LA UTILIZACIÓN DEL CALOR TERRESTRE
ADEMÁS de la importancia científica que tiene el estudio del calor contenido en la Tierra y del valor estético en cuanto a belleza natural de sus manifestaciones superficiales, éste es importante también como recurso energético; especialmente en las condiciones actuales de consumo creciente y la búsqueda de fuentes alternas de energía.
Las manifestaciones del calor terrestre han sido utilizadas desde hace siglos tanto con fines recreacionales y medicinales, como para la extracción de los minerales que los fluidos termales arrastran y acumulan en la superficie o bien a profundidades someras. Sin embargo ha sido sólo a principios de este siglo que la explotación de los recursos geotérmicos se ha extendido y desarrollado en forma impresionante, especialmente en regiones de actividad tectónica, donde la alta temperatura de los fluidos descargados permite su utilización sobre todo en la producción de energía eléctrica, pero también para calefacción y algunos otros usos industriales.
La principal restricción al uso de la energía geotérmica es la dificultad para su transporte, por lo que preferentemente se trata de transformarla a energía eléctrica. En compensación a esta deficiencia, se tiene su versatilidad para la utilización directa, lo cual se muestra en la figura 20. En esta figura se dan los usos posibles de los fluidos geotérmicos con la temperatura mínima requerida para éstos. Gracias al avance de la tecnología se han podido superar muchos problemas en la utilización de la energía geotérmica y en la actualidad es posible aprovechar sus recursos en un rango muy amplio de temperaturas, o bien explotarlos "en cascada", lo cual equivale a seguir extrayendo energía de fluidos que han pasado ya por alguna etapa de su uso: por ejemplo los fluidos que son desechados por una estación geotermoeléctrica a una temperatura de más de 100°C, pueden aún ser utilizados para el enlatado de comida, extracción de sales y posteriormente para calefacción, refrigeración, invernaderos, etc., hasta que finalmente, ya a una temperatura menor de 30°C, sean usados en albercas para recreación o en criaderos de peces. De esta forma, se extrae el contenido energético de los fluidos geotérmicos con un máximo de eficiencia En varios países como Nueva Zelanda y Francia se implementa ya la utilización "en cascada" por ser económicamente más rentable.
Es necesario aclarar que la temperatura no es el único requerimiento para el uso de la energía geotérmica, sino que para su explotación es necesario contar con los siguientes factores: la disponibilidad de suficiente fluido (agua y/o vapor) para que transporte el calor de las profundidades a la superficie, de zonas permeables que permitan este transporte y a la vez de una recarga que reemplace al fluido que es extraído. Además, es preferible que los fluidos geotérmicos estén libres de productos químicos que puedan corroer o dañar las instalaciones para su extracción y aplicación.
Por supuesto que no todos los usos que se mencionan en la figura 20 son igualmente aplicados, los más extendidos en lo que respecta a cantidad de energía obtenida son: producción de energía eléctrica, calefacción, agricultura, ganadería y balneología, además de la extracción de minerales que no produce energía pero que es una utilidad muy importante de las manifestaciones termales. Estos usos son vistos con más detalle en las siguientes secciones de este capítulo.
BALNEOLOGÍA
La balneología es el uso más antiguo que se le ha dado a la energía geotérmica. Desde hace muchos siglos varios pueblos como los romanos, griegos, aztecas, japoneses, turcos, maoríes y algunos otros, utilizaban los manantiales termales para tomar baños, ya que las inmersiones en agua caliente son relajantes para los músculos cansados o bien ingerían las aguas del manantial, que a menudo consideraban medicinales. Sin embargo, muchas de las propiedades curativas que se les atribuyen carecen de una comprobación científica, aunque sí se sabe que algunas aguas de origen termal tienen efectos laxativos.
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Rango aproximado de temperatura (ºC) |
Algunos usos de la energía geotérmica |
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Rango deproducciónconvencional de energíaeléctrica
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180
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Refrigeración por evaporación de amoniaco |
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170
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Producción de agua pesada | |
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Secado de tierras diatomáceas | |
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160
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Secado de pescado | |
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Secado de madera | |
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150
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Obtención de alúmina | |
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140
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Enlatado de alimentos | |
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Secado de productos agrícolas | |
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130
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Evaporación en el refinado de azúcar | |
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Extracción de sales por evaporación y cristalización | |
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Producción de agua potable por destilación | |
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120
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Evaporación con fines diversos | |
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110
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Secado de placas de cemento | |
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100
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Secado de materiales orgánicos (vegetales, algas, etc.) | |
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Lavado y secado de lana | |
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90
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Secado de bacalao | |
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Procesos intensivos de descongelación | |
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80
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Calefacción | |
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70
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Límite inferior de temperatura para procesos de refrigeración | |
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60
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Invernaderos y ganadería | |
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50
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Crecimiento de hongos | |
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Balneología | |
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40
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Calentamiento de suelos | |
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30
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Albercas | |
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Biodegradación | |
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Fermentación | |
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Agua caliente para trabajos de minería en climas fríos. | |
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20
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Piscicultura | |
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Figura 20. Diagrama de Lindal.
En la actualidad, la balneología es uno de los usos más extendidos de los manantiales termales, ya que éstos pueden ser utilizados para este fin en un rango muy amplio de temperaturas y composiciones, lo cual no es válido para otros usos como se verá posteriormente. Las aguas de los manantiales termales se utilizan no sólo en balnearios, spas, etc. sino que también son embotelladas para consumo humano en una gran variedad de aguas minerales que se venden en todo el mundo.
La balneología es considerada por muchos autores como una subutilización de la energía geotérmica, ya que esta aplicación no implica ninguna elaboración o transformación de los fluidos geotérmicos; sin embargo, este uso contribuye a la explotación de los recursos geotérmicos a nivel mundial con una cantidad importante de energía utilizada.
CALEFACCIÓN
La calefacción es otro de los usos que desde hace tiempo se le ha dado, en pequeña escala, a las aguas termales. El contenido energético de éstas puede ser extraido para elevar (o hacer descender) la temperatura de casas habitación o cualquier tipo de edificios a un costo mucho menor (económica y ecológicamente) del que se tendría si se utilizaran combustibles fósiles. En Estados Unidos se efectuó un estudio acerca de los usos de la electricidad y se observó que cerca del 30% del consumo de ésta se destinaba a calefacción. Al transformar la energía geotérmica en eléctrica las pérdidas son de más de un 50% en comparación con lo que se obtendría si se usara directamente la energía geotérmica para calefacción.
Aguas termales con temperaturas hasta de 50°C han sido utilizadas para calefacción, por lo que se ha establecido la posibilidad de usar para este fin campos semitermales y acuíferos de relativamente baja temperatura, los cuales además presentan generalmente la ventaja de una menor mineralización y poder corrosivo, facilitando así la utilización directa del contenido energético de las aguas. De esta forma, países a los que se les consideraba carentes de recursos geotérmicos (como Francia, Austria, Alemania, Inglaterra y otros), se encuentran actualmente en una etapa avanzada en la explotación de la energía de aguas termales de baja temperatura.
Sólo en pocos lugares el agua caliente que se extrae de los pozos es suficientemente pura para poderla utilizar directamente en radiadores para calefacción. En general, el agua que se obtiene de los pozos contiene compuestos con propiedades corrosivas, por lo que para ser utilizadas es necesario emplear intercambiadores de calor, por medio de los cuales el contenido calorífico de las aguas termales es transferido a agua pura, que es la que va a transportar la energía a las casas y edificios para su calefacción.
El aspecto de la calefacción es especialmente importante en países con inviernos fríos (como lo son casi todos los países desarrollados). En particular en Islandia, la calefacción es necesaria durante todo el año y no es sorprendente que éste haya sido el primer país que tuvo un sistema de calefacción geotérmica central para todo un distrito a principios de este siglo; actualmente más de dos tercios de la población total de Islandia gozan de calefacción con base en energía geotérmica. Otros países que también usan aguas termales en sus sistemas de calefacción son: Estados Unidos, Japón, Nueva Zelanda, Hungría, China, Checoslovaquia, Austria, la Unión Soviética y Francia. Especialmente en Francia se tienen planes muy ambiciosos de expander los servicios de calefacción geotérmica a varias partes del país a partir del éxito económico y técnico que se ha obtenido en lugares como Melun y Meaux.
Adicionalmente, los fluidos geotérmicos también pueden ser empleados para enfriamiento y en sistemas de aire acondicionado que pueden funcionar como enfriadores en verano y como calefacción en invierno. Tales sistemas se encuentran ya en operación en el Hotel Internacional en Rotorua (Nueva Zelanda) y en un motel de Klamath Falls en Oregon(EUA). Además en Japón se tienen numerosos sistemas de aire acondicionado en pequeña escala para casas y edificios, los cuales utilizan fluidos geotérmicos para su consumo de energía.
AGRICULTURA Y GANADERÍA
La mayor parte de los usos que se dan a los fluidos geotérmicos al aplicarlos a la agricultura y ganadería son para la calefacción de espacios. El uso de recursos geotérmicos para proveer el calor necesario en invernaderos es practicado en un gran número de países: Francia, Hungría, Islandia, Italia, Japón, Nueva Zelanda, Rumania, Estados Unidos, la Unión Soviética, India y algunos otros. Por ejemplo, en Islandia se cultivan unas 1 000 toneladas de vegetales en un área de 11 hectáreas utilizando fluidos geotérmicos, con lo que ese país se ahorra al año cerca de 20 000 toneladas métricas de petróleo, que gastaría si los invernaderos utilizaran este combustible.
Ésta no es la única utilidad del agua termal en la agricultura, sino que también se le usa para calentar el suelo, lo cual se ha observado que aumenta el rendimiento de la tierra en 40 y hasta 60% dependiendo del cultivo de que se trate, y con el uso combinado de invernaderos y calentamiento del suelo se ayuda y acelera el crecimiento de las plantas en viveros y jardines botánicos. Cuando la temperatura del agua es lo suficientemente alta, también se le puede usar para esterilizar el suelo contra insectos y bacterias, ésta es una práctica común en Japón. Otros usos que se dan a los fluidos geotérmicos son por ejemplo en el secado de semillas.
Por otra parte, en Japón se ha comprobado que se obtiene un mayor rendimiento en la cría de aves cuando se cuenta con calefacción de las granjas en invierno. Además de la calefacción de establos y granjas, los fluidos termales pueden ser usados para la pasteurización de leche, la incubación de pollos, la biodegradación de desechos orgánicos, el lavado y secado de lana, etcétera.
Los criaderos de peces son otra de las actividades que se han visto favorecidas con el uso de fluidos geotérmicos, utilizándose con bastante éxito en Islandia, Japón y Escocia.
USOS INDUSTRIALES
Al estudiarse las posibilidades de utilizar directamente en la industria la energía contenida en los fluidos geotérmicos, se llegó a la conclusión de que una gran cantidad de procesos industriales podían efectuarse con las temperaturas de los fluidos geotérmicos disponibles gracias a la tecnología actual y que muchos otros podían añadirse a esa lista si en el futuro se lograra obtener temperaturas más altas. En principio hay que distinguir los procesos que ya se están llevando a cabo en la escala comercial, de los que aún se contemplan solamente como prospectos promisorios. En esta sección únicamente mencionaremos los primeros, dejando los segundos para la última sección de este capítulo como una rápida mirada hacia el futuro de la geotermia.
En la actualidad no se cuenta con una lista completa de todas las industrias que utilizan directamente recursos geotérmicos como energético o bien como materia prima. Sin embargo, los ejemplos que se dan a continuación sirven para mostrar las posibilidades económicas del uso directo de los recursos geotérmicos en la industria:
1. Secado de productos agrícolas. Se utiliza en Estados Unidos y Nueva Zelanda.
2. Procesado de alimentos. En Estados Unidos y Filipinas
3 .Manufactura de textiles; teñido, lavado y secado de lana. En China y Nueva Zelanda.
4. Manufactura de papel. En Australia, Nueva Zelanda y China.
5. Fermentación. En Japón.
6. Extracción de sustancias útiles. En Italia y China.
7. Producción de ácido sulfúrico. En Nueva Zelanda.
8. Producción de etanol. En Estados Unidos.
9. Producción de ácido bórico. En Italia.
10. Producción y refinamiento de tierras diatomáceas. En Islandia.
11. Manufactura de cemento. En Islandia y China.
12. Facilitamiento de operaciones mineras en áreas de suelo permanentemente congelado. En la Unión Soviética.
13. Cura de madera. En Nueva Zelanda.
14. Manufactura de revestimientos. En Nueva Zelanda.
PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD
La transformación de la energía geotérmica en eléctrica es tal vez su mayor aplicación práctica (casi la tercera parte) y la que atrajo la atención en el nivel mundial hacia este recurso, ya que de las fuentes alternas de energía, es una de las que han demostrado ser económicamente factibles. La obtención de electricidad a partir de fluidos geotérmicos tiene una eficiencia relativamente baja en comparación con las plantas termoeléctricas convencionales, debido a la baja temperatura de los fluidos geotérmicos (que tienen un máximo de aproximadamente 380°C). Sin embargo, las plantas geotermoeléctricas son económicamente redituables debido al costo tan bajo del calor obtenido (en comparación con los combustibles fósiles), además de las ventajas que tiene en cuanto a un mínimo de contaminación ambiental. En el caso de la geotermia, se han estudiado los efectos que la explotación de un campo puede tener sobre la flora y la fauna local y aun cuando todavía quedan muchas investigaciones por hacer, se puede decir con base en la evidencia que se tiene en la actualidad, que es ésta una de las formas de energía que genera menos contaminación, sobre todo en comparación con los combustibles fósiles (que son de los mayores y más peligrosos agentes de degradación ambiental) y con los problemas de contaminación radiactiva que aún no se han resuelto en la utilización pacífica de la energía nuclear.
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Figura 21. Esquemas simplificados de diferentes tipos de plantas geotermoeléctricas, los cuales muestran cómo se utiliza el fluido que sale del pozo geotérmico hasta llevarlo a una turbina que lo transforma en energía eléctrica.
El potencial energético del vapor que alimenta una planta geotermoeléctrica va a depender no sólo de su presión y temperatura, sino también de su calidad (contenido de gases), la presión de expulsión de las turbinas y la configuración general de la planta. Las plantas geotermoeléctricas tienen diferentes esquemas de acuerdo al tipo de fluido que alimente las turbinas y la presión a la que salga de éstas. En general se tiene una configuración como la mostrada en la figura 21. El fluido que sale del pozo geotérmico es llevado a un separador ciclotrónico (Figura 22) donde el vapor y el agua que originalmente estaban mezclados en el fluido geotérmico son separados y el vapor se hace pasar por turbinas conectadas a generadores que van a transformar la energía cinética del vapor en energía eléctrica (Figura 23). A la salida de las turbinas se tiene usualmente una presión menor que la atmosférica (por ser esta opción más efciente) por lo que es necesario entonces instalar condensadores para el vapor de desecho, así como extractores para los gases no condensables. También existen turbinas que descargan a presión atmosférica, pero económicamente son menos redituables y por lo general son utilizadas como plantas piloto. Por otra parte, el líquido que sale de los separadores puede ser nuevamente pasado por otros separadores a menor presión, obteniendo así una cantidad mayor de vapor y aumentando la capacidad de la planta.
Figura 22. Descripción de la separación del líquido y del vapor que forman un fluido geotérmico, por medio de un separador ciclotrónico, en el cual el vapor y los gases, por ser más ligeros, tienden a concentrarse en la parte superior, dejando escapar el líquido por la parte inferior del separador.
Figura 23. Turbinas accionadas por vapor provenientes de pozos geotérmicos en la planta eléctrica de Wairakei (Nueva Zelanda).
Tanto el agua que expulsan los separadores, como el condensado deben ser desechados. En algunos casos se les arroja al torrente de ríos (Wairakei, N.Z.) o al mar (Ahuachapan, El Salvador), o bien a lagunas de evaporación (Cerro Prieto, México); pero actualmente se ha demostrado que es más provechoso reinyectarlos, lo cual además de evitar problemas de contaminación (química y térmica) de ríos y mares, ha probado ser benéfico para los yacimientos, ya que ayuda a disminuir el descenso de la presión y si se combina con la estructura hidrogeológica del campo, es posible evitar la entrada directa al yacimiento de aguas subterráneas frías, como se ha observado en Cerro Prieto.
Actualmente la producción de electricidad con energía geotérmica es aún baja con respecto al total de energía producida en el ámbito mundial. Una de las principales restricciones es la localización de sistemas geotérmicos, ya que relativamente muy pocos países cuentan con este recurso. Como ejemplo de países con un potencial geotérmico importante para la producción de energía eléctrica tenemos a Japón, Filipinas, Indonesia, Italia, Islandia, Estados Unidos, México, El Salvador, Nicaragua y Nueva Zelanda (Figura 24).
Figura 24. Campo geotérmico de Wairakei en el cual se observan los pozos, separadores, silenciadores y red de tuberías para transportar el vapor a la planta.
DEPÓSITOS MINERALES
Un depósito mineral es una concentración natural de minerales en la corteza terrestre. Estas zonas de mineralización pueden o no ser explotables económicamente dependiendo de la concentración o grado del mineral que se pretenda aprovechar y del área que abarquen. Los depósitos de minerales se pueden formar de muchas y muy variadas maneras; por ejemplo, se pueden precipitar a partir del agua de mar o de lagos, o separarse de las aguas de los ríos que los arrastran en lugares donde disminuya la fuerza de la corriente, también pueden concentrarse al separarse varios minerales con diferente temperatura de solidificación al enfriarse una intrusión magmática, o bien, pueden ser depositados a partir de una solución hidrotermal. En particular los dos últimos tipos de depósitos pueden considerarse como un resultado indirecto de la actividad generada por el calor contenido en el interior de la Tierra.
Muchos de los depósitos de minerales más importantes que se explotan en la actualidad se han formado en relación con sistemas geotérmicos. Existen también depósitos que se formaron por la sedimentación de material que fue erosionado, arrastrado y concentrado en algún lugar hasta formar una zona mineralizada, pero muchas veces éstos también derivaron de un depósito formado originalmente por circulación hidrotermal. Como ejemplo tenemos la erosión del depósito Mother Lode, que dio origen a las concentraciones de mineral en los ríos que provocaron la "fiebre del oro" en California.
Los sistemas volcánicos también generan depósitos minerales característicos, por ejemplo los de cromo. Estos depósitos se originan en la diferenciación que tiene lugar en una intrusión magmática al solidificarse ésta. Esta diferenciación hace que los metales más pesados se acumulen en el fondo, mientras que algunos elementos que presentan afinidad química con compuestos más ligeros, como los silicatos, tienden a concentrarse en las partes superiores y pueden ser arrastrados posteriormente por los fluidos termales que evolucionan a partir de las intrusiones magmáticas. También se sabe que las fumarolas en regiones volcánicas depositan algunos minerales que tienen en solución, siendo el azufre y el boro especialmente abundantes.
Los materiales termales forman extensos depósitos con los productos de la alteración hidrotermal y en algunos de ellos se han encontrado concentraciones económicamente explotables de oro, plata, arsénico, antimonio, mercurio, talio, bario, uranio, plomo, zinc, cobre, tungsteno, molibdeno y flúor.
También se ha observado que en el fondo de los océanos se localizan acumulaciones importantes de nódulos polimetálicos. Estos nódulos son esférulas de varios centímetros de diámetro, formadas por varios metales en diferentes concentraciones, principalmente contienen manganeso y fierro (respectivamente 16% y 15.6% en promedio), aunque también es económicamente importante su contenido de níquel (0.49%), cobalto (0.30%) y cobre (hasta 0.37%). Los mecanismos de formación de estos nódulos aún no se han desentrañado en su totalidad, pero se supone que tienen relación con la circulación de fluidos termales que es generada por la intrusión de material magmático en los sedimentos del fondo durante los procesos de formación de la corteza oceánica. Sin embargo, aún no se ha establecido si los nódulos se precipitan a partir del agua de mar o de materiales en los sedimentos.
Los manantiales termales no son más que la expresión superficial de la intensa actividad que tiene lugar a profundidad en un sistema geotérmico, pero representan una oportunidad de observar un depósito mineral en proceso de formación. Las grandes fluctuaciones de temperatura y presión que resultan de esta actividad a profundidad están directamente relacionadas con procesos químicos que tienen como resultado la mineralización de algunas zonas del sistema (Figura 25). La identificación de las diferentes partes de un sistema hidrotermal fósil es de gran importancia en la exploración de este tipo de depósitos minerales, ya que por ejemplo la depositación de oro ocurre preferencialmente en la frontera entre dos zonas del sistema con diferente tipo de alteración hidrotermal. De esta forma, la correlación de sistemas hidrotermales fósiles con sistemas activos facilita la localización de sitios de mineralización y por lo tanto aumenta la eficiencia de los trabajos de exploración.
Figura 25. Localización de las posibles zonas de mineralización: (a) en un sistema hidrotermal y (b) en un sistema relacionado con actividad volcánica.
Se ha demostrado que muchos depósitos minerales tuvieron su origen en la precipitación de componentes de fluidos termales. Por esta razón, el estudio de los procesos que tienen lugar en sistemas geotérmicos activos, nos sirve para comprender la evolución de sistemas fósiles que ahora podemos reconocer como depósitos minerales epitermales. El conocimiento de los patrones de alteración y depositación hidrotermal en un sistema activo ayuda a establecer la morfología de los sistemas fósiles y a determinar el tipo y la posible localización de las zonas de mineralización.
Entre las zonas con una mayor riqueza con respecto a este tipo de depósitos se encuentra la región circumpacífica, dentro de la cual queda comprendida la Sierra Madre Occidental y las zonas mineras de Baja California y la parte central y Suroeste de México.
PROSPECTOR PARA LA UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA
En la época actual son ya muchos los usos industriales que tiene la energía geotérmica. Sin embargo el horizonte de su aplicación es todavía más amplio. En esta sección nos limitaremos a enumerar las posibilidades de sus usos industriales y la ya no tan remota posibilidad de extraer el calor de la Tierra en zonas fuera de los sistemas geotérmicos que ya hemos mencionado.
La extracción de energía en zonas fuera de los sistemas hidrotermales se encuentra aún en la etapa de investigación. Especialmente en Estados Unidos e Inglaterra se están llevando a cabo experimentos para crear campos geotérmicos artificiales en zonas llamadas de "roca-seca". En estas zonas se cuenta con un gradiente más alto que el normal pero la ausencia de permeabilidad en las rocas hace que no se tenga un sistema de circulación hidrotermal, a pesar de contar con una fuente de calor para ello. En estos casos se ha tratado de inducir el fracturamiento de las capas de rocas de 3 a 5 kilómetros de profundidad por medio de explosiones y fracturamiento hidráulico. Posteriormente se hace circular agua fría por las zonas fracturadas para transportar el calor de las rocas a la superficie, donde estos fluidos pueden ser usados en plantas de ciclo binario para producir electricidad o bien en intercambiadores de calor para destinar el agua caliente para otros usos (calefacción, invernaderos, etc.). Las investigaciones acerca del uso de los sistemas de "roca-seca" han tenido un gran impulso especialmente en Camborne School of Mines en Cornwall (Inglaterra), en Los Alamos Scientific Laboratory de la Universidad de California y en Sandia National Laboratories en Nuevo México (Estados Unidos).
Incluso se ha pensado en hacer detonar bombas nucleares en el fondo de pozos profundos. Estas bombas, además de fracturar las rocas circundantes, proveerían una fuente de calor adicional generado por el decaimiento de los desechos radiactivos producidos por la explosión, con la ventaja de que la peligrosidad de la difusión de estos desechos sería evitada, ya que quedarían encerrados en una masa de roca fundida que cristalizaría, formando así un recipiente seguro. Por supuesto, la falta de seguridad de que todo suceda perfectamente como se planea ha frenado la realización de estos experimentos.
Además de los usos industriales que se mencionaron en las secciones anteriores, y que son los que en la actualidad ya tienen una aplicación comercial, existen muchos planes para la utilización directa de la energía geotérmica que por diversas razones (económicas y tecnológicas) no se han llevado aún a la práctica. En particular podemos enumerar los siguientes procesos, en los cuales los fluidos geotérmicos podrían ser empleados como la fuente de energía:
—La destilación de aguas salobres para ser utilizadas en irrigación o para consumo humanoo no.
—Extracción de minerales valiosos a partir de fluidos geotérmicos, por ejemplo: litio, bromo, cloruros de potasio y calcio, etcétera.
—Producción de agua pesada.
—Producción de aluminio a partir de la bauxita por el proceso de Bayers.
—Producción de azúcar de caña y remolacha.
—Producción de leche y café en polvo.