Energies renovables procedents de fonts permanents: geotèrmia

Origen de l'energia geotèrmica

UF2: Energies renovables procedents de fonts permanents.

1. ORIGEN DE L'ENERGIA GEOTERMICA El nom geotermica deriva de dues les paraules gregues: geo que significa Terra i thermo que significa calor. L'energia interna de la Terra procedeix de la calor acumulada en el seu nucli durant el procés de formació del planeta i, fonamentalment, de les radiacions emeses per la desintegració atomica d'elements químics radioactius presents a l'interior de la mateixa.

• La calor emmagatzemada a l'interior de la Terra no es troba uniformement distribuïda, sinó que és més elevada en el nucli (al voltant de 7.000 ° C) i de menor intensitat en l'escorça.
• El gradient termic creat, és a dir, la diferencia de temperatures existent, origina un flux de calor des de les zones més calentes cap a les més fredes de l'escorça.
• El flux de calor prop de la superfície, que té lloc fonamentalment per conducció, depèn:
  • Del gradient termic.
  • De la conductivitat termica del material.

A nivell global del planeta, a mesura que s'aprofundeix en l'escorça terrestre, la temperatura sol augmentar aproximadament 3 ℃ cada 10 m. Hi ha zones de la superfície terrestre que presenten anomalies geotermiques, originades per l'ascensió, en determinades condicions, de part de material fos de les profunditats i que queda atrapat en espais pròxims a la superfície. En sectors de l'escorça terrestre pot haver masses de material a gran temperatura (800 ℃ - 1.000 ℃) que poden donar lloc a un gradient de temperatura entre 100 °℃ i 200 °℃ per quilòmetre. En aquestes zones es diu que hi ha jaciments geotermics, els quals, de vegades, es manifesten a la superfície en forma de guèisers, d'erupcions volcaniques, d'aigües termals, etc. Per representar l'estructura interna de la Terra hi ha dos models: el model geoquimic i el model dinamic. Aquests classifiquen a l'estructura de la Terra des de la superfície fins al seu centre, el qual es troba a una profunditat de 6.371 km, en funció de la seva composició química i de la rigidesa i plasticitat, respectivament.

• En el model geoquímic ha tres capes concentriques:
  • La capa externa de la superfície, anomenada escorça, està constituïda per roques en estat solid. El seu gruix rares vegades supera els 70 km, la densitat mitjana ésd'aproximadament 3 g/cm3 i la temperatura mitjana en el seu límit inferior és d'uns 400 °C.
  • La segona capa, anomenada mantell, es troba immediatament sota de l'anterior. Es compon de mantell superior (700 km de profunditat, 1.500 ℃ de temperatura i 3,3 g/cm3 de densitat) i de mantell inferior (2.900 km de profunditat, 3.000 ° C de temperatura i 5,7 g/cm3 de densitat). Els materials que constitueixen el mantell tenen una composició mineralògica diferent de les de les roques de la part superficial.
  • A partir dels 2.900 km s'inicia la tercera capa anomenada nucli. Es compon de nucli extern (5.100 km de profunditat, 4.000 °℃ de temperatura i 9 g/cm3 de densitat) i de nucli intern (fins 6.371 km de profunditat, 6.000 °℃ de temperatura i 12 g/cm3 de densitat).
• En el model dinamic l'estructura es compon de quatre capes:
  • Litosfera (abasta els 100 km inicials del mantell superior), constitueix una part sòlida i rígida.
  • Astenosfera (250 km de profunditat en el mantell superior), fonamentalment és una capa sòlida, tot i que també conté part plàstica.
  • Mesosfera (abasta part del mantell superior i tot el mantell inferior), constitueix una capa sòlida.
  • Endosfera (abasta tot el nucli), té part fluida, corresponent al nucli extern, i part solida, corresponent al nucli intern.

Conducció de la calor

Conducció de la calor, què és? L'equació de conducció de calor ve donada per: q =KT. AT/z q = flux de calor per metre quadrat que flueix verticalment a traves de la Terra, en W/m2. KT = conductivitat termica del terreny, en W/(m.ºC), i és igual al flux de calor per segon que travessa un àrea d'1 metre quadrat quan el gradient termic és d'1 ℃ per metre en la direcció del flux. AT = diferencia de temperatura a la distància vertical z, en ºC. AT/z = gradient termic, en ℃/m. Si hi ha capes primes amb conductivitats petites es requereixen grans diferències de temperatura perquè el flux de calor sigui alt. Quan la calor emmagatzemada en els jaciments geotermics es troba a profunditats raonables per poder extreure'l amb la tecnologia existent, és possible aprofitar-lo energeticament.Per poder extreure aquesta energia és necessaria la presència d'aigua prop d'aquestes zones calentes. L'explotació d'aquesta font d'energia es realitza perforant el sol i extraient l'aigua, el seu vapor, o una barreja d'ambdós, que serveixen de vehicle de transport. Però quan es tracta de jaciments que disposen de fluids a baixes temperatures, els quals són els més abundants, la calor sol explotar-se directament, sense conversió en un altre tipus d'energia (no electrica). En aquests casos, la calor pot utilitzar-se directament en balneoterapia, agricultura, aquicultura, indústria i residències.

Aplicacions de la geotèrmia segons la profunditat

Normalment, com passa amb les fonts d'energia termica convencionals, l'aprofitament passa per la utilització del vapor a suficient pressió per accionar una turbina que, acoblada a un generador electric, produeixi corrent electric.

Potencial de l'energia geotèrmica

2. POTENCIAL DE L'ENERGIA GEOTERMICA S'estima que aquest recurs energetic suposa uns 30 milions de Terawatts, encara que només és aprofitable una petita part. Moltes àrees del món disposen de recursos energètics accessibles.Per a què existeixi un jaciment geotèrmic, es requereix que es donin una sèrie de circumstàncies:

• Presencia d'una font de calor. Aquesta font, està constituida per un cos de magma situat a una profunditat raonable, des del qual es transmet la calor a les roques circumdants.
• Presencia d'aigua. El jaciment ha de ser susceptible de ser recorregut per un corrent d'aigua, la qual es escalfada per la font de calor. També és possible que l'aigua sigui injectada per l'ésser humà artificialment des de la superfície.
• Presència d'un dipòsit. El volum d'aquest dipòsit el proporciona roques permeables situades a una profunditat, accessible mitjançant perforacions, on s'emmagatzema l'aigua calenta o el vapor, que són els mitjans per transportar la calor.
• Existència d'una coberta impermeable. La seva presència és necessaria per impedir que els fluids s'escapin cap a l'exterior del jaciment.

Per determinar el potencial geotermic s'utilitzen una serie de tècniques, cadascuna de les quals persegueix un objectiu. Entre aquests objectius hi ha: o La identificació del fenomen geotermic. o La determinació del tipus de recurs. o L'estimació de la capacitat del recurs. o Anàlisi de la capacitat termica. o Etc. Tenint en compte questions relacionades amb:

• La presència o no d'aigua.
• De l'estat la mateixa (liquid, vapor).
• De les condicions en què aquesta es trobi (alta o baixa pressió).
• De l'estructura geologica del jaciment aquests poden classificar-se en:
• Sistemes hidrotermics.
• Sistemes geopressuritzats.
• Sistemes de roca calenta seca.

Què és l'entalpia?

Què és l'entalpia ? L'entalpia (simbolitzada H, també anomenada contingut calorífic) és el sumatori de l'energia interna de la matèria i el producte del seu volum multiplicat per la pressió. L'entalpia és defineix per la següent equació:H = U + P.V H és l'entalpia, (en joules ) U és l'energia interna , (en joules) P és la pressió del sistema, (en pascals) V és el volum , (en metres cúbics) L'etimologia del mot consisteix en el prefix en més el verb grec thalpein, que significa escalfar. L'entalpia és una funció d'estat quantificable, i l'entalpia total d'un sistema no pot ser mesurada directament, sino que s'ha de mesurar les variacions de l'entalpia. La variació de l'entalpia d'un sistema només és significativa en sistemes sotmesos a pressió constant, en els quals el canvi en l'entalpia és equivalent a calor. Així, en un sistema simple i amb un nombre constant de particules, el diferencial d'entalpia és el màxim d'energia térmica derivada d'un procés termodinàmic en què la pressió és constant. Com interpretem els valors de pressió? Els recursos energetics els trobem a diferents pressions, segons la font o fins i tot el canvi d'entalpia que li apliquem.

Tipus de jaciments geotèrmics

3. TIPUS DE JACIMENTS

• Sistemes hidrotermics. Són sistemes que disposen d'aigua al seu interior, que es solen trobar a profunditats compreses entre 1 km i 10 km. En funció de la fase en què es trobi l'aigua es classifiquen en:
  • Sistemes amb predomini de vapor d'aigua. En aquests sistemes: L'entalpia és de l'ordre de 600 kcal/kg. Les temperatures solen ser uniformes i estar compreses entre 150℃ i 400°C. O Les pressions no solen superar els 5 MPa. Aquestes características vapor sobreescalfat sec són apropiades per ser del utilitzat per a la generació d'energia electrica amb un rendiment acceptable.
• Sistemes hidrotermics.
  • Sistemes amb predomini d'aigua líquida. En els sistemes amb predomini d'aigua en estat líquid les entalpies poden ser altes ( 200 kcal / kg a 400 kcal / kg) o baixes. Enels sistemes d'alta entalpia les temperatures poden trobar-se en el rang de 180ºC a 300°C i les pressions no solen ser superiors a 1 MPa. Generalment, quan el fluid arriba a la superfície, sobtadament es transforma en vapor, a causa de la disminució de la pressió durant l'ascens. Les características del vapor d'aquests sistemes fan que siguin apropiats per generar energia eléctrica. Els sistemes hidrotermics estan en fase d'explotació comercial.
• Sistemes geopressuritzats. El fluid, generalment aigua líquida, es troba sotmès a pressions que poden arribar fins a 100 MPa. Les temperatures no solen ser excessivament altes (90°C250℃). L'aigua sol coexistir amb gasos naturals (metà), la qual cosa dificulta la seva explotació en l'actualitat.
• Sistemes de roca calenta seca. Es caracteritzen per estar constituïts per roques impermeables, amb temperatures entre 150°C i 300°C, i per no tenir aquífer. La impermeabilitat del sistema, la seva baixa conductivitat termica i la manca d'un fluid que el recorri constitueixen l'escull principal per a la seva explotació. De fet, tot i representar aquests sistemes un percentatge molt elevat dels recursos geotermics mundials, encara es troben en l'etapa d'investigació. Quan els jaciments geotermics són de baixa entalpia la calor se sol explotar directament, és a dir, sense convertir-lo en un altre tipus d'energia. L'ús directe de la calor constitueix una de les formes més antigues i comuns d'aplicació de l'energia geotermica. Entre les diferents aplicacions directes de la calor extret de les fonts geotermiques podem assenyalar:
  • Els balnearis.
  • L'agricultura.
  • L'aquicultura.
  • Calefacció domèstica centralitzada.