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El objetivo de este trabajo es explicar a grandes rasgos las características más importantes de la geotermia y su aprovechamiento actual en México, principalmente para generar electricidad.

El término geotermia se refiere al calor del interior de la tierra y significa una fuente de energía alterna a los combustibles fósiles, ambientalmente inocua y económicamente competitiva, que puede emplearse en la generación de electricidad y en otros aprovechamientos directos.

Los yacimientos geotérmicos se encuentran en determinadas partes del subsuelo. Su energía puede extraerse por medio de pozos profundos, a través de los cuales ascienden los fluidos, compuestos generalmente por una mezcla de agua con sales disueltas, o salmuera, y vapor de agua. Ya en la superficie, el vapor puede ser separado de esa mezcla y transportado hacia las centrales de generación, donde mueve los álabes de las turbinas para generar electricidad. La salmuera se conduce hacia lagunas de evaporación o directamente hacia pozos inyectores, a través de los cuales se regresa al yacimiento con el doble propósito de recargarlo y de prevenir cualquier contaminación a los acuíferos someros. En algunos casos, los yacimientos están compuestos únicamente de vapor de agua.

Un yacimiento geotérmico típico se compone de una fuente de calor, un acuífero y la llamada capa sello. La fuente de calor es una cámara magmática en proceso de enfriamiento con temperaturas todavía elevadas, de unos 500º C o más. El acuífero es cualquier formación litológica con la permeabilidad primaria o secundaria suficiente para alojar agua meteórica percolada desde la superficie o desde acuíferos menos profundos. La capa sello es otra formación rocosa, o parte de ella, con una permeabilidad menor que la del acuífero, y cuya función es impedir que los fluidos geotérmicos se disipen totalmente en la superficie (Fig. 1). Si se tiene el cuidado de extraer una masa de fluidos equivalente a la que se recarga en el yacimiento, sea por medios naturales o artificiales, el recurso es renovable para todo efecto práctico, ya que aunque la cámara magmática terminará por enfriarse, el proceso le tomará probablemente algunos miles de años.

Figura 1

El elemento clave del yacimiento es la fuente de calor, cuya existencia, a miles de metros de profundidad, sólo puede deducirse a partir de evidencias indirectas que se aprecian en la superficie. Una de esas evidencias es la presencia de volcanes geológicamente jóvenes (menores de un millón de años), puesto que algunos de ellos, particularmente los de composición ácida, suelen estar asociados a cámaras magmáticas no demasiado profundas, capaces de actuar como fuentes de calor.

El vulcanismo, al igual que los sismos, es un fenómeno producido por el movimiento de las placas tectónicas, en las que está fragmentada la capa exterior del planeta. En los límites entre una placa y otra, especialmente donde una de las placas se desliza debajo de otra en un proceso conocido como subducción, son más frecuentes el vulcanismo y la sismicidad, y por lo tanto la presencia de yacimientos geotérmicos.

Generación de electricidad de origen geotérmico

Aprovechar los recursos geotérmicos para generar energía eléctrica no es algo nuevo. Las primeras plantas geotermoeléctricas empezaron a funcionar en Italia a principios de la década de los treinta, en el campo geotérmico de Larderello (CATALDI, Rafaelle), y en el continente americano la primera planta de este tipo se instaló en el campo de Pathé, México, en 1959. Se trata de una unidad de 3.5 MW de capacidad, adquirida en Italia, que entró en operación el 20 de noviembre de 1959. Aunque sólo generó una fracción de su capacidad, estuvo operando hasta 1973, año en que fue desmantelada (QUIJANO-LEÓN, José Luis, y GUTIÉRREZ-NEGRÍN, Luis C.A.). Actualmente se exhibe como pieza de museo en las instalaciones del campo geotérmico de Los Azufres, Michoacán, operado por la Comisión Federal de Electricidad (CFE).

Hoy en día 27 países hacen uso de la geotermia para generar electricidad, la mayoría están ubicados cerca de los límites entre diversas placas tectónicas. La capacidad geotermoeléctrica instalada actual, con datos a junio de 2007, es de 9 mil 300 megawatts (MW), como se observa en la Tabla 1. Puede verse en ella que México ocupa el tercer lugar mundial, después de Estados Unidos y Filipinas, lo que representa más del 10% de la capacidad mundial.

Hay varias maneras de generar electricidad con fluidos geotérmicos. La más sencillas consisten en utilizar unidades a contrapresión en las que el vapor se descarga directamente a la atmósfera, después de que se le hecho pasar por la turbina (Fig. A).

Otra manera es emplear una unidad a condensación, en la cual el vapor después de pasar por la turbina, pasa a un condensador que trabaja a una presión menor que la atmosférica (Fig. B). Las unidades a contrapresión son más baratas, ya que carecen de condensador y torre de enfriamiento, pero son menos eficientes pues requieren del orden de 12 toneladas de vapor para generar un megawatt-hora (MWh). Las unidades a condensación ameritan más inversión, aunque son más eficientes, ya que necesitan del orden de 8 toneladas por MWh generado.

Un tercer tipo de unidad geotermoeléctrica es la de ciclo binario. En esta se utiliza un intercambiador de calor para que el fluido geotérmico (agua o vapor) caliente a un fluido de trabajo con punto de ebullición inferior al del agua. Es justamente este fluido el que se hace pasar por la turbina, mismo que posteriormente es condensado y vuelto a pasar por el intercambiador, en un proceso cíclico y continuo (Fig. C). Este arreglo es el más caro, pero permite aprovechar fluidos geotérmicos de temperaturas inferiores que, de otro modo, tal vez no podrían utilizarse para generar electricidad.

Los tres tipos de unidades geotermoeléctricas se emplean rutinariamente para generar energía eléctrica de manera comercial, tanto en México como en el resto del mundo.

La geotermia como fuente alterna

En México, el servicio público de electricidad es proporcionado por el Estado a través de dos compañías paraestatales: la CFE y Luz y Fuerza del Centro. Esta última es principalmente una compañía distribuidora y comercializadora que opera únicamente el 1.5% de la capacidad eléctrica instalada, pero que tiene alrededor de cinco millones de clientes en una superficie de 20,500 km2 que abarca el Distrito Federal y partes de los estados colindantes de México, Hidalgo, Puebla y Morelos (LUZ Y FUERZA DEL CENTRO).

La CFE opera el restante 98.5% de la capacidad eléctrica nacional, así como la red eléctrica nacional y el Centro Nacional de Control de Energía (CENACE), encargado del despacho de energía. Tiene 24 millones de clientes y en 2005 tuvo ventas del orden de 14 mil millones de dólares. Posee y opera con su propio personal 529 unidades generadoras de diversas capacidades y tipos: hidroeléctricas, vapor, gas natural, ciclo combinado, combustión interna, geotermoeléctricas, nucleoeléctricas, carboeléctricas y eoloeléctricas. En septiembre de 2007 las plantas operadas por CFE sumaron una capacidad instalada de 38,404 MW (COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD).

La CFE también recibe, transmite, distribuye y comercializa la energía eléctrica generada por los productores independientes de energía (PIE), que son compañías privadas que poseen y operan sus plantas con personal propio y que le venden la energía a la CFE. A fines de septiembre de 2007 operaban en México más de 65 unidades generadoras de este tipo con una capacidad instalada total de 11,457 MW (COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD), todas de ciclo combinado.

Adicionalmente, el año pasado había en México otras 465 unidades generadoras, con una capacidad instalada de 7,106 MW (COMISIÓN REGULADORA DE ENERGÍA, 2007), operadas también por compañías públicas (como PEMEX) y privadas para satisfacer su propia demanda de energía eléctrica. Estos son los llamados auto-abastecedores y co-generadores, que pueden vender su eventual exceso de energía a la CFE pero cuya actividad no está considerada como servicio público sino como un servicio privado.

En resumen, la capacidad eléctrica total del país es de 57,741 MW, tal como se indica en la Tabla 2.

Tabla 2. Capacidad eléctrica instalada en México en 2006

Como se mencionó antes, la capacidad geotermoeléctrica instalada en México es de 958 MW. Representa, por tanto, menos del 2% del total instalado para el servicio público. Este porcentaje sube ligeramente si se toma en cuenta la generación real de electricidad en lugar de la capacidad instalada. Durante 2006 se generaron en México 223,018 gigawatts-hora (GWh) entre la CFE, LFC y los PIE. La generación geotermoeléctrica en las 37 unidades instaladas, en los cuatro campos mencionados, fue de 6,685 GWh lo que significó el 3% del total.

El peso de la geotermia en la generación eléctrica puede parecer irrelevante considerada en el contexto nacional. Pero a nivel local, la generación del campo geotérmico de Cerro Prieto, por ejemplo, satisface más de la mitad de la demanda de electricidad de la red regional de Baja California, que es una red de transmisión aislada de la red eléctrica nacional.

Por otro lado, la geotermia también puede emplearse en muchos usos directos. Los fluidos geotérmicos de baja temperatura se usan rutinariamente en Estados Unidos y en muchos países europeos para desarrollos turísticos y balnearios de agua caliente, calefacción de viviendas y oficinas, procesos industriales que utilizan agua caliente, invernaderos, secado de madera, deshidratación de frutas y legumbres, y otros. Adicionalmente, las sales que contiene la salmuera geotérmica (por ejemplo: el cloruro de potasio) pueden concentrarse en lagunas o estanques especialmente diseñados para ello, y comercializarse con atractivos márgenes de utilidad.

Impacto ambiental

Utilizar recursos geotérmicos es una de las maneras más ambientalmente inocuas de generar energía eléctrica. En la tabla 3 se reporta la emisión a la atmósfera de diversos gases que ocasiona la generación de un megawatt- hora (MWh) de energía eléctrica de acuerdo al tipo de central en la que se produce la electricidad. Puede verse que el uso de vapor geotérmico en unidades geotermoeléctricas, ejemplificadas con las del campo geotérmico de Los Azufres, evita la emisión de óxidos de nitrógeno y de azufre a la atmósfera, que son los precursores de la lluvia ácida. Asimismo, se observa que las unidades geotermoeléctricas emiten una cantidad de bióxido de carbono, el principal gas de efecto invernadero y responsable del fenómeno de calentamiento global, mucho menor que la emitida por centrales que emplean combustibles convencionales y fósiles: el uso del vapor geotérmico permite que por cada MWh generado se emita a la atmósfera sólo un 22% de la cantidad que emite una planta carboeléctrica, un 29% de la que emite una planta a base de petróleo y un 40% de la que emite una central a base de gas natural. Finalmente, la cantidad de ácido sulfhídrico que se emite a la atmósfera, y que no producen plantas a base de combustibles fósiles, está dentro de límites de seguridad internacionales y no implica mayor impacto al ambiente más allá de su mal olor característico.

Tabla 3. Emisiones a la atmósfera por megawatt-hora generado

Por lo tanto, es evidente que el uso de vapor geotérmico para generar electricidad reduce el impacto ambiental que esta actividad provoca comparado con cualquier otra tecnología, a excepción probablemente de las plantas hidroeléctricas y eoloeléctricas. Pero además el vapor geotérmico es un recurso natural renovable para todo efecto práctico, mientras que las plantas de generación termoeléctrica convencional utilizan carbón, petróleo o sus derivados y gas natural, que son recursos fósiles no renovables.

En todos los campos mexicanos operan estaciones para medición del H2S en el aire, que toman lecturas las 24 horas del día y los 365 días del año.Los desechos líquidos del proceso de suministro de vapor son las salmueras geotérmicas, es decir el agua que se separa de la mezcla que extraen los pozos del subsuelo. Se trata de agua salina impropia para usos domésticos o agropecuarios, por lo que se regresa al yacimiento del subsuelo a través de pozos inyectores perforados expresamente para ello.

Adicionalmente, en todos los campos geotérmicos mexicanos se muestrea y analiza el agua de los manantiales termales o fríos dentro del campo y en su periferia, para asegurarse de que las medidas tomadas para evitar contaminar a los acuíferos someros están funcionando adecuadamente. Generalmente el análisis químico incluye la determinación del pH, alcalinidad, conductividad eléctrica y determinación de cloruros, boro, bicarbonatos, sílice, sulfatos, sodio, potasio, litio, rubidio, cesio, calcio, magnesio y arsénico. Los resultados de los análisis indican que no ha existido contaminación de los acuíferos someros debido a la explotación de los yacimientos geotérmicos.

Los desechos sólidos existen únicamente durante la perforación de los pozos, como se señala en la Figura 4. En este caso, se trata de los residuos de los lodos de perforación que son en su mayor parte arcillas bentoníticas inertes, pero que de cualquier forma son tratados de acuerdo con lo indicado en la norma ambiental respectiva, ya que la perforación de todo tipo de pozos está perfectamente regulada por la SEMARNAT.

Finalmente, en lo que se refiere al ruido, la principal fuente emisora es la descarga de los pozos, y aquellas turbinas que carecen de condensador, a la atmósfera. Para reducir el nivel de ruido, la CFE ha desarrollado diferentes tipos de silenciadores, e inclusive cuenta con una patente para un tipo específico. El tipo de silenciador patentado permite reducir el ruido hasta en un 80% a una distancia de tres metros de la fuente emisora, y hasta en un 74% a una distancia de 50 metros. Los silenciadores logran que el ruido quede dentro del límite permitido por la Secretaría del Trabajo y Previsión Social para jornadas de trabajo de 8 horas, que es de 90 decibeles.

Conclusiones y perspectivas

La geotermia es una fuente de energía empleada desde principios del siglo pasado en diversas aplicaciones turísticas, domésticas y agroindustriales y de manera directa para generar energía eléctrica. En México, la CFE la utiliza desde hace casi 35 años para satisfacer parte de la demanda nacional de electricidad de manera confiable, económicamente competitiva y sustentable.

Los estudios de evaluación del comportamiento de los yacimientos geotérmicos de cada campo geotérmico en explotación, y su proyección a largo plazo, permiten definir el potencial adicional que es posible instalar en cada uno de ellos. Con base en esos estudios, la CFE ha programado la construcción de dos proyectos geotermoeléctricos adicionales en los campos de Cerro Prieto y Los Humeros, denominados como Cerro Prieto V (CP-V) y Los Humeros II (GUTIÉRREZ-NEGRÍN, Luis C.A.).

El proyecto CP-V consiste de dos unidades a condensación de 50 MW cada una, programadas para construirse entre 2008 y 2009 y entrar en operación comercial hacia el mes de abril de 2010. La idea es que estas unidades reemplacen a las dos unidades de 37.5 MW más antiguas del sector Cerro Prieto I, en operación desde 1973 y que ya resultan poco eficientes, de tal manera que con la misma cantidad de vapor con que hoy se operan 75 MW, en 2010 se puedan operar 100 MW, con una ganancia neta de 25 MW.

El proyecto Los Humeros II consta de dos etapas, aunque ambas están programadas para entrar en operación comercial en el mismo mes de abril de 2010. La primera etapa está compuesta de una unidad a condensación de 25 MW, mientras que la segunda consiste en la construcción e instalación de siete unidades de ciclo binario de 3 MW cada una, que aprovecharán el vapor de baja presión que actualmente descargan a la atmósfera siete de las ocho unidades a contrapresión de 5 MW que operan en ese campo. La idea es, en lugar de descargarlo a la atmósfera, que el vapor se utilice en un intercambiador de calor como parte de un arreglo de ciclo binario. Las dos etapas del proyecto representarán un incremento neto de 46 MW en Los Humeros.

Un tercer proyecto consiste en instalar dos unidades a condensación, una de 25 y otra de 50 MW, en el campo de Cerritos Colorados donde, como se mencionó antes, la CFE ha evaluado un potencial de 75 MW. El proyecto incluye también la construcción de una línea de transmisión en 69 kiloVolts (kV), de más de 14 kilómetros de longitud. El plan es presentar a fines de año la Manifestación de Impacto Ambiental ante las autoridades correspondientes de la SEMARNAT.

Pero además de los campos geotérmicos en explotación, la CFE ha identificado otras zonas geotérmicas en México susceptibles de contener yacimientos geotérmicos de alta temperatura en su subsuelo. Muchas de ellas han sido exploradas con estudios geológicos, geoquímicos y geofísicos y en algunas se han perforado pozos exploratorios. Las más importantes de esas zonas son las de Acoculco, Pue., Tulecheck, BC, La Soledad, Jal., y el Domo San Pedro, Nay. Los planes actuales de la GPG consideran la ejecución de más estudios y la perforación de pozos en las que resulten de mayor interés.

Es poco probable que entre esas nuevas zonas geotérmicas se encuentre un yacimiento de la magnitud de los de Cerro Prieto o Los Azufres. Pero el país tiene una gran cantidad de recursos geotérmicos de baja temperatura que pueden aprovecharse para generar electricidad con plantas de ciclo binario. Como se dijo antes, el costo de este tipo de plantas aún resulta poco competitivo comparado con el de las plantas convencionales. Sin embargo, en la medida en que el petróleo continúa aumentando de precio y reduciendo sus reservas probadas, las perspectivas de generar energía eléctrica con recursos geotérmicos de baja temperatura se vuelven más prometedoras. Sin duda, este es el futuro de la energía geotérmica en México.

Bibliografía

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