CARACTERIZACIÓN Y OPTIMIZACIÓN TERMODINÁMICA DE RECURSOS

UNIVERSIDAD DE CHILE

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

CARACTERIZACIÓN Y OPTIMIZACIÓN TERMODINÁMICA DE

RECURSOS GEOTÉRMICOS NACIONALES ESPECÍFICOS

MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL MECÁNICO

RODRIGO IGNACIO MARIPANGUI GONZÁLEZ

PROFESOR GUÍA:

ÁLVARO VALENCIA MUSALEM

MIEMBROS DE LA COMISIÓN:

DIEGO MORATA CESPEDES

WILLIAMS CALDERÓN MUÑOZ

SANTIAGO DE CHILE

2015

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RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR

AL TÍTULO DE: Ingeniero Civil Mecánico

POR: Rodrigo Maripangui González

FECHA: 28/01/2015

PROFESOR GUÍA: Álvaro Valencia

CARACTERIZACIÓN Y OPTIMIZACIÓN TERMODINÁMICA DE RECURSOS

GEOTÉRMICOS NACIONALES ESPECÍFICOS

Actualmente gas, carbón y petróleo abastecen tres cuartos de la demanda energética mundial, lo

cual muestra la gran dependencia de los combustibles fósiles que tiene la humanidad; esto

sumado a la sobreexplotación de los recursos naturales provoca distintos tipos de contaminación,

tanto local (material particulado, compuestos orgánicos volátiles y monóxido de carbono) como

global (efecto invernadero, lluvia ácida, contaminación de suelo y agua).

Lo anterior, junto al agotamiento del petróleo, motiva la búsqueda de nuevas formas de energía

como lo son las renovables no convencionales.

El presente estudio trata sobre un tipo de energía renovable en particular: la energía geotérmica.

El objetivo es desarrollar un mapa geográfico que indique la ubicación de 16 recursos

geotérmicos nacionales de alta entalpía (datos brindados por el Centro de Excelencia en

Geotermia de Los Andes) junto a la potencia y/o trabajo específico máximos obtenidos luego de

evaluar cada yacimiento en 6 o 7 ciclos termodinámicos distintos dependiendo de cada caso.

Para comenzar, se exponen conceptos básicos sobre geotermia y se contextualiza sobre la

situación actual a nivel país. Luego se entrega una breve descripción de los 16 yacimientos

geotérmicos considerados en este estudio continuando con la interiorización sobre distintos

métodos para el aprovechamiento de la energía geotérmica, los que pueden ser por conversión

directa, por expansión súbita de una etapa, expansión súbita de dos etapas, sistemas binarios o

por medio de ciclos combinados. La utilización de cada uno de ellos depende netamente del tipo

de recurso (alta o media entalpía).

A continuación se describen los ciclos termodinámicos seleccionados que se utilizan para la

evaluación de los distintos recursos. Estos son programados en EES, software especializado en

ciclos termodinámicos que permite, a través de variables independientes, maximizar una variable

dependiente. En este caso se maximiza la potencia neta y/o el trabajo específico neto

dependiendo de los datos de cada yacimiento.

Después se muestra la validación de los ciclos termodinámicos y de la torre de enfriamiento

seguido por la metodología donde se explican los criterios utilizados en la evaluación

termodinámica y en la económica.

La siguiente sección da cuenta de los resultados obtenidos donde se detalla el comportamiento de

los distintos ciclos programados para cada yacimiento y se muestra la evaluación económica para

cada recurso. De esta última se desprende que hay cuatro proyectos atractivos económicamente

para entregar energía a los sistemas interconectados: Sierra Nevada, Apacheta, Puchuldiza y

Tolhuaca. Por otro lado Surire e Irruputuncu pueden ser atractivos para la industria minera. Por

último se encuentra el mapa geográfico que indica la ubicación de cada yacimiento junto a la

potencia y/o trabajo específico máximo obtenible.

ii

“Caminante, no hay camino,

se hace camino al andar”

iii

Agradecimientos

Llegando al final del recorrido de este largo camino, miro hacia atrás y agradezco a todas las

personas que fueron parte de él. En primer lugar agradezco a mis padres que, gracias al esfuerzo

que han realizado toda su vida, pudieron darme la oportunidad de estudiar. Mi padre, un hombre

de trabajo que ha dedicado su vida a la familia y mi madre, la mujer más fuerte que he conocido y

que ha sabido llevar la vida con mucha sabiduría.

Agradezco a mis hermanos y hermanas, José, Loreto, Natalia, Cristian y César, que siempre han

estado apoyándome incluso en los momentos más difíciles durante este proceso.

Le doy gracias a todos mis amigos y amigas que, de una u otra forma, han contribuido en mi

evolución al mostrarme distintas maneras de ver la vida.

Agradezco a la música, mi vía rápida de escape frente a penas y amarguras y también responsable

de momentos muy felices. Obviamente dar gracias a Tesito Frío: grupo de personas responsables

de momentos muy gratos los últimos dos años.

Doy gracias a los miembros de la comisión por darme la oportunidad de desarrollar este estudio.

En particular al profesor Álvaro Valencia que me entregó las herramientas necesarias para

comprender la termodinámica y me dio su apoyo, paciencia y sabiduría; al profesor Diego

Morata, por haber brindado todo lo que estaba al alcance de sus manos para que desarrollara esta

memoria y, por último, al profesor Williams Calderón, que fue parte importante en mi formación

académica.

Agradezco a José Matamala, quien realizó el estudio que antecede el presente y me dio su apoyo

durante todo este proceso.

Por último agradezco al Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA), que brindó

conocimiento, datos y apoyo durante para la realización de este trabajo, particularmente al

profesor Diego Morata, a Mauricio Muñoz y a Diego Aravena. Sin ellos este estudio no se podría

haber realizado.

Este trabajo se realizó gracias al apoyo del proyecto Fondap Conicyt #15090013 “Centro de

Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA)”.

iv

Tabla de contenido 1.-Introducción. ............................................................................................................................... 1

1.1.-Introducción.......................................................................................................................... 1

1.2.-Objetivos. .............................................................................................................................. 1

2.-Antecedentes. .............................................................................................................................. 3

2.1.-¿Qué es geotermia? .............................................................................................................. 3

2.2.-Sistemas de recursos geotérmicos. ...................................................................................... 4

2.3.-Tipos de sistemas geotérmicos. ........................................................................................... 5

2.4.-Exploración de recursos geotérmicos. ................................................................................. 6

2.5.-Recurso. ................................................................................................................................ 7

2.6.-Aplicaciones. ......................................................................................................................... 7

2.7.-Geotermia en chile. .............................................................................................................. 8

2.8.-Yacimientos geotérmicos considerados. .............................................................................. 9

2.9.-Sistemas termodinámicos actuales para recursos de media y alta entalpía. .................... 24

2.9.1.-Sistemas de conversión directa. .................................................................................. 25

2.9.2.-Sistemas de expansión súbita de una etapa o simple flash......................................... 25

2.9.3.-Sistemas de expansión súbita de doble etapa o doble flash. ...................................... 26

2.9.4.-Sistemas de ciclo binario. ............................................................................................. 27

2.9.5.-Sistemas de ciclo combinado. ...................................................................................... 30

3.-Termodinámica de los ciclos estudiados. .................................................................................. 32

3.1.- Ciclo de expansión súbita. ................................................................................................. 32

3.2.-Ciclo de doble expansión súbita. ........................................................................................ 33

3.3.-Ciclo Rankine orgánico. ...................................................................................................... 36

3.4.-Ciclo Rankine orgánico regenerativo. ................................................................................. 38

3.5.-Ciclo Kalina. ......................................................................................................................... 40

3.6.-Ciclo de expansión súbita combinado. ............................................................................... 42

3.7.-Ciclo de doble expansión súbita combinado. ..................................................................... 45

3.8.-Torre de enfriamiento. ....................................................................................................... 48

4.-Validación ciclos termodinámicos. ........................................................................................... 50

4.1.-Validación ciclo Kalina. ....................................................................................................... 50

4.2.-Validación ciclo Rankine orgánico (ORC) ............................................................................ 50

4.3.-Validación ciclo Rankine orgánico regenerativo. ............................................................... 52

4.4.-Validación ciclo expansión súbita de una etapa ................................................................. 52

4.5.-Validación ciclo de doble expansión súbita. ....................................................................... 53

v

4.6.-Validación ciclo de expansión súbita combinado ............................................................... 54

4.7.-Validación ciclo doble expansión súbita combinado.......................................................... 55

4.8.-Validación Torre enfriamiento ........................................................................................... 55

5.-Metodología. ............................................................................................................................. 57

5.1.-Evaluación termodinámica. ................................................................................................ 57

5.2.-Evaluación económica. ....................................................................................................... 58

5.2.1.-Ingresos. ....................................................................................................................... 58

5.2.2.-Costos. .......................................................................................................................... 58

6.-Análisis de resultados. ............................................................................................................... 60

6.1.- Análisis de potencias y trabajos específicos obtenidos. .................................................... 60

6.2.- Resultados evaluación económica. ................................................................................... 80

7.-Mapa geográfico de trabajos específicos y/o potencias máximas de los recursos geotérmicos

estudiados. ..................................................................................................................................... 87

8.-Conclusiones generales. ............................................................................................................ 90

9.-Bibliografía. .............................................................................................................................. 92

Anexo A: Ciclo Simple Flash programado en EES .......................................................................... i

Anexo B: Ciclo Doble Flash programado en EES ......................................................................... iii

Anexo C: Ciclo Rankine orgánico programado en EES................................................................. vi

Anexo D: Ciclo Rankine orgánico regenerativo programado en EES ......................................... viii

Anexo E: Ciclo Kalina programado en EES ................................................................................... x

Anexo F: Ciclo expansión súbita combinado programado en EES ............................................... xii

Anexo G: Ciclo doble expansión súbita combinado programado en EES .................................... xv

Anexo H: Torre de enfriamiento programada en EES ................................................................. xix

vi

Índice de tablas

Tabla 1. Resumen recurso Apacheta. ............................................................................................ 15 Tabla 2. Resumen recurso El Tatio. .............................................................................................. 16

Tabla 3. Parámetros ciclo Kalina. .................................................................................................. 50 Tabla 4. Potencia. .......................................................................................................................... 50 Tabla 5. Parámetros ciclo Rankine orgánico. ................................................................................ 51 Tabla 6. Supuestos realizados. ....................................................................................................... 51 Tabla 7. Resultados obtenidos y datos referenciales. .................................................................... 51

Tabla 8. Error Validación. ............................................................................................................. 51 Tabla 9. Parámetros ciclo Rankine orgánico regenerativo. ........................................................... 52 Tabla 10. Supuestos realizados. ..................................................................................................... 52 Tabla 11. Potencias obtenidas y referenciales. .............................................................................. 52

Tabla 12.Parámetros ciclo de expansión súbita de una etapa. ....................................................... 53 Tabla 13. Supuestos realizados. ..................................................................................................... 53

Tabla 14. Potencias resultantes y referenciales. ............................................................................ 53 Tabla 15. Error validación. ............................................................................................................ 53 Tabla 16. Parámetros ciclo de doble expansión súbita. ................................................................. 54

Tabla 17. Supuestos realizados. ..................................................................................................... 54 Tabla 18. Potencia neta obtenida y referencial. ............................................................................. 54

Tabla 19. Parámetros ciclo de expansión súbita combinado. ........................................................ 55 Tabla 20. Supuestos realizados. ..................................................................................................... 55 Tabla 21. Datos ingresados primer caso. ....................................................................................... 56

Tabla 22. Potencia obtenida y referencial. .................................................................................... 56 Tabla 23. Datos ingresados segundo caso. .................................................................................... 56

Tabla 24. Potencia obtenida y referencial. .................................................................................... 56 Tabla 25. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 60

Tabla 26. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 62 Tabla 27. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 63

Tabla 28. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 65 Tabla 29. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 66 Tabla 30. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 67

Tabla 31. Potencias netas según cada configuración termodinámica. ........................................... 69 Tabla 32. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 70 Tabla 33. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 72 Tabla 34. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 73 Tabla 35. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 74 Tabla 36. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 75

Tabla 37. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 76 Tabla 38. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 77 Tabla 39. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 78

Tabla 40. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 79 Tabla 41. Indicadores financieros por yacimiento......................................................................... 80 Tabla 42. Indicadores económicos en yacimiento Apacheta. ........................................................ 82 Tabla 43. Trabajos específicos obtenibles con distintos títulos de vapor. ..................................... 82 Tabla 44. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0. ...... 83 Tabla 45. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0,18. . 84 Tabla 46. Trabajos específicos obtenibles con distintos títulos de vapor. ..................................... 85

vii

Tabla 47. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0. ...... 85 Tabla 48. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0,18. . 86

viii

Índice de figuras

Figura 1. Mapa mundial con las placas tectónicas [3]. .................................................................... 4 Figura 2. Sistema geotérmico estándar [4]. ..................................................................................... 5

Figura 3. Concesiones geotérmicas por área, Noviembre 2013 (Ministerio de energía) [6]. .......... 9 Figura 4. Ubicación yacimiento geotérmico Tacora. ...................................................................... 9 Figura 5. Ubicación yacimiento geotérmico Colpitas. .................................................................. 10 Figura 6. Ubicación yacimiento geotérmico Surire. ...................................................................... 11 Figura 7. Ubicación yacimiento geotérmico Puchuldiza. .............................................................. 12

Figura 8. Ubicación yacimiento geotérmico Pampa Lirima. ......................................................... 13 Figura 9. Ubicación yacimiento geotérmico Irruputuncu. ............................................................. 14 Figura 10. Ubicación yacimiento geotérmico Apacheta. .............................................................. 15 Figura 11. Ubicación yacimiento geotérmico El Tatio.................................................................. 16

Figura 12. Ubicación yacimiento geotérmico La Torta. ................................................................ 17 Figura 13. Ubicación yacimiento geotérmico Juncalito. ............................................................... 18

Figura 14. Ubicación yacimiento geotérmico Tinguiririca. .......................................................... 19 Figura 15. Ubicación yacimiento geotérmico Laguna del Maule. ................................................ 20 Figura 16. Ubicación yacimiento geotérmico Nevados de Chillán. .............................................. 21

Figura 17. Ubicación yacimiento geotérmico Tolhuaca. ............................................................... 22 Figura 18. Ubicación yacimiento geotérmico Sierra Nevada. ....................................................... 23

Figura 19. Ubicación yacimiento geotérmico Cordón Caulle. ...................................................... 24

Figura 20.Sistema de conversión directa [8]. ................................................................................ 25 Figura 21. Sistemas de conversión por evaporación súbita [8]. .................................................... 26

Figura 22. Sistema de expansión súbita de dos etapas [8]. ........................................................... 27 Figura 23. Sistema Rankine orgánico [8]. ..................................................................................... 28

Figura 24. Sistema Rankine orgánico regenerativo [Elaboración propia]..................................... 29 Figura 25. Ciclo Kalina [Elaboración propia]. .............................................................................. 30

Figura 26. Ciclo combinado [9]. .................................................................................................... 31 Figura 27. Diagrama T-s, Central de Expansión Súbita [8]. ......................................................... 32

Figura 28. Diagrama T-s, central de doble expansión súbita [8]. .................................................. 34 Figura 29. Diagrama T-s, Ciclo Rankine orgánico [Elaboración propia]. .................................... 37 Figura 30. Diagrama T-S, Ciclo Rankine orgánico regenerativo [Elaboración propia]. ............... 38

Figura 31. DiagramaT-s, Ciclo Kalina [Elaboración propia]. ....................................................... 40 Figura 32. Diagrama T-s , Ciclo de expansión súbita combinado [Elaboración propia]. ............. 43

Figura 33. Diagrama T-s , Ciclo de doble expansión súbita combinado [Elaboración propia]. ... 45 Figura 34. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 61 Figura 35. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 62 Figura 36. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 64

Figura 37. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 65 Figura 38. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 66 Figura 39. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 68

Figura 40. Potencias netas según cada configuración termodinámica. ......................................... 69 Figura 41. Potencia neta según cada configuración termodinámica. ............................................ 71 Figura 42. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 72 Figura 43. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 73 Figura 44. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 74 Figura 45. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 75 Figura 46. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 76

ix

Figura 47. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 77 Figura 48. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 78

Figura 49. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 79 Figura 50. TIR v/s Potencia. .......................................................................................................... 81 Figura 51. Gráfico Costo de la energía por yacimiento. ................................................................ 81

Figura 52. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0. .................................................. 83 Figura 53. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0,18. ............................................. 84 Figura 54. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0. .................................................. 85 Figura 55. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0,18. ............................................. 86

x

Simbología

FG: Fluido geotérmico

T:Temperatura

P: Presión

IC: Intercambiador de calor

T_pp: Mínima diferencia de temperatura

t: turbina

g: generador

b: bomba de agua

sim: Simulación

ref: Referencia

1

1.-Introducción.

1.1.-Introducción.

El desarrollo industrial y el consumo energético de la población han generado un aumento

significativo de la demanda energía haciendo necesario el aumento de oferta energética y,

particularmente, eléctrica.

Actualmente gran parte de la energía generada tiene como materia prima combustibles fósiles,

generando gases de efecto invernadero y, por lo tanto, aumentando la temperatura del planeta [1].

Es por esto que se hace necesario buscar abastecimiento energético en un recurso que sea seguro,

que tenga el menor impacto ambiental posible y que sea competitivo en el mercado.

La geotermia es un tipo de energía considerada limpia ya que la emisión de gases contaminantes

es considerablemente menor a las plantas de gas, carbón y diesel y tiene un alto factor de planta

(95%) [2], comparable con una central nuclear.

Dentro del contexto nacional, Chile pertenece al Cinturón de Fuego del Pacífico por lo que las

condiciones geológicas favorecen a este tipo de energía, llegando a un potencial eléctrico entre

3.500 MW [ENAP] y 16.000 MW [Lahsen, 1988].

Es por esto que en conjunto con el Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA) se

realiza un estudio termodinámico para 16 yacimientos geotérmicos nacionales con el fin de

determinar los ciclos térmicos adecuados que maximicen la potencia y/o trabajo específico

obtenible y, de esta manera, obtener un mayor aprovechamiento de la energía geotérmica en el

país.

1.2.-Objetivos.

1.2.1.-Objetivo general:

Desarrollar un mapa geográfico que indique la ubicación de los 16 recursos geotérmicos

nacionales brindados por el Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes junto a la

potencia y/o trabajo específico máximos obtenidos luego de evaluar cada yacimiento en

distintos ciclos termodinámicos.

1.2.2.-Objetivos específicos:

Investigar el estado del arte de la geotermia y de las tecnologías disponibles para recursos

de media y alta entalpía tanto a nivel país como resto del mundo.

Obtener datos actuales de recursos geotérmicos nacionales de media y alta entalpía.

Utilizar ciclos termodinámicos programados en el software EES en estudios previos

realizados en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile

2

Programar ciclos termodinámicos adicionales en el software EES e implementar torre de

enfriamiento.

Evaluar cada recurso geotérmico en los distintos ciclos térmicos programados en EES que

se adecuen a la naturaleza del reservorio.

Determinar la configuración termodinámica que maximice la potencia y/o trabajo

específico de cada ciclo termodinámico.

Realizar una evaluación económica preliminar para definir viabilidad de la explotación de

los yacimientos.

1.3.-Alcances.

El estudio se realiza con datos de yacimientos geotérmicos entregados por el Centro de

Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA).

Tanto la potencia como el trabajo específico se calculan en función de las condiciones

nominales de operación.

Las eficiencias y propiedades de equipos e insumos necesarios para cada ciclo

termodinámico están consideradas según indicaciones de proveedores y/o bibliografía.

3

2.-Antecedentes.

2.1.-¿Qué es geotermia?

Geotermia viene del griego geo (Tierra) y thermos (calor); literalmente “calor de la Tierra”, por

lo que la energía geotérmica es la que está contenida dentro de la tierra, en el subsuelo, generando

fenómenos geológicos. Su uso se remonta a la antigüedad, donde diversos pueblos utilizaban esas

fuentes como fuentes de calor para tiempos fríos, baños medicinales, cocer sus alimentos, etc.

Este tipo de energía es considerada una energía limpia ya que la emisión de gases contaminantes

es considerablemente menor a plantas de gas, carbón y diésel.

Es posible observar manifestaciones de la energía de la tierra como el aumento de temperatura a

medida que aumenta la profundidad de la corteza terrestre hasta manifestaciones a gran escala

como son los volcanes y fuentes termales, implicando un gradiente de temperatura considerable

en la profundidad de la corteza terrestre. En general el gradiente geotérmico promedio de la tierra

es cercano a los 30°C/Km, pero en algunos lugares el gradiente es considerablemente mayor,

llegando a obtener en algunos casos más de 10 veces el gradiente geotérmico promedio mundial,

facilitando el acceso y disminuyendo la profundidad de las perforaciones.

El flujo de energía terrestre hacia la corteza se genera por la diferencia de calor entre las zonas

calientes (En la profundidad) y las zonas frías (Superficie). Este tiene un valor promedio de 65

mW/m2 en los continentes y 101 mW/m2 en los océanos. Considerando esto se obtiene que el

flujo calórico promedio mundial es 87 mW/m2, el cual puede aumentar considerablemente en

algunas regiones particulares.

La energía interna de la tierra se debe principalmente a su calor inherente e interno y a la

presencia de isotopos radiactivos de Uranio, Torio y Potasio en la corteza. La energía se transmite

desde el núcleo al manto. El núcleo llega a alcanzar los 7000 °C mientas que la base del manto se

encuentra a una temperatura del orden de 4000 °C. Según la teoría de la Tectónica Global de

Placas es que, debido a esta alta temperatura, en la astenósfera se generan celdas de convección

que permiten el ascenso de rocas calientes y livianas que se encuentran a un nivel más profundo

mientras que las rocas más densas y frías que se encuentran más cercanas a la superficie tienden a

descender, manteniendo el flujo convectivo y causando el movimiento de las placas, lo que

traería consigo la actividad sísmica, volcánica y las fuentes termales. Estas celdas de convección

originan las seis placas litosféricas principales; a las dorsales oceánicas (la actividad volcánica

genera corteza), fallas transcurrentes y a las zonas de subducción (donde es consumido el

material litosférico) (Figura 1).

4

Figura 1. Mapa mundial con las placas tectónicas [3].

2.2.-Sistemas de recursos geotérmicos.

Como se mencionó anteriormente el gradiente de temperatura da cuenta de la temperatura a

encontrar en una región dependiendo de la profundidad de la perforación. Tanto para un sistema

de baja como para uno de alta entalpía la convección de fluidos tiene un rol fundamental ya que

es la encargada de dar movimiento al sistema. Es decir, en la base del sistema el fluido se calienta

y expande, disminuyendo su densidad y ascendiendo, dando espacio a fluidos que provienen de

los márgenes del sistema y se encuentran a menor temperatura y, por lo tanto, mayor densidad,

los que descienden hacia la base del sistema. Para que esto ocurra, normalmente un sistema

geotérmico (figura 2) debe estar conformado básicamente por:

Presencia de fuente de calor: Usualmente consiste en un cuerpo de magma a alta temperatura

(600°C a 900°C) que entrega energía a las rocas adyacentes. Debe tener una profundidad

razonable; menor a 10 km

Agua: Es necesario que el agua, sea superficial o meteórica, pueda infiltrarse hasta llegar a una

profundidad que permita aumentar su temperatura y entalpía para luego comenzar con el régimen

convectivo.

Reservorio: Corresponde al volumen del yacimiento, es decir, al volumen de rocas permeables

que almacenan el fluido en estado líquido o gaseoso. Se debe encontrar a una profundidad

accesible mediante perforaciones.

5

Cubierta impermeable: Se encarga mantener los fluidos en el sistema ya que impiden el escape

de estos gracias a su baja permeabilidad. En general está conformada por rocas arcillosas o

precipitación de sales de las fuentes termales.

Figura 2. Sistema geotérmico estándar [4].

2.3.-Tipos de sistemas geotérmicos.

Estos dependen principalmente de los 4 puntos mencionados en la sección anterior, es decir, de la

fuente de calor, la entalpía del fluido, de la recarga de agua y de la geología local del sistema. Se

clasifican en:

Sistemas de agua caliente: Son reservas de baja entalpía donde el agua tiene una temperatura

entre 30°C y 100°C.

Sistemas de agua-vapor o agua dominante: Son sistemas con media y alta entalpía. Contienen

agua a temperaturas superiores a los 100 °C llegando hasta los 350 °C (Cerro Prieto, México). Se

encuentran bajo presión, permitiendo que el agua se encuentre en estado líquido incluso cuando

su temperatura supera los 100 °C. Actualmente es el tipo de sistema geotérmico más explotado.

Sistemas de vapor seco o de vapor dominante: En este tipo de sistema la separación de la fase

gaseosa de produce dentro del reservorio, entregando vapor saturado o sobrecalentado. Debido a

la naturaleza del fenómeno, son sistemas poco comunes.

Sistemas de rocas secas calientes: Consisten en regiones con un alto flujo energético que,

debido a la impermeabilidad no tienen circulación de agua dificultando la transferencia de calor

6

hacia la superficie. Actualmente se trabaja en permeabilizar artificialmente el reservorio para

poder aprovechar esta fuente de calor.

2.4.-Exploración de recursos geotérmicos.

La exploración es necesaria para determinar la presencia de un posible sistema geotérmico

utilizable, sus características (potencial, temperaturas, entalpía, presión, etc.), ubicar las áreas de

producción y determinar los parámetros económicos y ambientales de una futura explotación.

Para esto se utilizan distintos métodos de exploración:

Estudios Geológicos e Hidrogeológicos.

Todos los programas de exploración comienzan con estos estudios, ya que identifican la

ubicación y área a estudiar con mayor detalle y recomienda métodos de exploración adecuados

para la zona seleccionada. La información obtenida en este estudio es útil para la interpretación

de datos obtenidos con otros métodos de exploración, elaborar un modelo del sistema geotermal y

evaluar el potencial del recurso.

Prospecciones geoquímicas.

Están enfocadas en el estudio de los fluidos geotermales (líquido, vapor, y gas) y juegan un rol

importante en todas las etapas del desarrollo geotérmico.

Permite inferir las características de los fluidos del reservorio, determinar la temperatura mínima

esperada en profundidad y la fuente de recarga del agua.

También entrega información acerca de posibles problemas durante la etapa de re-inyección;

como asimismo acerca de posibles cambios en la composición del fluido, corrosión e incrustación

en los ductos y en los equipos de la planta, impacto ambiental y la forma de cómo evitarlos o

aminorarlos. Los estudios geoquímicos proporcionan datos útiles para planificar la exploración y

sus costos son relativamente bajos en comparación con otros métodos exploratorios más

sofisticados.

Prospecciones geofísicas.

Su objetivo es obtener distintos parámetros físicos como: Temperatura, conductividad eléctrica,

velocidad de propagación de ondas elásticas, densidad y susceptibilidad magnética a través de

prospecciones térmicas, métodos eléctricos y electromagnéticos, prospecciones sísmicas,

prospecciones gravimétricas y prospecciones magnéticas respectivamente. Particularmente, las

técnicas termales pueden proporcionar una buena aproximación acerca de la temperatura en el

techo del reservorio.

Perforación de pozos exploratorios.

Es la etapa final del programa de exploración geotérmica y permite determinar las características

reales de un reservorio para luego determinar el potencial. De esta manera se pueden verificar

7

todas las hipótesis y los modelos elaborados a partir de los resultados de las exploraciones de

superficie iniciales y, por último, determinar si el reservorio es productivo.

2.5.-Recurso.

El tipo de recurso depende de la temperatura. Se clasifica en los siguientes sub grupos [5]:

Alta entalpía: Para temperaturas mayores que 150 °C. Una temperatura superior a 150 °C

permite transformar directamente el vapor de agua en energía eléctrica.

Media entalpía: La temperatura se encuentra entre 90°C y 150 °C. Permite producir

energía eléctrica utilizando un fluido de intercambio, que es el que alimenta a las

centrales.

Baja entalpía: La temperatura del recurso es menor a 90 °C. Su contenido en calor es

insuficiente para producir energía eléctrica, pero es adecuado para calefacción y

determinados procesos industriales y agrícolas.

2.6.-Aplicaciones.

Las aplicaciones de este tipo de energía pueden ser térmicas o eléctricas, pero dependen del

recurso disponible.

Las aplicaciones térmicas son comunes en fuentes de baja y media entalpía. En general apuntan a

sectores industriales, servicios y residencia.

Sectores industriales: En procesos donde es necesario el aporte de calor, vapor, etc.

Residencia: La energía es usada para calentar agua potable sanitaria.

Climatización: El subsuelo contiene temperaturas constantes en el año debido a la inercia

térmica de la tierra. La temperatura aumenta con la profundidad, pero a 10 metros bajo el

suelo es posible encontrar temperaturas del orden de 17ºC. Se puede obtener energía

utilizando bombas de calor para calefacción durante el invierno o refrigeración durante el

verano.

Las aplicaciones eléctricas son algunas de las posibles opciones que tienen las fuentes de alta y

media entalpía que, por medio de ciclos térmicos, permiten la generación de potencia. Para esto

se han desarrollado distintas configuraciones de ciclos termodinámicos que van desde unos

cientos de kW hasta proyectos de mayor capacidad. Sin embargo los costos de perforación hacen

viables sólo grandes proyectos.

La generación de potencia por medio de recursos geotérmicos tiene un alto factor de planta.

Normalmente está en un rango desde 80% hasta 95% (ETSAP, 2010). En términos generales las

tecnologías empleadas son de alta eficiencia en el caso de generación de energía geotérmica, con

un rango entre 40% y 65% para generación térmica y entre 10% y 18% para generación de

electricidad. [CEC, 2009]. Los costos de inversión dependen del tamaño de la instalación y de la

temperatura que se pueda obtener del recurso geotérmico.

Las principales barreras son la escasa identificación y catastro de las fuentes disponibles, el alto

costo de inversión, sus altos riesgos de exploración y desarrollo y la escasa cultura local en

geotermia.

8

2.7.-Geotermia en chile.

Chile es un país de gran actividad volcánica ya que pertenece al cinturón de fuego del Pacífico.

Es por esto que el potencial geotérmico utilizable en ciclos de potencia es enorme, llegando a los

16.000 MW por al menos 50 años en recursos de alta entalpía a profundidades inferiores a 3.000

m (Lahsen, 1986). Por otro lado, estudios de mercado indican un potencial entre 810 y 3150 MW

para el año 2021 (Comisión asesora para el desarrollo eléctrico (CADE), 2011), el que seguirá

aumentando con el tiempo, ya que el año 2013 el Comité Técnico de la Plataforma de Escenarios

Energéticos Chile 2013 estimó que la capacidad de instalación de energía geotérmica para el año

2030 estaba entre 1750 y 5200 MW.

La primera exploración en el país tomo lugar en el norte de Chile el año 1907 en un campo de

géiseres. En 1920 se realizó el primer programa de exploración en Antofagasta y , después de 48

años (1968), comenzaron las exploraciones geotérmicas de una manera más sistemática a través

de un convenio entre el Gobierno de Chile y el PNUD, donde se creó el Comité para el

Aprovechamiento de la Energía Geotérmica, cuya función fue “programar, dirigir y realizar

investigaciones y trabajos en las zonas que existan recursos geotérmicos, encaminados a

establecer las posibilidades más adecuadas de explotación de los mismos”.

La primera ley que regulaba la energía geotérmica fue promulgada el año 2000 pero demoró 4

años para que las normas de procedimiento para la aplicación de la ley se publicaran. Ésta

promovía la exploración y explotación de los recursos geotérmicos para el sector privado,

otorgando concesiones de exploración y explotación. El año 2013 se realizaron mejoras en las

reglas de procedimiento que agilizaron el proceso de concesión y otorgaron a las empresas un

mayor plazo sobre los derechos de desarrollo.

En el norte y centro-sur de Chile existe una cantidad considerable de recursos geotérmicos con

temperatura adecuada para el desarrollo geotérmico (200°-250°C) que podrían ser utilizados para

la generación de electricidad. La llegada del gas natural retrasó el desarrollo de diferentes

proyectos debido a su bajo costo. Sin embargo, las condiciones actuales de racionamiento de gas

por parte de Argentina han vuelto a encender las alarmas con respecto a la diversificación y el

avance de proyectos geotérmicos en el norte del país.

Las exploraciones toman lugar mayoritariamente en las zonas volcánicas del norte de chile,

donde hay cerca de 90 áreas térmicas y sobre 47 concesiones de exploración. En las zonas

volcánicas del centro-sur hay sobre 200 áreas geotermales (Lahsen et al., 2010) y sobre 32

concesiones de exploración. La figura 3 muestra las concesiones geotermales en el país en

noviembre del año 2013 (Ministerio de energía), las que se han mantenido intactas hasta junio del

2014 ya que no se han publicado concesiones de exploración ni explotación hasta esa fecha

(fuente: SERNAGEOMIN).

9

Figura 3. Concesiones geotérmicas por área, Noviembre 2013 (Ministerio de energía) [6].

2.8.-Yacimientos geotérmicos considerados.

A continuación se entrega una breve descripción1 de los yacimientos geotérmicos considerados

en este estudio en base a la información otorgada por el Centro de Excelencia en Geotermia de

Los Andes (CEGA). Los recursos geotermales estudiados corresponden a 16 yacimientos

ubicados a lo largo del territorio chileno.

Tacora.

Figura 4. Ubicación yacimiento geotérmico Tacora.

1 Fuente de datos y descripciones: Geothermal Potential Evaluation for Chile; www.odea.cl para datos

meterorológicos; http://agromet.inia.cl/estaciones, consultando por cada estación meteorológica respectiva a cada

10

Tacora es un volcán 5.980 m de altura ubicado en el borde norte entre Chile y Perú, longitud -

69.77 y latitud -17.72. Se caracteriza por la intensa actividad de emisión de gas volcánica, con

áreas hidrotermales blancas extendidas al noroeste de la estructura volcánica.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 270 y 310 ºC, y las

condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Visviri son: Temperatura del

aire: 6°C, Humedad relativa 38%, Presión 0,5 [bar].

Colpitas.

Figura 5. Ubicación yacimiento geotérmico Colpitas.

La fuente geotermal Colpitas está ubicada en el norte de Chile, cerca de la localidad de Colpitas,

en la Región de Arica y Parinacota, longitud -69.433 y latitud -17.917.


condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Visviri son: Temperatura del

aire: 6°C, Humedad relativa 38%, Presión 0,5 [bar].

11

Surire.

Figura 6. Ubicación yacimiento geotérmico Surire.

El recurso termal de Surire está ubicada en el norte de Chile, al sur de los salares de Surire y al

este del volcán Polloquere, longitud -69 y latitud -18.9.


condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Lago Chungará son:

Temperatura del aire 2°C, Humedad relativa 49,4 %, Presión 0,591 [bar].

12

Puchuldiza.

Figura 7. Ubicación yacimiento geotérmico Puchuldiza.

El sistema geotermal de Puchuldiza está ubicado en la Región de Tarapacá, al norte de Chile,

longitud -69.98 y latitud -19.41. Es un gran campo termal con más de 100 manifestaciones

termales entre fuentes termales, piscinas de agua y geysers.


condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica M003Q-Camiña son:

Temperatura del aire 4,8 °C, Humedad relativa 51,9 %, Presión 0,608 [bar].

13

Pampa Lirima.

Figura 8. Ubicación yacimiento geotérmico Pampa Lirima.

Pampa Lirima es una fuente termal ubicada en el Altiplano en el norte de Chile, entremedio de

una cadena volcánica de la Cordillera de los Andes, longitud -68.9 y latitud -19.85.


condiciones ambientales entregadas por el programa Retscreen son: Temperatura del aire 4,8 °C,

Humedad relativa 51,9 %, Presión 0,608 [bar].

14

Irruputuncu.

Figura 9. Ubicación yacimiento geotérmico Irruputuncu.

Irruputuncu es una fuente geotermal ubicada en el sudeste de la Región de Tarapacá, en el norte

de Chile, longitud -68.558 y latitud -20.713.


condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Ollagüe son: Temperatura del

aire 8 °C, Humedad relativa 23,25 %, Presión 0,655 [bar].

15

Apacheta.

Figura 10. Ubicación yacimiento geotérmico Apacheta.

Se encuentra ubicado en la II Región de Antofagasta, longitud -68.15 y latitud -21.84. Para este

recurso se cuenta con datos de dos pozos; CP-1 y CP-2 [7]. Al mezclar los fluidos de salida de

cada una de estas perforaciones se obtiene un recurso final que se resume en la tabla 1.

Tabla 1. Resumen recurso Apacheta.

Temperatura [C] Presión boca de pozo [bar] Flujo másico [kg/s] Título de vapor

182,4 10,577 94,9 0,28

Las condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Caspana son: Temperatura

del aire 10,7 °C, Humedad relativa 52,2 %, Presión 0,69 [bar].

16

El Tatio.

Figura 11. Ubicación yacimiento geotérmico El Tatio.

El campo geotermal El Tatio se encuentra ubicado al noreste de la II Región de Antofagasta,

longitud -68.01 y latitud -22.33, y es uno de los campos geotermales más grandes de Sudamérica.

Este reservorio cuenta con mediciones de pozo. Al combinar los caudales de los pozos perforados

se obtiene un recurso que se resume en la tabla 2.

Tabla 2. Resumen recurso El Tatio.

Temperatura [C] Presión boca de pozo [bar] Flujo másico [kg/s] Título de vapor

171,6 8,5 186,7 0,18

Por último, las condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Caspana

indican una temperatura del aire de 10,7 °C, humedad relativa 52,2 % y presión 0,69 [bar].

17

La torta.

Figura 12. Ubicación yacimiento geotérmico La Torta.

El sistema geotérmico La Torta se encuentra ubicado en la II Región, longitud -67.97 y latitud -

22.42, al borde este de la cadena volcánica El Tatio, al norte del volcán Tocorpuri, y a 100 km de

la ciudad de Calama.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 225 y 270ºC, y las

condiciones ambientales según la estación meteorológica Caspana son: Temperatura del aire

10,7°C, Humedad relativa 52,2%, Presión 0,69 [bar].

18

Juncalito.

Figura 13. Ubicación yacimiento geotérmico Juncalito.

El recurso geotérmico Juncalito se encuentra ubicado en la III Región de Atacama, longitud -

68.82 y latitud -26.51, a 85 km al este de El Salvador. La fuente geotérmica se encuentra en la

Cordillera Claudio Gay, al este de la cadena volcánica Los Cuyanos, en donde Sierra Nevada

tiene la principal actividad volcánica.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 200 y 250ºC, y las

condiciones ambientales según la estación meteorológica Amolana Copiapó 2 son: Temperatura

del aire 17,48 °C, Humedad relativa 40%, Presión 0,892 [bar].

19

Tinguiririca.

Figura 14. Ubicación yacimiento geotérmico Tinguiririca.

Se encuentra ubicado en la cordillera de la VI Región, longitud -70.38 y latitud -34.85, a 90 km al

este de San Fernando.


condiciones ambientales entregadas por el programa Retscreen2 son: Temperatura del aire 14,3

°C, Humedad relativa 52,2 %, Presión 0,9164 [bar].

2 RETScreen es un software de gestión de energías limpias utilizado para analizar proyectos energéticos. Fuente:

www.retscreen.net

20

Laguna del Maule.

Figura 15. Ubicación yacimiento geotérmico Laguna del Maule.

El sistema geotérmico Laguna del Maule se encuentra ubicado en la VII Región, longitud -70.53

y latitud -36.06, a 77 km al este de Linares. Se extiende desde el volcán San Pedro hasta el

complejo volcánico Laguna del Maule.


condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Santa Rosa son: Temperatura

del aire 13,2 °C, Humedad relativa 74,8 %, Presión 0,994 [bar].

21

Nevados de Chillán.

Figura 16. Ubicación yacimiento geotérmico Nevados de Chillán.

El área termal de los Nevados de Chillán se encuentra ubicada en la cordillera de la VIII Región,

longitud -71.4 y latitud -36.9.


condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Polcura son: Temperatura del

aire 9,4 °C, Humedad relativa 63,6 %, Presión 0,9 [bar].

22

Tolhuaca.

Figura 17. Ubicación yacimiento geotérmico Tolhuaca.

Este recurso geotérmico Tolhuaca se encuentra ubicado en la IX Región, longitud -71.66 y latitud

-38.31, cercano a la ciudad de Curacautín.


condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica San Luís son: Temperatura del


23

Sierra Nevada.

Figura 18. Ubicación yacimiento geotérmico Sierra Nevada.

Este potencial recurso geotérmico es encuentra ubicado en la IX Región, longitud -71.58 y latitud

-38.586.


condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica San Luís son: Temperatura del


24

Cordón Caulle.

Figura 19. Ubicación yacimiento geotérmico Cordón Caulle.

El campo geotermal Cordón Caulle se encuentra ubicado en la X Región, longitud -72.16 y

latitud -40.49, a 65 km al este de la cuidad de Osorno.


condiciones ambientales entregadas por el programa Retscreen son: Temperatura del aire 7,6 °C,

Humedad relativa 83,2 %, Presión 0,993 [bar].

2.9.-Sistemas termodinámicos actuales para recursos de media y alta entalpía.

Debido a la variedad de recursos geotérmicos es que hay distintas configuraciones que permiten

aprovechar las fuentes de calor para obtener energía eléctrica. Estas dependen en general de la

temperatura, presión, caudal, título y composición del fluido. La generación de potencia es viable

para recursos de media y alta entalpía. Actualmente hay distintas configuraciones genéricas para

la obtención de potencia:

Sistemas de conversión directa

Sistemas de expansión súbita de una etapa

Sistemas de expansión súbita de doble etapa

Sistemas de ciclo binario

Sistemas combinados

25

2.9.1.-Sistemas de conversión directa.

Esta configuración es la más sencilla para el aprovechamiento de geotermia de las cuatro

planteadas. Esta se utiliza en los yacimientos hidrotérmicos donde predomina el vapor saturado o

sobresaturado. Para comenzar se separan las partículas y no condensables (CO2 Y H2S) para

evitar la corrosión que estos conllevan. Después de esto el vapor se inyecta directamente a la

turbina donde se genera el salto entálpico que da paso a la generación de potencia eléctrica. A

continuación de la turbina el fluido sale con menor entalpía, menor presión y un título

característico por lo que es necesario disminuir su entalpía por medio de la refrigeración del ciclo

hasta que el fluido sea un líquido saturado y pueda ser reinyectado al pozo. La figura 20 muestra

el esquema de esta configuración.

Figura 20.Sistema de conversión directa [8].

2.9.2.-Sistemas de expansión súbita de una etapa o simple flash.

Cuando predomina el vapor húmedo, se utiliza el tipo de sistemas de expansión súbita o flash

(figura 21). Al ascender el vapor húmedo puede sufrir una evaporación súbita debido a la caída

de presión o se puede encontrar a una presión cercana a la del acuífero. En general el fluido es

una mezcla de agua-vapor con líquido dominante (esto depende de cada reservorio), por lo que es

necesario que llegue a un separador de fase con menor presión que se encarga de enviar el vapor

saturado a la turbina y el líquido al pozo de reinyección. Generalmente, se suele tratar de evitar la

evaporación súbita de la salmuera manteniendo bajo presión el pozo de extracción (lo que

requiere energía extra). De esta forma se impide la formación de depósitos de minerales sobre las

paredes del pozo, que podrían llegar a provocar obstrucciones.

26

Figura 21. Sistemas de conversión por evaporación súbita [8].

2.9.3.-Sistemas de expansión súbita de doble etapa o doble flash.

En estos sistemas existen dos etapas de expansión que tienen la función de aumentar el

rendimiento del ciclo. Al ascender, el vapor húmedo puede sufrir una evaporación súbita debido a

la caída de presión o se puede encontrar a una presión cercana a la del acuífero. En general el

fluido es una mezcla de agua-vapor con líquido dominante (esto depende de cada reservorio), por

lo que es necesario que llegue a un separador de fase con menor presión que se encarga de enviar

el vapor saturado a una turbina de alta presión y la salmuera a otra cámara de expansión de menor

presión. Esta genera vapor adicional en el ciclo en relación al sistema de simple flash, enviando el

vapor saturado a una turbina de menor presión. A esta turbina llega, adicionalmente, el fluido de

salida de la primera turbina. La potencia generada es la suma de las potencias ambas turbinas.

Gracias a la segunda expansión se genera más vapor teniendo una mayor eficiencia que en el

sistema de simple flash.

27

Figura 22. Sistema de expansión súbita de dos etapas [8].

2.9.4.-Sistemas de ciclo binario.

En general se utilizan en yacimientos de media entalpía ya que el fluido es un líquido dominante

de baja temperatura, por lo que aplicar un ciclo simple flash o doble flash implica obtener una

baja eficiencia termodinámica. Es por esto que usa un fluido de trabajo o una combinación de 2

fluidos que tienen un punto de ebullición menor al del agua (isobutano, isopentano, Amoníaco-

Agua, etc.)

Ciclo Rankine orgánico.

Como se muestra en la figura 23, El ciclo Rankine orgánico está dividido en dos circuitos, uno

primario y otro secundario. La salmuera geotérmica se bombea manteniendo la presión a la que

se encuentra en el yacimiento hidrotérmico evitando su evaporación súbita y se pone en contacto

a través de un intercambiador de calor con el fluido de trabajo a evaporar. Se produce la

transferencia de calor entre ambos circuitos y el vapor generado del fluido de trabajo es dirigido a

la turbina.

28

Figura 23. Sistema Rankine orgánico [8].

Ciclo Rankine orgánico regenerativo.

Este ciclo es similar al Rankine orgánico. La diferencia entre ambos radica en que este ciclo

utiliza un intercambiador de calor que recupera calor, es decir, se realiza un intercambio térmico

entre el fluido que sale de la turbina y el que está a continuación de la bomba de agua, obteniendo

una mayor cantidad de energía, mejorando la eficiencia y aumentando la potencia obtenible para

el mismo recurso.

29

Figura 24. Sistema Rankine orgánico regenerativo [Elaboración propia].

Ciclo Kalina.

Este ciclo termodinámico es orientado a yacimientos de media entalpía. Es de la familia de los

ciclos binarios pero, a diferencia de los casos anteriores, utiliza una mezcla de fluidos; amoniaco-

agua. Los porcentajes de cada componente de la solución varían a lo largo del ciclo. Este cambio

de composición corresponde a un grado de libertad adicional respecto a otro fluido de trabajo en

un ciclo binario ya que las propiedades termodinámicas de la mezcla varían junto a la variación

de la fracción másica del amoniaco. Debido a la presencia fluidos con distintas propiedades los

intercambios de energía se realizan a temperatura variable, aprovechando de mejor manera el

intercambio térmico reduciendo, por ejemplo, la cantidad de agua de refrigeración, ya que el agua

refrigerante puede llegar a una temperatura superior en relación a los ciclos expuestos

anteriormente.

Como muestra la figura 25, esta configuración termodinámica consta de un separador posterior al

evaporador que se encarga de separar la fase gaseosa de la líquida. Después de esto el líquido se

dirige a un recuperador de calor. El resto del fluido se va a la turbina donde se obtiene la potencia

eléctrica. A continuación se mezclan nuevamente los fluidos remanentes del recuperador de calor

y de la turbina y entregan energía en otro recuperador de calor. Luego el fluido pierde energía en

el condensador hasta convertirse completamente en líquido. Una vez que esto se logra la bomba

se encarga de entregar la presión necesaria a la solución que, posteriormente, ganara energía en

los dos recuperadores de calor y por último en el intercambio térmico con el fluido geotermal.

30

Figura 25. Ciclo Kalina [Elaboración propia].

2.9.5.-Sistemas de ciclo combinado.

Son sistemas que se utilizan para mejorar el aprovechamiento de la energía entregada por el

yacimiento geotermal y, de esta manera, generar más potencia que en el caso en que se utilicen

los ciclos por separado (figura 26). En general se utilizan ciclos se expansión súbita donde la

salmuera remanente del separador entrega la energía necesaria por medio de un intercambiador

de calor a un ciclo binario cuyo fluido de trabajo tiene una menor temperatura de vaporización.

De esta manera se puede utilizar el fluido geotérmico en su cabalidad ya que el vapor pasa por

una turbina de vapor perteneciente al ciclo de expansión súbita y la salmuera es la fuente

energética del ciclo binario, generando mayor potencia gracias a la adición del ciclo binario.

Actualmente sólo se utilizan combinaciones con ciclos de expansión súbita de una etapa dentro

de estos sistemas termodinámicos.

31

Figura 26. Ciclo combinado [9].

32

3.-Termodinámica de los ciclos estudiados.

A continuación se presenta un análisis termodinámico de los procesos involucrados en la

generación de potencia eléctrica por medio de distintos ciclos. Estos fueron programados en el

software EES como se puede ver en las secciones A, B, C, D, E, F, G y H de los anexos. Los

sistemas estudiados y programados son:

Ciclo de expansión súbita

Ciclo de doble expansión súbita

Ciclo Rankine orgánico

Ciclo Rankine orgánico regenerativo

Ciclo Kalina

Ciclo de expansión súbita combinado

Ciclo de doble expansión súbita combinado

3.1.- Ciclo de expansión súbita.

Como muestra la figura 27 el fluido se encuentra en un estado inicial (punto 1) caracterizado por

una entalpía, presión, temperatura y título. Luego, al ingresar al separador (punto 2) las

propiedades cambian a excepción de la entalpía que se mantiene constante. El título, que

representa el porcentaje de vapor en el fluido, se puede calcular según la fracción entre la

diferencia de entalpías del estado 2-3 y 4-3. El estado 3 representa al líquido saturado obtenido en

el separador y el estado 4 al vapor saturado obtenido en el mismo.

Figura 27. Diagrama T-s, Central de Expansión Súbita [8].

33

El salto entálpico que genera potencia en la turbina ocurre entre los puntos 4 y 5. El punto 4

indica la entrada a la turbina y el 5 la salida a esta.

Para calcular la entalpia con que sale el vapor de la turbina se utiliza la fórmula de la eficiencia

isoentrópica de la turbina y se considera una temperatura en el punto 6 impuesta (el estado 5s

representa la entalpia del fluido en la salida de la turbina suponiendo un proceso isoentrópico).

Por lo tanto:

Debido a la necesidad de condensar el vapor húmedo en el punto 5 es que se utiliza un fluido

externo, en general agua. Por lo tanto el flujo másico de refrigerante necesario es:

Por último, para obtener la potencia de salida se utiliza la siguiente expresión:

3.2.-Ciclo de doble expansión súbita.

Como muestra la figura 28, el fluido se encuentra en un estado inicial (punto 1) caracterizado por

una entalpía, presión, temperatura y título. Luego, al ingresar al separador (punto 2) las

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

34

propiedades cambian a excepción de la entalpía que se mantiene constante. El título, que

representa el porcentaje de vapor en el fluido, se puede calcular según la fracción entre la

diferencia de entalpías del estado 2-3 y 4-3. El estado 3 representa al líquido saturado obtenido en

el separador y el estado 4 al vapor saturado obtenido en el mismo.

Figura 28. Diagrama T-s, central de doble expansión súbita [8].

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

35

El salto entálpico que genera potencia en la turbina de alta presión ocurre entre los puntos 4 y 5.

El punto 4 indica la entrada a la turbina y el 5 la salida a esta.

Para calcular la entalpia con que sale el vapor de la turbina se utiliza la fórmula de la eficiencia

isoentrópica de la turbina donde el subíndice 5s representa una expansión isoentrópica.

En el segundo proceso de expansión (estado 6) se mantiene constante la entalpía. El título del

vapor generado se calcula como indica la fórmula.

Los flujos másicos resultantes de este segundo proceso de expansión son:

Luego, el punto de entrada a la turbina de baja presión (estado 9) es un punto representativo de la

mezcla de los fluidos del punto 8 y 5, por lo que el flujo másico y la entalpía se calculan según:

Por lo tanto el salto entálpico de la turbina de baja presión está representado por transición del

estado 9 al 10 y se calcula de la misma manera que en la turbina de alta presión.

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

36



Por último, para obtener la potencia de la turbina de alta presión (TAP) y de baja presión (BAP)

se deben utilizar las siguientes expresiones:

La potencia total generada con el ciclo Doble Flash es

3.3.-Ciclo Rankine orgánico.

La figura 29 muestra el comportamiento de un ciclo Rankine orgánico típico. Para comenzar el

fluido seleccionado debe ser bombeado para aumentar la presión. El líquido se encuentra a baja

presión en el punto 4 pero, gracias al trabajo suministrado por la bomba, aumenta su presión

considerablemente hasta el punto 5. El trabajo suministrado por la bomba se calcula como

muestra la ecuación.

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

( )

(29)

(30)

37

Figura 29. Diagrama T-s, Ciclo Rankine orgánico [Elaboración propia].

Después, gracias al aporte del fluido geotérmico, el fluido de trabajo (subíndice FT) aumenta su

entalpia hasta evaporar (estado 1). Es en este punto donde ingresa a la turbina. Las ecuaciones

que gobiernan el intercambio térmico están en función del fluido geotérmico (subíndice FG) de

entrada (subíndice a) y de salida (subíndice c).

Es importante mencionar que para todos los intercambios térmicos se considera que la menor

diferencia de temperaturas entre el fluido de trabajo y el geotermal es (pinch point) y

depende de cada intercambiador de calor.

El salto entálpico que caracteriza la potencia obtenida en la turbina (subíndice t) está dado por la

diferencia de entalpías entre la entrada a la turbina (estado 1) y la salida a la turbomáquina (punto

2). De esta manera la potencia se calcula como:

Dado que este es un ciclo cerrado es necesario disminuir la entalpía desde el estado 2 hasta el

estado 4. Esto se realiza por medio de refrigeración. El fluido refrigerante (subíndice FR) en

general es agua debido a la abundancia y a su capacidad calórica. De esta manera se realiza un

intercambio térmico entre el fluido de trabajo y el refrigerante, donde los subíndices E y S

representan el líquido refrigerante de entrada y salida respectivamente.

(31)

(32)

(33)

38

3.4.-Ciclo Rankine orgánico regenerativo.

Este ciclo opera de manera similar a un ciclo Rankine normal, la diferencia radica en que en este

caso se utiliza un intercambiador de calor entre la salida de la turbina y el fluido que sale de la

bomba, añadiendo energía extra al ciclo generando un aumento en la potencia de salida.

Para comenzar el fluido seleccionado debe ser bombeado para aumentar la presión. El líquido se

encuentra a baja presión en el punto 4 y, gracias al trabajo suministrado por la bomba, aumenta su

presión considerablemente hasta el punto 5. El trabajo suministrado por la bomba se calcula

como muestra la ecuación.

Figura 30. Diagrama T-S, Ciclo Rankine orgánico regenerativo [Elaboración propia].

A continuación se realiza un intercambio térmico con el fluido que sale de la turbina. Los puntos

5, 5x, 2 y 2x en la figura 30 dan cuenta de este proceso. Es importante considerar que la

temperatura en el punto 2x debe ser superior a la temperatura en el punto 5 y que la temperatura

de reinyección debe ser mayor a la temperatura en el punto 5x. Esto se debe a que en el

intercambio térmico el fluido geotermal no puede llegar a una temperatura menor que la que tiene

el fluido orgánico en la entrada del intercambiador de calor. En general estas diferencias de

temperaturas son cercanas a los 5°C [9].

(34)

( )

(35)

(36)

39

Después, gracias al aporte del fluido geotérmico, el fluido de trabajo (subíndice FT) aumenta su

entalpia hasta evaporar (estado 1). Es en este punto donde ingresa a la turbina. Las ecuaciones

que gobiernan el intercambio térmico están en función del fluido geotérmico (subíndice FG) de

entrada (subíndice a) y de salida (subíndice c).

En este punto la máxima temperatura del ciclo binario debe ser menor a la del fluido geotermal.

El salto entálpico que caracteriza la potencia obtenida en la turbina (subíndice t) está dado por la

diferencia de entalpías entre la entrada a la turbina (estado 1) y la salida a la turbomáquina (punto

2). De esta manera la potencia se calcula como:

Dado que este es un ciclo cerrado es necesario disminuir la entalpía desde el estado 2x hasta el

estado 4. Esto se realiza por medio de refrigeración. El fluido refrigerante (subíndice FR) en

general es agua debido a la abundancia y a su capacidad calórica. De esta manera se realiza un

intercambio térmico entre el fluido de trabajo y el refrigerante, donde los subíndices E y S

representan el líquido refrigerante de entrada y salida respectivamente.

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

(44)

40

3.5.-Ciclo Kalina.

Este ciclo binario es más complicado que los anteriores ya que posee más grados de libertad.

Tiene dos recuperadores de calor y utiliza una solución de dos fluidos que varían su

concentración en los distintos puntos del ciclo termodinámico. La figura 31 muestra la evolución

de la mezcla de amoniaco con agua a medida que se avanza en el ciclo según la figura 25 de la

sección 2.9.4.

Figura 31. DiagramaT-s, Ciclo Kalina [Elaboración propia].

Para comenzar la solución de agua y amoníaco es bombeada, aumentando su presión desde el

punto 7 al 8. El trabajo realizado por la bomba se calcula como se muestra a continuación.

A continuación el fluido entra al primer recuperador de calor, aumentando su entalpía.

Luego se dirige al segundo recuperador de calor aumentando aún más su entalpia. Cabe notar que

la temperatura de salida de este recuperador (punto 9) debe ser menor a la temperatura de

reinyección del fluido geotermal. Se utiliza la misma diferencia mínima de temperaturas que en

los ciclos anteriores.

(45)

(46)

(47)

(48)

(49)

41

Una vez que el líquido saturado sale del segundo recuperador ingresa al generador de vapor,

donde intercambia calor con el fluido geotermal. La temperatura máxima obtenida en este ciclo

debe ser menor a la temperatura del fluido geotermal.

Una vez que la mezcla de amoniaco y agua aumentan su temperatura ingresan a un separador.

Este separa la fase liquida de la gaseosa. La fase gaseosa (punto 2) se va a la turbina mientras que

la fase liquida (punto 4) es utilizada en los recuperadores de calor, precalentando el fluido.

Para obtener la potencia eléctrica generada se considera la ecuación de la eficiencia isoentrópica

de la turbina.

El resto del líquido se dirige a un recuperador de calor, entregando energía como se vio

anteriormente pero, al tener una alta presión, es necesario disminuirla, pasando por una válvula

que expande el fluido disminuyendo la presión a entalpia constante.

Una vez que se igualan presiones de los fluidos remanentes de la turbina y recuperador de calor,

estos se combinan nuevamente y se dirigen al primer recuperador de calor.

Por último, para condensar la mezcla es que se pasa por un condensador cuyo fluido refrigerante

(subíndice FR) es agua. De esta manera se realiza un intercambio térmico entre el fluido de

(50)

(51)

(52)

(53)

(54)

(55)

(56)

(57)

42

trabajo y el refrigerante, donde los subíndices E y S representan el líquido refrigerante de entrada

y salida respectivamente.

Para que el agua circule es necesaria la presencia de una bomba de agua que utiliza como fluido

agua a presión atmosférica (atm).

3.6.-Ciclo de expansión súbita combinado.

Estas centrales utilizan una combinación de un ciclo de expansión súbita de una etapa y un ciclo

binario, en este caso un ciclo Rankine orgánico. La unión de estos dos ciclos es mediante un

intercambiador de calor que sirve como generador de vapor en el ciclo binario. La figura 32

muestra el comportamiento termodinámico para esta configuración.

Inicialmente el fluido geotérmico se encuentra con una presión, temperatura y título

característicos (estado 1). Después ocurre el proceso de expansión súbita donde disminuye la

presión para aumentar el título de vapor a entalpia constante (punto 2).

(58)

(59)

(60)

(61)

(62)

43

Figura 32. Diagrama T-s , Ciclo de expansión súbita combinado [Elaboración propia].

A continuación el fluido ingresa al separador donde se separa la fase liquida de la gaseosa. Como

se mencionó en la sección anterior, el título, que representa el porcentaje de vapor en el fluido, se

puede calcular según la fracción entre la diferencia de entalpias del estado 2-3 y 4-3. El estado 3

representa al líquido saturado obtenido en el separador y el estado 4 al vapor saturado obtenido

en el mismo.

El flujo másico que se utiliza como fuente energética del ciclo binario es la salmuera remanente

del separador.

El salto entálpico que genera potencia en la turbina ocurre entre los puntos 4 y 5. El punto 4

indica la entrada a la turbina y el 5 la salida a esta.

Para calcular la entalpía con que sale el vapor de la turbina se utiliza la fórmula de la eficiencia

isoentrópica de la turbina y se considera una temperatura de reinyección (punto 6) impuesta (el

estado 5s representa la entalpia del fluido en la salida de la turbina suponiendo un proceso

isoentrópico). Por lo tanto:

(63)

(64)

(65)

44



Por último, para obtener la potencia de la turbina se utiliza la siguiente expresión:

El ciclo binario opera de la misma manera que el descrito en la sección anterior. La única

diferencia radica en la fuente energética. Es decir, inicialmente el fluido orgánico debe ser

bombeado para aumentar la presión desde el punto R4 hasta el punto R5.

Es en este punto donde se unen los dos ciclos. La salmuera obtenida a continuación del separador

entrega energía al fluido orgánico por medio de un intercambiador de calor. La temperatura

máxima del ciclo binario (punto R1) debe ser menor a la temperatura de la salmuera (punto 3). La

temperatura de reinyección (punto 6) debe ser mayor a la temperatura en la salida de la bomba

(punto R5).

(66)

(67)

(68)

(69)

( )

(70)

(71)

(72)

(73)

(74)

45

Una vez que el fluido orgánico se encuentra en estado gaseoso hace ingreso a la turbina donde la

potencia se obtiene en función de la diferencia de entalpías entre la entrada a la turbina (estado

R1) y la salida a la turbomáquina (punto R2). Para calcular la entalpia en el punto R2 se usa la

ecuación de eficiencia isotrópica en la expansión de la turbina.

Para disminuir la entalpía desde el estado R2 al R4 se realiza la misma operación que en la

ecuación 68.

3.7.-Ciclo de doble expansión súbita combinado.

Esta configuración combina un ciclo de expansión súbita de dos etapas con un ciclo binario. De

la misma manera que en el caso anterior, la unión de estos dos ciclos es mediante un

intercambiador de calor que sirve como generador de vapor en el ciclo binario. La figura 33

muestra el comportamiento del ciclo donde los subíndices dan cuenta de cada estado

termodinámico.

Figura 33. Diagrama T-s , Ciclo de doble expansión súbita combinado [Elaboración propia].

(75)

(76)

(77)

46

Como se mencionó en la sección 3.2, el fluido geotermal ingresa en un estado inicial 1, luego se

realiza la primera expansión a entalpía constante

Después de la expansión el título aumenta y se calcula en función de las entalpias del estado 2-3

y 4-3 (sección 3.2)

A continuación, en el separador, se separa la fase liquida (estado 3) de la gaseosa (estado 4)

obteniendo distintos flujos másicos.

Para calcular la entalpia en el punto 5 se utiliza la fórmula de la eficiencia isoentrópica de la

turbina. La potencia generada por la turbina de alta presión está dada por el salto entálpico entre

los puntos 4 y 5.

La salmuera remanente del primer separador (punto 3) pasa a un segundo proceso de expansión

súbita a entalpia constante y luego a otro separador (punto 6). En este punto se separan

nuevamente la fase liquida (estado 7) De la fase gaseosa (estado 8). El título de vapor luego de la

segunda expansión se obtiene en base a las entalpias en los puntos 6, 7 y 8.

Los flujos másicos resultantes de este segundo proceso de expansión son:

(78)

(79)

(80)

(81)

(82)

(83)

(84)

(85)

(86)

47

Luego se combinan los fluidos remanentes de la turbina de alta presión y del segundo separador

de fases (estado 9). La entalpia en el punto 9 se obtiene de la siguiente manera:

El salto entálpico que entrega energía a la turbina de baja presión va desde el punto 9 al 10 y se

calcula de la misma manera que en la turbina de alta presión.

El caudal necesario de agua refrigerante se obtiene, al igual que en la sección 3.2, de la siguiente

manera:

Como se explicó en la sección anterior, el ciclo binario la única diferencia entre un ciclo binario

aislado y uno en un ciclo combinado radica en la fuente energética.

En un comienzo el fluido orgánico es bombeado desde el punto R4 hasta el punto R5.

La relación entre los dos ciclos ocurre en este punto. Luego del segundo separador del ciclo de

doble expansión súbita la salmuera se dirige a un intercambiador de calor que entrega energía al

ciclo binario hasta obtener la temperatura de reinyección del recurso geotermal. La temperatura

(87)

(88)

(89)

(90)

(91)

(92)

(93)

( )

(94)

(95)

48

de reinyección (punto 11) es mayor a la temperatura en la salida de la bomba (punto R5). La

temperatura máxima del ciclo binario (punto R1) es menor a la temperatura de la salmuera (punto

7).

Después de esto el fluido orgánico se dirige a la turbina donde se obtiene la potencia de la misma

manera que en la sección 3.6.

Por último el flujo másico refrigerante se como se muestra en la ecuación 9.3

3.8.-Torre de enfriamiento.

La torre de enfriamiento es la encargada de enfriar el fluido proveniente del condensador hasta la

temperatura con que debe entrar el agua al condensador. Funciona por medio del intercambio

térmico entre el fluido y el aire a condiciones ambientales. Los parámetros de entrada son la

temperatura y presión con que entra y sale el agua junto a las condiciones ambientales que

caracterizan el aire (temperatura, presión y humedad relativa).

La entalpia con que sale el aire se obtiene de la relación entre la entalpia máxima con que podría

salir este y la eficacia de la torre de enfriamiento. La eficacia considerada es de un 70 % [10]. La

entalpía máxima mencionada ( se obtiene bajo el supuesto de aire saturado a la máxima

temperatura con que podría salir, es decir, con la temperatura con que entra el agua al

intercambio térmico.

Luego se puede obtener el flujo másico de aire necesario en función del balance térmico.

(96)

(97)

(98)

(99)

(100)

(101)

49

El área necesaria para la torre se obtiene en función el flujo volumétrico y de la velocidad del

aire.

Por otro lado es necesario conocer las pérdidas de carga. Estas están en función de un coeficiente

de pérdidas [11] y de la altura del relleno utilizado.

Las pérdidas de carga se obtienen en función de este coeficiente junto a la densidad y velocidad

del aire según la ecuación:

Por último la potencia eléctrica necesaria para la operación de la planta está en función de las

pérdidas de carga y el flujo volumétrico de aire. Se obtiene de la siguiente manera:

( )

(102)

(103)

(

)

(

)

(104)

(105)

(106)

50

4.-Validación ciclos termodinámicos.

4.1.-Validación ciclo Kalina.

Para validar este ciclo se ingresaron las mismas variables de entrada que se utilizaron en la

referencia [12]. Estas se detallan en la siguiente tabla:

Tabla 3. Parámetros ciclo Kalina.

Temperatura entrada turbina [C] 106

Temperatura mínima [C] 25 Mínima diferencia temperatura [C] 6

Temperatura ambiente [C] 20 Presión entrada turbina [bar] 18

Presión ambiente [bar] 1 Potencia calorífica suministrada [kW] 144,8 Eficiencia isoentrópica turbina 0,8 Fracción másica amoníaco 0,6 Eficiencia isoentrópica bomba 0,7

Sumado a esto se considera una eficiencia de intercambio térmico del 94 %. Los resultados

obtenidos luego de maximizar la potencia obtenible se resumen en la tabla que se muestra a

continuación, obteniendo un error menor al 5%; por lo tanto el modelo es válido considerando

esta pequeña diferencia de resultados.

Tabla 4. Potencia.

Potencia simulación [kW] Potencia referencia [kW]

10,4 10,9

4.2.-Validación ciclo Rankine orgánico (ORC)

La validación de este ciclo binario se realizó según las condiciones de operación de la planta

Dora I ubicada en las cercanías de la villa Salavatlı, Turkey [9]. Los parámetros de entrada para

el fluido geotérmico de resumen en la siguiente tabla.

51

Tabla 5. Parámetros ciclo Rankine orgánico.

Flujo másico FG entrada [kg/s] 154,8

Título FG entrada 0,02 Fluido trabajo Pentano Entalpia FG entrada [kJ/kg] 721,9

Temperatura reinyección [C] 78

Debido a falta de información se hicieron distintos supuestos para eficiencias de componentes del

ciclo termodinámico, para la temperatura mínima de operación y para la mínima diferencia de

temperaturas en los intercambiadores de calor. Estos supuestos se muestran en la siguiente tabla.

Tabla 6. Supuestos realizados.

Temperatura mínima del ciclo [C] 42

Mínima diferencia de temperaturas [C] 5

Eficiencia intercambiadores de calor 0,94

Eficiencia isoentrópica de la turbina 0,85

Eficiencia mecánica de la turbina 0,93

Eficiencia eléctrica de la turbina 0,95

Eficiencia isoentrópica de la bomba 0,85

Eficiencia mecánica de la bomba 0,85

Eficiencia eléctrica de la bomba 0,95

Luego la potencia obtenida por la simulación (tabla 7) es de 7537 [kW], muy cercana a los 7350

[kW] que entrega la planta según los valores referenciales [9]. Junto a esto el error porcentual

asociado a la simulación en el software EES es de 2,5 % (tabla 8) por lo que el modelo es válido

para un error menor al 3 %.

Tabla 7. Resultados obtenidos y datos referenciales.

Parámetros Ref. Sim.

Entalpia FG salida [kJ/kg] 334,3 331

Título FG salida 0 0

Potencia [kW] 7350 7537

Tabla 8. Error Validación.

Parámetros Error [%]

Entalpia FG salida [kJ/kg] 1

Título FG salida 0

Potencia [kW] 2,5

52

4.3.-Validación ciclo Rankine orgánico regenerativo.

Para validar este ciclo se compararon los resultados obtenidos por el software EES con respecto a

los obtenidos en un estudio que usa como fluido de trabajo R-123 [13]. Según esto se ingresaron

valores para 2 casos distintos analizados en la referencia mencionada y se compararon las

potencias de salida de la turbina.

Tabla 9. Parámetros ciclo Rankine orgánico regenerativo.

Parámetros 1° caso 2° caso

Aporte recurso [MW] 10 10

Temperatura máxima FT [C] 150 200

Presión máxima FT [bar] 20 20

Temperatura mínima FT [C] 27,82 27,82

Fluido de trabajo R-123 R-123

Eficiencia isoentrópica turbina 0,8 0,8

Para modelar el ciclo Rankine orgánico regenerativo se realizaron algunos supuestos que se

muestran en la tabla 10.









Según esto se obtuvo que la potencia de salida de la turbina para los 2 casos mencionados es muy

cercana a la referencial (tabla 11), con un error menor al 2 %.

Tabla 11. Potencias obtenidas y referenciales.

Parámetro Ref. Sim.

Potencia turbina [kW] 1° caso 1820 1830 Potencia turbina [kW] 2° caso 2075 2134

4.4.-Validación ciclo expansión súbita de una etapa

Para validar este ciclo se utilizan las condiciones de operación de las unidades 1 y 4 de la planta

Cerro Prieto ubicada en México [9] que se resumen en la siguiente tabla.

53

Tabla 12.Parámetros ciclo de expansión súbita de una etapa.

Temperatura entrada turbina [C] 160

Temperatura entrada condensador [C] 32 Temperatura salida condensador [C] 45,3 Flujo másico vapor [kg/s] 79,25 Presión salida turbina [bar] 0,12 Presión entrada turbina [bar] 6,2

Para esto se consideraron distintos supuestos (tabla 13) para la obtención de energía a través del

ciclo programado en el software EES.




Eficiencia isoentrópica turbina 0,8






Los resultados obtenidos luego de maximizar la potencia obtenible se muestran en la tabla 14.

Estos se pueden comparar con los las condiciones de operación de la planta mexicana, dando

como resultado un error porcentual menor al 1 % (tabla 15), por lo que se valida el modelo para

la maximización de la potencia eléctrica.

Tabla 14. Potencias resultantes y referenciales.

Parámetros Ref Sim

Potencia turbina [MW] 37,5 37,75 Potencia bomba [MW] 835 841

Tabla 15. Error validación.

Parámetros Error porcentual

Potencia turbina [MW] 0,67 Potencia bomba [MW] 0,72

4.5.-Validación ciclo de doble expansión súbita.

Para validar este ciclo se utilizan las condiciones nominales de operación de la unidad Cerro

Prieto II ubicada en México [9]. Esto se resume en la siguiente tabla.

54

Tabla 16. Parámetros ciclo de doble expansión súbita.

Temperatura entrada Tap [C] 182,2

Temperatura entrada Tbp [C] 134,6 Temperatura entrada condensador [C] 34 Temperatura salida condensador [C] 46 Presión entrada Tap [bar] 10,75 Presión entrada Tbp [bar] 3,16 Presión salida Tbp [bar] 0,114 flujo másico Tap [kg/s] 177 Flujo másico Tbp [kg/s] 202

Las eficiencias utilizadas [14] para los principales equipos del ciclo termodinámico se resumen

en la siguiente tabla.


Eficiencia intercambiador de calor 0,94

Eficiencia isoentrópica Tap 0,89

Eficiencia mecánica de la Tap 0,95

Eficiencia eléctrica de la Tap 0,97

Eficiencia isoentrópica Tbp 0,89

Eficiencia mecánica de la Tbp 0,95

Eficiencia eléctrica de la Tbp 0,97




Estos datos se ingresaron al ciclo programado al software EES y se obtuvieron valores muy

cercanos a los que tiene la planta bajo condiciones nominales de operación. El error porcentual

de la potencia neta en la simulación con respecto al obtenido por la referencia es menor al 2 %,

por lo tanto se valida el modelo con un error muy bajo.

Tabla 18. Potencia neta obtenida y referencial.

Parámetro Referencia Simulación

Potencia neta [MW] 110 108,15

4.6.-Validación ciclo de expansión súbita combinado

Para validar el modelo programado se utilizan las condiciones de operación de una planta

evaluada en un estudio que analiza la termodinámica de este tipo de ciclos [15]. Las condiciones

de operación ingresadas son las mismas que las usadas en la referencia (tabla 19).

55

Tabla 19. Parámetros ciclo de expansión súbita combinado.

Flujo másico geotermal [kg/s] 111,1

Temperatura fluido geotermal [C] 170

Temperatura reinyección Ciclo vapor condensado [C] 40

Temperatura reinyeccion Salmuera [C] 125

Temperatura aire [C] 28

Minima diferencia de temperaturas [C] 5

Presion fluido geotermal [bar] 8

Presión salida turbina de vapor [bar] 0,4

Presión expansión súbita [bar] 6

Presión ciclo binario [bar] 35,3

Eficiencia isoentrópica turbina 0,85

Eficiencia isoentrópica bomba 0,75

Fluido ciclo binario Butano

Para esto se consideran distintos supuestos resumidos en la siguiente tabla.


Eficiencia mecánica turbina vapor 0,93

Eficiencia electrica turbina vapor 0,97


Eficiencia mecánica turbina ciclo binario 0,93

Eficiencia eléctrica turbina ciclo binario 0,95

Eficiencia mecánica bombas 0,8

Eficiencia eléctrica bombas 0,95

Luego de maximizar la potencia neta se llega a un valor de 3016 kW. Al compararlo con el valor

referencial (3057,31 kW) se obtiene un error de un 1,3 %, por lo tanto el modelo es válido

considerando este margen de diferencia.

4.7.-Validación ciclo doble expansión súbita combinado

Actualmente este ciclo no es utilizado por lo que no es posible compararlo con alguna referencia

pero, debido a que es la combinación de dos ciclos validados previamente, se considera válido.

4.8.-Validación Torre enfriamiento

Para validar la torre de enfriamiento se comparan los resultados obtenidos en la torre de

enfriamiento referenciada en la sección bibliográfica [16] en función de algunos parámetros de

entrada. En el estudio se muestran los resultados de 6 casos distintos. Para validar el programa

realizado solo se considerarán los dos primero casos. Los datos utilizados en el primer caso son

resumidos en la siguiente tabla.

56

Tabla 21. Datos ingresados primer caso.

Carga térmica [kW] 3400

Presión ambiente [Pa] 101325 Temperatura agua entrada [C] 50 Temperatura agua salida [C] 20 Área [m2] 8,86 Altura relleno [m] 2,29 Temperatura aire entrada [C] 22 Temperatura bulbo húmedo aire entrada [C] 12 Temperatura aire salida [C] 37

Los resultados obtenidos en dicho estudio se comparan con los obtenidos en el software EES y se

llega a un 4,3 % de error para la carga térmica.

Tabla 22. Potencia obtenida y referencial.


Potencia eléctrica [kW] 18,37 17,59

Para un segundo caso se utilizan las condiciones de la tabla x.x., obteniendo resultados con un

error similar al primer caso, cercano al 5 %, por lo que se valida el modelo con un defecto del 5

%.

Tabla 23. Datos ingresados segundo caso.

Carga térmica [kW] 3400

Presión ambiente [Pa] 101325 Temperatura agua entrada [C] 50 Temperatura agua salida [C] 20 Área [m2] 8,89 Altura relleno [m] 2,23 Temperatura aire entrada [C] 17 Temperatura bulbo húmedo aire entrada [C] 12 Temperatura aire salida [C] 36,9

Tabla 24. Potencia obtenida y referencial.


Potencia eléctrica [kW] 18,26 17,3

57

5.-Metodología.

5.1.-Evaluación termodinámica.

Para realizar el análisis termodinámico es necesario realizar distintos supuestos ya que en la

mayoría de los yacimientos geotérmicos solo se cuenta con un rango de temperaturas posibles. Se

tienen datos de pozo de solo dos lugares.

Debido a la incertidumbre que tiene la determinación de las propiedades termodinámicas de un

yacimiento geotermal es que se realizará un supuesto conservador. Se considera la mínima

temperatura del rango de cada reservorio con un título de vapor igual a cero en la boca de pozo.

De esta manera se puede determinar la presión, entalpía y entropía en función de la temperatura y

el título de vapor. La eficiencia de los intercambiadores de calor, las eficiencias de las bombas y

las turbinas (isoentrópica, mecánica y eléctrica) junto a las diferencias mínimas de temperaturas

se consideran en base a la validación de los ciclos termodinámicos.

Como criterio adicional se considera que el recurso está conformado solo por agua y/o vapor de

agua. No se considera la presencia de gases no condensables.

La temperatura de reinyección del fluido geotermal es igual para todos los ciclos modelados e

igual a 60 °C [9].

Debido a que los yacimientos tienen distintas condiciones climáticas se realiza el análisis

considerando las particularidades locales, es decir, temperatura del aire, presión atmosférica y

humedad relativa. Estos datos son relevantes para la operación de la torre de enfriamiento.

En cuanto a los ciclos binarios, los ciclos Rankine orgánico simple y regenerativo se modelaron

usando dos fluidos distintos (isobutano y butano) con el fin de estudiar la influencia que tiene el

fluido de trabajo seleccionado en el aprovechamiento de la energía geotérmica. El ciclo kalina

solo se evaluó para recursos con temperatura menor o igual a 200 °C, ya que es un ciclo de media

entalpía.

Para cada ciclo programado se utilizan variables independientes que, por medio de iteraciones,

encuentran la configuración termodinámica que maximiza el trabajo específico neto y/o la

potencia neta. El ciclo de expansión utiliza como variable independiente la presión de expansión.

El de expansión súbita de dos etapas tiene como variables las presiones de expansión súbita de la

primera y segunda etapa. Tanto el ciclo Rankine orgánico simple como el regenerativo iteran en

función de la presión y temperaturas máximas obtenibles. El ciclo Kalina utiliza más variables;

temperatura y presión máxima, fracción de amoniaco en la solución y la temperatura de salida del

recuperador de calor de alta entalpía. El ciclo de expansión súbita tiene como variables las

mismas que sus ciclos por separado, es decir, la presión de expansión y la presión y temperatura

máxima obtenible por el fluido orgánico. Por último el ciclo de doble expansión súbita maximiza

a partir de las presiones de expansión súbita de la primera y segunda etapa más la presión y

temperatura máxima obtenible por el fluido orgánico

58

5.2.-Evaluación económica.

Se realiza una evaluación económica para la potencial instalación de plantas geotérmicas en 16

lugares de Chile. Actualmente solo se cuenta con datos de pozo de dos lugares por lo que, con el

fin de evaluar económicamente los yacimientos restantes se consideró un flujo másico de 100

[kg/s] para los reservorios que no cuentan con este dato.

La metodología es determinar la TIR en función de los ingresos y de los costos para una

evaluación de 20 años plazo. Así mismo, se calcula el costo de MWh producido por cada planta.

5.2.1.-Ingresos.

Los ingresos, de acuerdo a la literatura [17] son de tres fuentes: venta de electricidad; pago fijo

por potencia instalada; venta de bonos de carbón.

Para la venta de electricidad se asume que se vende toda la generación de la planta, esto

considera un factor de planta del 90% [9]. Por otro lado, en el sistema interconectado central

(SIC) el costo marginal por MWh con un horizonte de un año es de 87 USD (fuente CDEC-

SIC).En el norte proyecciones a largo plazo (hasta el año 2027) indican que en el sistema

interconectado del norte grande (SING) el costo marginal por MWh será de 82 USD. Debido a la

similitud en los costos marginales mencionados y a que la proyección en el SIC no respresenta el

comportamiento del mercado eléctrico a largo plazo al tener un horizonte de solo un año, se

utilizará un valor de 82 USD/MWh.

El pago por potencia instalada es de 8 USD/kW/mes [17]

5.2.2.-Costos.

Los costos considerados de acuerdo a la literatura son de inversión en la planta, transmisión,

operación y administrativos [17]. Cabe mencionar que en la literatura los costos son indicados en

rangos. Para esta evaluación se consideraron los valores más conservadores de cada caso, con el

fin de tener una idea clara de la conveniencia de la instalación de una planta en cada lugar.

Los costos de inversión son:

- Exploración, rango de 88.5 a 142 Usd/kW. [18]

- Confirmación, 150 Usd/kW. [18]

- Sistema de Piping, rango de 100 a 250 Usd/kW. [18]

- Equipamiento y construcción, rango de 773 a 1416 [19]

El costo de perforación está en función de la profundidad perforada en pies [17] y se calcula

como muestra la fórmula 107. El costo obtenido se encuentra en dólares.

(107)

59

El costo de transmisión es una inversión en función de la distancia al sistema interconectado

[18], o más bien, la subestación más cercana. Su fórmula es:

El costo de operación (Co) se calcula como una función de la potencia instalada en la planta [18].

Finalmente, el costo administrativo se estima como un 2% de las ventas.

(108)

(109)

60

6.-Análisis de resultados.

6.1.- Análisis de potencias y trabajos específicos obtenidos.

A continuación se muestran los resultados obtenidos luego de maximizar la potencia de cada

recurso según el tipo de configuración termodinámica propuesta. Para esto se utilizó el software

Equation Engineering Solver (EES) que, a través de distintos métodos iterativos, maximiza una

variable en función de distintos parámetros independientes. Debido a la necesidad de obtener la

mayor potencia y/o trabajo específico posible en las reservas para aumentar su poder competitivo

en el mercado es que, en este caso, se maximiza el trabajo específico neto y/o la potencia neta.

Tacora.

Este yacimiento es el que tiene mayor temperatura (270 °C), lo que se traduce en que entrega un

mayor trabajo específico llegando a un máximo de 165,8 [kJ/kg]. En particular los ciclos de

expansiones súbitas deben disminuir considerablemente su temperatura para obtener un título de

vapor que permita el ingreso de caudal de vapor a la turbina, obteniendo un bajo trabajo

específico en relación a los otros ciclos. Los ciclos binarios, al utilizar solo un intercambiador de

calor, pueden llegar a temperaturas más altas, lo que se traduce en un mejor aprovechamiento de

la energía que en un ciclo de expansión súbita (cuando el título de vapor de entrada del fluido

geotérmico es cero).

Por otro lado es importante notar que el butano tiene un mejor comportamiento que el isobutano

para ciclos termodinámicos con temperaturas de este orden. También el ciclo Rankine orgánico

regenerativo, por medio de un recuperador de calor adicional, aumenta un 9 % el trabajo

específico neto en relación a un ciclo simple.

Los ciclos de expansión súbita aumentan considerablemente el trabajo específico neto. Esto se

debe a que la temperatura con que sale la salmuera al intercambio térmico con los ciclos binarios

es alta llegando a los 200 °C. Los ciclos binarios pueden aprovechar de mejor manera este aporte

energético ya que a mayor temperatura tienen mayor eficiencia.

Tabla 25. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica.

Ciclo termodinámico W esp [kJ/kg]

Binario (isobutano) 105,5

Binario (Butano) 118,2

Binario regenerativo (isobutano) 115,4

Binario regenerativo (Butano) 128,8

Expansión súbita 104,6

Doble expansión súbita 133,4

Expansión súbita combinado 153,6

Doble expansión súbita combinado 165,8

61

Figura 34. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica.

Colpitas.

Este yacimiento es uno de los que tiene menor temperatura (180 °C), disminuyendo el trabajo

específico obtenible. Debido a consideraciones iniciales la energía obtenida por medio de

procesos de expansión súbita es notoriamente menor al obtenido por medio de otros ciclos.

Al operar a temperaturas bajo los 200 °C se estudió también el ciclo kalina, entregando una

menor energía que el resto de los ciclos binarios lo que concuerda con la teoría ya que el ciclo

kalina se utiliza para temperaturas menores a 150 °C.

Cabe notar que para estas temperaturas de operación el butano continúa teniendo un mejor

comportamiento en el ciclo termodinámico pero la diferencia se estrecha a medida que desciende

la temperatura del reservorio. Ahora la diferencia entre ambos ciclos es de un 4 %.

Por otro lado, nuevamente el ciclo Rankine orgánico regenerativo aumenta el trabajo específico

neto en relación a un ciclo simple.

Los ciclos combinados aumentan de manera notoria la energía aprovechable. En este caso los

ciclos combinados tienen mejor comportamiento que un ciclo Rankine simple pero peor que el

ciclo Rankine orgánico regenerativo que utiliza butano como fluido de trabajo.

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Kalina 52,5 Binario (isobutano) 59 Binario (Butano) 61,7 Binario regenerativo (isobutano) 63,5

Binario regenerativo (Butano) 70,9 Expansión súbita 33,3 Doble expansión súbita 43,8 Expansión súbita combinado 64,2 Doble expansión súbita combinado 66


Surire.

La reserva geotérmica de Surire es la que tiene menor temperatura junto a Irruputuncu (150 °C).

Los ciclos de expansión súbita pasan a un segundo plano ya que para yacimientos con este tipo de

entalpía predominan los ciclos binarios.

Al observar los ciclos binarios se puede observar que el ciclo kalina tiene mejores resultados que

el ciclo Rankine orgánico cuando este usa isobutano como fluido de trabajo pero peores cuando

utiliza butano. Esto se debe a que el ciclo kalina tiene mejores resultados para bajas temperaturas

que el ciclo Rankine orgánico. En este punto influye en gran medida el fluido orgánico

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/kg]

63

seleccionado ya que tienen distintos comportamientos dependiendo de la temperatura de

operación.

Al observar que el butano tiene mejor comportamiento que el isobutano se puede concluir que el

butano tiene mejor comportamiento para todo el espectro de temperaturas de reservorios

evaluadas en este estudio (Desde 150 C hasta los 270°C).

Se puede observar la importancia del intercambio térmico en el ciclo Rankine orgánico

regenerativo ya que añade en promedio 7 [kJ/kg] de excedente energético con respecto a un ciclo

simple.

Los ciclos combinados generan más trabajo que los ciclos binarios simples pero menos que los

regenerativos.



Kalina 41,3 Binario (isobutano) 39 Binario (Butano) 42,3 Binario regenerativo (isobutano) 46 Binario regenerativo (Butano) 48 Expansión súbita 18,7 Doble expansión súbita 25 Expansión súbita combinado 42,5


64


Puchuldiza.

Puchuldiza, al igual que Juncalito y Sierra nevada, está caracterizado por una temperatura de 200

°C y de la misma manera que en los casos anteriores, los ciclos de expansión súbita generan poco

trabajo pero al combinarlos con ciclos binarios su desempeño aumenta drásticamente hasta llegar

a valores superiores que el resto de las configuraciones termodinámicas (83,65 [kJ/kg] para el de

doble expansión súbita combinado).

Los ciclos binarios muestran el mismo comportamiento que se ha visto hasta ahora, vale decir,

los ciclos que utilizan fluidos orgánicos tienen mejor comportamiento que el ciclo kalina. Al

seleccionar butano se obtiene más energía que al utilizar isobutano.

El ciclo Rankine orgánico regenerativo añade energía extra promedio de 9 [kJ/kg] en relación a

un sistema Rankine orgánico simple.

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Kalina 64,5 Binario (isobutano) 65,1 Binario (Butano) 73,3 Binario regenerativo (isobutano) 74 Binario regenerativo (Butano) 82,8 Expansión súbita 45,2 Doble expansión súbita 59,1 Expansión súbita combinado 81,5 Doble expansión súbita combinado 83,6


Pampa Lirima.

Al igual que Colpitas este yacimiento tiene una temperatura de 180 °C. Al observar el trabajo

generado en cada ciclo para estos dos yacimientos se puede destacar la baja diferencia que tienen,

lo que se traduce en que la torre de enfriamiento, pese a las diferencias climáticas, tiene poca

influencia en el trabajo neto producido. En consecuencia el análisis es similar al caso Colpitas.

La energía obtenida por medio de procesos de expansión súbita es notoriamente menor al

obtenido por medio de otros ciclos.

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66

En cuanto a los ciclos binarios, el ciclo kalina genera menos energía que el resto de los ciclos

orgánicos El butano tiene un mejor comportamiento en el ciclo termodinámico y el ciclo

Rankine orgánico regenerativo aumenta en promedio un 14 % el trabajo específico neto en

relación a un ciclo simple. El ciclo regenerativo que usa butano obtiene el máximo trabajo

específico.

Los ciclos combinados generan más trabajo que los ciclos binarios simples e incluso más que el

ciclo regenerativo que utiliza isobutano.



Kalina 52,5 Binario (isobutano) 54,9

Binario (Butano) 61,6 Binario regenerativo (isobutano) 63,5 Binario regenerativo (Butano) 70,8 Expansión súbita 33,3 Doble expansión súbita 43,8 Expansión súbita combinado 64,1 Doble expansión súbita combinado 66


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esp

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/kg]

67

Irruputuncu.

Esta reserva geotérmica tiene la misma temperatura que el yacimiento Surire; 150°C. La

diferencia en la modelación radica en las condiciones ambientales características de cada lugar

pero, al observar los resultados de ambos, se puede concluir que el consumo energético de la

torre de enfriamiento no es determinante ya que los resultados son similares para condiciones

ambientales distintas.

Al igual que en Surire, los ciclos de expansión súbita pasan a un segundo plano ya que para

yacimientos con este tipo de entalpía predominan los ciclos binarios.

Al observar los ciclos binarios se puede observar que el aporte de trabajo que realiza el ciclo

kalina es mayor que el del ciclo Rankine orgánico cuando éste usa isobutano como fluido de

trabajo pero menor cuando utiliza butano.

Se puede ver que el ciclo Rankine orgánico añade en promedio 6 [kJ/kg] de excedente energético

con respecto a un ciclo simple. La diferencia de este aporte con respecto a Surire (7 [kJ/kg]) se

atribuye a la torre de enfriamiento que debe utilizar más energía para su operación.

Los ciclos combinados generan más trabajo que los ciclos binarios simples pero menos que los

regenerativos.



Kalina 41,2 Binario (isobutano) 38,9

Binario (Butano) 42,2 Binario regenerativo (isobutano) 46 Binario regenerativo (Butano) 47,9 Expansión súbita 18,7 Doble expansión súbita 24,9

Expansión súbita combinado 42,4 Doble expansión súbita combinado 42,6

68


Cerro Pabellón o Apacheta.

Este es uno de los dos reservorios que se pudo evaluar con datos de operación reales, ya que se

tienen mediciones de pozo. La temperatura en la boca de pozo es de 182 °C mientras que el título

de vapor es 0,28.

A diferencia de los casos anteriores en este ciclo cambia la tendencia de la generación de

potencia, vale decir, es clara la preferencia de los ciclos de expansión súbita por sobre los ciclos

binarios (que son para baja entalpia). Esto se debe a que en los casos anteriores se utilizó un título

de vapor cero y en este caso es de 0,28, por lo que ya se cuenta con un flujo másico de vapor

disponible para ser utilizado en la turbina en los ciclos de expansión súbita. Anteriormente era

necesario disminuir considerablemente la temperatura y presión para obtener flujo de vapor y, al

tener menor presión y temperatura, el ciclo es menos eficiente.

En cuanto a los ciclos binarios el ciclo kalina es el que genera menor potencia. Por otro lado,

nuevamente el butano tiene un mejor comportamiento que el isobutano generando más potencia

tanto en el ciclo Rankine simple como en el regenerativo.

El ciclo de expansión súbita de una etapa genera menos que algunos ciclos binarios pero al

adherir una segunda etapa de expansión aumenta considerablemente la potencia neta superando a

todos los ciclos binarios.

Es importante notar que los ciclos combinados generan más energía que el resto de las

configuraciones termodinámicas. Por ejemplo, un resultado importante de analizar es el que

entrega el ciclo de expansión súbita de una etapa combinado ya que genera más energía que el

ciclo de doble expansión súbita, lo que da cuenta de la conveniencia de los ciclos combinados por

sobre el resto para recursos de entalpia similar.

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69

Tabla 31. Potencias netas según cada configuración termodinámica.

Ciclo termodinámico Potencia neta [kW]

Kalina 10693 Binario (isobutano) 11775,6 Binario (Butano) 13194,7 Binario regenerativo (isobutano) 12745,7 Binario regenerativo (Butano) 14228 Expansión súbita 13163,9 Doble expansión súbita 15876,2 Expansión súbita combinado 17181,6 Doble expansión súbita combinado 17181,6

Figura 40. Potencias netas según cada configuración termodinámica.

El Tatio.

Este es el segundo yacimiento que se pudo evaluar con datos de operación reales. La temperatura

en boca de pozo es de 171,6 °C mientras que el título de vapor es 0,18. Al comparar estos datos

con los del cerro Apacheta se puede concluir que el Tatio tiene menor entalpia asociada ya que

tiene menor temperatura y menor título de vapor.

Al igual que en los resultados obtenidos del Cerro Apacheta la potencia neta generada por cada

ciclo muestra una tendencia distinta a los casos en que se supuse título de vapor nulo. El ciclo de

una expansión súbita genera una de las menores potencias; esto ocurre debido a que el título es

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2000

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ten

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]

70

relativamente bajo y es necesario disminuir tanto la temperatura como la presión para aumentar el

título del vapor. Al tener una menor temperatura y presión disminuye la eficiencia del ciclo

termodinámico. Por otro lado al añadir una etapa de expansión adicional la potencia generada

aumenta desde 16,1 MW hasta 20,4 MW.

Al analizar los ciclos binarios el ciclo kalina es el que genera menor potencia. Por otro lado,

nuevamente el butano tiene un mejor comportamiento que el isobutano generando más potencia

tanto en el ciclo Rankine simple como en el regenerativo. Es importante destacar que la potencia

generada por el ciclo Rankine orgánico simple que usa butano es comparable con la generada por

un ciclo regenerativo que usa isobutano como fluido de trabajo.

Al analizar los ciclos combinados se destaca que generan más energía que el resto de las

configuraciones termodinámicas y que el de expansión súbita de una etapa genera más energía

que el ciclo de doble expansión súbita, lo que da cuenta de la conveniencia de los ciclos

combinados por sobre el resto para recursos de entalpia similar.


Ciclo termodinámico Potencia [kW]

kalina 15371,4 Binario (isobutano) 17725,6 Binario (Butano) 19671,5 Binario regenerativo (isobutano) 19510 Binario regenerativo (Butano) 21620 Expansión súbita 16098

Doble expansión súbita 20394,3 Expansión súbita combinado 24116,6 Doble expansión súbita combinado 24358,9

71

Figura 41. Potencia neta según cada configuración termodinámica.

La Torta.

Esta reserva geotérmica se estudió considerando una temperatura de 225 °C. Los ciclos de

expansión súbita generan poco trabajo pero al combinarlos con un ciclo Rankine orgánico el

trabajo generado aumenta considerablemente hasta llegar a valores superiores que el resto de las

configuraciones termodinámicas.

Los ciclos binarios tienen mejor comportamiento que los de expansión súbita. El butano se

adecua de mejor manera en este yacimiento ya que genera más energía que cuando se utiliza

isobutano, de hecho al utilizar butano en un ciclo Rankine orgánico simple se obtiene más trabajo

específico que al utilizar isobutano en un ciclo Rankine orgánico regenerativo.

El ciclo Rankine orgánico regenerativo añade energía extra promedio de 9 [kJ/kg] en relación a

un sistema Rankine orgánico simple.

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ten

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Binario (isobutano) 79,2 Binario (Butano) 88,9 Binario regenerativo (isobutano) 88,4 Binario regenerativo (Butano) 98,6 Expansión súbita 63,1 Doble expansión súbita 81,7 Expansión súbita combinado 104,6 Doble expansión súbita combinado 112,5


Juncalito.

Los ciclos termodinámicos se evaluaron con una temperatura de 200 °C. Los ciclos binarios

muestran el mismo comportamiento que los evaluados en Puchuldiza; los ciclos Rankine

orgánicos simples y regenerativos tienen mejor comportamiento que el ciclo kalina. Se

recomienda utilizar el butano por sobre el isobutano ya que entrega más energía para recursos

geotérmicos iguales. El ciclo Rankine orgánico regenerativo añade energía extra promedio de 9

[kJ/kg] en relación a un sistema Rankine orgánico simple.

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Los ciclos de expansión súbita generan poco trabajo pero al combinarlos con ciclos binarios su

desempeño aumenta drásticamente hasta llegar a valores superiores que el resto de las

configuraciones termodinámicas. El ciclo Rankine orgánico regenerativo evaluado con butano

genera más trabajo que el de expansión súbita combinado pero menos que el de doble expansión

súbita combinado.



Kalina 64,2 Binario (isobutano) 66,1 Binario (Butano) 72,5 Binario regenerativo (isobutano) 73,4

Binario regenerativo (Butano) 82,1 Expansión súbita 45 Doble expansión súbita 58,8 Expansión súbita combinado 80,7 Doble expansión súbita combinado 82,8


Tinguiririca.

Este yacimiento tiene una temperatura mínima estimada de 210 °C. Al observar los valores de los

trabajos específicos se puede ver la baja energía que generan los ciclos de expansión súbita, con

valores inferiores que los obtenidos por los ciclos binarios. Por otro lado, los ciclos combinados

obtienen un trabajo superior que el resto de los sistemas modelados.

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Los ciclos binarios muestran que los ciclos Rankine orgánicos simples y regenerativos tienen

mejor comportamiento que los de expansión súbita. Al usar butano como fluido de trabajo se

obtienen trabajos específicos superiores que al usar isobutano.



Binario (isobutano) 70,2 Binario (Butano) 78,8 Binario regenerativo (isobutano) 79,1 Binario regenerativo (Butano) 88,4 Expansión súbita 51,6 Doble expansión súbita 67,4 Expansión súbita combinado 89,7



Laguna del Maule.

La reserva Laguna del Maule tiene una temperatura mínima estimada de 210°C. Los valores

obtenidos son muy similares a los resultados del yacimiento Tinguiririca. La pequeña diferencia

en los trabajos específicos generados radica en las condiciones ambientales que, al ser distintas

para cada lugar, implican potencias distintas en la torre de enfriamiento.

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Por otro lado los ciclos Rankine orgánicos simples y regenerativos generan un mayor trabajo

específico que los ciclos de expansión súbita. Al usar butano como fluido de trabajo se obtienen

mejores resultados que al usar isobutano.

Los ciclos combinados obtienen un trabajo superior que el resto de los sistemas modelados pero

se pueden obtener resultados similares con el ciclo Rankine orgánico regenerativo utilizando

butano como fluido de trabajo.



Binario (isobutano) 69,7 Binario (Butano) 78,2 Binario regenerativo (isobutano) 78,6

Binario regenerativo (Butano) 87,8 Expansión súbita 51,4 Doble expansión súbita 67,3 Expansión súbita combinado 89,2 Doble expansión súbita combinado 89,2


Nevados de Chillán.

Los ciclos termodinámicos fueron modelados con una temperatura de 220 °C.

Los ciclos binarios considerados tienen un mejor desempeño que los ciclos de expansión súbita.

El ciclo Rankine orgánico regenerativo aumenta el trabajo específico obtenible para cada fluido

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con respecto a un ciclo binario simple pero el ciclo Rankine orgánico utilizando butano entrega

mejores resultados que el ciclo orgánico regenerativo que usa isobutano.

Al combinar los ciclos de expansión súbita con los binarios se obtiene un desempeño superior al

resto de las configuraciones termodinámicas.



Binario (isobutano) 76 Binario (Butano) 85,2 Binario regenerativo (isobutano) 85 Binario regenerativo (Butano) 94,9 Expansión súbita 59,1

Doble expansión súbita 76,7 Expansión súbita combinado 99,3 Doble expansión súbita combinado 104,1


Tolhuaca.

Este yacimiento es uno de los que tiene mayor temperatura. El análisis se realizó considerando

una temperatura de 250 °C. Al observar la figura 47 se desprende que el ciclo de expansión súbita

de una etapa entrega un bajo trabajo específico en relación a los otros ciclos pero al pasar a uno

de dos etapas de expansión se obtienen resultados comparables con el resto de los ciclos binarios.

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Para los ciclos binarios el butano tiene un mejor comportamiento que el isobutano. También el

ciclo Rankine orgánico regenerativo aumenta un 10 % el trabajo específico neto en relación a un

ciclo binario simple.

Los ciclos de expansión súbita combinados aumentan considerablemente el trabajo específico

neto. Esto se debe a que la temperatura con que sale la salmuera desde el separador hacia el

intercambio térmico con el ciclo binario es alta, llegando a los 190 °C, permitiendo que el ciclo

binario llegue hasta los 185 °C.



Binario (isobutano) 92,9 Binario (Butano) 104,2

Binario regenerativo (isobutano) 102,3 Binario regenerativo (Butano) 114,3 Expansión súbita 84,3 Doble expansión súbita 108,2 Expansión súbita combinado 129,7 Doble expansión súbita combinado 138,7


Sierra Nevada.

El recurso geotérmico de Sierra Nevada tiene una temperatura mínima estimada de 200 °C. Es

importante notar que hay 2 lugares adicionales con esta temperatura; Puchuldiza y Juncalito. Al

comparar los resultados obtenidos para cada ciclo en cada uno de estos yacimientos geotermales

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78

se llega a resultados similares. Esto se traduce en que las torres de enfriamiento tienen una baja

diferencia en el consumo energético pese a las distintas condiciones ambientales.

Los ciclos de expansión súbita entregan un bajo trabajo específico, pero al combinarlos con ciclos

binarios su desempeño mejora llegando a obtener valores superiores que el resto de las

configuraciones termodinámicas.

Por otro lado, los ciclos Rankine orgánicos simples y regenerativos tienen mejor comportamiento

que el ciclo kalina. Al utilizar butano en los ciclos orgánicos se obtiene más energía que al usar

isobutano para recursos geotérmicos iguales.

Por último cabe notar que el ciclo Rankine orgánico regenerativo evaluado con butano genera

más trabajo que el de expansión súbita combinado pero menos que el de doble expansión súbita

combinado



Kalina 64,4 Binario (isobutano) 65 Binario (Butano) 72,9 Binario regenerativo (isobutano) 73,8 Binario regenerativo (Butano) 82,5 Expansión súbita 45,1 Doble expansión súbita 59 Expansión súbita combinado 81,2



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Cordón Caulle.

El análisis se realizó considerando una temperatura de 240 °C. Analizando los resultados se

puede ver el bajo trabajo específico que entrega el ciclo de expansión súbita de una etapa en

relación a los otros ciclos. Por otro lado el de dos etapas de expansión entrega resultados

comparables con el resto de los ciclos binarios. Al pasar de un ciclo de expansión súbita de una o

dos etapas a uno combinado aumenta considerablemente el trabajo específico, obteniendo valores

superiores al resto de las configuraciones termodinámicas evaluadas.

Por último cabe notar que el butano tiene un mejor comportamiento que el isobutano en los ciclos

binarios y que el ciclo Rankine orgánico regenerativo aumenta un 10 % el trabajo específico neto

en relación a un ciclo binario simple.



Binario (isobutano) 87,1 Binario (Butano) 97,6 Binario regenerativo (isobutano) 96,2 Binario regenerativo (Butano) 107,5 Expansión súbita 75,2 Doble expansión súbita 96,9 Expansión súbita combinado 118,9 Doble expansión súbita combinado 126,4


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6.2.- Resultados evaluación económica.

Conceptualmente, se obtiene que el costo de producción de cada MWH está en relacionado con la

capacidad instalada y su lejanía al sistema interconectado.

En la tabla de a continuación se muestran distintos indicadores financieros para analizar cada

caso. Estos están en función de los KW instalados y los kilómetros de distancia a la subestación

más cercana.

Tabla 41. Indicadores financieros por yacimiento.

Lugar KW Km VAN [MUSD] PAYBACK

[años]

TIR 20

años [%]

USD/MWH

Tacora 13342 60 (7) 8 11 64

Colpitas 4386 40 (10) 12 6 86

Surire 2501 45 (13) 19 1 123

Puchuldiza 5917 10 0 7 14 58

Pampa Lirima 4385 35 (8) 11 6 82

Irruputuncu 2499 30 (9) 15 3 102

Apacheta 15876 38 1 6 15 56

El Tatio 20394 98 (11) 8 11 64

La Torta 8170 98 (23) 13 4 93

Juncalito 5887 51 (11) 11 6 82

Tinguiririca 6748 51 (11) 10 7 78

Laguna del Maule 6731 76 (18) 13 5 91

Nevados de Chillán 7674 70 (15) 11 6 83

Tolhuaca 10828 28 (1) 7 14 58

Sierra Nevada 5902 5 1 6 16 55

Cordòn Caulle 9697 44 (6) 8 11 66

En el gráfico de la figura 50, el radio de las esferas representa la TIR de cada posible proyecto.

En éste, se puede apreciar que solamente hay 4 ubicaciones que superan la tir de un 14%. Estas

ubicaciones tienen en común que cuentan con una alta potencia, una distancia no muy lejana al

sistema interconectado, o que se encuentran muy cerca del sistema de interconectado.

81

Figura 50. TIR v/s Potencia.

Es importante indicar que una tir de un 14% puede ser aceptable para una evaluación económica

de un inversionista. Con esto, es posible deducir que todo el resto de ubicaciones no serían

atractivas como inversión, en efecto, presentan un van negativo de acuerdo a lo que se puede

visualizar en la tabla 41. Posiblemente debido a lo anterior, es que se observa una baja inversión

en proyectos de este tipo de energía en Chile.

Por otro lado, en lo que respecta al costo del MWh, nos encontramos con un rango entre 55 y 123

USD, con un promedio de 78 USD, esto se aprecia en el gráfico siguiente. Es importante

mencionar que el costo por MWh producido está en un rango de 56 a 91 [20], lo que es

comparable con los costos obtenidos en esta evaluación.

Figura 51. Gráfico Costo de la energía por yacimiento.

11 6 1

14

6 3

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Dis

tan

cia

sub

est

ació

n

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]

Potencia obtenible [kW]

TIR v/s Km y kW

Apacheta

Tolhuaca Puchuldiza Sierra Nevada

El Tatio

Tacora Cordon Caulle

-

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140

USD

/MW

h

Costo Energía USD/MWh

82

En base a los resultados obtenidos en esta evaluación económica, se puede concluir que de las 16

ubicaciones analizadas, sólo 4 tienen un posible potencial para atraer inversionistas (TIR mínimo

de 14%). Éstas últimas cumplen con que el costo del MWh (considerando tanto costos

operacionales, como de instalación y financieros) es bajo los 58 USD. Esto se debe a que su

capacidad instalada es alta y/o no es tan lejana al sistema interconectado (menos de 40 kms). Se

observa una relación, tal que, a menor distancia menor es la potencia requerida para que el

proyecto sea inicialmente viable, como es el caso de Sierra Nevada y Puchuldiza que están a

menos de 10 kilómetros del sistema interconectado y su capacidad es bajo los 6.000 kW.

Debido a que hay 4 proyectos que se destacan, se realiza un análisis más profundo para estos.

Por un lado el yacimiento apacheta solo cuenta con datos de 2 pozos, pero posee perforaciones

adicionales. Según estudios previos [21], este yacimiento podrá generar 50 [MW] con un ciclo

combinado de simple expansión súbita. Por lo tanto, el flujo másico necesario para obtener 50

[MW] con el ciclo termodinámico mencionado es de 272 [kg/s], suponiendo que los pozos

adicionales, de los que no se tiene registro, tienen las mismas características que los pozos CP-1 y

CP-2 conocidos.

Además, la evaluación económica realizada está en función de un ciclo de doble expansión

súbita. La potencia obtenida para este ciclo con un caudal de 272 [kg/s] es 45,47 [MW]. Con esto,

el yacimiento es más viable económicamente, dado que tiene una mayor potencia instalada. Los

resultados obtenidos se resumen en la tabla 42.

Tabla 42. Indicadores económicos en yacimiento Apacheta.

Lugar KW Km VAN

[MUSD]

PAYBACK

[años]

TIR 20 años

[%]

USD/MWh

Apacheta 45472 38 30 5 19 48

Para los tres yacimientos restantes se obtuvo una alta tasa interna de retorno con un criterio

bastante conservador. Es por esto que se realiza un análisis para Sierra Nevada, Puchuldiza y

Tolhuaca con un título equivalente al mínimo utilizado en los yacimientos evaluados. El Tatio

tiene un porcentaje de vapor de 18 % y Apacheta un 28 %, por lo que el análisis considera un

título de vapor de 0,18 para los tres lugares mencionados. La tabla 43 muestra el trabajo

específico obtenible según el ciclo de doble expansión súbita en cada uno de los recursos con los

distintos títulos evaluados. De esto se desprende la importancia que tiene conocer el porcentaje de

vapor que se puede obtener en boca de pozo, ya que la entalpía varía considerablemente en

función de esta variable, traduciéndose en que se puede obtener un trabajo específico bastante

mayor como en los tres yacimientos evaluados.

Tabla 43. Trabajos específicos obtenibles con distintos títulos de vapor.

Yacimiento Trabajo específico con X=0 [kJ/kg] Trabajo específico con X=0,18 [kJ/kg]

Puchuldiza 59,1 136 Tolhuaca 108,2 192 Sierra Nevada 59 135,7

Por otro lado, el flujo másico tiene una relación directa con la potencia obtenible. Por lo anterior,

se realiza un análisis para un caudal variable de tres valores: 100, 200 y 300 [kg/s], tanto para el

83

criterio de título de vapor nulo como para cuando es 0,18. La tabla 44 muestra los resultados para

el criterio conservador con un caudal variable.

Tabla 44. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0.

Lugar KW VAN

[MUSD]

PAYBACK

[años]

TIR

[%]

USD/MWh

Puchuldiza (100 [kg/s]) 5917 (0) 7 14 58 Puchuldiza (200 [kg/s]) 11834 5 6 17 52 Puchuldiza (300 [kg/s]) 17751 11 5 19 50 Tolhuaca (100 [kg/s]) 10828 (1) 7 14 58 Tolhuaca (200 [kg/s]) 21656 10 6 17 52 Tolhuaca (300 [kg/s]) 32484 20 5 19 49 Sierra Nevada (100 [kg/s]) 5902 1 6 16 55

Sierra Nevada (200 [kg/s]) 11804 7 5 18 50 Sierra Nevada (300 [kg/s]) 17706 12 5 19 49

A medida que aumenta el flujo másico, aumenta la viabilidad de cada proyecto. Esto se traduce

en un aumento en la TIR y el VAN y una disminución del costo de generación. La figura 52 da

cuenta de la evolución de la viabilidad económica para cada yacimiento, a medida que aumenta el

caudal.

Figura 52. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0.

Para un título de vapor de 0,18 se obtiene una mayor potencia. Los resultados para distintos flujos

másicos se resumen en la tabla 45 y, de la misma manera que en el caso anterior, se muestra la

evolución de la factibilidad económica para cada yacimiento a medida que aumenta el caudal en

la figura 53.

14

14

16

17

17

18

19

19

19 0

5

10

15

20

25

30

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

Dis

tan

cia

sub

est

ació

n [

Km

]


TIR v/s Km y kW

Tolhuaca

Puchuldiza Sierra Nevada

84

Tabla 45. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0,18.

Lugar KW VAN

[MUSD]

PAYBACK

[años]

TIR

[%]

USD/MWh

Puchuldiza (100 [kg/s]) 13600 7 5 18 51 Puchuldiza (200 [kg/s]) 27200 20 5 20 48

Puchuldiza (300 [kg/s]) 40800 34 5 21 46 Tolhuaca (100 [kg/s]) 19200 7 6 17 53 Tolhuaca (200 [kg/s]) 38400 26 5 19 48 Tolhuaca (300 [kg/s]) 57600 46 5 20 46 Sierra Nevada (100 [kg/s]) 13574 8 5 19 50 Sierra Nevada (200 [kg/s]) 27148 21 5 20 47 Sierra Nevada (300 [kg/s]) 40722 35 5 21 46

Figura 53. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0,18.

Por último se realiza un análisis a 2 yacimientos geotérmicos cercanos a mineras. Éstas son

consideradas potenciales consumidoras de la energía generada. Los reservorios analizados son

Surire e Irruputuncu, aledaños a las mineras Quiborax y Doña Inés de Collahuasi

respectivamente. La distancia entre el yacimiento Surire y la minera Quiborax es de 15 km,

mientras que entre Irruputuncu y la minera Donña Inés de Collahuasi hay 26 km de distancia.

La tabla 46 muestra los trabajos específicos obtenibles en un ciclo de doble expansión súbita, con

un criterio conservador (título de vapor nulo) y uno más optimista (título de vapor 0,18). Hay una

gran diferencia en el trabajo específico obtenible, debido a que la entalpia aumenta de manera

considerable al suponer un título de vapor de 0,18.

18

17

19

20

19

20

21

20

21 0

5

10

15

20

25

30

35

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000Dis

tan

cia

sub

est

ació

n [

Km

]


TIR v/s Km y kW

Tolhuaca

Puchuldiza Sierra Nevada

85

Tabla 46. Trabajos específicos obtenibles con distintos títulos de vapor.

Yacimiento Trabajo específico con X=0

[kJ/kg]

Trabajo específico con X=0,18

[kJ/kg]

Surire 25,01 86,84

Irruputuncu 24,99 86,77

Al realizar el análisis económico para el caso conservador con distintos caudales (100, 200 y 300

kg/s), se obtiene que Surire es atractivo económicamente cuando el caudal es de 300 kg/s, pero el

resto de los casos no presentan resultados favorables (tabla 47). Al observar la figura 54, es claro

el aumento en la factibilidad económica a medida que aumenta el caudal.

Tabla 47. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0.

Yacimiento KW VAN [MUSD] PAYBACK [años] TIR [%] USD/MWH

Surire (100 [kg/s]) 2501 (4) 11 7 80 Surire (200 [kg/s]) 5002 (2) 8 12 63 Surire (300 [kg/s]) 7503 0 7 14 58 Irruputuncu (100 [kg/s]) 2499 (8) 14 4 96 Irruputuncu (200 [kg/s]) 4998 (5) 9 9 71 Irruputuncu (300 [kg/s]) 7497 (3) 8 12 63

Figura 54. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0.

7 12

14

4 9 12

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Dis

tan

cia

sub

est

ació

n [

Km

]


TIR v/s Km y kW

Irruputuncu

Surire

86

Al suponer un título de vapor de 0,18, se obtiene un trabajo específico superior al triple que

cuando el título es nulo. Esto se traduce en una mayor potencia obtenible y mejores indicadores

económicos. La tabla 48 resume los resultados obtenidos, dando cuenta de una alta tasa de

retorno para todos los casos y un periodo de recuperación de la inversión inicial bajo, llegando a

los 5 años. La figura 55 muestra la evolución en la factibilidad económica en función del

aumento del flujo másico del yacimiento, llegando a tener una tir del 19%.

Tabla 48. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0,18.

Lugar KW VAN [MUSD] PAYBACK [años] TIR [%] USD/MWh

Surire (100 [kg/s]) 8684 1 6 15 56 Surire (200 [kg/s]) 17368 9 5 18 51 Surire (300 [kg/s]) 26052 17 5 19 49

Irruputuncu (100 [kg/s]) 8677 (2) 7 13 60 Irruputuncu (200 [kg/s]) 17354 6 6 16 53 Irruputuncu (300 [kg/s]) 26031 14 5 18 50

Figura 55. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0,18.

Finalmente se destaca el atractivo económico que tiene un proyecto geotermal cuando el punto de

consumo es cercano al yacimiento. Particularmente, la industria minera cuenta con minas que se

encuentran cercanas a reservorios geotermales, siento atractivo invertir en producir energía de

esta manera, ya que aseguraría una inyección energética con un alto factor de planta y baja

variabilidad.

15 18 19

13 16 18

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Dis

tan

cia

sub

est

ació

n [

Km

]


TIR v/s Km y kW

Irruputuncu

Surire

87

7.-Mapa geográfico de trabajos específicos y/o potencias máximas de

los recursos geotérmicos estudiados.

Tacora

165,8 [kJ/kg]

Colpitas

66,1 [kJ/kg]

Surire

48 [kJ/kg]

Puchuldiza

83,6 [kJ/kg]

Pampa

Lirima

70,9 [kJ/kg]

Irruputuncu

48 [kJ/kg]

Apacheta

17181,6 [kW]

El Tatio

24359 [kW]

La torta

112,5 [kJ/kg]

Juncalito

82,9 [kJ/kg]

88

Laguna del

Maule

89,3 [kJ/kg]

Tinguiririca

93,5 [kJ/kg]

89

N. de Chillán

104 [kJ/kg]

Tolhuaca

138,8 [kJ/kg]

Sierra Nevada

83,3 [kJ/kg]

Cordón Caulle

126,4 [kJ/kg]

90

8.-Conclusiones generales.

Al evaluar los ciclos termodinámicos en los recursos con datos de pozo y título asociado

(Apacheta y El Tatio) predominan los ciclos de expansión súbita y combinados, desplazando a

los ciclos binarios. Esto se debe a que los ciclos binarios son útiles para recursos de menor

entalpía asociada. También es importante destacar que el ciclo combinado de una expansión

súbita entrega mayor energía que el ciclo de doble flash.

Al evaluar los ciclos termodinámicos en los recursos donde solo se conoce la temperatura los

ciclos binarios tienen mejores resultados que los ciclos de expansión súbita llegando incluso a

tener, en algunos casos, trabajos específicos comparables con los de los ciclos combinados. Los

ciclos de expansión súbita muestran un bajo desempeño cuando se utiliza el supuesto inicial de

título cero en la boca de pozo. Según esto los ciclos de expansión súbita deben disminuir

considerablemente su temperatura y presión para obtener un título de vapor que permita el

ingreso de caudal de vapor a la turbina, obteniendo un bajo trabajo específico en relación a los

otros ciclos.

La diferencia porcentual entre los aportes energéticos realizados por el ciclo Rankine orgánico

regenerativo y el Rankine orgánico simple aumenta a medida que disminuye la temperatura

máxima del ciclo. Esta diferencia porcentual fue en promedio de un 15% para yacimientos de

150°C (Surire) y de 9% para ciclos de 270°C (Tacora). Esto ocurre porque la temperatura

máxima que se puede obtener en el recuperador de calor es de 55 °C (5°C menos que la

temperatura de reinyección del fluido) ya que se modeló con una temperatura de reinyección fija

de 60 °C. Esto podría cambiar si se quita esta restricción pero la generación de potencia sería la

misma. La diferencia radicaría en que el fluido se reinyectaría a una temperatura más alta

aumentando la vida útil del yacimiento.

Por otro lado en los ciclos binarios es importante la selección del fluido ya que se obtienen

distintas eficiencias debido a las condiciones de operación a las que es sometido y a las

propiedades de estos. En particular el butano tiene un mejor rendimiento que el isobutano ya que

en todos ciclos evaluados genera más energía.

El ciclo Kalina genera menor trabajo y/o potencia que el resto de los ciclos termodinámicos

evaluados. Esto se debe a que es un ciclo que se utiliza para recursos de media entalpia (bajo 150

°C).

Los ciclos de expansión súbita combinados aumentan considerablemente el trabajo específico

neto en relación a un ciclo de una etapa de expansión. Esto se debe a que la temperatura con que

la salmuera remanente del separador entra al intercambio térmico con los ciclos binarios en

general es alta (dependiendo de cada yacimiento) por lo que se aprovecha de mejor manera el

calor del fluido geotermal.

La diferencia en el trabajo u potencia entre los dos tipos de ciclo combinado va desde un 0,3 %

para temperaturas bajas (150°C) hasta un 8 % para altas temperaturas (270°C) donde el ciclo de

expansión súbita de dos etapas siempre obtiene mejores resultados.

Las torres de enfriamiento consumen poca energía en relación a la producida por los ciclos

térmicos. A grueso modo, la torre de enfriamiento consume menos del 4% de la potencia neta o

91

trabajo específico neto. Es por esto que al observar el trabajo específico generado por

yacimientos de igual temperatura pero con distintas condiciones ambientales los resultados son

prácticamente iguales.

En cuanto al análisis económico se puede concluir que:

Debido al alto precio que tiene construir redes de transmisión la distancia entre el

yacimiento geotermal y la red tiene un impacto directo en la viabilidad de un proyecto

geotermal, haciendo un proyecto menos viable a medida que se aleja de la red.

A medida que aumenta la potencia obtenible de un reservorio, este se hace más viable

económicamente y viceversa.

De las 16 ubicaciones analizadas 4 tienen un potencial económico importante (tir superior

al 14 %); Sierra Nevada, Apacheta, Puchuldiza y Tolhuaca. El costo de cada MWh

generado está bajo los 58 USD. Estos cuatro yacimientos son más atractivos porque

tienen alta capacidad instalada y/o son cercanos al sistema interconectado

El costo del MWh promedio de todos los yacimientos es de 78 USD, un valor que se

encuentra dentro del rango propuesto por estudios previos (entre 55 y 123 USD)

Por último es importante destacar el atractivo económico que tiene un proyecto geotermal

cuando el punto de consumo es cercano al yacimiento en particular para la minería. Los

reservorios Surire e Irruputuncu pueden ser una buena alternativa energética para las

mineras Quiboraz y Doña Inés ya que, dependiendo de las características geotermales de

pozo se puede llegar a recuperar la inversión inicial en 5 años con una potencia obtenible

superior a los 25 MW.

92

9.-Bibliografía.

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paper. En: Second International Conference on Environmental Management (ICEM2). febrero

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2012. Memoria (Maestría en Ingeniería Química). Sao Paolo, Brasil, Universidad de Sao Paulo,

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Organic Rankine Cycle using R-123 for waste heat recovery. 2012

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93

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eléctrica con fuentes geotermales en Chile. Memoria (Ingeniero Civil Mecánico). Santiago, Chile.

Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, 2010. 144 h

[18] LACOURT, Mora, Osvaldo Enrique. Análisis de diversas alternativas de generación

eléctrica con fuentes geotermales en Chile. Memoria (Ingeniero Civil Mecánico). Santiago, Chile.

Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, 2010. 144 h

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<http://seia.sea.gob.cl/archivos/Cap_1_Descripcion_del_Proyecto.pdf> [Consulta 20 de enero

2015]

http://seia.sea.gob.cl/archivos/Cap_1_Descripcion_del_Proyecto.pdf

i

Anexo A: Ciclo Simple Flash programado en EES

T_1=180 [C] {Parámetro} P_1=PRESSURE(Steam;T=T_1;x=x_1) X_1=0 {Supuesto} m_dot=100 [kg/s] {Parámetro} T_6=60 [C] h_1=ENTHALPY(Steam;x=x_1;T=T_1) s_1=ENTROPY(Steam;x=x_1;h=h_1) {P_sep Variable} h_2=h_1 P_2=P_sep P_3=P_sep P_4=P_sep x_2=(h_2-h_3)/(h_4-h_3) x_3=0 x_4=1 m_vap=m_dot*x_2 m_sal=m_dot*(1-x_2) h_3=ENTHALPY(Steam;P=P_3;x=x_3) h_4=ENTHALPY(Steam;P=P_4;x=x_4) s_2=ENTROPY(Steam;P=P_2;h=h_2) s_3=ENTROPY(Steam;P=P_3;h=h_3) s_4=ENTROPY(Steam;P=P_4;x=x_4) T_2=TEMPERATURE(Steam;P=P_2;h=h_2) T_3=TEMPERATURE(Steam;P=P_3;h=h_3) T_4=TEMPERATURE(Steam;P=P_4;x=x_4) m_1=m_dot m_2=m_dot m_3=m_sal m_4=m_vap m_5=m_4 m_6=m_5 s_5s=s_4 h_5s= ENTHALPY(Steam;s=s_5s;P=P_6) eta_turbina=0,9 eta_turbina=(h_4-h_5)/(h_4-h_5s) x_5=QUALITY(Steam;h=h_5;T=T_6) s_5=ENTROPY(Steam;T=T_5;h=h_5) T_5=T_6 P_5=P_6 P_6=PRESSURE(Steam;T=T_6;x=x_6) h_6=ENTHALPY(Steam;T=T_6;x=0) s_6=ENTROPY(Steam;T=T_6;x=0) x_6=0 P_7=P_6 T_7=T_6

ii

X_7=1 h_7=ENTHALPY(Steam;T=T_7;x=x_7) s_7=ENTROPY(Steam;T=T_7;x=x_7) T_refri=20 [C] P_refri=1 [bar] h_refri=ENTHALPY(Water;T=T_refri;P=P_refri) T_pp= 4 [C] T_refri_out=T_6-T_pp P_refri_out=P_refri h_refri_out=ENTHALPY(Water;T=T_refri_out;P=P_refri_out) m_refri*(h_refri_out-h_refri)*0,94=m_vap*(h_5s-h_6) P_refri_in=P_refri+2,2 W_bomba=(h_refri-h_refri_in)*m_refri/(0,93*0,95) eta_iso_bomba=0,85 eta_iso_bomba=(h_refri_in_s-h_refri)/(h_refri_in-h_refri) s_refri=ENTROPY(Water;T=T_refri;P=P_refri) h_refri_in_s=ENTHALPY(Water;P=P_refri_in;s=s_refri) wt=eta_turb*eta_generador*(h_4-h_5) eta_turb=0,93 eta_generador=0,97 Pow=m_vap*wt W_neto=Pow+W_bomba

iii

Anexo B: Ciclo Doble Flash programado en EES

T_1=171,6 [C] {Parámetro} P_1=PRESSURE(Steam_iapws;T=T_1;x=x_1) m_dot=186,71 [kg/s] {Parámetro} T_11=60[C] h_1=ENTHALPY(Steam;T=T_1;x=x_1) s_1=ENTROPY(Steam;T=T_1;h=h_1) x_1=0,1803 {Parámetro} {P_sep} {Variable} h_2=h_1 P_2=P_sep P_3=P_sep P_4=P_sep x_2=(h_2-h_3)/(h_4-h_3) x_3=0 x_4=1 m_4=m_dot*x_2 m_3=m_dot*(1-x_2) h_3=ENTHALPY(Steam;P=P_3;x=x_3) h_4=ENTHALPY(Steam;P=P_4;x=x_4) s_2=ENTROPY(Steam;P=P_2;h=h_2) s_3=ENTROPY(Steam;P=P_3;h=h_3) s_4=ENTROPY(Steam;P=P_4;h=h_4) T_2=TEMPERATURE(Steam;P=P_2;h=h_2) T_3=TEMPERATURE(Steam;P=P_3;h=h_3) T_4=TEMPERATURE(Steam;P=P_4;h=h_4) m_1=m_dot m_2=m_1 s_5s=s_4 h_5s= ENTHALPY(Steam;s=s_5s;P=P_6) eta_turbina=0,89 eta_turbina=(h_4-h_5)/(h_4-h_5s) x_5=QUALITY(Steam;h=h_5;P=P_6) s_5=ENTROPY(Steam;T=T_5;h=h_5) T_5=T_6 P_5=P_6 {P_exp} {Variable} h_6=h_3 P_6=P_exp P_7=P_exp P_8=P_exp P_9=P_exp x_6=(h_6-h_7)/(h_8-h_7) x_7=0 x_8=1 x_9= (h_9-h_7)/(h_8-h_7) m_6=m_3

iv

m_5=m_4 m_8=m_dot*(1-x_2)*x_6 m_7=m_dot*(1-x_2)*(1-x_6) m_9=m_8+m_5 m_10=m_9 m_11=m_10 h_7=ENTHALPY(Steam;P=P_7;x=x_7) h_8=ENTHALPY(Steam;P=P_8;x=x_8) h_9=(m_5*h_5+m_8*h_8)/(m_5+m_8) s_6=ENTROPY(Steam;P=P_6;h=h_6) s_7=ENTROPY(Steam;P=P_7;h=h_7) s_8=ENTROPY(Steam;P=P_8;h=h_8) s_9=ENTROPY(Steam;P=P_9;h=h_9) T_6=TEMPERATURE(Steam;P=P_6;h=h_6) T_7=TEMPERATURE(Steam;P=P_7;h=h_7) T_8=TEMPERATURE(Steam;P=P_8;h=h_8) T_9=TEMPERATURE(Steam;P=P_9;h=h_9) s_10s=s_9 h_10s=ENTHALPY(Steam;s=s_10s;P=P_11) eta_turbina=(h_9-h_10)/(h_9-h_10s) x_10=QUALITY(Steam;h=h_10;T=T_11) s_10=ENTROPY(Steam;T=T_10;h=h_10) T_10=T_11 P_11= PRESSURE(Steam;T=T_11;x=0) h_11=ENTHALPY(Steam;T=T_11;x=0) s_11=ENTROPY(Steam;T=T_11;x=0) x_11=0 P_12=P_11 T_12=T_11 x_12=1 h_12=ENTHALPY(Steam;T=T_12;x=x_12) s_12=ENTROPY(Steam;T=T_12;x=x_12) T_refri=20[C] P_refri=1 [bar] h_refri=ENTHALPY(Water;T=T_refri;P=P_refri) T_pp= 4 [C] T_refri_out=T_10-T_pp P_refri_out=P_refri P_refri_in=P_refri+1,1 h_refri_out=ENTHALPY(Water;T=T_refri_out;P=P_refri_out) m_refri*(h_refri_out-h_refri)*0,94=(m_5+m_8)*(h_10-h_11) Qo=(m_5+m_8)*(h_10-h_11) W_bomba=(h_refri-h_refri_in)*m_refri/(0,93*0,95) eta_iso_bomba=0,85 eta_iso_bomba=(h_refri_in_s-h_refri)/(h_refri_in-h_refri) s_refri=ENTROPY(Water;T=T_refri;P=P_refri) h_refri_in_s=ENTHALPY(Water;P=P_refri_in;s=s_refri) wb=h_3-h_2

v

wt_AP=eta_electrico*eta_turb*(h_4-h_5) wt_BP=eta_electrico*eta_turb*(h_9-h_10) wt=wt_AP+wt_BP wnet=wb+wt eta_electrico=0,97 eta_turb=0,94 POW=(m_5*wt_AP+ (m_5+m_8)*wt_BP) w_neto=POW+w_bomba

vi

Anexo C: Ciclo Rankine orgánico programado en EES F$='isobutane' T_r_a=171,61 [C] x_r_a=0,1803 P_r_a=PRESSURE(Water;T=T_r_a;x=x_r_a) h_r_a=ENTHALPY(Steam;T=T_r_a;x=x_r_a) s_r_a=ENTROPY(Steam_IAPWS;T=T_r_a;x=x_r_a) m_r_dot=186,71 [kg/s] T_r_4=30 [C] eta_r_t=0,85 eta_r_b=0,85 T_r_pp=5 [C] eta_r_intercambiador=0,94 x_r_6=0 T_r_6=TEMPERATURE(F$;P=P_r_6;x=x_r_6) h_r_6=ENTHALPY(F$;P=P_r_6;x=x_r_6) s_r_6=ENTROPY(F$;T=T_r_6;h=h_r_6) T_r_c=60 [C] m_r_c=m_r_dot P_r_c=P_r_a h_r_c=ENTHALPY(Water;T=T_r_c;P=P_r_c) x_r_c=QUALITY(Water;T=T_r_c;P=P_r_c) s_r_c=ENTROPY(Water;T=T_r_c;P=P_r_c) m_r_dot*(h_r_a-h_r_c)*eta_r_intercambiador=m_dot_r_FT*(h_r_1-h_r_5) P_r_6= P_r_1 P_r_5= P_r_1 P_r_5s= P_r_1 P_r_2s= P_r_2 P_r_4= P_r_2 s_r_1= s_r_2s s_r_4= s_r_5s x_r_1=QUALITY(F$;T=T_r_1; P=P_r_1 s_r_1=ENTROPY(F$;P=P_r_1;x=x_r_1) h_r_1=ENTHALPY(F$;P=P_r_1;s=s_r_1) h_r_2s=ENTHALPY(F$;P=P_r_2s;s=s_r_2s) eta_r_t=(h_r_1-h_r_2)/(h_r_1-h_r_2s) s_r_2=ENTROPY(F$;P=P_r_2;h=h_r_2) T_r_2=TEMPERATURE(F$;P=P_r_2;h=h_r_2) x_r_2=QUALITY(F$;P=P_r_2;h=h_r_2) eta_t_r_mecanico=0,9 eta_t_r_electrico=0,95 POW_r=m_dot_r_FT*(h_r_1-h_r_2)*eta_t_r_mecanico*eta_t_r_electrico W_net_r=POW_r-W_dot_r_bomba+W_bomba_refri P_r_3=P_r_2 x_r_3=1 h_r_3=ENTHALPY(F$;P=P_r_3;x=x_r_3) s_r_3=ENTROPY(F$;P=P_r_3;h=h_r_3) T_r_3=TEMPERATURE(F$;P=P_r_3;h=h_r_3) x_r_4=0 P_r_4=PRESSURE(F$;T=T_r_4;x=x_r_4) h_r_4=ENTHALPY(F$;T=T_r_4;x=x_r_4) s_r_4=ENTROPY(F$;T=T_r_4;x=x_r_4) eta_b_r_mecanico=0,75 eta_b_r_electrico=0,95 W_dot_r_bomba=m_dot_r_FT*(h_r_5-h_r_4)/(eta_b_r_mecanico*eta_b_r_electrico) eta_r_b=(h_r_5s-h_r_4)/(h_r_5-h_r_4)

vii

h_r_5s=ENTHALPY(F$;P=P_r_5;s=s_r_5s) T_r_5=TEMPERATURE(F$;P=P_r_5;h=h_r_5) s_r_5=ENTROPY(F$;T=T_r_5;h=h_r_5) x_r_5=QUALITY(F$;P=P_r_5;h=h_r_5) T_refri_in=20 [C] P_refri_in=1[bar] h_refri_in=ENTHALPY(Water;T=T_refri_in;P=P_refri_in) T_refri_out=T_r_4-4 P_refri_out=1 [bar] h_refri_out=ENTHALPY(Water;T=T_refri_out;P=P_refri_out) m_r_dot*(h_r_2-h_r_4)=eta_r_intercambiador*(h_refri_out-h_refri_in)*m_refri P_refri=P_refri_in+2 T_refri=T_refri_in h_refri=ENTHALPY(Water;T=T_refri;P=P_refri) W_bomba_refri=(h_refri_in-h_refri)*m_refri/(eta_b_r_mecanico*eta_b_r_electrico) Q_in=(h_r_a-h_r_c)*m_r_dot

viii

Anexo D: Ciclo Rankine orgánico regenerativo programado en EES F$='n-butane' T_r_a=171,61 [C] x_r_a=0,1803 P_r_a=PRESSURE(Steam;T=T_r_a;x=x_r_a) h_r_a=ENTHALPY(Steam;T=T_r_a;X=x_r_a) s_r_a=ENTROPY(Steam_IAPWS;T=T_r_a;P=P_r_a) m_r_dot=186,71 [kg/s] T_r_4=30 [C] eta_r_t=0,85 eta_r_b=0,85 T_r_pp=5 [C] eta_r_intercambiador=0,94 x_r_6=0 T_r_6=TEMPERATURE(F$;P=P_r_6;x=x_r_6) h_r_6=ENTHALPY(F$;P=P_r_6;x=x_r_6) s_r_6=ENTROPY(F$;T=T_r_6;h=h_r_6) T_r_c=60 [C] m_r_c=m_r_dot P_r_c=P_r_a h_r_c=ENTHALPY(Water;T=T_r_c;P=P_r_c) x_r_c=QUALITY(Water;T=T_r_c;P=P_r_c) s_r_c=ENTROPY(Water;T=T_r_c;P=P_r_c) m_r_dot*(h_r_a-h_r_c)*eta_r_intercambiador=m_dot_r_FT*(h_r_1-h_r_5) P_r_6= P_r_1 P_r_5= P_r_1 P_r_5s= P_r_1 P_r_2s= P_r_2 P_r_4= P_r_2 s_r_1= s_r_2s s_r_4= s_r_5s x_r_1=QUALITY(F$;T=T_r_1; P=P_r_1) s_r_1=ENTROPY(F$;P=P_r_1;x=x_r_1) h_r_1=ENTHALPY(F$;P=P_r_1;x=x_r_1) h_r_2s=ENTHALPY(F$;P=P_r_2s;s=s_r_2s) eta_r_t=(h_r_1-h_r_2)/(h_r_1-h_r_2s) s_r_2=ENTROPY(F$;P=P_r_2;h=h_r_2) T_r_2=TEMPERATURE(F$;P=P_r_2;h=h_r_2) x_r_2=QUALITY(F$;P=P_r_2;h=h_r_2) eta_t_r_mecanico=0,93 eta_t_r_electrico=0,95 POW_r=m_r_total*(h_r_1-h_r_2)*eta_t_r_mecanico*eta_t_r_electrico W_net_r=POW_r-W_dot_r_bomba+W_bomba_refri x_r_4=0 P_r_4=PRESSURE(F$;T=T_r_4;x=x_r_4) h_r_4=ENTHALPY(F$;T=T_r_4;x=x_r_4) s_r_4=ENTROPY(F$;T=T_r_4;x=x_r_4) x_r_3=1 P_r_3=P_r_4 T_r_3=TEMPERATURE(F$;P=P_r_3;x=x_r_3) h_r_3=ENTHALPY(F$;T=T_r_3;x=x_r_3) s_r_3=ENTROPY(F$;T=T_r_3;x=x_r_3) eta_b_r_mecanico=0,75 eta_b_r_electrico=0,95 W_dot_r_bomba=m_r_total*(h_r_5-h_r_4)/(eta_b_r_mecanico*eta_b_r_electrico) eta_r_b=(h_r_5s-h_r_4)/(h_r_5-h_r_4)

ix

h_r_5s=ENTHALPY(F$;P=P_r_5;s=s_r_5s) T_r_5=TEMPERATURE(F$;P=P_r_5;h=h_r_5) s_r_5=ENTROPY(F$;T=T_r_5;h=h_r_5) x_r_5=QUALITY(F$;P=P_r_5;h=h_r_5) T_refri_in=20 [C] P_refri_in=1[bar] h_refri_in=ENTHALPY(Water;T=T_refri_in;P=P_refri_in) T_refri_out=T_r_4-4 P_refri_out=1 [bar] h_refri_out=ENTHALPY(Water;T=T_refri_out;P=P_refri_out) m_r_total*(h_r_2x-h_r_4)=eta_r_intercambiador*(h_refri_out-h_refri_in)*m_refri P_refri=P_refri_in+2 T_refri=T_refri_in h_refri=ENTHALPY(Water;T=T_refri;P=P_refri) W_bomba_refri=(h_refri_in-h_refri)*m_refri/(eta_b_r_mecanico*eta_b_r_electrico) T_r_2x=T_r_5+3 P_r_2x=P_r_2 h_r_2x=ENTHALPY(F$;T=T_r_2x;P=P_r_2x) x_r_2x=QUALITY(F$;T=T_r_2x;P=P_r_2x) s_r_2x=ENTROPY(F$;T=T_r_2x;P=P_r_2x) (h_r_2-h_r_2x)=(h_r_5x-h_r_5) (h_r_5x-h_r_5)*m_dot_r_FT=(h_r_1-h_r_5)*m_r_extra m_r_total=m_dot_r_FT+m_r_extra P_r_5x=P_r_5 x_r_5x=QUALITY(F$;h=h_r_5x;P=P_r_5x) T_r_5x=TEMPERATURE(F$;P=P_r_5x;x=x_r_5x) s_r_5x=ENTROPY(F$;T=T_r_5x;x=x_r_5x)

x

Anexo E: Ciclo Kalina programado en EES function tk(T) tk:=T+273,1 end T_source=182,4 [°C] {Parámetro} T_out=60 [C] {Parámetro} m_dot_gf=94,89 [kg/s] {Parámetro} ETA_turb=0,93*0,95 ETA_pump=0,75 X_12=0,28 {Parámetro} h_12= ENTHALPY(Water;T=tk(T_source); x=X_12) s_12=ENTROPY(Water;T=tk(T_source); x=X_12) P_12=PRESSURE(Water;T=tk(T_source);x=x_12) X_13=0 P_13=P_12 h_13= ENTHALPY(Water;T=tk(T_out); P=P_13) s_13=ENTROPY(Water;T=tk(T_out); P=P_13) {T_max}{Variable} {P_max} {Variable} {X_mix} {Variable} P_9in=P_max X_9in=X_mix {T_9in} {Variable} call NH3H2O(123;tk(T_9in);P_9in;X_9in:T_9;P_9;x_9;h_9;s_9;u_9;v_9;q_9) T_1in=T_max P_1in=P_max X_1in=X_mix call NH3H2O(123;tk(T_1in);P_1in;X_1in:T_1;P_1;x_1;h_1;s_1;u_1;v_1;q_1) eta_intercambiador=0,94 m_dot_gf*(h_12-h_13)*eta_intercambiador=(h_1-h_9)*m_1 m_1=m_9 m_2=m_1*q_1 q_vap=1 call NH3H2O(128;T_1;P_1in;q_vap:T_2;P_2;x_2;h_2;s_2;u_2;v_2;q_2) m_4=m_1*(1-q_1) q_liquido=0 call NH3H2O(128;T_2;P_1in;q_liquido:T_4;P_4;x_4;h_4;s_4;u_4;v_4;q_4) P_3in=P_low s_3sin=s_2 call NH3H2O(235;P_3in;x_2;s_3sin:T_3s;P_3s;x_3s;h_3s;s_3s;u_3s;v_3s;q_3s) eta_iso_t=0,8 eta_iso_t=(h_2-h_3in)/(h_2-h_3s) call NH3H2O(234;P_3in;x_2;h_3in:T_3;P_3;x_3;h_3;s_3;u_3;v_3;q_3) m_3=m_2 POW=eta_turb*(h_2-h_3)*m_2 P_45in=P_4 X_45in=X_4 h_45=h_5in {T_45in} {Variable} call NH3H2O(123;tk(T_45in);P_45in;X_45in:T_45;P_45;x_45;h_45;s_45;u_45;v_45;q_45) P_5in=P_3 X_5in=X_4 call NH3H2O(234;P_5in;X_5in;h_5in:T_5;P_5;x_5;h_5;s_5;u_5;v_5;q_5) m_45=m_4 m_5=m_45 m_4*(h_4-h_45)*eta_intercambiador=m_9*(h_9-h_89in)

xi

m_89=m_9 P_89in=P_9 X_89in=X_9 call NH3H2O(234;P_89in;X_89in;h_89in:T_89;P_89;x_89;h_89;s_89;u_89;v_89;q_89) m_6=m_5+m_3 h_6in*m_6=m_5*h_5+m_3*h_3s P_6in=P_3s X_6in=X_1 call NH3H2O(234;P_6in;X_6in;h_6in:T_6;P_6;x_6;h_6;s_6;u_6;v_6;q_6) (h_6-h_67in)*eta_intercambiador=(h_89-h_8) m_67=m_6 X_67in=x_6 P_67in=P_6 call NH3H2O(234;P_67in;X_67in;h_67in:T_67;P_67;x_67;h_67;s_67;u_67;v_67;q_67) m_7=m_6 m_8=m_7 q_7in=0 X_7in=X_1 P_7=P_low T_7in= 40 [C] call NH3H2O(138;tk(T_7in);X_7in;q_7in:T_7;P_7;x_7;h_7;s_7;u_7;v_7;q_7) P_8s_in=P_max X_8s_in=X_1 s_8s_in=s_7 call NH3H2O(235;P_8s_in;X_8s_in;s_8s_in:T_8s;P_8s;x_8s;h_8s;s_8s;u_8s;v_8s;q_8s) eta_iso_b=0,8 eta_iso_b=(h_8s-h_7)/(h_8in-h_7) X_8in=X_8s_in P_8in=P_8s_in call NH3H2O(234;P_8in;X_8in;h_8in:T_8;P_8;x_8;h_8;s_8;u_8;v_8;q_8) eta_bomba=0,85*0,95 W_bomba1=m_8*(h_8-h_7)/eta_bomba W_neto=POW-W_bomba1-W_bomba_refri W_bomba_refri=m_refri*(h_refri_in-h_refri)/(0,93*0,95) T_refri_out=T_67-5 P_refri_out=1 [bar] h_refri_out=ENTHALPY(Water;T=T_refri_out;P=P_refri_out) T_refri_in=T_amb P_refri_in=P_amb+2 T_amb=20 [C] P_amb=1 [bar] h_refri=ENTHALPY(Water;T=tk(T_amb);P=P_amb) s_refri=ENTROPY(Water;T=tk(T_amb);P=P_amb) h_refri_in_s=ENTHALPY(Water;P=P_refri_in;s=s_refri) eta_iso_bomba=0,85 eta_iso_bomba=(h_refri_in_s-h_refri)/(h_refri_in-h_refri) m_6*(h_6-h_7)=m_refri*(h_refri_out-h_refri_in)*eta_intercambiador Q_in=(h_1-h_9)*m_1

xii

Anexo F: Ciclo expansión súbita combinado programado en EES T_1=171,6 [C] x_1=0,1803 P_1= PRESSURE(Steam;T=T_1;x=x_1) m_dot=186,71 [kg/s] T_6=60 [C] h_1=ENTHALPY(Steam;x=x_1;T=T_1) s_1=ENTROPY(Steam;x=x_1;h=h_1) h_2=h_1 P_2=P_sep P_3=P_sep P_4=P_sep x_2=(h_2-h_3)/(h_4-h_3) x_3=0 x_4=1 m_vap=m_dot*x_2 m_sal=m_dot*(1-x_2) h_3=ENTHALPY(Steam;P=P_3;x=x_3) h_4=ENTHALPY(Steam;P=P_4;x=x_4) s_2=ENTROPY(Steam;P=P_2;h=h_2) s_3=ENTROPY(Steam;P=P_3;h=h_3) s_4=ENTROPY(Steam;P=P_4;x=x_4) T_2=TEMPERATURE(Steam;P=P_2;h=h_2) T_3=TEMPERATURE(Steam;P=P_3;h=h_3) T_4=TEMPERATURE(Steam;P=P_4;x=x_4) m_1=m_dot m_2=m_dot m_3=m_sal m_4=m_vap m_5=m_4 m_6=m_5 s_5s=s_4 h_5s= ENTHALPY(Steam;s=s_5s;P=P_6) A=0,425*(h_4-h_5s) eta_turbina=0,9 eta_turbina=(h_4-h_5)/(h_4-h_5s) x_5=QUALITY(Steam;h=h_5;T=T_6) s_5=ENTROPY(Steam;T=T_5;h=h_5) T_5=T_6 P_5=P_6 P_6= PRESSURE(Steam;T=T_6;x=0) h_6=ENTHALPY(Steam;T=T_6;x=0) s_6=ENTROPY(Steam;T=T_6;x=0) x_6=0 P_7=P_6 T_7=T_6 X_7=1 h_7=ENTHALPY(Steam;T=T_7;x=x_7) s_7=ENTROPY(Steam;T=T_7;x=x_7) T_refri=20 [C] P_refri=1 [bar] h_refri=ENTHALPY(Water;T=T_refri;P=P_refri) T_pp= 4 [C] T_refri_out=T_6-T_pp P_refri_out=P_refri h_refri_out=ENTHALPY(Water;T=T_refri_out;P=P_refri_out)

xiii

m_refri*(h_refri_out-h_refri)*0,94=m_vap*(h_5s-h_6) P_refri_in=P_refri+2,5 h_refri_in=ENTHALPY(Water;T=T_refri;P=P_refri_in) W_bomba=(h_refri-h_refri_in)*m_refri/0,8 Qo=m_vap*(h_5-h_6) wb=h_3-h_2 wb_normalizado=wb*m_sal/m_vap wt=eta_turb*eta_generador*(h_4-h_5) wnet=wb_normalizado+wt eta_turb=0,93 eta_generador=0,97 Pow=m_vap*wt Qin=Pow+Qo eficiencia=Pow/Qin Pot_esp=Pow/m_dot W_neto=Pow+W_bomba F$='n-Butane' T_r_a=T_3 x_r_a=X_3 P_r_a=P_3 m_r_dot=m_3 T_r_4=30 eta_r_t=0,85 eta_r_b=0,85 T_r_pp=5 [C] eta_r_intercambiador=0,94 x_r_6=0 T_r_6=TEMPERATURE(F$;P=P_r_6;x=x_r_6) h_r_6=ENTHALPY(F$;P=P_r_6;x=x_r_6) s_r_6=ENTROPY(F$;T=T_r_6;h=h_r_6) T_r_c=T_6 {T_r_5+T_r_pp} {60} T_r_1=T_r_a-T_r_pp {esto depende de las T, por ahora lo usare asi} h_r_a=ENTHALPY(Water;T=T_r_a;x=x_r_a) s_r_a=ENTROPY(Water;T=T_r_a;P=P_r_a) m_r_c=m_r_dot P_r_c=P_r_a h_r_c=ENTHALPY(Water;T=T_r_c;P=P_r_c) x_r_c=QUALITY(Water;T=T_r_c;P=P_r_c) s_r_c=ENTROPY(Water;T=T_r_c;P=P_r_c) m_r_dot*(h_r_a-h_r_c)*eta_r_intercambiador=m_dot_r_FT*(h_r_1-h_r_5) P_r_6= P_r_1 P_r_5= P_r_1 P_r_5s= P_r_1 P_r_2s= P_r_2 P_r_4= P_r_2 s_r_1= s_r_2s s_r_4= s_r_5s x_r_1=QUALITY(F$;T=T_r_1; P=P_r_1) s_r_1=ENTROPY(F$;P=P_r_1;x=x_r_1) h_r_1=ENTHALPY(F$;P=P_r_1;x=x_r_1) h_r_2s=ENTHALPY(F$;P=P_r_2s;s=s_r_2s) eta_r_t=(h_r_1-h_r_2)/(h_r_1-h_r_2s) s_r_2=ENTROPY(F$;P=P_r_2;h=h_r_2) T_r_2=TEMPERATURE(F$;P=P_r_2;h=h_r_2) x_r_2=QUALITY(F$;P=P_r_2;h=h_r_2) eta_t_r_mecanico=0,93 eta_t_r_electrico=0,95 POW_r=m_dot_r_FT*(h_r_1-h_r_2)*eta_t_r_mecanico*eta_t_r_electrico

xiv

W_net_r=POW_r-W_dot_r_bomba+W_bomba_refri P_r_3=P_r_2 x_r_3=1 h_r_3=ENTHALPY(F$;P=P_r_3;x=x_r_3) s_r_3=ENTROPY(F$;P=P_r_3;h=h_r_3) T_r_3=TEMPERATURE(F$;P=P_r_3;h=h_r_3) x_r_4=0 P_r_4=PRESSURE(F$;T=T_r_4;x=x_r_4) h_r_4=ENTHALPY(F$;T=T_r_4;x=x_r_4) s_r_4=ENTROPY(F$;T=T_r_4;x=x_r_4) eta_b_r_mecanico=0,75 eta_b_r_electrico=0,95 W_dot_r_bomba=m_dot_r_FT*(h_r_5-h_r_4)/(eta_b_r_mecanico*eta_b_r_electrico) eta_r_b=(h_r_5s-h_r_4)/(h_r_5-h_r_4) h_r_5s=ENTHALPY(F$;P=P_r_5;s=s_r_5s) T_r_5=TEMPERATURE(F$;P=P_r_5;h=h_r_5) s_r_5=ENTROPY(F$;T=T_r_5;h=h_r_5) x_r_5=QUALITY(F$;P=P_r_5;h=h_r_5) T_refri_r_in=20 [C] h_refri_r_in=ENTHALPY(Water;T=T_refri_r_in;P=P_refri_r_in) T_refri_r_out=T_r_4-4 P_refri_r_in=1 [bar] P_refri_r_out=1 [bar] h_refri_r_out=ENTHALPY(Water;T=T_refri_r_out;P=P_refri_r_out) m_r_dot*(h_r_2-h_r_4)=eta_r_intercambiador*(h_refri_r_out-h_refri_r_in)*m_r_refri P_r_refri=P_refri_r_in+2 T_r_refri=T_refri_r_in h_r_refri=ENTHALPY(Water;T=T_r_refri;P=P_r_refri) W_bomba_refri=(h_refri_r_in-h_r_refri)*m_r_refri/(eta_b_r_mecanico*eta_b_r_electrico) eta_th_r=1-(h_r_2-h_r_4)/(h_r_1-h_r_5) POTENCIA_TOTA=W_neto+W_net_r

xv

Anexo G: Ciclo doble expansión súbita combinado programado en

EES T_1=171,6 [C] P_1= PRESSURE(Steam;T=T_1;x=x_1) m_dot=186,71 T_11=60 [C] h_1=ENTHALPY(Steam;T=T_1;x=x_1) s_1=ENTROPY(Steam;T=T_1;h=h_1) x_1=0,1803 h_2=h_1 P_2=P_sep P_3=P_sep P_4=P_sep x_2=(h_2-h_3)/(h_4-h_3) x_3=0 x_4=1 m_4=m_dot*x_2 m_3=m_dot*(1-x_2) h_3=ENTHALPY(Steam;P=P_3;x=x_3) h_4=ENTHALPY(Steam;P=P_4;x=x_4) s_2=ENTROPY(Steam;P=P_2;h=h_2) s_3=ENTROPY(Steam;P=P_3;h=h_3) s_4=ENTROPY(Steam;P=P_4;h=h_4) T_2=TEMPERATURE(Steam;P=P_2;h=h_2) T_3=TEMPERATURE(Steam;P=P_3;h=h_3) T_4=TEMPERATURE(Steam;P=P_4;h=h_4) m_1=m_dot m_2=m_1 s_5s=s_4 h_5s= ENTHALPY(Steam;s=s_5s;P=P_6) A=0,425*(h_4-h_5s) eta_turbina=0,9 eta_turbina=(h_4-h_5)/(h_4-h_5s) x_5=QUALITY(Steam;h=h_5;P=P_6) s_5=ENTROPY(Steam;T=T_5;h=h_5) T_5=T_6 P_5=P_6 h_6=h_3 P_6=P_exp P_7=P_exp P_8=P_exp P_9=P_exp x_6=(h_6-h_7)/(h_8-h_7) x_7=0 x_8=1 x_9= (h_9-h_7)/(h_8-h_7) m_6=m_3 m_5=m_4 m_8=m_dot*(1-x_2)*x_6 m_7=m_dot*(1-x_2)*(1-x_6) m_9=m_5+m_8 m_10=m_9 m_11=m_10 h_7=ENTHALPY(Steam;P=P_7;x=x_7) h_8=ENTHALPY(Steam;P=P_8;x=x_8)

xvi

h_9=(m_5*h_5+m_8*h_8)/(m_5+m_8) s_6=ENTROPY(Steam;P=P_6;h=h_6) s_7=ENTROPY(Steam;P=P_7;h=h_7) s_8=ENTROPY(Steam;P=P_8;h=h_8) s_9=ENTROPY(Steam;P=P_9;h=h_9) T_6=TEMPERATURE(Steam;P=P_6;h=h_6) T_7=TEMPERATURE(Steam;P=P_7;h=h_7) T_8=TEMPERATURE(Steam;P=P_8;h=h_8) T_9=TEMPERATURE(Steam;P=P_9;h=h_9) s_10s=s_9 h_10s= ENTHALPY(Steam;s=s_10s;P=P_11) A_1=0,425*(h_9-h_10s) eta_turbina=(h_9-h_10)/(h_9-h_10s) x_10=QUALITY(Steam;h=h_10;T=T_11) s_10=ENTROPY(Steam;T=T_10;h=h_10) T_10=T_11 P_11= PRESSURE(Steam;T=T_11;x=0) h_11=ENTHALPY(Steam;T=T_11;x=0) s_11=ENTROPY(Steam;T=T_11;x=0) x_11=0 P_12=P_11 T_12=T_11 x_12=1 h_12=ENTHALPY(Steam;T=T_12;x=x_12) s_12=ENTROPY(Steam;T=T_12;x=x_12) T_refri=20 [C] P_refri=1 [bar] h_refri=ENTHALPY(Water;T=T_refri;P=P_refri) T_pp= 4 [C] T_refri_out=T_10-T_pp P_refri_out=P_refri P_refri_in=P_refri+1 h_refri_in=ENTHALPY(Water;T=T_refri;P=P_refri_in) h_refri_out=ENTHALPY(Water;T=T_refri_out;P=P_refri_out) m_refri*(h_refri_out-h_refri)*0,97=(m_5+m_8)*(h_10-h_11) Qo=(m_5+m_8)*(h_10-h_11) W_bomba=(h_refri-h_refri_in)*m_refri/0,8 wb=h_3-h_2 wt_AP=eta_electrico*eta_turb*(h_4-h_5) wt_BP=eta_electrico*eta_turb*(h_9-h_10) wt=wt_AP+wt_BP wnet=wb+wt eta_electrico=0,97 eta_turb=0,94 POW=(m_5*wt_AP+ (m_5+m_8)*wt_BP) Qin=Pow+Qo eficiencia=Pow/Qin POW_esp=POW/m_dot w_neto=POW+w_bomba eta_th=POW/(m_dot*h_1-m_7*h_7-(m_5+m_8)*h_11) F$='n-Butane' T_r_a=T_7 x_r_a=x_7 P_r_a=P_7 m_r_dot=m_7 T_r_4=30 [C] eta_r_t=0,85 eta_r_b=0,85 T_r_pp=5 [C

xvii

eta_r_intercambiador=0,94 x_r_6=0 T_r_6=TEMPERATURE(F$;P=P_r_6;x=x_r_6) h_r_6=ENTHALPY(F$;P=P_r_6;x=x_r_6) s_r_6=ENTROPY(F$;T=T_r_6;h=h_r_6) T_r_c=T_11 T_r_1=T_r_a-T_r_pp h_r_a=ENTHALPY(Water;T=T_r_a;x=x_r_a) s_r_a=ENTROPY(Water;T=T_r_a;P=P_r_a) m_r_c=m_r_dot P_r_c=P_r_a h_r_c=ENTHALPY(Water;T=T_r_c;P=P_r_c) x_r_c=QUALITY(Water;T=T_r_c;P=P_r_c) s_r_c=ENTROPY(Water;T=T_r_c;P=P_r_c) m_r_dot*(h_r_a-h_r_c)*eta_r_intercambiador=m_dot_r_FT*(h_r_1-h_r_5) P_r_6= P_r_1 P_r_5= P_r_1 P_r_5s= P_r_1 P_r_2s= P_r_2 P_r_4= P_r_2 s_r_1= s_r_2s s_r_4= s_r_5s x_r_1=QUALITY(F$;T=T_r_1; P=P_r_1) s_r_1=ENTROPY(F$;P=P_r_1;x=x_r_1) h_r_1=ENTHALPY(F$;P=P_r_1;x=x_r_1) h_r_2s=ENTHALPY(F$;P=P_r_2s;s=s_r_2s) eta_r_t=(h_r_1-h_r_2)/(h_r_1-h_r_2s) s_r_2=ENTROPY(F$;P=P_r_2;h=h_r_2) T_r_2=TEMPERATURE(F$;P=P_r_2;h=h_r_2) x_r_2=QUALITY(F$;P=P_r_2;h=h_r_2) eta_t_r_mecanico=0,93 eta_t_r_electrico=0,95 POW_r=m_dot_r_FT*(h_r_1-h_r_2)*eta_t_r_mecanico*eta_t_r_electrico W_net_r=POW_r-W_dot_r_bomba+W_bomba_refri P_r_3=P_r_2 x_r_3=1 h_r_3=ENTHALPY(F$;P=P_r_3;x=x_r_3) s_r_3=ENTROPY(F$;P=P_r_3;h=h_r_3) T_r_3=TEMPERATURE(F$;P=P_r_3;h=h_r_3) x_r_4=0 P_r_4=PRESSURE(F$;T=T_r_4;x=x_r_4) h_r_4=ENTHALPY(F$;T=T_r_4;x=x_r_4) s_r_4=ENTROPY(F$;T=T_r_4;x=x_r_4) eta_b_r_mecanico=0,75 eta_b_r_electrico=0,95 W_dot_r_bomba=m_dot_r_FT*(h_r_5-h_r_4)/(eta_b_r_mecanico*eta_b_r_electrico) eta_r_b=(h_r_5s-h_r_4)/(h_r_5-h_r_4) h_r_5s=ENTHALPY(F$;P=P_r_5;s=s_r_5s) T_r_5=TEMPERATURE(F$;P=P_r_5;h=h_r_5) s_r_5=ENTROPY(F$;T=T_r_5;h=h_r_5) x_r_5=QUALITY(F$;P=P_r_5;h=h_r_5) T_refri_r_in=20 [C] h_refri_r_in=ENTHALPY(Water;T=T_refri_r_in;P=P_refri_r_in) T_refri_r_out=T_r_4-4 P_refri_r_in=1 [bar] P_refri_r_out=1 [bar] h_refri_r_out=ENTHALPY(Water;T=T_refri_r_out;P=P_refri_r_out) m_r_dot*(h_r_2-h_r_4)=eta_r_intercambiador*(h_refri_r_out-h_refri_r_in)*m_r_refri

xviii

P_r_refri=P_refri_r_in+2 T_r_refri=T_refri_r_in h_r_refri=ENTHALPY(Water;T=T_r_refri;P=P_r_refri) W_bomba_refri=(h_refri_r_in-h_r_refri)*m_r_refri/(eta_b_r_mecanico*eta_b_r_electrico) eta_th_r=1-(h_r_2-h_r_4)/(h_r_1-h_r_5) POTENCIA_RESULTANTE=POW+w_bomba+POW_r-W_dot_r_bomba+W_bomba_refri POTENCIA_TOT=W_neto+W_net_r

xix

Anexo H: Torre de enfriamiento programada en EES T_agua_in=56 [C] {Parámetro} T_agua_out=20 [C] {Parámetro} m_dot_agua=344,2 [kg/s] {Parámetro} T_makeup=20 [C] {Parámetro} T_amb=10,7 {Parámetro} phi_amb=0,2313 [-] {Parámetro} P=0,69 [bar] {Parámetro} eff_ct=0,7 [-] T_pp= 3 [C] T[3]=T_amb phi[3]=phi_amb v_aireseco[3]=volume(AirH2O;P=P;T=T[3];R=phi[3]) h_aireseco[3]=enthalpy(AirH2O;P=P;T=T[3];R=phi[3]) omega[3]=humrat(AirH2O;P=P;T=T[3];R=phi[3]) T_bh[3]=wetbulb(AirH2O;P=P;T=T[3];R=phi[3]) T[1]=T_agua_in v[1]=volume(Water;T=T[1];P=P) h[1]=enthalpy(Water;T=T[1];P=P) T_dada=T_agua_in h_aireseco_4_max=enthalpy(AirH2O;P=P;T=T_dada;R=1 [-]) eff_ct=(h_aireseco[4]-h_aireseco[3])/(h_aireseco_4_max-h_aireseco[3]) omega_4_max=humrat(AirH2O;P=P;T=T_dada;R=1 [-]) eff_ct=(omega[4]-omega[3])/(omega_4_max-omega[3]) T[4]=temperature(AirH2O;P=P;h=h_aireseco[4];w=omega[4]) T_aire_out=T[4] phi[4]=relhum(AirH2O;P=P;h=h_aireseco[4];w=omega[4]) T[5]=T_makeup h[5]=enthalpy(Water;T=T[5];P=P) m_dot_makeup=m_dot_aire*(omega[4]-omega[3]) T[2]=T_agua_out h[2]=ENTHALPY(Water;P=P;T=T[2]) Q_dot_ct=m_dot_agua*(h[1]-h[2]) Q_out_aire=Q_dot_ct Q_out_aire=0,98*m_dot_aire*(h_aireseco[4]-h_aireseco[3]) Rango=T[1]-T[2] Acerc=T[2]-T_bh[3] m_area_aire=m_dot_aire/Area_torre m_area_agua=m_dot_agua/Area_torre densidad_agua=1000 [kg/m3] Vel_aire= 2,8[m/s] Vel_aire=(m_dot_aire*v_aireseco[3])/Area_torre tau_esp=(3,897830*m_area_agua^0,777271)*(m_area_aire^(-0,177))+(15,327472*m_area_agua^0,215975)*(m_area_aire^0,079696) L=2 [m] {Parámetro} tau=tau_esp*L Eficiencia_ventilador=0,38 Perdidas_carga=tau*0,5*(1/v_aireseco[3])*(Vel_aire)^2 wg=m_dot_aire*v_aireseco[3] Pot_Ele_ventilador=Perdidas_carga*wg/(Eficiencia_ventilador*1000)

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CARACTERIZACIÓN Y OPTIMIZACIÓN TERMODINÁMICA DE RECURSOS