Islandia lleva décadas utilizando la energía geotérmica para generar electricidad. Para ello, los ingenieros perforan entre uno y dos kilómetros de profundidad para acceder a fuentes subterráneas de agua caliente, que pueden alcanzar temperaturas de entre 250 y 350 grados. Estos depósitos de agua caliente se forman cuando el agua subterránea se calienta por cuerpos de magma atrapados en la roca.
En 2008, mientras buscaban depósitos geotérmicos aún más calientes que pudieran proporcionar más energía, investigadores islandeses que trabajaban en el Proyecto Islandés de Perforación Profunda (IDDP) comenzaron a perforar un pozo de cinco kilómetros en el campo de lava de Krafla. Sin embargo, la perforadora se atascó a solo dos kilómetros de profundidad. Tuvieron el mismo problema con un segundo pozo. En ambos casos, la broca se topó con lo que los geólogos llaman una intrusión magmática: una masa ascendente de magma viscoso que queda atrapada en el lecho rocoso en lugar de salir a la superficie.
Perforación de un depósito de agua supercrítica.
Justo encima de la cámara magmática, los investigadores descubrieron un depósito geotérmico de agua hasta entonces único: uno en el que las temperaturas alcanzaban los 450 grados, un estado que los científicos denominan supercrítico.
El agua se vuelve supercrítica cuando se calienta por encima de los 374 grados; a partir de ese punto, comienza a comportarse como una mezcla de las fases gaseosa y líquida. Las dos fases se vuelven inseparables e indistinguibles, lo que da lugar a un fluido que puede ser tan denso como un líquido y, al mismo tiempo, fluir con tanta facilidad como un gas.
El agua calentada por la intrusión magmática hasta alcanzar una temperatura supercrítica contiene suficiente energía térmica para que un solo pozo proporcione una capacidad eléctrica de 35 megavatios. En comparación, los pozos geotérmicos estándar actuales tienen una capacidad de entre 3 y 5 megavatios; hay que conectar toda una serie de pozos en un circuito para formar una central eléctrica con una capacidad de entre 50 y 100 megavatios. Dado que cada pozo cuesta varios millones de dólares, es fácil entender el atractivo del agua geotérmica supercrítica.
En 2011, dos años después de que se descubriera esta inusual fuente de energía, el consorcio IDDP comenzó a realizar pruebas en el pozo. Hicieron muchos descubrimientos nuevos, pero no lograron esclarecer cómo se había formado el depósito. ¿Era una rareza de la naturaleza o estos depósitos podrían estar más extendidos de lo que se suponía?
Si la roca (blanca) que rodea un cuerpo impermeable de magma (gris) es solo ligeramente permeable, el agua (roja) alrededor del magma puede calentarse mucho.
La zona roja indica las áreas en las que el agua se vuelve supercrítica. (Ilustración: basada en Scott et al. 2015, Nature Comm.)
Un modelo informático ofrece una mirada al subsuelo
Tres geocientíficos de la ETH decidieron simular este inusual sistema geotérmico con un nuevo modelo informático, y ahora entienden cómo se produce, en qué condiciones puede formarse y dónde buscar otros sistemas similares. Sus resultados y el modelado asociado acaban de publicarse en Nature Communications.
«Las simulaciones representan de forma realista el comportamiento de este depósito, aunque mantuvimos el modelo lo más sencillo posible e incluimos solo unos pocos parámetros», afirma Thomas Driesner, profesor titular del Instituto de Geoquímica y Petrología de ETH Zúrich. Añade que lo más satisfactorio de las simulaciones fue que reprodujeran lo que los investigadores islandeses del IDDP habían observado en el pozo.
La permeabilidad de la roca es decisiva
A 1.000 grados, la intrusión magmática es absolutamente impermeable al agua. Samuel Scott, estudiante de doctorado de Driesner, pudo utilizar las simulaciones para demostrar que un factor decisivo en la formación de este tipo de depósito geotérmico es la permeabilidad de la roca circundante. Si es muy permeable, el agua puede ascender por ella sin dificultad, transportando el calor de la intrusión con mayor eficacia y enfriando así el magma más rápidamente. Pero si la roca circundante es solo ligeramente permeable, el agua queda atrapada encima de la intrusión, que puede entonces calentarla por encima de su punto crítico. Además, debido a la «escasa» transferencia de calor, la cámara magmática permanece caliente durante más tiempo.
El basalto es la «incubadora» ideal
La permeabilidad de la roca en las inmediaciones del magma es clave. En esta zona, donde las temperaturas y las presiones son elevadas, el modo de deformación de la roca encajante pasa de la fracturación frágil al flujo plástico, lo que hace que se cierren las grietas y fisuras por las que podría fluir el agua. La temperatura a la que esto ocurre determina cuán caliente puede llegar a estar el agua. Los distintos tipos de roca comienzan a mostrar plasticidad a temperaturas diferentes. Mientras que el basalto, una roca volcánica típica, se vuelve plástico e impermeable a unos 500-800 grados, esta transformación se produce en el granito, más rico en silicio, a solo 350 grados.
En otras palabras, si la roca que rodea una intrusión magmática es basáltica, hay muchas posibilidades de que se forme un depósito geotérmico de este tipo. «Por eso esperamos que este tipo de depósito de calor sea más común de lo que se pensaba en zonas volcánicas como Islandia, Nueva Zelanda o Japón», concluyen los investigadores de la ETH basándose en su modelado.
El modelo ayuda a localizar depósitos
Su modelo muestra qué interacciones entre diversos factores geológicos —la permeabilidad de la roca encajante, la temperatura a la que esta se vuelve plástica y la profundidad de la intrusión— son necesarias para que se den las condiciones ideales para la formación de depósitos. Este conocimiento ayuda a acotar la búsqueda de depósitos de agua extremadamente caliente.
«El modelo nos da una idea de los criterios según los cuales se desarrollan estas zonas y de cómo reconocerlas», explica Driesner. Añade que, aunque las situaciones naturales son sin duda más complejas, el modelo es una buena herramienta y facilitará la búsqueda de este tipo de fuente de energía.
Ahora los investigadores también quieren ampliar este método. Como parte de un proyecto Sinergia financiado por el Fondo Nacional Suizo para la Investigación Científica (SNSF), quieren colaborar estrechamente con geofísicos para averiguar si estos depósitos también pueden detectarse mediante técnicas sísmicas.
Está prevista la realización de más perforaciones
El equipo de investigación de la ETH participa en una colaboración internacional que reúne a investigadores y especialistas de Suiza, Nueva Zelanda, Australia, Estados Unidos e Islandia para impulsar el desarrollo de técnicas geotérmicas. En Suiza, los conocimientos obtenidos de esta colaboración también se están incorporando a iniciativas nacionales. Entre ellas está SCCER-SoE, el Centro Suizo de Competencia para la Investigación Energética —Suministro de Electricidad— dirigido por la ETH, donde, por ejemplo, se están adaptando los métodos de simulación utilizados a los requisitos de los proyectos geotérmicos en el subsuelo suizo (no volcánico).
Islandia se encuentra en la dorsal mesoatlántica, la zona a lo largo de la cual se separan los continentes euroasiático y americano. En algunos puntos de la zona situada bajo Islandia, la corteza terrestre tiene apenas seis kilómetros de espesor, lo que permite que el magma llegue fácilmente a la superficie y que el vulcanismo sea generalizado.
Driesner sospecha que la parte islandesa de la dorsal alberga otras intrusiones magmáticas que podrían estar rodeadas de depósitos de agua supercrítica y, por tanto, interesar a la industria energética. Los investigadores islandeses están a punto de perforar un segundo pozo de prueba en la península de Reykjanes. Pero, según Driesner, en ese lugar el agua de mar se filtra al subsuelo, lo que cambia por completo las propiedades del agua supercrítica y significa que su modelo solo será parcialmente válido para las condiciones presentes allí. Por eso, para el siguiente capítulo de su tesis doctoral, Samuel Scott ya ha comenzado a adaptar el modelo para tener en cuenta el agua salada.
Este artículo se publica en colaboración con ETH Zurich. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Peter Rüegg es colaborador editorial de ETH Zurich.
Imagen: La central geotérmica de Svartsengi, en la península de Reykjanes, cerca de Reikiavik, el 23 de marzo de 2015. REUTERS/Sigtryggur Johannsson.
