Una vasta fuente de energía verde sin explotar se esconde debajo de tus pies

Vasta fuente de energía verde bajo tus pies

Pocas personas en la Tierra han llegado más cerca de su centro que Buzz Speyrer, un ingeniero de perforación con una larga carrera en petróleo y gas. Está a unos 1.800 millas de profundidad hasta el núcleo, ardiente por impactos celestiales que datan de miles de millones de años y alimentado hasta hoy por fricción y radioactividad. Ese calor que se filtra hacia arriba convierte la roca en un líquido viscoso y más allá en un estado gelatinoso que los geólogos llaman plástico. Solo a unos 100 millas de la superficie, la roca se vuelve familiar, dura y perforable.

En este momento, el equipo de Speyrer está a unas 8.500 pies por debajo de nosotros, aproximadamente el 2 por ciento del camino a través de esa capa, donde el calor ya es tan intenso que cada pie adicional, cada pulgada adicional, es una victoria difícilmente ganada. Allí abajo, cualquier líquido que bombees se convertiría, como dice Speyrer, lo suficientemente caliente como para freír un pavo. “Imagínate eso salpicándote”, dice él. A esa temperatura, alrededor de 450 grados Fahrenheit (228 grados Celsius), su equipo puede comenzar a tener problemas. Los componentes electrónicos fallan. Los rodamientos se deforman. Cientos de miles de dólares en equipos pueden caer en un pozo, y si se avería allí, asegúrate de que no se quede atascado. En ese caso, lo mejor es simplemente tapar ese agujero, que probablemente costó millones de dólares perforar, sumar tus pérdidas y seguir adelante.

Incluso cuando las cosas van bien allí abajo, es difícil saberlo desde aquí en la superficie de la Tierra. “Es frustrante como el infierno”, dice Joseph Moore, un geólogo de la Universidad de Utah, mientras observa los movimientos vacilantes de una plataforma de 160 pies de altura a través de la ventana de un remolque. Es un día fresco en 2022, en un remoto condado del oeste de Utah llamado Beaver, donde una brisa sopla desde las Montañas Mineral hacia las granjas porcinas y los aerogeneradores en el valle. La plataforma se parece mucho a cualquier instalación de petróleo y gas que salpica el oeste de Estados Unidos. Pero no hay hidrocarburos en el granito debajo de nosotros, solo calor.

Desde 2018, Moore ha liderado una apuesta de 220 millones de dólares por parte del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), llamada FORGE, o el Observatorio Fronterizo para la Investigación en Energía Geotérmica, que este calor puede ser aprovechado para producir electricidad en la mayoría de las partes del mundo. La energía geotérmica es hoy un recurso raro, aprovechado solo en lugares donde la corteza se ha agrietado un poco y el calor se mezcla con el agua subterránea, produciendo manantiales termales o géiseres que pueden impulsar turbinas generadoras de electricidad. Pero esos puntos calientes acuosos son raros. Islandia, en medio de dos placas tectónicas divergentes, tiene una gran suerte geológica y produce aproximadamente una cuarta parte de su electricidad de esa manera; en Kenia, el vulcanismo en el Gran Valle del Rift ayuda a elevar esa cifra a más del 40 por ciento. En Estados Unidos, es solo un 0,4 por ciento, casi todo procedente de California y Nevada.

Sin embargo, hay roca caliente en todas partes, si se perfora lo suficientemente profundo. El proyecto de Moore intenta crear un sistema geotérmico “mejorado”, o EGS, llegando a roca caliente y densa como el granito, abriéndola para formar un reservorio y luego bombeando agua para absorber el calor. El agua luego se extrae a través de un segundo pozo, emergiendo a unas pocas cientos de grados más caliente de lo que estaba antes: un manantial caliente artificial que puede impulsar turbinas de vapor. Ese diseño puede sonar sencillo, canalizando agua desde el punto A al punto B, pero a pesar de medio siglo de trabajo, las complejidades de la ingeniería y la geología han hecho que nadie haya logrado hacer que el EGS funcione a escala práctica, todavía.

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Energía limpia y confiable del núcleo de la Tierra puede complementar la energía intermitente del viento y el sol

Moore está tratando de demostrar que se puede hacer. Y en el proceso, tal vez pueda entusiasmar a más empresarios e inversores con la geotermia como él lo está. La generación de electricidad renovable, ya sea del sol, el viento o el suelo caliente, normalmente ofrece retornos estables pero poco destacados una vez que la energía comienza a fluir. Eso está bien si los costos iniciales son baratos, un requisito que las turbinas eólicas y los paneles solares ahora cumplen en general. La geotermia, por otra parte, requiere un proyecto de perforación multimillonario y arriesgado para comenzar. Aunque sea energía limpia y confiable derivada del núcleo de la Tierra puede complementar la energía intermitente del viento y el sol, hay apuestas subterráneas más seguras para aquellos con experiencia y financiamiento para perforar: Un pozo geotérmico puede tardar 15 años en recuperar su costo; una plataforma de gas natural lo logra en dos.

No sorprende, entonces, que haya 2 millones de pozos activos de petróleo y gas en todo el mundo, pero solo 15.000 de geotermia, según la consultora energética noruega Rystad Energy. Casi todos son hidrotermales, dependiendo de esas fuentes naturales de agua caliente. Solo unos pocos son EGS. Un trío de plantas en funcionamiento en el este de Francia produce solo una pequeña cantidad de energía, habiendo perforado en una roca relativamente fría. Luego están los experimentos más calientes, como aquí en Utah y al otro lado de la frontera en Nevada, donde una startup de Houston llamada Fervo está trabajando para conectar dos pozos propios, un proyecto que está destinado a proporcionar energía limpia a un centro de datos de Google.

Moore cree que FORGE puede hacer que la EGS sea más atractiva al mostrar que es posible alcanzar temperaturas más altas. Cada grado adicional debería significar más energía inyectada en la red y más ganancias. Pero perforar granito caliente y duro, en lugar de esquisto más frío y más suave que los fracturadores de gas como Speyrer suelen dividir, no es trivial. Tampoco lo es perforar los pozos anchos necesarios para mover grandes volúmenes de agua para una planta geotérmica. Por lo tanto, un problema de la gallina y el huevo: la industria geotérmica necesita herramientas y técnicas adaptadas del petróleo y el gas, y en algunos casos, completamente nuevas, pero porque nadie sabe si la EGS funcionará, aún no existen. Ahí es donde entra FORGE, desempeñando un papel que Moore describe como “desmitificar” las herramientas y métodos. “Nadie va a gastar ese dinero a menos que yo gaste ese dinero”, dice él.

En el condado de Beaver, su equipo está probando un tapón de puente, una especie de tapa, que sellará una sección de tubería para que el agua pueda ser forzada a la roca circundante con suficiente fuerza para agrietar el granito. Es tarde por la mañana y una docena de camiones cisterna de agua están estacionados en formación imponente junto a la plataforma de perforación. Alrededor del mediodía, probarán si el tapón puede soportar la presión, y antes de la cena, deberían disparar “las armas”: pequeñas cargas explosivas para perforar la tubería. Luego, empujarán el agua para dividir la roca a tiempo para una merienda de medianoche, “si todo va bien”, dice Moore.

En otras palabras, una fractura bastante estándar, la técnica que ha inundado a los Estados Unidos con una abundancia de gas natural en los últimos 15 años. Pero no utilice la palabra con “f” con demasiada libertad, por favor, es bastante tabú en la geotermia, a pesar de que el futuro de la industria puede depender de la tecnología. La sensibilidad no se trata solo de la asociación con los combustibles fósiles. Si se fractura en el lugar equivocado, sobre alguna falla oculta, la tierra puede temblar con una intensidad dañina.

El equipo está observando de cerca los datos registrados por ocho geófonos, detectores acústicos que captan ondas sísmicas, colgando en pozos cercanos. Hasta ahora, la única señal clara es que hace mucho calor allá abajo. Unos minutos antes del inicio de la prueba de presión, John McLennan, un ingeniero químico que coadministra la fractura, llega al remolque con malas noticias sobre un par de geófonos.

“Ambos han fallado”, dice. “No pueden soportar la temperatura”.

“Soy demasiado viejo para esto”, responde Moore.

Habían sido unos días largos. No se suponía que fuera una operación de 24 horas, pero ahí estaban, retrasados ​​por los fuertes vientos y el mal funcionamiento del equipo, otro largo día y noche por delante. Ahora había perdido un par de oídos cruciales que le decían lo que estaba sucediendo debajo de la superficie.

Mientras el equipo de FORGE se prepara para la fractura, Moore y yo conducimos hacia las Montañas Mineral para ver por qué la energía geotérmica hasta ahora no ha alcanzado su potencial. Nos detenemos en la cerca perimetral de la Planta Geotérmica Blundell, que se encuentra a pocas millas de FORGE, en el borde oriental de una zona caliente que se extiende cientos de millas hacia el oeste hasta el Pacífico. El atractivo de la ubicación es obvio. Cerca del sitio, las fisuras en la roca revelan lugares donde el agua caliente ha burbujeado hacia la superficie, llevando minerales que se endurecieron en riachuelos de cristal. A pocos cientos de pies de distancia, nubes sulfurosas se elevan desde el suelo alrededor de un cobertizo del siglo XIX donde los vaqueros y los mineros solían hacer baños calientes.

La planta, propiedad de la empresa de servicios públicos eléctricos con sede en Portland, PacifiCorp, fue construida durante un auge geotérmico durante la crisis del petróleo de la década de 1970. Pero cuando sus turbinas comenzaron a girar en 1984, los precios de la energía habían caído y el auge ya estaba desvaneciéndose. La gran mayoría de las plantas estadounidenses en funcionamiento hoy en día aún datan de la década de 1980, un hecho doloroso para un entusiasta de la geotermia como Moore. Su propio viaje en la industria comenzó alrededor de esa época, cuando hizo la transición de una carrera anterior prospectando depósitos de uranio, una industria en declive en ese momento, que inicialmente lo llevó a Utah desde su ciudad natal, la ciudad de Nueva York.

Considera que Blundell está especialmente desaprovechada, señalando turbinas que podrían actualizarse para producir más energía y lugares donde PacifiCorp podría perforar más pozos hidrotermales. “Es solo aversión al riesgo”, dice. “Dicen, ‘no puedo ver lo que hay debajo del suelo, así que soy escéptico acerca de perforar'” (PacifiCorp no respondió a las solicitudes de comentarios).

Solo unas pocas empresas están explorando nuevas ubicaciones hidrotermales. Una de ellas es Ormat Technologies, con sede en Reno, que posee y opera más de 20 plantas geotérmicas en todo el mundo. Paul Thomsen, vicepresidente de desarrollo empresarial de la compañía, me cuenta cómo Ormat estableció su negocio mediante la compra de plantas existentes y la actualización de sus turbinas para obtener más energía del mismo agua caliente. Más recientemente, aprovechando su experiencia en todo, desde la perforación hasta las operaciones de las plantas, comenzó a construir nuevas plantas.

Pero elegir a los ganadores es complicado, incluso cuando hay un recurso hidrotermal obvio para explotar. Los pueblos del desierto en el oeste de Estados Unidos se han rebelado contra las propuestas por temor a que se agote el agua subterránea. Y dondequiera que los biólogos busquen en aguas termales, encuentran especies únicas que merecen protección. A esto se suman los largos procesos de permisos y los desafíos de conectar nuevas plantas a la red eléctrica, y las opciones se reducen. Ormat ha tenido recientes contratiempos en dos de sus sitios propuestos, por el agua subterránea cerca del sitio de Burning Man en Nevada y por el pequeño sapo del Valle de Dixie, una especie recientemente incluida en la lista de especies en peligro de extinción.

Los desafíos de los manantiales termales naturales han hecho que la creación de manantiales artificiales sea aún más atractiva. En 2006, el Departamento de Energía (DOE), junto con investigadores del MIT, publicó un informe que describía un plan para que la energía geotérmica fuera un importante contribuyente a la red eléctrica de Estados Unidos para ayudar a alcanzar los objetivos climáticos. La flexibilidad ofrecida por EGS fue el corazón de ello. Aunque la profundidad a la que la roca se calienta lo suficiente varía (más superficial en el oeste de Estados Unidos que en la costa este, por ejemplo), los científicos consideraron que podría ser razonable perforar para obtener calor en la mayoría de los lugares, ya sea para producir electricidad o, a temperaturas más bajas, agua caliente para calentar edificios.

En 2014, el DOE comenzó a buscar un lugar para servir como campo de pruebas para reutilizar herramientas del petróleo y el gas, y cuatro años después eligió el condado de Beaver como hogar del experimento. Poco después, la agencia calculó que la energía geotérmica podría satisfacer el 8.5 por ciento de la demanda de electricidad de Estados Unidos para 2050, un aumento de 26 veces con respecto a hoy. Lo único que faltaba era la prueba de que EGS funcionaba.

El pozo Forge desciende directamente aproximadamente 6,000 pies (1.8 kilómetros), alcanzando granito aproximadamente dos tercios del camino antes de hacer un giro de 65 grados y avanzar casi 5,000 pies (1.5 kilómetros) más. Entre las pasiones de Moore, demostradas entusiastamente con gestos de manos y diagramas en servilletas, se encuentra el “campo de estrés” interno del granito que determina cómo se fracturará bajo presión.

Comprender ese campo de estrés es esencial. Para una planta de energía eficiente, las fracturas deben extenderse lo suficiente como para que el agua se mueva eficientemente entre los dos pozos, pero no demasiado rápido, dice Teresa Jordan, una científica geotérmica de la Universidad de Cornell en Nueva York, donde lidera un proyecto EGS destinado a calentar edificios del campus con agua geotérmica. “Quieres que se tome su tiempo, pasando mucho tiempo en contacto con rocas que lo calentarán”, dice. Las fracturas también deben suministrar la mayor cantidad de agua posible al segundo pozo, sin pasar por fisuras ocultas en el camino, y también mantenerse caliente durante años de uso. Las rocas calientes pueden enfriarse si el agua fría bombeada absorbe el calor más rápido de lo que el núcleo puede reponerlo. La pérdida de agua y el agotamiento del calor han desempeñado un papel en fracasos anteriores de EGS, incluidos los de Nuevo México en la década de 1980 y del sur de Australia en 2015.

Esos riesgos han llevado a otros a buscar enfoques diferentes, cada uno con sus propios compromisos. Uno de ellos, un sistema de “circuito cerrado”, implica correr tuberías selladas hacia abajo en la roca caliente y luego volver a la superficie, evitando que el agua se drene bajo tierra. Pero ha resultado difícil calentar lo suficiente el líquido que no toca directamente las rocas calientes. O tal vez se perfora muy profundamente, digamos, a 12 millas de profundidad, donde las temperaturas pueden superar los 1,650 grados Fahrenheit (900 grados Celsius), suficiente para que el calor suba directamente a la superficie por un solo pozo. Pero las herramientas para perforar a tales profundidades aún son experimentales. Otros creen que los pozos existentes de petróleo y gas son la respuesta, ahorrando costos de perforación y desbloqueando las abundantes herramientas de la industria para sus propios pozos. Pero los pozos más estrechos utilizados para extraer combustibles fósiles no están diseñados para bombear los volúmenes masivos de agua necesarios para una planta de energía.

Los defensores de EGS argumentan que diseños como FORGE encuentran el equilibrio adecuado, añadiendo suficiente calor y flexibilidad en comparación con la geotermia tradicional, al tiempo que pueden aprovechar los métodos del petróleo y el gas. Los experimentos más recientes de EGS se ven facilitados por los avances en la perforación horizontal y los modelos de fracturación hidráulica mejorados, dice Tim Latimer, CEO de Fervo, que está trabajando con FORGE mientras desarrolla su propio proyecto de EGS en Nevada. Me dice que cree que las proyecciones que los inversores de energía utilizan para estimar los costos de perforación geotérmica, las cuales los hacen dudar, están 15 años desactualizadas. Durante la perforación del primer pozo FORGE, señala, el equipo demostró que podía reducir a la mitad el tiempo utilizando una nueva broca con punta de diamante, reduciendo los costos totales en un 20 por ciento.

Crear un depósito subterráneo artificial requiere utilizar la fracturación hidráulica para crear grietas que unan dos pozos paralelos: uno para inyectar agua fría y otro para extraer agua caliente.

Cortesía de Utah FORGE

Alrededor de las 3 pm, después de nuestro paseo por la planta de Blundell, Moore regresa al sitio de perforación y ve a McLennan corriendo hacia él para saludarlo. Tiene buenas noticias. Primero: El tapón ha resistido la presión. Moore suelta un gran suspiro, con las manos en las caderas. “Me alegra que haya terminado”, dice. Más tarde, después de que se disparan las armas y se bombea agua, una “nube sísmica” de pequeños temblores captados por los geófonos restantes, suspendidos a menor temperatura y profundidad, indica que las grietas se extienden aproximadamente 400 pies desde el pozo, la distancia adecuada para conectar con el segundo pozo futuro que extraerá agua recién calentada hacia la superficie. Una tercera buena noticia es que la nube sísmica no se pudo sentir en la superficie.

Eso es especialmente buena noticia para Peter Meier, CEO de Geo-Energie Suisse, un consorcio de energía geotérmica. Viajó a Utah desde Suiza principalmente para escuchar los geófonos. En 2006, se produjo un terremoto de magnitud 3.1 después de que los ingenieros de un proyecto suizo de EGS intentaran crear un depósito de agua demasiado grande y perturbaran una falla no mapeada, dañando hogares cercanos en Basilea. (Un geólogo enfrentó cargos de negligencia criminal por su papel en el terremoto, pero más tarde fue absuelto). Los gobiernos locales en Suiza han sido cautelosos con las operaciones de EGS desde entonces.

En 2017, un terremoto aún más grande provocado por un proyecto de EGS en Corea del Sur, que dejó 82 heridos, disminuyó aún más las perspectivas del concepto. Pero Meier cree que esos terremotos se debieron a una mala planificación por parte de los ingenieros, evitables con un estudio más cuidadoso de las rocas. Ve a FORGE como una oportunidad para rescatar la reputación de EGS al demostrar que funciona de manera segura. “Hasta que tengamos una historia de éxito, es una discusión sobre la fracturación hidráulica, porque básicamente, eso es lo que es”, dice.

El sitio de FORGE se encuentra al este de las Montañas de los Minerales, al pie de las cuales se encuentran manantiales de agua caliente explotados por una planta geotérmica convencional.

Fotografía: Eric Larson/Flash Point SLC

Esta primavera, Moore regresó al condado de Beaver para perforar el pozo número dos. Después de casi un año de revisar los datos de la fracturación inicial, se sentía seguro de que el pozo de producción, perforado directamente a través de la nube de grietas de la fracturación, tendría éxito en recuperar agua. A principios de este mes, se demostró que tenía razón: Casi 76,000 galones entraron por el primer agujero a una velocidad de aproximadamente 210 galones por minuto y salieron por el otro extremo más calientes. Una prueba a gran escala en 2024 acercará las tasas de flujo a las requeridas para las plantas comerciales de EGS, que deberían circular más de mil galones por minuto.

Parte de la confianza de Moore era que sabía que estaba jugando en modo fácil. Diseñadamente, los dos pozos están demasiado cerca para extraer un calor sustancial para una planta de energía; el objetivo en esta etapa era principalmente las herramientas y técnicas financiadas y probadas en el camino. Antes de la prueba, Moore estaba emocionado de hablarme sobre los nuevos dispositivos disponibles para crear el pozo de producción, incluida la perforación de partículas, en la que la roca se desgasta al disparar pequeñas bolas de metal de alta velocidad; un sistema de perforación rotativo que podrían dirigir desde la superficie; y geófonos mejorados, más resistentes al calor.

Al final, los tres fueron menos útiles de lo que Moore esperaba. La perforación de partículas y el sistema dirigible resultaron ser más problemáticos de lo que valían, especialmente en comparación con el éxito anterior de las brocas con punta de diamante. Los geófonos modificados aún se estropeaban más allá de aproximadamente 300 grados Fahrenheit (150 grados Celsius); Moore dice que eventualmente cambiarán a dispositivos a prueba de calor, basados en fibra óptica. Pero ese es el punto, dice, de “desarriesgar”. A veces es útil ver qué se rompe.

Hay otras razones para sentir esperanza. Pocos días después de la conexión de FORGE, Fervo publicó los resultados de su propio test de conexión de 30 días en Nevada. El resultado, según Latimer, es “el proyecto geotérmico mejorado más productivo que se haya completado”, produciendo suficiente agua caliente para generar aproximadamente 3.5 megavatios de electricidad. Los pozos fueron perforados cerca de una planta hidrotermal existente que tiene espacio para más capacidad y producirá energía para finales del verano, dice.

“Hemos demostrado que funciona”, dice Latimer. “Ahora la pregunta es qué tan rápido podemos reducir los costos”. Eso incluye volverse más caliente. Los pozos de Nevada de Fervo alcanzaron su punto máximo a 370 grados Fahrenheit (190 grados Celsius), más caliente, señala, que cualquier otro pozo de petróleo y gas horizontal en los Estados Unidos, y lo suficientemente caliente como para demostrar que sus propias herramientas pueden alcanzar una temperatura un poco más alta la próxima vez. También hay preguntas cruciales sobre la perforación, agrega: la distancia óptima entre los pozos, los ángulos, la profundidad. “No es como el software donde se puede iterar rápidamente”, dice. La industria necesita más experimentos, más proyectos, para descubrir la combinación más productiva, cada uno de ellos destinado a ser costoso y difícil.

Es probable que haya más oportunidades para iterar. El US Inflation Reduction Act ha invertido dinero en infraestructura de energía verde, añadiendo incentivos al desarrollo geotérmico que lo acercan a los disponibles para la energía eólica y solar. Mientras tanto, el DOE aumentó su objetivo de generación de electricidad geotérmica en 2050 en un 50 por ciento, a 90 MW, basado en parte en las perspectivas mejoradas de la tecnología EGS, y en febrero anunció que invertiría $74 millones adicionales en demostraciones piloto de EGS. Ninguno de ellos es probable que se caliente tanto como FORGE por el momento, sospecha Moore. “Creo que vamos a estar mirando temperaturas donde sabemos que las herramientas funcionan”, dice. Pero es un comienzo.

Algunos podrían intentar utilizar ese calor para calefacción directa, como el proyecto de Jordan en Cornell. Otros podrían perforar en el borde de áreas hidrotermales probadas, donde el calor es más accesible. Y hay otros enfoques creativos para maximizar los ingresos. Fervo y otros han propuesto utilizar sus pozos como baterías, bombeando agua cuando la red tiene exceso de energía y luego devolviéndola caliente en momentos más delgados para generar energía, o construyendo plantas junto a instalaciones ávidas de energía como centros de datos o futuras plantas de eliminación de carbono, evitando los desafíos de conectarse a una red eléctrica sobrecargada.

Escalar a partir de ahí requerirá mucha más inversión. Y queda por ver en qué medida los inversores, especialmente en petróleo y gas, tomarán el relevo. Este año, Fervo recibió una inversión de $10 millones de la compañía de petróleo y gas Devon Energy, pionera en la fracturación hidráulica. El mes pasado, Eavor, una startup geotérmica de ciclo cerrado, anunció que BP Ventures había liderado su última ronda de financiación. “Ha pasado de cero a algo”, dice Henning Bjørvik, quien sigue la industria geotérmica en Rystad, la consultora energética. Pero el petróleo y el gas siguen siendo tanto competidores, en términos de equipos, experiencia y tierras, como amigos de la geotermia, y los compromisos con la energía limpia pueden volverse volubles cuando los precios de los combustibles fósiles comienzan a aumentar. Lo que los inversores necesitan ver, dice Bjørvik, es que esta industria embrionaria puede escalar a cientos o miles de plantas, con suficiente potencial de ganancias para superar los riesgos de cualquier proyecto individual que fracase.

La forma de hacerlo, cree Moore, es seguir demostrando cómo las cosas pueden volverse solo un poco más calientes. Completar la investigación en el segundo pozo FORGE agotará su subvención actual del DOE en 2025, pero ha solicitado nuevos fondos para perforar pozos que estén más separados y, por supuesto, probar nuevas herramientas a temperaturas cada vez más altas. Para entonces, tendrá un nuevo vecino. La plataforma para el próximo proyecto de Fervo ya es visible desde la plataforma del pozo FORGE, el comienzo de lo que se planea como una planta de energía a gran escala.

Si todo va según lo planeado, producirá 400 megavatios de energía, dice Latimer, suficiente para abastecer de energía a 300,000 hogares. Fue lógico, dice, perforar a la sombra de FORGE y Blundell. El sitio ha sido ampliamente estudiado y tiene interconexiones en la red para transportar la electricidad a los clientes iniciales de Fervo en California. El objetivo es la energía geotérmica en cualquier lugar. Por ahora, tiene sentido comenzar aquí.

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