Cómo Funciona La Energía Geotérmica Artificial

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La energía geotérmica artificial se produce al agregar agua a rocas naturalmente calientes. Aprende sobre la energía geotérmica artificial.

Puede generar electricidad a partir del calor en la Tierra, solo pregunte a los residentes del norte de California. Su electricidad viene de energía geotérmica naturalo energia hidrotermica, y así es como funciona. Comienza con agua de 6,562 a 13,123 pies (2 a 4 kilómetros) bajo tierra, atrapados en hoyos o grietas en las rocas. El agua y la roca se calientan por el manto caliente de la Tierra o por minerales radiactivos en la roca. Las compañías energéticas perforan pozos en la roca y bombean agua caliente o vapor. El vapor impulsa las turbinas en los generadores, que envían electricidad a las casas de los residentes.

Dado que la naturaleza proporcionó la roca caliente, los orificios o grietas conectados y el agua, se considera energía geotérmica natural. Por el contrario, mejorado o sistemas geotérmicos de ingeniería (EGSs) No espere la configuración completa. Comienzan con roca caliente y agregan el agua o las grietas y conexiones o todo. Entonces, toda la electricidad geotérmica proviene del agua caliente dentro de la roca caliente; En geotermia natural, la naturaleza hace el sistema. En ingeniería geotérmica, los ingenieros hacen parte de ella.

¿Por qué molestarse en construir el sistema si la naturaleza te lo puede dar gratis? En cierto modo, es una oportunidad para diseñar el sistema geotérmico perfecto. Ya no estás atascado con lo que proporciona la naturaleza, que podría ser agua más fría o más de un charco que un vasto depósito. No tiene que buscar las fuentes naturales y no está limitado a las regiones del mundo donde existen las fuentes naturales. Por un costo, puede diseñar un sistema geotérmico en cualquier lugar. Y puedes hacerlo más eficiente que cualquier cosa que la naturaleza provea.

En este artículo, exploraremos los beneficios, límites y la promesa de un futuro impulsado por EGS. Primero, haremos un recorrido por una planta de energía EGS.

Cómo funciona la energía geotérmica artificial: cómo

Dentro de una planta de energía de sistema geotérmico de ingeniería

Una perforación de perforación que forma parte del proyecto de energía Deep Heat Mining se eleva en Suiza en 2007. La energía geotérmica podría proporcionar 250,000 veces más energía de la que el mundo consume cada año, según AP.

Una perforación de perforación que forma parte del proyecto de energía Deep Heat Mining se eleva en Suiza en 2007. La energía geotérmica podría proporcionar 250,000 veces más energía de la que el mundo consume cada año, según AP.

Para entender cómo funcionan los sistemas geotérmicos diseñados (EGS, por sus siglas en inglés), es útil comenzar con la forma en que se construyen los sistemas. Están construidos en rocas calientes y profundas: sótanoRocas sedimentarias o volcánicas. Los desarrolladores perforan pozos de 1.9 a 6.2 millas (3 a 10 kilómetros) en las rocas, utilizando taladros convencionales de petróleo. La temperatura ahí abajo mide unos 160 grados F a 600 grados F (71 grados C a 315 grados C). La profundidad es más profunda que la utilizada en los sistemas geotérmicos naturales, pero la temperatura es aproximadamente la misma.

Las rocas necesitan tener una historia especial. Estas rocas, como todas las rocas, fueron estresadas hace mucho tiempo, por lo que se agrietaron. Con el tiempo, las grietas se volvieron a sellar con costras de minerales, pero eso es parte del plan. El siguiente paso es forzar el agua en la roca usando bombas de alta presión.

Aquí es donde entra en juego otra parte de la historia del rock. El rock todavía está bajo estrés, por lo que solo está desgarrando sus viejas grietas. Forzar el agua para que haga el truco, y se desliza a lo largo de sus grietas. Los ásperos bordes de la roca la mantienen abierta.

Ahora, estamos listos para hablar de electricidad. La planta de energía en la superficie tiene pares de pozos. pozos de inyección y pozos de producción. El agua fría se bombea por los pozos de inyección. A medida que se filtra a través de las grietas en la roca caliente, se calienta. Una vez que está lo suficientemente caliente, se eleva por su propio calor o por la presión del agua que ingresa en el pozo de producción. El resto es geotérmico como de costumbre: el agua caliente produce vapor y acciona las turbinas. Torres de enfriamiento o las tuberías enfrían el agua y la reciclan de nuevo en los pozos de inyección.

Casi cualquier sitio puede usarse para construir un EGS porque el hot rock está en todas partes. Pero los mejores sitios ocurren donde la roca caliente está más estresada y más cerca de la superficie. Los desarrolladores pueden perforar pozos de temperatura y buscar estrés en la geología de la superficie para evaluar los sitios. En varios países, incluido Estados Unidos, los topógrafos gubernamentales están haciendo mapas sistemáticos.

A continuación, exploraremos los riesgos de entrometerse bajo tierra.

Calefacción EGS

El agua caliente que sale de los pozos de un sistema geotérmico diseñado también puede calentar los edificios directamente, además de generar electricidad.

Terremotos y otros riesgos de la energía geotérmica artificial

La recolección de energía geotérmica de ingeniería requiere la construcción subterránea, por lo que conlleva riesgos, pero pueden controlarse.

Los primeros riesgos son las vibraciones en la superficie. Cuando los ingenieros construyen un sistema geotérmico diseñado (EGS), crean algo así como un terremoto subterráneo. Ocurre durante la fractura, cuando la roca caliente se derrumba sobre sí misma y se resbala. El deslizamiento se produce en una escala mucho más pequeña que cuando una falla grande se resbala para causar un terremoto que podemos sentir fácilmente. Rara vez sentimos estos temblores artificiales en la superficie, pero si lo hacemos, es como una vibración de luz.

Los movimientos de la roca son monitoreados y controlados. Al plantar sismómetros alrededor de la roca para ser fracturados, los ingenieros pueden ver cómo se extienden las grietas. Dado que sus propias bombas de agua controlan el agrietamiento y el deslizamiento, si los ingenieros quieren que se detenga, pueden apagar el agua.

Con una buena planificación, no se producirán grandes terremotos. Los desarrolladores no pondrían un sitio EGS cerca de una falla grande, donde el bombeo a alta presión podría perturbar la falla. Los desarrolladores pueden consultar los mapas geológicos regionales para saber dónde están las grandes fallas. Y por si acaso, los desarrolladores miden la sismicidad en los sitios antes de que comiencen a trabajar en un área.

El uso del agua plantea un problema aún mayor que las vibraciones de la superficie. Los sitios de EGS usan agua durante la construcción y operación. La primera agua se invierte para mantener abierta la roca agrietada y mide 2 millones de galones o más (alrededor de tres piscinas olímpicas o 7.6 millones de litros). Una vez que la roca no está sellada, succionará los depósitos cercanos, bajando el nivel freático, a menos que agregue millones a miles de millones más de galones de agua en la superficie. En algunos sistemas, se utiliza más agua para enfriar la planta de energía.

La buena noticia es que toda el agua agregada en la superficie se puede reutilizar, por lo que se invierte solo una vez. Tampoco tiene que ser agua potable. EGS es más económico en el árido Oeste, porque ahí es donde las rocas calientes son las más someras, por lo que los desarrolladores tienen que comprar derechos de agua.

La contaminación del agua es otro tema. A medida que el agua circula a través de la roca caliente, puede recoger arsénico y otras sustancias venenosas. Los contaminantes no deben filtrarse en la superficie ni en el agua dulce subterránea. Para tratar de asegurar que no lo hagan, los ingenieros mantienen el agua circulante contenida. En la superficie, fluye a través de tuberías que se sumergen en los pozos, y cuando el agua fluye a través de la roca agrietada, una cubierta de roca sin fisuras sirve como aislante.

Siga leyendo para conocer los beneficios de EGS.

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El terremoto más grande jamás registrado durante la construcción de un sistema geotérmico diseñado ocurrió en un sitio en el centro de Basilea, Suiza. Midiendo una magnitud de 3.4, el terremoto menor sacudió un poco los edificios, probablemente sintiéndose como un camión que pasa [fuente: Engeler, USGS].

El sonido, sin embargo, causó el mayor susto. Debido a que el terremoto fue poco profundo, los residentes de Basilea sintieron un impacto aéreo y escucharon un auge, que no esperaban. Ninguno fue herido. Pero Geopower Basel AG detuvo la operación para que el gobierno complete una evaluación de riesgo [fuente: Haring].

Beneficios de la energía geotérmica artificial.

Aquí hay otro beneficio de la geotermia: a los monos les gusta. Macacos japoneses que cuelgan hacia fuera en las aguas termales en la ciudad de Macaca Yamanouchi, Prefectura de Nagano, Japón.

Aquí hay otro beneficio de la geotermia: a los monos les gusta. Macacos japoneses que cuelgan hacia fuera en las aguas termales en la ciudad de Macaca Yamanouchi, Prefectura de Nagano, Japón.

Toda la energía geotérmica, ya sea natural o diseñada, tiene beneficios económicos y ambientales, como la confiabilidad. Puede suministrar electricidad sin parar, debido a que la Tierra siempre está caliente e irradia calor de manera previsible. No se puede decir lo mismo del viento o la energía solar, ya que el viento se detiene y el sol se pone.

La ingeniería geotérmica, al igual que la geotérmica natural, es renovable, lo que significa que no agota el calor de la Tierra. Eso no quiere decir que los sitios no se desgasten. Ellas hacen. "Minas el calor de esta región local bajo tierra más rápido de lo que lo suministran los minerales radioactivos en la roca y la conducción a través de la Tierra", dice Jefferson Tester, un experto de EGS en MIT. Finalmente, la roca entre la inyección y el pozo de producción se enfría. Pero al igual que la rotación de cultivos, se pueden perforar nuevos pozos cerca, donde la roca está más caliente que nunca. Al rotar entre varios pares de pozos, puede seguir obteniendo agua caliente. En general, el proceso extrae una pequeña fracción del calor en un gran bloque de roca y una cantidad ridículamente pequeña del calor de la Tierra. Ningún sistema podría soñar con enfriar la Tierra.

La ingeniería geotérmica y natural utilizan las mismas centrales eléctricas, que son muy limpias. Plantas binariasLos diseños más limpios no emiten gases al medio ambiente, ni siquiera nubes de vapor. El agua en circulación permanece en una tubería y hierve otro fluido para hacer girar las turbinas de la planta. Vapor y plantas flash, que soplan nubes de vapor, emiten naturalmente poco dióxido de azufre, óxido de nitrógeno y dióxido de carbono y tienen depuradores que prácticamente no dejan escapar el sulfuro de hidrógeno.

Además, las plantas de energía geotérmica no ocupan mucho terreno: 7,460 metros cuadrados (80,299 pies cuadrados) por megavatio. Veamos cómo se comparan otras fuentes de energía:

  • Los paneles solares son los peores en el espacio, con más de 710,418 pies cuadrados (66,000 metros cuadrados) por megavatio de electricidad en condiciones ideales.
  • Las plantas de carbón y sus minas de cinta ocupan 430,556 pies cuadrados (40,000 metros cuadrados) por megavatio.
  • Una planta nuclear ocupa 107,639 pies cuadrados (10,000 metros cuadrados) por megavatio.

[fuente: probador]

La energía geotérmica también ofrece a un país seguridad energética. Debido a que el recurso está en su tierra natal, y para todos los propósitos, ilimitado, no hay que preocuparse por el costo de las importaciones. Y, a diferencia de la energía nuclear, los subproductos de la energía geotérmica no pueden usarse para armas.

La gran ventaja de la geotermia diseñada sobre la geotermia natural es que funciona en casi cualquier lugar. La ingeniería geotérmica solo necesita roca caliente. "Usted perfora lo suficientemente profundo en cualquier lugar, y golpeará roca caliente", dice Peter Rose, un experto de EGS en la Universidad de Utah.

A continuación, veremos la etiqueta de precio proyectada para la ingeniería geotérmica.

El costo de la energía geotérmica artificial: dólares, centavos y vatios

No podemos evitar la economía. Los inversores quieren saber qué tan rápido se pagarán los sistemas geotérmicos (EGS), y los consumidores están preocupados por el costo de la energía.

La parte más cara de la energía geotérmica diseñada es perforar los pozos. Para perforar un pozo de 2.5 millas (4 kilómetros), que es de rango medio, cuesta alrededor de $ 5 millones. Si el calor es más profundo, a 6,2 millas (10 kilómetros), el costo de la perforación se dispara a $ 20 millones por pozo [fuente: probador]. Estos costos podrían disminuir en millones por pozo a medida que avanza la tecnología de perforación.

Una vez que se construyen los pozos y la planta de energía, el sistema no es costoso de operar. El calor de la tierra es libre. Los operadores pagan para mantener las bombas de agua bombeando y para mantener los pozos. También pagan a los pozos cada cinco a 10 años, dice Tester.

Una planta de energía geotérmica de ingeniería madura puede generar entre 1 y 50 megavatios de electricidad, suficiente para abastecer a 800 a 41,000 hogares promedio en los EE. UU. [Fuentes: Tester, EIA]. La producción es inferior a la de algunas plantas geotérmicas naturales y palidece en comparación con los más de 2,000 megavatios que una planta de carbón puede suministrar [fuente: Tester].

Los inversores pueden obtener un buen trato al final, cada año recuperando del 17 al 18 por ciento del dinero que gastan en la construcción de partes subterráneas del sistema, lo mismo que obtendrían de un campo de petróleo o gas natural, dice Tester. Para los consumidores, el costo de la electricidad depende de qué tan bien el sistema extraiga el calor de la roca. El costo disminuye si circula más agua a través de la roca y si el agua recuperada está más caliente.

Tester y sus colegas ejecutaron modelos en seis ubicaciones de EE. UU. Donde los sistemas geotérmicos diseñados serían prácticos. Estimaron que los primeros sistemas geotérmicos diseñados serían ineficientes, obteniendo 20 kilogramos de agua caliente por pozo de producción por segundo, estableciendo el costo de la electricidad entre 18 y 75 centavos de dólar por kilovatio-hora. Pero con la tecnología madura, capaz de recolectar 80 kilogramos de agua caliente de cada pozo de producción por segundo, el costo podría caer de 4 a 9 centavos por kilovatio-hora, dentro del rango o por debajo del costo de la electricidad del carbón [fuente: probador].

Aumentar la producción de energía y reducir el costo es un problema de ingeniería manejable, dice Tester. "No tenemos que hacer nuevos descubrimientos significativos ni encontrar nuevos materiales. Tenemos que volver a diseñar el sistema de subsuelo [roca] por un mejor conocimiento de lo que hay ahí abajo. Es una ruta mucho más fácil de manejar".

Sigue leyendo para saber por qué Australia podría convertirse en la capital mundial de EGS.

Energía geotérmica artificial en todo el mundo

La ingeniería geotérmica todavía es experimental en todo el mundo, pero existen algunas pequeñas centrales comerciales de energía.

Japón irrumpió en la escena geotérmica diseñada al demostrarlo en el lado de un volcán, en un sitio llamado Hijiori. Su prueba más larga se ejecutó durante un año y cosechó el calor suficiente para hacer funcionar una pequeña central eléctrica de 130 kilovatios. La prueba se detuvo porque un pozo enfrió dramáticamente 63 grados F (17 grados C) en un año [fuente: probador].

Las perspectivas se ven bien en Australia porque en todo el continente, las fuentes radiactivas calientan la roca del sótano que es poco profunda, está agrietada y ahora está bajo el tipo correcto de estrés. En la cuenca de Cooper, que actualmente se usa para petróleo y gas, los topógrafos encontraron una losa de granito de 386 millas cuadradas (1,000 kilómetros cuadrados) a 482 grados F (250 grados C). Geodynamics Ltd. recogió el sitio, se hundió en un par de pozos, acertadamente llamados "Habanero-1" y "Habanero-2", agrietó la roca y comenzó a hacer circular agua. Se está construyendo una central eléctrica, que podría generar cientos o miles de megavatios de electricidad, lo que la hace competitiva con una planta de carbón, si muchos pozos entran en el campo grande [fuente: Tester].

Francia y Alemania ahora están produciendo electricidad por ingeniería geotérmica. Una planta, en Soultz-sous-Forêts, Francia, produce aproximadamente 1 megavatio de electricidad. El otro, en Landau, Alemania, produce de 2 a 3 megavatios, dice Rose. Estos pequeños productos podrían crecer si los proyectos recaudan dinero para perforar más pozos.

En los Estados Unidos, la ingeniería geotérmica está comenzando ahora. Las primeras demostraciones serán en plantas de energía geotérmica natural en los Geysers en California y en Desert Peak y Brady en Nevada. En las demostraciones, las técnicas geotérmicas diseñadas rescatarán algunos pozos secos y aumentarán la producción de energía en los sitios.

El Estudio Geológico de los Estados Unidos planea demostrar una geotermia más diseñada en el medio oeste y en las cuencas de roca caliente al este del Mississippi. "Eso capturaría la imaginación de muchos más estados y congresistas y ayudaría enormemente si los convenciera de que esto no era solo un recurso occidental", dice Rose. Si todo va bien, podrían aparecer centrales eléctricas autónomas en los Estados Unidos en cinco años, dice Rose.

Sigue leyendo para saber qué más predicen los expertos sobre el futuro de EGS.

¿Quién tiró eso?

Los campos de gas abandonados en Texas son buenos bienes raíces para las plantas de energía EGS. De hecho, los sitios ya están a medio construir. Los pozos de gas abandonados podrían extenderse para convertirse en pozos EGS, reduciendo los costos de perforación. La roca es arenisca caliente, no granito, por lo que ya es porosa y no debería ser fracturada. La roca contiene agua. Todo lo que quedaría sería comenzar el flujo de agua [fuente: Rose].

El futuro de EGS

"Hasta el momento, no hay muchas historias de éxito que señalar", dice Peter Rose de la Universidad de Utah. "No hay nada en el EGS que sea tecnológicamente imposible, y los pasos se han comprobado en todo el mundo. Pero los banqueros e inversionistas dicen: '¿Dónde están estas plantas ahora? ¿Quién ha hecho una de esas?' Y tú dices: 'Este será el primero'. Debe decir 'Lo hemos hecho aquí y cuesta mucho, y estos son los problemas que hemos tenido' ".

En 2006, un panel de expertos en el campo de la energía trazó una hoja de ruta sobre cómo los EE. UU. Podrían obtener 100,000 megavatios de electricidad potencial de EGS. Solicitó $ 1 billón en fondos de desarrollo, demostración y puesta en marcha para EGS, distribuidos en 15 años. "Eso es una ganga en mi campo, en comparación con el costo de una planta de carbón limpio", dice Tester.

"La historia nos dice que no ha habido coherencia en la política energética de los EE. UU. En los últimos 30 años", dice Tester. "Necesitamos coherencia y debemos mantener el rumbo durante aproximadamente una década para todo, no solo geotérmica. Si continuamos sin fondos suficientes, no iremos a ninguna parte. Lo sabemos. Si no alimentamos a los niños Cuando son jóvenes, no crecen tan rápido ".

Según el informe, Estados Unidos experimentará un cambio en el mercado de la energía en los próximos 50 años. La hidroeléctrica estará menos disponible debido a los usos competitivos. El costo del carbón aumentará cuando las plantas más antiguas que no cumplan con el medio ambiente se retiren o si la política de carbono aumenta el costo. Las plantas nucleares envejecidas se retirarán, y llevará tiempo reconstruirlas. Las fuentes de energía capaces de generar electricidad día y noche serán menos (gas natural y petróleo) que abren una ventana para la geotermia. Si se desarrollara la energía geotérmica hasta el punto de ser barata para entonces, podría aprovechar sus ventajas en el mercado antes de que reaparezca la electricidad a carbón.

Por lo tanto, si EGS puede mejorar su ingeniería, demostrar sus habilidades comercialmente, atraer inversores y reducir su costo en el momento en que una ventana se abra temporalmente en el mercado, crecerá. De lo contrario, la energía geotérmica, incluso con la adición de EGS comercial, podría permanecer como en los Estados Unidos, generando el 4 por ciento de la electricidad del país [fuente: EIA].

Sigue leyendo para aprender más sobre el futuro de la energía y la tecnología verde.

Dentro de la cuenca de Cooper

Haga clic en este enlace y desplácese hasta "Modelo 3D y Animación del Proyecto EGS Cooper Basin " para saber cómo funciona el sitio: //google.org/egs/index.html. Notará que Google es compatible con la tecnología, ya que ha contribuido con varios millones a su desarrollo a través de Google.org.


Suplemento De Vídeo: ¿Como funciona la energía eólica? Ventajas e inconvenientes, Isla Artificial de Energía Eólica.




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