Reflexiones filosóficas en torno a las nuevas tecnologías en energía geotérmica: perforación de pozos ultraprofundos

El propósito de este artículo es, por una parte, exponer el fundamento, estado y fases del proyecto de desarrollo de una tecnología de perforación de pozos ultraprofundos que, si se demostrara su viabilidad técnica y económica, representaría un avance muy importante en el objetivo de reemplazar progresivamente los combustibles fósiles por energía geotérmica de muy alta temperatura en la generación de electricidad. Y, por otra parte, tratar las cuestiones gnoseológicas y las cuestiones políticas derivadas del desarrollo de dicha tecnología, desde las coordenadas del materialismo filosófico.

1. El proyecto: fundamento, estado y fases

En este punto exponemos los conceptos básicos de energía geotérmica y sus limitaciones actuales de aplicación, especialmente en la generación de electricidad. Para superar estas limitaciones se están llevando a cabo investigaciones y desarrollos, a los que nos aproximaremos, encaminados a hacer posible la perforación de pozos ultraprofundos (de unos 20 km) que hagan viable el acceso a una energía geotérmica de muy alta temperatura en cualquier parte del planeta.

Energía geotérmica y gradiente geotérmico

La energía geotérmica es la energía almacenada en forma de calor en el subsuelo terrestre. Las grandes diferencias de temperatura entre la superficie de la Tierra y las existentes en su interior originan un flujo continuo de calor hacia la superficie (Fig. 1). El 99% de la masa de la Tierra está sometida a una temperatura superior a los 1.000°C y únicamente un 0,1% de la misma soporta temperaturas inferiores a los 100°C. El objetivo de la geotermia es el aprovechamiento en condiciones económicas adecuadas de una fracción del calor interior de la Tierra que permitan las tecnologías disponibles en cada momento.

Gradiente geotérmico es el incremento de temperatura que se experimenta al penetrar hacia las partes interiores de la corteza terrestre debido al calor que la Tierra desprende hacia su exterior.

Por debajo de los 20 metros de profundidad, el gradiente geotérmico observado en la mayor parte del planeta es de unos 2,5-3°C cada 100 metros (25°C/km, 125°C a 5 km, 250°C a 10 km, 500°C a 20 km). Es lo que conocemos como gradiente geotérmico normal. Sin embargo, por razones geológicas, existen regiones muy específicas del planeta donde los gradientes geotérmicos son anormales, bien superiores o bien inferiores al gradiente geotérmico normal (Fig. 2).  

Clasificación de los recursos geotérmicos y sus principales aplicaciones

Las aplicaciones que se pueden dar al calor geotérmico dependen de su entalpía o temperatura. En función de esta, se puede establecer la clasificación de los recursos geotérmicos y sus principales aplicaciones (usos térmicos en los sectores industrial, servicios y residencial; generación de electricidad) como sigue (Fuente: Instituto Geológico y Minero de España):

Recursos geotérmicos convencionales (superficiales y profundos)

• Muy baja entalpia: < 50°C. Permeabilidad (K) muy baja-alta. Usos directos
• Baja entalpia: 50-120°C. K suficiente-alta. Usos directos
• Media entalpia: 120-200°C. K suficiente-alta. Usos directos y electricidad
• Alta entalpia: > 200°C. K suficiente-alta. Electricidad

Recursos geotérmicos no convencionales (profundos)

• Sistemas Geotérmicos Estimulados (EGS, en sus siglas en inglés): Diversas temperaturas. K baja. Electricidad
• Roca Caliente Seca (HDR, en sus siglas en inglés): > 200°C. K nula. Electricidad
• Supercríticos: > 350°C. K suficiente-alta. Electricidad e hidrógeno

A partir de ahora nos centraremos en presentar la posible viabilidad de acceso a una energía geotérmica de muy alta temperatura capaz de competir, en términos de densidad energética, con los combustibles fósiles en la generación de electricidad en cualquier parte del planeta (gradientes geotérmicos normales).

Limitaciones en el uso de la energía geotérmica de alta temperatura

En relación a otras energías renovables, la geotérmica tiene dos grandes ventajas: 1) no depende de las condiciones meteorológicas y climáticas; y 2) el paisaje apenas se ve modificado ya que sus instalaciones (pozos y centrales geotérmicas) ocupan muy poca superficie, al contrario que los grandes parques solares o eólicos.

Sin embargo, hasta ahora la energía geotérmica ha tenido una implantación muy limitada a nivel mundial en la generación de electricidad. Y ello debido fundamentalmente a dos razones: 1) las plantas geotérmicas deben localizarse en lugares que reúnan unas condiciones geológicas muy particulares, que permitan la extracción de energía geotérmica a través de pozos de profundidades compatibles con el estado actual de la tecnología; y 2) sus altos costes de instalación (pozos y centrales geotérmicas). Por ejemplo, en Estados Unidos, uno de los países con más sistemas geotérmicos instalados, la geotermia representó tan solo un 2% de las energías renovables consumidas en 2021 y menos de un 0,3% del mix de energías primarias.

En España hay aportación de energía geotérmica de muy baja y baja temperatura para usos térmicos pero la aportación de energía geotérmica para generación de electricidad es prácticamente nula, a pesar de que hay zonas con potencial de geotermia de alta temperatura (por ejemplo en Gran Canaria, Tenerife y La Palma). El problema es que, por las razones apuntadas anteriormente (inversiones), todavía no se han hecho suficientes pozos de exploración profundos que permitan evaluar con rigor el potencial geotérmico. En las tres islas citadas, a corto-medio plazo, está previsto realizar pozos de investigación con el objetivo de identificar recursos geotérmicos convencionales de alta temperatura que hagan viable, técnica y económicamente, la generación de electricidad.

En el lado opuesto podemos citar a Islandia, donde la energía geotérmica representa hoy el 60-70% del mix de energías primarias. Debido a sus particulares condiciones geológicas, en Islandia se encuentran zonas con gradientes geotérmicos anormalmente altos capaces de generar energía geotermia de alta temperatura a unas profundidades moderadas, compatibles con las actuales tecnologías de perforación.

Por otra parte, los equipos y materiales de perforación actuales, como los que se usan en los pozos de petróleo o gas siguiendo el método de perforación a rotación, no pueden soportar las altas temperaturas y presiones a profundidades extremas, por lo que el suministro de energía geotérmica profunda se limita sobre todo a regiones “agraciadas” geológicamente en las que tenga sentido técnico y económico (la perforación a rotación es exponencialmente más cara cuanto más profundo se perfora) el acceso a los recursos geotérmicos con la tecnología actual. De una manera general, podemos decir que actualmente los pozos geotérmicos de media y alta temperatura se perforan entre unos cientos de metros y 5 km. En la Fig. 3 podemos ver representadas estas limitaciones de profundidad con la tecnología de perforación actual (pozos geotérmicos a unos 5 km; pozos de petróleo y gas a unos 10 km).

Fig. 3. Fuente: Clear Air Task Force

Proyecto de desarrollo de la perforación de pozos ultraprofundos

La energía geotérmica podría pasar de representar menos del 1% de la energía primaria mundial actual a un porcentaje relevante en la década del 2050, siempre que la investigación y desarrollo de nuevas tecnologías de perforación permitieran la construcción de pozos ultraprofundos, entre 15 y 20 km, que faciliten el acceso en cualquier parte del planeta (gradientes geotérmicos normales), y con sentido económico, a recursos geotérmicos de muy alta temperatura o, dicho de otro modo, de una densidad energética comparable o superior a la de los combustibles fósiles, a los que podría sustituir progresivamente en la generación de electricidad a escala mundial (actualmente representa un consumo aproximado del 25% de la energía primaria). No requeriría partir de cero debido a las sinergias existentes entre la industria de la geotermia profunda y la industria del petróleo y gas en infraestructuras, cadena de suministro, marco normativo, mano de obra, &c.

En este apartado ofrecemos una panorámica de las investigaciones y desarrollos en curso sobre dicha tecnología de perforación de pozos ultraprofundos que realiza la compañía Quaise Energy, creada en torno al Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT en sus siglas en inglés) y profesionales de las industrias de la exploración y producción de hidrocarburos y de la geotermia profunda.

Fig. 4. Fuente: www.bing.com

Investigadores del Centro de Ciencia y Fusión de Plasma del MIT llevan mucho tiempo investigando acerca de la energía de las ondas milimétricas (en adelante “mmW”) (Fig. 4) emitidas por girotrones, y aplicando esta tecnología en otros sectores de la industria. Han demostrado en el laboratorio la capacidad de esta tecnología para perforar (o mejor dicho, fundir) basalto, roca ígnea muy abundante en la corteza terrestre (Fig. 5).

Fundamentado en lo anterior, Quaise Energy, está desarrollando una tecnología que permita perforar a una profundidad muy superior a la del pozo más profundo construido con el método de perforación a rotación utilizado en la industria del petróleo y gas. Las brocas de metal y resto de equipos de fondo utilizados en la perforación a rotación no pueden soportar la temperatura de unos 500 °C que se encontraría a unos 20 km de profundidad, considerando un gradiente geotérmico normal.

Para intentar alcanzar dichas profundidades se impondría el uso de una tecnología hibrida de perforación (a rotación y “mmW”). El método (Fig. 6) consiste en, a partir de una determinada profundidad, variable según las características geológicas del pozo a perforar, reemplazar las brocas físicas y resto de equipos de fondo por la energía de ondas milimétricas que “quema” la roca (la funde y vaporiza). Potencialmente, con este método sería posible perforar pozos de unos 20 km de profundidad y unos 500 °C de temperatura de fondo para poder aprovechar, prácticamente en cualquier lugar del planeta (gradiente geotérmico normal), la energía geotérmica de alta densidad energética asociada. Los retos tecnológicos de todo tipo para alcanzar estos objetivos son enormes.

Fig. 6. Fuente: Quaise Energy

En general, las ondas milimétricas son adecuadas para “quemar” las formaciones muy duras de las profundidades con las que la perforación a rotación tiene dificultades. Son menos eficaces para las formaciones más blandas y superficiales, donde la perforación a rotación sigue siendo efectiva. Por eso el cambio de perforación a rotación a perforación con “mmW” variará (la profundidad) en función de las características litológicas de las formaciones a atravesar.

Aunque ya se han obtenido resultados exitosos en el laboratorio del MIT, queda por demostrar la viabilidad de esta nueva tecnología de perforación in situ. Quaise Energy espera comenzar a trabajar pronto en prototipos con el objetivo de poder transformar una central eléctrica de carbón o gas en central geotérmica de vapor para 2028. El objetivo a largo plazo (la década del 2050) es estar en disposición de comercializar teravatios de electricidad a escala mundial a partir de la energía geotérmica de muy alta temperatura obtenida a través de pozos geotérmicos ultraprofundos.

El plan de Quaise Energy a corto plazo, en 2024, es activar el primer equipo de perforación híbrido, a rotación y con “mmW” (Fig. 7). La tecnología de los girotrones, está disponible a nivel comercial en otros sectores industriales. Se trata ahora de resolver los problemas de ingeniería para transmitir un haz limpio y hacer que funcione con una alta densidad de energía sin averías, adaptándola a las necesidades intrínsecas de la perforación de pozos y sus periodos operativos, 24 horas los siete días de la semana, durante largos periodos de tiempo (semanas, meses).

Fig. 7. Fuente: Quaise Energy

Sistema de generación de electricidad. Pozos inyectores y productores

Como ya mencionamos, a profundidades de unos 20 km las temperaturas alcanzarán varios centenares de grados prácticamente en cualquier lugar del planeta, del orden de unos 500 °C. A estas elevadas temperaturas se produce un vapor muy cercano, sino superior, a la temperatura a la que funcionan las centrales eléctricas actuales de carbón y gas. Se podrían ir sustituyendo progresivamente estas últimas centrales por centrales geotérmicas.

El agua bombeada, a través de los pozos de inyección (Fig. 8), será calentada de manera crítica y se vaporizará inmediatamente. Este vapor alimentará la planta eléctrica, haciendo girar las turbinas y generando electricidad. En resumen, se introduce vapor geotérmico en lugar de vapor de una caldera de combustible fósil, descarbonizando de esta manera la central.

Fig. 8. Fuente: Clear Air Task Force

2. Cuestiones gnoseológicas

¿Técnica, ciencia o tecnología?

Lo primero que nos planteamos es si la perforación de pozos ultraprofundos es una técnica, una ciencia o una tecnología. Desde las coordenadas de la teoría del cierre categorial podemos decir que se trata de una tecnología o, mejor, de una pluralidad de tecnologías donde se solapan diferentes categorías científicas como la geología, la física y la química, y varias de sus correspondientes disciplinas. Todas estas tecnologías están orientadas a un mismo fin: la ejecución de pozos ultraprofundos que permitan técnicamente el acceso a la generación de electricidad a partir de energía geotérmica en cualquier parte del planeta con gradiente geotérmico normal.

Se trata de una tecnología hibrida de perforación: por un lado hablamos de una tecnología ya existente y probada desde hace mucho tiempo (la perforación a rotación para perforar pozos de petróleo y gas hasta determinadas profundidades) y, por otro lado, hablamos de adaptar una tecnología ya existente en sectores como la comunicación y otros (las ondas electromagnéticas milimétricas) a un fin distinto como es el de “quemar” rocas a grandes profundidades no alcanzables, por razones técnicas, con la perforación a rotación.

Ideas que se movilizan. Crítica de las mismas

Al igual que en el desarrollo de tecnologías para otras energías renovables, la tecnología que hemos presentado, al tiempo que es desarrollada, moviliza ideas que es preciso someter a crítica. Son ideas tales como limpio, verde, renovable y sostenible. Por lo general no se discute en profundidad si las energías que llamamos limpias son realmente limpias, y lo mismo ocurre con las ideas verde, renovable y sostenible.

La idea de lo limpio se solía relacionar, acertadamente, con la no emisión de partículas o gases contaminantes o tóxicos, aunque desde que se habla de transición energética se suele relacionar en particular con la no emisión de dióxido de carbono. Este no es un gas sucio ni tóxico, es uno de los gases de efecto invernadero (GEI) necesarios, en las concentraciones adecuadas, para mantener la temperatura del planeta en un cierto rango. No debemos confundir contaminación (local) con emisiones de GEI (global), son dos cosas diferentes.

La idea de lo verde se relaciona con lo ambientalmente amigable, no perjudicial ni destructor de la naturaleza. En cambio, las instalaciones de diferentes fuentes de energía renovables si pueden ser perjudiciales o destructoras de la naturaleza. Por ejemplo, las instalaciones de energía solar y los aerogeneradores matan o alteran la vida de aves, y los embalses y presas para generación de electricidad afectan la migración de peces y su creación altera ecosistemas. En estos aspectos vemos una ventaja de la energía geotérmica con respecto a otras energías renovables.

La idea de lo renovable se relaciona con la idea de lo inagotable y en realidad las energías renovables lo son, aunque esto no quiere decir que se garantice su explotación indefinida. Entre los muchos motivos, destaca por su importancia la limitada disponibilidad del suelo, donde entran en conflicto los recursos energéticos y el resto de recursos naturales. Respecto al uso del suelo, la energía geotérmica tiene una gran ventaja con respecto a otras energías renovables ya que sus instalaciones ocupan muy poca superficie, al contrario que, por ejemplo, los grandes parques solares o eólicos.

La idea de lo sostenible suele relacionarse con lo ambientalmente amigable, cuando en realidad al hablar de sostenible no solo hay que hablar de sostenible ambientalmente, sino también de sostenible técnicamente (garantía de suministro energético) y sostenible económicamente. Asunto vital cuando hablamos de transición energética, es lo que se conoce como el “trilema” de la energía.

3. Cuestiones políticas

Planteamiento general de las energías en el planeta

El mix actual de energías primarias a nivel mundial es aproximadamente el siguiente (Fuente: BP Statistical Review 2021): más del 80% corresponde a los combustible fósiles (31% petróleo, 27% carbón y 25% gas); el resto está repartido entre hidroeléctrica, renovables y nuclear (7%, 6% y 4% respectivamente). Cada zona del mundo y país (o regiones dentro de un mismo país) tiene su propio mix de energías primarias que variara con el tiempo en función de factores políticos, económicos, ambientales, geológicos, climáticos, tecnológicos, &c.

La transición energética es un tema de debate permanente en los ámbitos políticos y científicos y no corresponde desarrollarlo en este artículo. Simplemente daremos algunas pinceladas con el fin de entender el papel que podría jugar en el mix de energías primarias una energía geotérmica de muy alta temperatura obtenida a partir de pozos geotérmicos ultraprofundos.

La alternativa que se maneja para reemplazar los combustibles fósiles son las energías renovables (solar, eólica, hidráulica, biomasa, geotérmica, &c.), a pesar de que tanto la energía de los combustibles fósiles como sus derivados se utilizan para fabricar componentes y productos requeridos precisamente para el desarrollo, operación y mantenimiento de las energías renovables que los sustituirían, así como para reciclar o disponer sus residuos… Pareciera todo un tanto contradictorio ya que, en el estado actual de conocimiento, no estaríamos pasando de un recurso de menor calidad energética (como las renovables) a otro de mayor calidad energética (como los combustibles fósiles) sino que sería al revés, salvo que las investigaciones y desarrollos de las próximas décadas nos demuestren lo contrario. Por otra parte, la transición energética hacia un modelo descarbonizado implica una transición extractiva, de los hidrocarburos a los minerales, ya que todas las energías renovables utilizan minerales críticos, en mayor o menor medida, en su ciclo de vida. Esto lleva consigo la aparición de nuevos actores en el comercio internacional así como un nuevo juego geopolítico.

Por tanto, cara a futuros desarrollos de las energías renovables para poder competir a gran escala, técnica y económicamente, con los combustibles fósiles, lo primero que hay que analizar en profundidad son sus limitaciones, de las cuales destacamos dos que tienen una importancia capital: la densidad energética y el almacenamiento de la energía, donde hoy están en abrumadora desventaja con respecto a los combustibles fósiles. Debido a que superar estas limitaciones llevará décadas de investigación y desarrollo, siendo realistas podríamos decir que al menos durante las próximas dos o tres décadas, los combustibles fósiles seguirán representando, al igual que hoy en día, la mayor contribución en el mix de energías primarias.

¿Por qué podría jugar un rol importante en el mix de energías primarias una energía geotérmica de muy alta temperatura obtenida a partir de pozos geotérmicos ultraprofundos realizados en zonas con gradiente geotérmico normal? Por tres grandes razones: 1) su alta densidad energética (unos 500°C a 20 km de profundidad) igualaría o superaría a la de los combustibles fósiles; 2) su almacenamiento natural en la corteza terrestre; y 3) su uso muy limitado del suelo ya que sus instalaciones (pozos y central geotérmica) utilizan muy poca superficie. En caso de ser exitoso el proyecto de Quaise Energy, u otros similares que pudieran llevarse a cabo, no se dispondría a gran escala de esta energía de muy alta temperatura hasta los años 50 de este siglo.

La cuestión de la energía no puede tratarse como un asunto universal, depende de las sociedades políticas

Para centrar el tema recurrimos a la teoría de las capas del poder (conjuntiva, basal y cortical) y en particular a las siguientes tres frases: 1) “La capa basal, que en sí es económica, se hace política (económico-política) cuando se representa como objetivo de los planes y programas de la sociedad política; y no hay sociedad política, por liberal que ella sea, que pueda dejar de incluir una capa basal” (Gustavo Bueno); 2) “La cuestión de tal o cual energía no puede tratarse como si fuera un asunto universal, depende de las sociedades políticas y de su despliegue basal y cortical” (Marcelino Suarez, Fundación Gustavo Bueno); y 3) “La capa basal hace referencia al territorio y a sus riquezas. Los contenidos basales son los componentes impersonales de un determinado Estado” (Paloma Hernandez, Fundación Gustavo Bueno) y entre ellos, añadimos nosotros, los recursos del subsuelo.

Hay que recordar que los recursos del subsuelo, entre ellos los geotérmicos, son propiedad del Estado en cuestión y, es este Estado el que concede los permisos para explorar, desarrollar y explotar dichos recursos a compañías públicas y privadas, del mismo Estado u otros, bajo determinados términos y condiciones de tiempo, técnicas, económicas, medioambientales… que se incluirán en los contratos correspondientes entre las diversas partes. Dichos términos y condiciones, incluidos los derechos y obligaciones de cada parte no son universales, son diferentes, en mayor o menor grado, para cada Estado (e incluso para regiones dentro de un mismo Estado) en función de su forma de gobierno o, tal como diríamos basados en la teoría de la estructura de la ciencia propuesta por la teoría del cierre categorial, en función del modelo canónico de la sociedad política en cuestión, con sus diferentes ramas y capas del poder. En todos estos aspectos tampoco partimos de cero, debido a las sinergias existentes entre la industria geotérmica y la industria del petróleo y gas.

Lógicamente, todo lo anterior puede dar lugar a conflictos diversos entre Estados, compañías y la sociedad en general y, por ello, conviene ahora que nos centremos en las normas políticas, que a su vez son normas jurídicas, y su dialéctica con las normas morales.

Una parte de la dialéctica entre las normas morales y políticas está dada por la diferente fuerza de obligar que cada una tiene. Las normas morales toman su fuerza mediante la presión que ejerce el grupo sobre cada uno de sus individuos, mientras que las normas políticas toman su fuerza de la propia capacidad coactiva del Estado. Dicha dialéctica es compleja, en ocasiones será coincidente pero a menudo será conflictiva.

La fuerza de obligar de las normas políticas deberá ser capaz de superar a la fuerza de obligar de las normas morales, incluidos los conflictos entre las distintas morales que puedan existir en el seno de un mismo Estado, que se entenderá como constituido por multiplicidades de grupos (toda unidad es una multiplicidad). Por eso las normas políticas no siempre serán compatibles con las normas morales y éticas que tratan de coordinar.

4. Conclusiones

Caso de demostrarse su viabilidad, la tecnología en desarrollo que hemos presentado representaría un avance muy importante en el objetivo de reemplazar progresivamente los combustibles fósiles por energía geotérmica de muy alta temperatura en la generación de electricidad. Y ello no solo, como ocurre actualmente, en zonas del planeta con gradientes geotérmicos anormalmente muy altos (caso de Islandia), sino en cualquier parte del planeta con gradientes geotérmicos normales. A nivel mundial, pasaría a representar un porcentaje relevante en el mix energético mundial, en vez de menos del 1% que representa en la actualidad.

Ahora bien, debemos ser pragmáticos y evitar un optimismo tecnológico desmesurado ya que los retos tecnológicos para hacer esta tecnología viable son enormes.  La Fig. 9 representa las fases del proyecto de desarrollo de energía geotérmica de muy alta temperatura, a partir de pozos geotérmicos ultraprofundos, con el objetivo de estar en la década del 2050 en disposición de comercializar teravatios de electricidad, a escala mundial, a partir de dicha energía. Además de los retos tecnológicos, son fundamentales los aspectos financieros, regulatorios y comerciales.

Fig. 9. Fuente: Clear Air Task Force

En Estados Unidos el apoyo, estatal y privado, a este proyecto es muy importante. En caso de ser exitoso, este país (o cualquier otro que pudiera llevar a cabo un proyecto similar) y los gigantes energéticos relacionados intentarán, lógicamente, sacar el mayor beneficio a su inversión de riesgo (el proyecto pudiera llegar a no ser viable técnica y/o económicamente y perderían toda su inversión). Y, por otro lado, los potenciales países y compañías privadas que llegasen a utilizar esta tecnología deberían acordar y gestionar los contratos de cada proyecto que acometan con el objetivo de que tengan sentido los derechos, obligaciones y riesgos de cada parte. Y ello respetando la forma de gobierno, el modelo de sociedad política de cada país y basado en que los recursos de subsuelo son propiedad del Estado en cuestión y es este el que concede los permisos para explorar, desarrollar y explotar dichos recursos bajo determinados términos y condiciones.

Aunque, como en cualquier industria, los conflictos entre las partes son inevitables, serán menores y más fáciles de resolver si el cuerpo contractual es lo más completo posible, claro y equilibrado. Aquí no se parte de cero, hay sinergias entre la industria geotérmica y la industria del petróleo y gas.

Terminaremos diciendo que el carácter de limpio, verde, renovable y sostenible que suele darse a las energías renovables, entre ellas la geotérmica, no corresponde en rigor a sus características, sino que se da como oposición a los impactos negativos del uso de combustibles fósiles. En realidad todas las fuentes de energía tienen impactos, en mayor o menor grado, si tenemos en cuenta su ciclo de vida completo (extracción, procesado y transporte de materias primas, instalaciones; operaciones y mantenimiento, reciclaje de residuos y abandono de las instalaciones) y no solo una parte o partes del mismo.

Referencias bibliográficas

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