para criar artificialmente uma rede de fraturas, e então circula água através dela para extrair calor. Se bem-sucedida, poderá transformar vastas áreas de rocha de alta temperatura, antes inexploradas como recurso, em recursos geotérmicos.

O Utah FORGE (Observatório de Fronteira para Pesquisa em Energia Geotérmica), apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE), é um campo de demonstração dedicado à validação da tecnologia EGS. Próximo a Milford, Utah, o projeto perfurou um poço em um ângulo de 65 graus em 2021 e, em 2023, combinou um segundo poço para criar um reservatório artificial; segundo relatos... O projeto conseguiu recuperar mais de dois terços da água injetada no outro poço. A extensão do projeto, juntamente com financiamento adicional, foi garantida e o projeto encontra-se na fase de superação dos obstáculos técnicos para sua utilização prática, um de cada vez.

Pesquisas voltadas para profundidades ainda maiores concentram-se na geotermia supercrítica. O Projeto de Perfuração Profunda da Islândia (IDDP) investiga a viabilidade do uso de fluidos geotérmicos supercríticos, que atingem temperaturas de 400 a 600 °C a profundidades de 4 a 5 km. O poço IDDP-2 (Reykjanes), concluído em 2017, confirmou condições supercríticas de 426 °C e 340 bar de pressão a uma profundidade de 4,5 km. O fluido supercrítico possui alta entalpia e acredita-se que o mesmo poço possa extrair muito mais energia do que um poço geotérmico convencional — embora muitos desafios técnicos ainda precisem ser superados antes da comercialização, incluindo tecnologia de perfuração, materiais utilizados no poço e corrosão. contramedidas.

Ambas as tecnologias permanecem em fase de demonstração e pesquisa, e nenhuma delas chegou ao ponto de substituir as tecnologias de ciclo flash e binário existentes. Ainda assim, como possuem o potencial de ampliar a definição de um recurso geotérmico, de "um local onde a água e a permeabilidade coincidem" para "qualquer lugar onde exista rocha quente", este é um campo de pesquisa que pode remodelar substancialmente o futuro da energia geotérmica.

Resumo: Uma Perspectiva para a Análise da Energia Geotérmica

A tecnologia da energia geotérmica em si — a diferença entre ciclo flash e binário — é determinada quase que mecanicamente pela temperatura do recurso. O que realmente vale a pena examinar ao avaliar a energia geotérmica no Japão não é o tamanho do recurso, mas a questão prática de quanto tempo e dinheiro são necessários, e quais regulamentações e coordenações de interesses devem ser superadas, para transformar esse recurso em eletricidade.

Ao analisar um projeto geotérmico, vale a pena verificar o seguinte:

1. Qual é a temperatura do recurso e se trata de ciclo flash, binário ou combinado?

2. Qual é o tempo esperado desde o levantamento até a operação comercial? Quem assume o risco da exploração?

3. Qual a sua relação com os parques nacionais e áreas termais, e qual o estado das negociações locais?

4. Existe um plano para a instalação de poços de injeção e gestão de reservatórios a longo prazo?

Manter esses quatro pontos em mente permite que você leia as notícias sobre energia geotérmica não apenas como um número referente ao "terceiro maior recurso do mundo", mas com uma noção da distância real que ela precisa percorrer antes de se transformar em eletricidade.

Referências

• JOGMEC — Aprendendo sobre Energia Geotérmica
• [Agência de Recursos Naturais e Energia — Geotérmica] Energia](https://www.enecho.meti.go.jp/category/electricity_and_gas/electric/geothermal/)
• NEDO — Materiais de Tecnologia de Geração de Energia Geotérmica
• Associação Geotérmica do Japão (JGA)
• Utah FORGE — Observatório de Fronteira para Pesquisa em Energia Geotérmica
• Departamento de Energia dos EUA — Escritório de Tecnologias Geotérmicas
• Projeto de Perfuração Profunda da Islândia
• IEA — Energia Geotérmica