16/04/2015

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PRINCIPIOS DE GEOTERMIA

ORIGEN, NATURALEZA Y CARACTERISTICAS DEL CALOR INTERNO DE LA TIERRA

Por. Ronald Mayta

Introducción

• La geotermia es, con toda probabilidad, la gran desconocida entre las denominadas energías renovables. Las razones para ese desconocimiento pueden estar relacionadas con su origen y procedencia, de ese subsuelo igualmente poco conocido.

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• GEO = TIERRA

• THERMOS = CALOR

• CALOR INTERNO DE LA TIERRA

• El sol, el viento, las mareas,… se aprecian como cercanos; de la geotermia, sin embargo, se ignora que los manantiales termales, ampliamente distribuidos en el territorio y suficientemente conocidos, no son sino indicios de la existencia de recursos geotérmicos ya que constituyen en muchos casos aliviaderos de los yacimientos geotérmicos.

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¿Qué es la geotermia?

• La tierra no solo es capaz de producir energía de manera pasiva, a partir de los materiales fósiles acumulados a lo largo de millones de años, sino que también, produce energía de manera activa. Las formas más espectaculares son los sismos, los volcanes, las fumarolas, pero ellos no representan esencialmente todo el calor producido por el planeta.

• La parte más importante del calor producido por la tierra es el que se origina en las profundidades del planeta y en los bordes de las placas y se transfiere, en forma conductiva, a través de las distintas capas rocosas. Esta propagación del calor puede avanzar hasta zonas de gran contenido hídrico y producir la consiguiente transferencia del calor a la masa de agua, dando origen a la conformación de reservorios geotérmicos.

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“La Geotermia” es la disciplina científica que comprende el estudio de las variaciones de temperatura dentro de la corteza y los fenómenos naturales que influyen sobre la distribución de los flujos geotérmicos.

geotermia de baja temperatura y geotermia de alta temperatura

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Antecedentes históricos de la geotermia

• La presencia de volcanes, géiseres, fuentes termales y otras manifestaciones termales como géiseres, fumarolas o solfataras han sido muy conocidos desde antiguo y considerados habitualmente como anómalos caprichos de la naturaleza.

• Estos fenómenos debieron inducir a nuestros antepasados a suponer que el interior de la Tierra estaba caliente.

• En los siglos XVI y XVII se empezaron a realizar las primeras mediciones en pozos y minas de algunos cientos de metros de profundidad, que revelaron que la temperatura aumenta con la profundidad de forma general en todo el planeta.

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• Hacia 1870, se utilizaron modernos métodos científicos para estudiar el régimen termal de la Tierra, pero no fue hasta el siglo XX, y el descubrimiento del calor radiogénico, cuando se comprendió el fenómeno como un balance térmico.

• Además de este calor, están otras posibles fuentes de calor como puede ser la energía primordial de la creación planetaria. Estudios y teorías más recientes han demostrado que no había equilibrio entre el calor radiogénico generado en el interior de la Tierra y el calor disipado al espacio desde ésta, y que nuestro planeta está enfriándose, aunque este proceso es muy lento.

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• Es a principios del siglo XIX cuando los fluidos geotermales comenzaron a ser explotados por su contenido energético. En este período se instaló en Italia una industria química, en la zona conocida hoy en día como Larderello, para extraer el ácido bórico mediante evaporación de las aguas calientes boratadas.

• Inicialmente este proceso se realizaba usando como combustible la madera de los bosques, hasta que en 1827 Francisco Larderel desarrolló un sistema para utilizar el calor de los fluidos en el proceso de evaporación, en lugar de quemar la madera de bosques en rápido agotamiento.

• Entre 1910 y 1940 el vapor de baja presión fue utilizado para calefacción en invernaderos, edificios industriales y residenciales, en esta parte de Toscana. El primer ensayo para generar electricidad a partir del vapor geotérmico se produce en 1904 en la zona de Larderello.

Primera central geotérmica de generación de electricidad (1904, Larderello)

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• En 1911 se construye en el conocido como Valle del Diablo (así denominado por el aspecto del paisaje dominado por el vapor humeante en toda la zona) la primera planta de producción de energía eléctrica mediante geotermia del mundo.

• Así continuó durante varias décadas, siendo Larderello el único lugar del mundo en el que la geotermia servía para la producción de electricidad.

• Su éxito demostró el importante valor industrial de la energía geotérmica y marcó el comienzo de una forma de explotación que se ha desarrollado de forma significativa en el mundo.

Vistas de sondeos geotérmicos de la antigua planta geotérmica de Larderello

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• Durante esta época otros países empezaron a desarrollar sus recursos geotérmicos: en 1919 Japón comienza a perforar los primeros pozos geotermales en Beppu; en 1921 se comienzan los pozos en The Geyser (California-EE UU) y en el Tatio (Chile); en 1928, Islandia, país pionero también en la utilización de la energía geotérmica, comienza la explotación de sus fluidos geotermales para calefacción residencial. Aún tardaría varios años en construirse plantas geotérmicas para usos eléctricos fuera de la zona de Larderello, ya que es en 1958 cuando se construye en Nueva Zelanda una planta de producción eléctrica.

• La generación de energía eléctrica en Larderello comenzaría rápidamente su desarrollo comercial. Cabe destacar que Italia posee los principales yacimientos geotérmicos de alta temperatura dentro de la Unión Europea. En la actualidad, un siglo después de instalar su primera planta, presenta una potencia instalada de 790 MW (más del 96% del total de la Unión Europea: 822,1 MW), distribuidas en tres zonas: Larderello (543 MW), Travale Radicondoli (160 MW) y Monte Amiata (88 MW).

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• Es tras la crisis energética de los años setenta cuando el interés por esta fuente renovable de energía se desarrolla en todo el mundo. Entre 1975 y 1995, el crecimiento medio de la electricidad geotérmica alcanza el 9% anual, mientras los usos directos crecen un 6% anual, lo que supone unas altas tasas en comparación con las de otras fuentes de energía.

Central geotérmica actual de Larderello (Italia)

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• Principales Países productores de energía eléctrica geotérmica

• Fuente : site geothermie-Perspectives de I’ADEME et du BRGM.

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LAS FUENTES DEL CALOR TERRESTRE

• LA TIERRA COMO FUENTE DE CALOR

LA EXISTENCIA de temperaturas altas en el interior de la Tierra ha sido supuesta desde tiempos antiguos con base en observaciones en la superficie. Los volcanes, manantiales termales y otras manifestaciones superficiales del calor encerrado dentro de la Tierra han sido las evidencias de que la temperatura en su interior debe ser mucho más alta que la que se tiene en la superficie.

• Por otra parte, desde antes que se contara con la tecnología de perforación de pozos, ya el hombre se había dado cuenta que al internarse en grutas o minas que descendían a profundidades considerables, la temperatura aumentaba.

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• En este siglo se comenzaron a hacer mediciones en pozos de la variación de la temperatura con la profundidad y se observó que en zonas "normales", o sea donde no existen manifestaciones termales superficiales, la temperatura en la corteza de la Tierra aumenta a una razón de 30°C por kilómetro.

• Esto nos indica que en alguna parte en el interior de la Tierra existe una fuente de calor que lo irradia hacia la superficie. Ahora nos queda otra interrogante: ¿de dónde viene este calor? Y esta pregunta nos lleva a los tiempos de la formación de la Tierra.

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Estructura interna de la Tierra con las capas determinadas por medio de datos sismológicos.

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Origen del calor interno de La Tierra

• El núcleo, a 2.910 km de profundidad, está formado por hierro, níquel y otros metales. Se encuentra dividido en dos partes. La parte interna es una bola sólida que gira continuamente dentro del núcleo externo que es fluido.

• El manto, está formado por materiales en estado semisólido (pastosos). Se calientan en contacto con los materiales del núcleo y se enfrían al contactar con la corteza, produciéndose corrientes de convección.

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• La corteza es la capa superior, formada por materiales sólidos. No es una capa continua; está fragmentada en porciones denominas Placas Litosféricas. Estas placas se separan y se acercan, generando el relieve terrestre.

• Debido al mecanismo por el cual se formaron, las capas externas son más ricas en minerales compuestos por sílice y aluminio, y a medida que aumenta la profundidad aumenta también el contenido de fierro y magnesio, que son elementos más pesados, hasta llegar al núcleo que se supone está formado principalmente por fierro y níquel.

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• Como ejemplo de rocas formadas por minerales con alto contenido de sílice y aluminio tenemos las arcillas y el granito, siendo este último el tipo de roca predominante en la corteza de tipo continental.

• Entre las rocas formadas en proporciones significativas por minerales ferromagnesianos tenemos el basalto, la olivina y la peridotita; el basalto es la roca que forma la corteza de tipo oceánico y tanto a la olivina como a la peridotita se les encuentra formando la base de la corteza y el manto superior.

• Poco a poco la corteza terrestre se fue enfriando hasta solidificarse; sin embargo las capas interiores no se enfriaron tan rápidamente, en gran parte debido a que la corteza es muy mala conductora del calor y actúa como un aislante para las capas interiores, que de esta forma pueden mantener temperaturas altas. Además de evitar que el calor del interior de la Tierra escape, la corteza es en parte generadora de calor adicional debido a la presencia de una gran cantidad de elementos radiactivos en ella.

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• Podría parecer paradójico que los elementos radiactivos hayan permanecido en las capas más superficiales de la Tierra a pesar de ser elementos pesados, sin embargo es posible encontrar una explicación a esto al observar que los elementos radiactivos generalmente se combinan con otros elementos para formar compuestos ligeros, siendo ésta la forma como fueron transportados a las capas superiores. En la actualidad se les encuentra principalmente en la corteza terrestre y en menor concentración en el manto superior.

• Los principales elementos productores de energía por decaimiento radioactivo son el uranio, el torio y el potasio. A estos elementos se les encuentra en concentraciones significativas en rocas graníticas, las cuales forman la parte superior de la corteza continental que en algunos lugares montañosos llega a tener más de 50 kilómetros de espesor y puede llegar a producir casi 10 micro cal/g/año (una caloría es la cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 a l5.5°C).

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• Por su parte, la corteza oceánica y la parte inferior de la corteza continental, que son de tipo basáltico, generan solamente cerca de 1 microcal/g/año, la décima parte de lo que produce el granito. El manto superior, formado en su mayor parte por peridotita, también va a producir una pequeña cantidad de calor de aproximadamente 0.01 microcal/g/año.

• De acuerdo con estas cifras la producción de calor de la corteza y el manto sería de un poco más de 1.5 x 1013 cal/seg, lo que hace un total de 4.7 x 1020 cal/año. Para tener una idea de lo que esto significa, es necesario hacer una equivalencia: 4.7 x 1020calorías es el equivalente a la energía liberada por la explosión de casi medio millón de bombas nucleares de 1 megatón (la bomba atómica que destruyó Hiroshima fue de 20 kilotones).

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Su principal uso es para designar el potencial destructivo de armas, sobre todo las nucleares. Expresa la equivalencia de la energía explosiva, en toneladas de TNT.

Gramos de TNT Símbolo Toneladas de

TNT Símbolo Energía

gramo de TNT g microtonelada de TNT

μt 4,184×103 J2

kilogramo de TNT

kg militonelada of TNT

mt 4,184×106 J

megagramo de TNT

Mg tonelada de TNT

t 4,184×109 J

gigagramo de TNT

Gg kilotón de TNT kt 4,184×1012 J

teragramo de TNT

Tg megatón de TNT

Mt 4,184×1015 J3

petagramo de TNT

Pg gigatón de TNT Gt 4,184×1018 J

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