8.1.- Conceptos Fundamentales

Un recurso geotérmico es aquella parte de la energía que puede ser utilizada por el hombre. Con las técnicas actuales de perforación y extracción de los fluidos geotérmicos, una gran parte del recurso no es todavía explotable por problemas técnicos de extracción, aunque, con los avances tecnológicos previsibles, lo puede ser en un futuro próximo. Para poder extraer la energía geotérmica es necesaria la presencia de yacimientos de agua cerca de estas zonas calientes. La explotación de esta fuente de energía se realiza perforando el suelo y extrayendo el agua caliente. Si su temperatura es suficientemente alta, el agua saldrá en forma de vapor y se podrá aprovechar para accionar una turbina .El calor almacenado en el subsuelo se transporta a la superficie mediante agua almacenada en un acuífero y, según sea su temperatura y presión, esta puede estar en forma de vapor o de líquido o ser una mezcla de ambos. Para que la energía pueda ser explotada deben presentarse unas condiciones geológicas determinadas y, en este caso, diremos que se trata de un yacimiento geotérmico. Las condiciones geológicas básicas son:

Existencia de un flujo de calor elevado capaz de calentar suficientemente e lagua o el vapor. Generalmente el flujo de calor elevado es consecuencia de una fuente de calor (intrusión ígnea joven) situada en la corteza superior (1-10km)

Presencia de una capa de alta porosidad y permeabilidad (acuífero), a una profundidad razonable (no muy superior a 1-2 km), que permita la acumulación y circulación de agua y vapor. Como el agua generalmente procede de la lluvia, se necesita una buena conexión entre el acuífero y la superficie con el fin de asegurar una recarga abundante.

Una roca impermeable por encima del acuífero que actué de cobertura e impida que el agua escape.

La energía que llega cada segundo a la superficie de la Tierra, desde su interior, en forma de calor es de 4.2 x 10 a la 13 J. En la tabla 2.1 se compara con algunas de las principales transacciones de energía: la energía que nos llega del Sol, la energía liberada por los terremotos y la energía perdida por la disminución de la velocidad de rotación de la Tierra. Aunque la energía que recibimos del sol es cuatro órdenes de magnitud superior a la geotérmica, aquélla sólo penetra algunas decenas de centímetros bajo la superficie de la Tierra. Desde un punto de vista únicamente energético, el calor que nos llega del Sol sirve para mantener la superficie del planeta a una temperatura promedio (alrededor de 15°C) y es irradiada de nuevo al espacio, de manera que no interviene en los procesos energéticos que afectan al interior de la Tierra.

Las fuentes de la energía geotérmica son las siguientes (tabla 2.2): Desintegración de isótopos radiactivos. Se estima que cerca del 50% del flujo total de calor

procede de la desintegración de isótopos radiactivos de vida larga presentes en la corteza y el manto. En la tabla 2.3 se muestran las contribuciones de cada isótopo y su contenido en los tipos de roca que constituyen la corteza y el manto. Aunque la concentración de estos isótopos es muy superior en la corteza (principalmente en la continental), el manto aporta gran parte de la energía debido a su mayor volumen.

Calor inicial. Energía liberada durante la formación de la Tierra, hace 4500 millones de años, y que todavía está llegando a la superficie.

Movimientos diferenciales. Energía liberada por los movimientos diferenciales entre las distintas capas que constituyen la Tierra (principalmente entre manto y núcleo). Éstas responden de distinta manera a las fuerzas de marea producidas por el Sol y la Luna, Una consecuencia de este fenómeno es la continua disminución de la velocidad de rotación del planeta.

El calor se propaga por conducción en un material desde una zona caliente (temperatura alta) a una zona fría (temperatura más baja).

8.2.- Causas del incremento de temperatura en el subsuelo

El calentamiento del suelo dependerá de la cantidad de radiación neta que llegue a la superficie terrestre resultado de considerar el balance energético de onda corta y de onda larga. La cantidad de radiación neta que llega a la superficie del suelo depende de factores externos al mismo, entre ellos la radiación global disponible, el albedo, y del balance resultante de radiación infrarroja que dependerá de la temperatura y de las emisividades de la atmósfera y la Tierra. Algunos factores locales que pueden influir en este aspecto son la hora del día y la estación (latitud), contenido de agua, porosidad, actividades antrópicas, cubierta vegetativa, altitud, color del suelo y tipo de matriz, etc.

La Tierra tiene una estructura compuesta por diferentes capas concéntricas. Estas capas se pueden diferenciar según su composición material o según sus características mecánicas.

Si se diferencian las capas por su composición, se tienen tres capas principales: la corteza, el manto y el núcleo. La corteza es la capa más superficial, con un espesor de hasta 8 km en zonas oceánicas y de 40 km en zonas continentales. Está separada del manto por la discontinuidad de Mohorovicic.

El manto, a su vez, está separado del núcleo terrestre por la discontinuidad de Gutenberg. Se cree que esta discontinuidad actúa como un límite térmico donde la propagación del calor es por conducción.

El núcleo se compone de una capa exterior, núcleo externo, y una interior, núcleo interno. La separación entre ambos se conoce como la discontinuidad de Lehmann. El principal componente de esta capa es el hierro, aunque también posee otros elementos como el níquel en menores proporciones. Debido a las condiciones de presión y temperatura del núcleo externo, éste se encuentra en estado líquido.

En el interior de las placas existen también manifestaciones volcánicas alejadas de los bordes de placas. Se trata de puntos calientes donde surge magma que asciende por flotación desde el interior del manto y se atribuyen a plumas convectivas de material caliente del manto inferior, posiblemente desde la frontera con el núcleo externo. En resumen, las zonas donde es de esperar un elevado flujo geotérmico y que, por tanto, son de interés para la exploración de posibles yacimientos geotérmicos.

Existe también volcanismo activo en zonas interiores de las placas: en los puntos calientes y en aquellas zonas en las que un régimen de esfuerzo distensivo ha producido un adelgazamiento litosférico con fallas normales por donde el magma asciende hasta la corteza superior.

8.3.- Clasificación de campos Geotérmicos

Aunque un elemento básico es la presencia de agua, existen zonas con flujo de calor muy elevado pero donde no hay una capa suficientemente permeable que permita el almacenamiento y circulación de agua; en este caso puede fracturarse la roca artificialmente, mediante una carga explosiva, y facilitar así la circulación del agua. En determinadas circunstancias también es posible inyectar agua desde la superficie para, después de ser calentada, extraerla y aprovechar su energía.

En otros casos, no existe una intrusión ígnea directa y, aunque el flujo geotérmico es el normal, se dan unas determinadas condiciones gelógicas que facilitan la

circulación de agua a gran profundidad (varios km).

De esta manera, el agua alcanza temperaturas suficientemente elevadas que pueden hacer rentable su explotación. Respecto a las formas de clasificar estos yacimientos geotérmicos, no existe una notación estándar, y suele variar según los autores. De todos modos, por lo general, se usa el término de la entalpía y las temperaturas existentes en los yacimientos. El término entalpía puede considerarse más o menos proporcional a la temperatura y se utiliza para expresar el contenido de calor (energía térmica) de los fluidos.

A continuación se ha seleccionado una forma (aunque no única) de clasificar estos yacimientos. Según la entalpía o temperatura del fluido de los acuíferos, los yacimientos pueden ser de tres tipos:

Alta entalpía, que existen en zonas activas de la corteza terrestre. Su temperatura está comprendida entre 150 y 400 °C. El fluido sale generalmente en forma de vapor y se puede utilizar para generar electricidad y transportarla. La explotación de un campo de estas características se hace por medio de perforaciones semejantes a las utilizadas para la extracción del petróleo.

Media entalpía, entre 100 y 150 ºC. Generan electricidad a un rendimiento mucho menor.

Baja entalpía, para temperaturas inferiores a 100 ºC. No es posible producir electricidad y se utiliza para uso local.

Según las particularidades propias de cada yacimiento, se puede hacer una clasificación general del siguiente modo:

Yacimiento hidrotérmico en el que la fase predominante es vapor. Este vapor puede ser húmedo o seco.

Yacimiento hidrotérmico en el que la fase predominante es agua líquida.

Yacimiento de cuenca sedimentaria, caso particular del anterior.

Yacimiento geopresurizado.

Yacimiento de roca caliente seca.

Yacimiento hidrotérmico con predominio de vapor

En los yacimientos hidrotérmicos con predominio de vapor se dan todas las condiciones geológicas mencionadas anteriormente: una fuente de calor, un acuífero y una capa impermeable encima de éste.

Estos yacimientos se encuentran en regiones volcánicas y por tanto se trata de yacimientos geotérmicos de alta entalpía, propicios para producir electricidad. Éstos contienen agua a presión y tienen una temperatura habitual de 300 ºC.

Estos yacimientos suelen tener manifestaciones en la superficie, como géiseres, manantiales termales, fumarolas, etc. Cuando se transporta el agua a la superficie, la presión disminuye y se genera vapor. Esta mezcla de líquido y vapor se separa obteniéndose el vapor seco, usado para alimentar a una turbina. Si existe presencia de agua líquida en este vapor, se habla de vapor húmedo. Se denominan yacimientos de vapor húmedo por la presencia de agua en el cabezal del pozo.

Es el caso, por ejemplo, de los yacimientos de Cerro Prieto (México), Reykjanes (Islandia), Otake (Japón) y Wairakei (Nueva Zelanda).

Yacimiento hidrotérmico con predominio de agua líquida

Estos yacimientos son parecidos a los anteriores, con la diferencia de que el agua encontrada se encuentra en estado líquido. La temperatura por tanto, no supera los 100 ºC (baja entalpía) y suelen encontrarse entre 1 y 3 kilómetros de profundidad.

Estos yacimientos no llevan asociados fenómenos en la superficie como los anteriores aunque son mucho más comunes en la actualidad.

En estos yacimientos, como la presión existente no es suficiente para elevar el agua a la superficie, se requiere de bombas de extracción. Un sistema generalmente utilizado para el aprovechamiento de estos yacimientos consiste en realizar dos pozos, uno de extracción y otro de reinyección, que devolverá el agua al acuífero una vez utilizada.

Yacimiento de cuenca sedimentaria.

Se trata de acuíferos muy profundos ubicados en cuencas sedimentarias. El agua se encuentra a temperaturas normalmente inferiores a los 60 ºC y se suelen utilizar para calefacción y suministro de agua caliente.

Yacimiento geopresurizado.

Es un caso particular de los anteriores, y se da cuando el agua del interior está sometida a grandes presiones. Generalmente, las rocas entre las que se encuentra suelen ser muy antiguas (de millones de años de antigüedad) y es habitual la presencia de gas natural o metano. Estos yacimientos suelen tener una temperatura del orden de 100 ºC a 150 ºC y la profundidad oscila entre los 2 y 6 km. La principal característica, es que el agua almacenada suele estar a una presión mucho mayor de la que correspondería por su profundidad.

Debido a todas estas características, se pueden aprovechar de estos yacimientos tres modos distintos de energía:

Energía geotérmica, debido a la temperatura del agua.

Energía hidráulica, debido a la alta presión.

Energía química, debido al contenido en gas natural o metano que se puede encontrar.

Yacimiento de roca caliente seca

Están formados por rocas impermeables a alta temperatura (más de 190ºC) pero sin contenido en agua. El calentamiento de estas rocas se debe a su proximidad a bolsas magmáticas en áreas volcánicas. En este caso, se inyecta agua a alta presión causando su fracturamiento hidráulico.

Posteriormente se hace circular agua por estas fracturas artificiales y así se consigue extraer calor de la roca circundante.

A pesar de que estos yacimientos son los más numerosos (constituyen un 85% del total de recursos geotérmicos actuales), su explotación no es todavía suficientemente rentable por las dificultades técnicas que presenta, como la profundidad en la que se encuentran o la impermeabilidad de las rocas.

8.4.- Aplicaciones y usos de la energía geotérmica

La energía geotérmica es una energía renovable que aprovecha el calor del subsuelo para climatizar y obtener agua caliente sanitaria de forma ecológica. Aunque es una de las fuentes de energía renovable menos conocidas, sus efectos son espectaculares de admirar en la naturaleza. Seguro que todos podemos recordar imágenes del volcán Etna en Sicilia en plena erupción, hemos probado alguna vez los efectos relajantes de las aguas termales o bien admirado fumarolas y géiseres, como los del parque de Timanfaya en Lanzarote, por ejemplo.

Se trata de una energía considerada limpia, renovable y altamente eficiente, aplicable tanto en grandes edificios -hospitales, fábricas, oficinas, etc.-, en viviendas e incluso en inmuebles ya construidos.

Suecia fue el primer país europeo en utilizar la energía geotérmica, como consecuencia de la crisis del petróleo de 1979. En otros países como Finlandia, Estados Unidos, Japón, Alemania, Holanda y Francia la geotermia es una energía muy conocida e implantada desde hace décadas.

Las aplicaciones de la geotermia dependen de las características de cada fuente. 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. Así, en el caso de temperaturas por debajo de 100ºC puede hacerse un aprovechamiento directo o a través de bomba de calor geotérmica (calefacción y refrigeración). 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. Estos niveles de temperatura los tenemos pocos metros debajo de nuestros pies: en España, a 10 metros de profundidad, tenemos unos 17 grados centígrados todo el año debido a la inercia térmica del suelo.

Pero ¿cómo funciona? Ese calor contenido en el subsuelo es empleado mediante el uso de Bombas de Calor Geotérmicas para caldear en invierno, refrigerar en verano y suministrar agua caliente sanitaria. Por tanto, cede o extrae calor de la tierra, según queramos obtener refrigeración o calefacción, a través de un conjunto de colectores (paneles) enterrados en el subsuelo por los que circula una solución de agua con glicol.

Algunas ventajas es que la mayoría de las plantas geotérmicas son energía de base, es decir que operan las24 horas del día los 365 días del año. Estimando un factor de carga del 80%, a un costo promedio de 5 centavos de dólar por kWh, la industria geotérmica eléctrica produce alrededor de 3,000 millones de dólares anualmente en todo el mundo. Ahorro de divisas y quema de combustibles fósiles.

Inconvenientes: En ciertos casos emisión de ácido sulfhídrico que se detecta por su olor a huevo podrido, pero que en grandes cantidades no se percibe y es letal. Contaminación de aguas próximas con sustancias como arsénico, amoníaco, etc. Contaminación térmica. Deterioro del paisaje. No se puede transportar (como energía primaria). No está disponible más que en determinados lugares.

8.5.- Zonas y yacimientos de México

Hay cinco campos geotérmicos identificados en México, cuatro de las cuales se encuentran bajo explotación con una capacidad total instalada de 958 MW, lo que representa el 2.1% de la capacidad eléctrica total del país operada por la Comisión Federal de Electricidad (CFE). Tales campos son los siguientes:

Cerro Prieto, B.C., con 720 MW de capacidad.

Los Azufres, Mich., con 188 MW de capacidad.

Los Humeros, Pue., con 40 MW de capacidad.

Las Tres Vírgenes, B.C.S., con 10 MW de capacidad.

Cerritos Colorados, Jal., con un potencial estimado por la CFE en 75 MW.

Actualmente se encuentran en construcción dos unidades a condensación de 25 MW que se instalarán en el campo geotérmico de Los Humeros, y que deberán entrar en operación en 2012 y 2013.

La mayor parte del territorio mexicano (excepto la Península de Yucatán) está caracterizado por una gran actividad tectónica y volcánica que ha tenido lugar desde hace varias decenas de millones de años hasta el presente. Esta actividad invariablemente ha dejado su huella a lo largo de todo el país en forma de sistemas volcánicos y sistemas hidrotermales, tanto fósiles como activos.

La actividad tectonovolcánica, aunque tiene resultados catastróficos en muchos de los fenómenos que genera, como sismos y erupciones volcánicas, también ha sido la fuente de una gran riqueza como lo son los recursos minerales y geotérmicos.

La presencia de estos recursos se extiende por todo el país, siendo especialmente abundante en su parte central. A continuación detallamos algunos de los principales usos de las manifestaciones superficiales del calor terrestre.

Mapa de México que incluye los manantiales termales muestreados por la Comisión Federal de Electricidad. (Proporcionado por la Gerencia de Proyectos Geotermoeléctricos de la Comisión Federal de Electricidad).

Hasta la fecha, la Comisión Federal de Electricidad ha establecido la existencia de más de mil manifestaciones termales en la República Mexicana, de las cuales sólo una minoría corresponde a sistemas capaces de generar energía eléctrica comercialmente. Sin embargo, la mayoría de estos puntos localizados han sido utilizados como balnearios aun desde tiempos precolombinos.

La mayor parte de los balnearios se localiza en la parte central del país, coincidiendo con la Faja Volcánica Transmexicana, la cual contiene la mayoría de los volcanes mexicanos que han presentado actividad reciente: Ceboruco, Popocatépetl, Volcán de Colima, Pico de Orizaba,

Paricutín, Jorullo, Xitle, etc.; además de otros volcanes que quedan fuera de esta zona, como son: Bárcena, Tres Vírgenes, El Chichón y El Tacaná.

Además de la gran cantidad de manantiales asociados con estos centros volcánicos, se cuenta también con manantiales termales relacionados con zonas de volcanismo más antiguo (mayor de 30 millones de años), por ejemplo la Sierra Madre Occidental, que sin embargo aún contiene suficiente calor como para provocar este tipo de manifestaciones.

Uno de los principales factores que determina la aparición de manantiales, aparte de la fuente de calor, es la existencia de agua suficiente para mantener la actividad hidrotermal. En muchos estados como Aguascalientes, San Luis Potosí, Guanajuato, etc., se ha dado el caso de que con la explotación de los acuíferos para agricultura y para consumo humano, se ha provocado un descenso en los niveles del agua subterránea que ha dado como resultado la extinción de numerosos manantiales termales. Esto también se ha observado en zonas donde los manantiales se aprovechan para el embotellamiento de aguas minerales (Tehuacán, Puebla; La Soledad, S.L.P.). Sin embargo, la abundancia de manantiales hace que aún existan bastantes que siguen funcionando como balnearios, teniendo varios de ellos gran renombre en el ámbito internacional, por ejemplo: Ixtapan de la Sal y San José Purúa.

Localización de los volcanes que han presentado actividad reciente en México.

Los inicios de la utilización de energía geotérmica en México para la producción de energía eléctrica se remontan a los años sesenta, en los que se comenzó a explotar el campo geotérmico de Pathé en el estado de Hidalgo. Desafortunadamente, la falta de permeabilidad del campo determinó que el experimento terminara en un fracaso a pesar de que se tenía un gradiente geotérmico en el área de aproximadamente 550º C/km. De los 3 500 kilowatts instalados sólo se pudieron producir 150, por lo cual se clausuró la planta.

También se llevaron a cabo intentos por desarrollar las zonas geotérmicas de Los Negritos e Ixtlán de los Hervores en Michoacán. Sin embargo, el éxito se alcanzó finalmente cuando se descubrió el campo geotérmico de Cerro Prieto en Baja California Norte.

En la actualidad, México es uno de los países más avanzados en cuanto a la producción de energía geotermoeléctrica. Dos campos, el de Cerro Prieto y el de Los Azufres en Michoacán se encuentran ya en la etapa de producción y por lo menos dos más: La Primavera (Jalisco) y Los Humeros (Puebla), se encuentran ya muy avanzados en la etapa de evaluación y se espera que dentro de pocos años comenzarán también a producir electricidad a partir de fluidos geotérmicos. Asimismo, se cuenta con 27 campos donde se han concluido los estudios de factibilidad, de los cuales se han seleccionado 16 para continuar con la etapa de perforación de pozos de exploración, entre éstos se tienen: El Ceboruco (Nayarit), Las Planillas (Jalisco), Araró (Michoacán), Las Tres Vírgenes (Baja California Sur), etcétera.

Localización de los principales campos geotérmicos en México.

El campo geotérmico de Cerro Prieto es uno de los más grandes del mundo y hasta el momento tiene una capacidad instalada para producir 620 000 kilowatts de energía eléctrica; pero el campo tiene capacidad para generar mucha más energía y se ha planeado aumentar su producción a más de 700 000 kilowatts en los próximos años, ya que se cuenta con reservas probadas de 220 000 kilowatts y reservas probables de más de 220 000 kilowatts. Debido a que la zona en que se encuentra localizado este campo no tiene un alto consumo de energía eléctrica por ser una zona eminentemente agrícola, existe un excedente de energía eléctrica, el cual es exportado a Estados Unidos, lo cual significa una entrada de divisas para el país. Además de la generación de electricidad, en la planta geotermoeléctrica de Cerro Prieto se planea instalar también un sistema para la extracción y comercialización de cloruro de potasio, por el cual se llegarán a producir 80 000 toneladas métricas por año.

Por otra parte, el campo geotérmico de Los Azufres ha estado siendo probado por medio de plantas piloto que producen un total de 25 000 kilowatts, lo cual corresponde casi al consumo de energía eléctrica de la ciudad de Morelia, Michoacán. Después de observar los resultados obtenidos con estas plantas, se determinó que este campo tiene capacidad para producir más energía, por lo cual se está ya construyendo una planta que generará más de 50 000 kilowatts de electricidad (el campo tiene una reserva probada de 135 000 kilowatts y una reserva probable de 165 000 kilowatts). Una particularidad de la explotación del campo geotérmico de Los Azufres es que la totalidad del agua separada del vapor que va a las turbinas será reinyectada en el yacimiento a través de once pozos, con lo cual se evitará la contaminación del medio ambiente.

Del total de campos ya evaluados se tiene una reserva probada de más de 100 000 kilowatts y la reserva probable es de más de 1 400 000 kilowatts. Debe admitirse que aun desarrollando la totalidad de los recursos con que cuenta el país, la energía geotérmica no podría cubrir la demanda total de energía eléctrica. Sin embargo, por la abundancia de campos geotérmicos en México, esta fuente de energía sí puede representar una contribución significativa para satisfacer las necesidades energéticas del país, por supuesto, sin pasar por alto su utilización directa en procesos industriales, la cual aún debe implementarse y podría significar un considerable ahorro de combustibles fósiles y una disminución en los niveles de contaminación.