El poder sin explotar de la alta temperatura de calor geotérmico para la industria

Los procesos industriales representan una parte importante del consumo mundial de energía, gran parte de los cuales todavía se basa en combustibles fósiles para la calefacción. Si bien los recursos geotérmicos de alta temperatura se han aprovechado durante mucho tiempo para la generación de electricidad, una temperatura más baja, pero muy abundante, los recursos siguen siendo ampliamente subutilizados.

¿Qué define los recursos geotérmicos de baja temperatura?

La energía geotérmica es la energía térmica almacenada dentro de la corteza terrestre. Los recursos se clasifican normalmente por temperatura. Los recursos geotérmicos de baja temperatura son aquellos donde la temperatura del fluido es inferior a 150°C (300°F). Esto contrasta con la temperatura moderada (150–200°C) y los sistemas de alta temperatura (más de 200°C) que se utilizan habitualmente para la generación de energía convencional.

  • Sistemas hidráulicos] – Agua caliente o vapor naturalmente presentes atrapados en rocas porosas o formaciones fracturadas. Estos se encuentran a menudo en profundidades poco profundas (unos cientos de metros a 2 km) y son los más comunes y económicos para desarrollarse.
  • cuencas sedimentarias] – capas rocosas sedimentarias profundas que contienen agua tibia, a menudo en regiones sin actividad volcánica. Estos recursos a escala de cuencas están ampliamente distribuidos en continentes y pueden ser aprovechados con pozos de agua convencionales.
  • Sistemas Geotérmicos mejorados (EGS) a temperaturas inferiores] – Mientras que el EGS tradicionalmente apunta a altas temperaturas, la investigación reciente explora la ingeniería de baja permeabilidad, las formaciones de roca caliente a profundidades moderadas para crear depósitos artificiales.

En todo el mundo, la mayoría de los recursos geotérmicos accesibles son de baja temperatura. Países como Estados Unidos, China, Turquía, Islandia y numerosas naciones europeas tienen amplios campos de baja temperatura que actualmente están subdesarrollados para uso industrial. Un informe de 2023 IRENA calcula que el uso directo del calor geotérmico podría satisfacer 5–10% de la demanda mundial de calor en 2050era.

Aplicaciones Industriales: Donde Excels Geotérmicos de bajo consumo

Los procesos industriales requieren calor a una amplia gama de temperaturas. Muchas de ellas —secado, evaporación, pasteurización, lavado, calefacción espacial— funcionan a temperaturas muy inferiores a 150°C, lo que los convierte en candidatos ideales para el uso directo geotérmico de baja temperatura. A continuación se encuentran los sectores industriales más prometedores y aplicaciones específicas.

Procesamiento de alimentos y bebidas

La industria alimentaria depende en gran medida de la energía térmica para cocinar, blanquear, pasteurizar, esterilizar y limpiar. El geotérmico de baja temperatura puede suministrar agua caliente (60–120°C) para estas tareas. En Nueva Zelanda, una planta de procesamiento de alimentos geotérmicos utiliza agua de 120°C para la pasteurización de la leche y el secado de spray, cortando el consumo de gas natural en un 90%.

Secado y Curación de Materiales

El secado es intensivo en energía, a menudo requiere aire a 50–120°C. El geotérmico de baja temperatura puede calentar las cámaras o proporcionar aire precalentado para:

  • Acero y madera – El secado de hornos con agua geotérmica a 80–100°C reduce los costos y mejora la calidad.
  • Productos agrícolas – Los granos secos, frutas, verduras y hierbas con calor geotérmico conservan nutrientes y extienden la vida útil de la estantería.
  • Cerámicos y ladrillos – En regiones con depósitos de arcilla, el aire geotérmico a 80–120°C puede curar ladrillos y tejas.
  • Textiles] – Tejido secado después de teñir y terminar utiliza grandes cantidades de energía; geotérmica puede proporcionar este calor directamente o a través de intercambiadores de calor.

Fabricación química y farmacéutica

Muchas reacciones químicas requieren temperaturas precisas entre 80°C y 140°C. El geotérmico de baja temperatura se puede utilizar para la calefacción del reactor, destilación, evaporación y recuperación de solventes. En China, una planta química utiliza agua geotérmica a 110°C para producir ácido borico, logrando una reducción del 40% en el uso del carbón. El sector farmacéutico también puede utilizar vapor geotérmico para la esterilización de equipos y sistemas limpios en el lugar.

Calefacción y Acuicultura de invernadero

Aunque no estrictamente “industrial”, son operaciones comerciales a gran escala que se benefician del calor geotérmico. Los invernaderos para flores, verduras y frutas mantienen temperaturas alrededor de 15–25 °C incluso en invierno, utilizando fluido geotérmico distribuido a través de tuberías y radiadores. Las instalaciones de acuicultura que elevan la tilapia, camarones o agua salada utilizan agua geotérmica para mantener las temperaturas óptimas del agua, aumentando las tasas de crecimiento y reduciendo la mortalidad de los peces.

Producción textil

La industria textil consume grandes volúmenes de agua caliente para el tinte, el blanqueamiento y el acabado. Las temperaturas suelen oscilar entre 60 y 100°C. El agua geotérmica puede utilizarse directamente o precalentar el agua, reduciendo el consumo de combustibles fósiles. Un molino textil en la región de Denizli de Turquía ha utilizado calor geotérmico desde los años 80, ahorrando unos $500,000 al año en costos energéticos.

Calefacción de distrito para parques industriales

El geotérmico de baja temperatura no se limita a una sola fábrica; puede servir parques industriales enteros a través de redes de calefacción por distrito. Por ejemplo, la ciudad de Klamath Falls, Oregon, utiliza agua geotérmica a 90–110°C para calentar múltiples edificios, incluyendo el campus del Instituto Tecnológico de Oregon y instalaciones industriales cercanas.

Tecnologías para la reducción de la temperatura baja

La implementación de geotérmicas de baja temperatura en la industria requiere tecnologías de extracción y utilización adecuadas, entre las que se incluyen:

Sistemas de uso directo

En uso directo, el fluido geotérmico se bombea de un pozo de producción y pasa a través de un intercambiador de calor antes de ser utilizado en el proceso industrial. Después de transferir su calor, el fluido refrigerado se reinyecta en el depósito (para mantener la presión y la sostenibilidad) o se descarga (donde está permitido). El uso directo es más sencillo y eficiente cuando la temperatura geotérmica coincide con el requisito del proceso.

Bombas de calor geotérmicas (PGH)

Cuando la temperatura de los recursos es demasiado baja (10–30°C), las bombas de calor geotérmica pueden actualizar el calor a un nivel utilizable (50–70°C) mediante un ciclo de vapor-compresión. Los gases de efecto invernadero son especialmente adecuados para la calefacción espacial, el agua de proceso de precalentamiento y el secado de baja temperatura. Mientras que requieren electricidad para funcionar, el coeficiente de rendimiento (COP) es generalmente 3–5, lo que significa 3–5 unidades de calor entregadas

Uso de la caducación

La cascada consiste en utilizar fluido geotérmico secuencialmente en múltiples procesos a temperaturas decrecientes. Por ejemplo, el agua a 110°C podría ser utilizado primero para la calefacción de reacción química, luego a 80°C para secado, luego a 50°C para la calefacción de invernadero, y finalmente a 30°C para la acuicultura. Esto maximiza la extracción de energía y mejora la economía general.

Sistemas híbridos

Combinar geotérmico de baja temperatura con otras renovables (térmica solar, biomasa) o con calor residual de procesos industriales puede crear sistemas híbridos que proporcionan calor confiable y completo. Por ejemplo, una planta de procesamiento de alimentos en Suiza utiliza calor geotérmico complementado por una caldera de biomasa durante la demanda máxima, alcanzando suministro de calor 100% renovable.

Ventajas y beneficios económicos

Cambiar a calor geotérmico de baja temperatura ofrece numerosas ventajas sobre las calderas convencionales de combustibles fósiles e incluso otras renovables:

  • La estabilidad de precios – El calor geotérmico no tiene coste de combustible y no está sujeto a la volatilidad de precios. Una vez que se construye la infraestructura inicial, los costos de funcionamiento son predecibles y bajos (principalmente la electricidad para bombas y mantenimiento).
  • Factor de alta capacidad] – Los recursos geotérmicos proporcionan calor las 24 horas del día, independientemente del clima, lo que los hace ideales para procesos industriales continuos que no pueden tolerar el suministro intermitente.
  • ]HPedida reducida de carbono – El uso directo del calor geotérmico puede reducir las emisiones de CO2 en un 70-90% en comparación con el gas natural. Es posible reducir aún más la electricidad utilizada para las bombas.
  • Independencia energética local – Muchos sitios industriales están ubicados en o cerca de los recursos geotérmicos, reduciendo la dependencia de los combustibles importados y mejorando la seguridad energética.
  • Creación conjunta y desarrollo económico – El desarrollo de recursos geotérmicos estimula el empleo local en la perforación, ingeniería, construcción y operación. También atrae industrias que buscan energía estable y de bajo costo.

Según el Departamento de Energía de los Estados Unidos, el costo estandarizado del calor (LCOH) de geotérmico de baja temperatura puede ser tan bajo como $ 15-30 por MWh, en comparación con $30–60 para el gas natural (dependiendo de los precios de la región y del gas).

Barreras y desafíos para la adopción

A pesar de los claros beneficios, varias barreras obstaculizan el uso industrial generalizado de los recursos geotérmicos de baja temperatura, y es esencial comprender estos desafíos para el desarrollo de soluciones eficaces.

Costos de capital inicial

Los pozos geotérmicos de perforación son caros, por lo general cuestan entre 1 y 5 millones de dólares para un par de producción/reinyección, dependiendo de la profundidad y la geología. El riesgo de exploración (agujeros secos) puede disuadir la inversión. Sin embargo, con encuestas geológicas adecuadas y asociaciones público-privadas, estos riesgos pueden ser mitigados.

Determinación de recursos y caracterización

No todos los sitios industriales tienen recursos geotérmicos accesibles. La evaluación detallada de los recursos, incluyendo la temperatura, el caudal, la química del agua y la sostenibilidad de los depósitos, es necesaria antes del compromiso. La calidad del agua (calado, corrosión) también puede ser un problema. Por ejemplo, los fluidos geotérmicos salinos o ricos en sílice pueden requerir intercambiadores de calor y tratamiento costosos.

Cientos regulatorios y permisivos

El desarrollo geotérmico implica la autorización para la perforación, extracción de agua, rechazo y uso de la tierra. En algunas jurisdicciones, este proceso puede tomar años. La racionalización de la autorización para geotérmica de baja temperatura (que plantea menos riesgos ambientales que los sistemas de alta temperatura) aceleraría el despliegue. La Directiva de Energía Renovable revisada de la Unión Europea incluye medidas para simplificar la parte geotérmica.

Falta de conciencia y experiencia técnica

Muchos administradores de instalaciones industriales no conocen el potencial de geotérmicas de baja temperatura o de falta de conocimientos internos para evaluarlo. Programas de divulgación, bases de datos de estudio de casos y centros de asistencia técnica pueden salvar esta brecha. La Asociación Geotérmica Internacional (IGA) y las asociaciones geotérmicas nacionales ofrecen capacitación y recursos para los posibles usuarios.

Integración con procesos existentes

La retrofiting geotermia en una fábrica existente puede requerir modificaciones a los sistemas de tuberías, intercambiadores de calor y control. Sin embargo, los parques industriales de campo verde pueden diseñarse desde el principio para la integración geotérmica, reduciendo significativamente el costo.

Estudios de casos exitosos en todo el mundo

Ejemplos del mundo real demuestran la viabilidad de geotérmica de baja temperatura en la industria y proporcionan modelos replicables.

Oregon Institute of Technology (Klamath Falls, USA)

El campus de Oregon Tech ha utilizado calor geotérmico desde los años 60. Dos pozos a 90–110°C proporcionan calor para todo el campus, incluyendo aulas, laboratorios y un centro de estudiantes. Además, el fluido geotérmico suministra calor a una planta cercana de procesamiento de alimentos y un invernadero. Este sistema de calefacción de distrito ha ahorrado a la universidad más de $1 millones anuales en costos de gas natural evitado.

Reykjanesbær, Islandia

Islandia es líder en uso geotérmico. La ciudad de Reykjanesbær utiliza geotérmico de baja temperatura (100–130°C) para suministrar calor a las plantas de procesamiento de peces, una planta de producción de sal y invernaderos. El calor se distribuye a través de una red de distrito, y se emplea la cascada para que el agua gastada vaya a la desintegración de nieve y acuicultura.

Yangbajing, Tibet

Además de una central eléctrica geotérmica, el campo Yangbajing (agua a 100–130°C) proporciona calor para una fábrica de invernadero y queso. El éxito ha estimulado el interés en replicar el modelo para otros sitios industriales de alta altitud y fuera de la red en China.

St. Gallen, Suiza

Una red de calefacción de distrito en St. Gallen, alimentada por un pozo geotérmico de baja temperatura a 115°C, suministra calor a una cervecería, una fábrica de chocolate y un hospital. El proyecto supera la oposición pública inicial demostrando beneficios ambientales y de seguridad. Ahora suministra 60 GWh/año de calor renovable, cortando 12,000 toneladas de CO2 anualmente.

La dirección de la carretera: escalar hacia arriba geotérmica de baja temperatura

El futuro de la geotérmica de baja temperatura en la industria es prometedor, pero requiere un esfuerzo concertado de los responsables de la formulación de políticas, la industria y los investigadores.

Innovaciones tecnológicas

Los avances en la tecnología de perforación (perforación de diamantes, perforación direccional) están reduciendo los costos. Sistemas geotérmicos cerrados, que circulan un fluido de trabajo a través de un intercambiador de calor sin extraer agua, eliminan los problemas de manejo de agua y pueden ser desplegados en casi cualquier geología. La investigación en fluidos de transferencia de calor basados en nanopartículas puede mejorar aún más la eficiencia.

Políticas e incentivos financieros

Para desbloquear el potencial industrial, los gobiernos deben proporcionar:

  • Créditos fiscales de inversión o subvenciones para sistemas de perforación geotérmica y suministro de calor.
  • Permite simplificar los proyectos de uso directo de baja temperatura.
  • El precio del carbono que hace que el calor fósil sea más caro, mejorando la competitividad geotérmica.
  • Datos geológicos y mapas de recursos disponibles para orientar la selección del sitio.
  • Programas de mitigación de riesgos (por ejemplo, seguros para pozos secos o infravaloración).

La Ley de reducción de la inflación de Estados Unidos incluye un 30% de crédito fiscal de inversión para bombas de calor geotérmica y sistemas de uso directo, que ya ha estimulado nuevos proyectos. Políticas similares en la UE, Japón y Chile están creando impulso.

Integración con simbiosis industrial

El geotérmico de baja temperatura puede ser una piedra angular de la simbiosis industrial, donde el calor y los recursos de desechos se comparten entre las empresas. Un parque industrial diseñado alrededor de un recurso geotérmico puede en cascada calor de procesos químicos de alta temperatura a procesamiento de alimentos de menor temperatura y calefacción espacial, maximizando la eficiencia total. Herramientas digitales para el mapeo de calor y la confección de coincidencias pueden identificar tales sinergias.

Educación y desarrollo de la fuerza de trabajo

Se necesitan programas de capacitación para técnicos geotérmicos, ingenieros y desarrolladores de proyectos para ampliar la capacidad. Las asociaciones entre universidades, empresas geotérmicas y asociaciones industriales pueden crear planes de estudio y certificaciones. La organización Geotermia ofrece oportunidades de desarrollo profesional y de redes.

Conclusión

Los recursos geotérmicos de baja temperatura representan una vasta, limpia y fiable fuente de calor que puede transformar los procesos industriales en todo el mundo. Con temperaturas inferiores a 150°C, estos recursos pueden satisfacer una parte sustancial de la demanda de calor industrial, desde el procesamiento y secado de alimentos a la fabricación química y la calefacción de distrito. Mientras que desafíos como costos iniciales, identificación de recursos y obstáculos regulatorios permanecen, avances tecnológicos, apoyo a políticas y estudios exitosos de Islandia, Estados Unidos, China y Europa