COMO FUNCIONA A ENERGIA GEOTÉRMICA


O calor da terra pode ser usado como fonte de energia de muitas maneiras, desde grandes e complexas estações de energia até sistemas de bombeamento pequenos e relativamente simples. Essa energia térmica, conhecida como energia geotérmica, pode ser encontrada em praticamente qualquer lugar - tão longe quanto poços profundos remotos na Indonésia e tão perto quanto a sujeira em nossos quintais.

Muitas regiões do mundo já estão utilizando a energia geotérmica como uma solução acessível e sustentável para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e o aquecimento global e os riscos para a saúde pública que resultam de seu uso. Por exemplo, a partir de 2013, mais de 11.700 megawatts (MW) de grande capacidade geotérmica em escala de serviço público estavam em operação globalmente, com outros 11.700 MW em acréscimos de capacidade planejados no caminho. Essas instalações geotérmicas produziram aproximadamente 68 bilhões de quilowatts-hora de eletricidade, o suficiente para atender às necessidades anuais de mais de 6 milhões de residências típicas dos EUA. As usinas geotérmicas respondem por mais de 25% da eletricidade produzida na Islândia e em El Salvador. 

As usinas geotérmicas respondem por mais de 25% da eletricidade produzida na Islândia. Foto: Gretar Ívarsson
Com mais de 3.300 megawatts em oito estados, os Estados Unidos são líderes globais em capacidade geotérmica instalada. Oitenta por cento dessa capacidade está localizada na Califórnia, onde mais de 40 usinas geotérmicas fornecem quase 7% da eletricidade do estado . Em milhares de casas e prédios nos Estados Unidos, as bombas de calor geotérmicas também usam as temperaturas constantes no subsolo para aquecer e resfriar edifícios, de forma limpa e barata.


O Recurso Geotérmico

Abaixo da crosta terrestre, há uma camada de rocha quente e fundida, chamada magma. O calor é continuamente produzido nesta camada, principalmente a partir da decomposição de materiais naturalmente radioativos, como o urânio e o potássio. A quantidade de calor dentro de 10.000 metros (cerca de 33.000 pés) da superfície da Terra contém 50.000 vezes mais energia do que todos os recursos de petróleo e gás natural do mundo.
As áreas com as temperaturas mais altas do subsolo estão em regiões com vulcões ativos ou geologicamente jovens. Esses "pontos quentes" ocorrem nos limites das placas tectônicas ou em lugares onde a crosta é fina o suficiente para deixar passar o calor. A Orla do Pacífico, muitas vezes chamada de Anel de Fogo por seus muitos vulcões, tem muitos pontos quentes, incluindo alguns no Alasca, Califórnia e Oregon. Nevada tem centenas de pontos quentes, cobrindo grande parte da parte norte do estado.

Essas regiões também são sismicamente ativas. Terremotos e movimentos de magma quebram o revestimento rochoso, permitindo que a água circule. À medida que a água sobe à superfície, nascem fontes termais naturais e geysers, como o Old Faithful no Parque Nacional de Yellowstone. A água nesses sistemas pode ser superior a 200 ° C (430 ° F).

Hotspots sismicamente ativos não são os únicos lugares onde a energia geotérmica pode ser encontrada. Há um suprimento constante de calor mais ameno - útil para fins de aquecimento direto - a profundidades de 10 a algumas centenas de pés abaixo da superfície virtualmente em qualquer local da Terra. Mesmo o solo abaixo do seu próprio quintal ou escola local tem calor suficiente para controlar o clima em sua casa ou outros edifícios da comunidade. Além disso, há uma grande quantidade de energia térmica disponível a partir de formações rochosas muito profundas abaixo da superfície (4 a 10 km). Usando a tecnologia emergente conhecida como Enhanced Geothermal Systems (EGS), poderemos capturar esse calor para produção de eletricidade em uma escala muito maior do que as tecnologias convencionais permitem atualmente. Embora ainda principalmente na fase de desenvolvimento,

Se todo o potencial econômico dos recursos geotérmicos puder ser realizado, eles representariam uma enorme fonte de capacidade de produção de eletricidade. Em 2012, o Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA (NREL) descobriu que fontes geotérmicas convencionais (hidrotermais) em 13 estados têm uma capacidade potencial de 38.000 MW, o que poderia produzir 308 milhões de MWh de eletricidade anualmente.

A Geothermal Energy Association estima que 125 projetos atualmente em desenvolvimento em todo o país poderiam fornecer até 2.500 megawatts de nova capacidade.

À medida que as tecnologias EGS melhoram e se tornam competitivas, ainda mais recursos geotérmicos em grande parte inexplorados podem ser desenvolvidos. O estudo do NREL descobriu que os recursos de rocha seca quente poderiam fornecer outros 4 milhões de MW de capacidade, o que equivale a mais do que todas as necessidades atuais de eletricidade dos EUA.

Não apenas os recursos geotérmicos nos Estados Unidos oferecem grande potencial, eles também podem fornecer eletricidade de base contínua. De acordo com a NREL, os fatores de capacidade das usinas geotérmicas - uma medida da relação da eletricidade real gerada ao longo do tempo em comparação com o que seria produzido se a usina estivesse funcionando sem interrupção naquele período - são comparáveis ​​às do carvão e energia nuclear. Com a combinação tanto do tamanho da base de recursos quanto de sua consistência, a energia geotérmica pode desempenhar um papel indispensável em um sistema de energia mais limpo e sustentável.


Como a energia geotérmica é capturada

Molas geotérmicas para usinas de energia. Atualmente, a maneira mais comum de capturar a energia de fontes geotérmicas é explorar os sistemas de "convecção hidrotermal" que ocorrem naturalmente, onde a água mais fria penetra na crosta terrestre, é aquecida e sobe à superfície. Uma vez que esta água aquecida é forçada para a superfície, é relativamente simples capturar esse vapor e usá-lo para acionar geradores elétricos. Usinas de energia geotérmica perfuram seus próprios buracos na rocha para capturar o vapor com mais eficiência.

Existem três projetos básicos para usinas de energia geotérmica, os quais puxam água quente e vapor do solo, usam-na e a devolvem como água morna para prolongar a vida útil da fonte de calor. No projeto mais simples, conhecido como vapor seco, o vapor passa diretamente pela turbina, depois para um condensador onde o vapor é condensado em água. Em uma segunda abordagem, a água muito quente é despressurizada ou "acesa" no vapor, que pode então ser usada para acionar a turbina.

Na terceira abordagem, chamada de sistema de ciclo binário, a água quente é passada por um trocador de calor, onde ela aquece um segundo líquido - como o isobutano - em um circuito fechado. O isobutano ferve a uma temperatura mais baixa do que a água, por isso é mais facilmente convertido em vapor para operar a turbina.

A escolha de qual design usar é determinada pelo recurso. Se a água sair do poço como vapor, ela pode ser usada diretamente. Se for água quente de temperatura suficientemente alta, um sistema de flash pode ser usado; caso contrário, deve passar por um trocador de calor. Como há mais recursos de água quente do que fontes de vapor de vapor ou de alta temperatura, há mais potencial de crescimento no ciclo binário, o design do trocador de calor.

O maior sistema geotérmico atualmente em operação é uma usina movida a vapor em uma área chamada Geysers, ao norte de San Francisco, Califórnia. Apesar do nome, na verdade não há gêiseres lá, e o calor que é usado para energia é todo vapor, não água quente. Embora a área fosse conhecida por suas fontes termais em meados de 1800, o primeiro poço para produção de energia não foi perfurado até 1924. Poços mais profundos foram perfurados na década de 1950, mas o desenvolvimento real não ocorreu até os anos 70 e 80. . Em 1990, 26 usinas foram construídas, para uma capacidade de mais de 2.000 MW.

Devido ao rápido desenvolvimento da área na década de 1980 e à tecnologia usada, o recurso de vapor vem declinando desde 1988. Hoje, propriedade principalmente da Califórnia Calpine e com uma capacidade operacional líquida de 725 MW, as instalações dos Geysers ainda se encontram quase 60% da demanda média de eletricidade na região da costa norte da Califórnia (da ponte Golden Gate ao norte até a fronteira de Oregon). As plantas nos Geysers usam um processo de resfriamento por água evaporativo para criar um vácuo que puxa o vapor através da turbina, produzindo energia de forma mais eficiente. Mas esse processo perde de 60 a 80% do vapor para o ar, sem reinjetá-lo no subsolo. Enquanto a pressão do vapor pode estar diminuindo, as rochas subterrâneas ainda estão quentes. Para remediar a situação, várias partes interessadas se associaram para criar o Projeto de Recarga de Géiseres de Santa Rosa, que envolve o transporte de 11 milhões de galões por dia de águas residuais tratadas de comunidades vizinhas através de um oleoduto de 40 milhas e injetá-lo no solo para fornecer mais vapor. O projeto entrou em operação em 2003 e, em 2008, forneceu eletricidade adicional suficiente para aproximadamente 100.000 lares.

Uma preocupação com sistemas abertos como os Geysers é que eles emitem alguns poluentes atmosféricos. O sulfeto de hidrogênio - um gás tóxico com um odor de "ovo podre" altamente reconhecível - juntamente com vestígios de arsênico e minerais, é liberado no vapor. O sal também pode representar um problema ambiental. Em uma usina localizada no reservatório do Mar Salton, no sul da Califórnia, uma quantidade significativa de sal se acumula nos canos e deve ser removida. Enquanto a planta inicialmente coloca os sais em um aterro, eles agora re-injetam o sal de volta em um poço diferente. Com sistemas de ciclo fechado, como o sistema de ciclo binário, não há emissões e tudo que é trazido para a superfície é devolvido ao subsolo.


Uso direto do calor geotérmico

Molas geotérmicas também podem ser usadas diretamente para fins de aquecimento. A água quente geotérmica é usada para aquecer edifícios, elevar plantas em estufas, secar peixes e colheitas, remover gelo de estradas, melhorar a recuperação de petróleo, ajudar em processos industriais como pasteurizar leite e aquecer termas e água em fazendas de peixes. Em Klamath Falls, Oregon, e Boise, Idaho, a água geotérmica tem sido usada para aquecer residências e edifícios por mais de um século. Na costa leste, a cidade de Warm Springs, na Virgínia, também obtém calor diretamente da água de nascente, usando molas para aquecer um dos resorts locais.

Na Islândia, praticamente todos os edifícios do país são aquecidos com água termal. De fato, a Islândia obtém mais de 50% de sua energia primária a partir de fontes geotérmicas. Em Reykjavik, por exemplo (população de 118.000), a água quente é canalizada a 25 quilômetros de distância, e os moradores a usam para aquecimento e para água quente da torneira.


Bombas de calor de fonte subterrânea.

Uma maneira muito mais convencional de explorar a energia geotérmica é usando bombas de calor geotérmicas para fornecer calor e resfriamento aos edifícios. Também chamadas de bombas de calor de fonte subterrânea, elas aproveitam a temperatura constante de aproximadamente 30 ° C durante o ano todo, que fica a poucos metros abaixo da superfície do solo. Tanto o ar quanto o líquido anticongelante são bombeados por canos enterrados no subsolo e recirculados no prédio. No verão, o líquido movimenta o calor do prédio para o solo. No inverno, faz o contrário, fornecendo ar e água pré-aquecidos ao sistema de aquecimento do edifício.

No uso mais simples de aquecimento e resfriamento de fonte subterrânea, um tubo sai do ar externo, sob o solo, até o sistema de ventilação de um edifício. Sistemas mais complicados, mas mais eficazes, usam compressores e bombas - como nos sistemas de ar condicionado elétrico - para maximizar a transferência de calor.

Em regiões com temperaturas extremas, como no norte dos Estados Unidos no inverno e no sul dos Estados Unidos no verão, as bombas de calor de fonte subterrânea são os sistemas de aquecimento e resfriamento mais eficientes em termos de energia e ambientalmente limpos disponíveis. Muito mais eficiente que o aquecimento e resfriamento elétrico, esses sistemas podem circular de 3 a 5 vezes a energia que usam no processo. O Departamento de Energia dos EUA descobriu que bombas de calor podem economizar centenas de dólares em custos de energia a cada ano, com o sistema normalmente pagando por si mesmo em 8 a 12 anos. Créditos fiscais e outros incentivos podem reduzir o período de retorno para 5 anos ou menos.

Mais de 600.000 bombas de calor de fonte subterrânea fornecem controle climático em residências e outros edifícios nos EUA, com novas instalações ocorrendo a uma taxa de cerca de 60.000 por ano. Embora isso seja significativo, ainda é apenas uma pequena fração do mercado de aquecimento e resfriamento dos EUA, e várias barreiras para uma maior penetração no mercado permanecem. Por exemplo, apesar de suas economias de longo prazo, as bombas de calor geotérmicas têm custos iniciais mais altos. Além disso, instalá-los em residências e empresas existentes pode ser difícil, já que envolve a escavação de áreas ao redor da estrutura de um prédio. Finalmente, muitos instaladores de aquecimento e refrigeração simplesmente não estão familiarizados com a tecnologia.

No entanto, as bombas de calor de origem subterrânea estão se recuperando em algumas áreas. Nas áreas rurais sem acesso a gasodutos, as casas devem usar propano ou eletricidade para aquecimento e resfriamento. As bombas de calor são muito menos dispendiosas de operar do que esses sistemas convencionais, e como os edifícios são geralmente muito espalhados, a instalação de loops subterrâneos muitas vezes não é um problema. Laços subterrâneos podem ser facilmente instalados durante a construção de novos edifícios, resultando em economia para a vida útil do edifício. 


O futuro da energia geotérmica

A energia geotérmica tem o potencial de desempenhar um papel significativo na mudança dos Estados Unidos (e de outras regiões do mundo) para um sistema energético mais limpo e sustentável. É uma das poucas tecnologias de energia renovável que pode fornecer energia contínua e de carga base. Além disso, ao contrário das usinas de carvão e nucleares, as usinas geotérmicas binárias podem ser usadas como uma fonte flexível de energia para equilibrar a oferta variável de recursos renováveis, como eólica e solar. As plantas binárias têm a capacidade de subir e descer a produção várias vezes ao dia, de 100% da potência nominal para um mínimo de 10% .

Os custos da eletricidade de instalações geotérmicas também estão se tornando cada vez mais competitivos. A US Energy Information Administration (EIA) projetou que o custo nivelado da energia (LCOE) para novas usinas geotérmicas (chegando em 2019) será inferior a 5 centavos de dólar por quilowatt / hora (kWh), ao contrário de mais de 6 centavos para novas plantas de gás natural e mais de 9 cêntimos para o carvão convencional novo. Há também um futuro brilhante para o uso direto de recursos geotérmicos como fonte de aquecimento para residências e empresas em qualquer local.

No entanto, para aproveitar todo o potencial da energia geotérmica, duas tecnologias emergentes exigem maior desenvolvimento: Sistemas Geotérmicos Aprimorados (EGS) e co-produção de eletricidade geotérmica em poços de petróleo e gás.


Sistemas geotérmicos aprimorados

O calor geotérmico ocorre em todos os lugares sob a superfície da Terra, mas as condições que fazem a água circular para a superfície são encontradas em menos de 10% da área terrestre da Terra. Uma abordagem para capturar o calor em áreas secas é conhecida como sistemas geotérmicos avançados (EGS) ou "rochas secas quentes". Os reservatórios de rochas quentes, tipicamente a maiores profundidades abaixo da superfície do que as fontes convencionais, são primeiramente fragmentados bombeando água de alta pressão através deles. As plantas bombeiam mais água pelas rochas quentes quebradas, onde se aquecem, voltam à superfície como vapor e acionam as turbinas para gerar eletricidade. A água é então devolvida ao reservatório através de poços de injeção para completar o circuito de circulação. As plantas que usam um ciclo binário de ciclo fechado não liberam nenhum fluido ou emissão de calor além do vapor d'água.

Um estudo de 2006 do MIT descobriu que a tecnologia EGS poderia fornecer 100 gigawatts de eletricidade até 2050 . O Departamento de Energia, várias universidades, a indústria geotérmica e empresas de capital de risco (incluindo o Google) estão colaborando em projetos de pesquisa e demonstração para aproveitar o potencial do EGS. O Projeto Geotérmico Newberry em Bend, Oregon, recentemente fez progressos significativos na redução dos custos do projeto EGS e na eliminação de riscos para o desenvolvimento futuro. O DOE espera ter o EGS pronto para o desenvolvimento comercial até 2015. Austrália, França, Alemanha e Japão também têm programas de P & D para tornar o EGS comercialmente viável.

Uma causa para uma consideração cuidadosa com EGS é a possibilidade de atividade sísmica induzida que pode ocorrer de perfuração e desenvolvimento de rochas secas a quente. Este risco é semelhante ao associado à fraturação hidráulica, um método cada vez mais utilizado de perfuração de petróleo e gás, e à captura e armazenamento de dióxido de carbono em aquíferos salinos profundos. Embora uma preocupação potencialmente séria, o risco de um evento sísmico relacionado ao EGS induzido que pode ser sentido pela população circundante ou que possa causar danos significativos atualmente parece muito baixo quando os projetos estão localizados a uma distância apropriada das principais falhas e adequadamente monitorados. A seleção apropriada do local, a avaliação e o monitoramento da fraturação das rochas e da atividade sísmica durante e após a construção e a comunicação aberta e transparente com as comunidades locais também são essenciais.


Baixa temperatura e co-produção de eletricidade geotérmica em poços de petróleo e gás.

A energia geotérmica de baixa temperatura é derivada do fluido geotérmico encontrado no solo a temperaturas de 150ºC (300ºF) ou menos. Esses recursos são normalmente utilizados em aplicações de uso direto, como aquecimento de edifícios, mas também podem ser usados ​​para produzir eletricidade através de processos geotérmicos de ciclo binário. Campos de petróleo e gás já em produção representam uma grande fonte potencial deste tipo de energia geotérmica. Em muitos reservatórios de petróleo e gás existentes, uma quantidade significativa de água a alta temperatura ou condições adequadas de alta pressão estão presentes, o que poderia permitir a co-produção de eletricidade geotérmica juntamente com a extração de recursos de petróleo e gás. Em alguns casos, a exploração desses recursos geotérmicos poderia até aumentar a extração do petróleo e do gás.

Um estudo do MIT estimou que os Estados Unidos têm o potencial de desenvolver 44.000 MW de capacidade geotérmica até 2050, através da co-geração de eletricidade geotérmica em campos de petróleo e gás - principalmente nos estados do Sudeste e Planícies do sul. O estudo projetou que tais sistemas geotérmicos avançados poderiam fornecer 10 por cento da eletricidade de base dos EUA até 2050, considerando P & D e implantação durante os próximos 10 anos.

De acordo com o DOE, uma média de 25 bilhões de barris de água quente é produzida nos poços de petróleo e gás dos Estados Unidos a cada ano. Esta água, que tem sido historicamente vista como um inconveniente para os operadores de poços, poderia ser aproveitada para produzir até 3 gigawatts de energia de carga de base limpa e confiável . Essa energia poderia não apenas reduzir as emissões de gases de efeito estufa, mas também aumentar a lucratividade e prolongar a vida econômica da infraestrutura de campos de petróleo e gás existentes. O Escritório de Tecnologias Geotérmicas do DOE está trabalhando em direção ao objetivo de alcançar uma produção generalizada de energia geotérmica de baixa temperatura até 2020.

 


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