El recurso de energía libre de carbono del que nunca habías oído hablar: energía de roca supercaliente

Mientras el debate sobre la descarbonización sigue su curso, se están sembrando las semillas de una silenciosa revolución de la energía geotérmica. Como se describe en nuestro informe de octubre de 2021, la energía de las rocas supercalientes tiene el potencial de aprovechar los recursos térmicos inagotables de la Tierra para generar energía firme e hidrógeno a gran escala, asequible, con densidad energética y sin emisiones de carbono, recursos energéticos muy necesarios para hacer frente al cambio climático y la seguridad energética. 

En la actualidad, la capacidad de producción de energía geotérmica convencional es de apenas 15 gigavatios (2018) en todo el mundo, lo que equivale a sólo 15 grandes centrales eléctricas. Una de las principales razones de esta limitada capacidad es que actualmente solo podemos desplegar la geotermia convencional en regiones globales que permiten aprovechar el vapor natural del calor magmático poco profundo, lo que resulta ser una franja muy pequeña del planeta. Por ello, la geotermia se ha pasado por alto, se ha hecho invisible como solución de descarbonización y se ha descartado como un recurso energético de nicho sólo disponible donde la corteza terrestre es delgada y el calor está cerca de la superficie, normalmente donde ha habido actividad volcánica en los últimos miles de años.   

Para ampliar la producción de energía geotérmica y redefinirla como un recurso viable de alta energía en todo el planeta, el calor debe aprovecharse normalmente desde mayores profundidades, donde la roca está extremadamente caliente. Para ello, los sistemas geotérmicos deben diseñarse en rocas secas -sin vapor natural- para emular los sistemas hidrotermales naturales convencionales. Para ello, se inyecta agua en las fracturas naturales de la roca, o bien en sistemas de bucle cerrado (el agua permanece en un bucle de tuberías subterráneas), donde el agua inyectada se calienta y vuelve a la superficie para producir energía (véase el gráfico siguiente). Estos "sistemas geotérmicos de ingeniería" (EGS) se investigaron por primera vez en el Laboratorio Nacional de Los Álamos en la década de 1970.

En la actualidad, los esfuerzos de investigación y desarrollo de EGS se centran en temperaturas geológicas moderadas en el rango de 150-300 grados Celsius. Los sistemas EGS aún no han sido plenamente demostrados y comercializados, en gran parte porque aún no se han realizado las inversiones necesarias en ingeniería que puedan transformarlos en fuentes de energía escalables y asequibles. energía superhot rock tiene el potencial de ser una extensión aún más caliente y profunda de EGS, apuntando a temperaturas en el rango de 400-450 grados Celsius pero llevando hasta diez veces la cantidad de energía a la superficie que un pozo convencional de menor temperatura o de un pozo EGS previsto. Este orden de magnitud de la energía suministrada por pozo significa que se necesitan menos pozos para una instalación comercial de energía y más ingresos para compensar los costes de perforación y construcción de pozos más profundos, para que las plantas de roca supercaliente sean económicamente competitivas.  

Las oportunidades y la propuesta de valor de energía superhot rock son impresionantes por las siguientes razones:  

• El calor inagotable de la Tierra ya está disponible bajo nuestros pies, en todo el mundo, lo que significa que se podría acceder a este recurso energético en todo el mundo a través de innovadoras tecnologías de perforación a gran profundidad. 
• energía superhot rock Las centrales eléctricas serían densas en energía, ocupando sólo una pequeña superficie con una alta producción de energía. Accederían a capas de roca caliente con kilómetros de espesor de roca potencialmente reservada (en comparación, por ejemplo, con las decenas de metros de depósito que suelen tener el petróleo y el gas). Esto da a energía superhot rock el potencial de proporcionar energía firme y prácticamente ilimitada y, al mismo tiempo, aumentar la seguridad energética en todas las regiones. 
• La electricidad y las altas temperaturas de la roca supercaliente podrían aprovecharse para producir hidrógeno mediante electrólisis a alta temperatura, un combustible con cero emisiones de carbono que podría ser fundamental para descarbonizar las partes del sector del transporte y otros sectores difíciles de electrificar. 
• energía superhot rock tiene el potencial de reutilizar las plantas fósiles existentes sustituyendo sus sistemas de combustión de carbón, petróleo o gas por vapor supercaliente para hacer funcionar sus turbinas de generación de energía. 

En la actualidad, se han perforado en todo el mundo unos 30 pozos energía superhot rock que alcanzan condiciones de supercalentamiento por encima de los 400 grados Celsius, todos ellos en zonas geotérmicas volcánicas, pero todavía no se ha producido energía a partir de recursos hidrotermales (agua geológica natural) supercalientes.  

Entonces, ¿cuáles son las barreras que nos impiden aprovechar este recurso energético hoy en día?

La producción de energía a las altísimas temperaturas y profundidades previstas para los sistemas de roca supercaliente plantea actualmente retos de ingeniería que requerirán el tipo de innovación rápida que aceleró la producción de petróleo y gas de esquisto en sólo una década en la década de 2000. Estas innovaciones para las condiciones extremas del subsuelo incluirán la perforación, la construcción de pozos (metales y cementos), sondas geofísicas de fondo de pozo diseñadas para identificar zonas permeables o fracturadas específicamente en roca dura, métodos de desarrollo de yacimientos térmicos que eviten el riesgo de terremotos e instalaciones de producción de energía en superficie con turbinas especiales para generar electricidad a partir del vapor supercaliente/supercrítico. De hecho, en la última década se han realizado avances que ayudarán a superar algunos de estos retos: 

• Selección de emplazamientos (y permisos): Deben elaborarse reglamentos y permisos rigurosos antes de la comercialización que identifiquen únicamente los lugares más seguros y de mayor valor para ubicar los proyectos, acompañados de requisitos para la perforación, el revestimiento, las operaciones y la supervisión del subsuelo similares a los reglamentos para el almacenamiento geológico de_CO2 en el programa de Clase VI de la Regla de Control de Inyección SubterráneaEstados Unidos . CATF tiene la intención de ayudar a encabezar los esfuerzos para desarrollar las medidas reglamentarias necesarias para el desarrollo y las operaciones de proyectos seguros y eficaces. 
• Perforación avanzada: Empresas de Estados Unidos, Eslovaquia y China han estado investigando y probando nuevas formas de perforación con energía no mecánica que podrían permitir una perforación rápida en entornos extremadamente profundos y calientes. Dos ejemplos de estas novedosas tecnologías de perforación son el "Plasmabit" de GA Drilling y el taladro de ondas milimétricas de Quaise, ambos diseñados para ablandar o fundir rocas cristalinas duras, en lugar de los métodos de contacto directo o de trituración de las brocas rotativas convencionales. La perforación energética tiene como objetivo, no sólo profundizar, sino también ser más eficiente y rápida, ya que la broca no tendrá que cambiarse tan a menudo, un proceso que supone un considerable tiempo de inactividad en profundidad. Métodos de perforación rápidos y superprofundos como éstos podrían extender energía superhot rock por todo el mundo, razón por la que algunos llaman a energía superhot rock "geotérmica en todas partes". Además, hay que desarrollar métodos de perforación direccional en roca dura para configurar y orientar óptimamente los pozos en el subsuelo. 
• Teledetección avanzada (de fondo de pozo): Las sondas geofísicas son fundamentales para identificar las zonas de permeabilidad natural de las fracturas. Muchas de las herramientas actuales se han adaptado a la extracción de petróleo y gas a baja temperatura en rocas sedimentarias, una geología muy diferente a la de las rocas duras "cristalinas", es decir, metamórficas e ígneas. Se están adaptando estas herramientas existentes y se están desarrollando otras nuevas que pueden soportar condiciones extremas pero que también proporcionan datos útiles para identificar posibles zonas productivas para el desarrollo de los yacimientos. 
• Construcción de pozos: Una de las principales razones del fracaso de los pozos actuales en condiciones de supercalentamiento es la incapacidad de los metales y el cemento para soportar las altas temperaturas. La industria geotérmica ha trabajado para cambiar esta situación, sobre todo en el marco de proyectos apoyados por la UE como DEEPEN. 
• Desarrollo de yacimientos: Uno de los principales retos a los que se enfrenta energía superhot rock es la creación de sistemas de yacimientos subterráneos a través de los cuales se pueda inyectar y calentar el agua y devolverla a la superficie de forma segura sin crear una actividad sísmica perjudicial. Entre los métodos que se están estudiando figuran la identificación y el uso de las fracturas existentes, combinados con técnicas de estimulación como la hidroshearing, que podría crear una permeabilidad de fractura autoperforada. El choque térmico también podría mejorar las fracturas, simplemente mediante la inyección de agua fría en la roca caliente. Además, hay pruebas de que la roca supercaliente existe en realidad en un estado más "plástico", menos frágil, una zona muerta geofísica y sísmica. Si se pueden estimular las fracturas existentes en esta zona, la creación del yacimiento puede suponer poco riesgo sísmico, como se describe a continuación. La reducción del riesgo de sismicidad inducida es un objetivo del proyecto FORGE del Departamento de Energía Estados Unidos . Del mismo modo, el programa DEEP de la UE también se ha esforzado por abordar el riesgo sísmico en los sistemas geotérmicos de ingeniería. Hay tres enfoques que pueden ayudar a las rocas supercalientes a evitar los terremotos inducidos. En primer lugar, el proyecto japonés Beyond Brittle ha impulsado la comprensión de las propiedades de las rocas a altas temperaturas en lo que se denomina la "transición frágil-dúctil", una zona de las profundidades de la tierra en la que la roca es más maleable y menos susceptible de sufrir fracturas y fallas. La segunda es la identificación y utilización de las zonas de fractura existentes en la roca. En lugar de crear nuevas fracturas en la roca profunda (lo que puede ser imposible de hacer a gran profundidad) las zonas fracturadas existentes podrían dilatarse sin necesidad de nuevas fracturas. En tercer lugar, varias empresas, como Eavor, están desarrollando sistemas geotérmicos de bucle cerrado en el subsuelo que podrían inyectar y producir agua sin ninguna fractura. Esta tecnología, que se asemeja a un radiador subterráneo, se está probando actualmente en rocas a temperaturas mucho más bajas. Por último, y muy importante, la reducción del riesgo también exigirá la codificación de las mejores prácticas de selección de emplazamientos y de supervisión en la concesión de permisos reglamentarios (véase más adelante), de modo que no se autoricen los proyectos en rocas supercalientes en entornos geológicos con fallas existentes y riesgo de terremotos.
• Instalaciones avanzadas de superficie: Los proyectos iniciales permitirán que el agua supercaliente se convierta en vapor utilizado en las plantas comerciales actuales. Pero para aprovechar todo el potencial energético del agua supercrítica/supercaliente, se necesitarán turbinas de alta temperatura/alta presión. Esto puede lograrse adaptando las turbinas supercríticas que ya se utilizan en las unidades de generación de electricidad fósil. Es probable que el agua inyectada no lleve los mismos minerales disueltos potencialmente perturbadores que los sistemas naturales supercalientes, como los que se encuentran en Islandia. No obstante, puede ser necesaria la purificación del agua para eliminar la sílice que podría causar corrosión que podría afectar a las instalaciones de superficie y posiblemente taponar los depósitos. 

Necesitamos pruebas de concepto exitosas para energía superhot rock y demostraciones de producción de energía en los próximos 5 a 10 años para probar el potencial de esta tecnología

Uno de esos posibles proyectos, el de Newberry de Alta Rock Energy en Oregón, está preparado para profundizar un pozo existente desde 3.000 metros de profundidad y 330 grados centígrados hasta 4.500 metros de profundidad con condiciones de energía superhot rock superiores a 400 grados centígrados para demostrar la producción de energía. La financiación suplementaria es una necesidad urgente para que este proyecto siga adelante y CATF está abogando activamente por el apoyo al proyecto de demostración por parte del gobierno federal en el Estados Unidos  

En Europa, se perforaron dos pozos del Proyecto de Perforación Profunda de Islandia (IDDP) en roca supercaliente con temperaturas superiores a 400 grados Celsius. Las pruebas de su pozo "Krafla" sugirieron que se dispondría de la friolera de 35 megavatios (MW) de energía por pozo, en comparación con un típico pozo geotérmico comercial de menor temperatura que produce entre 3 y 7 MW.  

Aunque en la última década se han llevado a cabo varios proyectos de perforación de roca supercaliente en todo el mundo, no existe una coordinación adecuada ni una hoja de ruta clara para demostrar, ampliar y comercializar la tecnología. Además, la financiación de los proyectos de roca supercaliente ha sido escasa y ha dependido de los vientos políticos, lo que ha relegado el desarrollo de esta solución de alta energía a un progreso lento y poco sistemático. 

CATFy los beneficios no aprovechados de energía superhot rock 

Clean Air Task Force ha reunido un equipo de expertos en energía superhot rock para ayudar a impulsar y crear un grupo de apoyo que promueva un sólido ecosistema de comercialización para esta nueva e innovadora tecnología energética. Estamos facilitando la elaboración de una hoja de ruta y una estrategia a nivel mundial en energía superhot rock : creando un grupo de interés, realizando modelos económicos básicos, promoviendo el desarrollo normativo de proyectos de roca supercaliente y analizando cómo energía superhot rock puede contribuir a la descarbonización en el futuro. Estamos trabajando para aumentar la concienciación mediante la educación de las partes interesadas, el desarrollo de redes, la facilitación de los mercados y la defensa de la inversión gubernamental en demostraciones de roca supercaliente. Nuestro objetivo es acelerar la comprensión, el apoyo y la financiación de media docena de proyectos globales de demostración de energía superhot rock durante la próxima década, con el fin de acelerar la construcción generalizada de centrales eléctricas de roca supercaliente para 2040. Esto significará comprometer entre cientos de millones y miles de millones de dólares durante la próxima década, niveles de financiación a la misma escala que las actuales inversiones gubernamentales en tecnologías de energía nuclear, hidrógeno y captura de carbono.  

La descarbonización profunda requerirá una revolución de la electricidad limpia para sustituir la generación fósil actual. Para participar en una economía global descarbonizada, las industrias de energía fósil deben consolidar su compromiso con la reducción de emisiones y utilizar sus recursos, la infraestructura existente, los conocimientos técnicos del subsuelo y el capital de financiación para apoyar el desarrollo y la comercialización de esta nueva fuente de energía terrestre.   

La necesidad de descarbonizar nuestro sistema energético para hacer frente al cambio climático es cada vez más urgente. La demanda mundial de energía no hará más que aumentar, y le debemos a las generaciones futuras dar prioridad al desarrollo de esta fuente de energía renovable, firme y siempre activa. La geotermia de roca supercaliente es una solución prometedora que podría resolver muchos de los retos más difíciles para abordar el cambio climático. Entonces, ¿a qué esperamos?