Geotermia somera y proyectos
CURSO GEOTERMIA SOMERA Y PROYECTOS
MÓDULO I
EL CALOR DE LA TIERRA INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA GEOTÉRMICA
1 CURSO GEOTERMIA SOMERA Y PROYECTOS. MÓDULO I.
1.1
INTRODUCCIÓN
1.1.1
MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA TIERRA
1.1.2
GEOTERMIA SOMERA
1.2
ENERGÍA GEOTÉRMICA. LOS ORÍGENES.
1.2.1
1.3
CRONOLOGÍA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA
CARACTERÍSTICAS DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA
1.3.1
APLICACIONES
1.3.2
ENERGÍA GEOTÉRMICA Y DESARROLLO SOSTENIBLE
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1.1 INTRODUCCIÓN Geotermia es una palabra de origen griego que deriva del término “geos” que quiere decir tierra, y de “thermos” que significa calor. La palabra geotermia se emplea indistintamente para designar a la ciencia que estudia los fenómenos térmicos internos del globo terrestre, así como, al conjunto de procesos industriales que intentan explotar ese calor para producir energía. El origen del calor interno del planeta debemos buscarlo en el origen de la Tierra. Nuestro planeta se formó hace, aproximadamente, unos 4.600 millones de años.
Figura 1. Origen de la Tierra según la hipótesis de la nebulosa primitiva.
Actualmente se piensa que la formación de la Tierra y de todo el Sistema Solar comenzó a partir de una nebulosa, compuesta fundamentalmente por hidrógeno y helio y sólo un pequeño porcentaje de los elementos más pesados, que comenzó a contraerse bajo su propia influencia gravitacional. El material en contracción empezó a girar de alguna manera, la velocidad de rotación era mayor conforme se contraía, concentrando las partículas de polvo y gas interestelar, originando el Sol y los planetas, entre ellos la Tierra. Al concentrarse las partículas se produjo un aumento del campo gravitatorio en la zona, lo que incrementó la captura de más partículas, formando una enorme masa girando en torno al Sol. Poco después de que se formara la Tierra, el calor liberado por las colisiones entre partículas, junto con el calor emitido por la desintegración de los elementos radiactivos, hizo que parte, o todo, del interior de la Tierra se fundiera. La fusión, a su vez, permitió que los elementos más densos, principalmente el hierro y el níquel, se hundieran, mientras que los componentes más ligeros flotaron hacia arriba. En general, el interior de la Tierra se caracteriza por un aumento gradual de la temperatura, la presión y la densidad con la profundidad. Por supuesto, el interior de la Tierra permanece caliente; sin embargo, la energía fluye lenta, pero continuamente, hacia la superficie, donde se pierde hacia el espacio exterior. La segregación de material que comenzó muy pronto en la historia de la Tierra, sigue ocurriendo todavía, pero a una escala mucho menor. Debido a esta diferenciación química, el interior de la Tierra no es homogéneo, consta de tres regiones principales que tienen composiciones químicas notablemente diferentes y son las siguientes: 3 CURSO GEOTERMIA SOMERA Y PROYECTOS. MÓDULO I.
Figura 2. Estructura interna de la Tierra.
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Corteza: Es la capa rígida más externa de la Tierra. Su grosor oscila entre 3km en las cordilleras oceánicas y 70km en algunos cinturones montañosos como los Andes y el Himalaya. Su temperatura varía desde los 1000ºC en su contacto con el manto, hasta los 15-20ºC de la superficie terrestre. Se divide en: ü Corteza oceánica: Normalmente las cadenas montañosas de la corteza oceánica tienen un grosor que oscila entre 3 y 15 km y están compuestas por rocas ígneas oscuras denominadas basaltos. Las rocas de la corteza oceánica tienen una densidad de 3g/cm3 y su edad se encuentra alrededor de los 1800 millones de años o menos. ü Corteza continental: El nivel superior de la corteza continental consta de una gran variedad de tipos de rocas, que tienen una composición media equivalente a una roca granítica denominada granodiorita. Las rocas continentales tienen una densidad media de alrededor de 2,7g·cm-3 y se han descubierto algunas cuya edad supera los 3800 millones de años.
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Manto: Más del 82% del volumen de la Tierra está contenido en el manto, una envoltura de unos 2900km de grosor formada por rocas silicatadas. Las temperaturas del manto van desde los 3000ºC a 1000ºC. El límite entre la corteza y 4
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el manto refleja un cambio de composición. Aunque el manto se comporta como un sólido cuando transmite las ondas sísmicas, las rocas del manto son capaces de fluir a una velocidad increíblemente lenta. El manto se divide en: ü Manto inferior: Se extiende desde el límite núcleo-manto hasta una profundidad de 660km. ü Manto superior: Se sitúa sobre el manto inferior y continúa hasta la base de la corteza. ·
Núcleo: El núcleo está compuesto fundamentalmente de hierro, con cantidades menores de níquel y otros elementos. A la presión extrema del núcleo, este material rico en hierro tiene una densidad media de alrededor de 11 g·cm-3 y se aproxima a 14 veces la densidad del agua en el centro de la Tierra. Las temperaturas pueden superar los 6700°C. El núcleo interno y el externo son muy similares desde el punto de vista de su composición; su división se basa en sus diferentes estados. ü Núcleo externo: Es líquido, capaz de fluir. La circulación dentro del núcleo externo de nuestro planeta en rotación genera el campo magnético de la Tierra. ü Núcleo interno: A pesar de su temperatura más elevada, se comporta como un sólido.
En definitiva, el proceso de liberación de calor que comenzó hace 4600 millones de años continúa en la actualidad y constantemente observamos cómo se manifiesta, entre otros, a través de procesos superficiales, como volcanes, fumarolas, geiseres y terremotos.
1.1.1 MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA TIERRA Atendiendo a la estructura interna de la tierra, se observa que el 99% de la masa de la Tierra está sometida a una temperatura superior a los 1000ºC, y únicamente un 0,1% de la misma soporta temperaturas inferiores a los 100ºC. Debido a las diferencias de temperatura en las capas que constituyen el interior de la tierra, se origina un flujo continuo de calor hacia la superficie, estimándose que la energía que llega por segundo a la superficie terrestre, en forma de calor, lo hace a través de los siguientes mecanismos de propagación de calor: ·
Conducción es la transferencia de calor a través de un medio por interacción entre partículas adyacentes. Puede tener lugar en sólidos, líquidos y gases, aunque es característica de los sólidos, puesto que en gases y líquidos siempre se producirá convección simultáneamente.
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Convección es el modo en que se transfiere la energía térmica entre una superficie sólida y un fluido adyacente (líquido o gas). Comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento del fluido provocado por las diferencias de densidad del mismo. Las partículas más calientes del fluido y, por tanto, menos densas, ascienden, desplazando a las más frías, que se hunden por gravedad, dado que son más densas, y éstas, posteriormente, al calentarse, son empujadas otra vez hacia arriba. Cuanto más rápido es el movimiento del fluido, mayor es la transferencia de calor por convección.
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Radiación es la emisión de energía en forma de ondas electromagnéticas, como resultado de cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. Radiación térmica es la radiación emitida por los cuerpos debido a su temperatura.
Todos los materiales a temperatura superior al 0 absoluto emiten radiación térmica. Los más calientes radian más que los más fríos. Cuando una radiación electromagnética choca con un material, sus moléculas se mueven más deprisa, calentando el material. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación. Figura 3. Ejemplos de transferencia del calor.
Sin embargo, aunque la energía térmica almacenada en la tierra es inmensa, solo una pequeña fracción puede ser utilizada por la humanidad.
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La energía térmica que se genera en el interior del planeta fluye lentamente hasta la superficie (mWm-2), puesto que las rocas de la corteza terrestre son muy malas conductoras del calor. Para determinar el flujo de energía en forma de calor, por unidad de superficie y unidad de tiempo, basta con multiplicar el gradiente geotérmico por la conductividad térmica, siendo: -
El gradiente geotérmico la variación de la temperatura en función de la profundidad (ºC·km-1) y, se mide en sondeos mineros o petrolíferos con la ayuda de sondas térmicas. El gradiente geotérmico varía considerablemente de un lugar a otro. En la corteza terrestre, las temperaturas aumentan deprisa, a una media de 20°C a 30°C por km. Sin embargo, la velocidad de aumento es mucho menor en el manto y en el núcleo.
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La conductividad térmica determina la capacidad de un material para conducir el calor y es característico de cada material (W·m-1ºC-1). Se mide en el laboratorio sobre testigos de sondeos representativas de las formaciones geológicas atravesadas.
1.1.2 GEOTERMIA SOMERA Hasta hace relativamente pocos años, la utilización de la energía térmica de la Tierra ha estado restringida a regiones del planeta donde condiciones geológicas favorables hacen posible la transferencia de calor desde zonas calientes profundas hasta la superficie, o muy cerca de ella, y el posterior aprovechamiento de éste en forma de agua caliente en fase líquida o vapor. Además del calor interno, la superficie de la Tierra recibe del Sol cada segundo, en forma de calor, 2 x 1017 J, que es cuatro órdenes de magnitud superior al calor geotérmico. Esa energía penetra a escasa profundidad en el subsuelo, contribuyendo a mantener la superficie del planeta a una temperatura promedio de 15ºC, y es irradiada de nuevo al espacio, no interviniendo en los procesos energéticos que afectan al interior de la Tierra. Muchas especies animales se resguardan del frío en invierno y del calor en verano excavando madrigueras en tierra, y los hombres prehistóricos, antes de aprender a utilizar el fuego y a construir cabañas, buscaron protección de las inclemencias meteorológicas en cavernas y cuevas subterráneas, donde la inercia térmica de rocas y suelos contribuye a que los descensos y aumentos de la temperatura ambiente sean menores y más lentos. Desde hace más de 30 años, como consecuencia de las crisis energéticas del siglo XX, en los países del Norte de Europa y de América, con inviernos muy fríos, se vienen empleando técnicas de intercambio geotérmico que utilizan circuitos cerrados de agua con anticongelante, instalados en sondeos poco profundos o enterrados a muy 7 CURSO GEOTERMIA SOMERA Y PROYECTOS. MÓDULO I.
poca profundidad en el terreno, junto con bombas de calor “Geothermal Heat Pumps” (GHP’s) para satisfacer necesidades de calefacción, refrigeración y producción de agua caliente sanitaria en viviendas unifamiliares y edificios comerciales. En invierno, el terreno transfiere el calor que almacena al agua con anticongelante, que se utiliza para calefacción, ya que la bomba geotérmica eleva su temperatura. En verano, el agua en circuito cerrado transfiere al terreno el exceso de calor del edificio, de forma que se obtiene refrigeración. El calor, a baja temperatura, almacenado a poca profundidad en suelos, rocas y aguas subterráneas, recibe en la bibliografía especializada diferentes denominaciones: energía geotérmica somera o a poca profundidad, energía geotérmica de baja intensidad o de baja entalpía, e incluso geotermia solar, geointercambio, bomba de calor conectada al terreno o de fuente subterránea, etc.
http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2ESO/tierrin/actividades/geot ermal/geotermal.htm
1.2 ENERGÍA GEOTÉRMICA. LOS ORÍGENES. Según el Consejo Europeo de Energía Geotérmica (EGEC), la Energía Geotérmica es: “la energía almacenada en forma de calor por debajo de la superficie sólida de la Tierra”. Esta definición engloba el calor almacenado en rocas, suelos y aguas subterráneas, cualquiera que sea su procedencia, temperatura y profundidad. No incluye el calor contenido en masas de agua superficiales, continentales o marinas, cuyo aprovechamiento también es posible mediante intercambiadores y bombas de calor. El calor contenido en rocas y suelos es demasiado difuso para ser extraído directamente de forma económica, siendo necesario disponer de un fluido, generalmente agua, para transportar el calor hacia la superficie de forma concentrada, mediante sondeos, sondas geotérmicas, colectores horizontales, o mediante intercambiadores de calor tierra-aire enterrados a poca profundidad en el subsuelo. Una vez en superficie, el fluido geotermal, en función de su contenido en calor, se destinará a la producción de energía eléctrica, si es posible, y en caso contrario, se aprovechará su calor recurriendo al empleo de intercambiadores de calor, o de bombas de calor en caso necesario. Según el modelo de la tectónica de placas, la litosfera, que es la capa externa de la Tierra que engloba la corteza y el manto superior, está dividida en numerosos fragmentos denominados placas, que están en movimiento y cuya forma y tamaño cambian continuamente.
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Las placas litosféricas se mueven a velocidades muy lentas, pero continuas, de unos pocos centímetros al año. Este movimiento está impulsado en última instancia por la desigual distribución del calor dentro de la Tierra. El material caliente que se encuentra en profundidad en el manto se mueve despacio hacia arriba y actúa como una parte del sistema de convección interno de nuestro planeta. A la vez, los fragmentos más fríos y densos de la litosfera descienden de vuelta hacia el manto, poniendo en movimiento la capa externa y rígida de la Tierra. Estos dificultosos y enormes movimientos de las placas litosféricas generan los terremotos, crean los volcanes y deforman grandes masas de rocas, dando lugar a flujos de calor anormalmente elevados. Se estima que, para una determinada cantidad de magma arrojado por un volcán, un volumen diez veces mayor permanece debajo de la superficie, formando cámaras magmáticas que calientan las rocas circundantes. Si esas rocas son permeables o están fracturadas, y existe circulación de agua subterránea, esta última capta el calor de las rocas, pudiendo ascender hasta la superficie a través de grietas o fallas, dando lugar a la formación de aguas termales, géiseres, fumarolas y volcanes de fango. Estas áreas térmicas son las que presentan el mayor interés desde el punto de vista de su aprovechamiento energético y los que tradicionalmente han atraído la investigación y el estudio de los recursos de energía geotérmica. ·
Volcán: Abertura en la corteza terrestre por la cual se expulsa lava, gases y materiales piroclásticos.
Foto 1. Volcán Etna (Sicilia), en erupción.
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Aguas termales: Manantial natural del que brota agua más caliente que la temperatura del cuerpo humano. Puede congregarse en lagunas o fluir por arroyos.
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Foto 2. Río Miño y termas de Outariz (Orense).
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Géiseres: Son fuentes termales intermitentes en las cuales las columnas de agua son expulsadas con gran fuerza a distintos intervalos, alcanzando a menudo 3060m en el aire y temperaturas entre 70 y 100ºC. Después de cesar el chorro de agua, se lanza una columna de vapor normalmente con un rugido atronador. Los minerales disueltos en el agua quedan depositados alrededor del géiser a modo de escoria o de sílice amorfa (geiserita). Muchos géiseres en el mundo se han extinguido o vuelto inactivos por causas naturales o por la instalación en sus inmediaciones de plantas de energía geotérmicas, como, por ejemplo, en Wairakei (Nueva Zelanda) y en Nevada (EE.UU.). La mayor concentración de géiseres se encuentra en el Parque Nacional de Yellowstone (Wyoming, EE.UU.).
Foto 3. El “Gran Geyser”, valle de Haukadalur (Islandia).
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