ENERGA GEOTRMICA

Pedro Fernndez Dezhttp://libros.redsauce.net/

Energa geotrmica.-I.1

I.- ENERGA GEOTRMICAhttp://libros.redsauce.net/

I.1.- INTRODUCCIN

La energa geotrmica es la energa natural almacenada en la Tierra a profundidades lo suficiente-

mente cercanas a la superficie en forma de calor, para que pueda salir y utilizarse en la generacin de

energa elctrica, o bien, para usarla como energa trmica.

La geotermia se puede considerar como el conjunto de tcnicas que permiten utilizar y aprovechar el

calor generado en el interior de la Tierra.

Se sabe que la temperatura de la corteza terrestre aumenta a medida que se profundiza en la mis-

ma; la existencia de este calor se manifiesta directamente en las erupciones volcnicas en las que hay

una proyeccin de rocas fundidas (lava) y de gas, y en forma menos brutal, pero no por ello menos es-

pectacular, en el fenmeno del geyser, que consiste en el ascenso de vapor de agua a presin a lo largo de

una fractura, a una temperatura que vara entre los 200C y 250C.

Este tipo de energa est almacenada en forma de vapor de agua seco, agua caliente, agua caliente

con gas metano disuelto y en roca seca caliente.

Antecedentes histricos.- La presencia de volcanes, fuentes termales y otros fenmenos termales debieron haber inducido a nuestros ancestros a suponer que el interior de la Tierra estaba caliente; sin

embargo, no fue hasta los siglos XVI y XVII, cuando se excavaron las primeras minas a algunos cientos

de metros de profundidad, observndose que la temperatura se incrementaba con la profundidad.

Las primeras medidas, con termmetros, se realizaron en 1740 en una mina de Belfort, en Francia.

Sin embargo, el aprovechamiento de esta energa se inicia en Toscana en 1777, cuando se detecta la

presencia de cido brico en algunas fuentes termales, comenzando rpidamente su explotacin; estas

aguas contenan una concentracin de boro del orden de un 0,5 por mil, observndose que esta concen-

tracin aumentaba con la temperatura del agua, descubrindose as un mtodo de obtencin del boro. El

cido brico se obtena mediante evaporacin de las aguas geotrmicas, usando como combustible la

madera de los bosques de los alrededores. En 1827 Francisco Larderello, fundador de esta industria, de-

sarroll un sistema para utilizar el calor de los fluidos en el proceso de evaporacin, en vez de quemar la

madera de los bosques en rpido agotamiento. A lo largo del siglo XIX, se mejoraron estas explotaciones,

se hicieron pequeos sondeos y se utiliz el vapor que se desprenda para concentrar el contenido en

boro del agua termal. Entre 1850 y 1875 la planta de Larderello mantuvo en Europa el monopolio de la Energa geotrmica.-I.2

produccin de cido brico.

Al comienzo del siglo XX, en la zona de Larderello, el vapor geotrmico seco se aprovecha para accio-

nar una turbina de 5 kW, constituyendo la primera central geotrmica del mundo de generacin de ener-

ga elctrica; a partir de este momento comienza un desarrollo progresivo de esta fuente de energa,

hasta alcanzarse en la actualidad los 500 MW; se extiende sobre una superficie de 200 km2, por lo que

dada su gran extensin, se hizo necesario multiplicar los sondeos de esta explotacin, ampliando asimis-

mo el nmero de centrales geotrmicas, que estn bastante prximas a los sondeos, con los que estn

conectadas mediante conducciones de gran dimetro aisladas trmicamente.

Otros pases tambin empezaron a desarrollar sus recursos geotrmicos a escala industrial.

En 1892 entr en operaciones el primer sistema de calefaccin geotermal, en Boise, Idaho (USA).

En 1919 se perforan los primeros pozos geotrmicas de Japn, en Beppu

En 1921 los pozos The Geyser, California, USA, y en el Tatio, Chile.

En 1928 Islandia, otro pas pionero en la utilizacin de la energa geotrmica, inicia la explotacin de

sus fluidos geotrmicos (principalmente agua caliente) para calefaccin domstica.

Entre 1910 y 1940 el vapor de agua de baja presin se utiliza para calefactar invernaderos, edificios

industriales y residenciales, en esta parte de Toscana.

En 1958 entra en operacin una pequea planta geotermoelctrica en Nueva Zelandia, y en 1959

otra en Mxico.

La energa geotrmica se empez a utilizar en Estados Unidos en 1960, cuando se us vapor seco de

los giseres al norte de San Francisco para generar 11 MW de energa elctrica.

Las condiciones del vapor de estos giseres son de alrededor de 7,6 Atm y 180C; en 1980, las plan-

tas geotrmicas de este lugar producan unos 800 MW de potencia y hacia 1990 esta capacidad se ha

casi duplicado.

I.2.- TRANSFERENCIA DE ENERGA TRMICA A TRAVS DE LA CORTEZA TERRESTRE

El globo terrqueo est formado, a partir del centro, por un ncleo slido de 3470 km de radio a

4200C y rodeando a ste por un ncleo lquido compuesto exclusivamente de Fe y Ni (NiFe), de un di-

metro del orden de 5200 Km; ambos ncleos tienen la misma composicin, siendo su densidad del orden

de 13 Tm/m3 y su presin del orden de 3,7 millones de bars; rodeando al ncleo lquido se extiende el

manto de 2900 Km de espesor y 3000C y a ste le envuelve la astenosfera que es una zona de dbil re-

sistencia Fig I.1.

La envoltura ms externa de la Tierra es la litosfera que corresponde a la corteza y al nivel superior

del manto; su espesor vara de menos 80 km en las zonas ocenicas hasta ms de 200 km en reas

continentales, comportndose como un cuerpo rgido. Bajo la litosfera est la zona conocida como aste-

nosfera, de 200 a 300 km de espesor, que tiene un comportamiento menos rgido o ms plstico que la li-

tosfera,de forma que, a escala geolgica en la que el tiempo se mide en millones de aos, esta porcin de

la Tierra se comporta, en ciertos procesos, como un fluido. La capa ms externa de la litosfera es la cor-

teza terrestre que alcanza un espesor de 10 a 17 Km y de 5 a 6 km en los ocanos; bajo los continentes

la corteza se conoce como SIAL (Si-Al) y bajo los ocanos como SIMA (Si-Mn) ; la litosfera est com-

puesta por placas que conservan una gran rigidez cuando se desplazan, lo que origina grandes divisiones

en la tectnica terrestre.

La corteza est separada del manto por la discontinuidad de Mohorovivich.

La energa del magma se encuentra en enormes regiones de roca fundida, o en la roca seca caliente

Energa geotrmica.-I.3

que se forma cuando se enfra el magma. El magma puede generar energa trmica a temperaturas cer-

canas a los 1.100C. No se conocen mtodos ni materiales para llegar al magma.

Fig I.1.- Corteza, manto y ncleo de la Tierra

Ncleo(Hierro + Niquel)

Ncleo exterior (Lquido)

Mesosfera (Slido)

Manto (Roca de alta densidad)

Corteza (Baja densidad)(8 a 70 km de espesor)

Ncleo interior (Slido)

3,33,6

4,3

5,79,7

14

16

Densidad1,025 Ocano2,7 Corteza

6370 km

AstenosferaSlido, dctil

Hidrosfera (lquido)

Atmsfera (Gas)

Litosfera (Slido, quebradizo)100 km de espesor

Fig I.2.- Densidad de la corteza, manto y ncleo de la Tierra

Cuando se profundiza en el suelo, la radiacin solar deja de influir a partir de los 70 m en donde la

temperatura viene a ser del orden de 12C. A partir de ah, la temperatura aumenta con la profundidad,

definindose el grado geotrmico como el nmero de metros a profundizar en el interior de la corteza te-

rrestre, a razn de 1C por cada 33 metros por trmino medio, que es un valor medio terico para las

capas superficiales, que se corresponde con una evacuacin trmica de 60 mW/m2; vara de unas zonas

a otras de la corteza terrestre, con valores tan dispares como los 19 metros de Australia los 111 me-

tros de Johannesburgo.

El grado geotrmico se obtiene dividiendo la diferencia de profundidad entre la diferencia de tempera-

tura.

Energa geotrmica.-I.4

Gradiente geotrmico.- Es el nmero de grados centgrados que aumenta la temperatura al pro-fundizar 100 metros en el interior de la corteza terrestre; tanto el grado como el gradiente geotrmico

varan con:

- La conductividad trmica de las rocas (a mayor conductividad trmica de las rocas menor gradiente

geotrmico, y mayor grado geotrmico)

- El tipo de reacciones qumicas que predominen en la zona (endotrmicas y exotrmicas). Si predomi-

nan las reacciones endotrmicas o de absorcin de calor, el gradiente geotrmico ser menor que en zonas

en que predominen las reacciones exotrmicas

- La presencia y concentracin de elementos radiactivos, que desprenden calor en su desintegracin, ele-

vando el gradiente geotrmico y disminuyendo el grado geotrmico

- La proximidad de rocas eruptivas an no consolidadas, que aportan calor en forma considerable

Otros factores que pueden influir son:

- La existencia de aguas termales en la zona considerada

- El alejamiento o proximidad de stas a los ocanos

- La tectnica de la zona, etc

En zonas normales, para obtener 150C es preciso alcanzar profundidades de 4000 m.

Fig I.3.- Perfil esquemtico mostrando los procesos de tectnica de placas.

Fig I.4.- a) Flujo anmalo para granito caliente ; b) Flujo anmalo para un cuerpo radiognico

En zonas de flujo anmalo se alcanzan temperaturas entre 200C y 300C a profundidades entre

1500 metros y 2500 metros. En zonas donde las rocas del basamento han sufrido un rpido hundimien-

to y la cuenca resultante se ha rellenado con sedimentos geolgicamente muy jvenes, el gradiente geo-

trmico puede ser menor que 1C/km. El flujo calrico terrestre promedio en los continentes y en los

ocanos es de 65 y 101 mW/m2 respectivamente.Energa geotrmica.-I.5

El flujo de energa interna es debido, en gran medida, a la desintegracin radiactiva de los istopos 235U, 238U, 232Th, 40K, 87Rb que estn presentes en todas las rocas metamrficas e gneas conocidas,

as como al movimiento de las placas continentales.

En el interior de la Tierra existen otras fuentes de energa menos conocidas tales como:

- El calor latente de solidificacin y de fusin de las partes interna y externa del ncleo.

- La energa potencial almacenada por la Tierra que no est todava en una configuracin de equili-

brio de mnima energa puede ser debido a restos del calor primitivo almacenado desde cuando se form el

planeta. En la dcada de 1980 se comprob que no exista equilibrio entre el calor radiognico generado en el

interior de la Tierra y el calor disipado al espacio, de lo que se dedujo que nuestro planeta se est enfrian-

do lentamente; la temperatura del manto ha disminuido del orden de 350C en tres mil millones de aos;

se ha estimado que el calor almacenado en la Tierra, calculado a partir de una temperatura ambiente

media de 15C, es del orden de 12,6.1024 MJ siendo el calor de la corteza de unos 5,4.1021 MJ.

Se ha considerado un calor radiognico de 4,2.107 GW, del que:

- 8.106 GW provienen de la corteza, la cual representa el 2% del volumen total de la Tierra, pero que es

rica en istopos radioactivos

- 3,23.107 GW provienen del manto, el cual representa el 82% del volumen total de la Tierra

- 1,7.106 GW provienen del ncleo, el cual corresponden al 16% del volumen total y no contiene istopos

radiactivos

Considerando que el calor radiognico del manto se estima en 22.1012 W, el enfriamiento de esta par-

te de la Tierra se estima en 10,3.1012 W.

Fig. I.4.- Placas litosfricas, dorsales ocenicas, fosas ocenicas, zonas de subduccin y campos geotrmicos

I.3.- NATURALEZA DE LOS RECURSOS GEOTRMICOS

Debido a la diferencia de temperaturas entre los distintos niveles de la astenosfera, se originan movi-

mientos convectivos extremadamente lentos (unos pocos centmetros por ao), que se mantienen me-

diante el calor producido por la desintegracin de elementos radiactivos y por el calor proveniente de las

partes mas profundas de la Tierra. Enormes rocas calientes profundas, menos densas y ms ligeras que

el material circundante, ascienden con estos movimientos hacia la superficie, mientras que rocas su-Energa geotrmica.-I.6

perficiales ms pesadas, densas y fras tienden a hundirse, recalentndose y ascendiendo a la superficie

una y otra vez.

En las zonas donde la litosfera es mas delgada, especialmente en las reas ocenicas, es empujada

hacia arriba y quebrada por el material parcialmente fundido muy caliente, que asciende desde la aste-

nosfera. Este es el mecanismo que origin y origina las dorsales ocenicas, que se extienden por ms de

60.000 Km debajo de los ocanos, emergiendo en algunos lugares (Azores, Islandia) e incluso desplegn-

dose entre continentes, como en el Mar Rojo. Una pequea fraccin de rocas fundidas que asciende des-

de la astenosfera emerge en la cumbre de estas dorsales, y en contacto con el agua del mar se solidifica

para formar nueva corteza ocenica. La mayor parte del material que asciende desde la astenosfera se

divide en dos ramas que fluyen en direccin opuesta debajo de la litosfera. La continua generacin de

nueva corteza y el empuje en direcciones opuestas de estas dos ramas provoca que cada lado de la dor-

sal se separe a una velocidad de unos pocos centmetros por ao, por lo que la litosfera ocenica tiende a

incrementarse. Las dorsales estn cortadas perpendicularmente por enormes fracturas que en algunos

casos alcanzan unos pocos miles de kilmetros de longitud, denominadas fallas transcurrentes.

Estos fenmenos conducen a la conclusin de que dado que no existe un incremento de la superficie

de la Tierra a travs del tiempo, la formacin de nueva litosfera a lo largo de las dorsales y la expansin

de la corteza ocenica, debe estar acompaada por una comparable merma de la litosfera en otras par-

tes del globo, lo que sucede en las zonas de subduccin, la mayora de las cuales estn representadas por

inmensas fosas ocenicas, como las que se extienden a lo largo de la margen occidental del Ocano Pac-

fico y de la costa occidental de Sudamrica. En las zonas de subduccin la litosfera se pliega y sumerge

bajo la litosfera adyacente hasta zonas profundas muy calientes, donde es absorbida por el manto y el

ciclo se reinicia nuevamente. Parte del material de la litosfera vuelve al estado lquido y puede ascender

hacia la superficie a travs de fracturas en la corteza.

Corteza continental Corteza continental

Astenosfera Astenosfera

Litosfera Litosfera

Convergencia continente-continente

Corteza continental Corteza continental

Arco volcnico Fosa ocenica

Corteza ocenica

Litosfera Litosfera

Astenosfera Astenosfera

Convergencia continente-ocano

Arco de islas

Corteza ocenica

Arco volcnico

Corteza ocenica

Fosa ocenica

Astenosfera Astenosfera

Litosfera Litosfera

Cortezacontinental

Convergencia continente-continente

Corteza continental

Corteza ocenica

Magma

Cord

illera

oce

nica

Astenosfera Astenosfera

Litosfera Litosfera

Frontera de placas divergentes. Cordillera ocenica-centro de propagacin

Energa geotrmica.-I.7

Nivel del mar

Fosa ocenica

Litosfera

Corrientes convectivas en la astenosfera

Magma

Corrientes trmicas ascendentes

Corrientes fras descendentes

Fig I.5.- Desplazamiento de placas que conforman la litosfera

Fig. I.6.- Placas litosfricas, dorsales ocenicas, fosas ocenicas, zonas de subduccin y campos geotrmicos

Consecuentemente, se forman arcos magmticos con numerosos volcanes paralelos a las fosas, en el

lado opuesto al de las dorsales; en las fosas localizadas en el ocano, como en el Pacfico Occidental es-

tos arcos magmticos corresponden a cadenas de islas volcnicas; en las fosas ubicadas a lo largo de

bordes continentales los arcos magmticos consisten en cadenas de montaas con numerosos volca-

nes, como en los Andes.

Las dorsales ocenicas, fallas transcurrentes y zonas de subduccin constituyen una vasta red que

divide nuestro planeta en seis placas o reas litosfricas de grandes dimensiones adems de otras placas

ms pequeas, Fig I.6.

Debido a las enormes tensiones generadas por el calor de la Tierra y la asimetra de las zonas que

generan y consumen materia de la litosfera, estas placas derivan lentamente unas respecto de otras,

cambiando continuamente de posicin.

Los bordes de las placas corresponden a zonas de la corteza dbiles densamente fracturadas, carac-

terizadas por una intensa sismicidad, por un gran nmero de volcanes y por un alto flujo trmico terres-

tre, debido al ascenso de materiales muy calientes hacia la superficie. Las reas geotrmicas mas im-

portantes se ubican alrededor de los bordes de placas.

Energa geotrmica.-I.8

I.4.- MECANISMOS DE TRANSMISIN DE CALOR

Los mecanismos de transferencia de calor geotrmico que intervienen en estos procesos son, por un

lado, la conveccin, que es el mecanismo predominante de transferencia trmica desde el centro de la

Tierra hasta profundidades del orden de 50 km (formacin de volcanes) interviniendo en menor medida

la conduccin trmica. Las transferencias convectivas originadas por la inclinacin de las soluciones

acuosas son muy comunes en la corteza terrestre; estos procesos son los responsables de la conforma-

cin de yacimientos y depsitos minerales, as como de los giseres y fumarolas, Fig I.7

Cuando los silicatos fundidos calientan una roca slida (intrusin), se producen en las rocas encajo-

nadas, contracciones mecnicas propias o inducidas por los efectos trmicos que pueden causar una

fractura importante. El agua fra de la superficie de origen meterico (lluvia), se infiltra en estas fractu-

ras y se calienta a su paso por la proximidad de la intrusin, elevndose de nuevo y saliendo as al exte-

rior. Tales procesos se ponen en evidencia mediante mtodos geoqumicos indirectos, en los que la rela-

cin isotpica 180/160 es muy diferente en las aguas de superficie y en las rocas gneas.

Fig I.7.- Formacin de fuentes termales, fumarolas, gyseres, etc

Energa geotrmica.-I.9

En la actualidad se admite que la mayor parte del vapor geotrmico proviene del agua que se infiltra

desde la superficie, la cual progresivamente se recalienta y vaporiza en contacto con las rocas calientes

del yacimiento geotrmico.

Flujo y gradiente trmico.- La energa geotrmica se evaca en forma de calor hacia el exterior de la Tierra, lentamente, debido a la baja conductividad trmica de los materiales que componen la corteza

terrestre.

El flujo trmico convectivo viene representado por la ecuacin: Qconv= c pT v (Wm2 ) , en la que es

la densidad del fluido, cp su calor especfico, T su temperatura absoluta y v su velocidad.

Supongamos un cilindro vertical de seccin transversal S = 1

m2 y altura z, Fig I.8, que es atravesado de abajo hacia

arriba por un flujo de calor Q, que es por definicin el flujo

geotrmico.

Si la roca es impermeable, slo interviene la transferencia de

calor por conduccin.

Admitiendo que el gradiente geotrmico se mantiene cons-

tante a una gran profundidad, se puede deducir el flujo geo-

trmico normal (media mundial para todas las tierras emer-

gidas).

El flujo geotrmico conductivo viene dado por la ley de Fourier en la forma:

Qcond= - k Tz =

Gradiente geotrmico: Tz = -

133

Cm

Conductividad trmica: k 2 WmC

= 60,6.10-3 Wm2

= 1,447.10-5 Kcalm2seg

y que aunque no representa el flujo geotrmico total, ya que no se ha tenido en cuenta el flujo trmico

por conveccin, es un indicativo de su orden de magnitud.

Desgraciadamente no se dispone en la actualidad de tcnicas que permitan medir el flujo de calor de

origen convectivo en la corteza terrestre, sin modificar el rgimen convectivo del mismo.

En las rocas slidas, la conduccin trmica es dbil, ya que en primera aproximacin, las rocas se

pueden considerar como buenos aislantes trmicos; cuando est presente la conveccin, sta predomi-

nar casi siempre sobre la conduccin. La transferencia de calor por conduccin es un proceso disipati-

vo, mientras que la transferencia de calor por conveccin puede conducir a acumulaciones anormales de

calor, por lo que las cmaras magmticas forman en la corteza terrestre concentraciones muy impor-

tantes, antes de ser refrigeradas hasta la temperatura ambiente.

Una cmara magmtica de 10 Km de radio y 1 Km de espesor que contiene aproximadamente

1,5.1015 kg de magma a 1200C, a una profundidad de 10 Km en la corteza (donde la temperatura es del

orden de los 300C), representa una reserva de energa del orden de 6.1020 caloras 7.1010 kW.

La disipacin de esta energa se efectuar a lo largo de algunas decenas de miles de aos. Esto expli-

ca las anomalas del flujo geotrmico en las regiones de origen volcnico, en donde el gradiente geotrmi-

co puede alcanzar un valor doble del valor normal indicado anteriormente. Es interesante comparar el

flujo geotrmico con el flujo solar correspondiente al Sol en su cenit y un cielo brillante; se encuentra:

Flujo geotrmicoFlujo solar

= 60,6.10-3

103 = 116500

Energa geotrmica.-I.10

Fig I.8.- El gradiente geotrmico

resultado que indica que el flujo geotrmico es muy dbil comparado con el flujo solar, lo que condiciona

fuertemente la utilizacin de las fuentes geotrmicas.

La diferencia con la energa solar radica en que aparte de ser sta inagotable a la escala de la huma-

nidad, el flujo geotrmico es mucho ms dbil con relacin al flujo solar.

Las zonas de gradiente trmico anmalo, Fig I.4, suelen presentar unas manifestaciones superficia-

les que facilitan su localizacin, como:

- Vulcanismo reciente

- Alteraciones hidrotermales

- Emanacin de gases y vapores

- Fuentes termales y minerales

- Anomalas trmicas superficiales, etc.

La curva 1 es la curva de referencia para el punto de ebullicin del agua pura

La curva 2 muestra el perfil de temperatura a lo largo de una tpica ruta de circulacin

desde la recarga en el punto A hasta la descarga en el punto E, (White, 1973)Fig I.9.- Modelo de un sistema geotrmico.

Figs 1.10.- Representacin esquemtica de algunos sistemas geotrmicos

Energa geotrmica.-I.11

I.4.- YACIMIENTOS GEOTRMICOS

Un sistema geotrmico es agua convectiva en la corteza superior de la Tierra que, en un espacio confi-

nado, transfiere calor desde una fuente trmica hasta la superficie libre

Los sistemas geotrmicos se pueden encontrar:

a) En regiones con un gradiente geotrmico normal o ligeramente superior que se caracterizan por

bajas temperaturas, normalmente inferiores a 100C, a profundidades de (2-3 km)

b) En las regiones que rodean los bordes de las placas, donde el gradiente geotrmico puede ser signi-

ficativamente ms alto que el valor promedio, de forma que las temperaturas cubren un amplio rango

desde las ms bajas hasta los 400C.

Un yacimiento geotrmico esta constituido por tres elementos principales:

- Una fuente de calor que puede ser una intrusin magmtica a muy alta temperatura superior a

600C, emplazada a profundidades de 5 a 10 km

- Un volumen de rocas calientes permeables del que el agua circundante extrae el calor, que est cu-

bierto por rocas impermeables y conectado a una zona de recarga superficial a travs de la cual el agua

meterica reemplaza al agua geotrmica que escapa a travs de las fuentes termales o que es extrada

mediante pozos.

- Un fluido geotrmico que es el medio que transfiere el calor; en la mayora de los casos es agua de

origen meterico, en fase lquida o en fase vapor, dependiendo sto de su temperatura y presin, que a

menudo contiene sustancias qumicas y gases disueltos.

Por lo tanto, un yacimiento geotrmico se puede considerar como un volumen de roca con tempera-

tura anormalmente elevada para la profundidad a que se encuentra, susceptible de ser recorrido por

una corriente de agua que puede absorber y transportar calor a la superficie.

Los sistemas hidrotrmicos se pueden clasificar en la siguiente forma:

a) Segn su entalpa.- Es el criterio ms comn utilizado para clasificar los recursos geotrmicos, por cuanto la entalpa de los fluidos geotrmicos que actan como medio de transporte desde las rocas

calientes en profundidad hasta la superficie, se puede considerar ms o menos proporcional a la tempe-

ratura; el concepto de entalpa se utiliza para dar una idea del contenido de energa trmica de los fluidos

proporcionando datos sobre su calidad.

Los recursos geotrmicos se dividen en yacimientos de baja, media y alta entalpa (o temperatura:

- Yacimientos de baja entalpa: T < 100C

- Yacimientos de media entalpa: 100C < T < 150C

- Yacimientos de alta entalpa: T > 150C

b) Segn el estado fsico del agua.- Agua lquida con temperaturas comprendidas entre 40C y

400C y presiones entre 3 y 10 kg/cm2 y sistemas con predominio de vapor, que son los ms interesan-

tes y escasos que son de alta entalpa y poseen un contenido energtico del orden de 600 Kcal/kg.

c) Sistemas con predominio de agua.- Contienen muchas impurezas; su entalpa es del orden de 200 a 400 Kcal/kg. Las investigaciones actuales se ocupan, entre otros aspectos, de los mtodos de per-

foracin, y de las tcnicas de fractura y circulacin del agua.

d) Sistemas geopresurizados.- El fluido soporta parte del peso de las rocas superiores, estando por lo tanto, a gran presin. Contienen energa almacenada en forma de calor, presin hidrosttica y

metano. En pocas geolgicas anteriores se depositaron agua y materias orgnicas bajo mantos de pi-

Energa geotrmica.-I.12

zarra y estas materias orgnicas se han transformado en gas natural o metano; estas fuentes geopre-

surizadas tienen temperaturas del orden de 100C a 180C a profundidades de 2 a 6 km. La presin en

estos depsitos es mucho mayor que la originada por el efecto hidrosttico a esa profundidad, que llega a

ser del orden de 700 atm; aunque se realizan investigaciones en este campo, no se espera que en un fu-

turo cercano se utilice la energa geopresurizada a gran escala.

e) Sistemas de roca caliente.- En este caso, se bombea agua a alta presin a travs de pozos has-ta un sistema de rocas calientes y compactas, causando as su fracturamiento hidrulico. El agua cir-

cula en estas fracturas artificiales, extrayendo el calor de la roca circundante que acta como una re-

serva natural que, posteriormente, es alcanzada por un segundo pozo que se emplea para extraer el

agua calentada.

El sistema consiste en un pozo de inyeccin que se utiliza para el fracturamiento hidrulico a travs

del cual se inyecta el agua fra, la reserva artificial y el pozo de extraccin de agua caliente. Todo el sis-

tema, junto con la planta de utilizacin en la superficie del terreno conforma un circuito cerrado.

Tambin pueden tener un intercambiador de calor en el fondo del pozo, de forma que el fluido de tra-

bajo recibe calor de la roca caliente, Fig II.9, y lo enva al exterior.

I.5.- PUESTA A PUNTO DE LA GEOTERMIA

De todos los elementos que constituyen un yacimiento geotrmico la fuente de calor es el nico que

debe ser natural. Los otros dos elementos pueden ser artificiales ya que los fluidos geotrmicas extra-

dos del yacimiento para accionar una turbina en una planta geotermoelctrica, despus de su utiliza-

cin pueden ser reinyectados al yacimiento geotrmico mediante pozos de inyeccin. De este modo, a la

recarga natural del yacimiento geotrmico se la integra una recarga artificial. Durante muchos aos la

reinyeccin se ha empleado en varias partes del mundo como una forma de reducir el impacto ambien-

tal de las plantas geotrmicas mediante pozos de reinyeccin que tambin ayudan a la recuperacin y

mantenimiento de campos geotrmicos viejos o agotados.

El fundamento de la explotacin de un yacimiento geotrmico consiste en lo siguiente: mediante un

equipo de sondeo se extrae agua caliente del pozo geotrmico, por encima de los 70C, y se refrigera a

temperaturas entre 10C y 40C en un intercambiador, segn proceda; el caudal promedio mnimo tiene

que ser del orden de 100 m3 por hora.

No conviene devolver a un ro, o al mar, tal cantidad de agua, la mayor parte de las veces salada, por

lo que se procede a su reinyeccin en el depsito geotrmico, para as mantener la presin en la masa de

agua profunda, lo que origina una mejor utilizacin del depsito geotrmico, ya que supone la recupera-

cin del calor almacenado en la roca depsito y en las paredes de la misma.

Supondremos en primer lugar que se reinyecta el agua en el mismo lugar de donde fue extrada; si se

considera un cilindro de rocas de 100 m de altura correspondiente al espesor medio de las capas de un

determinado lugar y 1 m2 de seccin transversal (100 m3 de volumen) y se admite que la roca tiene un

15% de porosidad, es decir, que el volumen en cuestin contiene 15 m3 de agua, la cantidad de calor res-

tituida por el agua, refrigerada por ejemplo de 70C a 10C es:

Q = m cp T = (15.103 ) kg agua x 1

Kcalkg C x (70 - 10)C = 9.10

5 Kcalm2

El tiempo al cabo del cual el flujo geotrmico recupera la temperatura inicial de esta reserva de agua

es, tericamente, de:

Energa geotrmica.-I.13

9.105

1,45.10-5 = 6,2.1010 segundos 2000 aos

y aunque este clculo no es ms que una aproximacin grosera, por cuanto no se ha reinyectado el agua

en los puntos de extraccin, y que todos los elementos de la masa no se comportan como el cilindro elegi-

do, sin embargo, el orden de magnitud as encontrado es importante, e indica que la geotermia es una

fuente de energa agotable, similar a la del petrleo, con la diferencia de que su utilizacin como yaci-

miento activo slo es posible durante un tiempo del orden de un siglo, y ser preciso esperar dos milenios

para que la reserva se reconstruya.

Slo el paso del tiempo permitir el almacenamiento del calor en la roca porosa y slo el tiempo per-

mitir la reconstruccin de esta reserva de calor despus de su agotamiento.

I.6.- DOBLETE HIDROTRMICO

El mtodo ms elemental utilizado en la prctica para aprovechar la energa geotrmica, es el do-

blete hidrotrmico, que consiste en hacer dos perforaciones con tcnicas similares a las que se utilizan

en la explotacin petrolfera. Para obtener un caudal del orden de 100 m3/hora, se considera normalmen-

te una separacin entre los puntos de perforacin, que oscila desde algunos cientos de metros, hasta 1

Km. El agua asciende por el pozo de extraccin debido a la presin que posee, aunque a veces es necesa-

rio recurrir a un bombeo complementario mediante bombas sumergidas; en este proceso hay que tener

previsto tambin otro bombeo complementario para favorecer la reinyeccin, Fig I.11.

Fig I.11. Esquemas de una instalacin geotrmica, con los pozos de extraccin e inyeccin

El clculo del doblete hidrotrmico es una operacin compleja; la distancia d en metros entre los puntos de perforacin no puede ser cualquiera, y se puede determinar por la expresin:

d = 17520 G t

{ + ( 1 - ) R cpRF cpF

} h + { + ( 1 - ) R cpRF cpF

}2 h 2+ 6 ,31 x 103 kR R cpR t

F cpF

en la que:

h es la altura del acufero en metros

Energa geotrmica.-I.14

G es el caudal de extraccin, igual al de inyeccin en m3/hora

t es la duracin de la vida del doblete

es el porcentaje de porosidad eficaz del acufero

(F cpF ) es la capacidad calorfica del agua = 1 cal/cm3C

R cpR es la capacidad calorfica de la roca = 0,5 cal/cm3C

kR es la conductividad trmica de las paredes = 0,6 x 10-3 cal/cm.segC

Si se considera un tiempo base de explotacin de 30 aos:

d = 37 G Para: G = 100 m

3/hora d = 370 m Para: G = 225 m3/hora d = 555 m

frmula que no tiene en cuenta la diferencia de viscosidades entre el agua inyectada y el agua extrada.

Frmulas ms complicadas tienen en cuenta otros factores debidos a las variaciones de presin,

como son la presin en los pozos de inyeccin y extraccin, la prdida de carga en las tuberas y maqui-

naria, la presin hidrodinmica del caudal, etc...

En el caso de un doblete de perforaciones aisladas, el tiempo que estar fluyendo ser funcin del que

tarde el agua fra que se reinyecta en llegar al punto de extraccin, siendo proporcional a:

El cuadrado de la distancia d entre la extraccin y la reinyeccin

La altura til del acufero h

e inversamente proporcional al caudal G bombeado y de inyeccin

Tambin depende de la cantidad de calor intercambiado con las paredes del acufero.

La distancia entre perforaciones, a temperatura constante, se puede determinar tambin con la

ayuda del baco que se presenta en la Fig I.12, que se ha construido manteniendo los parmetros trmi-

cos anteriormente indicados correspondientes a un yacimiento ficticio; para su utilizacin hay que par-

tir de las siguientes consideraciones:

a) El conocimiento de la altura til h del acufero en metros (no la profundidad a que se encuentra), y

de la porosidad en%, permite determinar el punto de partida A en el primer baco.

b) A continuacin se determina en el mismo baco el punto B como interseccin de la recta AB con

la vertical definida por la duracin de la explotacin en aos.

c) Sobre el segundo baco se determina el punto C como interseccin de la lnea que define el caudal

a extraer y a inyectar en m3/hora con la horizontal por B, cuya vertical determina la distancia d entre

perforaciones.

Operando en sentido inverso se puede encontrar la duracin de explotacin del doblete a partir de la

distancia entre las perforaciones.

Por ejemplo, si se desea una duracin de explotacin de 20 aos a temperatura constante, con un

caudal de trasvasamiento y de inyeccin igual a 90 m3/hora, en un acufero que tiene un espesor til de

100 metros y una porosidad del 15%, la distancia entre los pozos no debe ser inferior a los 600 metros.

El baco presentado no sirve si el nmero de perforaciones es superior a dos.

Segn lo dicho se podra extraer agua caliente a 70C durante 30 aos; a continuacin sta se ira

mezclando ms y ms con el agua fra reinyectada, pero la utilizacin del depsito geotrmico sera to-

dava posible durante otros 30 aos ms, aunque a temperaturas ms bajas. La duracin de la explota-

cin del doblete hidrotrmico sera, en total, del orden de 60 aos, para una superficie de la capa acufera

del orden de 4 Km2, y podra calentar segn su rendimiento un grupo de 1000 a 2000 viviendas.

Energa geotrmica.-I.15

(1) (2)

Fig I.12.- baco para el clculo de la distancia de los pozos de un doblete hidrotrmico

Fig I.13.- Evolucin de los frentes trmicos a partir de los puntos de inyeccin

Disposicin de los pozos.- Para el caso en que existan ms de 2 perforaciones se utilizan modelos numricos de simulacin que permiten determinar la mejor disposicin de los pozos para una recupera-

cin ptima de la energa calorfica contenida en el acufero y calcular la evolucin de la temperatura en

los pozos de extraccin. Energa geotrmica.-I.16

En la Fig I.13 se representa un esquema ficticio para 3 pozos de extraccin P1, P2 y P3 y 2 pozos de

inyeccin I1 e I2. El agua geotrmica extrada por los pozos de extraccin se reinyecta en el acufero, re-

frigerada, a travs de los pozos de inyeccin, crendose alrededor de ellos un sumidero fro que se extien-

de progresivamente hacia los puntos de extraccin, (manantial).

Las posiciones de los frentes trmicos a los 5 aos, 10 aos y 30 aos, provenientes de los pozos de

inyeccin, as como las lneas de corriente (lneas a trazos) se indican en la Fig I.13; los tiempos indica-

dos son el dato que proporciona la llegada de la lnea de corriente considerada a los pozos de extraccin.

De todo sto se deduce que la geotermia no es una fuente energtica que se pueda ampliar a volun-

tad, por cuanto aunque en su aprovechamiento se utilizan tcnicas convencionales que no presentan

mayores problemas, es preciso recurrir a una adecuada gestin de la masa del acufero afectado, ya que

si se pretende modificar las condiciones impuestas para la duracin de su explotacin, o la distancia en-

tre los pozos, para as poder extraer un mayor caudal, aparecen otros factores que limitan el punto su-

perior de funcionamiento, (por lo que no es posible ni fsica ni econmicamente hacer viable la obtencin

de un caudal mayor fuera de los lmites impuestos), tales como:

- Las propias transmisiones y comunicaciones del acufero

- La presin de fractura que limita la presin de reinyeccin, ya que si se sobrepasa dicha presin de

fractura, se corre el riesgo de provocar filtraciones y comunicaciones rpidas entre el pozo de extraccin y el

pozo de reinyeccin, as como el dirigir muy rpidamente el agua refrigerada hacia los pozos de extraccin

- La calidad y tecnologa de los materiales de bombeo que limitan tanto el caudal a inyectar, como la

altura de carga

Estas consideraciones conducen a definir para una situacin dada, un caudal maximal que viene a

ser del orden de 150 180 m3/hora

I.7.- IMPACTO AMBIENTAL

No hay forma de producir y transformar la energa a otras formas que sea utilizable por el hombre

sin ocasionar algn impacto directo o indirecto sobre el ambiente. La explotacin de la energa geotrmi-

ca tambin tiene un impacto sobre el ambiente, pero sin duda es una de las formas de energa menos

contaminante.

Fuentes de contaminacin.- En la mayora de los casos el grado con que la explotacin geotrmica afecta el ambiente es proporcional a la magnitud de su explotacin.

La generacin de electricidad en plantas de ciclo binario afecta el ambiente en la misma forma que

los usos directos del calor. Los efectos se potencian en el caso de plantas elctricas convencionales de

contrapresin o de condensacin, especialmente respecto de la calidad del aire, pero se pueden mantener

dentro de limites aceptables.

Cualquier modificacin del medio ambiente se debe evaluar cuidadosamente, de acuerdo con las dis-

posiciones legales, (que en algunos pases son muy severas), pero tambin debido al hecho de que una

aparentemente modificacin insignificante podra provocar una cadena de sucesos cuyo impacto sera

difcil de evaluar y prevenir. Por ejemplo, un incremento de 2 3C en la temperatura de evacuacin del

agua de deshecho de una planta puede daar su ecosistema, de forma que las plantas y organismos ani-

males que son ms sensibles a las variaciones de temperaturas podran desaparecer.

El primer efecto perceptible sobre el ambiente es el de la perforacin, ya sea de pozos simples para

medir el gradiente geotrmico en la fase de estudio o de pozos de produccin. La instalacin de la maqui-

naria de sondeo y la plataforma de perforacin, requieren de una superficie de 300 500 m2 para una

Energa geotrmica.-I.17

pequea sonda montada en camin (profundidad mxima de 300 a 700 m), o de 1200 1500 m2 para

una sonda mediana (profundidad mxima de 2000 m). Estas operaciones modifican la morfologa super-

ficial de la zona y podran daar las plantas y la vida silvestre local.

Los reventones de los pozos pueden contaminar el agua superficial. Durante la perforacin o las

pruebas de flujo se pueden descargar a la atmsfera gases no deseados. Los impactos sobre el medio

ambiente causados por el sondeo terminan una vez que estos se completan.

La instalacin de las tuberas que transportarn los fluidos geotrmicas y la construccin de la plan-

ta de utilizacin, tambin afectan a las plantas y animales y a la morfologa del terreno. El paisaje se

modifica, aunque sto a veces tiene su atractivo, como en Larderello, en donde las redes de tuberas que

cruzan el paisaje y las torres de refrigeracin de las plantas elctricas, se han convertido en una parte

integral del panorama e incluso constituyen una atraccin turstica.

Otros problemas ambientales surgen durante el funcionamiento de la instalacin. Los fluidos geotr-

micas (vapor o agua caliente) normalmente contienen gases como dixido de carbono, sulfuro de hidr-

geno, amoniaco, metano y trazas de otros gases, y tambin determinados elementos qumicos disueltos

cuyas concentraciones aumentan con la temperatura, como cloruro de sodio, boro, arsnico y mercurio,

que si se descargan a la atmsfera son una fuente de contaminacin. Otros fluidos geotrmicas, como

por ejemplo los utilizados en calefaccin en Islandia, son aguas potables, pero esto es muy raro. Las

aguas de deshecho de las planas geotrmicas tienen tambin una mayor temperatura que la del am-

biente y por lo tanto constituyen una potencial contaminacin termal.

La contaminacin del aire puede ser un problema cuando se genera electricidad mediante plantas

elctricas convencionales, siendo el sulfuro de hidrgeno uno de los principales contaminantes. El um-

bral de olor para este gas en el aire es del orden de 5 partes por billn en volumen; concentraciones lige-

ramente superiores pueden causar ciertos efectos fisiolgicos leves, aunque se pueden adoptar varios

procesos para reducir las emisiones de este gas.

El dixido de carbono est tambin presente en los fluidos utilizados en las plantas geotermoelctri-

cas, en las que se descarga mucho menos C02 (entre 13 y 380 gramos/kW), que en las plantas alimen-

tadas por combustibles fsiles, (1042 g/kWh de las plantas de gas natural); las plantas de ciclo binario

para generacin elctrica y las de calefaccin urbana tambin pueden ocasionar algunos problemas,

que se anulan adoptando sistemas de circuito cerrado que evitan las emisiones gaseosas.

La descarga de aguas de deshecho es tambin una potencial fuente de contaminacin qumica; el

empleo de fluidos geotrmicas con altas concentraciones de constituyentes qumicos tales como boro,

flor o arsnico requiere que estos fluidos sean tratados y/o reinyectados en el yacimiento.

Los fluidos geotrmicos de baja y moderada temperatura utilizados en la mayora de las aplicaciones

de uso directo generalmente tienen bajos niveles de productos qumicos disueltos y la descarga de los

fluidos empleados es rara vez un problema mayor; algunos de estos fluidos a menudo se pueden descar-

gar a las aguas superficiales una vez enfriados. Las aguas se deben enfriar en piletas o estanques espe-

ciales de almacenamiento para evitar modificaciones en el ecosistema (ros, lagos, mar).

Tabla I.1. Potencial geotrmico mundial (International Geothermal Association, 2001)

Tipo de recurso ContinenteContinenteAlta temperatura (electricidad) Europa Asia frica Amrica N. Amr. latina Oceana Total

1830 2970 1220 1330 2800 1050 112003700 5900 2400 2700 5600 2100 22400

Baja temperatura, uso directo (MWt/ao) > 370 > 320 > 240 > 120 > 240 > 110 >1400

Tec. convencional en 106 MWe/ao

Tec. conv. y binaria en 106 MWe/ao

Energa geotrmica.-I.18

Tabla I.2. Pases con mayor potencial geotrmico para generacin de electricidad (2006)

Pas USA Filipinas Mxico Indonesia Italia Japn N. ZelandaPotencia instalada MWe 2564 1930 953 797 791 535 435Produc. elctrica GWh/ao 17917 9 253 6282 6 085 5340 3467 2774

Pas Islandia Costa Rica El Salvador Kenya pases TotalPotencia instalada MWe 202 163 151 129 283 8933Produc. elctrica GWh/ao 1406 1145 967 1088 1062 56786

La extraccin de grandes cantidades de fluidos de un yacimiento geotrmico puede ocasionar un gra-

dual hundimiento del terreno, fenmeno que es irreversible pero no catastrfico, ya que es un proceso

lento que se distribuye sobre grandes reas, aunque en algunos aos este descenso podra alcanzar ni-

veles desde unos pocos centmetros hasta incluso metros y, por lo tanto, podra afectar a la estabilidad

de las construcciones geotrmicas y a algunas edificaciones; sto se puede evitar o reducir mediante la

reinyeccin de las aguas geotrmicas previamente utilizadas.

La eliminacin y/o reinyeccin de los fluidos geotrmicas puede provocar o aumentar la frecuencia

ssmica en ciertas zonas.

El ruido asociado al funcionamiento de las plantas geotrmicas puede ser un problema cuando se

trata de plantas geotermoelctricas; durante la fase de produccin, el vapor transportado a travs de

las tuberas y la ocasional descarga de vapor provocan ruido a niveles normalmente aceptables; en las

plantas elctricas la principal contaminacin acstica proviene de los ventiladores de las torres de refri-

geracin, de los inyectores de vapor y de las turbinas. En las aplicaciones directas del calor, el ruido ge-

nerado es normalmente despreciable.

La energa trmica almacenada en el subsuelo es enorme. Se ha estimado el potencial geotrmico de

cada continente en trminos de recursos de alta y baja temperatura como se presenta en la Tabla I.1 .

Figura I.14.- Esquemas de un sistema de roca seca caliente a escala comercial.

Energa geotrmica.-I.19

II.- ENERGA GEOTRMICAhttp:--libros.redsauce.net-

II.1.- UTILIZACIN DE LA ENERGA GEOTRMICA

Para decidir si un yacimiento geotrmico es rentable hay que analizar lo siguiente:

- La profundidad y espesor del acufero

- La calidad del fluido, el caudal y la temperatura

- La permeabilidad y porosidad de las rocas

- La conductividad trmica y capacidad calorfica del acufero y de las rocas circundantes

La explotacin del yacimiento se realiza mediante sondeos similares a los de la industria petrolfera.

El caudal del fluido tiene que ser constante, para lo cual es conveniente reinyectar el fluido extrado des-

pus de haberlo utilizado.

Los fluidos geotrmicos suelen presentar problemas de corrosin debido a la agresividad de las

aguas y a la presencia de sales disueltas, lo que implica el tener que utilizar materiales resistentes a la

corrosin y-o tratar el fluido geotrmico.

YACIMIENTOS DE ALTA ENTALPA.- El agua que se encuentra a ms de 150C, se dice que es de calidad elctrica (alta entalpa); para las fuentes que tienen una temperatura superior a este

lmite inferior, se usan dos tecnologas diferentes para producir energa elctrica con potencias mnimas

de 1 2 MW, como son los sistemas de conversin directa y los sistemas de expansin sbita

(evaporacin flash). Su coste por kW-hora viene a ser del orden del 50% al 65% del obtenido en una cen-

tral trmica clsica.

a) Sistemas de conversin directa (direct-steam).- Se utilizan para generar electricidad en ya-cimientos de vapor, siendo el ms eficiente de todos, Figs II.1, en las que se presentan esquemas simpli-

ficados de este tipo de plantas; el vapor puede ser hmedo o seco, y lleva una cierta cantidad de gases no

condensables de composicin y concentracin variable.

El vapor se conduce desde varios pozos, a travs de una tubera, a la sala de mquinas donde se uti-liza directamente en las turbinas. Entre la boca del yacimiento y la planta generadora se instalan sepa-

radores centrfugos situados cerca del yacimiento para remover las partculas de polvo y otros slidos

como trozos de roca. A lo largo de la tubera se instalan puntos de drenaje para remover el condensado

Energa geotrmica.- II.21

procedente del vapor que se forma durante la transmisin, y as remover la humedad a la entrada de la

sala de mquinas.

En el vapor geotrmico se encuentran gases no condensables, (2 10)%, lo cual hace que sea nece-

sario un sistema de extraccin de gases. En unos casos se utilizan eyectores de dos etapas, con conden-

sadores tanto dentro como al final de los mismos, y en otros es necesario colocar bombas de vaco o tur-

bocompresores.

Fig II.1a.b. Procesos de conversin directa de vapor hmedo y seco

Se pueden utilizar condensadores de superficie y de contacto directo (mezcla); el de superficie se pre-

fiere siempre que el vapor que porte gases no condensables se deba tratar o procesar antes de descar-

garlo a la atmsfera, por ejemplo, cuando existe la posibilidad de que el cido sulfdrico exceda de un de-

terminado lmite; en esta situacin se puede instalar una planta qumica para procesar dicho compo-

nente, situacin que no procede para una planta geotrmica pequea.

El condensado no recircula a una caldera, tal como sucede en una planta de generacin convencio-

nal, sino que se lleva a la torre de enfriamiento, de forma que el el exceso de condensado del orden de un

(10 20)% en peso del vapor, se reinyecta al yacimiento. Energa geotrmica.- II.22

A largo plazo, la produccin podra agotar las reservas por lo que se estn explorando tcnicas para

aumentar la cantidad de fluido reinyectado. El uso de condensadores de aire permitira reinyectar el

100% pero hasta ahora han sido antieconmicos.

Las torres de enfriamiento de tiro forzado, ya sean de flujo continuo o cruzado son las ms utilizadas

para sistemas de enfriamiento hmedo; sin embargo, en otras plantas se utilizan torres de tiro natural.

En la actualidad las plantas tienen unos rangos de 20 60 MW por unidad, y tienen un diseo modu-

lar para su rpida instalacin, que permite su adaptacin a un amplio rango de condiciones del vapor.

b) Sistemas de expansin sbita evaporacin flash.- Los yacimientos de vapor seco, son poco frecuentes. Los mas conocidos son aquellos donde predomina la fase lquida. En los pozos artesianos, el

fluido extrado es una mezcla de dos fases, lquido y vapor. La calidad o ttulo de la mezcla es funcin de

las condiciones del fluido en el yacimiento, las dimensiones del pozo, y la presin en la cabeza del mismo,

que se controla mediante una vlvula. A pesar de que algunas mquinas experimentales han generado

energa impulsadas por un fluido que cuenta con las dos fases (lquido y vapor), lo normal es separar las

fases, utilizando el vapor para impulsar la turbina.

La presin en la cabeza del pozo es baja, del orden de 0,5 1 MPa; las fases lquida y gaseosa difieren

significativamente en su densidad

lqgas

= 175350 por lo que se puede efectuar su separacin median-

te separadores centrfugos produciendo vapor con un ttulo del orden del 99,99%.

El lquido proveniente del separador se puede reinyectar, una vez se ha utilizado para aprovechar

su energa trmica por medio de intercambiadores de calor en gran variedad de aplicaciones directas, o

en aplicaciones a baja presin.

Las plantas que utilizan vapor a alta presin para generar energa se conocen como single flash o

flash de una etapa, y las que usan el vapor a alta y a baja presin se denominan double flash o flash de

dos etapas.

Plantas tipo single-flash.- Si el agua geotrmica est a ms de 210C y se expansiona brusca-mente en una etapa de evaporacin flash, parte de la misma se vaporiza instantneamente, de forma

que mediante un separador de vapor, ste se lleva a la turbina y el agua restante se reinyecta en el

acufero, Fig II.2.

El fluido en dos fases proveniente del pozo se mueve en el separador ciclnico, de forma que el lquido

tiende a fluir circularmente por las paredes, mientras que el vapor sube y es recogido en un tubo verti-

cal; el diseo es simple, ya que no tiene partes mviles, y se conoce como separador de salida en el fondo.

En ocasiones, para mejorar la separacin de las dos fases, se utilizan bafles junto con una vlvula

de bola que proporciona seguridad ante la presencia de impurezas del lquido que pueden entrar en la l-

nea de vapor y llegar a la turbina.

Las lneas de transmisin de vapor son del mismo tipo que las usadas en las plantas de vapor seco,

siendo el balance de las plantas prcticamente idntico.

La diferencia principal radica en la cantidad de lquido a manejar; comparando plantas de 55 MW,

una tipo single-flash produce cerca de 630 kg-seg de liquido, mientras que otra tipo direct-steam produce

20 kg-seg, es decir, estn en una relacin de 30-1; si todo este lquido se reinyecta, la planta single-flash

podra devolver al yacimiento cerca del 85% del agua condensada, en comparacin con el 15% de la

planta tipo direct-steam.

Plantas tipo double-flash.- El rendimiento aumenta si se aade una segunda etapa de vaporiza-cin mediante la cual vaporiza parte del lquido que abandona la primera etapa, Fig II.3. Esta etapa au-

Energa geotrmica.- II.23

menta el rendimiento en ms de un 35% respecto a la primera. Una tercera etapa no sera rentable, ya

que producira slo un aumento del rendimiento no superior al 5%. En estas plantas generadoras de eva-

poracin por expansin directa (flash), el condensado de la turbina pasa por una torre de refrigeracin

por evaporacin y luego se introduce en el condensador, segn un ciclo Rankine convencional.

Mediante esta tecnologa se puede obtener entre un 20% 25% de potencia adicional a partir del

mismo fluido geotrmico. El vapor de baja presin producido al laminar el liquido a baja presin se enva

a una turbina de baja presin a una etapa adecuada de la turbina principal (en el caso de una turbina

de admisin dual). Los principios operativos de este tipo de planta son similares a los de la planta tipo

single-flash, aunque es mucho mas costosa debido a que requiere mayor equipamiento.

Fig II.2a.b.- Proceso de expansin sbita (1 etapa de flash) con condensador de mezcla, sin y con elementos auxiliares

Energa geotrmica.- II.24

Fig II.3. Proceso de expansin sbita (2 etapas de flash)

Yacimientos de media entalpa (Ciclos binarios).- Cuando la temperatura del fluido sea menor de 210C, la diferencia de temperatura disponible entre la entrada y la salida de la turbina es demasiado

pequea para que el mtodo anterior resulte econmico; en estos casos de temperaturas moderadas se

utiliza un ciclo binario, de forma que en el sistema de conversin de energa participan, mediante un in-

tercambiador de calor, dos fluidos, uno responsable del ciclo de generacin de energa, mientras que el

otro acta como fuente trmica.

En las plantas de ciclo binario, la energa trmica del fluido geotrmico se transfiere por medio de un

intercambiador de calor a un fluido de trabajo secundario para su uso en un ciclo convencional; el geo-

fluido no est en contacto con las partes mviles de la planta, minimizando los efectos de la erosin.

Las plantas binarias pueden manejar geofluidos a baja temperatura (menos de 150C), con alto

contenido de gases disueltos y corrosivos.

El ciclo consta en precalentador, evaporador, vlvulas de control, turbina, alternador, condensador y

bomba de alimentacin.

El agua y el aire se pueden usar para la refrigeracin, dependiendo de las condiciones del lugar. Si se

usa refrigeracin hmeda se debe disponer de agua de reposicin; debido a las impurezas qumicas de la

salmuera residual, en general no es adecuada para su utilizacin en torres de enfriamiento.

Existe un amplio campo de fluidos de trabajo para el ciclo de potencia; su seleccin se efecta en

base a lograr el mejor aprovechamiento termodinmico a partir de las caractersticas del geofluido, en

especial su temperatura. Los ciclos binarios se disean para utilizar como fluido secundario que recorre

un ciclo Rankine, un hidrocarburo de peso molecular bajo (de 3 6 tomos de carbono) o un hidrocarburo

fluorado, siendo el isobutano, isopentano y propano apropiados para su empleo como fluidos de trabajo,

al igual que ciertos refrigerantes; el fluido de trabajo ptimo ser el que proporcione una mayor eficiencia

y condiciones de operacin seguras y econmicas.

Las plantas de flujos binarios son particularmente adecuadas para conformar mdulos de 1 MW por

unidad, para su rpida instalacin. El diseo de este tipo de plantas permite que se puedan interconec-

tar varias en el lugar del yacimiento y ajustarse al potencial del recurso geotrmico.

Si como fluido de trabajo se utiliza una mezcla tipo (isobutano e isopentano) (agua y amoniaco), el

proceso de evaporacin y condensacin puede ocurrir a una temperatura variable, caracterstica que

Energa geotrmica.- II.25

permite aumentar la compatibilidad entre la salmuera y el fluido de trabajo (evaporacin) y el agua de

refrigeracin y el fluido de trabajo (condensacin), generando una alta eficiencia en el intercambiador de

calor y un pequeo aumento de la misma en todo la instalacin.

Fig II.4a.b. Sistemas de flujo binario sin precalentador

Si la cmara de escape lleva una cantidad importante de vapor sobrecalentado, el calor recuperado

se puede utilizar para precalentar el fluido de trabajo; en base a estas caractersticas se desarroll la

planta Kalina, Fig II.5.

Una planta de demostracin, en California, utiliza agua geopresurizada de baja salinidad a 180C, y

genera 45 MW de electricidad. Mediante un ciclo binario, el agua geotrmica, fluido primario, transfiere

energa trmica a travs de un intercambiador de calor de superficie a un fluido motor (fluido secunda-

rio), que se evapora a una cierta presin, a temperatura mucho ms baja que la del agua geotrmica

primaria. Ambos fluidos recorren circuitos cerrados independientes:

El fluido evaporado pasa por una turbina que acciona un generador elctrico y despus a un conden-

sador cerrando su ciclo mediante un sistema de bombeo que le lleva al intercambiador-evaporador

Energa geotrmica.- II.26

Fig II.5.- Sistema de planta binaria tipo Kalina

Fig II.6. Ciclo binario (Vapor geotrmico-Hidrocarburo)

El agua geotrmica que sale del intercambiador se reinyecta en el acufero mediante pozos inyecto-

res a 70C aproximadamente.

Es importante hacer notar que para generar la misma cantidad de energa mediante un ciclo de eva-

poracin flash directo, el ciclo binario necesita slo alrededor de 2-3 partes del flujo de agua geotrmica.

Algunos problemas tcnicos que se suelen presentar en el diseo de los ciclos geotrmicos binarios

son:

- El dimensionamiento de las turbinas para trabajar con hidrocarburos

- Las incrustaciones y la corrosin, especialmente relacionadas con la operacin del intercambio de ca-Energa geotrmica.- II.27

lor, por cuanto el fluido geotrmico suele llevar un alto contenido en sales.

- El proceso de disipacin de calor, ya que la eficiencia trmica de las plantas geotrmicas es baja, y

hay que eliminar una mayor fraccin de la energa entrante que en el caso de las plantas de potencia co-

munes, que usan combustibles fsiles.

Ventajas:

a) Menos problemas de incrustaciones , corrosin y desgaste por erosinb ) Se puede elegir un fluido de mejores caracter sticas termodinmicas que el agua

Inconvenientes:

a) Los fluidos secundarios son caros, y pueden ser txicos y/o inflamablesb) Dan lugar a instalaciones ms complejas y caras

Sistemas de proceso de flujo total.- Estn basados en tecnologas an no desarrolladas total-mente; se inyectan las dos fases del fluido geotrmico a una turbina especialmente diseada al efecto.

Tienen un mayor rendimiento, pero presentan problemas debidos a las incrustaciones y a los gases no

condensables que el fluido geotrmico lleva disueltos.

Fig II.7. Sistema de proceso de flujo total

Plantas hbridas.- Los fluidos geotrmicos tienen un amplio rango de propiedades fsicas tales como temperatura, presin, presencia de gases no condensables, slidos disueltos, pH, potencial de co-

rrosin, etc; en consecuencia existen una gran variedad de sistemas de conversin de energa que se han

ido desarrollando para adaptarse a estas condiciones particulares.

Los sistemas descritos anteriormente se pueden combinar para lograr sistemas ms efectivos,

dando lugar a diversos tipos de plantas hbridas:

- Plantas direct-steam-Binary

- Plantas single flash-Binary

- Planta integrada single y doble flash

- Sistema hbrido geotermia y fsil

Rendimiento.- A lo largo del siglo XX, las tcnicas que se han ido introduciendo para mejorar el ren-dimiento de las instalaciones, han evolucionado en las siguientes fases:

- Corrosin de los labes de las turbinas, lo que implic una mejora en la calidad de los materiales

utilizados en su construccin, observndose que este fenmeno de corrosin iba asociado directamente a la

excesiva velocidad que alcanzaban estas mquinas en determinadas circunstancias.

- Para hacer funcionar las mquinas trmicas se comenzaron a utilizar intercambiadores de calor,

con el fluido geotrmico en el circuito primario, y utilizando agua pura en el circuito secundario; posterior-

mente se volvi a la utilizacin directa del vapor geotrmico natural en las turbinas, lo que oblig a mejo-

rar la calidad de los materiales de los labes de las turbinas. Energa geotrmica.- II.28

- Se introdujo el condensador, pero en algunas instalaciones se ha prescindido de l, compensando su

costo con una ligera prdida en el rendimiento.

Para evaluar el funcionamiento de los sistemas de energa en plantas energticas convencionales se

utiliza el Segundo Principio de la Termodinmica, que hace uso de los conceptos de trabajo y energa dis-

ponible. Como las plantas geotrmicas no operan con un solo ciclo, sino con una serie de procesos, la efi-

ciencia del ciclo trmico utilizado en plantas convencionales no se aplica, salvo en el caso de las plantas

binarias, aunque slo sirve para evaluar el ciclo cerrado recorrido por el fluido de trabajo, pero no para la

operacin global en la cual se tenga en cuenta el geofluido, desde los pozos de produccin hasta la salida

de la planta .

Las especificaciones principales de las plantas de generacin del tipo direct-steam, single y double

flash vienen dados en la Tabla II.1 y en la Tabla II.2 se presentan datos similares para pequeas plan-

tas binarias; se observa un incremento del consumo especfico del geofluido cuando se comparan plan-

tas binarias con las tipo steam, particularmente las de tipo direct steam. Se puede observar que las

plantas tipo directo operan con unas eficiencias del orden del 50 70%.

Tabla II.1 Condiciones de Diseo para Seleccionar Plantas Geotrmicas de Vapor

Localizacin de la planta Larderello, Italia Guanacaste, Costa Rica Beowawe, NevadaAo de inicio 1992 1994 1985Tipo Direct steam Double flash Double flashPotencia, MW 57 55 16,7Salida de potencia, MW 52,2 52 16Caudal geotrmico, kg-s 111,1 759,5 157,5Temperatura salida pozos 204C 230C 215CPresin entrada turbina, kPa 550,3 600 421,4Temperatura entrada turbina, C 205C 159C 146CGasto vapor turbina, kg-seg 111,1 114 22,3Velocidad, rpm 3000 3600 3600Calor eliminado en el condensador 245 MWt 243 MWt 72 MWtAgua de refrigeracin, kg-seg 2785 4234 1474

Tabla II.2.- Condiciones de Diseo para Algunas Plantas Geotrmicas Binarias

Localizacin Heber, CA Mammoth, CA Wendel, CAAo de inicio 1993 1985 1988N de unidades 12 2 2Potencia, MW 40 10 2Potencia de salida, MW-net 32 7 1,6Potencia neta-unidad, MW 2,7 3,5 0,8Gasto geotermico, kg-s 999 220,5 205,1Temperatura del yacimiento 168C 169C 103CFluido de trabajo isopentano C5H12 isobutano C4H10 R-114, C2Cl2F4Evaporador (n de unidades) 2 6 1Calor requerido, MWt 413,2 86,75 28,72

La influencia de la temperatura del yacimiento geotrmico y la capacidad de la planta sobre los cos-

tos en plantas binarias de pequeo tamao se presentan de manera resumida en la Tabla II.2. El costo

del capital por kW vara inversamente con la temperatura y la potencia; los costes de operacin y man-

tenimiento anuales aumentan con la potencia y son independientes de la temperatura del fluido en el

campo de estudio; estos costes son favorables cuando se comparan con otras energas renovables y es

totalmente ventajosa en lugares donde se genera electricidad por medio de plantas Diesel. Energa geotrmica.- II.29

Factores econmicos de las plantas geotrmicas.- La energa del fluido geotrmico se encuentra disponible, generalmente, a una temperatura ms baja que en los dispositivos de calentamiento tradi-

cionales. La geotermia se caracteriza por unos gastos de inversin iniciales elevados, al contrario que en

los sistemas de calentamiento clsicos, y por unos costos de funcionamiento y mantenimiento ms eco-

nmicos. El reto que se plantea consiste en comparar el coste de la solucin clsica menos cara, con so-

luciones geotrmicas tcnicamente posibles.

Los costes asociados a la construccin y operacin de una planta geotrmica dependen de los si-

guientes factores:

- Tipo de recurso (vapor o agua caliente)

- Temperatura del recurso

- Productividad del yacimiento

- Tamao de la planta (caudal)

- Tipo de planta (single flash, binario...)

- Reglamentacin ambiental, costes de inversin y mano de obra

Los tres primeros factores son un indicativo del nmero de pozos que es necesario perforar para so-

portar la capacidad de la planta; utilizando costes tpicos y potencial de generacin, de los yacimientos,

un pozo puede llegar a costar entre 200 700 Euros-kW.

Los tres factores siguientes determinan el coste del capital del sistema de conversin de energa.

El ltimo afecta al coste de funcionamiento de la planta

Tabla II.3.- Costes de inversin y mantenimiento para plantas geotrmicas binarias de pequea capacidad de generacin

Temperatura del yacimiento Temperatura del yacimiento Temperatura del yacimiento Costes operacin Potencia neta, kW 100C 120C 140C y mantenimiento

Coste del capital en Euros-kW Coste del capital en Euros-kW Coste del capital en Euros-kW anuales100 3300 2900 2620 25.000200 3050 2650 2420 32.000500 2800 2430 2220 39.500

1000 2535 2200 2010 57.200

Indicadores de rendimiento para plantas geotrmicas.- Existen tres indicadores adimensio-nales que describen el rendimiento de una planta geotrmica:

Factor de capacidad (%) =

MW generados en el perodoCapacidad instalada ( MWe ) x Perodo ( horas ) x 100

Factor de carga (%) =

MW generados en el perodoCarga mxima ( MWe ) x Perodo ( horas ) x 100

Factor de disponibilidad (%) =

N de horas de funcionamiento de la planta durante el perodoDuracin total del perodo ( horas ) x 100

El factor de disponibilidad (%) se divide en dos categoras:

- Parada programada, en la que a la planta se le ha programado un mantenimiento con al menos dos semanas de anticipacin

- Parada forzada, en la que la planta queda fuera de servicio inmediatamente o antes de la siguiente

parada programada

La capacidad y el factor de carga son necesarios para describir el rendimiento global de la planta Energa geotrmica.- II.30

Tabla II.4.- Datos tpicos de 3 plantas de generacin de 60 MW y 20 MW en Italia y de 50 MW en Japn

60 MW (Ao 1999) 20 MW (Ao 1999) 50 MW (Ao 1998)Carga mxima 55 MW 17 MW 48,3 MWElectricidad producida al ao 462.845 MWh 142.248 MWh 361.650 MW hHoras de operacin de la planta 8748 h-ao 8483 h-ao 8112 h-aoFactor de capacidad 88,10% 81,20% 82,60%Factor de carga 96,10% 95,50% 85,50%Factor de disponibilidad 99,90% 96,80% 92,60%

II.2.- YACIMIENTOS DE BAJA ENTALPA , (USO DIRECTO)

No se utilizan para generacin de electricidad, por ser su temperatura inferior a 85C, sino para sis-temas en los que el calor generado, a partir del agua caliente geotrmica, se emplea en:

- Calefaccin urbana (locales destinados a viviendas y locales industriales) y produccin de agua ca-

liente sanitaria

- Como aporte complementario a determinados procesos industriales

- Para calefaccin agrcola (invernaderos)

- Para sistemas de refrigeracin por absorcin como fuente de calor

Tabla II.5.- Usos directos de la geotermia

Temperatura Utilizacin180C Evaporacin de soluciones altamente concentradas.

Refrigeracin por absorcin de amonaco, digestin de pasta papelera Agua pesada mediante un proceso con sulfuro de hidrgeno.

160C Secado de alimento para pescado, secado de madera Almina mediante el proceso BayerSecado de productos agrcolas a altas velocidades, enlatado de alimentos

120C Extraccin de sales por evaporacin, evaporacin en el refino del azcar Agua dulce por destilacin Concentracin de solucin salina mediante evaporacin de efecto mltiple Secado de planchas de hormign ligero

100C Secado de materiales orgnicos, algas, hierba, hortalizas, etcLavado y secado de lana Descongelacin

80C Calefaccin ambientalRefrigeracin

60C ZootecniaInvernaderos mediante una combinacin de calefaccin ambiental y de foco. Cultivo de setas.

40C Calentamiento de suelos, balnearios, piscinas, biodegradacin, fermentacionesAgua caliente para la industria minera durante todo el ao en climas fros. Descongelacin

20C Piscifactoras

En la mayora de los proyectos de uso directo se utiliza un equipo estndar que depende de la natu-

raleza del agua geotrmica y del vapor. Otros factores importantes a tener en cuenta son la temperatu-

ra del agua y la corrosin e incrustaciones causadas por la qumica de los fluidos geotrmicos, que pue-

den conducir a problemas en el funcionamiento de los componentes del equipo expuestos al flujo de agua

y al vapor.

Los componentes primarios de muchos sistemas de uso directo de baja temperatura son bombas de

circulacin, lneas de transmisin y distribucin y otros equipos de extraccin de calor. Energa geotrmica.- II.31

Bombas de circulacin.- En pozos artesianos no se precisan bombas; de no ser as, se requieren bombas que se instalan en el fondo del pozo para elevar el fluido a la superficie, y para prevenir la libe-

racin de gases y formacin de incrustaciones; los tipos ms comunes son bombas centrfugas y bom-

bas electrosumergidas.

Las centrfugas son multietapa, en serie, instaladas en el fondo del pozo pero con el motor en la su-

perficie, de forma que el eje de rotacin va protegido con una columna de lubricacin centrada en el tubo

de produccin, lo que permite lubricar los cojinetes con aceite, ya que el agua caliente no proporciona

una adecuada lubricacin.

Las electrosumergidas son tambin bombas centrifugas multietapa instaladas en el fondo del pozo,

junto con el motor que va sellado e impermeabilizado.

Ambos tipos de bombas se han utilizado durante muchos aos para el bombeo de agua fra y ms

recientemente en pozos geotrmicos; hay que tener en cuenta la expansin trmica de algunos compo-

nentes y la lubricacin de los cojinetes. Se prefiere utilizar bombas centrfugas en lugar de las electrosu-

mergidas en aplicaciones geotrmicas convencionales, principalmente por su menor costo. Sin embargo,

para profundidades que excedan los 250 m se requiere de bombas electrosumergidas.

Lneas de transmisin y distribucin.- El fluido en las lneas de transmisin de uso directo pue-de ser agua lquida, vapor de agua o una mezcla de ambos. Las tuberas llevan los fluidos desde la cabe-

za del pozo hasta el lugar de aplicacin, o a un separador agua-vapor.

La expansin trmica de las tuberas calentadas rpidamente desde la temperatura ambiente has-

ta la del fluido geotrmico (50C 200C), causa tensiones que tienen que ser tratadas cuidadosamente.

El costo de las lneas de transmisin y de los canales de distribucin en sistemas de uso directo,

cuando los recursos geotrmicos se localizan a gran distancia del principal centro de consumo, es signifi-

cativo.

El acero es el material ms ampliamente utilizado para lneas de transmisin geotrmica y canales

de distribucin, especialmente si la temperatura del fluido est por encima de 100C. Otros tipos de ma-

teriales para tuberas son la fibra de vidrio reforzada con plstico y el cemento de asbesto que no se

puede utilizar en muchos lugares.

Temperatura del suelo

km

Distancia de transmisin en (km)

0,5 m/seg

0,5 m/seg

0,5 m/seg

1,5 m/seg

1,5 m/seg 1,5 m/seg

15 30 45 60 75 millasDistancia de transmisin en (millas)

Fig II.8.- Prdidas de calor en las tuberas

Energa geotrmica.- II.32

Las tuberas de cloruro de polivinilo (PVC) se utilizan frecuentemente para los canales de distribu-

cin, y lneas de residuos no aisladas en las que la temperatura del pozo est por debajo de 100C. Las

tuberas convencionales de acero requieren juntas de expansin cada 100 m. Las tuberas, en cada tra-

mo, se deben colocar sobre rodillos o en placas deslizadoras.

Cuando las tuberas de agua caliente se entierran, pueden estar sujetas a la corrosin externa del

agua subterrnea y electrlisis

En condiciones de flujo estandar, las caidas de temperatura se presentan en la Fig II.8. En tuberas

aisladas estn en el rango de (0,1 1)C-km, y en lneas no aisladas, las prdidas estn entre (2 5) C-

km para un gasto de 5 15 l-seg en tuberas de 15 cm.

Intercambiadores de Calor.- Los principales intercambiadores de calor utilizados en sistemas geotrmicos son de placas, tubulares y de fondo de pozo.

El intercambiador de placas consiste en una serie de placas aseguradas a una estructura con vari-llas de sujecin, Fig II.9. El caudal y la alta turbulencia alcanzada en estos intercambiadores proporcio-

nan un intercambio trmico eficiente en un volumen pequeo; adems ocupan menos espacio que los

tubulares, se pueden ampliar fcilmente cuando aumenta la carga trmica, y su coste es del orden de

un 40% menos.

Fig II.9.- Intercambiador de calor de placas tubulares

Fig II.10.- Intercambiador de calor de fondo de pozo

Energa geotrmica.- II.33

Las placas estn construidas normalmente de acero inoxidable, aunque cuando los fluidos son corro-

sivos se utiliza titanio. Los intercambiadores de calor de placa los mas utilizados en procesos geotrmi-

cos, mientras que los tubulares tienen problemas con las incrustaciones.

Los intercambiadores de calor de fondo de pozo toman el calor en el yacimiento, Fig II.10; su uso

est limitado a pequeas cargas trmicas como las de calefaccin de casas individuales, apartamentos

o edificios. El intercambiador consta de un conjunto de tubos suspendidos en el pozo a travs de los cua-

les el agua secundaria circula por conveccin natural. Con el fin de obtener la mxima salida, el pozo se

disea para tener un espacio abierto (anillo) entre la pared del pozo y la tubera de revestimiento, y las

perforaciones encima y debajo de la superficie del intercambiador de calor.

El agua circula en el revestimiento por conveccin natural, desde las perforaciones ms bajas, sobre

el anillo y por detrs de la pared del revestimiento, hacia las perforaciones ms altas.

Refrigeracin.- Los sistemas de refrigeracin por absorcin pueden ser con bromuro de litio y con amonaco; utilizan agua como refrigerante, lo que les permite refrigerar sobre el punto de congelacin del

agua; su principal aplicacin es el suministro de agua fra para espacios y procesos de refrigeracin.

Pueden ser unidades de una o dos etapas, requiriendo stas ltimas temperaturas ms altas del or-

den de 160C, pero tienen alta eficiencia. Las unidades de una etapa funcionan con agua caliente a tem-

peraturas del orden de 77C; contra ms baja sea la temperatura del agua geotrmica, se requiere un

caudal ms alto y se tiene menor eficiencia; en general requieren de torre de refrigeracin.

Entrada Entrada Salida Salida Agua refrigerante Condensador

Agua geotrmica Generador

Amonaco lquido Solucin Agua-Amonaco

Vlvula de expansin

Evaporador

Espacio refrigerado

Vapor de amonaco

AbsorcinAgua refrigerante Entrada Salida

Bomba

Fig II.11.- Ciclo de refrigeracin de absorcin con alimentacin geotrmica, amonaco

Para la refrigeracin por debajo del punto de congelamiento del agua, se considera el sistema de ab-

sorcin con amonaco; estos sistemas se aplican para mayores capacidades y su uso se ha visto limita-

do. Para la temperatura de refrigeracin ms baja, la temperatura de trabajo debe estar por encima de

120C para obtener un rendimiento razonable.

Calefaccin.- Si limitamos la utilizacin de la geotermia al calentamiento de casas y locales, (calefaccin urbana), la potencia maximal necesaria para ello es:

N = h* V ( Ti - Te )en la que:

Energa geotrmica.- II.34

Fig II.12.- Ciclo de refrigerador de absorcin con alimentacin geotrmica, (Br-Li)

N viene expresada en Kcal-hora h* es un coeficiente de prdida de calor por unidad de volumen en Kcal-h.m3C

V es el volumen interior del local en m3

Ti es la temperatura interior a mantener, del orden de 20C, y Te es la temperatura exterior del medio

ambiente en C, variable en funcin del tiempo

En la determinacin de la potencia maximal no se tienen en cuenta otros aportes de energa, como

la insolacin, alumbrado, agua caliente, dispositivos economizadores, calor desprendido por las perso-

nas, etc.

El calor a generar a lo largo del periodo de calentamiento es: Q = h* V (Ti - Te ) dt - A

Conviene mantener, por norma general, una temperatura interior Ti* corregida, Ti

* < Ti , para tener

en cuenta los aportes gratuitos; en este caso se puede poner:

Q = h* V (Ti* - Te ) dt

Convectores.- El calentamiento de edificios y casas se alcanza pasando agua geotrmica (o un flui-do de calentamiento secundario) a travs de convectores de calentamiento (radiadores) localizados en

cada habitacin. El mtodo es similar al utilizado en sistemas convencionales de calentamiento de es-

pacios, como:

- Aire forzado

- Flujo de aire natural utilizando agua caliente y radiadores tubulares de aletas

- Paneles radiantes

Calefaccin con bomba de calor.- En algunos casos, los sistemas de calefaccin geotrmica pue-den utilizar bombas de calor, Fig II.16.

En la Fig II.17 se representa una curva de frecuencias acumuladas de temperaturas medias dia-

rias, que permite conocer el nmero de horas al ao que permanecen por debajo de una temperatura

prefijada; si el consumo de energa se divide por la potencia instalada, se obtiene el nmero de horas fic-

ticias de funcionamiento a plena carga, es decir, el nmero de horas de funcionamiento equivalente a ple-

na potencia, que no depende ms que de las caractersticas climticas del lugar.Energa geotrmica.- II.35

Fig II.13.- Aplicacin de la geotermia al procesado de alimentos, refrigeracin, viviendas, invernaderos y piscicultura

Fig II.14. Yacimiento de baja entalpa para calefaccin; red de calor urbana

Fig II.15. Yacimiento de baja entalpa para calefaccin, con varios pozos de extraccin

Energa geotrmica.- II.36

Fig II.16.- Instalacin de calentamiento geotrmico con bomba de calor

Fig II.17.- Curva de frecuencias acumuladas de temperaturas medias diarias

(Perodo Otoo-invierno)

Si por ejemplo, una regin tiene una temperatura media inferior a los 12C, el nmero de horas

anuales que va a estar por debajo de esa temperatura se obtiene de la Fig II.17 y sera del orden de

4700 horas. El nmero de horas de funcionamiento a plena potencia suele ser del orden del 45%, equiva-

lente a 2115 horas anuales. Si se admite en un momento determinado una temperatura exterior de -7C

y una carga trmica mxima de 6 Term-hora, (1 termia = 1000 Kcal), Tabla II.1, el consumo de energa

sera del orden de 6 x 2115 = 12690 Termias-ao.

Un calentamiento convencional a base de fuel precisara de una caldera de potencia 6000 Term-ho-

ra, y como el poder calorfico del fuel es de 10 Termias-kg, el consumo anual sera de 1260 Tm de fuel,

aproximadamente.

Si se sustituye el calentamiento de fuel por el calentamiento geotrmico, de forma que el agua geo-

trmica entre a 70C en el intercambiador y salga del mismo a 40C, cada m3 de agua generar del or-

den de 30 Termias, aproximadamente, por lo que para disponer de 6000 Term-hora seran precisos 200

m3-hora de agua geotrmica que habra que extraer del yacimiento geotrmico.

Tabla II.6.- Situaciones de consumo de agua

T (exterior en C) -7C -2C 11C

Consumo calorfico (Termias-hora) 6000 4000 2000

Caudal de agua geotrmica 200 133 67

Energa geotrmica.- II.37

Parmetros iniciales: a) Temperatura del agua geotrmica: 70Cb) Temperatura de retorno (fra) del fluido secundario para una potencia mxima: 40C

c) Potencia total de la instalacin: 10 kTerm-horaFig II.18.- Potencia de una fuente de calor geotrmico en funcin de la temperatura del fluido secundario

Parmetros iniciales: a) Periodo de calentamiento: Octubre-mayo; b) Temperatura del agua geotrmica: 70C;

c) Cada de temperatura en el intercambiador: 5C; d) Temperatura de retorno (secundaria) en rgimen punta: 40C La lnea horizontal indica el calor total generado en una instalacin de 8 kTerm-hora

Fig II.19.- Calor generado por un manantial geotrmico a 70C en una instalacin de dos perforaciones en funcin de la potencia total de la instalacin y del caudal de agua geotrmica.

Parmetros iniciales: Perodo de calentamiento Otoo-inviernoFig II.20.- Proporcin de energa generada por una fuente de calor geotrmica en funcin de la potencia total

Otros consumos de agua para otras situaciones, se indican en la Tabla II.6.

El calentamiento mixto, calor geotrmico-fuel, representa una solucin econmica mejor; un pozo de

extraccin standard con un caudal de 100 m3-hora, y una cada de temperatura en el intercambiador de

Energa geotrmica.- II.38

70C a 40C podra generar 3000 Term-hora; una caldera de fuel podra aportar otras 3000 Term-hora,

por lo que cuando se est a -7C, cada fuente energtica aportara la mitad de la energa necesaria; por

otro lado a medida que aumenta la temperatura del exterior, se podra ir prescindiendo del fuel.

II.3.- REALIZACIONES CLSICAS

LARDERELLO (Italia), fue la primera central geotrmica del mundo (1904), con una potencia de

500 MW, (3.1012 kW-ao)

HVERGERDI (Islandia), central construida en 1964 con una potencia de 15 MW

En Islandia, el 80% de la poblacin utiliza calefaccin geotrmica.

En California hay varias centrales que generan una potencia superior a los 2,6 GW.

En el resto del mundo existen instalaciones geotrmicas que generan una potencia de ms de 10

GW, Tabla II.7 y costes estimados decrecientes, como se indica en las grficas de las Fig II.21 y 22.

En Italia se produce el 92,6% de la energa geotrmica de la UE y en Francia el 5%.

A ttulo de ejemplo, y como colofn a este estudio, se presenta una instalacin geotrmica en la loca-

lidad de Metanpoli, en los alrededores de Miln, que aprovecha la energa del agua geotrmica extrada

de un pozo geotrmico para alimentar una red de calefaccin en una zona residencial, Fig II.23.

En su momento se efectuaron diferentes prospecciones y evaluaciones geoqumicas en la zona, que

mostraron la idoneidad del yacimiento para su explotacin, tanto en lo que respecta a la temperatura

del agua, como al caudal obtenido. Las pruebas pusieron de manifiesto algunas dificultades para la ci-

mentacin de los pozos de extraccin e inyeccin ya que el terreno estaba formado por capas con sedi-

mentos alternativos de arena, grava y arcilla.

Otros problemas estaban relacionados con la calidad del agua del yacimiento que presentaba un ele-

vado contenido en gas natural y sales disueltas, lo que motiv el desarrollo de tcnicas innovadoras en el

campo de la explotacin de pozos geotrmicos.

Tabla II.7.- Potencia geotrmica instalada (Ao 2000)

Pas Potencia (MW) N unidades MW-Unidad Tipo de plantaUSA 2850 203 14Filipinas 1850 64 28,9 1F, 2F, HMxico 743 26 28,6 1F, 2F, HItalia 742 DS, 2F, HIndonesia 590 15 39,3 DS, IFJapn 530 18 29,4 DS, 1F, 2FNueva Zelanda 364 1F, 2F, HCosta Rica 120 4 30 1FEl Salvador 105 5 21 1F, 2FNicaragua 70 2 35 1FIslandia 50,6 13 3,9 1F, 2F, HKenya 45 3 15 1FChina 29 13 2,2 1F, 2F, BTurqua 21 1 21 1FPortugal (Azores) 16 5 3,2 1F, HRusia 11 1 11 1FEtiopa 8,5 2 4,2 HFrancia (Guadalupe) 4 1 4 2FArgentina 0,7 1 0,7 BAustralia 0,4 1 0,4 BTailandia 0,3 1 0,3 B

Energa geotrmica.- II.39

Fig II.21.- Potencia geotrmica instalada

Fig II.22.- Costes estimados de la energa geotrmica

Con objeto de mantener el caudal y presin del acufero se practic un doblete geotrmico, para lo

que se perfor un pozo de extraccin vertical de 2.717 m de profundidad y otro de reinyeccin de 2.505

m; el pozo de reinyeccin se perfor desviado de la vertical, de forma que su cota inferior se encontrase a

una distancia horizontal de unos 1200 m. respecto de la base del pozo de extraccin.

El agua geotrmica se extrae con una bomba de 137 kW situada a una profundidad de 600 m, y se

conduce a un separador del que se obtiene gas natural y agua caliente

El gas que sale directamente del pozo se lleva a una planta de tratamiento. Posteriormente se mez-

cla y almacena con el extrado del agua geotrmica. En esta instalacin se modifican las condiciones de

presin del gas para reintroducirlo en la red local de suministro. Los principales parmetros de funciona-

miento de la instalacin, por lo que respecta a los dos fluidos, se recogen en la Tabla II.8.

Tanques de Glicol Filtros de gas

A la red de suministro de gas

Almacenamiento de gas

Separador

Planta de refrigeracin

Pozo de produccin

Filtros

Bombas de reinyeccin

Intercambiador de la red de calor

Pozo de reinyeccin

Circuito de gas

Circuito de agua

Fig II.23.- Red de calefaccin urbana atendida por energa geotrmica

Energa geotrmica.- II.40

El agua geotrmica despus de pasar por el separador, circula por un intercambiador de placas de

titanio (material utilizado para evitar la corrosin de sus elementos), cediendo calor a la red de calefac-

cin antes de proceder a su reinyeccin en el acufero.

La energa geotrmica obtenida representa el 40% de la potencia mxima requerida por la red trmi-

ca, 4,8 Gcal-h, y permite cubrir el 50% de la demanda de calefaccin. Si adems del agua caliente, se

considera la en