Los científicos que perforan los agujeros más profundos de la Tierra para conseguir agua a 500 ºC de temperatura

Bajo nuestros pies hay una fuente de energía casi ilimitada: el calor geotérmico.

El desafío es cómo llegar lo suficientemente profundo.

Hay algunos lugares en el mundo donde la energía literalmente burbujea a la superficie.

En Islandia, hogar de más de 200 volcanes y decenas de fuentes termales naturales, aprovechar esta energía no es difícil.

Dispersas por todo el país hay piscinas de agua humeante, calentadas por los fuegos geotérmicos que arden justo debajo de la corteza.

Los géiseres lanzan chorros de agua hirviendo y vapor al aire.

Islandia calienta ahora el 85% de sus casas con esta energía geotérmica, mientras que el 25% de la electricidad del país también proviene de centrales eléctricas que aprovechan este calor subterráneo.

Es una perspectiva atractiva: una fuente casi ilimitada de energía esperando ser aprovechada.

La energía geotérmica ofrece un suministro de energía verde esencialmente inagotable en todo el planeta.

Y está "siempre activa", a diferencia de la energía eólica o solar, ya que el calor se emite contínuamente desde el núcleo fundido de la Tierra y la descomposición de elementos radiactivos naturales en la corteza de nuestro planeta.

De hecho, la Tierra emite cantidades tan grandes de energía al enfriarse que el calor que se pierde en el espacio cada año es suficiente para satisfacer muchas veces la demanda total de energía del mundo.

El desafío es aprovecharla.

Pozos más profundos

Solo 32 países del mundo tienen plantas de energía geotérmica en funcionamiento, y son menos de 700 en total que, sumadas, generaron alrededor de 97 teravatios hora (TWh) en 2023.

Eso es menos de la mitad de la cantidad de electricidad generada por paneles solares solo en EE.UU. y muy por debajo de las estimaciones sobre la contribución potencial que la geotermia podría hacer a la combinación energética mundial, que científicos estiman en alrededor de 800-1.400 TWh anuales de electricidad para mediados de siglo, y entre 3.300 y 3.800 TWh adicionales para calefaccionar casas y empresas.

"La Tierra en sí misma tiene el potencial de abordar una variedad de obstáculos en la transición hacia un futuro de energía limpia", afirmó Amanda Kolker, directora del programa geotérmico del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) de EE.UU., al publicar en 2023 un informe sobre el potencial de la energía geotérmica.

Pero no todos los países tienen tanta suerte como Islandia, donde se puede acceder fácilmente a depósitos de agua caliente a temperaturas de entre 120 y 240 °C cerca de la superficie, o de hasta 350 °C en pozos perforados a profundidades de hasta 2,5 kilómetros .

En el principal sitio geotérmico de Islandia, Reykjanes, se han perforado pozos experimentales a 4,6 kilómetros de profundidad para acceder a fluidos de hasta 600 °C.

Hoy en día, la extracción de calor se lleva a cabo a diario mediante pozos menos profundos que aprovechan temperaturas de alrededor de 320 °C para generar 720 gigavatios hora (GWh) de electricidad al año.

Una de las razones por las que la energía geotérmica no está más extendida es la elevada inversión inicial necesaria para extraerla.

Pero también, hasta ahora, alcanzarla físicamente estaba fuera de nuestro alcance.

Para que otras partes del mundo disfruten de una parte de esta bonanza geotérmica de energía limpia, se precisa perforar a mayor profundidad para alcanzar las temperaturas necesarias.

El estado "supercrítico" del agua

En gran parte del planeta, las temperaturas aumentan de media entre 25 y 30 ºC por cada kilómetro que se recorre a través de la corteza terrestre.

Si se perfora lo suficiente, es posible llegar a un punto en el que las temperaturas del agua superan los 374 ºC a presiones superiores a 220 bares (un bar es la presión media en la superficie de la Tierra a nivel del mar).

En ese momento, el agua entra en un estado de gran intensidad energética conocido como "supercrítico", en el que existe en una forma que no es ni líquida ni gaseosa. Cuanto más caliente y más presurizada esté, más energía contiene.

De hecho, un solo pozo geotérmico supercaliente podría producir entre cinco y diez veces la energía que producen hoy los pozos geotérmicos comerciales, según el NREL.

Sin embargo, un obstáculo importante es que las perforadoras rotativas convencionales, incluso las que tienen punta de diamante, no están bien equipadas para excavar a las profundidades necesarias para acceder a ese tipo de temperaturas.

En el misterioso submundo profundo de geología incierta, temperaturas extremas y enormes presiones, los componentes de la perforadora pueden fallar con frecuencia, mientras que evitar que los pozos se bloqueen es una batalla constante.

En 2009, por ejemplo, un equipo que trabajaba en el Proyecto de Perforación Profunda de Islandia aprovechó inadvertidamente condiciones supercríticas cuando perforó una cámara de magma en el volcán Krafla, a unos 2 kilómetros debajo de la superficie.

El vapor sobrecalentado emitido por este pozo era altamente ácido, lo que dificultaba su uso.

Las altas presiones y temperaturas involucradas también complicaban su control, y tuvo que ser descargado de manera intermitente durante unos dos años antes de que una falla en la válvula obligara a sellar el pozo.

La perforación profunda también puede ser una tarea costosa y que requiere mucho tiempo.

El pozo más profundo jamás cavado por el hombre data de la Guerra Fría, cuando las superpotencias competían por perforar lo máximo posible la corteza terrestre.

Nuevas técnicas

Los soviéticos lograron abrirse paso a través de 12,2 kilómetros de roca, y crearon el pozo superprofundo de Kola, en la península de Kola, en lo alto del Círculo Polar Ártico.

Les llevó casi 20 años alcanzar esa profundidad.

El NREL estima que el costo de perforar un pozo de 1 kilómetro de profundidad es de alrededor de US$2 millones, mientras que perforar cuatro veces esa profundidad puede costar entre US$6 millones y US$10 millones con la tecnología actual.

Sin embargo, la energía geotérmica profunda podría proporcionar un ahorro considerable de costos en comparación con la geotérmica convencional, debido a sus temperaturas y presiones más altas.

Estudios han sugerido que la energía geotérmica profunda podría proporcionar calefacción a las comunidades a costos similares a otras formas de calefacción, como el uso de gas, pero con menos emisiones de gases de efecto invernadero.

Con esto en mente, investigadores y empresas pioneras están recurriendo a nuevos tipos de taladros y técnicas para perforar algunos de los pozos más profundos jamás creados, con la esperanza de llevar energía geotérmica a partes del mundo que nunca pensaron que fuera posible.

Quaise Energy, una empresa derivada del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por su sigla en inglés) tiene como objetivo perforar pozos de hasta 20 kilómetros de profundidad para alcanzar temperaturas de 500 °C o más.

Para ello, están recurriendo a una herramienta que se basa en años de investigación sobre energía de fusión nuclear.

"Mientras otros están poniendo palas en el suelo, nosotros estamos poniendo microondas en el suelo por primera vez", dice el cofundador de la empresa Matt Houde.

Él y sus colegas están experimentando con rayos de energía dirigidos por ondas milimétricas que vaporizan incluso la roca más dura.

El método consiste en enfocar un haz de radiación de alta potencia similar a las microondas, pero a una frecuencia más alta, sobre un segmento de roca, calentándolo hasta 3.000 °C para que se funda y se vaporice.

Al dirigir el haz de manera que atraviese la roca, se pueden crear agujeros sin los escombros y la fricción que crean las técnicas de perforación tradicionales.

"La perforación con ondas milimétricas es un proceso que puede funcionar en gran medida independientemente de la profundidad", sostiene Houde.

"Y la energía de ondas milimétricas también puede transmitirse a través de entornos sucios y polvorientos", agrega.

La tecnología surgió de los experimentos de plasma de fusión nuclear realizados por Paul Woskov, ingeniero del Centro de Ciencia y Fusión del Plasma del MIT.

La energía dirigida por ondas milimétricas se ha explorado como una forma de calentar el plasma en los reactores de fusión nuclear desde la década de 1970, pero hace unos años Woskov encontró otro uso para la tecnología.

Comenzó a utilizar haces de ondas milimétricas generados por un dispositivo conocido como girotrón para fundir la roca.

Hasta ahora, la tecnología solo se ha probado en el laboratorio, perforando agujeros poco profundos en muestras de roca relativamente pequeñas, pero la empresa afirma que puede perforar la roca a unos 3,5 metros por hora.

Si bien es un proceso lento en comparación con las técnicas tradicionales, existen otros beneficios, ya que la "broca" no está perforando físicamente la roca, no debería desgastarse ni necesitar reemplazo.

Quaise Energy se encuentra ahora en la etapa final de pruebas de laboratorio de la tecnología de ondas milimétricas antes de comenzar las pruebas de campo a principios de 2025.

Pero trasladar la nueva tecnología del laboratorio a una operación de perforación a gran escala seguirá siendo un desafío.

"Nunca antes se ha utilizado en el entorno subterráneo de alta presión y profundidad", dice Woskov.

"Los cambios debidos a la intensa interacción entre energía y materia aplicada a la perforación requieren una nueva curva de aprendizaje", agrega.

Otras tecnologías innovadoras

Mientras tanto, GA Drilling, con sede en Eslovaquia, está explorando una tecnología de perforación de alta energía diferente para perforar la corteza terrestre.

Está utilizando un taladro de plasma pulsado, basado en descargas eléctricas de alta energía muy cortas que desintegran la roca sin hacer que se derrita.

Esto evita la creación de roca fundida viscosa, que puede ser difícil de eliminar y puede impedir que las brocas de perforación penetren más.

"Dado que el proceso es muy rápido con choques cortos que desmenuzan la roca, no hay tiempo para que se forme la fusión, por lo que la necesidad de sacar y reemplazar la broca se reduce en gran medida", explica Igor Kocis, director ejecutivo y presidente de GA Drilling.

"Nuestro programa de desarrollo actual tiene como objetivo alcanzar entre 5 y 8 kilómetros, y más adelante, 10 kilómetros", añade.

"Estas profundidades permitirán un acceso casi universal a la energía geotérmica", sostiene.

La investigación sobre perforaciones con plasma pulsado (que utilizan pulsos de energía muy cortos que desintegran la roca utilizando gas ionizado a una temperatura de hasta 6.000 °C) es otra vía que está explorando un consorcio europeo dirigido por el grupo de Energía Geotérmica y Geofluidos (GEG), con socios en Alemania y Suiza.

GA Drilling también ha colaborado con Konstantina Vogiatzaki, profesora asociada de ciencias de la ingeniería en la Universidad de Oxford, para adaptar matemáticas avanzadas que examinen cómo se pueden controlar los fluidos supercríticos al explotar fuentes de energía de las profundidades terrestres a las que se accede mediante perforación con plasma.

"Trabajamos en la definición del sistema de combustión óptimo para una herramienta de perforación a gran escala, abriendo nuevos horizontes en el control de la combustión a presión ultraalta mediante perforación con plasma", afirma Vogiatzaki.

Otros están mirando más allá de nuestro planeta para encontrar formas de excavarlo.

Las empresas de perforación geotérmica están adoptando tecnología desarrollada para misiones de exploración planetaria en la abrasadora superficie de Venus, donde las temperaturas pueden alcanzar los 475 °C.

Ozark Integrated Circuits, un fabricante de productos electrónicos con sede en Arkansas, EE.UU., ha estado adaptando circuitos capaces de soportar temperaturas extremas que se pueden utilizar en plataformas de perforación geotérmica en las profundidades de la Tierra.

Por su parte, el NREL ha recurrido a la IA para analizar entornos subterráneos complejos con el fin de intentar encontrar los mejores lugares para perforar en busca de agua supercrítica, además de ayudar a predecir y detectar fallas con perforadoras antes de que provoquen problemas importantes.

Y algunas empresas ya están haciendo incursiones en las profundidades de la Tierra.

Un radiador gigante

La empresa geotérmica Eavor le dijo a la BBC que en 2024 alcanzó una profundidad de 5 kilómetros con dos pozos verticales en una instalación en Baviera, Alemania.

Ha estado utilizando dos de las plataformas de perforación terrestres más grandes de Europa en un esfuerzo por crear una planta a escala comercial que tiene como objetivo llevar calor geotérmico a la superficie haciendo circular agua dentro de un diseño de circuito cerrado que llama Eavor Loop.

El sistema funciona como un radiador gigante, con agua fría en el circuito que se calienta bajo tierra y luego regresa a la superficie, donde se utilizará para generar electricidad y se canalizará a las casas cercanas a través de un sistema de calefacción urbana.

Eavor espera comenzar a generar energía en el sitio en la primera mitad de 2025, dice John Redfern, director ejecutivo y presidente de Eavor.

"Nuestra tecnología busca perforar hasta 11 kilómetros en el futuro", señala la geóloga y cofundadora de Eavor, Jeanine Vany.

"Creo que podemos lograr un progreso significativo para desbloquear rocas supercalientes en los próximos tres a cinco años".

Su enfoque de circuito cerrado también ayuda a evitar algunos de los problemas de contaminación que pueden ocurrir cuando se extrae agua sobrecalentada de pozos geotérmicos profundos, como descubrió el Proyecto de Perforación Profunda de Islandia en 2009.

También puede ayudar a reducir las emisiones de gases peligrosos, como el sulfuro de hidrógeno, que pueden emitir los sistemas geotérmicos de circuito abierto.

Vany también señala que la energía geotérmica profunda no necesita mucho espacio en la superficie, lo que significa que podría ubicarse en sitios urbanos en el futuro.

Pero hay otros problemas que superar.

Todavía no está claro lo fácil o difícil que será mantener los pozos geotérmicos profundos y evitar que se bloqueen.

El impulso para explotar la energía geotérmica profunda también podría dar nueva vida a las antiguas centrales eléctricas de combustibles fósiles, ya que los países buscan apagar sus fuentes de energía tradicionales que emiten carbono.

La reconversión de antiguas centrales eléctricas de carbón en plantas geotérmicas podría ser una forma de dar una segunda vida a los generadores alimentados con vapor y ayudar a acelerar la construcción de plantas geotérmicas aprovechando las líneas de transmisión de electricidad existentes.

Quaise Energy ya ha destinado una planta de energía de carbón abandonada en el norte del estado de Nueva York, que esperan reabrir antes de finales de la década para generar electricidad a partir del calor de las profundidades subterráneas.

Hay cierta poesía en ese cambio: una central eléctrica que alguna vez funcionó con un combustible sucio extraído del suelo encuentra nueva vida en la revolución de la energía limpia con una fuente de energía de una profundidad aún mayor.

La pregunta es: ¿serán capaces los expertos de excavar lo suficientemente profundo?

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