Energía geotérmica: cómo el calor de la Tierra se convirtió en un recurso energético eficiente

Dado: hay un núcleo caliente dentro de la Tierra, con él necesitas generar electricidad.
Pregunta: ¿cómo hacer esto?
Respuesta: construir una estación de energía geotérmica.
Descubrimos exactamente cómo, de dónde viene el vapor subterráneo y cuánto beneficio hay de una central eléctrica de este tipo.

El método más antiguo y popular para producir electricidad a escala industrial hoy en día es la rotación de la turbina del generador con una potente corriente de vapor caliente del agua hirviendo debido al calentamiento forzado. Si lo piensa, la esencia del trabajo en una central térmica de carbón y en una central nuclear moderna es el agua hirviendo, con la única diferencia de que el carbón se quema para este propósito, y en el reactor de la central nuclear se hierve calentando elementos como resultado de una reacción en cadena controlada.

Pero, ¿por qué calentar el agua si en algunos lugares sale del suelo ya caliente? ¿Es posible usarlo directamente? Puede: en 1904, el italiano Pierrot Ginori Conti lanzó el primer generador, alimentado por un par de fuentes geotérmicas naturales, abundantemente presente en Italia. Así apareció la primera estación de energía geotérmica del mundo, que aún funciona.

Sin embargo, para proporcionar a la planta de energía geotérmica una eficiencia y un costo aceptables, necesita agua a una cierta temperatura, no más profunda que un cierto nivel. Si desea construir una planta de energía geotérmica (por ejemplo, en su casa de verano), primero debe comenzar a perforar pozos en los acuíferos, donde el agua a gran presión calienta hasta 150-200 ° C y está lista para salir a la superficie en forma de agua hirviendo o vapor sobrecalentado. Bueno, entonces, como las plantas de energía de combustibles fósiles, el vapor entrante rotará una turbina que impulsará un generador que genera electricidad. Usa el calor natural del planeta para producir vapor, esto es energía geotérmica. Y ahora para los detalles.

Un poco sobre el calor de la tierra

La temperatura de la superficie del núcleo sólido de la Tierra a una profundidad de aproximadamente 5100 km es de aproximadamente 6000 ° C. Al acercarse a la corteza terrestre, la temperatura disminuye gradualmente.


Un gráfico claro de la temperatura de la roca cambia a medida que te mueves hacia el centro de la tierra. Fuente: Wikimedia / Bkilli1

El llamado gradiente geotérmico, un cambio de temperatura en un área específica del grosor de la tierra, promedia 3 ° C por cada 100 metros. Es decir, en una mina a una profundidad de 1 km habrá calor de treinta grados; cualquiera que haya visitado una mina así lo confirmará. Pero dependiendo de la región, el gradiente de temperatura cambia: por ejemplo, en el pozo superprofundo de Kola en un horizonte de 12 km, se registró una temperatura de 220 ° C, y en algunos lugares del planeta, cerca de fallas tectónicas y zonas de actividad volcánica, para alcanzar temperaturas similares, es suficiente perforar desde unos pocos cientos de metros hasta varios kilómetros, generalmente de 0.5 a 3 km. En el estado estadounidense de Oregón, el gradiente geotérmico es de 150 ° C por 1 km, y en Sudáfrica solo 6 ° C por 1 km. De ahí la conclusión: no puede construir una buena estación geotérmica en ningún lugar (antes de comenzar a trabajar, asegúrese de que su casa de verano esté en un lugar adecuado). Como regla, los lugares adecuados son aquellos donde hay una fuerte actividad geológica: a menudo ocurren terremotos y hay volcanes activos.

Tipos de centrales geotérmicas

Dependiendo de qué fuente de energía geotérmica esté disponible (por ejemplo, en su DSC), elegirá el tipo de estación de energía. Entenderemos lo que son.

Estación hidrotermal

Un diagrama simplificado de una planta de energía hidrotermal de ciclo directo será claro incluso para un niño: el vapor caliente se eleva desde el suelo a través de una tubería, que hace girar la turbina del generador, y luego se precipita a la atmósfera. Es realmente así de simple si tenemos la suerte de encontrar una fuente de vapor adecuada.


Ciclo directo GeoTES. Fuente: Ahorro de energía

Si el vapor que tiene disponible no supera el vapor, sino las mezclas de vapor y agua con temperaturas superiores a 150 ° C, se requerirá una estación de ciclo combinado. Delante de la turbina, el separador separará el vapor del agua: el vapor irá a la turbina y el agua caliente se descargará en el pozo o se transferirá al expansor, donde a baja presión emitirá vapor adicional para la turbina.

Si su cabaña de verano no tiene suerte con las aguas termales, por ejemplo, si la temperatura del agua subterránea es inferior a 100 ° C a una profundidad económicamente aceptable, y realmente desea tener un GeoTES, deberá construir una estación geotérmica binaria compleja, cuyo ciclo fue inventado en la URSS . En él, el fluido del pozo no se suministra a la turbina de ninguna forma. En cambio, en un intercambiador de calor, calienta otro fluido de trabajo con un punto de ebullición más bajo, que, convirtiéndose en vapor, hace girar la turbina, se condensa y regresa a la cámara de intercambio de calor. Dichos fluidos de trabajo pueden ser, por ejemplo, freón, una de cuyas especies (fluorodiclorobromometano) hierve incluso a 51,9 ° C. El ciclo binario se puede combinar con el ciclo combinado, cuando se suministrará vapor a una turbina, y el agua separada se enviará a otro circuito para calentar el refrigerante con un punto de ebullición bajo.


Ciclo binario GeoTES. Fuente: Ahorro de energía

Estacion Petrotermica

Las fuentes subterráneas calentadas son un fenómeno muy raro a escala planetaria, como probablemente se notará, que limita drásticamente el área potencial para la introducción de energía geotérmica, por lo que se desarrolló un enfoque alternativo: si no hay agua en las profundidades calientes de la corteza terrestre, entonces debe bombearse allí. El principio petrotérmico implica la inyección de agua en un pozo profundo con roca calentada, donde el líquido se convierte en vapor y regresa a la turbina de la planta de energía.


Diagrama simplificado de una planta de energía petrotérmica.

Es necesario perforar al menos dos pozos: se suministrará agua a uno desde la superficie para que del calor de las rocas se convierta en vapor y salga por otro pozo. Y luego el proceso de generación de electricidad será completamente similar a la estación hidrotermal.

Naturalmente, no es realista conectar dos pozos bajo tierra a una profundidad de varios kilómetros: el agua entre ellos se comunica debido a las fracturas resultantes del bombeo de fluidos bajo una presión tremenda (fracturación hidráulica). Para evitar que las grietas y los vacíos se cierren con el tiempo, se agregan gránulos, por ejemplo arena, al agua.

En promedio, un pozo para un proceso petrotérmico produce un flujo de mezcla de vapor y agua suficiente para generar 3-5 MW de energía. Hasta ahora, dichos sistemas no se han implementado en ningún lugar a nivel industrial, pero el trabajo está en curso, en particular, en Japón y Australia.

Los beneficios de la energía geotérmica.

De lo anterior, se deduce que el uso del calor de la Tierra para generar electricidad a escala industrial, la compañía no es barata. Pero muy beneficioso por varias razones.

Inagotabilidad Las centrales eléctricas que utilizan combustibles fósiles (gas natural, carbón, fuel oil) dependen en gran medida del suministro de este mismo combustible. Además, el peligro radica no solo en el cese de suministros debido a desastres o cambios en la situación política, sino también en un aumento espasmódico no planificado en los precios de las materias primas. A principios de la década de 1970, debido a las turbulencias políticas en el Medio Oriente, estalló una crisis de combustible que condujo a un aumento de cuatro veces en los precios del petróleo. La crisis dio un nuevo impulso al desarrollo del transporte eléctrico y los tipos alternativos de energía. Una de las ventajas de usar calor terrenal es su inagotable práctica (como resultado de las acciones humanas, al menos). El flujo de calor anual de la Tierra a la superficie es de aproximadamente 400,000 TW · h por año, que es 17 veces más que durante el mismo período que producen todas las plantas de energía del mundo. La temperatura del núcleo de la Tierra es de 6000 ° C, y la velocidad de enfriamiento se estima en 300-500 ° C durante mil millones de años. No se preocupe si la humanidad puede acelerar este proceso perforando pozos y bombeando agua allí: una caída en la temperatura central de 1 grado libera 2 · 1020 kWh de energía, que es millones de veces más que el consumo anual de electricidad de toda la humanidad.

Estabilidad La energía eólica y solar son extremadamente sensibles al clima y la hora del día. No hay luz solar, no hay generación, la estación deja una reserva de baterías. El viento se ha debilitado: nuevamente no hay generación, nuevamente entran en juego baterías sin capacidad infinita. Sujeto a los procesos técnicos para el retorno de agua al pozo, la central hidroeléctrica operará continuamente las 24 horas, los 7 días de la semana.

Compacidad y conveniencia para áreas difíciles. Alimentar áreas remotas con infraestructura aislada no es una tarea fácil. Se complica aún más si el área tiene un acceso de transporte deficiente y el terreno no es adecuado para la construcción de centrales eléctricas tradicionales. Una de las ventajas importantes de las plantas de energía geotérmica es su compacidad: dado que el refrigerante se toma literalmente del suelo, se construyen una sala de turbinas y un generador y una torre de enfriamiento en la superficie, que juntos ocupan muy poco espacio.

Una estación geotérmica con una generación de 1 GW · h / año ocupará un área de 400 m2, incluso en las tierras altas de una estación de energía geotérmica, se requerirá un área muy pequeña y una carretera. Para una estación solar con la misma salida, se requerirán 3240 m2, para una estación eólica - 1340 m2.

Respetuoso del medio ambiente. El funcionamiento de la estación geotérmica en sí es prácticamente inofensivo: su emisión de dióxido de carbono a la atmósfera se estima en 45 kg de CO2 por 1 kWh de energía generada. A modo de comparación: en las estaciones de carbón, el mismo kilovatio-hora representa 1000 kg de CO2, en las estaciones de petróleo - 840 kg, gas - 469 kg. Sin embargo, las plantas nucleares representan solo 16 kg, algo, y producen un mínimo de dióxido de carbono.

La posibilidad de minería paralela. Sorprendentemente, es un hecho: en algunas unidades de energía de GeoTES, además de la electricidad, también producen gases y metales disueltos en una mezcla de vapor y agua proveniente del subsuelo. Simplemente podrían volver a colocarse en el pozo junto con el vapor condensado gastado, pero, dados los volúmenes de elementos útiles que pasan por la estación de energía geotérmica, sería más razonable establecer su producción. En algunas áreas de Italia, el vapor de los pozos contiene 150-700 mg de ácido bórico por kilogramo de vapor. Una de las plantas de energía hidrotermal locales de 4 MW consume 20 kg de vapor por segundo, por lo que la producción de ácido bórico se coloca allí de manera industrial.

Desventajas de la energía geotérmica.

El fluido de trabajo es peligroso. Como se señaló anteriormente, los Geo-TPP no producen emisiones tóxicas adicionales, solo una pequeña cantidad de dióxido de carbono, un orden de magnitud menor que el de los TPP a gas. Lo cual, sin embargo, no significa que el agua subterránea y el vapor sean siempre sustancias puras, similares al agua potable mineral. Una mezcla de vapor y agua de las profundidades de la tierra está saturada de gases y metales pesados ​​que son característicos de una parte particular de la corteza terrestre: plomo, cadmio, arsénico, zinc, azufre, boro, amoníaco, fenol, etc. En algunos casos, un cóctel tan impresionante fluye a través de las tuberías hacia el GeoTES que su descarga a la atmósfera o cuerpos de agua causará inmediatamente un desastre ambiental local.


El resultado de la acción del agua geotérmica sobre metales.

Sujeto a todos los requisitos de seguridad, el vapor enviado a la atmósfera se filtra cuidadosamente de metales y gases, y el condensado se bombea nuevamente al pozo. Pero en caso de situaciones de emergencia o violación intencional de los reglamentos técnicos, la estación geotérmica puede causar algunos daños al medio ambiente.

Alto costo por kilovatio. A pesar de la relativa simplicidad del diseño del GeoTES, las inversiones iniciales en su construcción son considerables. Se gasta mucho dinero en exploración y análisis, como resultado de lo cual el costo de las estaciones geotérmicas fluctúa al nivel de $ 2800 / kW de capacidad instalada. Para comparación: TPP - $ 1000 / kW, turbinas eólicas - $ 1600 / kW, planta de energía solar - $ 1800-2000 / kW, planta de energía nuclear - alrededor de $ 6000 / kW. Además, el costo promedio se da para la estación de energía geotérmica, que puede variar mucho según el país, la topografía, la composición química del vapor y la profundidad de perforación.

Relativamente baja potencia. Los Geo-TPP, en principio, aún no se pueden comparar en términos de generación de electricidad con centrales hidroeléctricas, centrales nucleares y centrales térmicas. Incluso cuando se perfora una gran cantidad de pozos, el flujo de vapor seguirá siendo pequeño, y la electricidad generada será suficiente solo para ciudades pequeñas.

El complejo de energía geotérmica The Geysers más poderoso para 2019 se extiende sobre un área de 78 km2 en California, EE. UU. Consiste en 22 estaciones hidrotermales y 350 pozos con una capacidad instalada total de 1,517 MW (producción real de 955 MW), que cubren hasta el 60% de los requerimientos de energía de la costa norte del estado. La capacidad total de The Geysers es comparable al reactor soviético RBMK-1500, que una vez trabajó en la central nuclear de Ignalina, donde había dos, y la central nuclear en sí se encontraba en un área de 0,75 km2. Los Geo-TPP con una generación de 200-300 MW se consideran muy potentes, mientras que la mayoría de las estaciones en todo el mundo funcionan con números de dos dígitos.


La estación hidrotermal combinada del complejo The Geysers en California. Y hay 22. Fuente: Wikimedia / Stepheng3

¿Dónde funciona todo y qué tan prometedor es?

A partir de 2018, las plantas de energía geotérmica en todo el mundo generan más de 14.3 GW de energía, mientras que en 2007 produjeron solo 9.7 GW. Sí, no es una revolución geotérmica, pero el crecimiento es evidente.

El líder en producción geotérmica es Estados Unidos con sus 3.591 MW. Valor impresionante, que, sin embargo, es solo el 0.3% de la producción total del país. Luego viene Indonesia de 1948 MW y 3.7%. Pero en tercer lugar, comienza la diversión: en Filipinas, las plantas de energía geotérmica tienen una capacidad instalada de 1868 MW, mientras que representan el 27% de la electricidad del país. ¡Y en Kenia - 51%! Japón también se encuentra entre los diez primeros en términos de la cantidad de kilovatios generados por el Geo-TPP.

La primera estación de energía geotérmica, Matsukawa, se inauguró en Japón en 1966. Generó 23.5 MW, y Toshiba produjo la turbina y el generador para ello. En la década de 2010, la energía geotérmica se convirtió en la más demandada en los países de África, donde comenzó la conclusión activa de los contratos y la construcción de GeoTPS. En 2015, Kenia abrió la estación Olkaria IV, una de cuatro, ubicada en el área de Olkaria a 120 km de Nairobi, con una capacidad de 140 MW. Con su ayuda, el gobierno reduce su dependencia de las centrales hidroeléctricas, la descarga de agua de la cual a menudo conduce a inundaciones devastadoras.


GeoTES Olkaria IV en Kenia. Olkaria V y Olkaria VI planean ser comisionados en 2021. Fuente: Toshiba

Los Geo-TPP también se están construyendo activamente en Uganda, Tanzania, Etiopía y Djibouti.

En Rusia, el desarrollo de la energía geotérmica avanza a un ritmo muy pausado, ya que no hay una necesidad especial de construir centrales eléctricas adicionales. En 2015, tales estaciones representaban solo 82 MW.

La estación geotérmica Pauzhet, construida en Kamchatka en 1966, fue la primera en la URSS. Su capacidad instalada inicial era de solo 5 MW, ahora se ha elevado a 12 MW. Después de eso, apareció la estación Paratunskaya con una capacidad de solo 600 kW, el primer GeoTES binario del mundo.

Ahora en Rusia solo hay cuatro estaciones, tres de ellas alimentan a Kamchatka, una más, 3.6 MW Mendeleev GeoPP, abastece la isla Kunashir de la cordillera Kuril.

Hay muchas formas de generar electricidad en nuestro planeta sin la ayuda de combustibles fósiles. Algunos de ellos, por ejemplo, la energía solar y eólica, se utilizan con éxito ahora. Algunos, como las pilas de combustible de hidrógeno, todavía están en la etapa inicial de adaptación. La energía geotérmica es nuestra base para el futuro, cuyo potencial total aún no hemos desatado.