Geotermia como alternativa para la ingeniería de petróleos

La matriz energética mundial ha estado en constante evolución desde hace varias décadas. Mientras que a principios del siglo XIX se encontraba basada casi enteramente en la madera, en la actualidad el suministro energético está mucho más diversificado, esto se debe principalmente a la necesidad de cubrir la demanda energética que ha ido creciendo a causa del aumento de la población y del desarrollo económico (1).

Según el “Statistical Review of World Energy 2020” realizado por la empresa BP (2), los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural) son las fuentes de energía predominantes en la actualidad (más del 80%), seguidas de la energía hidroeléctrica (con el 6,4%), la nuclear (con el 4,3%), y las energías renovables modernas como la eólica, la geotérmica y la solar (con el 5%).

La razón por la que se exploran diferentes tecnologías es porque no existe una única fuente perfecta de energía. Es necesario encontrar el equilibrio correcto entre fiabilidad, asequibilidad y preservación del medioambiente. Este último punto en especial se ha tornado en un factor clave con miras a reducir el impacto ambiental por los gases de efecto invernadero y alcanzar los objetivos fijados en el acuerdo de Paris de 2015.

Es por ello, que las energías renovables han ido incrementando su participación en el mercado durante los últimos años, presentando una drástica disminución en los costos de las tecnologías para la generación de energía solar fotovoltaica y eólica, lo que las ha hecho altamente competitivas en comparación con las fuentes de energía tradicionales (3). Pero ¿Qué pasa con la energía geotérmica?

La geotermia es el calor natural de la Tierra, se deriva de la desintegración de los elementos radiactivos en la corteza terrestre y se transfiere al subsuelo por conducción y convección. Durante siglos, los manantiales geotérmicos se han utilizado para bañarse, calentarse y cocinar. Pero solo a principios del siglo XX, la gente comienza a considerar la geotermia como fuente práctica de energía con un enorme potencial. Actualmente se utiliza para producir electricidad, calentar y enfriar edificios, así como para otros fines industriales como el cultivo de frutas y verduras (4).

En este tipo de energía se debe tener en cuenta del gradiente geotérmico, el cual representa la tasa de aumento de temperatura por unidad de profundidad. El valor medio cerca de la superficie en la mayoría de las zonas del mundo es de unos treinta grados centígrados por km de profundidad, (30°C/Km); sin embargo, este gradiente varía de un lugar a otro y, en ocasiones, aumenta drásticamente alrededor de áreas volcánicas (5).

Para poder aprovechar este recurso, es importante ubicar las zonas de alto potencial geotérmico identificando claramente varios tipos de sistemas geotérmicos, los cuales se pueden caracterizar por variables específicas del sitio, como la naturaleza y la profundidad de la fuente de calor, el mecanismo de transferencia de calor dominante y las propiedades de los fluidos y las rocas. Un yacimiento geotérmico consiste en un volumen de rocas en el subsuelo cuya explotación en términos de calor puede ser económicamente rentable (6). Los sistemas geotérmicos se agrupan de acuerdo con su temperatura en:

• Sistemas geotérmicos de alta temperatura: las aguas subterráneas son muy calientes, por encima de los 200°C y el flujo de calor es de tres a cuatro veces superior al normal. Estos sistemas generalmente están relacionados con intrusiones de magma. Por lo general, se encuentran dentro o cerca de complejos volcánicos, en los límites de las placas o en puntos calientes. 

• Sistemas de temperatura media: se encuentran generalmente en zonas adyacentes a recursos de alta temperatura. La temperatura del fluido geotérmico varía de 100°C a 200°C. Aquí el agua geotérmica ha circulado en acuíferos ubicados a profundidades de 2 a 5 km principalmente a través de fracturas verticales. Los géiseres son pruebas naturales de esta actividad geotérmica.

• Sistemas de baja temperatura: por debajo de los 100°C se encuentran en muchas de las principales cuencas sedimentarias a grandes profundidades o en áreas con gradientes geotérmicos por encima del valor promedio de treinta grados.

Los recursos de los sistemas geotérmicos varían desde agua relativamente caliente hasta vapor. Si la temperatura del recurso está por encima de 180°C, se utiliza principalmente para impulsar turbinas y generar energía, mientras que, si se encuentra por debajo de 150°C, se utiliza principalmente para calefacción directa y en una amplia variedad de aplicaciones locales, como producción de agua caliente sanitaria para viviendas y actividades de la industria local.

Para la generación de energía, es necesario construir centrales geotérmicas que se localizan sobre los yacimientos geotérmicos previamente identificados, el vapor y el agua se extraen a través de pozos productores y una vez en la superficie, se separan. El vapor pasa a una central generadora, mientras que el agua se vuelve a inyectar al subsuelo. La fuerza del vapor ya seco activa una turbina que está conectada a un generador, produciendo electricidad. Después, el vapor se condensa y vuelve otra vez al suelo donde se somete a un proceso de reciclaje que le permite volver a calentarse (7). 

Enrique Manuel Lima Lobato, director ejecutivo de West Japan Engineering Consultants (WJEC), rama de ingeniería de la empresa japonesa de generación energética Kyūshū Electric Power, dijo a BNamericas, que los países de Latinoamérica que actualmente son los más atractivos para el desarrollo geotérmico son Chile, Perú y Colombia. Sin embargo, el interés en invertir en América Latina sigue siendo relativamente tímido, mientras que regiones del mundo con potencial geotérmico comparable, como Japón, Indonesia y partes de África, están experimentando un auge en este sector. Por lo que es necesario reducir la incertidumbre política y económica a largo plazo, y que los gobiernos creen mecanismos específicos para apoyar su desarrollo (8).

Por su parte, la Unión Europea está apoyando una gran cantidad de proyectos de investigación diferentes con el objetivo de impulsar la penetración de la energía geotérmica en el mercado europeo, buscando demostrar la viabilidad de la generación de energía eléctrica y térmica en todos los tipos principales de entornos geológicos (cristalino, sedimentario, metamórfico, volcánico) (9).

Por lo general, el desarrollo de una instalación geotérmica requiere pozos que pueden considerarse costosos pero riesgosos, por lo que se analiza ¿cómo se podría desarrollar la geotermia a partir de los pozos petroleros existentes?, lo que ayudaría a impulsar el uso de energía geotérmica en todo el mundo. Para ello es posible convertir un pozo de producción de petróleo en un pozo para la producción geotérmica, o también se puede coproducir crudo y calor (10). En ambos casos, la reutilización de pozos existentes evita los altos costos de perforación para nuevos pozos y puede contribuir a la aceptación social para las instalaciones industriales de superficie. Sin embargo, es necesario que se cumplan algunas condiciones:

1. Se requiere una demanda de calor cercana: a diferencia del crudo, el calor no se transporta fácilmente por largas distancias y tampoco puede almacenarse durante largos períodos de tiempo sin conversión a alguna otra forma de energía.
2. El recurso de calor debe ser lo suficientemente alto para satisfacer la demanda, en términos de temperatura y caudal: pozos de 2 a 3 km de profundidad y con un gradiente geotérmico promedio de 30 °C/km tienen suficiente potencial. El caudal depende de la geología, pero puede mejorarse conectando nuevas zonas.
3. El pozo deberá ser lo suficientemente eruptivo: si es necesario levantar los fluidos con bombas de fondo de pozo, se reducirá el índice de eficiencia general del sistema.
4. La integridad del pozo debe ser suficientemente buena: ya que las condiciones del revestimiento y el cemento pueden deteriorarse con el tiempo, por lo que se requerirían costosas intervenciones de pozos.

El año pasado la “Geothermal Entrepreneurship Organization” (GEO) en la Universidad de Texas en Austin (Estados Unidos) y la “International Geothermal Association” (IGA-Alemania), organizaron Pivot2020, un evento virtual de una semana con once mesas redondas moderadas, en las que participaron líderes de opinión y creadores de cambios que están construyendo el futuro de la energía geotérmica. Los panelistas incluyeron líderes de la industria del petróleo y el gas, la industria geotérmica, la academia, los gobiernos, los laboratorios nacionales y las empresas emergentes (11).

En dicho evento, Dave Waters, compartió su experiencia acerca de su transición del gas y petróleo a la geotermia, las diferencias técnicas, desafíos y oportunidades tecnológicas, entre otros temas, resaltando factores clave para el éxito de este tipo de energía, tales como la cercanía del mercado, la longevidad y cantidad de suministro de energía, la necesidad de regulaciones ambientales y sociales dada su cercanía a la población, el uso de métodos de exploración no sísmicos, además de los incentivos estratégicos para los inversionistas públicos o privados que suelen ser necesarios para ayudar a cubrir las fases iniciales de exploración, y por supuesto, la temperatura del yacimiento y el volumen suministrado de agua caliente/vapor (12).

En Colombia, ya fue presentado el primer piloto de energía geotérmica en Casanare, este fue desarrollado en articulación con la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín. Se trata de un piloto de coproducción de hidrocarburos y energía eléctrica a partir de recursos geotérmicos en el campo Maracas de San Luis de Palenque. La empresa encargada de este piloto será Parex Resources, y su objetivo es aprovechar las altas temperaturas y volúmenes de agua producidos en la extracción de hidrocarburos para generar energía eléctrica por medio de equipos especializados instalados en la superficie (13).

Según las proyecciones, el piloto producirá aproximadamente 100 kW efectivos de energía eléctrica que reemplazarán un 5 % de la energía generada de combustibles fósiles, logrando reducir hasta 550 Ton CO2 anuales, generando una cantidad de energía de hasta 72.000 kWh, equivalente a la cantidad de energía que consumirían 480 familias en un mes (14).

Este es el primer paso para aprovechar el potencial del país para el desarrollo de este tipo de proyectos, los cuales se ven favorecidos por la posición geográfica y geológica. De acuerdo con datos del Servicio Geológico Colombiano, los recursos geotérmicos almacenados del país rondan los 138,60 exajoules [EJ] y una potencia eléctrica de 1.170,20 megavatios [MW] (15).

En conclusión, la energía geotérmica tiene una contribución positiva en el proceso de transición energética, ya que es un recurso subterráneo renovable, cuya fuente de energía inicial es teóricamente infinita y está disponible en todo el mundo; por su parte, las plantas requeridas para la transformación de la energía generan huellas ambientales limitadas.

Sin embargo, el equilibrio económico podría ser difícil de alcanzar debido a los elevados costos de la perforación de pozos profundos, es allí donde la industria Oil and Gas puede aportar desde la experiencia y la coproducción de fluidos y energías como lo están haciendo diversas compañías en el mundo, en Colombia ha sido Parex la encargada de este primer paso.

Fuentes

1. https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/staticsfiles/pictures%2F1579797764943-W0V1+-+The+energy+demand%2C+approach+from+the+society%27s+point+of+view_ES.pdf
2. https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2018-full-report.pdf
3. https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/staticsfiles/pictures%2F1579797772294-W0V2+-+The+stresses+on+the+energy+demand_ES.pdf
4. https://www.geothermal-energy.org/explore/what-is-geothermal/
5. https://www.glossary.oilfield.slb.com/es/Terms/g/geothermal_gradient.aspx
6. https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/staticsfiles/pictures%2F1554129413328-W2V11+-+Geothermal+energy+-+Heat+from+Earth.pdf
7. https://www.fundacionendesa.org/es/centrales-renovables/a201908-fuentes-alternativas-de-energia
8. https://www.bnamericas.com/es/reportajes/que-necesita-la-energia-geotermica-para-despegar-en-latinoamerica
9. https://www.piensageotermia.com/como-podria-obtenerse-la-energia-geotermica-de-los-pozos-petroleros/
10. https://www.meet-h2020.com/project-results/outreach-articles/how-can-we-do-geothermal-from-oil-wells/
11. https://www.texasgeo.org/pivot2020
12. https://www.piensageotermia.com/petroleo-y-gas-transicion-a-geotermia-y-mas-pivot2020-un-comentario/
13. https://forbes.co/2021/03/24/negocios/en-fotos-colombia-da-via-libre-a-el-primer-piloto-de-energia-geotermica/
14. https://www.portafolio.co/economia/inicia-primer-piloto-para-generacion-de-energia-geotermica-en-casanare-550367
15. https://www.minenergia.gov.co/historico-de-noticias?idNoticia=24279957

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