Energía geotérmica. Fundamentos, tecnologías y aplicaciones E-Book

DAVID PEREZ

• Herausgeber: Marcombo
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch

Seitenzahl: 150

Veröffentlichungsjahr: 2025

Beschreibung

Una guía imprescindible para entender y aprovechar el calor interno de la Tierra. La energía geotérmica es una fuente renovable continua, firme y estratégica. A diferencia de otras energías, como la solar o la eólica, la geotérmica no depende del sol ni del viento, lo que la convierte en una opción clave para garantizar el suministro energético en todo tipo de regiones. Sin embargo, su potencial sigue siendo subestimado y desconocido por muchos profesionales del sector. Este libro ofrece una visión rigurosa y accesible sobre los fundamentos físicos, geológicos y termodinámicos que permiten aprovechar esta fuente de energía. Desde el gradiente geotérmico y los sistemas geotérmicos naturales y mejorados, hasta las tecnologías de conversión energética más actuales —como plantas de vapor seco, ciclos flash y ciclo binario—, encontrará aquí una guía clara y completa. Asimismo, en este libro explorará los usos directos del calor, las bombas de calor geotérmicas, las aplicaciones industriales y los factores sociales, ambientales y económicos que influyen en la viabilidad de cada proyecto geotérmico sostenible. ¡No espere más para descubrir todas las posibilidades que le ofrece el calor interno de la Tierra de la mano de un experto en el tema!

Leseprobe

Energía geotérmica. Fundamentos, tecnologías y aplicaciones.

© 2025 David Pérez Granados

Primera edición, 2025

© 2025 MARCOMBO, S. L. www.marcombo.com

Gran Via de les Corts Catalanes 594, 08007 Barcelona

Contacto: [email protected]

Diseño de cubierta: ENEDENÚ DISEÑO GRÁFICO

Maquetación: Reverté, S. L.

Corrección: José López Falcón

Directora de producción: M.a Rosa Castillo

Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra

ISBN del libro en papel: 978-84-267-4032-8 3

ISBN del libro electrónico: 978-84-267-4056-4

Producción del ePub: booqlab

A mi familia

Contenido

Cubierta

Título

Créditos

Contenido

Prólogo

Agradecimientos

CAPÍTULO 1

Introducción a la energía geotérmica

1.1. Introducción a la energía geotérmica

1.2. ¿Qué es la energía geotérmica?

1.2.1. Antecedentes y diferenciación conceptual

1.2.1.1. Origen del término geotermia

1.2.1.2. Diferencia entre energía geotérmica y otras fuentes de calor terrestre

1.2.1.3. Características distintivas de la energía

geotérmica

1.2.2. Fundamentos físicos y termodinámicos

1.2.2.1. Gradiente geotérmico y flujo de calor terrestre

1.2.2.2. Mecanismos de transmisión del calor en la Tierra

1.2.2.3. Relación entre temperatura y profundidad

1.2.3. Fuentes y reservorios geotérmicos

1.2.3.1. Tipos de sistemas geotérmicos

1.2.3.2. Composición de los fluidos geotérmicos y su interacción con el entorno

1.2.3.3. Diferencias entre yacimientos de alta, media y baja temperatura

1.3. Historia y evolución del aprovechamiento geotérmico

1.4. El nacimiento de la energía geotérmica moderna

1.5. Importancia en la transición energética y la mitigación del cambio climático

1.6. Beneficios y desafíos del uso de la energía geotérmica

1.6.1. Beneficios ambientales

1.6.2. Beneficios económicos y sociales

1.6.3. Desafíos técnicos y operativos

1.6.4. Aceptación pública

CAPÍTULO 2

Geología y recurso geotérmico

2.1. Composición y capas internas de la Tierra

2.1.1. Composición química de la Tierra

2.1.2. Capas internas de la Tierra

2.1.2.1. Corteza terrestre: diferenciación y características

2.1.2.2. Manto terrestre: fuente primaria del calor geotérmico

2.1.2.3. Litosfera y astenosfera: estructuras clave en la dinámica terrestre

2.1.3. Núcleo terrestre: la fuente de energía interna

2.2. Generación y distribución del calor interno

2.2.1. Fuentes del calor interno

2.2.2. Orígenes principales del calor terrestre

2.2.2.1. Calor primigenio de la formación planetaria

2.2.2.2. Calor generado por la desintegración radiactiva

2.2.2.3. Calor por diferenciación y fricción interna

2.2.3. Distribución de la generación de calor en las capas terrestres

2.3. Gradiente geotérmico y flujo de calor terrestre

2.3.1. Medición y distribución global del gradiente geotérmico

2.3.1.1. Métodos de medición del gradiente geotérmico

2.3.1.2. Distribución global del gradiente geotérmico

2.3.2. Concepto de flujo de calor terrestre

2.3.2.1. Diferencia entre gradiente térmico y flujo de calor

2.3.2.2. Unidades y métodos de medición del flujo de calor

2.3.3. Mecanismos de transferencia de calor en la corteza terrestre

2.3.3.1. Conducción térmica en materiales sólidos

2.3.3.2. Convección térmica y circulación de fluidos

2.3.3.3. Advección: transporte de calor con el movimiento de masas

2.3.3.4. Influencia de la radiación térmica en la atmósfera

2.3.3.5. Interacción de los mecanismos de transferencia de calor

2.3.3.6. Factores que modulan la eficiencia de la transferencia de calor

2.4. Propiedades térmicas de las rocas y los fluidos geotérmicos

2.4.1. Conductividad térmica de las rocas

2.4.1.1. Factores que influyen en la conductividad térmica de las rocas

2.4.1.2. Impacto en la explotación geotérmica

2.4.2. Capacidad calorífica y difusividad térmica

2.4.3. Propiedades de los fluidos geotérmicos

2.4.3.1. Factores que afectan las propiedades de los fluidos geotérmicos

2.4.3.2. Impacto en la explotación geotérmica

2.5. Tipos de reservorios geotérmicos

2.5.1. Clasificación de los sistemas geotérmicos

2.5.1.1. Clasificación según la temperatura

2.5.1.2. Clasificación según la naturaleza del reservorio

2.5.1.3. Factores geológicos que afectan a la clasificación

2.5.2. Reservorios hidrotermales

2.5.2.1. Ejemplos de reservorios hidrotermales en el mundo

2.5.2.2. Factores que influyen en la explotación de reservorios hidrotermales

2.5.3. Sistemas geopresurizados y magmáticos

2.5.3.1. Sistemas geopresurizados

2.5.3.2. Aplicaciones de los sistemas geopresurizados

2.5.3.3. Sistemas magmáticos

2.5.3.4. Factores clave de los sistemas magmáticos

2.5.3.5. Consideraciones para la explotación de estos sistemas

2.6. Modelos conceptuales de sistemas geotérmicos

2.6.1. Modelos de convección en reservorios geotérmicos

2.6.1.1. Procesos de transferencia de calor por convección natural

2.6.1.2. Importancia de la permeabilidad en la eficiencia del sistema

2.6.2. Modelos de conducción térmica en reservorios de roca caliente

2.6.2.1. Dinámica del flujo térmico en sistemas de baja permeabilidad

2.6.2.2. Impacto en la producción de energía en yacimientos profundos

CAPÍTULO 3

Perforación y desarrollo de pozos geotérmicos

3.1. Recursos geotérmicos

3.2. Definición y clasificación de los recursos geotérmicos

3.3. Yacimientos geotérmicos según su temperatura

3.3.1. Yacimientos de muy baja temperatura (<30 °C)

3.3.2. Yacimientos de baja temperatura (30 – 100 °C)

3.3.3. Yacimientos de media temperatura (100 – 180 °C)

3.3.4. Yacimientos de alta temperatura (>180 °C)

3.3.5. Comparación técnica de yacimientos según temperatura

3.3.6. Consideraciones tecnológicas y ambientales

CAPÍTULO 4

Tecnologías y generación de energía geotérmica

4.1. Principios de conversión de energía térmica

4.2. Ciclos termodinámicos aplicados a la geotermia

4.2.1. Ciclo de Rankine aplicado a la geotermia

4.2.2. Ciclo de Rankine orgánico (ORC)

4.2.3. Ciclo Kalina

4.3. Plantas geotérmicas de vapor seco

4.4. Plantas geotérmicas de destello

single-flash

4.5. Plantas geotérmicas de destello

double-flash

4.6. Plantas geotérmicas de ciclo binario

CAPÍTULO 5

Aplicaciones directas del calor geotérmico

5.1. Introducción a los usos directos de la energía geotérmica

5.1.1. Clasificación de las aplicaciones directas según la temperatura

5.2. Sistemas de calefacción y refrigeración geotérmica

5.2.1. Principios termodinámicos y coeficiente de desempeño

5.2.2. Tecnologías de sistemas geotérmicos para climatización

5.2.3. Aplicaciones urbanas, residenciales e industriales

5.2.4. Retos técnicos y perspectivas futuras

5.3. Aplicaciones industriales y agrícolas

5.3.1. Procesos industriales con integración geotérmica

5.3.2. Aplicaciones agrícolas en invernaderos y postcosecha

5.3.3. Acuicultura y piscicultura geotérmica

5.3.4. Ventajas comparativas frente a las fuentes térmicas convencionales

5.3.5. Limitaciones y consideraciones de implementación

5.4. Uso en balnearios y

spas

5.4.1. Clasificación hidroquímica y aplicaciones terapéuticas

5.4.2. Diseño y operación de instalaciones balnearias geotérmicas

5.4.3. Valor agregado y turismo sostenible

5.4.4. Consideraciones hidroquímicas y de salud pública

CAPÍTULO 6

Consideraciones ambientales y sostenibilidad

6.1. Evaluación del impacto ambiental de los proyectos geotérmicos

6.1.1. Evaluación de la sensibilidad ecológica y sociocultural del entorno

6.2. Sostenibilidad a largo plaz

6.2.1. Gestión adaptativa del recurso geotérmico

6.2.2. Buenas prácticas operativas y tecnológicas

6.2.3. Indicadores de sostenibilidad y criterios de evaluación

6.2.4. Gobernanza ambiental y participación comunitaria

6.2.5. Perspectivas futuras: integración con economías circulares

Glosario

Referencias

Guide

Cover

Índice

Start

Prólogo

Año 2100. La Tierra, exhausta y sofocada por siglos de consumo desmedido, muestra sus heridas en cada uno de sus rincones. Las capas de hielo han retrocedido hasta desaparecer, las olas de calor han desplazado comunidades enteras y el acceso a agua potable es ya un privilegio escaso. En este escenario distópico, las generaciones futuras nos interrogan con una mirada silenciosa: ¿qué calidad de Tierra les hemos heredado? Estamos en 2025 y aún hay tiempo para actuar. Vivimos un momento crucial en la historia de la humanidad; la necesidad de transitar hacia un modelo energético sostenible, resiliente y justo es más urgente que nunca. En este contexto, la energía geotérmica se posiciona como una de las opciones más prometedoras y menos comprendidas del abanico de fuentes renovables.

Este libro nace precisamente con la intención de cerrar esa brecha, acercar al lector al conocimiento científico, tecnológico y aplicado que hace posible aprovechar el calor interno de la Tierra para beneficio de las sociedades humanas.

A lo largo de los capítulos que siguen, el lector podrá adentrarse en los fundamentos físicos que explican el origen del calor terrestre, la dinámica de los reservorios geotérmicos, las técnicas de exploración, perforación y caracterización de yacimientos, así como en las tecnologías de conversión energética, desde los sistemas de ciclo seco hasta los ciclos binarios y los sistemas geotérmicos mejorados (EGS). Además, se abordan los usos directos del calor, las bombas de calor geotérmicas, y se examina el papel que esta fuente puede jugar en la transición hacia una matriz energética baja en carbono.

Este texto no pretende ser una recopilación enciclopédica ni una guía meramente técnica; más bien busca ser un puente entre la teoría y la aplicación, entre la ciencia y la ingeniería, entre el conocimiento académico y la toma de decisiones informadas. Está dirigido tanto a estudiantes como a profesionales, planificadores energéticos, investigadores y ciudadanos curiosos que deseen comprender y participar activamente en la construcción de un futuro energético más limpio, eficiente y equitativo.

El conocimiento aquí compartido ha sido fruto de años de investigación, colaboración interdisciplinaria y pasión por la energía renovable. Espero que estas páginas sirvan como una herramienta valiosa, una fuente de inspiración y un llamado a la acción en favor de una tecnología que, aunque silenciosa, tiene el poder de transformar el mundo desde sus cimientos más profundos.

El autor

Agradecimientos

Quiero expresar mi más sincero agradecimiento a todo el equipo editorial de Marcombo por su confianza, apoyo y profesionalismo a lo largo de este proyecto. Su acompañamiento cercano y compromiso con la excelencia han sido fundamentales para que esta obra llegue a las manos del lector. Gracias por creer en esta visión energética y por hacer posible su difusión con rigor y pasión.

CAPÍTULO 1

Introducción a la energía geotérmica

1.1. Introducción a la energía geotérmica

La energía geotérmica representa una de las fuentes renovables más prometedoras y versátiles en el panorama energético actual. Su aprovechamiento permite obtener calor del interior de la Tierra con una disponibilidad constante y una mínima emisión de gases de efecto invernadero. A diferencia de otras fuentes renovables, como la solar y la eólica, la geotermia no depende de factores climáticos o variaciones estacionales, lo que la convierte en una alternativa confiable para la generación de electricidad y calefacción. En este capítulo se explorarán sus fundamentos físicos, los distintos tipos de reservorios existentes y el ciclo de vida de este recurso energético. Se proporcionará un marco teórico sólido para su comprensión y aplicación en diversas escalas de uso.

1.2. ¿Qué es la energía geotérmica?

La energía geotérmica es una fuente de energía renovable que aprovecha el calor almacenado en el interior de la Tierra para generar electricidad y proporcionar calefacción. Su nombre proviene del griego geo (Tierra) y thermos (calor), lo que refleja su origen natural. Este calor se produce por la desintegración radiactiva de elementos como el uranio, el torio y el potasio en el manto terrestre, así como por el calor residual del proceso de formación del planeta.

Figura 1.1. Planta geotérmica de Nesjavellir, Islandia.

A diferencia de otras fuentes de calor terrestre, la energía geotérmica se caracteriza por su estabilidad y disponibilidad continua. Esto la diferencia de la energía solar y eólica, las cuales dependen de factores climáticos. La geotermia permite una generación constante de electricidad, lo que la convierte en una alternativa confiable dentro de la matriz energética mundial.

Fuente de calor

Origen

Estabilidad

Energía geotérmica

Desintegración radiactiva

y calor residual Alta

Energía solar

Radiación del sol

Baja (dependiente del clima)

Energía nuclear

Fisión de átomos de uranio

Media

Tabla 1. Comparación entre fuentes de calor terrestre

Nota clave: A diferencia de la energía solar y eólica, la geotermia no depende de la variabilidad climática, lo que la hace una fuente confiable de energía base.

1.2.1. Antecedentes y diferenciación conceptual

1.2.1.1. Origen del término geotermia

El concepto de energía geotérmica se fundamenta en la observación de fenómenos naturales como los géiseres, las fumarolas y las fuentes termales, manifestaciones del calor interno de la Tierra que han sido aprovechadas desde tiempos ancestrales. Las civilizaciones antiguas supieron utilizar este recurso de diversas maneras: en China, se construyeron baños termales con propiedades terapéuticas; en Roma, se implementaron sistemas de calefacción subterráneos en edificaciones; y en Grecia, las aguas termales fueron empleadas con fines medicinales. Sin embargo, la comprensión científica de la geotermia avanzó significativamente en el siglo XIX, cuando los estudios sobre el gradiente térmico terrestre y la conducción de calor permitieron su conceptualización como fuente energética viable. A partir de entonces, se iniciaron investigaciones sobre su aplicación en la generación de electricidad, lo que sentó las bases para el desarrollo tecnológico actual.

1.2.1.2. Diferencia entre energía geotérmica y otras fuentes de calor terrestre

A diferencia de otras fuentes de calor terrestre, como la actividad volcánica o la radioactividad superficial, que presentan variabilidad e incertidumbre en su disponibilidad, la energía geotérmica se caracteriza por su estabilidad térmica y su capacidad de explotación sostenible. Su aprovechamiento se fundamenta en la perforación de la corteza terrestre para acceder a reservorios subterráneos de agua o vapor caliente. Estos fluidos, al ascender, transfieren su energía térmica a intercambiadores de calor o turbinas de generación eléctrica, lo que permite una conversión eficiente del calor en electricidad o calefacción.

Este proceso se diferencia por su continuidad operativa, ya que minimiza la influencia de factores climáticos y ofrece una producción energética predecible. Además, la planificación de proyectos geotérmicos requiere estudios geofísicos avanzados para determinar la viabilidad del reservorio y aplicar tecnologías que garanticen su sostenibilidad a largo plazo, lo cual reduce el riesgo de agotamiento térmico y optimiza su eficiencia en la generación energética.

Nota clave: el aprovechamiento geotérmico requiere tecnologías avanzadas para garantizar la sostenibilidad del recurso y evitar la degradación del reservorio térmico.

1.2.1.3. Características distintivas de la energía geotérmica

•Renovabilidad: aunque el calor terrestre se disipa con el tiempo, la recarga natural y artificial de los reservorios permite su uso prolongado.

•Baja emisión de CO2: su impacto ambiental es menor, en comparación con los combustibles fósiles.

•Uso dual: puede emplearse para generación eléctrica y aplicaciones térmicas directas.

•Requiere infraestructura especializada: la exploración y perforación inicial pueden implicar costes elevados.

El desarrollo de la energía geotérmica ha permitido la creación de tecnologías como los sistemas mejorados de geotermia (EGS), que amplían su aplicabilidad en regiones con baja permeabilidad del suelo. Su potencial de crecimiento es significativo, especialmente en zonas con alta actividad geotérmica, como el Cinturón de Fuego del Pacífico.

Además de su estabilidad térmica y sostenibilidad, la energía geotérmica presenta ventajas estratégicas en la diversificación de la matriz energética de los países. Su capacidad de generación constante permite reducir la dependencia de combustibles fósiles y mejorar la seguridad energética, especialmente en regiones con acceso limitado a otras fuentes renovables. Asimismo, el desarrollo de proyectos geotérmicos puede fomentar la innovación tecnológica en exploración y extracción de calor, y promover un crecimiento más eficiente y sostenible en el sector energético.

Fuente de energía

Disponibilidad

Emisiones de CO2

Geotérmica

Alta

Baja

Solar

Intermitente

Nula

Eólica

Intermitente

Nula

Tabla 2. Comparación entre energías renovables.

Nota clave: la energía geotérmica, al ser una fuente base, complementa la variabilidad de la energía solar y eólica, lo cual mejora la estabilidad del suministro eléctrico.

1.2.2. Fundamentos físicos y termodinámicos

La energía geotérmica se fundamenta en principios físicos y termodinámicos que explican el flujo de calor en el interior de la Tierra. La principal fuente de esta energía proviene del gradiente geotérmico, que es el aumento de temperatura a medida que se profundiza en la corteza terrestre. En promedio, este gradiente varía entre 25 y 30 °C por kilómetro de profundidad, aunque en zonas volcánicas o tectónicamente activas puede ser significativamente mayor.

1.2.2.1. Gradiente geotérmico y flujo de calor terrestre

El gradiente geotérmico es resultado del calor residual de la formación planetaria y de la desintegración radiactiva de elementos como el uranio, el torio y el potasio en el manto terrestre. El flujo de calor terrestre se produce a través de distintos mecanismos que determinan la eficiencia de transferencia térmica desde el interior hacia la superficie.

Tipo de entorno

Gradiente geotérmico (°C/km)

Ejemplo geográfico

Corteza continental estable

25-30

Europa Occidental

Región volcánica activa

80-150

Islandia, Cinturón de Fuego del Pacífico

Plataforma oceánica joven

50-100

Dorsal mesoatlántica

Tabla 3. Comparación del gradiente geotérmico en distintos entornos geológicos.

Nota clave: el gradiente geotérmico no es uniforme y depende de la actividad geotectónica y la composición de la litosfera.

1.2.2.2. Mecanismos de transmisión del calor en la Tierra

El calor se propaga desde el interior terrestre a la superficie mediante tres mecanismos fundamentales:

•Conducción: es el mecanismo dominante en la corteza terrestre, donde el calor se transfiere a través de la materia sólida sin desplazamiento de material. La conductividad térmica de las rocas influye directamente en la eficiencia del proceso.

•Convección: se presenta en reservorios geotérmicos donde los fluidos calientes ascienden, transportando con ello energía térmica. Este fenómeno es clave en los sistemas hidrotermales.

•Radiación: si bien la radiación térmica es un mecanismo principal en la transferencia de calor en el espacio, su influencia en la geotermia terrestre es mínima.

Mecanismo

Medio de propagación

Ejemplo en geotermia

Conducción

Rocas sólidas

Gradiente geotérmico en la corteza

Convección

Fluidos

Movimiento en reservorios hidrotermales

Radiación

Vacío o gases

Transferencia en la atmósfera

Tabla 4. Mecanismos de transferencia de calor.

Nota clave: la convección es el principal mecanismo de transferencia de calor en sistemas geotérmicos activos, pues permite la acumulación de fluidos calientes explotables.

1.2.2.3. Relación entre temperatura y profundidad

La temperatura en el subsuelo se incrementa conforme se profundiza, pero la magnitud de este aumento varía según la composición de las capas geológicas y la intensidad de la actividad tectónica en la región. En áreas con alta actividad magmática, la proximidad del magma eleva significativamente las temperaturas a niveles superficiales, lo que permite la formación de reservorios geotérmicos accesibles. Esto reduce la necesidad de perforaciones profundas, lo que optimiza los costes y mejora la viabilidad económica de los proyectos de explotación.