Para producir electricidad necesitamos mover turbinas. Hoy en día, la mayoría de la electricidad proviene de quemar combustibles fósiles para llevar el agua a ebullición y que así genere vapor que pueda mover las turbinas. El problema es que la quema de combustibles fósiles emite dióxido de carbono (CO2), un gas de efecto invernadero que contribuye al cambio climático. ¿Tenemos alguna alternativa limpia en lugar de quemar combustibles fósiles para conseguir vapor de agua que mueva las turbinas? Sí, la energía geotérmica, es decir, el calor del interior de la Tierra.
A medida que nos adentramos hacia el interior de la Tierra, la temperatura aumenta. En la superficie, a presión atmosférica, el agua entra en ebullición a 100 ºC. En zonas con anomalías térmicas, como son las zonas volcánicas, encontramos temperaturas muy superiores a 100 ºC apenas a 1 o 2 km de profundidad. Esto lo saben bien en Islandia, donde el 66% de la energía proviene de la energía geotérmica.
En zonas con un gradiente geotérmico medio, de unos 25-30 ºC/km, necesitamos alcanzar unos 4 km de profundidad para encontrar temperaturas suficientes para generar electricidad. Para aprovechar el calor del interior de la Tierra, necesitamos dos pozos, uno de inyección de agua fría, la cual se calienta al entrar en contacto con la roca caliente profunda, y otro para extraer el agua caliente que alimenta la central geotérmica que genera electricidad de esta fuente renovable. La energía geotérmica tiene una gran ventaja respecto a otras renovables: no es intermitente, por lo que es fiable y sabemos de cuánta podemos disponer de forma continua.
Barreras a su implementación
En la actualidad, la capacidad instalada para generar electricidad a partir de energía geotérmica es de 16 GWe, representando tan solo el 0.5% de la electricidad generada a escala global. La mayoría de las centrales geotérmicas existentes se encuentran en zonas con altas temperaturas a poca profundidad. Sin embargo, para contribuir de forma efectiva a mitigar el cambio climático, las centrales geotérmicas deben proliferar en zonas con gradientes geotérmicos medios, lo que implica profundizar a unos 4 km.
A estas profundidades, no se acostumbran a encontrar rocas sedimentarias, que pueden ser porosas y permeables, lo que facilitaría la circulación del agua por el subsuelo, sino rocas cristalinas, como el granito, que son compactas y poco permeables, pero están fracturadas. Es a través de estas fracturas por donde circulará el agua entre los dos pozos. Como las fracturas están inicialmente cerradas, lo que se acostumbra a hacer es una estimulación hidráulica para abrirlas y permitir que fluya el agua con facilidad. Esta estimulación se hace inyectando agua a alta presión, lo que mueve las fracturas, forzando su apertura por dislocación dada la rugosidad de las fracturas.
Este procedimiento conlleva el riesgo de inducir terremotos, ya que los deslizamientos de las fracturas generan microsismos, es decir, movimientos sísmicos no perceptibles en la superficie, pero que se pueden llegar a sentir si el desplazamiento es más grande del esperado. La mayoría de los proyectos generan miles de microsismos, y solo unos pocos proyectos han producido terremotos perceptibles. El problema es que un solo terremoto perceptible puede acarrear la cancelación del proyecto, como ocurrió en Basilea (Suiza) en 2006 con un terremoto de magnitud 3.4 o en Pohang (Corea del Sud) en 2017 con un terremoto de magnitud 5.5. Lo desconcertante de estos dos terremotos es que ocurrieron después de haber cesado la inyección, por lo que la presión se había empezado a disipar y se esperaría que la estabilidad de las fallas mejorase.
La sismicidad inducida en Basilea
En el caso de Basilea, un microsismo de magnitud 2.2, no sentido en superficie, hizo tomar la decisión de parar la inyección para evitar terremotos mayores. Esta decisión se basó en el concepto tradicional que la causa de los terremotos inducidos es el aumento de la presión de agua, que tiende a abrir las fracturas y fallas, reduciendo su resistencia friccional.
Nuestros estudios muestran que existen otros mecanismos, además del aumento de la presión de agua, que son claves en la inducción de terremotos. En particular, la interacción entre terremotos y la respuesta de tensión-deformación del subsuelo causado por la sobrepresión. La primera se produce porque al deslizarse una falla se liberan tensiones en el área que desliza, y se transfieren a su alrededor, lo que puede desestabilizar fallas cercanas. Este fenómeno explica las réplicas de los terremotos. La última se explica por un aumento de la compresión en el subsuelo en respuesta a la expansión causada por la presurización. Durante la inyección, la compresión estabiliza algunas fallas, pero al parar la inyección, estas fallas se vuelven inestables porque al bajar la presión, también lo hace la compresión y su efecto estabilizador.
De la comprensión a la previsión
La mejora en la comprensión de los mecanismos que causan los terremotos inducidos nos ha permitido desarrollar una herramienta predictiva fiable. El éxito de esta herramienta numérica es debido a que considera los procesos físicos que son relevantes en los proyectos de geoenergía. Aplicando nuestra herramienta predictiva, hemos podido explicar, por primera vez, algunas de las observaciones más desconcertantes de la sismicidad inducida que se observó en el proyecto de geotermia de Basilea.
En concreto, nuestro modelo reproduce la reactivación de una de las fallas que se inició una vez se paró la inyección. Además, se muestra que los cambios de presión no son el causante principal de la sismicidad inducida, ya que esta ocurre antes de que se alcance la presión crítica que debería desestabilizar la falla si solo los cambios de presión fueran los causantes de la sismicidad. Además, en algunas fallas, la presión crítica nunca se llegó a alcanzar.
Escoger la mejor estrategia de inyección
Para proyectos futuros, con esta herramienta predictiva, se puede estudiar cuál es la estrategia de inyección que tiene el potencial de minimizar la sismicidad inducida a la vez que se consigue aumentar de forma efectiva la permeabilidad de las fracturas. Haciendo este ejercicio para el caso de Basilea, se observa que la estrategia que se siguió —consistente en aumentar la presión de forma escalonada—, aunque aumenta la permeabilidad de las fracturas, es la que induce una mayor sismicidad, en especial después del cese de la inyección.
Alternativamente, utilizar una inyección cíclica permite disminuir la sismicidad, pero a expensas de apenas aumentar la permeabilidad. La mejor estrategia para el caso de Basilea parece que hubiera sido una inyección constante, que hubiera aumentado la permeabilidad con una sismicidad menor que la observada. Además, también hemos encontrado que la mejor forma de dejar de inyectar para reducir los sismos post-inyección hubiera sido reduciendo la presión de inyección de forma progresiva durante dos días.
Un futuro con gran potencial
Los avances recientes en el campo de la geotermia profunda para la generación de electricidad limpia son muy esperanzadores de cara a contribuir de forma significativa a descarbonizar la sociedad y mitigar la emergencia climática. Estamos aprendiendo a aprovechar esta energía de forma segura, lo que va a permitir en un futuro cercano que proliferen centrales geotérmicas de generación de electricidad limpia en multitud de lugares en los que no hay una manifestación evidente de que el subsuelo está caliente.
El interior de la Tierra alberga una cantidad inagotable —a escala humana— de calor que podemos utilizar para generar electricidad sin emitir gases de efecto invernadero. Es difícil imaginarse el gran tesoro que tenemos bajo nuestros pies, ya que no podemos verlo de forma directa. Pero en las noches en las que no sople el viento, podremos seguir encendiendo las luces de nuestros hogares gracias a la energía geotérmica. La solución nos viene desde el interior de nuestra Tierra, cuidémosla.
Referencias
- Boyet, A., De Simone, S., Ge, S. et al. (2023). Poroelastic stress relaxation, slip stress transfer and friction weakening controlled post-injection seismicity at the Basel Enhanced Geothermal System. Commun Earth Environ 4, 104. doi: 10.1038/s43247-023-00764-y
- Boyet, A., Vilarrasa, V., Rutqvist, J., & De Simone, S. (2024). Forecasting fluid-injection induced seismicity to choose the best injection strategy for safety and efficiency. Philosophical Transactions A, 382(2276). doi: 10.1098/rsta.2023.0179
- Boyet, A., De Simone, S., & Vilarrasa, V. (2024). To Bleed‐Off or Not to Bleed‐Off?. Geophysical Research Letters, 51(23). doi: 10.1029/2023GL107926
Víctor Vilarrasa Riaño
Dr. Ingeniero de Caminos
Cortesía de Muy Interesante
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