Geotermia 2.0: Por qué la Universidad de Cornell puso un 2

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28 de octubre de 2022 |Ithaca, Nueva York

La mayor parte del debate sobre cómo mantenerse caliente sin quemar combustibles fósiles se ha centrado en la electrificación: cambiar el tanque de combustible, por ejemplo, por una bomba de calor eléctrica. Pero este enfoque no resuelve un gran problema: de dónde viene esa electricidad. A pesar del enorme aumento en la producción de energía eólica y solar, la mayor parte de la electricidad todavía proviene de centrales eléctricas que queman combustibles fósiles.

La energía nuclear, la solar y la eólica ofrecen en parte soluciones a esto.

Para resolver la dependencia de la humanidad de los combustibles fósiles, la energía solar y eólica no es suficiente. Algunos investigadores e inversores miran hacia abajo, no hacia arriba. Nuestro reportero descubre que el ingenio impulsa nuevos esfuerzos para producir calor y electricidad aprovechando el núcleo de la Tierra.

Pero debajo de un antiguo estacionamiento anodino en Ithaca, Nueva York, los científicos de la Universidad de Cornell están intentando algo más: perforar un agujero de 2 millas en la Tierra.

La energía geotérmica no es nueva. En Islandia, donde las rocas calientes y el agua subterránea están cerca de la superficie, 9 de cada 10 hogares obtienen su calor directamente de fuentes geotérmicas. Pero el momento actual de preocupaciones climáticas, precios de la energía y nuevos incentivos financieros ha provocado un nuevo tipo de fiebre por la Tierra, incluso en lugares donde la geografía de la energía geotérmica es menos obvia.

Algunos de los nuevos actores que ingresan al campo son aquellos profundamente familiarizados con la perforación: las grandes empresas de petróleo y gas.

"Está cambiando la mentalidad", dice Patrick Fulton, uno de los principales investigadores geotérmicos de Cornell. "Se está empezando a pensar de forma más sostenible sobre cómo interactuamos con la Tierra".

El campus de la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York, es una pequeña ciudad de unas 30.000 personas, que abarca 2.400 acres y cientos de edificios, incluidos dormitorios tipo castillo y laboratorios de última generación, un museo de arte con forma de máquina de coser y una central eléctrica que produce unos 240 megavatios de electricidad cada año.

Esta frondosa metrópolis académica está situada sobre capas de roca sedimentaria, una geología que se revela en las gargantas que atraviesan el campus, profundas grietas donde, hace mucho tiempo, las aguas errantes de los glaciares en retirada abrieron la tierra.

Estas capas continúan a gran profundidad bajo tierra, a miles y miles de pies, hasta llegar a lo que se conoce como el "base cristalino". Allí, a casi 3 kilómetros de profundidad, se encuentra una barrera de roca entre lo que nosotros, como humanos, normalmente consideramos “tierra” por un lado, y el manto caliente de silicato del planeta por el otro. También marca la ubicación de lo que un grupo cada vez mayor de científicos, empresarios y funcionarios gubernamentales ve como una solución viable a un desafío apremiante, aunque elemental: cómo mantenerse caliente.

Para resolver la dependencia de la humanidad de los combustibles fósiles, la energía solar y eólica no es suficiente. Algunos investigadores e inversores miran hacia abajo, no hacia arriba. Nuestro reportero descubre que el ingenio impulsa nuevos esfuerzos para producir calor y electricidad aprovechando el núcleo de la Tierra.

Por un lado, esto podría parecer un problema mundano para el ingenio intelectual y técnico de una de las principales universidades de investigación del mundo. Después de todo, los ancestros humanoides resolvieron este problema del invierno hace siglos con sus fuegos, mantas y pieles de animales. Hoy en día, los sistemas de calefacción central han hecho que mantenerse caliente sea casi una idea de último momento, incluso en aquellos lugares del hemisferio norte que se congelan durante meses.

Pero hay un problema inminente: la forma en que nos calentamos depende principalmente de la quema de combustibles fósiles. Esto es un problema por lo que significa para el clima mundial, que está cambiando rápidamente gracias a las emisiones que calientan la atmósfera. Pero también es un problema porque cada vez está más claro que mantenerse caliente durante el invierno está ligado a fuerzas globales que a menudo escapan al control de uno, como la invasión rusa de Ucrania, que ha resultado tanto en escasez de gas como en aumentos de costos.

Esta situación, afirma un número creciente de investigadores, requiere un nuevo tipo de ingenio. Hasta hace muy poco, la mayor parte del debate sobre el abandono de la calefacción basada en combustibles fósiles se ha centrado en la electrificación: cambiar el depósito de combustible, por ejemplo, por una bomba de calor eléctrica. Pero este enfoque, aunque eficaz para reducir los gases de efecto invernadero, no aborda dos grandes problemas: primero, las redes eléctricas del mundo ya están esforzándose por satisfacer la demanda. Y en segundo lugar, a pesar del enorme aumento en la producción de energía eólica y solar, la mayor parte de la electricidad todavía proviene de centrales eléctricas que queman combustibles fósiles.

Los formuladores de políticas han sugerido una serie de modelos diferentes para abordar este dilema, como extender la vida útil de las plantas de energía nuclear, aumentar el número de parques eólicos y solares o aprovechar el asombroso poder de las olas del océano para producir electricidad.

Desde hace mucho tiempo se han tomado bandos en torno a la energía nuclear: o es una amenaza venenosa o un medio para superar la producción de energía sucia y extractiva. Stephanie Hanes, del Monitor, que cubre el cambio climático y el medio ambiente, explora un punto medio en ascenso. Presentado por Samatha Laine Perfas.

Pero aquí en Ithaca, y en un número cada vez mayor de lugares en todo el mundo, científicos, empresas de servicios públicos y empresarios están cambiando la narrativa de las soluciones. En lugar de mirar hacia arriba en busca de energía limpia, el sol o el viento, están dirigiendo su ingenio hacia abajo, hacia la Tierra misma. Y si bien el concepto básico de energía geotérmica ha existido durante décadas (si no siglos, según cómo se mire), el momento actual de preocupaciones climáticas, precios de la energía y nuevos incentivos financieros ha desencadenado un nuevo tipo de fiebre por la Tierra.

"Estamos viendo una enorme afluencia al sector geotérmico", dice Jeremy Harrell, director de estrategia de ClearPath, un grupo de investigación y defensa que se centra en el uso de políticas de libre mercado para acelerar la reducción de emisiones. “La geotermia es apasionante. Es una tecnología rentable, resistente y que puede proporcionar calor y energía”.

También podría, si algunas de las iniciativas más innovadoras tienen éxito, alterar fundamentalmente la forma en que el mundo entiende y utiliza la energía.

En medio de un terreno de grava anodino, una vez reservado para el estacionamiento de contratistas, muy por encima del lago Cayuga, los investigadores involucrados con el proyecto Earth Source Heat de Cornell han perforado casi 2 millas, hasta ese sótano cristalino, para explorar el potencial de aprovechar el calor geotérmico. Sólo queda la boca del pozo (la plataforma de perforación, las centrifugadoras de lodo y los silos de cemento partieron este otoño), pero los científicos aquí todavía están estudiando la geología de lo que cariñosamente llaman CUBO, el Observatorio de Pozos de la Universidad de Cornell. Están modelando el flujo de agua, examinando el comportamiento sísmico y trabajando con el personal de las instalaciones para planificar un nuevo sistema para calentar el campus.

"Si queremos descarbonizarnos, tenemos que pasar del gas natural a otra cosa", dice Jefferson Tester, profesor de sistemas de energía sostenible en la Escuela Smith de Ingeniería Química y Biomolecular de Cornell y científico principal del proyecto Earth Source Heat de la universidad. “La geotermia sería una de las oportunidades realmente buenas. ... Está encendido todo el tiempo, está disponible, está almacenado en la tierra. Y podemos alcanzarlo con la tecnología actual. Estamos tratando de dar un ejemplo de lo que usted podría hacer y lo que podríamos tener que hacer”.

DEPARTAMENTO DE ENERGÍA DE EE. UU.

Aprovechar la tierra para obtener calor y energía, por sí solo, no es algo nuevo. En Islandia, donde las rocas calientes y el agua subterránea están cerca de la superficie, 9 de cada 10 hogares obtienen su calor directamente de fuentes geotérmicas. En Boise, Idaho, un sistema geotérmico centralizado suministra agua a 177 grados a través de una serie de tuberías que calienta millones de pies cuadrados de espacio de edificios en el centro de la ciudad. También hay calefacción geotérmica en París; San Bernardino, California; y Klamath Falls, Oregón, lugares donde los depósitos subterráneos de agua caliente pueden fluir a través de rocas a profundidades relativamente poco profundas.

Estos lugares también tienden a tener plantas de energía geotérmica: instalaciones que utilizan el calor de la Tierra para producir vapor para hacer girar turbinas que generan electricidad de la misma manera que las plantas nucleares o de carbón. The Geysers, por ejemplo, una instalación de 45 millas cuadradas ubicada a unas 75 millas al norte de San Francisco, alberga el sitio de energía geotérmica más grande del mundo. Este lugar, que según las investigaciones arqueológicas fue un lugar de reunión humana durante siglos, tiene unos 300 pozos de producción y 69 millas de tuberías de inyección que alimentan vapor a turbinas que a su vez suministran un buen porcentaje de la energía renovable de California: alrededor del 8% en 2021. , señala Joseph Greco, jefe de iniciativas estratégicas de la región occidental de Calpine, la empresa que gestiona los Geysers, es consistente: no fluctúa como la energía eólica o solar. Esto es particularmente importante para una red que está cada vez más al límite. Durante los continuos apagones que azotaron el estado el verano pasado, “estábamos allí abasteciendo la red las 24 horas del día, los 7 días de la semana”, dice.

Pero la idea de expandir la geotermia a cualquier lugar y en todas partes, de modo que la tierra bajo nuestros pies pueda cubrir un buen porcentaje de las propias necesidades de calor y energía, es nueva. Y ha captado la imaginación no sólo de los científicos, sino también del Departamento de Energía de Estados Unidos, junto con un número creciente de nuevas empresas y compañías eléctricas existentes.

"No hay muchos lugares en el mundo donde simplemente haya vapor saliendo del suelo", dice Paul Thomsen, vicepresidente de desarrollo comercial de Ormat Technologies, una empresa geotérmica con sede en Reno, Nevada, que está expandiendo rápidamente sus operaciones. “Así que hay que empezar a perforar y buscar recursos geotérmicos ocultos. Y con la innovación, el concepto es que no necesitamos tener Old Faithful para desarrollar la geotermia”.

Existen diferentes sistemas para crear esta geotermia de “próxima generación”. Hay sistemas de “circuito cerrado” que, en lugar de aprovechar depósitos de agua subterránea calientes, envían una tubería a través de las áreas calientes, algo así como un radiador grande y antiguo a través de la Tierra.

En áreas sin reservorios de agua profunda –una geología que quienes están involucrados con la geotermia a veces llaman “roca seca caliente”– también hay esfuerzos para “fracturar” rocas profundas, creando fisuras a través de las cuales se puede inyectar agua. (Quienes están involucrados con la geotermia insisten en que esto es fundamentalmente diferente del tan protestado fracking con gas natural, ya que solo usan agua para romper y atravesar la Tierra, no arena ni productos químicos).

Ormat Technologies utiliza un sistema geotérmico en el que salmuera subterránea caliente (agua llena de sal y otros tipos de minerales) calienta un líquido secundario, que a su vez pasa por un proceso de intercambio de calor para hacer girar turbinas generadoras de energía. La compañía ahora tiene una cartera de energía que incluye instalaciones en todo el mundo, desde EE. UU. hasta Kenia e Indonesia.

Pero iniciar un proyecto geotérmico lleva tiempo. Quienes están involucrados con la geotermia dicen que el proceso de obtención de permisos es engorroso y que a menudo requiere años de viabilidad y aumento de la seguridad. Es específico de la ubicación, ya que el tipo de pozo y la profundidad a la que se adentra en la Tierra cambian mucho con la composición geológica de cualquier lugar en particular. (Esto es diferente, por ejemplo, de los paneles solares, que pueden producirse en masa e instalarse en casi cualquier lugar). Y no es fácil perforar profundamente en la Tierra.

Pero existe una industria con mucha experiencia en geología y perforación. Y ante las crecientes presiones políticas, financieras y climáticas, tiene interés en diversificar sus operaciones. Éste, por supuesto, es el sector del petróleo y el gas.

Muchos ejecutivos de esa industria están buscando alternativas, dice Maria Richards, coordinadora del Laboratorio Geotérmico de la Universidad Metodista del Sur en Dallas.

“Con el inicio de la COVID [cuando cayó la demanda]... pareció crear un impulso para que [la] industria del petróleo y el gas se detuviera y dijera: tenemos que mirar más allá de lo convencional”, afirma. "Habrá un momento en el futuro en el que la gente no necesitará ni querrá todo este petróleo y gas".

Ella y muchos otros involucrados con la geotermia advierten que existen matices importantes que diferencian la extracción de petróleo y gas de la extracción de calor de la Tierra. Pero no hay duda de que existen similitudes clave. Hay un número creciente de iniciativas geotérmicas del sector privado atendidas por ex trabajadores de combustibles fósiles y, a veces, respaldadas por las propias empresas de petróleo y gas. Y para acompañar esto, hay una creciente inversión de capital de riesgo.

Este verano, una empresa llamada Fervo Energy recaudó 138 millones de dólares para energía geotérmica de próxima generación, la mayor inversión privada en tecnología geotérmica hasta la fecha. Gran parte del liderazgo de Fervo proviene del sector del gas y el petróleo. El proyecto geotérmico No. 1 de Alberta en Canadá anuncia explícitamente su experiencia en perforación y exploración de gas; su nombre es un guiño a Leduc No. 1, el sitio del mayor descubrimiento de petróleo de Alberta en 1947.

Catherine Hickson, directora ejecutiva del proyecto de energía geotérmica número uno de Alberta, sabe que en el pasado ha habido entusiasmo por la geotermia. Ha trabajado durante más de 40 años en el sector, principalmente como científica para el gobierno canadiense, y observó cómo la atención del gobierno y de los inversores privados se volvió hacia la geotermia durante las crisis mundiales del petróleo y luego volvió a los combustibles fósiles. Incluso hoy en día, afirma, es difícil para la geotermia competir financieramente con el sector del gas y el petróleo: si uno va a cavar un hoyo muy profundo y costoso, todavía se puede ganar mucho más dinero sacando a relucir los combustibles fósiles en lugar de los combustibles calientes. agua.

Pero todo eso está cambiando con el cambio climático, dice, y a medida que las empresas se preocupan por la sostenibilidad de sus modelos de negocios frente a lo que se está convirtiendo en un consenso global sobre la necesidad de reducir significativa y rápidamente las emisiones de gases de efecto invernadero.

"Queremos asegurarnos de que la gente comprenda que nuestra forma de energía renovable tiene un crédito medioambiental muy importante", afirma. “Creemos que es muy importante desde la perspectiva de la reducción de gases de efecto invernadero. Y financieramente, los créditos de carbono y los criterios ESG [ambientales, sociales y de gobernanza] han cambiado drásticamente el panorama de la geotermia”.

Otros están trabajando en tecnología para reducir aún más el costo de la energía geotérmica. Paul Woskov, por ejemplo, profesor del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), ha centrado su experiencia en tecnología de fusión nuclear en la fabricación de un nuevo tipo de taladro que utiliza haces de girotrón para vaporizar la roca. Si él y la empresa que intenta comercializar su trabajo tienen éxito, esperan reducir drásticamente los costos de perforación y permitir que la geotermia exista en todas partes.

"Nuestro principio es que podremos sustituir cada planta de combustible fósil por una planta geotérmica", afirma.

Para fomentar este tipo de innovación, el Departamento de Energía de EE. UU. agregó este año una “inyección” geotérmica mejorada a su programa Energy Earthshots, una serie de iniciativas y flujos de financiamiento destinados a generar innovación para ayudar a abordar la crisis climática y hacer crecer el empleo de energía limpia. sector. El departamento hizo una solicitud específica para proyectos que utilizaban geotermia para calor directo.

“Todo el mundo habla de electrificación, pero no creo que la electricidad sea la respuesta”, dice el Dr. Hickson del Alberta No. 1. “Necesitamos lograr que el mundo comprenda –especialmente en EE.UU. y Canadá– los problemas más inmediatos. El fruto aquí es la energía térmica”.

Ésta ha sido la misión del Dr. Tester durante décadas.

El profesor de Cornell comenzó a trabajar en energía geotérmica como estudiante postdoctoral en Los Álamos, Nuevo México, bajo la administración Carter, cuando los científicos del laboratorio nacional comenzaron lo que se conoció como el Programa Hot Dry Rock.

Su objetivo no era diferente al de los empresarios geotérmicos actuales, aunque futurista en ese momento. "El calor natural de la roca seca y caliente a profundidades de perforación accesibles es uno de los mayores suministros de energía utilizable disponible para el hombre", escribió el científico de Los Álamos, Morton Smith, en un informe de 1995 sobre el programa. "Es potencialmente capaz de satisfacer las necesidades energéticas totales del mundo durante miles de años".

Pero los fondos para ese programa se evaporaron durante la administración Reagan, y el Dr. Tester fue a trabajar al MIT, donde continuó su investigación sobre energía geotérmica y calor. En 2009, Cornell le pidió que se uniera a su cuerpo docente y dirigiera un proyecto para poner ese trabajo en práctica.

En muchos sentidos, el campus de Ithaca de Cornell era el lugar perfecto para crear un sistema de calor de fuente terrestre. Ya estaba comprometido con la neutralidad de carbono. Y desde un punto de vista práctico, una universidad, donde los administradores tengan acceso y control sobre todos los edificios, es un buen lugar para realizar este tipo de cambio en todo el sistema.

Cornell ya había hecho enormes inversiones tanto en ciencia práctica como en infraestructura relacionada con los servicios públicos, y tenía un conjunto de sistemas de energía alternativos: una planta central de calor y electricidad que pasó de quemar carbón a gas natural más limpio y ahora rastrea y ajusta sus operaciones. mantener las emisiones lo más bajas posible; una central hidroeléctrica de generaciones de antigüedad ubicada junto al pintoresco Fall Creek; y, lo más inusual, un innovador sistema de “enfriamiento de fuente lacustre”, que aprovecha el agua fría y profunda del lago Cayuga para enfriar edificios sin sistemas de aire acondicionado tradicionales. De hecho, el enfriamiento de la fuente del lago era el mismo sistema que el Dr. Tester imaginó para el calor, pero a la inversa: un sistema de tuberías centralizado a base de agua que funciona con un mínimo de electricidad y, gracias a los paneles solares conectados y a la planta hidroeléctrica, casi sin carbono. Mientras tanto, los administradores eran conscientes de que la calefacción representaba más de un tercio de las emisiones totales de gases de efecto invernadero de la escuela.

La escuela también estaba dispuesta a experimentar. Es parte de la misión de la universidad, dicen los administradores, utilizar recursos académicos para desarrollar soluciones ambientales que puedan aplicarse mucho más allá del campus. "La forma en que podemos avanzar es encontrando nuevas soluciones", dice Sarah Carson, directora de la oficina de sostenibilidad del campus de Cornell. "Y lo que es realmente especial de nuestra geología es que no tiene nada de especial".

En 2009, el Dr. Tester y su equipo de estudiantes de posgrado comenzaron a elaborar un plan para el nuevo sistema Earth Source Heat.

Pero en muchos sentidos, lo que había bajo sus pies seguía siendo un misterio.

"Podemos hacer conjeturas sobre qué rocas hay allí", dice Patrick Fulton, profesor de ciencias terrestres y atmosféricas en Cornell y uno de los principales investigadores de Earth Source Heat con el Dr. Tester. “Existen estudios sísmicos y geofísicos que pueden ayudarnos a predecirlo. Pero para saber qué es realmente, para eso tenemos que bajar”.

En un laboratorio sin ventanas en el primer piso del edificio de ciencias de la tierra de la Universidad de Cornell, hay docenas de cajas azules una encima de la otra, todas llenas de muestras de tierra tomadas de CUBO. El estudiante de posgrado Sean Fulcher saca una bolsita y arroja su contenido sobre una mesa. Los fragmentos de grava son parte del basamento cristalino, que Fulcher y Fulton estiman que tiene entre 1.100 y 1.500 millones de años. Las rocas probablemente formaban parte de la base de una cadena montañosa que alguna vez llegó a ser más alta que el Himalaya.

Extrajeron estas muestras del pozo. Los científicos ahora están explorando cada uno de ellos, limpiándolos, registrando minuciosamente sus características y construyendo una imagen en 3D del interior de la Tierra. Estas rocas, y otras, dan una especie de mapa de lo que puede haber debajo de la universidad: dónde hay grietas, dónde las capas geológicas se han empujado unas contra otras, dónde el movimiento tectónico de hace 100 millones de años puede haber dejado el tipo de características subterráneas que hoy podría dar lugar a un sistema de calefacción moderno.

Parte de esta investigación también es esencial para la seguridad. "No conviene perder el tiempo y crear terremotos", dice el Dr. Fulton.

Esto ha sucedido con algunas iniciativas geotérmicas en el pasado. En 2009, por ejemplo, el gobierno suizo abandonó los planes de energía geotérmica después de que el proyecto generara una actividad sísmica inesperada que dañó viviendas en la ciudad de Basilea.

Más cerca de Cornell, en la tierra de Onondaga al sur de Syracuse, los forúnculos de lodo del valle de Tully son el legado continuo y contaminante de un intento del siglo XIX de extraer sal inyectando agua en el suelo. Las fracturas de la tierra creadas por ese proceso todavía, más de un siglo después, permiten que la salmuera cargada de limo y minerales hierva hacia la superficie, enturbiando lo que alguna vez fueron las zonas de pesca del pueblo Onondaga.

Esto preocupa a algunos ambientalistas, que se preguntan cuál es la línea entre el ingenio y la arrogancia, especialmente con un número creciente de intereses del sector privado involucrados. Pero los investigadores geotérmicos dicen que la alternativa de continuar con las emisiones de combustibles fósiles es aún más riesgosa, e insisten en que hoy se presta mucha más atención a los posibles impactos sísmicos y ambientales de la perforación.

"Definitivamente hay cosas que, si no se hacen bien o de manera inteligente, y no se comprende lo que podría salir mal, entonces podrían ser malas", dice el Dr. Fulton.

Por eso es tan importante un esfuerzo académico como el de Cornell, afirman él y otros involucrados. No sólo están demostrando la viabilidad de un nuevo sistema energético, sino también cómo fomentar el ingenio de forma segura. Están trabajando para comprender completamente las rocas antes de continuar con la siguiente fase del proyecto, que implicaría perforar más pozos y conectar el sistema geotérmico al sistema de calefacción existente del campus. Los involucrados dicen que el proyecto aún podría tardar años en completarse, dependiendo de la financiación.

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Pero para el Dr. Fulton, el propósito de CUBO va más allá de simplemente calentar el campus con energía térmica libre de carbono. Saber lo que hay bajo tierra ayuda a los científicos a imaginar una relación con la Tierra que no sea simplemente extractiva, afirma. Si los humanos, por ejemplo, tomamos calor de esas rocas profundas, ¿podríamos devolver esa energía? ¿Podrían los invernaderos de Cornell, que actualmente expulsan calor a la atmósfera, enviar ese calor bajo tierra, utilizando la Tierra como una especie de batería de calor recargable?

"Está cambiando la mentalidad", dice. "Se está empezando a pensar de forma más sostenible sobre cómo interactuamos con la Tierra".

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