CAPÍTULO 8Energía geotérmica

MATERIAL DEL CAPÍTULO 8

Bibliografía

Gupta, H. y S. Roy. Geothermal Energy: An Alternative Resource for the 21st Century.

Capítulo 2: Basic concepts, pp. 15-30

Capítulo 4: Geothermal systems and resources, pp. 49-59

Capítulo 8: Worldwide status of geothermal resource utilization, pp. 199-229.

Kaltschmitt, M., W. Streicher y A. Wiese. Renewable Energy Technology, Economics and Environment.

Capítulo 10.3 : Geothermal power generation, pp. 469-496.

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ENERGÍA GEOTÉRMICA

Calor proveniente de la tierra: geo (tierra) – therme (calor)

Características principales

Se debe a la formación del planeta, al decaimiento de isótopos radioactivos y a reacciones químicas.

Es una fuente de energía renovable (prácticamente ilimitada) y sostenida (24hs/365días).

No involucra combustión de fósiles, pero en algunos casos pueden liberarse sustancias al ambiente (CO2, Nox, H2S) y acumular sedimentos.

La disponibilidad del recurso depende fuertemente del lugar geográfico.

De acuerdo a la temperatura el recurso se divide en

Alta temperatura (mayor a 200°C): regiones volcánicas y cadenas de islas. Se emplean en generación de electricidad

Moderada a baja temperatura (50°C a 200°C): regiones continentales.Se emplean en uso directo.

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RESEÑA HISTÓRICA

Uso directo Hasta el siglo XIX: se utilizaba exclusivamente para baños termales.

1892: primera aplicación para producción de agua caliente (Boise, Idaho).

1930: comienza a utilizarse en Islandia para calentamiento en gran escala.

Cuatro circuitos de agua caliente para edificios

públicos y privados

Recinto que alberga los dos pozos originales

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RESEÑA HISTÓRICA

Uso directo (cont.)

En la actualidad su uso está difundido en otras aplicaciones

Documentado en 82 países totalizando 70329 MWt.

Mayoritariamente (70%) en bombas de calor geotérmicas.

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RESEÑA HISTÓRICA

Generación de electricidad

Comienza a implementarse en el siglo XX

1897: se genera vapor para mover una máquina en Larderello, Italia.

1904: la máquina a vapor se utiliza para generar electricidad (demostrativa).

1911: primera planta de generación en la Toscana (~12.5 MW en 1913).

1958-1969: primeras plantas en EE.UU, Japón, Nueva Zelanda e Islandia.

Generador de electricidad (Larderello, Italia, 1904)Generación de vapor (Larderello, Italia, 1897)

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RESEÑA HISTÓRICA

Generación de electricidad (cont.)

En la actualidad existen 12800 MWe instalados en 24 países.

Para 2020 se estima una potencia instalada entre 15 y 17GW.

Fuente: Geothermal Energy Association. Anual report 2015 http://geo-energy.org/reports.aspx

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RESEÑA HISTÓRICA

Generación de electricidad (cont.)

Países con más instalaciones

Fuente: Geothermal Energy Association. Anual report 2015 http://geo-energy.org/reports.aspx

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ESTRUCTURA DE LA TIERRA

Se aproxima por una serie de capas esféricas concéntricas

Corteza

Espesor variable (5-100 km)

Manto

Superior (100 y 400 km)

Transición (400 y 700 km)

Inferior (700 y 2900 km)

Núcleo

Exterior líquido (2900 y 5100 km)

Interior sólido (5100 y 6378 km de profundidad)

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ESTRUCTURA DE LA TIERRA

Flujo de calor hacia la superficie

El calor fluye hacia la superficie desde el núcleo interior (~4200°C) con una potencia de 42x106 MWt.

La estructura térmica de la tierra no se conoce en forma completa.

Las mediciones directas están limitadas a 12 km en Rusia (~180°C) y 9 km en Alemania (~265°C).

A mayores profundidades la temperatura se calcula a partir de modelos basados en el flujo de calor en la superficie y la conductividad térmica de los materiales.

Modelo aproximado (Gupta y Roy, 2006)

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ESTRUCTURA DE LA TIERRA

Flujo de calor hacia la superficie (cont.)

En general, la mayor parte del calor que llega a la superficie lo hace a baja temperatura y con gradientes térmicos bajos.

En la litósfera continental se tiene

Gradiente térmico promedio inferior a 30°C/km.

Densidad de potencia promedio: 65 mW/m2 (en oceánicas: 101 mW/m2)

La figura muestra una familia de geotérmicas (temperatura vs. prof.) para diferentes flujos de calor en la superficie (litosfera continental).

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ESTRUCTURA DE LA TIERRA

Flujo de calor hacia la superficie (cont.)

En algunos lugares se tienen gradientes térmicos mayores y se pueden aprovechar (competitivamente) mediante perforaciones.

Regiones hipertérmicas (≥80°C/km)

Se dan en los bordes de las placas tectónicas. Se evidencian por la actividad sísmica, volcanes, géiseres, fumarolas y hot-springs.

Regiones semitérmicas (~40-80°C/km)

Se dan en algunos lugares interiores de las placas, por anomalías en la composición y estructura de la corteza (Bahía Blanca: 55±12°C/km).

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ESTRUCTURA DE LA TIERRA

Litósfera (esfera de piedra)

Parte externa de la tierra hasta 100-150 km.

Abarca la corteza terrestre y la capa externa del manto, y está compuesta por una serie de placas rígidas denominadas placas tectónicas.

La transmisión de calor es por conducción, y como las rocas son poco conductoras, en las regiones normales la temperatura a pocos km de la superficie no supera los 100 °C.

Con perforaciones de 5 km se pueden alcanzar 200 o 300 °C con grandes riesgos de fallo. Además, no es suficiente alcanzar la roca caliente, debe extraerse el calor inyectando algún fluido.

Desde el punto de vista económico no es redituable extraer energía geotérmica en cualquier lugar.

Se aprovechan los bordes de las placas y algunos puntos interiores donde pueden alcanzarse temperaturas altas a pocos km.

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ESTRUCTURA DE LA TIERRA

Placas tectónicas

Las placas se mueven debido a la convección en la astenósfera (capa inmediatamente inferior a la litósfera).

Se pueden separar o chocar, permitiendo que el magma o roca fundida (1000°C) se acerca a la superficie.

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ESTRUCTURA DE LA TIERRA

Placas tectónicas y ubicación de volcanes

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ESTRUCTURA DE LA TIERRA

Placas tectónicas y zonas con mayor potencial geotérmico

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ESTRUCTURA DE LA TIERRA

Placas tectónicas y plantas de generación eléctrica

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SISTEMAS Y RECURSOS GEOTÉRMICOS

Recurso

Reservorio dentro de la tierra desde donde puede extraerse calor y utilizarlo para generar electricidad u otro uso.

Puede ser de roca sólida, fluidos o magma.

Se estima en base a datos geológicos y geofísicos

Profundidad, grosor y extensión de los acuíferos geotérmicos.

Propiedades de la roca.

Salinidad y geoquímica de los fluidos presentes.

Temperatura, porosidad y permeabilidad de las formaciones rocosas.

Debe confirmarse perforando en los lugares potencialmente aptos.

Significativo costo de perforación y obtención de datos.

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SISTEMAS Y RECURSOS GEOTÉRMICOS

Sistemas geotérmicos

Se necesitan tres componentes

Gran fuente de calor

Reservorio para acumularlo

Barrera para contenerlo

Se pueden clasificar de acuerdo a la forma geológica en

Hidrotérmicos

Geopresurizados

Roca seca caliente (HDR)

Magma

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SISTEMAS GEOTÉRMICOS

Hidrotérmicos

Se encuentran cerca de los volcanes, donde el magma (fuente de calor) está a profundidades de pocos km.

El agua/vapor del reservorio se mueve por corrientes convectivas con temperaturas bastante uniformes.

Continuidad hidráulica y amplias áreas de recarga. El fluido es agua de lluvia en un 90%.

Debe mantenerse el balance hidrológico (reposición). Para una planta de 100MW se necesitan 1000 a 2000 ton/h de agua.

Magma

Roca volcánica

Reservorio

Roca sólida (sello)

Perforación para

explotación

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SISTEMAS GEOTÉRMICOS

Hidrotérmicos (cont.)

Dominados por vapor

Altas temperaturas (pueden superar los 250°C) y altas presiones.

El agua cambia a fase vapor al ascender (disminuye la presión), generando grandes cantidades de vapor y una mezcla de agua-vapor saturado.

Ejemplos

Vapor seco: Larderello (Italia) y The Geysers (USA).

Vapor húmedo: Cerro Prieto (México), Wairakei (NZ), Reykjavik (Islandia), Salton Sea (USA), Otake (Japón).

Dominados por líquido o de agua caliente

Son los más comunes. El agua mayormente en fase líquida.

Temperaturas superiores a 60°C, y profundidades de 1,5-3 km.

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SISTEMAS GEOTÉRMICOS

Geopresurizados

Son sistemas hidrotérmicos casi completamente sellados.

Mayor presión, menor temperatura y mayor profundidad que los hidrotérmicos.

Descubiertos en el Golfo de Méjico (prof. 6-8 km, 1300 bar y 150-180°C)

Solución de agua con hidrocarburos. Al ascender disminuye la presión y se separan.

Explotación comercial marginal. Es más rentable extraer el petróleo de las inmediaciones. El potencial del hidrocarburo es 5 veces el del agua.

Experiencias de ciclos combinados utilizando los hidrocarburos para combustión en turbinas y los exhaustos para calentar el agua que se obtiene del reservorio y utilizarla en turbinas de vapor.

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SISTEMAS GEOTÉRMICOS

De roca caliente (HDR)

Calor almacenado en rocas muy poco permeables

Profundidades inferiores a 10 km, temp. menor a 650°C (excluye magma), sin presencia sustancial de fluidos (para almacenar y transportar el calor)

Lugares: donde hay volcanes jóvenes, flujos de calor en superficie elevados o fuentes de calor localizadas radiométricamente.

Explotación: se requiere crear fracturas en las rocas (fractura hidráulica) para formar un intercambiador de calor por el que circulará el agua de trabajo.

Desafíos tecnológicos: construcción de los intercambiadores y control de la pérdida de fluido.

Potencialidad mayor que los otros recursos.

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SISTEMAS GEOTÉRMICOS

Magma

Naturalmente líquido y cristaliza formando rocas con temperaturas entre 600 y 1400°C.

En varias regiones volcánicas se encuentra en los últimos 5 km de la corteza.

En el volcán de Kilauea, Hawaii, en el período 1952-1971 se ha estimado una producción de 100 millones de m3 por año de lava.

En los ’80 se investigó el potencial en un lago de lava en Hawaii, pero hasta el momento no se desarrolló la tecnología necesaria para la conversión del calor del magma.

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USO DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA

Aplicaciones principales

Generación de electricidad

La presión de vapor del fluido de trabajo se reduce en una máquina térmica (p. ej. turbina de vapor) produciendo trabajo mecánico y luego, por medio de un generador, energía eléctrica.

Todas las tecnologías utilizan un ciclo térmico de tipo Rankine.

Uso directo

Abarca el rango de temperaturas moderadas a bajas, sin convertir el calor en otra forma de energía.

En este rango de temperaturas, la aplicación más eficiente es el uso directo.

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GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Características de las plantas

Tienen menor eficiencia que las que utilizan combustibles fósiles y que las hidráulicas.

Baja temperatura del vapor (inferior a 250 °C) y presencia de gases no condensables (CO2, H2S, NH3, CH4, N2, H2)

Se reducen los costos de infraestructura y la polución.

Puesta en marcha larga y complicada. Se emplean como centrales de base.

Deben estar cerca del pozo de producción para evitar pérdidas de calor y condensación en las tuberías.

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GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Clasificación de la tecnología

Sistemas abiertos

Utilizan el fluido geotérmico como fluido de trabajo en la central

Se clasifican en

Vapor seco

Vapor espontáneo o flash

Sistemas cerrados

Transmiten el calor del fluido geotérmico a otro fluido de trabajo que se utiliza en la central

Sistemas combinados

Combinan sistemas abiertos y cerrados

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GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Sistemas abiertos de vapor seco

Características

El pozo produce vapor sobrecalentado (o con muy poco agua).

El vapor se pasa por un separador centrífugo para eliminar agua y sólidos.

Se inyecta a la turbina, se expande,se condensa, se enfría y se reinyecta al reservorio.

Son los menos frecuentes y más eficientes

SEPARADOR

CENTRÍFUGO

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GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Sistemas abiertos de vapor seco (cont.)

Ejemplo: Plantas de Larderello y Travale/Radicondoli (Italia)

Dos instalaciones del mismo campo geotérmico

Grupo de varias plantas que superan los 800 MWe instalados

Abastece el 26% de las necesidades regionales

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GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Sistemas abiertos de vapor seco (cont.)

The Geysers (California, Estados Unidos)

1517 MWe instalados, 22 centrales en total y 18 en operación (900MWe).

Calpine opera 19 centrales, con 327 pozos de extracción (3000 m promedio, 85 días para realizarlos) y 52 pozos de inyección de agua residual.

Unidades 5 y 6 de McCabe

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GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Sistemas abiertos de vapor espontáneo

Características

El agua del reservorio está entre 150 y 300 °C. Puede salir en forma natural (por su propia presión) o forzada (bomba).

Al salir disminuye la presión produciendo vapor

Se incrementa la cantidad de vapor utilizando un separador (disminuye la presión).

El líquido se reinyecta y el vapor se envía a la turbina, donde se expande. Luego se condensa, se enfría y se reinyecta al pozo.

Problemas de corrosión y precipitación de minerales en el separador.

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GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Sistemas abiertos de vapor espontáneo (cont.)

Con condensación

Flash simple

Flash doble (figura)

Sin condensación

Se utiliza cuando el vapor generado tiene grandes cantidades de gases no condensables.

Es más simple y menos costoso porque no tiene el condensador y la torre de enfriamiento, pero es menos eficiente.

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GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Sistemas abiertos de vapor espontáneo (cont.)

Planta de Wairakei (Nueva Zelanda)

Central de base que produce el 4.3% de la electricidad de NZ.

Es la primera en su tipo. Funciona desde 1960 a más del 90% de su potencia (181 MW con una planta binaria construida recientemente).

Eficiencia del 37% (condensadores con agua muy fría del río Waikato)

Ocupa un área de 25km2 y pozos de diferente profundidad (~600m)

54 de producción, 9 de reinyección y 70 de monitoreo o no usados.

Separador

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GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Sistemas abiertos de vapor espontáneo (cont.)

Planta geotérmica de Hellisheidi (Islandia)

Cogeneración (electricidad y calor) ubicada en uno de los campos geotérmicos de alta entalpía más grandes de Islandia. Vapor espontáneo (flash).

303 MWe y 113MWt instalados (proyectados 400 MWt convirtiéndola en la CHP más grande de Islandia).

Pozos de 1000-2200m: 44 de producción y 17 de reinyección.

http://www.mannvit.com/projects/hellisheidi-geothermal-power-plant/

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GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Sistemas cerrados

Utilizan un ciclo binario

El agua del pozo no entra en contacto con la turbina.

Se utiliza un fluido de trabajo con baja temperatura de vaporización (propano, isobutano, isopentano y amoníaco)

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GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Sistemas combinados (abiertos+cerrados)

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GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Utilización del recurso

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GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Impacto ambiental

Emisiones gaseosas

Producen CO2, H2S, CH4, H2, N2, NH3.

Emisiones de CO2 en lb/kWh

2

1.5

1

0

0.5

Geotérmica

Gas natural

Petróleo

Carbón

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GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Impacto ambiental (cont.)

Uso de la tierra

Requieren relativamente poca tierra. Cuidado con los barros.

Ruido

Mayor en la exploración y construcción. En operación 45 a 12dB.

Hundimiento del suelo

En Wairakei (NZ) se produjo el hundimiento del suelo de hasta 13m. Laguna de 1 km long. y 6m de prof. Rotura de autopista y tuberías.

La reinyección debería hacerse en el mismo pozo. Problemas porque éste se hace alejado del pozo principal para no enfriarlo.

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USO DIRECTO

Aplicaciones

Residenciales y comerciales

Calefacción y refrigeración de espacios

Agua caliente sanitaria

Natatorios y baños terapéuticos

Derretimiento de nieve (veredas, rutas, etc.)

Tratamiento de residuos por bio-conversión

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USO DIRECTO

Aplicaciones (cont.)

Agricultura y usos relacionados

Cría de animales para producción de alimentos

Piscicultura

Invernaderos

Secado, fermentación, etc

Aplicaciones industriales

Procesamiento de papel y madera

Recuperación de oro, plata y otros minerales

Tratamiento de agua

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USO DIRECTO

Aplicaciones (cont.)

Temperaturas

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USO DIRECTO

Producción de agua caliente municipal

Se utiliza para proveer calefacción y agua caliente

Componentes básicos

Pozo de producción y pozo de reinyección.

Tuberías de transmisión y distribución.

Bombas de extracción y circulación, reguladores, válvulas, juntas de expansión.

Intercambiadores de calor apropiados.

Puntos críticos

Aislación de las tuberías

Caída de presión

Presencia de impurezas

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USO DIRECTO

Bombas de calor

Es el dispositivo más eficiente (y probablemente menos difundido) para calefaccionar y refrigerar ambientes.

Aún a bajas temperaturas la tierra, el agua y el aire contienen energía que puede utilizarse extrayendo calor.

Muy eficiente para diferencias de temperatura de unos 10°C entre el interior y el exterior.

Funcionamiento

Aplicando trabajo mecánico, las bombas de calor pueden elevar las temperaturas de la energía térmica capturada a valores utilizables.

Permiten transportar calor de una fuente fría a una caliente, ya sea que se trate de calefacción o refrigeración.

Fuente fría

Fuente caliente

LQ

HQ

W

HT

LT

Bomba

de calor

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USO DIRECTO

Bombas de calor (cont.)

Coeficiente de desempeño (COP)

H LQ Q W

Idealmente

LR

QCOP

W

Para refrigeración (típico 3.5):

1H LH

Q QCOP

W W

Para calefacción (típico 4):

Aire acondicionado

(verano)Calefacción

(invierno)

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USO DIRECTO

Bombas de calor (cont.)

Calefacción

21

3

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USO DIRECTO

Bombas de calor (cont.)

Refrigeración

2 1

3

4 5

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USO DIRECTO

Bombas de calor (cont.)

A cierta profundidad, la tierra tiene una temperatura constante moderada.

Las bombas geotérmicas son más eficientes que las de aire (acondicionadores típicos)

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USO DIRECTO

Bombas de calor (cont.)

Dispositivos comerciales

Viessmann - Vitocal

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RECURSO EN ARGENTINA

Relevamiento SEGEMAR

Servicio Geológico Minero Argentino

Satisfactorio conocimiento del recurso termal. No así, el grado de utilización de las áreas investigadas.

Se tiene cubierto

90% de las regiones con posibilidades de alta entalpía (más de 150°C).

75% de las regiones con posibilidades de baja entalpía con indicios superficiales.

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RECURSO EN ARGENTINA

Relevamiento SEGEMAR (cont.)

En base a los trabajos de reconocimiento se profundizó el estudio en 25 zonas geotérmicas favorables.

Proyectos de alta entalpía en las áreas volcánicas

Tuzgle ( 4)

Valle del Cura ( 7)

Domuyo ( 9)

Copahue-Caviahue ( 10)

Además

Peteroa-Los Molles ( 8´)

Termas de Río Hondo ( 5)

8´

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APROVECHAMIENTO EN ARGENTINA

Emprendimientos

Valle del Cura (San Juan)

Convenio entre la empresa Geotermia Argentina, y Energía Provincial Sociedad del Estado (EPSE) para instalar una central de 5 MW en una primera etapa y podría concretarse una segunda etapa totalizando 150 MW.

Copahue-Caviahue (Neuquén)

Potencial comprobado de 30 Mwe. Está prevista la construcción y operación de una planta de 30 Mwe (Las mellizas de Copahue).

La provincia rescindió un contrato firmado en 2010 con la empresa canadiense Geothermal One Inc por retraso en el inicio de los trabajos.

Domuyo (Neuquén)

El análisis de prefactibilidad realizado por la agencia de cooperación JICA (Japón) indica una potencia de 30 MWe.

Se perforó un pozo de ~400m y se midieron 172°C a 362m.

El recurso de interés estaría a unos 800m.

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APROVECHAMIENTO EN ARGENTINA

Central demostrativa en Copahue-Caviahue

El campo geotérmico

Área termal de 1.2 km2, zona hipertérmica, con 5 manifestaciones de importancia al noreste del volcán Copahue.

Pozos de exploración estudiados: COP-1: 1.414 m, 18 tn/h, 2-3MW; COP-2: 1.241 m (no anduvo muy bien); COP-3: 1.065 m, 50 tn/h (vapor estabilizado); COP 4: 70 tn/h, 7MW. Mezcla agua-vapor dominante.

La planta

Inaugurada en abril de 1988, actualmente fuera de operación.

Potencia nominal de 670 kW (marca Ormat, isopentano), conectado a línea de 13,2 kV.

Reservorio a 850-1000 m, generando 6,7 tn/hora de vapor saturado a 171°C con 8% de gases no condensables(~90% CO2).

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APROVECHAMIENTO EN ARGENTINA

Uso directo

Localización de aprovechamientos

Fuente: J. A. Moragues, “Energías Renovables no Convencionales

en ARGENTINA”, ISES-ASADES 23–27 octubre 2006.

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APROVECHAMIENTO EN ARGENTINA

Proyectos y emprendimientos en la zona de Bahía Blanca

Niveles acuíferos termales surgentes :

Superior: 530-570 m temp. 55-60 °C

Inferior: 660-890 m temp. 65-85 °C

Proyectos (Segemar):

Cerri: cría de camarones

Carrindanga: climatización invernáculos.

Médanos: emprendimiento terapéutico-recretivo.

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