Asociación Española de Geotermia

Energía geotérmica

Biogeotermia (Biogeothermal, Biogéothermie).

José Martínez Magdaleno

El biólogo inmunólogo José Martínez Magdaleno introduce, define y describe por primera vez en agosto del 2019 el termino Biogeotermia (Biogeothermal, Biogéothermie).

1. Definición.

El término biogeotermia hace referencia al desarrollo de la geotermia con herramientas biotecnológicas y de ecología microbiana. Por un lado, la geotermia se define como un tipo de energía renovable que produce energía por el aprovechamiento del calor interno de la Tierra. Por otro, la biología es la ciencia que estudia al conjunto de seres vivos, sus características y funciones así como sus interacciones con un medio determinado.

2. Ecología microbiana: diversidad y distribución.

Los microorganismos son parte importante de la materia viva del subsuelo de tal forma que, por ejemplo, la diversidad de bacterias, protozoos, artrópodos y otros organismos, es considerable. Sin embargo, las bacterias tienen una gran importancia por su número y su papel esencial en el establecimiento de los conocidos como ciclos biogeoquímicos como los del carbono, el nitrógeno, el azufre y el fósforo. Así, son indispensables para entender la relación suelo-planta establecida por las raíces y las poblaciones microbianas que mejoran y aumentan la tasa de intercambio de materia entre ambos ambientes. Además, su distribución en el subsuelo depende de muchas variantes químicas y físicas, naturaleza del suelo, porosidad, humedad, temperatura, entre otras 1​(Yang y Elsas, 2018).

2.1 En ambientes acuáticos.

Los factores anteriores definen la ecología microbiana. Así, en el entorno acuático, este fenómeno está bien estudiado con análisis de diversidad de microorganismos en columnas de agua y sedimentos en gran parte de la superficie acuática. Se puede observar aquí, una distribución que atiende por ejemplo al nivel de insolación que se filtra a través del agua, los microorganismos fotosintéticos, como las cianobacterias, se posicionan en esta columna en función de la energía lumínica disponible y del tipo de pigmentos fotosintéticos que poseen. Así, existen varios pigmentos fotosintéticos como la clorofila y la bacterioclorofila y tienen que ver con factores físicos determinantes. La luz solar contiene varias longitudes de onda, por ejemplo, las longitudes de onda mayores como la roja, son de poca energía y penetran menos en la columna de agua mientras que la luz azul,  con longitudes de onda menores, son de mayor energía y penetran más en la columna. De esta forma, existe una relación entre fotopigmentos y energía lumínica que explica la distribución de los microorganismos en una columna de agua. Cabe decir que, no sólo la luz explica esta distribución pues existen una enorme cantidad de factores complejos difíciles de identificar y medir.

2.2 En el subsuelo.

En el subsuelo, los microorganismos tienen un papel determinante en los ciclos biogeoquímicas y en los procesos biológicos de transformación de materia orgánica. La distribución de los microbios en este entorno se ve restringida por las condiciones de los microhábitats en los que se alojan. El subsuelo suele ser muy heterogéneo por lo que las bacterias se agrupan en agregados, donde la actividad biológica es mayor, condicionando así las funciones biológicas del suelo. Sin embargo, la distribución en tres dimensiones de las poblaciones bacterianas en el subsuelo no se ha caracterizado bien. Se basan en la extracción de suelo en columnas. El aislamiento espacial de estos microorganismos es proporcionado por las interfases aire-sólido del suelo y se cree que este es uno de los factores clave que explican la diversidad de las comunidades microbianas. El crecimiento de estos “puntos calientes microbianos” depende de la porosidad de suelo y por lo tanto, del acceso al agua y nutrientes, entre otros requerimientos2​ (Juyal et al., 2019). Un factor físico determinante es la temperatura que puede condicionar la actividad y organización de las comunidades microbianas en el subsuelo. En general, la tasa de crecimiento instantánea de bacterias aumenta hasta 45ºC (máximo entorno a 35ºC) y a temperaturas superiores, el crecimiento disminuye3​ (Pietikäinen, Pettersson y Bååth, 2005). Existen factores perjudiciales como las altas concentraciones de metales del suelo que puede resultar tóxico para las comunidades bacterianas sin embargo, se ha observado que la adición suplementaria de metales en un suelo da lugar a la muerte de las bacteria metalo-sensibles y a la supervivencia de las metalo-tolerantes4​ (Ravina y Baath, 1996). Numerosas son las publicaciones que indican una baja densidad de microorganismos en el subsuelo pero existen problemas importantes en estos estudios como que la mayoría de los microorganismos presentes en el suelo no pueden ser cultivados pues no se conocen las condiciones que les son propicias para su crecimiento. Este factor, que sólo constituye uno de los problemas, explica que se pueda obtener una diversidad de microorganismos 170 veces menor que en muestras no cultivadas, recién extraídas del suelo, aunque se reconoce que los microorganismos constituyen una parte importante de la biomasa del subsuelo y que su diversidad es considerable5​ (Torsvik, Sørheim y Goksøyr, 1996). Además, pueden acontecer contaminaciones en el contacto con el aire, pérdidas significativas de muestra e imposibilidad de cultivo determinantes en la veracidad de un estudio.

3. Tecnología actual en geotermia.

Por otro lado, la geotermia o el aprovechamiento del calor interno de la tierra tiene aplicaciones energéticas importantes. La mayoría de instalaciones de aprovechamiento de energía geotérmica se basan en intercambios de energía con el subsuelo tanto para calentar o enfriar líquidos y gases. Las herramientas de ingeniería más punteras en este campo de las energías renovables se basan en la detección de temperatura a varias profundidades en tiempo real y de forma monitorizada. Así, implementaciones como los Test de Respuesta Térmica del terreno se basan en “conectar un intercambiados de calor geotérmico a una unidad térmica mecánica cuya misión es la de registrar y hallar el poder de extracción o mejor dicho de intercambio de calor del subsuelo en un determinado punto6​”, según la Asociación Española de Geotermia.

4. Perspectivas: potencial presente y futuro de la biogeotermia.

Así, desde el punto de vista de la biología, los microorganismos constituyen una parte importante de la biomasa del subsuelo donde su crecimiento puede variar en función de la temperatura y su distribución depende de esta y otras características físico-químicas y en este ambiente, su diversidad es considerable. También, la mayor parte de las herramientas de aplicación de aprovechamiento de energía geotérmica se basan en modernizaciones en tiempo real de parámetros físicos del subsuelo que buscan la máxima rentabilidad en las instalaciones efectuadas. De esta forma, la implementación de herramientas geotérmicas de ingeniería con datos biológicos, como la presencia de un microorganismo X a una profundidad P y a una temperatura T, podrían mejorar esta rentabilidad y eficacia. En realidad, la obtención de datos de diversidad de microorganismos en el subsuelo en función de parámetros como la temperatura puede dar lugar al desarrollo de modelos de distribución en el contexto de la ecología microbiana del subsuelo. Estas relaciones pueden ser utIlizadas por los dispositivos de ingeniería para complementar resultados como que la detección de un microbio X1 se corresponde con una zona de temperaturas comprendidas entre T1 y T2 con además, unas características geológicas concretas. Además, la modificación de microorganismos puede servir para el desarrollo de herramientas de biotecnología destinada a aplicaciones puntuales en instalaciones geotérmicas como aportar una información genética a los microorganismos gracias a la cual sean capaces de identificar compuestos determinados, crecer a temperaturas deseadas, en fin, corresponder con necesidades que los aparatos de medida actuales no puedan solventar de una forma rentable y eficaz.

Existen otros sistemas que aprovechan elementos biológicos a nivel energético como los conocidos como Ciclos Orgánicos de Rankine. Utilizan un método de obtención de energía eléctrica a partir de turbogeneradores, basados en el principio de acción de las turbinas convencionales, con transformación de energía térmica en mecánica y finalmente en eléctrica. En en ciclo convencional de Rankine se utiliza vapor y por lo tanto una gran cantidad de energía para calentar el agua. Sin embargo, el ciclo orgánico se basa en fluidos biológicos de elevado peso molecular que son capaces de activar la turbina con temperaturas inferiores a las necesarias para iniciar el sistema convencional (< 250ºC). Como el fluido orgánico es mucho más denso que el agua, hace girar la turbina más lentamente y no hay erosión de las diferentes partes del turbogenerador como ocurre con el agua. En realidad la gran ventaja de estos sistemas es que los fluidos orgánicos empleados entran en ebullición en temperaturas inferiores a los 100ºC. Esto se puede demostrar con un balance de eficiencia. Aquí, en un ciclo ORC (del inglés, Organic Rankine Cycle) la eficiencia es elevada pues se aprovecha el 98% de la energía térmica obtenida, entorno al 80% se transforma en calor y el 20% en energía eléctrica habiendo una pérdida total de únicamente el 2%78​.

5. Conclusión.

No se trata de un desarrollo tecnológico cualquiera pues se buscan no sólo mejoras en ingeniería sino también en salud y sostenibilidad. En efecto, este tipo de implementaciones son responsables con el medio ambiente siempre que se realicen los estudios de impacto ambiental establecidos por las normativas nacionales e internacionales. El aumento de rentabilidad de una energía renovable como la geotermia tiene un impacto remediador inmediato sobre el medio ambiente pues limita la importancia de las energías fósiles que degradan la biosfera y el subsuelo. En esta dinámica, la utilización de productos contaminantes como muchos plásticos de uso cotidiano y que se inscriben, al mismo título que las energías no renovables, en una sociedad de consumo por y para el consumo, contaminan, destruyen y seleccion an la vida en el planeta. Estos agentes contaminantes afectan directamente a la salud de la población pues ya se han hallado plásticos en el interior del cuerpo humano9​ (Microplásticos en heces de humanos, National Geographic) aunque ese hecho no sea sinónimo de alarma por la falta de estudios científicos. En suma, el desarrollo biotecnológico con modificación de microorganismos y moléculas biológicas puede ser una alternativa efectiva y sostenible a algunas herramientas de ingeniería como las utilizadas en geotermia pues estos organismos ya están presentes en el subsuelo y su diversidad se ve condicionada por factores que se pueden estudiar.

6. Bibliografía.

P Yang, J.D van Elsas. «Mechanisms and ecological implications of the movement of bacteria in soil». Applied Soil Ecology. doi:10.1016/j.apsoil.2018.04.014. A Juyal, W Otten, R Falconer, S Hapca, H Schmidt, P Baveye, T Eickhorst. «Combination of techniques to quantify distribution of bacteria in their microhabitat at spatial scales». Geoderma. doi:10.1016/j.geoderma.2018.07.031. J Pietikäinen, M Pettersson, E Bååth. «Comparison of temperature effects on soil respiration and bacterial and fungal growth rates.». FEMS Microbiology Ecology. doi:10.1016/j.femsec.2004.10.002. M Diaz-Ravina, E Baath. «Development of Metal Tolerance in Soil Bacterial Communities Exposed to Experimentally Increased Metal Levels». Applied and environmental microbiology. V Torsvik, R Sørheim, J Goksøyr. «Total bacterial diversity in soil and sediment communities—A review». Journal of Industrial Microbiology. doi:10.1007/BF01574690. «¿Qué es la geotermia?». «Aplicación del ciclo orgánico de Rankine para el aprovechamiento de calor residual en una refinería». «The ORC Technology». «Microplásticos en heces de humanos».

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