¿Qué es la geotermia?
De manera general, podemos decir que la geotermia es el aprovechamiento del calor interno de la Tierra con la finalidad de generar energía o utilizarla directamente en procesos técnicos que requieran calor como fuente de energía.
La roca fundida proveniente del manto, producto del alto calor generado en el núcleo (Figura 1), tiende a subir hacia el exterior de la Tierra. En algunas regiones, esta roca caliente queda atrapada a varios kilómetros de profundidad bajo la superficie, lo que se conoce como cámara magmática. Por otra parte, el agua de la lluvia o deshielo que se filtra en el suelo hasta alcanzar una profundidad relativamente cercana a estas cámaras magmáticas, se calienta debido al calor que transfieren las cámaras a toda la roca circundante. Este proceso es muy parecido a lo que ocurre en una olla de presión: debido a las altas temperaturas, el producto puede ser agua caliente, una mezcla de agua-vapor o simplemente vapor, lo que también genera altas presiones. Este producto se conoce como fluido geotérmico y, dependiendo de su temperatura por su contenido energético, una zona geotérmica se clasifica en baja (< 80 °C), mediana (80-150 °C) o alta (>150 °C) entalpía. Para aprovechar esta energía térmica se deben perforar pozos que lleguen a la profundidad donde se encuentra almacenado el fluido geotérmico para conducirlo hasta la superficie.
Cabe mencionar que, para poder conocer y entender las características de cada zona geotérmica y posteriormente explotar el recurso energético, se debieron aplicar varios estudios geológicos, geoquímicos y geofísicos, los cuales constan de diversas herramientas, mismas que varían en costo entre ellas, dependiendo de las necesidades técnicas y humanas de cada una. Sin embargo, la principal desventaja de la geotermia es el alto costo de capital asociado con la perforación de pozos geotérmicos, el cual ronda aproximadamente el 50 % del costo total del proyecto geotérmico. La operación de la unidad de perforación se estima para pozos verticales a una tasa de $ 860 000 dólares (Estados Unidos de América) por kilómetro de profundidad, es decir, más de 17 millones de pesos mexicanos.
Planta geotérmica Los Azufres. Fotografía: CFE
Alternativas de la geotermia en México
Un problema nacional de gran importancia es la producción, consumo-demanda, ahorro y aprovechamiento de la energía, no solo en materia de electricidad, sino también toda aquella actividad humana productiva que implique el consumo de energía en cualquiera de sus formas. La energía geotérmica es un recurso natural inagotable y muy abundante en México, lo cual cada vez es más utilizado y explotado para cubrir las necesidades energéticas de la sociedad y para la realización de sus actividades productivas. Aun así, no se ha logrado explotarla al máximo y de manera sustentable, existiendo un número bastante considerable de zonas en todo el territorio nacional con gran potencial energético sin ser explotados. Para poder desarrollar y aprovechar al máximo los recursos energéticos renovables, debe existir un equilibrio entre el desarrollo de la ciencia y la tecnología con respecto a las diferentes formas de uso y explotación de los recursos renovables, considerando también su efecto positivo en el medio ambiente.
A pesar del despreciable impacto negativo hacia el medio ambiente a través de la explotación de los recursos geotérmicos en el mundo, esta actividad sigue presentando diversos retos tecnológicos, de estudios científicos y económicos. De este último, y de gran importancia, uno de los grandes problemas que enfrentan las empresas que desean explotar los recursos geotérmicos es el alto costo de perforación de pozos; ya sean de exploración o explotación, este corresponde desde 40 hasta 50 % de la inversión total para la construcción de un campo geotérmico. Quizás esto haga lenta la expansión de los actuales campos geotérmicos mexicanos, así como la explotación de los recursos de baja y mediana entalpía para usos directos o la cogeneración de energía eléctrica.
Por otro lado, cuando los recursos petroleros se han agotado a un punto inviable económicamente, los pozos son abandonados o simplemente dejan de ser utilizados. En algunos países como Albania, China, Croacia, Estados Unidos de América, Hungría, Israel, Nueva Zelanda, Polonia y Rusia, han apoyado económicamente la investigación y el trabajo sobre la reutilización de los pozos petroleros abandonados como fuentes de energía geotérmica. Los pozos petroleros abandonados presentan una interesante oportunidad para ser modernizados como un sistema geotérmico, ya que generalmente son muy profundos para poder acceder a temperaturas muy altas de los estratos superficiales de la corteza terrestre. Proponer un pozo petrolero abandonado para un proyecto geotérmico, puede reducir los costos de inversión del proyecto hasta más de un 50 %, incluso contemplando la idea de que fuera redireccionado, sería más económico que perforar uno nuevo. Otro importante aspecto de la modernización de los pozos abandonados es la disponibilidad de una gran cantidad de datos geológicos y geofísicos que han sido registrados, los cuales pueden ser usados para determinar cuáles pozos proveerán las temperaturas más altas.
Los pozos petroleros convencionales comúnmente tienen profundidades mayores a los 2 km y hasta 7-8 km, es decir, son más profundos que los pozos geotérmicos —que por lo regular oscilan entre 2 y 3 km de profundidad—, lo que los hace ser una fuente natural de potencial geotérmico. Por ejemplo, considerando el gradiente geotérmico natural de la Tierra que es de aproximadamente 30 °C/km a una profundidad de 5 km, obtendríamos temperaturas de 150 °C. Sin embargo, se sabe que la gran mayoría de los pozos petroleros fueron perforados en zonas que contienen gradientes geotérmicos más altos de lo normal, lo cual los hace una fuente renovable no explotada de energía geotérmica.
Figura 1: Vista de la sección transversal del interior de la Tierra (Modificado de Boden, 2017).
A pesar de las altas temperaturas que se esperan teóricamente en los pozos petroleros, no serían lo suficientemente aptas como para generar vapor y así poder utilizarlos directamente en la producción de electricidad. Algunos otros estudios proponen utilizar sistemas híbridos para un mejor aprovechamiento de los recursos geotérmicos obtenidos de los pozos. Un ejemplo de sistema híbrido es el Geotérmico-Concentrador Solar, cuyo objetivo principal es revalorizar (elevar) la temperatura del fluido caliente obtenido del pozo a través de una planta de concentradores solares para así poder utilizar este fluido para la generación de energía eléctrica o para usos directos de acuerdo al valor de temperatura alcanzado en la revalorización.
A través de la Comisión Nacional de Hidrocarburos (CNH), se sabe que en el territorio existen aproximadamente 33 000 pozos petroleros y de gas, los cuales fueron perforados para la exploración y explotación de hidrocarburos (Figura 2). En la zona continental, los pozos petroleros perforados se concentran principalmente en el norte y este del país (p. ej. Chihuahua, Nuevo León, Coahuila, Tamaulipas, Veracruz, Tabasco y Campeche). De este gran número de pozos, aproximadamente 15 000 se encuentran abandonados o no son utilizados por la industria petrolera y están distribuidos en gran parte del país.
Figura 2: Ubicación de pozos de hidrocarburos en México (Tomado de CNH).
Lo antes mencionado ha sido motivación para la compilación, desde 2015, de información de pozos abandonados a través de proyectos de investigación llevados a cabo en el Instituto de Investigaciones en Ciencias de la Tierra de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (Figura 3), con la finalidad de analizar y estimar el posible recurso geotérmico de cada sitio, lo que ha dado como resultados preliminares la estimación de gradientes geotérmicos y flujo de calor de cada pozo, así como modelos numéricos del comportamiento de las temperaturas del subsuelo. Esto nos brindará un mejor conocimiento del estado térmico de cada sitio para así poder determinar con mayor certeza qué uso se le podría dar a ese recurso energético, todo ello sin omitir las características geográficas y socioeconómicas de la zona de estudio, fundamental para la toma de decisiones referente al tipo de explotación de la energía térmica de los pozos.
Figura 3: Ubicación de los poco más de cuatro mil pozos de hidrocarburos compilados para su análisis de posible recurso geotérmico (Elaboración propia).
Finalmente, podemos adelantar que los resultados de este tipo de estudios serán de gran beneficio para pequeñas localidades que comúnmente carecen de infraestructura o del acceso a recursos que pudieran cubrir sus necesidades energéticas.
Agradecimientos: A Petróleos Mexicanos (PEMEX) por el acceso y uso de datos necesarios para el desarrollo del proyecto científico PN2015-01-388, Aprovechamiento de pozos petroleros abandonados/inoperantes como fuente sustentable de energía para sistemas híbridos Geotermia/Concentrador Solar, de la Convocatoria de Proyectos de Desarrollo Científico para Atender Problemas Nacionales 2015 CONACYT; así como de la tesis de maestría de Guadalupe Abigail Rueda Aguilera, Desarrollo de un modelo analítico-numérico para estimar el posible potencial geotérmico de pozos petroleros, perteneciente al Posgrado de Geociencias y Planificación Territorial del Instituto de Investigaciones en Ciencias de la Tierra (INICIT) de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH). También deseamos agradecer al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por el apoyo económico brindado para el desarrollo de los proyectos antes mencionados.
Para Saber más:
Comisión Nacional de Hidrocarburos. https://www.gob.mx/cnh; https://hidrocarburos.gob.mx/
Espinoza-Ojeda, O.M. y Prol-Ledesma, R.M. (2020). Continental conductive surface heat flow in Mexico - the analysis from deep boreholes. World Geothermal Congress 2020+1, Reykjavik, Iceland, April - October 2021, 1-11.
https://pangea.stanford.edu/ERE/db/IGAstandard/record_detail.php?id=33217
Espinoza-Ojeda, O.M., Rivera-Calderón, E. y Sánchez-Sánchez, P.T. (2022). Numerical simulation to estimate the conductive thermal state model – Mexican EGS zones as study cases. Earth Science Informatics, (2), 1-20. https://www.researchgate.net/publication/357751841_Numerical_simulation_to_estimate_the_conductive_thermal_state_model_-Mexican_EGS_zones_as_study_cases
Jorquera, C. (2021). Llamado para reutilizar pozos petroleros abandonados en EE. UU. para explotar geotermia. Piensa en Geotermia. https://www.piensageotermia.com/llamado-para-reutilizar-pozos-petroleros-abandonados-en-ee-uu-para-explotar-geotermia/
Michalzik, D., Meisel, M. y Steffahn, J. (2016). Uso geotérmico de pozos de petróleo y gas abandonados. Reporte de campo: Alemania. Revista Ciencia UANL, 19(82), 46-51. https://www.researchgate.net/publication/317248591_Uso_geotermico_de_pozos_de_petroleo_y_gas_abandonados_Reporte_de_campo_Alemania_Revista_Ciencia_UANL_Vol_19_No_82
Orlando Miguel Espinoza Ojeda. Cátedras CONACYT Instituto de Investigaciones en Ciencias de la Tierra (INICIT) Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH) Semblanza: Doctor en Ingeniería (Energía) por la UNAM, donde aplicó un análisis analítico-numérico de la recuperación térmica de pozos geotérmicos perforados, para estimar la temperatura del reservorio geotérmico. Desde Septiembre 2014 es Cátedra Conacyt, comisionado en el Instituto de Investigaciones en Ciencias de la Tierra de la UMSNH. Trabaja principalmente en la identificación y caracterización de recursos geotérmicos a través del análisis geofísico térmico, llevándolo a colaborar científicamente en tres proyectos del CeMIE-Geo. Ha participado en congresos internacionales: Stanford Workshop on Geothermal Reservoir Engineering; New Zealand Geothermal Workshop; World Geothermal Congress. Es Investigador Nacional I del Sistema Nacional de Investigadores.
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Guadalupe Abigail Rueda Aguilera. Maestra en Geociencias y Planificación del Territorio, egresada del Programa Institucional de Maestría en Geociencias y Planificación del Territorio de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH). Durante sus estudios de posgrado analizó diferentes modelos analíticos de intercambiadores de calor insertados en pozos petroleros abandonados ubicados en México, para estimar el posible potencial geotérmico, con la finalidad de comprender mejor la generación de energía eléctrica, sus usos directos, y la manera en que pueden ser aprovechado el calor de dichos pozos, de acuerdo al potencial estimado, la investigación se realizó en el Instituto de Ciencias de la Tierra INICIT de la UMSNH.
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