Geotermia Avanzada: La generación de electricidad con recursos de roca seca caliente (RSC)

Dr. Eduardo Iglesias Rodríguez

Instituto de Investigaciones Eléctricas Gerencia de Geotermia

V Congreso Anual de Asociaciones del Sector Energético y XIII Congreso Anual de la AMEE

Acapulco, 22 de Junio de 2013

Introducción al campo • En términos generales la energía

geotérmica es la energía térmica existente en la corteza terrestre.

• Fuentes de calor terrestre: – Núcleo y manto, alta temperatura – Decaimiento radioactivo de U, Th y K

en la corteza • Flujo térmico promedio 59 mW/m2; • Gradiente térmico promedio 30°C/km; • Existen zonas con grandes intrusiones

magmáticas en las que el flujo y el gradiente son mayores.

• En estas zonas, relativamente escasas, se encuentran sistemas hidrotermales, de alta permeabilidad, recursos geotérmicos convencionales, que explotamos en la actualidad.

LATIERRA

Corteza

Manto

Núcleo Interno

Núcleo Externo

Introducción al campo (cont.) • Fuera de estas zonas, y también

en ellas, a profundidad existe roca caliente de baja permeabilidad, con poca o ninguna agua; recursos geotérmicos de roca seca caliente.

• La distribución geográfica de estos recursos es muchísimo más amplia que la de los recursos geotérmicos convencionales.

• En USA, Australia y otros países se estimaron las temperaturas a profundidades entre 3 y 10 km, como base para estimar los recursos de RSC.

100 ° C 150 ° C 200 ° C 250 ° C 300 ° C

Temperaturas estimadas a 10 km de profundidad en Estados Unidos [Tester et al. (2006), “The Future of Geothermal Energy-Impact of EGS on the US in the 21st Century” ISBN 0-615-13438-6]

Sistemas Geotérmicos Mejorados (SGM) • Diseñados para recuperar energía

térmica de los recursos de roca seca caliente.

• Se crea* un sistema de fracturas abiertas, interconectadas.

• Por un pozo se inyecta agua, que se calentará circulando por las fracturas.

• El agua caliente/vapor se produce por otro(s) pozo(s), formando un sistema cerrado.

• Se genera electricidad con plantas geotérmicas convencionales.

• *El sistema de fracturas se crea estimulando fracturas preexistentes.

Sistemas Geotérmicos Mejorados (SGM) • Estos recursos son gigantescos:

estimación global. • Otro ejemplo: la fracción recuperable

en USA representa entre 2,800 y 56,000 veces la energía total consumida allí en 2005.

• Este es uno de los pocos recursos renovables con potencial para suministrar enormes cantidades de energía a carga base, sin almacenamiento, con un impacto ambiental mínimo.

• Se ha demostrado el concepto a escala piloto y pequeña escala comercial.

• No se identifican barreras técnicas infranqueables para el desarrollo comercial de SGMs.

• Potencial técnico global (Gwe)* • * M. A. Mongillo y C.J. Bromley, 2010,

GRC Transactions, Vol. 34, 103-111

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

<3 Km <5 Km <10 Km Promedio

Mínimo Máximo

Sistemas Geotérmicos Mejorados (SGM) • Para 2020-25 se espera contar ,

en el mundo, con 50 plantas de 10 Mwe en promedio.

• Para 2050-60 se espera contar en USA con una capacidad instalada de SGMs de 100,000 Mwe.

• Los recursos geotérmicos convencionales de México están ampliamente distribuidos.

• Esto sugiere que los SGMs prometen: – abundante generación

eléctrica de base, – en virtualmente cualquier

ubicación en México, – con emisiones despreciables

de CO2, – por milenios.

• Los SGM podrían llegar ser la principal fuente de generación eléctrica en México en ≈50 años.

Áreas de oportunidad para el desarrollo de la ciencia, la tecnología y la innovación en México

• Estimación del potencial de los SGM en México.

• Explorar y desarrollar al menos un sitio de RSC.

• Instrumentación y pruebas. • Sismicidad inducida. • Exploración. • Desarrollo de SW especializado. • Perforación y terminación de

pozos.

• Estimulación del yacimiento. • Incremento de la producción de

pozos. • Interferencia térmica. • Incremento de eficiencia de

plantas. • Administración técnica del

yacimiento.

Actividades para aprovechar las áreas de oportunidad

Estimación del potencial de los SGM en México.

• Proveería información indispensable para planear el desarrollo energético del país en el mediano y largo plazo.

• Se utilizaría el protocolo sancionado por la International Geothermal Association.

• Disciplinas involucradas: geología, geofísica, flujo de calor, ingeniería de yacimientos geotérmicos, desarrollo de SW.

• Niveles nacional, estatal y regional.

Actividades para aprovechar las áreas de oportunidad

Explorar y desarrollar al menos un sitio de RSC • En México se conocen ya algunas áreas apropiadas para desarrollar SGMs.

• Hacerlo constituiría un detonante para la I&D científico y tecnológico de México, un importante foco para dichas actividades y para el entrenamiento científico, tecnológico y técnico de muchos jóvenes .

• Seleccionar un sitio con información que indique una buena probabilidad de alta temperatura y relativamente poca profundidad de yacimiento.

• Completar la exploración detallada mediante sondeos magnetotelúricos, magnéticos, y de gravedad; utilizar relevamientos de flujo de calor superficial y sísmica pasiva o activa.

• Desarrollar modelos 3D conceptuales y numéricos del prospecto. Estimar su potencial.

• Seleccionar sitios de perforación. Perforar. Estimular. Efectuar pruebas de flujo. Instalar planta. Generar electricidad.

Actividades para aprovechar las áreas de oportunidad

• Desarrollar sistemas para efectuar registros de presión, temperatura, velocidad de flujo y rayos gama en pozos de alta temperatura.

• Diseñar e implementar pruebas con trazadores adecuadas para caracterizar yacimientos de RSC.

• Diseñar e implementar tomografía sísmica utilizando instrumentación dentro de al menos dos pozos.

• Diseñar herramientas adecuadas para uso a altas temperaturas, para visualizar las fracturas que interceptan los pozos.

• Implementar sistemas para monitorear la sismicidad inducida por la estimulación del yacimiento y por la inyección de agua fría durante el funcionamiento del SGM.

• Utilizar estos datos para caracterizar el sistema de fracturas y su propagación.

• Investigar los parámetros geológicos, estructurales y de inyección de fluido que pueden inducir sismos capaces de dañar instalaciones en la superficie o afectar a la población.

Instrumentación y pruebas Sismicidad inducida

Actividades para aprovechar las áreas de oportunidad

• Exploración • Desarrollar tecnología para

efectuar levantamientos de flujo de calor en superficie (sin perforar pozos de gradiente).

• Desarrollar capacidad para efectuar e interpretar relevamientos de MT 3D.

• Investigar la polarización de ondas sísmicas por redes de fracturas (para detectar las a profundidad y caracterizarlas).

• Etc.

• Desarrollo de SW especializado • Para visualizar e interpretar

superposiciones de datos 3D de diferentes disciplinas (geología, geología estructural, gravedad, magnetismo, resistividad, flujo de calor, temperatura, etc.).

• Para visualizar e interpretar flujo de calor medido en superficie (problema inverso).

• Para simular numéricamente yacimientos de SGM, incluyendo propagación de fracturas.

• Etc.

Actividades para aprovechar las áreas de oportunidad

• Perforación y terminación de pozos

• Desarrollar barrenas con mayor duración y más rápida penetración.

• Concebir y desarrollar métodos “revolucionarios” de perforación que incrementen sustancialmente la velocidad de penetración.

• Desarrollar métodos innovativos de ademado de los pozos.

• Desarrollar mejores técnicas de cementación de tuberías para operaciones a alta temperatura.

• Otras • Estimulación del yacimiento. • Incremento de la producción de

pozos. • Interferencia térmica. • Incremento de eficiencia de

plantas. • Administración técnica del

yacimiento.

Estrategias para la formación acelerada de recursos humanos

• Explorar y desarrollar al menos un SGM en México, que servirá(n) como foco para actividades científicas, tecnológicas y de innovación del campo.

• Organizar diplomados en este campo en Institutos de Investigación y Universidades del país.

• Promover las áreas de oportunidad y actividades relacionadas en Institutos de Investigación y Universidades del país relacionados con las mismas.

• Incluir en las carreras universitarias relacionadas (e.g., ingeniería en energía, geología, geofísica, ingeniería petrolera, etc.) el tema de los SGMs.

• Conceder becas a investigadores y estudiantes para obtener conocimientos relacionados con el campo en instituciones extranjeras líderes en SGMs.

Sumario y Conclusiones • Las características geológicas y estructurales del país, así como la

amplísima distribución de sus recursos geotérmico convencionales, indican que México cuenta con un enorme potencial para generar electricidad a partir de recursos de roca seca caliente.

• Para aprovechar estos recursos existe el concepto de SGM, desarrollado en USA, Japón, Reino Unido, Francia, Alemania y Australia durante casi 40 años.

• Con este concepto actualmente se puede: 1. Perforar pozos hasta profundidades con temperaturas adecuadas para

generar electricidad; 2. Fracturar grandes volúmenes de roca > 2.5 km3; 3. Perforar el sistema de fracturas estimulado; 4. Inyectar agua fría en el sistema y recuperar agua caliente y vapor en

pozos de producción; 5. Generar electricidad a precios competitivos en algunas áreas.

Sumario y Conclusiones (cont.) • En México los SGM prometen abundante generación eléctrica de carga

base, virtualmente en cualquier ubicación, prácticamente sin emisiones que perjudiquen al medio ambiente, probablemente por milenios.

• Los SGM podrían llegar ser la principal fuente de generación eléctrica en México en ≈50 años.

• Existe un número de áreas de oportunidad, destacándose la estimación del potencial de los SGM en México, la posibilidad de iniciar el desarrollo de más de un sistema en el corto plazo, desarrollo de instrumentación y diseño de pruebas para caracterizar los yacimientos, investigación y desarrollo en relación la sismicidad inducida por la estimulación y la inyección de agua fría, investigación y desarrollo de tecnología de exploración, desarrollo de SW especializado, y avances en perforación y terminación de pozos.

• Se propusieron varias estrategias para la formación acelerada de recursos humanos.