Aplicaciones de la energía geotérmica en la industria agrícola-ganadera y la influencia de la conductividad térmica del material

Cómo la conductividad térmica del subsuelo puede afectar la extracción de energía geotérmica y la aplicación de este recurso natural en la industria agrícola-ganadera.

Introducción

La industria agrícola-ganadera y alimentaria domina el mercado global por tratarse de uno de los sectores más grandes y que más recursos emplea en todo el mundo. Esta industria consume alrededor de un tercio de toda la producción mundial de energía y se estima que el 12% se utiliza para la producción de cultivos y casi el 80% para el procesamiento, la distribución, la venta al por menor, la preparación y la cocción (FAO, 2010). También representa el 80-90% del uso mundial de agua dulce; el 70% de esta agua se emplea solo para fines de riego (Hoff, 2011). Estas estadísticas describen la cadena de suministro agroalimentario como una de las industrias más dañinas para el medioambiente, dado que promueve el cambio climático y la sobreexplotación de los recursos naturales. La productividad de la industria agrícola-ganadera está determinada principalmente por la disponibilidad del agua, la energía y los recursos terrestres. A medida que la población mundial crece de manera exponencial, también lo hace la demanda de estos recursos. Estas industrias dependen en gran medida de la producción de combustibles fósiles, a tal punto que cuando hay un aumento en los precios del petróleo crudo, el precio promedio de una caja de cereales también aumenta. Para reducir los impactos ambientales dañinos causados por este uso excesivo de recursos no renovables, la industria agrícola-ganadera y la cadena de suministro agroalimentario deberían independizarse de la producción de combustibles fósiles. Reemplazar el uso de combustibles fósiles por una variedad de fuentes de energía renovable conduciría a un aumento de la seguridad alimentaria mundial y una reducción del cambio climático. La obtención de fuentes de energía, agua y alimentos seguros, accesibles y ecológicos debe convertirse en una prioridad inmediata para esta industria antes de que continúe causando daños irreversibles al medioambiente.

Uso nacional de energías renovables en los EE. UU.
Figura 1: Uso nacional de energías renovables en los EE. UU.

La agricultura y la cadena de suministro agroalimentario enfrentan constantes desafíos debido a la creciente demanda impulsada por el crecimiento exponencial de la población humana y la falta de recursos disponibles, lo que crea una lucha constante para los productores que intentan satisfacer las necesidades de los consumidores. Estas industrias deben satisfacer demandas de producción masivas al mismo tiempo que intentan adaptarse al cambio climático y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. El desarrollo de fuentes de energía renovable como la solar, eólica y geotérmica tiene el potencial de reducir los costos de producción y minimizar los impactos ambientales. La energía geotérmica es uno de los recursos renovables más consistentes y poderosos que se ha utilizado en la industria agrícola-ganadera en los últimos tiempos. Se denomina energía geotérmica al calor que proviene del interior de la corteza terrestre. En términos técnicos, es la energía térmica que se encuentra dentro de la roca y el fluido, que circula entre los poros y las fracturas de la corteza terrestre. Se puede acceder a ella mediante la perforación de grandes orificios en reservorios de tierra para extraer vapor y agua caliente. Se extrae agua caliente y vapor y se llevan hasta la superficie donde se utilizan para alimentar una amplia variedad de aplicaciones diferentes. La energía térmica determina la temperatura de la materia. La mayor parte de la energía geotérmica se originó a partir de la formación inicial del planeta, así como de la desintegración radiactiva de los materiales. La energía geotérmica es costo-efectiva, renovable, confiable y sostenible, pero históricamente se ha limitado a áreas que se encuentran cerca del límite de las placas tectónicas. La tecnología reciente ha ampliado considerablemente el alcance y la accesibilidad de este recurso, en especial para aplicaciones de uso frecuente, como la calefacción doméstica. Los pozos geotérmicos aún liberan una pequeña cantidad de gas de efecto invernadero que quedó atrapado en las profundidades de la tierra; sin embargo, estas emisiones son sustancialmente más bajas en comparación con las producidas por la energía de los combustibles fósiles convencionales.

Diagrama simple que ilustra los procesos
Figura 2: Diagrama simple que ilustra los procesos básicos involucrados en la extracción de energía geotérmica

Conductividad térmica de los materiales

La conductividad térmica del material del sustrato rocoso es un parámetro sumamente importante para el modelado geotérmico, ya que controla directamente el campo de temperatura de estado estable. La conductividad térmica del suelo puede tener un fuerte impacto en la temperatura de funcionamiento y en el rendimiento general de los intercambiadores de calor geotérmicos. La conductividad térmica describe la capacidad de los materiales para transferir calor de manera efectiva a través del proceso de conducción y varía entre los materiales geotérmicos desde 0,5 W/(mK) hasta 8 W/(mK). Aunque este es un rango de valores relativamente estrecho, la mayoría de los sistemas geotérmicos son bastante sensibles a la conductividad térmica de un sustrato. Por ejemplo, la longitud necesaria de un orificio perforado para satisfacer las necesidades energéticas de un edificio puede aumentar en más del 50% para un material geológico con una baja conductividad térmica de subsuelo de 2 W/(mK), en comparación con un material que posee una alta conductividad térmica de 6 W/(mK). La perforación puede ser un proceso costoso y conocer la conductividad térmica del material del subsuelo puede ayudar a definir la longitud de perforación más precisa para adaptarse a la cantidad de energía requerida.

Aplicaciones de la energía geotérmica

El uso de la energía geotérmica lentamente comienza a aumentar su prevalencia en la industria agrícola-ganadera y alimentaria. Por lo general, esta forma de energía renovable se utiliza para calefaccionar y refrigerar edificios, suelo y agua (incluida el agua para la acuicultura), secar cultivos y cereales, y calefaccionar invernaderos. Muchas aplicaciones comunes de la energía geotérmica son similares a las de la energía solar; sin embargo, la energía geotérmica está disponible las 24 horas del día, los 365 días del año, por lo que es más conveniente acceder a ella que acceder a la energía solar, especialmente en latitudes más altas que reciben menos luz del día. A finales de 2014, el uso global de la energía geotérmica había aumentado en más del 24%. A nivel mundial, el 4,5% de la energía geotérmica se utiliza para invernaderos y calefacción por suelo radiante, el 2% para la acuicultura, el 1,8% para procesos industriales y el 0,4% para secado.

Ejemplo de granja acuícola
Figura 3: Ejemplo de granja acuícola

La regulación de la temperatura de los invernaderos es un ejemplo de cómo la sustitución de los métodos de calefacción tradicionales por energía geotérmica puede beneficiar el medioambiente y reducir sustancialmente los costos para el productor. La calefacción geotérmica emplea calor a través del suelo o del aire, y reemplaza y adapta calentadores que normalmente funcionarían con electricidad o combustibles fósiles. El uso mundial de la energía geotérmica para calefaccionar invernaderos ha aumentado más del 15% entre 2010 y 2015. Los sistemas geotérmicos también pueden considerarse una solución para la producción de agua dulce, ya que el riego es actualmente el mayor consumidor de agua dulce del mundo. La desalinización del agua geotérmica es un método sencillo de asegurar agua dulce de alta calidad, que se puede utilizar para una variedad de aplicaciones. La calefacción (y refrigeración) de espacios es un importante factor de consumo energético en la industria de la producción de alimentos, especialmente en la cría de cerdos y aves de corral. Estos ciclos de refrigeración mecánica o por evaporación se llevan a cabo principalmente en un establecimiento cerrado que requiere una temperatura y una calidad de aire constantes para promover la salud y el crecimiento óptimos de los animales. Emplear un recurso no renovable como los combustibles fósiles para reemplazar el aire interior contaminado puede demandar una enorme cantidad de energía, la mayor parte de la cual se puede obtener con deshumidificadores y calefactores de aire y espacios a base de energía geotérmica o solar. El secado de cultivos, cereales y productos de origen animal es una de las aplicaciones más versátiles y sencillas de la energía geotérmica y solar que se practica actualmente en la industria alimentaria y agrícola-ganadera. Estos procesos de secado pueden variar desde métodos de “hágalo usted mismo” hasta deshidratadores geotérmicos complejos de tamaño industrial. A diferencia del secado solar, es posible obtener energía geotérmica en áreas que reciben poca radiación solar, como en regiones de gran altura y climas más fríos. Quince países han informado que actualmente están utilizando energía geotérmica a escala industrial para secar diversos cereales, hortalizas y frutas. Algunos ejemplos incluyen algas, cebollas, trigos y cereales. Los mayores consumidores de este recurso renovable para el secado son China, Hungría y Estados Unidos.

Frutas deshidratadas y frutos secos
Figura 4: Frutas deshidratadas y frutos secos similares a los que se someten a secado mediante procesos geotérmicos.

Conclusión

La energía geotérmica es un recurso ilimitado y renovable que es independiente del clima cambiante, de las condiciones climáticas, y se puede utilizar los 365 días del año. Reemplazar las fuentes de energía no renovables convencionales en la industria agrícola-ganadera y alimentaria reduciría significativamente los costos y minimizaría los impactos ambientales nocivos. Teóricamente, los recursos geotérmicos de la tierra podrían suministrar suficiente energía para satisfacer las necesidades energéticas de la humanidad; sin embargo, solo una pequeña fracción de esta energía se puede explotar de manera rentable. La perforación y exploración de estos recursos pueden ser actividades costosas inicialmente, y muchas empresas y productores carecen de la motivación para “desviarse de lo pautado” e incursionar en sus líneas de producción. A pesar de la inversión inicial que se requiere para cambiar de combustibles fósiles a energía geotérmica, en general, el uso de este recurso renovable en la industria agrícola-ganadera ha aumentado sustancialmente en las últimas dos décadas. A medida que se sigan diseñando y fabricando nuevos equipos y tecnologías, el uso de la energía geotérmica seguirá creciendo en la agricultura, la ganadería y el procesamiento de alimentos.

Referencias

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systems at risk. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, Italy and Earthscan, London, UK.

Hoff, H. (2011) Understanding the nexus. Stockholm Environment Institute (SEI), Stockholm, Sweden. Disponible en: http://www.water-energy-food.org/documents/understanding_the_nexus.pdf [accessed August 2016].

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