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Boletín IIETendencias tecnológicas
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El Instituto de Investigaciones Eléctricas y la Comi-sión Federal de Electricidad han realizado trabajo de Investigación y Desarrollo sobre bombas de calor operando con energía geotérmica y efluentes industriales. Los sistemas probados a la fecha incluyen sistemas de compresión mecánica y sistemas por absorción, así como transformadores térmicos.
Introducción
Hasta hace apenas 200 años, los únicos recursos energéticos disponibles para el hombre, además de sus músculos, eran los animales domésticos,
el fuego, el viento, el sol y las corrientes de agua. En el siglo XVIII, con la invención de la máquina de vapor fue posible mover las ruedas de una locomotora, las paletas de un barco o las máquinas de una fábrica. Asimismo, con la ayuda del vapor se lograron extraer minerales de la tierra, cultivar grandes extensiones y producir energía eléctrica, la cual cambió al mundo, ya que podía ser transportada a grandes distancias, permitía la iluminación de calles, centros de trabajo, viviendas, etc. Todo ello suscitó una enorme demanda de electricidad y, correlativamente, de combustibles para, por ejemplo, quemar y convertir agua en vapor, el cual serviría para mover turbinas y generadores en las plantas eléctricas, iniciándose así la “era de los combustibles fósiles”.
La energía geotérmica: una opción tecnológica y económicamente madura
Víctor M. Arellano Gómez, Eduardo Iglesias Rodríguez y Alfonso García Gutiérrez
A principios del siglo XX, el carbón ya había sustituido a la madera como el combustible más común, y rápidamente se le unieron el petróleo y el gas. Hoy en día, la humanidad usa la electricidad casi sin darse cuenta de su existencia, ilumina y calienta casas, preserva alimentos, da energía a fábricas, escuelas, negocios, hospitales, etc., dependiendo fuertemente de los combustibles fósiles para generar energía abundante y barata, ya que sin ella, la economía se desplomaría y nuestra forma de vida cambiaría de manera dramática.
El uso de la energía continúa creciendo en todo el mundo y se espera que su consumo se duplique en los próximos 50 años. No obstante, las reservas de combustibles fósiles son finitas: cuanto más se utilicen, más rápido se agotarán. Además, el consumo de estos combustibles tiene costos ocultos, como el impacto ambiental. En tiempos de paz, la producción y el consumo de energía causan más daño al medio ambiente que cualquier otra acti-vidad realizada por el hombre. Por ejemplo, un subproducto ubicuo de la generación de energía es el dióxido de carbono (CO2); este gas existe en forma natural en el aire, pero su concentración se ha incrementado signi-ficativamente a partir de la “Revolución Industrial”. Las moléculas de CO2
generan el efecto invernadero, atrapando calor en la atmósfera y causando el recalentamiento de la Tierra. Existen pocas dudas de que los humanos somos responsables del incremento de CO2 en la atmósfera, principalmente por el uso intensivo de los combustibles fósiles. Sofisticados modelos numéricos indican que este incremento podría causar condiciones atmos-féricas extremas, trastornos en la agricultura y el comercio, inundaciones en los terrenos más bajos y las áreas costeras, así como la propagación de enfermedades tropicales.
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El uso de combustibles fósiles también genera la lluvia ácida. Este fenómeno ha causado ingentes daños, tanto al ecosistema como a tesoros culturales. Ejemplos bien conocidos de esto son la deforestación sufrida en la Selva Negra al norte de Europa, y la erosión de edificios de incalculable valor histórico y cultural, como la Acró-polis en Grecia.
Por otra parte, los combustibles fósiles no se encuen-tran uniformemente distribuidos en el mundo. Es bien sabido que actualmente son ocho los países que cuentan con el 81% de las reservas de petróleo, seis los que acaparan el 70% de las reservas de gas natural y ocho los que tienen el 89% de todas las reservas de carbón (Sayigh, 1999). En contraparte, más de la mitad de los países de Asia, África y América Latina importan cuando menos la mitad de la energía que consumen. Muchos de estos países exportan materias primas y productos poco elaborados, que en general se venden a precios bajos, pero importan energía a precios altos. El problema se agrava aún más, si se toma en cuenta que estos países requieren incrementar constantemente su capacidad de generación eléctrica.
Definitivamente es conveniente reducir la depen-dencia que se tiene de los combustibles fósiles y esto es posible si se aprovechan más otros recursos ener-géticos, como la geotermia, el viento y la energía solar. Dichos recursos, además de ser endógenos, tienen la ventaja de producir mucho menos conta-minación que los combustibles fósiles, y de estas tres energías, la geotérmica es la de mayor madurez, tanto tecnológica como económicamente. Baste recordar que desde 1913 se ha estado generando electricidad comercialmente, en escala industrial, a partir de ésta (Fridleiffson et al, 2008). Esto es mucho más de lo que puede decirse del viento y de la energía solar.
En este artículo se examinan las contribuciones de la energía geotérmica para reducir la dependencia de los combustibles fósiles. También se examina lo que es la geotermia y se discuten los aspectos relacionados con el origen de los sistemas geotérmicos, los tipos de sistemas, los usos de esta energía y su aplicación en México.
¿Qué se entiende por geotermia?
En general, la palabra geotermia se refiere al calor natural existente en el interior de la Tierra. Este calor tiene dos fuentes: el colapso gravitatorio que formó la Tierra y el decaimiento radioactivo de varios isótopos en la corteza terrestre. La baja conductividad térmica de la corteza rocosa determina un tiempo de enfria-miento de miles de millones de años.
En la práctica se denomina geotermia al estudio y utili-zación de la energía térmica que, transportada a través de la roca y/o fluidos, se desplaza desde el interior de la corteza terrestre hacia los niveles superficiales de la misma, dando origen a los sistemas geotérmicos (OLADE/BID, 1994).
Aun y cuando la geotermia ha existido siempre, no fue sino hasta principios del siglo XX que empezó a utili-zarse de forma comercial, haciéndose notoria su exis-tencia hace apenas tres décadas, y con el incremento en el costo de los combustibles fósiles en la década de los setenta se le dio una importancia relevante, contri-buyendo en parte a solucionar los requerimientos de energía de algunos países. Actualmente, la energía geotérmica no se considera como una esperanza para
el futuro, más bien se le considera un recurso explotable económica y técnicamente, limpio, flexible, confiable y abundante, con una gran variedad de aplicaciones, entre las que se encuentran: generar electricidad, enfriar o calentar espacios habitables, producir diversas materias primas, balneología y turismo, invernaderos (agricultura, floricultura e hidroponía), criaderos de peces y mariscos, y procesos industriales y de manufac-tura (e.g. secado, concentración de soluciones).
La geotermia que se explota actualmente para generar electricidad, proviene del calor transportado por agua subterránea de alta temperatura. Ésta ha sido calentada por intrusiones magmáticas, relacionadas con zonas de contacto entre placas tectónicas. En estos lugares privilegiados, el gradiente geotérmico llega a ser varias veces mayor que el normal, cuyo promedio es de 33°C/km. Por ello, en estas zonas es posible encontrar agua a temperaturas de entre 200°C y 400°C, a profundidades de hasta 3 km, lo que permite la perforación econó-mica de pozos productores de fluido de alta entalpía, el cual es apropiado para la generación de electricidad a través de turbinas.
Origen de los sistemas geotérmicos
La Fig. 1 ilustra un corte esquemático de la Tierra, dividida en cinco esferas concéntricas, éstas son, desde afuera hacia adentro: la atmósfera (que a su vez se subdivide en varias capas), la corteza (que incluye los continentes y los océanos), el manto, el núcleo líquido y finalmente el núcleo sólido. Tanto la temperatura como la densidad se incrementan rápidamente con la profundidad. De este modo, tenemos un planeta muy caliente internamente, pero eficientemente aislado por una fina capa de baja conductividad térmica.
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La corteza es una suerte de cáscara rocosa, de espesor variable, que flota sobre el manto (ver las densidades en la Fig. 1); en los océanos su espesor es de aproxi-madamente 5 km de agua y 5 km de roca, pero en los continentes su espesor puede sobrepasar los 35 km en zonas montañosas. La frontera entre la corteza y el manto se denomina la discontinuidad de Mohorovicic o Moho. En dicha frontera se presenta un cambio súbito de la velocidad de las ondas sísmicas, que indica un cambio de composición material y de estado físico. Se cree que la temperatura del Moho es de aproximada-mente 600°C, ya que en el centro de la Tierra la tempe-ratura es de aproximadamente 5,000°C (GEO, 2005).
El manto actúa como un sólido en lo que se refiere a la transmisión de ondas sísmicas, pero se comporta como un líquido extremadamente viscoso bajo la influencia de altas temperatura y tensiones mecánicas a las que ha estado sometido por mucho tiempo. Las altas tempera-turas en la base del manto provocan extremadamente lentas corrientes convectivas en el mismo.
Figura 1. Esquema de las capas de la Tierra (Armstead, 1978).
Por lo mencionado en el párrafo anterior, el modelo estático representado en la Fig. 1 es sólo una simplificación conveniente. Las corrientes convec-tivas en el manto generan enormes tensiones en la corteza, las cuales la dividen en lo que se denomina placas tectónicas (seis grandes y unas pocas más pequeñas, Fig. 2). Como consecuencia de la convección del manto, las placas tectónicas se mueven unas con respecto a las otras, con veloci-dades de hasta algunos centímetros por año. En algunos lugares, como en la cordillera submarina llamada Dorsal del Océano Atlántico, las placas se están separando y se está creando nueva corteza. En otros lugares como la costa de Chile, las placas colisionan, lo que fuerza a una de ellas a desli-zarse por debajo de la otra con un cierto ángulo. La enorme fricción creada por el deslizamiento relativo de las placas genera intenso calor, que even-tualmente funde la porción más profunda de la placa subyacente. De esta forma, parte de la corteza vuelve al manto de donde provino originaria-mente. En la Fig. 3 se representan en forma aproximada dichos procesos. Una característica común entre ambos es la presencia de magma a profun-didades relativamente someras, así como la formación de volcanes, lo que genera gradientes térmicos anormalmente elevados. Por esta razón, los yacimientos geotérmicos de alta temperatura se encuentran típicamente en estas regiones, como se indica en la Fig. 2.
El calor requerido para la formación de un sistema geotérmico de alta temperatura es suministrado por una masa de magma, emplazada a rela-tivamente baja profundidad (7 km a 10 km), ya sea como una intrusión en proceso de enfriamiento o bien como una cámara magmática que ha alimentado un volcán o una caldera. El magma calienta por conducción las formaciones rocosas vecinas más someras. Con frecuencia dichas forma-ciones alojan acuíferos subterráneos, dando origen a un tipo de yacimiento geotérmico de alta temperatura; algunas veces éstos se manifiestan en la superficie en forma de volcanes de lodo, fumarolas, géiseres, manantiales hidrotermales y suelos calientes.
Figura 2. Esquema de las placas tectónicas.
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Figura 2. Esquema de las placas tectónicas.
Tipos de sistemas geotérmicos
Vapor dominante. Son sistemas de alta entalpía, generalmente de vapor seco. Existen unos cuantos en el mundo, los más conocidos son The Geysers (Estados Unidos) y Larderello (Italia).
Líquido dominante (alta entalpía). Sistemas de salmuera súper caliente, con temperaturas entre 200oC y más de 300oC. Son más abundantes que los anteriores, por ejemplo: Cerro Prieto (México), Wairakei (Nueva Zelanda), Tiwi (Filipinas).
Líquido dominante (baja entalpía). Sistemas con salmueras calientes, con temperaturas entre los 100oC y 200oC aproximadamente. Son más abundantes que los anteriores en una proporción de 50 a 1, se encuentran en casi todos los países del mundo, por ejemplo: Heber (Estados Unidos), Yangbajin (China).
Figura 3. Esquema del movimiento de placas oceánicas y continentales.
CORRIENTESCONVECTIVAS
MANTO
PLACACONTINENTAL
INTRUSIÓNMAGMÁTICA
ZONAVOLCÁNICA
SUPERFICIEOCEÁNICA
VOLCÁNSUBMARINO
ISLAVOLCÁNICA
MAGMA
A la fecha se han identificado cinco tipos de sistemas geotérmicos: a) hidrotermales, b) roca seca caliente, c) geopresurizados, d) marinos y e) magmáticos. A continuación se describen algunas de sus principales características.
a) Sistemas hidrotermales
Estos sistemas están constituidos por una fuente de calor, agua (líquido y/o vapor) y la roca en donde se almacena el fluido (Fig. 4). El agua de los sistemas hidro-termales se origina en la superficie de la tierra en forma de lluvia, hielo o nieve. Luego se infiltra lentamente en la corteza terrestre a través de poros y fracturas, pene-trando a varios kilómetros de profundidad en donde es calentada por la roca y alcanzando en algunas ocasiones, temperaturas de hasta 400°C.
Estos sistemas pueden clasificarse en tres tipos prin-cipales: vapor dominante, líquido dominante (alta entalpía) y líquido dominante (baja entalpía). En la actualidad, estos sistemas son los únicos que se explotan comercialmente para la generación eléctrica.
Figura 4. Esquema de un sistema geotérmico hidrotermal.
10°C EN SUPERFICIEFUMAROLA 100°C
INICIO DE LAEBULLICIÓN
ROCA IMPERMEABLE
ROCA PERMEABLE
MAGMA EN PROCESODE ENFRIAMIENTO
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b) Sistemas Geotérmicos Mejorados (Enhanced Geothermal Systems)
Los Sistemas Geotérmicos Mejorados (EGS, por sus siglas en inglés), también conocidos como Sistemas de Roca Seca Caliente (Hot Dry Rock- HDR) o Sistemas de Roca Fracturada (Hot Fractured Rock – HFR), son sistemas rocosos con alto contenido energético, pero con poca o nada de agua. Su avance a la fecha es variable y algunos proyectos están todavía en la etapa de I&D y evaluación del potencial, mientras que otros ya entraron en la etapa de demostración de tecnología, con centrales de generación del orden de 3 MWe o menos, y de diseño de plantas de tamaño comercial, 20 MWe a 50 MWe. Los principales proyectos incluyen: Fenton Hill y Coso (Estados Unidos), Rosmanowes (Reino Unido), Soultz-sous-Forêts y LeMayet (Francia), Basel (Suiza), Landau y Gross Schonebeck (Alemania), Ogachi y Hijiori (Japón), Fjall-backa (Suecia) y Cooper Basin (Australia) (e.g. Baria et al, 2000; Kaieda et al, 2000; Tester, 2006; Fridleifsson et al, 2008).
Este recurso geotérmico se encuentra en el subsuelo, entre 2 km y 4 km de profundidad, con la temperatura necesaria para la generación de electricidad (150°C - 200°C), además se considera como uno de los más abundantes del mundo y es prácticamente inagotable. El U.S. Geological Survey ha estimado que la energía almacenada en los yacimientos de roca seca caliente que se encuentran dentro de los 10 kilómetros superiores de la corteza terrestre, equivale a más de 500 veces la energía acumulada en todos los yacimientos de gas y petróleo del mundo, lo que significa un recurso enorme. Las reservas recuperables de esta energía en Estados Unidos se han estimado en más de 200 mil EJ, equivalentes a más de 2 mil veces la demanda anual de energía primaria. También se considera que para el año 2050, se podrían instalar más de 100 mil MWe, con una inversión de 1 billón de dólares americanos (Tester et al, 2007).
Con el objetivo de explotar estos yacimientos, se está desarrollando la tecnología necesaria para implementar el siguiente concepto: se perfora un pozo hasta la profundidad en que se encuentra la formación de roca seca caliente de interés, como esta roca es esencialmente impermeable, se crea un yacimiento artificial mediante fracturamiento hidráulico, técnica muy utilizada por las industrias del gas y del petróleo; posteriormente se perfora otro pozo, típicamente a algunos cientos de metros del primero, que intercepte la red de fracturas creadas artificialmente, enseguida se inyecta agua a presión en uno de los pozos, la cual al desplazarse por la red de fracturas se calienta por contacto con la roca de alta temperatura y por último, el agua caliente se extrae por el pozo restante.
c) Sistemas Geopresurizados
Son sistemas que contienen agua y metano disuelto a alta presión (del orden de 700 bar) y mediana temperatura (aproximadamente 150°C). No se explotan comercialmente en la actualidad, por ejemplo: los yacimientos en Texas y Louisiana (Estados Unidos), y en Tamaulipas (México). Estos recursos ofrecen tres tipos de energía: térmica (agua caliente), química (metano) y mecánica (fluidos a muy alta presión). Algunos investigadores han estimado el potencial energético en unos 40 mil MWt solamente en las costas de Texas (Alonso, 1993), mientras que en México se desconoce el potencial de este recurso.
d) Sistemas Marinos
Son sistemas de alta entalpía existentes en el fondo del mar, que en la actualidad no se explotan comercialmente y hasta ahora han sido poco estudiados, por ejemplo: el Golfo de California (México).
Hace algunos años se efectuaron estudios preliminares en el Golfo de California (Mercado, 1990, 1993). Como parte de los estudios se incluyeron algunas inmer-siones en un submarino, esto permitió observar a 2,600 metros de profundidad, impresionantes chimeneas naturales descargando chorros de agua a 350°C. El flujo de calor medido en algunos puntos del Golfo de Cali-fornia es muy alto, de 0.34 W/m2 (Suárez, 2000), mien-tras que en promedio, el flujo natural de calor alcanza valores de entre 0.05 y 0.10 W/m2.
En el año de 1986, N. Grijalva efectuó una serie de estu-dios en una zona del Golfo de California, denominada depresión de Wagner (latitudes de 31° 00´ a 31° 15´ y longitudes de 113° 50´), que cubre un área de 10 km de ancho por 20 km de largo. La investigación abarcó estudios geológicos, geofísicos y geoquímicos. Suárez (2000) reporta parte de los resultados del estudio e interpreta que la cuenca en estudio pudiera ser un campo geotérmico de gran magnitud, con un potencial energético de 100 a 500 veces mayor que el del campo geotérmico de Cerro Prieto.
e) Sistemas Magmáticos
Son sistemas de roca fundida existentes en aparatos volcánicos activos o a gran profundidad, en zonas de debilidad cortical. En la actualidad no se explotan comercialmente, algunos ejemplos son: el volcán de Colima (México) y el volcán Mauna Kea (Hawaii).
Posiblemente el atractivo más importante de este tipo de recurso sean las altísimas temperaturas disponibles (≥800°C), ya que la eficiencia de las máquinas térmicas es proporcional a la temperatura máxima de su ciclo termodinámico.
En el mediano o largo plazo cuando se cuente con la tecnología y los materiales adecuados para resistir la corrosión y las altas temperaturas, se podrá explotar la enorme cantidad de energía almacenada en las cámaras magmáticas de los volcanes activos.
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Usos de la energía geotérmica
Actualmente, los recursos geotérmicos no solamente son susceptibles de ser aprovechados en la generación de electricidad, sino también en una gran variedad de actividades agrupadas bajo el nombre genérico de usos directos. Entre los mismos se pueden mencionar: la calefac-ción (Islandia, Estados Unidos, Nueva Zelanda), el procesado de alimentos (Estados Unidos y Filipinas), el lavado y secado de lana (China y Nueva Zelanda), la fermentación (Japón), la industria papelera (Australia, China y Nueva Zelanda), la producción de ácido sulfúrico (Nueva Zelanda), la manufactura de cemento (Islandia y China) y el teñido de telas (Japón), entre otros.
Generación de electricidad
La generación de electricidad por medio de la energía geotérmica está íntimamente ligada con las condiciones naturales del yacimiento geotérmico utilizado para ese fin. La presión de entrada a las turbinas de vapor está determinada por la presión y la temperatura del yaci-miento. Adicionalmente, la presión del yacimiento, y por lo tanto la presión de entrada a las turbinas, disminuirá con el tiempo a una velocidad que dependerá de la rela-ción entre la extracción de fluidos y su recarga.
Además, las plantas geotermoeléctricas requieren de pequeñas cantidades de agua de enfriamiento, por ello, no compiten por este recurso con otras aplicaciones como la agricultura.
La unidad geotermoeléctrica más grande del mundo es de 135 MWe (instalada en el campo de los Geysers, en Estados Unidos), pero es muy común encontrar unidades de 55 MWe, 30 MWe, 15 MWe, 5 MWe e incluso más pequeñas. La confiabilidad de las plantas geoter-moeléctricas es muy buena y cuentan con factores de planta entre el 80% y 90%, este factor es muy superior al de otro tipo de plantas.
Existen varios tipos de procesos de conversión de energía para generar electricidad por medio de recursos hidrotermales. Actualmente, tres de estos procesos se encuentran en operación comercial: vapor seco, sistemas de separación de vapor y ciclo binario.
Figura 5. Diagrama de una planta de vapor seco.
FLUIDOGEOTÉRMICO
SISTEMA DECONVERSIÓN
CONDENSADOR
SISTEMA DEENFRIAMIENTO
FLUIDOREINYECTADO
Plantas de separación de vapor
En yacimientos geotérmicos dominados por líquido, los pozos general-mente producen una mezcla de agua y vapor en la superficie, esto se debe a que el fluido del yacimiento sufre un proceso de ebullición en el interior del pozo, causado por la caída de presión a lo largo de la tubería. Cuando la mezcla llega a la superficie, el vapor y el líquido se separan por medio de instalaciones adecuadas. El primero es utilizado para alimentar la turbina, mientras que el líquido se inyecta nuevamente al yacimiento (Fig. 6).
Las plantas de separación de vapor se utilizan para producir electricidad de los sistemas de líquido dominante, que están lo suficientemente calientes como para permitir la ebullición de una porción importante de líquido en la superficie. Se cuenta con tamaños de turbina típicos en el rango de 10 MWe a 55 MWe.
Plantas de vapor seco
Las plantas de vapor seco se utilizan para producir energía de yacimientos de vapor dominante. En este caso, el vapor saturado o ligeramente sobre-calentado que se obtiene en la superficie se envía directamente a las turbinas (Fig. 5). El vapor húmedo se condensa a la salida, para regresarse al yacimiento a través de pozos de inyección. Es una tecnología bien desa-rrollada y comercialmente disponible, con tamaños de turbina típicos en el rango de 35 MWe a 120 MWe.
Los sistemas de vapor dominante han sido explotados únicamente en Indonesia, Italia, Japón y Estados Unidos. La mitad de la capacidad de generación instalada se encuentra en estos campos. Los campos de líquido dominante son mucho más comunes.
Figura 6. Diagrama de una planta de separación de vapor.
FLUIDOGEOTÉRMICO
SISTEMA DECONVERSIÓN
CONDENSADOR
SISTEMA DEENFRIAMIENTO
FLUIDOREINYECTADO
SEPARADOR
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Plantas de ciclo binario
Las plantas de ciclo binario son apropiadas para la explotación de los sistemas geotérmicos de líquido dominante, que no están los suficiente-mente calientes como para producir una importante ebullición del fluido geotérmico, y para utilizar el calor contenido en los fluidos de desecho de las plantas de separación de vapor.
En estas plantas el calor que se obtiene del fluido geotérmico se transmite por medio de un intercambiador de calor, a un fluido de trabajo secundario con un menor punto de ebullición (por lo general es un refrigerante). El fluido de trabajo se expande en una turbina, se condensa y se recalienta en otro ciclo (Fig. 7). Existen unidades de 1 MWe a 25 MWe y actualmente hay en el mundo una capacidad instalada de aproximadamente 300 MWe, en este tipo de plantas.
Capacidad instalada mundialmente
En 1971 se habían instalado en el mundo 903 MWe con energía geotérmica. El 99% de esta capacidad estaba concentrada en cuatro naciones: Italia, Nueva Zelanda, Estados Unidos y Japón. Para 1982 se encontraban distri-buidas 115 plantas geotermoeléctricas en 14 países, con una capacidad de 2,732.5 MWe. En la tabla 1 se aprecia que en 2007, la capacidad instalada a nivel mundial alcanzó los 9,732 MWe en 24 países (Bertani, 2007; Fridlei-fsson et al, 2008), y se pronostica que para el año 2010, la capacidad insta-lada se ubicará cerca de los 11 mil MWe (Bertani, 2007).
Sin embargo, en otro estudio se pronostica que para el año 2010, la capa-cidad instalada aumentará a 20 mil MWe (Bloomquist, 2007), lo que implica que la capacidad instalada actualmente se duplicaría en sólo 3 años. Otros estimados y pronósticos indican que la capacidad geotermoeléctrica podría crecer hasta alcanzar los 148,800 MWe en los próximos 20 años (Richter, 2007), lo cual es equivalente a un crecimiento de unas 15 veces de la capacidad actual.
Figura 7. Diagrama de una planta de ciclo binario.
FLUIDOGEOTÉRMICO
SISTEMA DECONVERSIÓN
CONDENSADOR
SISTEMA DEENFRIAMIENTO
FLUIDOREINYECTADO
INTERCAMBIADORDE CALOR
Usos directos
Los sistemas geotérmicos de baja entalpía (temperaturas menores de 180oC), son los que gene-ralmente se destinan a usos directos. De los 90 países en los que se han identificado recursos geotérmicos con posibilidades de explotación comercial, 72 los emplean en usos directos, de los cuales 33 los utilizan de manera significativa con una capacidad instalada individual de 100 o más MWt. En mayo de 2005, el uso total de recursos geotérmicos de baja entalpía en el mundo (72 países) fue de 28,268 MWt (Lund et al, 2005), comparados con los 16,209 MWt en 1999 (Lund y Freeston, 2000). El 32 % de estos recursos se empleó en bombas de calor geotérmicas, 30% para baños y natación (incluyendo balneología), 20% para calentamiento
Tabla 1. Evolución de la capacidad eléctrica instalada; a Mercado et al, 1982b, b IGA Webpage, 2008; c Bertani, 2007.
PAÍS 1982a
(Mwe)1990b
(Mwe)1995b
(Mwe)2000b
(Mwe)2005b
(Mwe)2007c
(Mwe)
2010c Pronóstico
(Mwe)
EUA 932.0 2774.6 2816.7 2228.0 2544.0 2687.0 2817.0
Filipinas 501.0 891.0 1227.0 1909.0 1931.0 1969.7 1991.0
Indonesia 32.0 144.8 309.8 589.5 797.0 992.0 1192.0
México 205.0 700.0 753.0 755.0 953.0 953.0 1178.0
Otros 1062.5 1321.5 1760.3 2492.6 2838.9 3129.8 3814.5
TOTAL 2732.5 5831.9 6866.8 7974.1 9063.9 9731.5 10992.5
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de espacios (del cual 83% fue para calefacción distrital), 7.5% para invernaderos y calentamiento de suelos a cielo abierto, 4% para calor de procesos industriales, 4% para acuacultura y calefacción de estanques, <1% para secado agrícola, <1% para derretir nieve y 0.5% para otras aplicaciones. El uso anualizado de energía en 2005 fue de 273,372 TJ/año (75,943 GWh/año), lo que representó un incremento de 43% sobre el uso en el año 2000 (Lund et al, 2005).
Tabla 2. Algunos países que utilizan energía geotérmica para usos directos (Lund et al, 2005).
País Capacidad Instalada (MWt)
Uso de la Energía Factor de capacidad(TJ/año) (GWh/año)
Alemania 504.6 2909.8 808.3 0.2Canadá 461.0 2546.0 707.3 0.2EUA 7817.4 31239.0 8678.2 0.1India 203.0 1606.3 446.2 0.3Japón 822.4 10301.1 2861.6 0.4México 164.7 1931.0 536.7 0.4Nueva Zelanda 308.1 7086.0 1968.5 0.7Rusia 308.2 6143.5 1706.7 0.6Otros países 17678.6 209609.4 58229.3 -----TOTAL 28268.0 273372.1 75942.8 0.31
En la tabla 2 se listan algunos de los 33 países que más utilizan los recursos geotérmicos para usos directos (100 o más MWt/país). En la Fig. 8 se muestran las temperaturas mínimas que generalmente se requieren para distintos tipos de usos directos (Lindal, 1973). La temperatura entre uno y otro uso no es rigurosa, simplemente es una guía. Los usos directos normal-mente utilizan tecnología conocida. En algunos casos pueden existir complicaciones por la presencia de sólidos disueltos o gases no condensables en los fluidos geotérmicos; sin embargo, estos problemas son supe-rables con la tecnología actual.
Figura 8. Temperaturas aproximadas de los fluidos geotérmicos para usos directos.
EVAPORACIÓN DE SOLUCIONES ALTAMENTE CONCENTRADAS.REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DE AMONÍACO, DIGESTIÓN DE PASTA PAPELERA (KRAFT).AGUA PESADA MEDIANTE UN PROCESO CON SULFURO DE HIDRÓGENO.
SECADO DE ALIMENTO PARA PESCADO, SECADO DE MADERA.
ALÚMINA MEDIANTE EL PROCESO DEBAYER.
SECADO DE PRODUCTOS AGRÍCOLAS A ALTAS VELOCIDADES, ENLATADO DE ALIMENTOS.
EXTRACCIÓN DE SALES POR EVAPORACIÓN, EVAPORACIÓN EN LA REFINACIÓN DE AZÚCAR.
AGUA DULCE POR DESTILACIÓN.CONCENTRACIÓN DE SOLUCIÓN SALINA MEDIANTE EVAPORACIÓN DE EFECTO MÚLTIPLE.
SECADO Y CURADO DE PLANCHAS DE HORMIGÓN LIGERO.
SECADO DE MATERIALES ORGÁNICOS, ALGAS, HIERBA, HORTALIZAS, ETC. LAVADO Y SECADO DE LANA.
SECADO DE PESCADO, OPERACIONES INTENSAS DE DESCONGELAMIENTO.
CALEFACCIÓN AMBIENTAL.
REFRIGERACIÓN (LÍMITE DE TEMPERATURA INFERIOR).
ZOOTECNIA.INVERNADEROS MEDIANTE COMBINACIÓN DE CALEFACCIÓN AMBIENTAL Y DE FOCO.
CULTIVO DE SETAS.
CALENTAMIENTO DEL SUELO, BALNEOLOGÍA.
PISCINAS, BIODEGRADACIÓN, FERMENTACIONES.AGUA CALIENTE PARA LA INDUSTRIA MINERA DURANTE TODO EL AÑO EN CLIMAS FRÍOS.DESCONGELAMIENTO.CRIADERO DE PECES. PISCICULTURA.
oC
200
180
160
140
120
100
80
60
40
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Bombas de calor
Las bombas de calor geotérmicas (BCG) representan la tecnología geotérmica de mayor crecimiento a nivel internacional y su futuro se visualiza en forma expo-nencial. Esta tecnología sirve para proporcionar enfria-miento y calentamiento a nivel industrial y residencial (acondicionamiento de espacios), ha tenido un gran auge en años recientes y está bien establecida. En el año 2005, las BCG se usaron en 33 países y su capacidad instalada creció 730% en los últimos 10 años, y su uso para calefacción creció en más de 500%. Los principales desarrollos se tienen en diversos países europeos y en Estados Unidos, con más de 1.5 millones de unidades instaladas. Por otro lado, las BCG reducen las emisiones de CO2 en más del 50%, comparadas con calentadores operados con combustibles fósiles, mientras que la energía eléctrica que requieren para su operación puede ser obtenida de fuentes limpias como la hidráulica o la solar, por lo que resultan sumamente atractivas desde el punto de vista de uso eficiente de energía y de la miti-gación del impacto ambiental (Lund et al, 2005; Rybach, 2006; Fridleifsson et al, 2008).
Figura 9. Localización de los campos geotérmicos y de manifestaciones termales en México.
Cerro Prieto
TresVírgenes
Los Azufres
La Primavera
Los Humeros
Pathé
Energía geotérmica en México
A finales de la década de los cuarenta, el ingeniero Luis de Anda, de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), se enteró de los logros obtenidos en el campo geotérmico de Larderello (Italia). Esto lo motivó a realizar estudios en ese lugar, en donde se familiarizó con las técnicas de exploración y explotación que allí se utilizaban. Más tarde, en el mes de mayo de 1955 se formó la Comisión de Energía Geotérmica, cuyo director fue el mismo ingeniero de Anda.
Pathé
La explotación de la energía geotérmica en México se inició en Pathé, una localidad del estado de Hidalgo, la cual se encuentra aproximadamente a 130 km de la Ciudad de México (Fig. 9). Debido al éxito de las primeras perforaciones, se decidió instalar una planta piloto de 3.5 MWe, la cual inició operaciones en el mes de noviembre de 1959.
En Pathé se perforaron 17 pozos, sin embargo, nunca fue posible obtener suficiente vapor para generar más de 600 kW, por lo que la planta se mantuvo generando hasta 1973.
A pesar de todo la planta representó un importante logro, ya que permitió que nuestro país fuera el tercero en el mundo en utilizar la geotermia, puso de manifiesto la capacidad de los ingenieros mexicanos y sirvió para capa-citar a los cuadros técnicos que habrían de conducir en el futuro el desa-rrollo de la geotermia en México.
Después de Pathé, la CFE desarrolló los campos de Cerro Prieto, en Baja California, Los Azufres, en Michoacán y Los Humeros, en Puebla (Fig. 9).
Cerro Prieto
El campo de Cerro Prieto se encuentra localizado a 30 km al sur de la ciudad de Mexicali. Es el campo geotér-mico de líquido dominante más grande del mundo y su explotación ha sido también una de las más exitosas.
En este campo se han perforado más de 300 pozos con profundidades entre 700 y 4,300 metros. Actualmente se tienen instaladas cuatro centrales con una capacidad instalada total de 720 MWe (Gutiérrez-Negrin y Quijano León, 2005). La central CP-1 cuenta con cinco unidades (las primeras dos de 37.5 MWe cada una) y entraron en operación en 1973. Para 1979 se adicionaron otras dos unidades de 37.5 MW y en 1981 entró en operación una unidad de baja presión de 30 MWe. Las centrales CP-II y CP-III, cuentan cada una con dos unidades de 110 MWe, mismas que entraron en operación entre 1985 y 1987 (Hiriart y Gutiérrez, 1992). La central Cerro Prieto IV entró en operación en el año 2000 y consta de cuatro unidades de 25 MWe cada una.
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Figura 9. Localización de los campos geotérmicos y de manifestaciones termales en México.
Los Azufres
El campo geotérmico de Los Azufres se encuentra localizado a 200 km al oeste de la Ciudad de México (Fig. 9). Los primeros estudios en este campo se efectuaron en los años cincuenta, pero fue en 1977 cuando se perfo-raron los primeros pozos productores, con los que se confirmó la existencia de un potencial energético de magnitud considerable.
En Los Azufres se han perforado más de 80 pozos con profundidades de entre 600 y 3,544 metros, con una temperatura máxima de fondo de 358oC. En esta zona, el flujo de calor promedio es de 0.22 W/m2, lo cual corres-ponde a un gradiente local de 117°C/km (Suárez, 2000), que es casi cuatro veces mayor que el normal.
Actualmente, la CFE tiene instalados en este campo 188 MWe, distribuidos en una unidad de condensación de 50 MWe, cuatro unidades de flasheo simple 25 MWe cada una, siete unidades a contrapresión de 5 MWe cada una y dos unidades de ciclo binario de 1.5 MWe cada una. Las unidades de 25 MWe entraron en operación en 2003 (Gutiérrez-Negrin y Quijano León, 2005).
Los Humeros
El campo geotérmico de Los Humeros se encuentra localizado en el extremo oriental del Cinturón Volcánico Mexicano, aproximadamente a 200 km de la Ciudad de México (Fig. 9). En 1968, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) efectuó los primeros estudios geológicos, geoquímicos y geofísicos en este campo. En 1982 se perforó el primer pozo profundo, con el objeto de confirmar los resultados de los estudios. Pero fue hasta 1990 que se inició la explotación comercial del yacimiento, con la instalación de la primera unidad de 5 MWe. A la fecha se han perforado más de 40 pozos y se cuenta con una capacidad instalada de 35 MWe, en 7 unidades de 5MWe cada una (Gutiérrez-Negrin y Quijano León, 2005; Gutierrez-Negrín, 2007).
Las Tres Vírgenes
Este campo se localiza en la parte media de la Penín-sula de Baja California, en la parte norte del estado de Baja California (Fig. 9). Los estudios de exploración se iniciaron en 1982 y en 1986 se perforó el primer pozo exploratorio. Actualmente se tienen dos plantas insta-ladas de 5 MWe del tipo de condensación, las cuales iniciaron sus operaciones en julio de 2001. Estas plantas generaron 32.8 GWh en 2003, los cuales se distribu-yeron a ciudades como Santa Rosalía y otras pobla-ciones que están aisladas del sistema eléctrico nacional (Gutiérrez-Negrin y Quijano León, 2005; Gutierrez-Ne-grín, 2007).
Otros recursos
La Gerencia de Proyectos Geotermoeléctricos de la CFE ha establecido la existencia de más de dos mil mani-festaciones termales en la República Mexicana (Fig. 9), habiéndose llevado a cabo estudios de factibilidad en cuando menos 30 sitios. En algunos lugares ya se han perforado pozos exploratorios, entre los más recientes podemos mencionar a Los Negritos, Michoacán, y Acoculco, Puebla.
Capacidad instalada y generación
La potencia geotérmica instalada en México es de 953 MWe, que representa el 2% de la capacidad instalada en el país. La geotermia produjo 6,685 GWh de elec-tricidad en 2006, que contribuyeron con el 3% de la generación eléctrica total, debido a los altos factores de planta que se tienen (Gutierrez-Negrin, 2007).
Actualmente, México ocupa el cuarto lugar mundial en potencia geoter-moeléctrica instalada (Bertani, 2007; Fridleifsson, 2008). En 1992 se obtuvo el segundo lugar en energía generada, gracias al esfuerzo de los técnicos de la Comisión Federal de Electricidad por incrementar la disponibilidad de vapor en las turbinas del campo Cerro Prieto. En la actualidad se tiene el nivel más alto de eficiencia en el mundo, por lo que la CFE ha recibido reco-nocimientos en diversos foros internacionales.
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La generación de electricidad por medio de plantas geotermoeléctricas es una realidad en México, y se estima que para el año 2010 se contará con una capa-cidad instalada de 1,178 MWe, debido a la aproba-ción de los proyectos Cerro Prieto V (100 MWe) y Los Humeros II (46 MWe). El proyecto Cerritos Colorados (75 MWe), antes La Primavera, aún no tiene fecha programada.
Usos directos
En la actualidad, los usos directos de la energía geotér-mica en México se limitan a la balneología. Se estima que la capacidad instalada es de aproximadamente 164 MWt, distribuidos en más de 160 sitios en 19 estados del país (Quijano-León y Gutiérrez-Negrín, 2000). Esta capa-cidad instalada es modesta, en relación con el tamaño de los recursos existentes y en cuanto a la variedad de aplicaciones posibles.
También existen algunos proyectos piloto desarrollados por la CFE, que ilustran algunas posibles aplicaciones directas del calor geotérmico en México, aplicaciones que fueron implementadas en los campos geotér-micos de Cerro Prieto, Los Azufres y Los Humeros. Estos proyectos incluyen: calefacción de oficinas, invernaderos para apoyar las labores de reforestación (Ortega-Varela, 1997), secado de frutas y verduras (Casimiro-Espinosa, 1997), germinado de bulbos, producción acelerada de flores, criadero de hongos comestibles (Salazar Loa, 1997) y secado de madera (Pastrana-Melchor, 1997).
Asimismo, el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) y la CFE han realizado trabajo de investigación y desa-rrollo sobre Bombas de Calor operando con energía geotérmica y efluentes industriales. Los sistemas probados a la fecha incluyen sistemas de compresión mecánica y sistemas por absorción, así como transfor-madores térmicos (García-Gutiérrez et al, 2007).
Exportación de tecnología geotérmica
México no tiene dependencia tecnológica en la exploración, desarrollo y explotación de recursos geotérmicos, más bien se ha exportado y se exporta tecnología geotérmica al extranjero. Los técnicos mexicanos han participado en estudios y proyectos en países como Argentina, Bolivia, Colombia, Costa Rica, Ecuador, El Salvador, Estados Unidos, Guatemala, Haití, Jamaica, Nica-ragua, Panamá, Perú y República Dominicana (Arellano et al, 1997; Barragán et al, 1999; Iglesias E. R., 1991; Mercado et al, 1981; Mercado et al, 1982a; Nieva y Barragán, 1982; Nieva et al, 1986; etc.).
Resumen y conclusiones
La energía geotérmica es una opción técnica y econó-micamente madura. Desde 1913 se ha estado gene-rando electricidad comercialmente, en escala indus-trial, a partir de la energía geotérmica. En la actualidad, 24 países cuentan con plantas geotermoeléctricas, con una capacidad instalada total de 9,732 MWe. Se estima que para 2010 podría haber 10,993 MWe instalados. Por otro lado, al menos 72 países explotan comercialmente el calor geotérmico en forma directa, con instalaciones que totalizan 28,268 MWt.
México es uno de los países con mayor desarrollo geotérmico en lo que se refiere a generación eléctrica, ocupa el cuarto lugar mundial en capacidad instalada (953 MWe), después de Estados Unidos, Filipinas e Indonesia, cuenta con más de 40 años de experiencia generando energía geotérmica y en la actualidad la genera en cuatro campos geotérmicos: Cerro Prieto, Los Azufres, Los Humeros y Las Tres Vírgenes.
La utilización directa del calor geotérmico en México se limita a usos balneológicos. Se estima una modesta capacidad instalada de aproximadamente 165 MWt, distribuidos en más de 160 sitios en 19 estados del país. También existen algunos proyectos de demostra-ción, desarrollados por la CFE, que incluyen calefacción de oficinas, invernaderos, deshidratación de frutas y verduras, germinado de bulbos, producción acelerada de flores, criadero de hongos comestibles y secado de madera.
Las aplicaciones actuales en México y en el mundo utilizan exclusivamente recursos geotérmicos hidro-termales. En el corto o mediano plazo también será posible utilizar recursos de roca seca caliente (HDR), por lo que actualmente se está desarrollando tecnología apropiada.
En un plazo más largo también será posible utilizar los recursos geopresurizados, los geotérmicos marinos y la energía térmica de reservorios de magma; su posible aprovechamiento depende tanto del desarrollo de tecnologías y materiales apropiados, como de las varia-bles económicas que determinan la competitividad de los diversos recursos energéticos.
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VÍCTOR MANUEL ARELLANO GÓMEZ [[email protected]] Ingeniero en Energía por la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) en 1978. Realizó estudios sobre Ingeniería de Yacimientos Geotérmicos en la Univer-sidad de Stanford, en 1980, y de Simulación Numérica de Yacimientos y Pozos Geotérmicos en Intercomp, Houston, Texas, Estados Unidos en 1982. Se incorporó al Área de Geotermia del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 1979 y desde 1992 es jefe de la misma. Ha participado en la publicación de más de 140 artículos técnicos y ha impartido cursos de Geotermia, tanto en México como en el extranjero. Dentro de las distinciones que ha recibido se encuentran las siguientes: Premio al Desempeño Extraordinario en 1990, otorgado por el IIE; Premio al Mejor Profesor de la Facultad de Ciencias Químicas e Industriales en 1990, otorgado por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos; Premio al Mejor Profesor de Posgrado en 1991, otorgado por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos; Miembro del Consejo Editorial de la revista Geothermics, de 1995 a 1997; Presidente de la Asociación Geotérmica Mexicana, de 1994 a 1995; Árbitro para el premio de “Investigación Universidad Autónoma de Nuevo León”, de los años 1998 a 2001; Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel II.
ALFONSO GARCÍA GUTIÉRREZ [[email protected]]
Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma de Coahuila, México en 1976, Maestría en Ingeniería Química por la Universidad de Salford, UK, Inglaterra en 1978 y Doctorado en Ingeniería Mecánica, con especialidad en Termofluidos, por la Universidad de Minnesota, Estados Unidos en 1985. Investigador del Área de Geotermia del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) desde 1980. Ha desarrollado numerosos proyectos de investigación y desarrollo tecnológico, así como de consultoría. Ha publicado más de 70 artículos en revistas arbitradas a nivel internacional y tiene más de 120 contri-buciones en congresos, seminarios y talleres nacionales e internacionales. Ha sido árbitro invitado de diversas revistas y de diversos eventos científicos de la American Society of Mechanical Engineers (ASME), entre otros. También ha realizado una importante labor en la formación de recursos humanos de alto nivel con la dirección de 7 tesis doctorales, 21 tesis de maestría y 16 tesis de licenciatura, así como asesor del programa AIT y del Verano de la Investiga-ción Científica. Es miembro activo de diversas asociaciones científicas como la International Geothermal Association, la Asociación Geotérmica Mexicana (de la cual fue Vicepresidente y Presidente) y la Society of Petroleum Engi-neers, entre otras. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel II y fue Presidente de Academia Nacional de Investigación en Ingeniería Mecánica del Sistema Tecnológicos de la SEP.
EDUARDO IGLESIAS RODRÍGUEZ [[email protected]]
Licenciado en Ciencias Físicas, egresado de la Universidad de Buenos Aires, Argentina, en 1973. Realizó estudios de posgrado en el Departamento de Astronomía de la Universidad de California, Berkeley en 1976. Obtuvo el grado de Doctor en Física en la Universidad de Buenos Aires, en 1978. Ingresó a la Gerencia de Geotermia del IIE en 1981, su especialidad es la ingeniería de yacimientos (geotérmicos y de hidrocarburos). Entre sus mayores contribuciones están el desarrollo de dos sistemas del estado del arte para efectuar registros simultáneos de varias variables en pozos geotérmicos y petroleros de alta temperatura; la estimación de reservas de los recursos geotérmicos no explotados de México; el desarrollo de sistemas de información para caracterizar yacimientos geotérmicos, y el desarrollo y aplicación de estudios con trazadores de fases líquido y vapor en yacimientos geotérmicos.
En 1979 laboró en la División Ciencias de la Tierra del Lawrence Berkeley Laboratory en Estados Unidos, donde comenzó a trabajar en ingeniería de yacimientos geotérmicos; en 1976 en el Instituto de Astronomía y Física del Espacio; en 1975 en el Departamento de Astronomía de la Universidad de California. Fue asistente de investigación en el Servicio de Hidrografía Naval de la Armada República Argentina, en 1967. Ha publicado más de 100 trabajos técnicos en revistas, capítulos de libros y memorias de congresos.
