Introducción

G

La geotermia es la energía térmica que fluye desde el interior de la Tierra.

eotermia: Energía de la Tierra, escrito por el doctor Edgar Santoyo Gutiérrez (investigador titular del cieunam), la geóloga Erika Almirudis Echeverría y el maestro en ingeniería Jorge A. Wong-Loya, te brindará una perspectiva sencilla sobre conceptos básicos de la energía geotérmica y las aplicaciones actuales que tiene esta importante fuente renovable de energía en el contexto nacional y mundial. El propósito de este libro es presentarte un panorama general de las características principales de la energía geotérmica, incluyendo su origen, formas de manifestación, métodos de exploración, aprovechamiento actual y los retos futuros que tiene dicha energía hacia un desarrollo sustentable. La energía geotérmica, o simplemente geotermia, es la energía térmica que fluye desde el interior de nuestro planeta hacia la superficie, se encuentra almacenada bajo la superficie terrestre en forma de calor y ligada a volcanes, aguas termales, fumarolas, lodos hirvientes y géiseres. Atendiendo a sus orígenes, esta fuente de energía renovable corresponde a una fuente de energía inmensa y prácticamente inagotable, cuyo potencial es utilizado actualmente

para la generación de electricidad y otras múltiples aplicaciones de uso directo. La energía geotérmica se ha generado a través de millones de años, debido al colapso gravitatorio que formó a la Tierra y a la desintegración radiactiva de isótopos de uranio, torio y potasio en la corteza terrestre. El contenido total de calor de la Tierra es inmensamente grande, del orden de 12.6 billones de exajoules (un exajoule equivale a un trillón de joules, unidad en que se mide la energía).Tan sólo la corteza terrestre contiene unos 5 400 millones de exajoules. Una inmensa cantidad de esa energía está almacenada en los cuerpos magmáticos del interior de la Tierra. El flujo de calor desde allí hacia los estratos superiores de la corteza produce cambios de temperatura a distintas profundidades, conocidos como gradientes geotérmicos. Éstos pueden variar desde valores normales de alrededor de 30 grados centígrados por kilómetro, hasta unos 200 grados centígrados por kilómetro, en los bordes de las placas tectónicas, donde el deslizamiento de éstas favorece el ascenso del magma. Este enorme flujo de calor suele calentar grandes extensiones de roca en la profundidad, donde se pueden formar grandes depósitos de

La corteza terrestre contiene unos 5 400 millones de exajoules.

Agua termal en Nueva Zelanda.

Antes, la Tierra podría haber sido una bola homogénea de calor.

La temperatura de los fluídos térmicos se utiliza también para el acondicionamiento térmico de invernaderos.

fluido o roca seca caliente, conocidos como yacimientos o reservorios. La inmensa cantidad de energía térmica producida continuamente en estos sistemas y los largos tiempos geológicos requeridos para su agotamiento hacen que la geotermia sea considerada como una fuente alterna de energía renovable que siempre estará disponible en la escala de tiempo de los seres humanos. Los sistemas geotérmicos se clasifican en función de la temperatura que presentan los fluidos endógenos producidos en su interior, los cuales determinarán sus posibles usos y aplicaciones. Los recursos geotérmicos de alta temperatura se aprovechan principalmente para la producción de electricidad, cuando se trata de yacimientos de alta temperatura (superiores a los 180 °C). Cuando la temperatura del yacimiento no es suficiente para producir energía eléctrica sus aplicaciones se dan principalmente en el acondicionamiento térmico de viviendas y distritos, así como en algunos servicios de calor de proceso para la industria, la producción de plantas en invernaderos, entre otras más. A pesar de que la energía geotérmica es una energía renovable tecnológicamente madura que incide en los programas de ahorro energético de más de 78 países incluido México, representa apenas el 0.4% de la generación eléctrica mundial. La explotación de la energía geotérmica para producir electricidad ha ayudado a reducir impactos negativos al medio ambiente y a mitigar los efectos causados por el calentamiento global de la Tierra. Es por ello que estudios científicos recientes se han enfocado a mejorar y desarrollar nuevas técnicas de exploración y explotación de sistemas geotérmicos, lo cual convertirá a la geotermia en una pieza clave de los escenarios futuros de abastecimiento energético.

Nuestro planeta, ¿tiene energía?

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n un mundo sin energía no habría movimiento, luz, ni vida. Desde el punto de vista de la física, la energía se define simplemente como la capacidad para realizar un trabajo. Esto último se puede interpretar como la capacidad de mover, calentar o cambiar algo de alguna manera. En general, todo cuerpo tiene energía en función de sus propiedades fisicoquímicas, tales como movimiento, posición, temperatura, masa, composición química, entre otras. La energía puede manifestarse de varias formas, algunas de las cuales te podrán ser más familiares, por ejemplo, las energías mecánica, térmica, eléctrica, electromagnética, entre otras.

La Tierra es un planeta térmicamente activo Tú también eres un ser que está en movimiento, puedes caminar, correr, bailar, pensar y platicar gracias a que utilizas tu energía. Además, en el interior de tu cuerpo también usas energía, la cual te permite realizar todas las funciones que necesitas para mantenerte vivo. Al igual que ocurre en el cuerpo

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La energía en el mundo es necesaria para el movimiento, la luz y la vida.

humano, la Tierra es un planeta en movimiento, que además de girar sobre su propio eje y alrededor del Sol, tiene energía en su interior. La energía interna del planeta se manifiesta como calor o energía térmica, la cual se puede transferir de un lugar a otro de forma natural, siempre y cuando exista una diferencia de temperaturas, esto es, el calor fluirá desde un sitio caliente, con mayor temperatura, a otro frío, con una temperatura menor. La energía térmica o calor que fluye desde el interior de la Tierra hacia la superficie se conoce como energía geotérmica o geotermia. Este término deriva de los vocablos griegos geos, tierra, y termos, calor, por lo cual es referido a su vez como calor de la Tierra. Géiser en Alemania.

Cada ser humano emplea energía para moverse, caminar o correr.

¿Cómo se formó la Tierra?

Aunque se sabe que las rocas más antiguas de la Tierra no tienen más de 4 000 millones de años, los meteoritos, que son rocas con una composición similar a la que existe en el interior del planeta, han dado evidencias de que la Tierra se formó hace aproximadamente unos 4 567 millones de años, junto con el Sistema Solar. La Tierra, durante su origen, no era como la conocemos ahora, sino que parecía más bien una bola o masa homogénea caliente. Desde ese entonces, ha estado emanando energía térmica o calor hacia el exterior. Seguramente has notado que cuando un objeto se enfría, algunas partes están más calientes que otras, esto es porque la temperatura no es la misma en todas partes. Al comer una papa te habrás dado cuenta de que por dentro se siente más caliente, ya que su superficie se enfría más rápido, es decir, pierde calor más rápido y su temperatura exterior es menor que la interior. Esto mismo ha ocurrido a lo largo de millones de años con la Tierra, y en su in-

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terior las temperaturas son más altas que las de su superficie.

20.94%

¿Cuál es la estructura interna de la Tierra?

0.035% 0.934%

Diseñemos un experimento muy sencillo. Considera que tienes tres materiales distintos: grava, agua y aire, y que mezclas todos dentro de una jarra. ¿Cómo crees que se acomodarán los tres materiales en la jarra? Podrás imaginar que la grava se irá al fondo, el agua quedará en medio y el aire permanecerá arriba. ¿Por qué crees que la grava se irá al fondo y el aire quedará arriba? No pienses que esto se debe al estado sólido de la grava, sucede así porque se trata de un material más denso que el agua y el aire. Todos los materiales tienden a acomodarse por su densidad, ubicándose los más densos en el fondo. De igual manera, los materiales que componen nuestro planeta se acomodan en las diversas capas por su densidad. Por ejemplo, en la superficie de la Tierra y, en el caso de la corteza oceánica, vemos cómo los suelos y rocas están bajo los mares, y que sobre éstos se encuentra el aire con todos los gases

78.08%

Oxígeno Nitrógeno Gases nobles CO2 (0.03%) Composición química del aire.

El níquel, material del que están hechas las monedas, forma parte del núcleo de la Tierra.

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que forman la atmósfera, que es una de las últimas capas externas de la Tierra. ¿Qué pasará en el interior del planeta? ¿Crees que los distintos materiales que lo componen se acomodan de forma parecida? Los materiales más densos están en la parte más interna de nuestro planeta formando un núcleo sólido de hierro y níquel, que se encuentra sujeto a presiones y temperaturas muy elevadas. Alrededor de este núcleo interno sólido existe una región líquida, formada principalmente de hierro fundido, que conforma el núcleo externo. Éste a su vez está limitado por una capa intermedia llamada manto, compuesta de roca en estado semifundido. Finalmente, rodeando al manto, está la corteza, es decir, la capa externa menos densa, la cual forma los continentes y el piso de los océanos. Para entender mejor la estructura de la Tierra, comparémosla con la forma de un huevo duro. La cáscara del huevo representa la corteza de la Tierra, que es una capa de roca sólida con un espesor aproximado de 4.8 kilómetros cuando está bajo los océanos, y de 56 kilómetros en los continentes. Por

El hielo, a pesar de estar en estado sólido, por ser menos denso flota sobre el agua que está en estado líquido.

Atmósfera Corteza Manto Núcleo externo Núcleo interno

Capas de la Tierra.

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Fotografía aérea de la superficie de la Tierra.

debajo de la corteza se encuentra el manto, el cual es representado por la clara del huevo. El manto constituye 87% del volumen del planeta; las rocas que se encuentran en él son diferentes a las que existen en la corteza, además de que su temperatura es mucho mayor que en ésta. El manto se extiende hasta los 2 900 kilómetros de profundidad, en transición con el núcleo externo. Esta profundidad equivale a la distancia aproximada que existe, en línea recta, entre las ciudades mexicanas de Ensenada, Baja California, y Tuxtla Gutiérrez, Chiapas.

El manto interno y la corteza de la Tierra están compuestos por un material rígido En nuestro ejemplo, el centro de la Tierra, a diferencia de la yema del huevo, está constituido por dos partes: el núcleo externo y el núcleo interno. Se ha determinado que las profundidades que tienen los núcleos externo e interno son de aproximadamente 5 100 kilómetros y 6 400 kilómetros, respectivamente, desde la superficie de la Tierra. La corteza y la parte superior del manto, además de actuar como un abrigo al mantener el calor en su

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La estructura de la Tierra puede compararse con un huevo duro.

interior, presentan ciertas características peculiares en su estructura. Ambos están compuestos por un material rígido formando una capa a la que se le denomina litósfera.

¿Qué son las placas tectónicas? Las líneas en el mapa representan las capas tectónicas de la Tierra, mientras que los colores rojo, verde, amarillo y violeta representan las diferentes edades de la litósfera.

Echemos ahora un vistazo para ver qué ocurre con la estructura y movimientos en la litósfera. Para ello consideremos una cáscara de huevo agrietada por todas partes. La cáscara es como la litósfera de la Tierra, que en realidad está fragmentada en grandes piezas, llamadas placas tectónicas o litosféricas, las cuales encajan entre sí como las piezas de un rompecabezas.

A pesar de que no siempre lo sentimos, las placas tectónicas están en constante movimiento Técnicamente, la litósfera se fragmenta y se mueve sobre la zona superior del manto, la cual está compuesta de una capa de material viscoso a la que se le denomina astenósfera. Debido a las diferencias de temperatura y densidad de la astenósfera, se originan corrientes convectivas de material y calor, en

Modelo esquemático del límite litósfera-astenósfera bajo las islas de Hawai.

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Anillo de Fuego.

donde la materia más fría tiende a descender, mientras que la más caliente experimenta un ascenso. Estas corrientes explican el desplazamiento de las placas tectónicas por encima de la astenósfera. A pesar de que no siempre lo sentimos, las placas tectónicas están siempre en movimiento lento. De hecho, se sabe que las placas se mueven con una velocidad de dos a 20 centímetros al año, y que algunos de estos movimientos bruscos producen los conocidos temblores. El movimiento de las placas tectónicas puede dar lugar a distintos fenómenos. Las placas pueden chocar entre sí, provocando que una de éstas se hunda por debajo de la otra, si tienen distintas densidades (fenómeno conocido como subducción), o que choquen y formen nuevas montañas si tienen densidades similares (colisión). Las placas también pueden separarse una de la otra, produciendo que la litósfera se adelgace y el material del manto ascienda hacia la superficie. Por

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