Nesjavellir
La Central Geotérmica que abastece a Reykjavík de electricidad y agua caliente

La Central Geotérmica de Nesjavellir, en la zona volcánica de Hengill (Islandia).

Guðmunsson, A. T. & Kjartansson, H. (1996): "Earth in Action. An Outline of the Geology of Iceland". Vaka-Helgafell, Reykjavík, Islandia.

Orkuveita Reykjavíkur (2005): "Nesjavellir Power Plant" (folleto). Reykjavík, Islandia.

Thordarson, T. & Hoskuldsson, A. (2002): "Iceland. Classic Geology in Europe 3". Terra Publishing,  Hertfordshire, Inglaterra.

La energía geotérmica se manifiesta de modo natural por todo el territorio islandés: Fuentes termales, géiseres, fumarolas, charcas de lodo hirviente, etc, bien de forma dispersa o agrupada en lo que se llaman campos o áreas geotérmicos. La descarga natural conjunta de  las 600 fuentes termales es de 1800 l/s, sin contar las emisiones de vapor. Sin embargo, la circulación subterránea de los fluidos geotérmicos debe ser mucho mayor, a juzgar por la capacidad de producción de los sondeos hídricos, que excede de los 5000 l/s. Y la cantidad total de vapor y agua que se podría extraer de pozos y sondeos es enorme. Se calcula que la energía utilizable que se halla almacenada en estos campos es de 20 TW/h, mientras que toda la electricidad producida en Islandia en 2002 fue de 8411 GW/h (el 42 %), de los que el 82,9 % fue de origen hidroeléctrico y sólo el 17 %  geotérmico.

El gradiente geotérmico medio de los primeros km de la corteza es de unos 30 ºC/km. Sin embargo, en los basaltos islandeses del Terciario el gradiente es de 47 a 86 ºC/km. Salvo por una zona anómala en Breiðafjörður (hasta 124 ºC/km), el gradiente aumenta progresivamente con la proximidad al rift volcánico, y en una banda periférica de 15-50 km de anchura los valores oscilan desde 50-60 ºC/km a 120-165 ºC/km. Sin embargo, en la propia zona neovolcánica o de vulcanismo reciente, el gradiente es bajo en los primeros km de corteza por efecto del enfriamiento producido por las aguas subterráneas descendentes, aunque se han llegado a medir más 300 ºC en determinados sondeos. El flujo térmico de la zona neovolcánica cuadruplica al de las zonas más antiguas.

Mapa que muestra la distribución de los Campos Geotérmicos de Alta y Baja Temperatura en Islandia.

Mapa que muestra la distribución de las principales fuentes termales de Islandia.

Existen dos tipos de áreas geotérmicas, dependiendo de sus características geológicas:

Áreas de baja temperatura.

Caracterizadas por manantiales de agua tibia a hirviente, depósitos silíceos (o, más raramente, calcíticos), poco contenido gaseoso y líquidos alcalinos. Existen unas 250 en Islandia, repartidas por todo el país pero en menor proporción en el E y SE, fuera del rift activo. La zonas más grandes de baja temperatura se encuentran en el S y W, sobresaliendo la de Reykir (Mosfellssveit, cerca de Reykjavík), Laugaland (cerca de Akureyri), Flúðir (al S) y la de Reykholt (Borgarfjörður).

La condición general para la definición de área geotérmica de baja T es que ésta no sobrepase los 150 ºC a 1000 m de profundidad. En estas zonas, la temperatura es máxima junto al cinturón volcánico y en superficie no se aprecia una importante alteración ambiental alrededor de las fuentes y estanques termales, de modo que es frecuente que la vegetación llegue hasta las mismas orillas. Puesto que el agua tiene una baja concentración de sustancias disueltas, puede usarse directamente como suministro de agua caliente y, en general, se considera potable. Entre estas sustancias, destacan la sílice y el H₂S, siendo ésta última la que aporta al agua su olor peculiar.

El agua que llega a la superficie en algunas de estas áreas de baja T se piensa que tiene una edad de varios siglos y que se ha desplazado hasta 100 km en la corteza. La fuente de calor reside bien en el Manto Superior en fusión parcial, bien en antiguos plutones que se han apartado de la zona de rifting.  Incluso, en algún caso puede tratarse de jóvenes intrusiones adyacentes a áreas volcánicamente activas. El agua es siempre meteórica, es decir, procedente de las precipitaciones o la fusión del hielo, que ha percolado por la roca como agua freática.  Posteriormente se ha calentado por alguna de estas razones:

a. Aguas subterráneas que fluyen lentamente siguiendo la pendiente regional (de las tierras altas a las bajas) por una corteza caliente. Este proceso es el menos probable.

b. Convección de las aguas subterráneas a favor de fracturas recientes que afectan a rocas impermeables.  Este proceso y el siguiente parecen los más probables para muchas zonas, especialmente las más grandes y calientes.

c. Convección de las aguas subterráneas en sistemas de alta T que están enfriándose.

d. Calor procedente de intrusiones magmáticas emplazadas en rocas permeables o muy fracturadas.

El agua suele alcanzar la superficie a favor de fracturas, fallas y diques, y lo normal es que sea de carácter alcalino, con 150-440 ppm de sólidos disueltos (sílice, Na, cloruros, sulfatos, etc). Alrededor de los manantiales se depositan sílice y carbonato cálcico.

Esquema de un Área Geotérmica de Baja Temperatura.

Áreas de alta temperatura.

Presentan fumarolas, pozos de lodo burbujeante, rocas muy lixiviadas, masas o capas de arcillas, azufre nativo, depósitos de yesos, alto contenido gaseoso  y líquidos ácidos. Sólo aparecen en los cinturones volcánicos activos o en su periferia, muchas veces directamente asociables a un centro volcánico.  Existen 32 en toda Islandia. El agua no baja de los 200 ºC a 1000 m de profundidad. Se piensa que este tipo de zonas puede convertirse en áreas de baja temperatura conforme la extensión del fondo oceánico las vaya alejando del centro del cinturón volcánico. Las manifestaciones superficiales son mucho más diversas que en las zonas de baja T. Aquí podemos encontrar fumarolas, fuentes termales de agua en ebullición, fuentes termales de barro y géiseres. Por lo general, el suelo es muy ácido, lo que impide un desarrollo normal de la vegetación. La mayoría de estas áreas tienen una superficie de decenas de km² que incluyen uno o más campos geotérmicos separados. Sin embargo, las mayores abarcan muchos campos, con una superficie total de 50-150 km² (por ejemplo, Torfajökull). La más importante es la de Grímsvötn, con unos 3500-5000 MW de potencia, directamente calentada por una cámara magmática existente bajo la caldera. Las principales localizaciones están en la península de Reykjanes, Krísuvík, Hengill (las tres en el SW), Kerlingarfjöll (centro), el área de Torfajökull y Grímmsvötn (al S) y Námaskarð y Krafla, en el N.

La fuente del calor es casi con toda seguridad una intrusión somera o una cámara magmática. El agua procede principalmente de las precipitaciones locales, parcialmente canalizada por el enjambre fisural que acompaña al centro volcánico y formando parte de fuertes corrientes de convección que ascienden en las proximidades de la fuente de calor. En la península de Reykjanes, es el agua marina la que se infiltra y existen al menos tres campos geotérmicos con manantiales de agua salada (Reykjanes, Eldvörp y Svartsengi).

Las áreas de alta T se caracterizan, como se ha mencionado, por la existencia de fumarolas y de pozos de barro burbujeante. En este caso, las burbujas las producen gases o vapores en ascenso. Tanto el vapor como el agua de las fuentes termales son algo ácidos, lo que causa la intensa disolución de la roca encajante, por lo que se cargan de sílice, Ca y otros componentes, como el H₂S y el CO₂. Los materiales disueltos se depositan en parte en cavidades subterráneas, pero también en la superficie: Azufre nativo, yeso blanco y ópalo.  Las aguas ácidas reaccionan con las rocas superficiales, lo que origina minerales de la arcilla, como esmectitas y caolinita en capas rojas, marrones o grisáceas. Los colores rojos y pardos se deben a las trazas de óxidos de hierro, mientras que los grises proceden del sulfuro de hierro. Por todo ello, estas áreas son fácilmente reconocibles por sus vivos colores, por los penachos de blancos vapores y por el ominipresente olor picante.

En algunas de estas áreas el agua en ebullición llega a la superficie en forma de fuentes termales alrededor de las que se deposita la sílice, como en Hveravellir. En otros lugares existen géiseres, como los famosísimos de Geysir, en el área de Haukadalur. Aun en otros, las aguas subterráneas someras producen un enfriamiento de la parte superior de la reserva, lo que produce la descarga de agua caliente o en ebullición, en lugar de vapor. Éste puede encontrarse, sin embargo, un poco más profundo, como es el caso de Hveragerði.

Además, existen también campos geotérmicos de naturaleza mixta, lo que nos demuestra que éstos son siempre transitorios. Aparecen en una zona, se desarrollan, pueden intensificar su actividad en ocasiones pero, tarde o temprano, se hacen inactivos.

Cuando se estudia el estado físico de la reserva de fuidos en un campo geotérmico, nos encontramos con cuatro posibilidades:

a. Sistema acuoso (líquido saturado) sin ebullición. Típico de las áreas de baja temperatura. En las zonas de alta temperatura pueden coexistir varios sistemas, como los siguientes:

b. Sistema saturado de vapor donde éste es el único fluido presente.

c. Sistema de vapor sobrecalentado (en estado súpercrítico) con vapor sometido a gran presión.

d. Sistema en ebullición  en el que hay tanto agua líquida como vapor. Es el más típico de las zonas de alta temperatura. Son frecuentes las fumarolas.

Estas aguas alcanzan su elevada temperatura al entrar en contacto con la roca subterránea, que a su vez está tan caliente por la proximidad del magma. Esta temperatura tan alta explica la elevada concentración de minerales y gases disueltos, razón por la cual el agua de estas zonas no se puede emplear directamente para la calefacción. Por otro lado, tanto la alta presión de vapor como la gran temperatura hacen muy apropiado el empleo de estas aguas para calentar agua dulce con el objeto de su uso como agua caliente doméstica y para generar electricidad.

La Central Geotérmica de Nesjavellir se encuentra en el campo geotérmico de alta temperatura de Hengill, al E de Reykjavík,  uno de los mayores de Islandia. Su actividad termal está conectada con tres sistemas volcánicos, a saber:

a. Sistema de Grensdalur, el más antiguo y del que procede la energía geotérmica de Reykdalur-Hveragerdi.

b. Sistema de Hrómundartindur, al N del anterior, cuya última erupción fue hace 10.000 años. A este sistema pertenece la energía geotérmica de Öldukelsháls.

c. Sistema de Hengill, al W de los dos anteriores. Su sistema de fracturas volcánicas y de fallas se extiende al SW por Innstidalur, Kolviðarhóll y Hveradalur (el "Valle de la Fuente Termal") y al NE por Nesjavellir y el lago Þingvallavatn.

Esquema tridimensional de la geología del área de Nesjavellir.

Fotografía aérea del área de la Central Geotérmica de Nesjavellir en la que aparecen claramente las crestas y fisuras volcánicas del rift.
 

Fotografía aérea de la Central Geotérmica de Nesjavellir.

Los estudios han demostrado que las precipitaciones que tienen lugar en las tierras altas al N del lago Þingvallavatn se filtran en el subsuelo, fluyendo hacia zonas más bajas y entrando en contacto con las rocas calientes del zócalo, lo que aumenta su temperatura hasta la ebullición y fuerza su salida por las fracturas y fallas de la zona del Hengill. Los modelos muestran una corriente de agua en ebullición que sube hacia Nesjavellir por la cresta de Kýrdalur, en Hengill. Entre esta cresta y Köldulaugagil, el calor geotérmico se encuentra a una profundidad de 1-2 km, mientras que la profundidad es mayor al W de la cresta de Kýrdalur.

Esquema del funcionamiento geológico del área geotérmica de Nesjavellir.

Este sistema ha entrado en erupción en varias ocasiones desde el último periodo glacial. Hace 2000 años, se formó el campo de lava de Nesjahraun por las emisiones quer tuvieron lugar en la fractura Kÿrdalur, cerca de Nesjavellir. También se originó la isla de Sandey, en el lago Þingvallavatn. Durante el periodo comprendido entre 1993 a 1997 se midieron en el área de Hengill casi 24.000 terremotos de magnitud superior a 0.5 en la escala de Richter, la mitad de los cuales tuvieron lugar en 1997. En junio de 1998 se registró el sismo de mayor intensidad de este periodo, que alcanzó 5.3 en la misma escala.

Central Geotérmica de Nesjavellir (Islandia).
 

Las rocas de Nesjavellir son relativamente recientes. En los primeros 500 m predominan las hialoclastitas, y más abajo encontramos lavas basálticas. Conforme profundizamos, se hacen más frecuentes las intrusiones magmáticas, de modo que a partir de los 1400-1600 m de profundidad son el tipo de roca más abundante. En la periferia de las intrusiones es frecuente hallar acuíferos. Esta zona está afectada por grandes fallas, como la de la cresta de Kýrdalur, a favor de las cuales se h a producido la subsidencia del valle. La temperatura de la roca alcanza un máximo cerca de las fracturas volcánicas, siendo de unos 100 ºC a nivel del mar y de más de 350 ºC a dos kilómetros de profundidad.

Edificio principal de la Central Geotérmica de Nesjavellir.

El ciclo productor de energía se divide en tres fases: Captación y procesamiento del vapor de agua por medio de sondeos, captación y calentamiento del agua y, por último, producción de electricidad. Primeramente, la mezcla de agua y vapor es conducida mediante tuberías desde los sondeos a la estación de separación, en la que el agua y el vapor toman caminos distintos. El exceso de vapor y el agua sobrante se eliminan mediante una chimenea de escape. El agua y el vapor, ya separados en la estación, son conducidos a una central energética a unos 12 bars de presión y 190 ºC de temperatura. El vapor pone en movimiento unas turbinas que producen electricidad. Cada una produce 30 MWe. En el condensador el vapor de agua se usa además para el precalentamiento del agua fría. Por otro lado, y mediante el primer intercambiador de calor, el agua caliente se usa para el mismo fin. A continuación, el agua así calentada y la que se ha precalentado se mezclan antes de que tenga lugar el calentamiento final en el segundo intercambiador de calor.

Esquema de la Central Geotérmica de Nesjavellir (Islandia). Versión imprimible de 2300 x 2105 px y 252 kB.

El agua fría se extrae de cinco sondeos situados ceerca de Grámelur, junto al lago Þingvallavatn, y se bombea a los depósitos situados junto a la central de energía. De allí va  para ser calentada a 85-90 ºC a los condensadores e intercambiadores de calor antes mencionados.

El agua fría está saturada de oxígeno disuelto que es un potente agente corrosivo del acero, por lo que debe eliminarse. Para ello, el agua se envía a un desgasificador en el que un proceso de ebullición a baja presión libera el oxígeno y otros gases disueltos. Durante este proceso, el agua se enfría hasta 82-85 ºC.

Planta de desgasificadores de la Central Geotérmica de Nesjavellir.

Por último, se introduce en el agua una cantidad muy pequeña de vapor con gases ácidos para eliminar las últimas trazas de oxígeno disuelto y bajar el pH del agua para evitar la precipitación de sustancias en los sistemas de distribución. Una pequeña cantidad de H₂S sirve para eliminar del todo el oxígeno que haya podido disolverse en el agua durante su confinamiento en los depósitos. Asímismo, esta sustancia añade al agua el mismo "buen olor" por el que es conocida actualmente en el sistema de abastecimiento de agua caliente de Reykjavík.

Esquema de uno de los generadores eléctricos de la Central Geotérmica de Nesjavellir.

Generador eléctrico en la Central Geotérmica de Nesjavellir. En primer término, las conducciones de agua fría.
 

La central de Nesjavellir está a 177 m sobre el nivel del mar. El agua caliente se bombea desde la central a un depósito situado en Háhryggur, cerca de Hengill, mediante una tubería de 90 cm de diámetro. La cresta está a 406 m s.n.m. La primera etapa de la conducción que lleva el agua a Reykjavík tiene un diámetro de 90 cm, luego pasa a ser de 80 cm y termina en los depósitos de Reynisvatn, situados a 140 m s.n.m y a 23 km de Nesjavellir. Esta diferencia de altitudes hace que el agua fluya por gravedad entre ambos depósitos, siendo las válvulas de Reynisvatn las que controlan el flujo por la línea de sumistro, manteniéndose constante el nivel en los depósitos de Háhryggur.

Esquema de la red de distribución de agua caliente de Nesjavellir.

De Reyuisvtn, la tubería toma rumbo sur para suministrar el agua a las poblaciones de Kópavogur, Garðabær, Bessastaðahreppur y Hafnarfjörður. La línea de Nesjavellir a Reynisvatn está diseñada para transportar agua hasta de 100 ºC de temperatura a razón de  1870 l/s. En la primera etapa del proyecto, el agua iba a 560 l/s, tardando menos de 7 h en hacer el recorrido de Nesjavellir a Reynisvatnheiði, con una pérdida de temperatura de sólo 2 ºC, lo que se explica por el diseño de un buen aislamiento y el uso de grandes cantidades de agua. En la segunda etapa del proyecto, el caudal máximo se aumentó a 840 l/s y en la tercera a 1100 l/s. Cuanta más agua se produce, más aumenta su velocidad de transporte, disminuyendo las pérdidas de calor y el tiempo empleado en el desplazamiento.

La tubería está hecha de acero, con un aislante externo de  lana de roca (rock wool) cubierto de plástico y aluminio allí donde el conducto discurre por encima del suelo, pero con un aislamiento de uretano cubierto de plástico cuando va bajo tierra. El  aislamiento de la tubería es tan efectivo que la nieve que se acumula sobre ella no se funde. Por razones de orden medioambiental y de tráfico rodado, hay unos 5 km de tubería que discurren enterrados. Los cambios de temperatura hacen que el acero se dilate o se contraiga. De hecho, cuando se inauguró la tubería, el valor de la dilatación fue de 24 m desde Nesjavellir a Grafarholt, a las afueras de Reykjavík. Para contrarestar estos cambios, el conducto descansa sobre apoyos y dispositivos especiales provistos de ruedas. Además, a intervalos regulares hay juntas de dilatación que funcionan como muelles.