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A falta de agua, bueno es el CO2, Chile

Foto perteneciente al Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes
Avatar Abraham Ormad 17 May 2013

Juvenal Letelier, estudiante de doctorado en Ciencias de la Ingeniería, está realizando una investigación multidisciplinaria donde confluye la experimentación física, la geotermia y la modelación matemática. Su objetivo es estudiar cómo podría aplicarse el CO2 como futura alternativa para la geotermia de mediana y alta entalpía en el norte de Chile.

Juvenal Letelier se tomó en serio la pregunta  que más de uno se habrá hecho alguna vez: “¿Qué puedo hacer yo para aportar al escenario energético de Chile?”, para él no bastaba sólo con cambiar las ampolletas de la casa por unas de bajo consumo. Motivado por las multitudinarias marchas de los años 2011 y 2012 en contra de proyectos hidroeléctricos y termoeléctricos, Juvenal se cuestionó qué podía hacer desde la trinchera académica para contribuir a la solución de nuestra crisis energética  y pensó que dedicar su investigación doctoral podía ser una buena tarea.

Esta fue su reflexión:  “En el norte de Chile, más del 45% de la energía producida se debe a las plantas termoeléctricas existentes, cuya potencia instalada en las regiones de Arica y Parinacota, Tarapacá y Antofagasta bordea los 2000 MW. En promedio, una central termoeléctrica emite alrededor de 1.5 kg de CO2 por kW generado a la atmósfera y en el Norte de Chile, el 24% de esa energía que producen es utilizada por la gran minería, otra importante fuente de CO2 que anualmente emite alrededor de 17 millones de toneladas de este gas a la atmósfera. Por otra parte, ¿Cuál es uno de los principales potenciales energéticos del norte? Justamente es la geotermia, gracias al volcanismo activo y reciente de esa zona. Pero para extraer el (probable) recurso geotérmico necesitamos agua y en el norte el agua es escasa a nivel superficial y, lamentablemente, no se cuenta con suficiente información acerca del volumen contenido en los acuíferos ni de sus recargas, las cuales poseen una alta variabilidad espacial y temporal debido a la ausencia de precipitaciones. Tenemos así que la emisión de CO2 es alta en el norte, y la disponibilidad de agua, por su parte, es baja”.

Entonces ¿por qué no reemplazar el agua por el CO2 en las plantas de producción de energía geotérmica? Si bien el dióxido de carbono tiene en la opinión pública una connotación más bien negativa por ser el principal gas de efecto invernadero en la Tierra, esta fórmula tiene su lado bueno: estudios numéricos han demostrado que el CO2 puede extraer un 50% más de calor que el agua en un sistema geotermal debido a las interesantes propiedades físicas que posee y por otra parte, se presume que el CO2 podría limpiar los sistemas geotermales ya que es un pobre solvente químico a diferencia del agua que es un solvente universal. El CO2 tiene, entonces, propiedades físicas y químicas que lo hacen un atractivo candidato para incorporarlo a la producción de una energía limpia como la geotermia. La propuesta es usar algo que nadie quiere para reemplazar un elemento que todos buscan preservar: cambiar agua por CO2 en sistemas geotermales.

Normalmente, cuando pensamos en el dióxido de carbono, inmediatamente pensamos que está en su estado gaseoso. Pero cuando este gas se inyecta bajo tierra y se somete a presiones muy altas, como las que hay en el subsuelo, este gas llega a un estado conocido como fase supercrítica, un “fluido” con características que lo convierten en candidato para ser un óptimo extractor de calor.

Actualmente, una de las alternativas más promisorias para reducir la liberación de gases de efecto invernadero a la atmósfera es el almacenamiento geológico del dióxido de carbono,  que hoy en día se realiza de forma industrial: el CO2 se inyecta bajo tierra en un estrato permeable que contenga una capa sello (estrato rocoso muy impermeable) en la parte superior.  De esta forma, el CO2 puede ser almacenado durante un largo período de tiempo bajo tierra, mientras en la superficie los investigadores buscan nuevas tecnologías para hacerse cargo de esta emisión contaminante. Sin embargo, la idea de usar el CO2 en la industria geotérmica es relativamente reciente.

“Desde el año 2000, existen varios grupos de investigación que han colaborado en estudiar los efectos de la inyección de CO2 en sistemas geotermales y la extracción de energía que puede obtenerse”, explica Juvenal. “Nuestra propuesta es que el norte de Chile puede ser un lugar favorable para la aplicación de esta tecnología ya que posee importantes fuentes de emisión de CO2, existe un volcanismo reciente y además es la zona más deficitaria en recursos hídricos y energéticos del país, por lo que desde la vereda de la ingeniería queremos proponer una solución novedosa a partir de la geotermia para mitigar la escasez energética, preservar las escasas fuentes de agua tanto superficiales como de subsuelo y desde la vereda de las ciencias básicas entender mejor la fluidodinámica asociada con la transferencia de calor y masa en medios porosos, qué es lo que sucede en ese proceso y qué factores son los que me permiten optimizar esa extracción de calor”.

¿Se puede recrear en la escala de laboratorio lo que sucede cuando se inyecta CO2 en subsuelo?

“El trabajo de laboratorio permite entender los procesos físicos básicos que ocurren cuando se inyecta CO2 en el subsuelo. Para ello se utilizan fluidos análogos cuyo comportamiento asemeja lo que ocurriría con el CO2 y las posibles mezclas con fluidos de subsuelo. Sin embargo, reproducir las condiciones de temperatura y presión de un reservorio geotermal es algo que actualmente no se puede hacer en un laboratorio, por lo que probar a pequeña escala toda esta teoría es muy ambicioso y difícil de lograr. Las razones son variadas. El suelo es un medio poroso muy heterogéneo, cuyas propiedades físicas y químicas presentan una alta variabilidad espacial, algo que es difícil reproducir en laboratorio. Si el sistema geotérmico está a una profundidad de un kilómetro, la presión litostática es alrededor de 500 veces mayor que la presión atmosférica a nivel del mar, y eso es muy complejo poder recrearlo en laboratorio debido a los costos. Además, en la mayor parte del territorio continental de Chile, el gradiente anómalo de temperatura es alto, muy por sobre los 30ºC/km que se obtiene en promedio en la Tierra. Además, todos los sistemas geotermales son distintos, o sea, en geotermia lo que ocurre en Nueva Zelanda o Islandia puede ser muy distinto a lo que ocurre en Chile, por lo que habría que probar directamente la tecnología en una planta geotérmica y a través de mediciones geofísicas e ingeniería de reservorios obtener medidas de la temperatura, caída de presión del reservorio y otros cuantificables, tal cual como se realiza hoy en día en la geotermia convencional. Lo anterior puede ser viable dadas las experiencias que han tenido otros países con respecto al almacenamiento geológico del CO2. Este ejercicio se realiza en Alemania a través de una planta piloto llamada Schwarze Pumpe  y el caso más cercano a Chile es Brasil, país que tiene una importante industria petrolera. Entonces lo que tú puedes hacer en laboratorio es una estimación de cuánto es la energía transferida usando la escala de laboratorio y luego investigar las diversas posibilidades que ofrece escalar estos resultados a la escala del reservorio geotérmico. Ello se puede realizar mediante simulaciones numéricas e idealmente comparar con las mediciones obtenidas en una planta geotérmica. Si me apuras, comparar el trabajo de laboratorio con las simulaciones numéricas y luego con los datos de campo es justamente lo que se realiza hoy en día en las plantas geotérmicas convencionales (que usan recargas de agua) para optimizar la vida útil de un reservorio geotérmico”.

Por el momento, como dice Juvenal, usar el CO2 como medio de transporte de calor en sistemas geotermales es una idea muy bonita que muchos grupos de investigación investigan arduamente y, que de resultar, implicaría una enorme innovación en el estado actual de la tecnología geotermal. “Esto es un proyecto largo en donde espero que mi contribución durante el doctorado pueda generar impactos importantes en la materia. Deseo seguir trabajando en este tema con una investigación post doctoral en ingeniería de reservorios y poder contribuir en el largo e importante proceso de educar a la gente sobre los beneficios de la Geotermia y la Eficiencia Energética, aprovechando mi experiencia como profesor de liceo y docente universitario”, dice. Claramente, su motivación empuja el tipo de investigación teórica que podría promover un cambio real en nuestro escenario energético nacional y mundial.

¿Quién es Juvenal Letelier?

Licenciado en Física y Magister en Ciencias Exactas de la Pontificia Universidad Católica de Chile. Actualmente cursa un doctorado en Ciencias de la Ingeniería mención Fluidodinámica en la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas. Sus profesores guías vienen de distintas disciplinas y son: Dr. Nicolás Mujica (Dpto. Física), Dr. Paulo Herrera (Dpto. Ingeniería Civil), y Dr. Jaime Ortega (Dpto. Ingeniería Matemática). También forma parte del grupo de estudiantes de doctorado del Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA).

Para cualquier cuestión relacionada con el artículo pueden ponerse encontacto con Sofía Otero en la dirección de correo electrónico  sotero@ing.uchile.cl

Fuente: Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA).