Resumen
El siguiente documento presenta información acerca de la energía eléctrica geotérmica en el mundo. Esta energía se considera renovable y nos brinda grandes beneficios, por lo cual se está tratando de implementar en distintos países que tienen los recursos necesarios para su aprovechamiento.
Abstract– The following document presents information about geothermal electricity in the world. This energy is considered renewable and gives us great benefits, which is trying to implement in countries that have the resources necessary for their exploitation.
Index Terms – Energía renovable, geo-termoeléctrica.
Introducción
Actualmente nos podemos dar cuenta de un deterioro de nuestro planeta en lo que se refiere al medio ambiente, debido a la contaminación que genera el ser humano y la dependencia de la energía eléctrica; es por ello que el ser humano a tratado de ayudar a parar este problema, usando distintas formas de producir energía por medio del aprovechamiento de los recursos energético, como principios básicos para la ayuda de un punto de vista económico, social y ambiental. [3]
La energía geotérmica es al aprovechamiento del calor interno que emana la tierra y tiene múltiples aplicaciones que el hombre del pasado y de la actualidad ya la usan para distintos beneficios.
La generación geotérmica comercial de electricidad ya tuvo sus inicios desde el año 1914 en Larderello, con una central de 250 KW de potencia. Y la tecnología avanza cada más y con ella la generación geotérmica eléctrica a nivel mundial, ya que brinda muchos beneficios y desventajas su uso. [2]
De esta forma se hará un análisis de la generación eléctrica a partir de la geotermia.
Marco teórico
¿Qué es la energía geotérmica?
Desde hace tiempos atrás, por distintos motivos que se hizo al trabajar en perforación de la corteza terrestre, se vio que a más profundidad más temperatura por lo cual se hicieron análisis, y se llegó a determinar que el calor interno que posee la tierra, depende de factores como la desintegración de isótopos radiactivos, y movimientos entre capas que tiene la tierra y además distintos tipos de calores que posee, etc. Si se considera toda la superficie de la Tierra, la potencia geotérmica total que llega desde su interior es de 4,2 x 1012 J. [7],[16]
Esta energía se puede aprovechar como un recurso energético natural, los signos son más obvios de un recurso geotérmico exportable son los chorros calientes y los geysers. [3],[11]
Es por ello que Geotérmico viene del griego geo, "Tierra", y thermos, "calor"; literalmente "calor de la Tierra". Es decir energía geotérmica de denomina como el aprovechamiento energético del interior de la tierra. La energía es limpia (casi no emite gases invernadero), confiable (el sistema tiene disponibilidad del 95%), se tiene acceso a ella haciendo pozos de agua o de vapor. [7] [11]
Es renovable: La energía de origen geotérmico es reemplazada continuamente desde el interior de la Tierra. Sin embargo, los sistemas de explotación para sobresalir económicamente, utilizan la energía geotérmica a un ritmo superior al que emana desde el interior de la Tierra, se dice que energía renovable es siempre que la explotación del recurso se haga de una forma racional (recarga = extracción). Por lo que se pone a esta energía más en términos de no renovable, aunque esta energía pueda durar (centenares de millones de años).[8] [15]
- Clasificación
Estos sistemas se pueden clasificar en base con su entalpía (capacidad de absorber o ceder energía termodinámica), representada en la temperatura de los fluidos geotérmicos: De baja temperatura (entre 20 y 70 °C) se emplean en suelos poco profundos para necesidades domésticas, explotado por medio del uso directo o de bombas de calor geotérmico. De temperatura media (hasta 170 °C) permiten la conversión "vapor-electricidad", aunque con bajos rendimientos, se emplean en pequeñas centrales eléctricas y en la calefacción de pequeñas comunidades urbanas.
De temperatura alta (hasta 400°C), producen abundante vapor que para producir electricidad el vapor pasa por una turbina el cual mediante una turbina genera electricidad, son conocidas como centrales geotérmicas, y requieren la perforación de pozos de profundidad de uno o más kilómetros. [4],[16]
(a)
(b)
Figura 1: Yacimiento geotérmico: (a) De alta temperatura (b) De baja temperatura.
2.2 Estructura interna de la tierra
Nuestro planeta esta formado por 3 capas concéntricas:
La superficial (corteza terrestre), está constituida por rocas en estado sólido. Su espesor puede llegar a los 70 km.
El manto, se halla debajo de la corteza terrestre. Lo constituyen materiales que están en estado semifundido debido a las altas temperaturas existentes a esas profundidades y a la naturaleza de su constitución. Esta aproximadamente a unos 2.900 Km.
La tercera capa el núcleo en esta los componentes minerales que la constituyen poseen una densidad muy superior a las de las capas anteriores. [2]
Figura 2: Estructura interna de la tierra [2]
2.2.1 Gradiente geotérmico y tectónica de placas:
Mientras más se va penetrando al interior de la tierra hay un flujo de calor que va creciendo (gradiente geotérmico) debido al calor interno de la tierra. El gradiente geotérmico normal en el sector más superficial de la corteza en la mayor parte es de unos 2,5-3°C cada cien metros. El gradiente geotérmico anómalo donde el incremento de temperatura con la profundidad es muy superior a los 3°C/100 m. Hay fenómenos térmicos producidos por convección térmica, los cuales a su vez provocan movimientos internos de materiales y producen la formación de nueva corteza, esto produce choques y rozamientos en otras zonas del globo en las que la corteza va desapareciendo. Estas zonas de creación y desaparición (zonas geológicamente activas) donde se producen terremotos, erupciones volcánicas y fracturas que son las señales de la tectónica del globo, son de gran interés para generación de energía eléctrica. [3]
Figura 3: Temperatura de la tierra en sus distintas profundidades [4]
2.2.2 origen del recurso:
La forma más común de concentración de energía en el interior de la tierra es el agua enriquecida de sales minerales que rellena los poros y huecos de las formaciones rocosas que constituyen la litosfera y que en condiciones de presión y temperatura adecuada actúa como captador y transmisor de la energía proveniente del subsuelo [3]
2.2.3 Recursos y yacimientos geotérmicos convencionales
Recurso geotérmico es la porción de calor desprendido desde el interior de la Tierra que el hombre puede aprovechar en condiciones técnicas y económicas. Y yacimiento geotérmico es el espacio de la corteza terrestre donde se localizan materiales permeables que albergan un recurso geotérmico susceptible de ser aprovechado por el hombre. Para que exista un yacimiento geotérmico es necesario la presencia de: un foco de calor activo, un material permeable con su base impermeable por el que circula un fluido y una cobertera o sello que impida (o al menos limite) el escape del fluido.[3]
2.3 Energía de alta entalpia para la producción
de electricidad
Se extrae de grandes profundidades. Este tipo de yacimientos da lugar a las centrales geo-termoeléctricas, se extrae el calor de la zona de almacenamiento mediante una tubería que llevará el aire caliente extraído del interior de la Tierra a la sala de turbina – generador, donde la energía geotérmica se transformará en energía eléctrica. Suelen alcanzar una temperatura entre 350°C y 150 ° C a una profundidad de 1.500 y 2.500 metros. [13]
(a)
Figura 4: Energía de alta entalpía: (a) Sistema geotérmico volcánico [15] (b) Tabla de diferentes entalpías. [3]
La figura 4 (a), nos da una representación gráfica de un sistema geotérmico volcánico, donde aguas meteóricas infiltradas se calientan al entrar en contacto de un cuerpo de magma. Un fluido caliente asciende y el cual puede alcanzar un punto en donde el agua entra en ebollución para formar vapor. Y en la figura 4 (b) se presenta información de los distintos recursos geotérmicos con sus respectivas aplicaciones.
2.4 Etapas de un sistema geotérmico
Las plantas geo-termoeléctricas extraen el calor más rápido que su reposición, por ello la temperatura del fluido geotérmico se va limitando. La reinyección de salmuera después de uso ayuda a mantener el fluido en el almacenamiento. [11]
Para sacar adelante un proyecto de esta magnitud de importancia, se requiere una serie de procesos que se hacen con mucha gente que sabe del tema, en donde se analiza a detalle todo lo necesario para ejecutar este proceso con éxito, se deben seguir ciertas etapas:
Figura 5: Etapas del proceso de exploración. [2]
2.4.1 Explotación de recursos geotérmicos:
Cuando se trata de explotar los recursos geotérmicos localizados en zonas caracterizadas por flujos térmicos anómalos, se suelen realizar estudios geológicos para localizar rocas que puedan haber estado en contacto con salmueras geotérmicas.
Perforación: Una vez localizado el acuífero geotérmico que se desea explotar, se perforan pozos de exploración y de producción, haciendo uso de técnicas que han de tener en cuenta que las rocas a perforar son más duras y están más calientes que cuando se hacen perforaciones petrolíferas o para abrir pozos de agua para regar o beber. [15] Por ejemplo se tiene lo siguiente:
Profundidad promedio: 1,500 metros, Temperatura de fondo: 280°C, Potencia media: 5 MWe, Costo promedio: 4 millones USD, Orientación: vertical o desviado Arbol de válvulas y tecnología similar a un pozo petrolero Diámetros: telescópico de 26"-8"[1]
Figura 6: Maquina de perforación [8]
En el momento actual existen en el mundo unas 300 instalaciones de generación de electricidad a partir de recursos geotérmicos de vapor a alta presión, las cuales son de cuatro tipos diferentes, como puede verse en la Figura 7.
Planta eléctrica con turbina de vapor seco de un solo ciclo : usa recursos geotérmicos en base a vapor seco, no contaminado por agua líquida, a temperaturas de 180 y 185 ° C y presiones de 0,8 a 0,9 MPa. También a 300-350 ° C y presiones de más de 1 MPa, lo que da una mayor eficiencia en la producción de electricidad. Cuando hay gases no condensables a 100°C mezclados con el vapor y pierde eficiencia en [15]
Central eléctrica a partir de vapor producido por evaporación súbita de salmueras. Se trata de evitar que se formen depósitos de minerales sobre el pozo, porque pueden obstruir la tubería y con ello dificultar la transmisión de energía, para ello se evita una evaporación súbita de salmuera manteniendo bajo presión al pozo de extracción, Se utiliza una sola turbina de vapor, funciona a presiones y temperaturas (entre 155 y 165 ° C y presiones de 0,5 a 0,6 MPa), la eficiencia de conversión es menor, lo que se manifiesta en un mayor gasto de vapor por unidad de energía producida. Finalmente, la salmuera sobrante se re inyecta a la fuente, lo que requiere perforar un pozo de reinyección y esto a su vez encarece la energía obtenida. [15]
Central eléctrica de CICLO BINARIO permiten el aprovechamiento de yacimientos a temperaturas menores. El fluido geotérmico no atraviesa la turbina, sino que cede su energía térmica a un fluido orgánico de bajo punto de ebullición en un intercambiador de calor. El fluido orgánico, que se vaporiza en este intercambiador de calor, realiza un proceso cíclico (ciclo de Rankine) en el que se produce energía eléctrica al atravesar el fluido una turbina acoplada a un generador. Las plantas de ciclo binario pueden suplantar a las térmicas más sucias. [1] [2]
Central eléctrica por doble evaporación súbita: es un proceso de doble evaporación, la salmuera geotérmica llega a un primer depósito, a baja presión, donde sufre un proceso de evaporación súbita, y el vapor mueve una primera turbina. El líquido no evaporado se pasa a un segundo depósito, a más baja presión, donde sufre una segunda evaporación, y este vapor, junto con el expulsado de la primera turbina, acciona una segunda turbina, o una segunda etapa de la primera. [15][5]
Figura 7: Distintas plantas eléctricas [15].
2.4.2 Costos de producción
Es un proceso muy costoso y por ello es medio riesgoso en las etapas iniciales. Por decir la perforación de pozos tratándose para una planta geo termoeléctrica es una fase crítica. Los costos de operación y mantenimiento con recurso de cuenca sedimentaria profunda, esta entre 4 millones de Euros/MW siendo sistemas conocidos. Además el costo variará dependiendo de la zona en que se haga y los recursos de dicha zona a explotar tenga.
Figura 8: Costos de producción [6]
En la Figura 8 se muestra comparación de distintas tecnologías para la producción de energía geotérmica eléctrica [6]
2.4.3 Extracción del calor
Requiere de un cierto número de pozos de producción que, llegando hasta el acuífero, permitan que el agua caliente o vapor suban a la superficie. La explotación de un yacimiento geotérmico debe efectuarse de manera tal que el volumen de agua caliente o vapor que de él se extrae, no sea mayor que la recarga natural de agua que alimenta al acuífero. Sólo bajo estas condiciones, el recurso energético puede ser considerado como una fuente de carácter "renovable".
2.5 Energía geotérmica amigable con el medio ambiente:
Es considerada en todo el mundo como una forma de energía limpia y renovable. Y estos recursos han sido usados desde la antigüedad con fines medicinales y agropecuarios. Emisiones atmosféricas: Es común apreciar imágenes de centrales geotérmicas con penachos que son vapor de agua y una fracción menor de gases no condensables como CO2, más no emisiones hemisféricas.
Uso del terreno y ruido El campo geotérmico podría ocupar extensas áreas, pero la ocupación es puntual y solamente se usan áreas para plataformas de perforación e instalación de cabezas de pozo, vías de acceso, corredores para líneas de conducción de fluidos, la línea de conexión y la planta geotérmica. En cuanto al ruido, los niveles de ruidos en los alrededores de la planta y los cabezales de pozo son cercanos a los 50 DB, que es un nivel de ruido bajo, esto se debe a que no existe una fuente de combustión y los equipos electromecánicos se encuentran aislados en la casa de máquinas. [4]
2.5.1 Pros y contras
Las ventajas son las siguientes:
• Es una fuente que evitaría a muchos países la dependencia energética del exterior.
• Nos brinda energía las 24 horas del día y los 365 días del año.
• Los residuos que produce son mínimos debido a que no produce emisiones de CO² y además ocasionan un menor impacto ambiental que los originados por el petróleo, carbón.
En la siguiente tabla podemos ver las diferencias de emisiones de CO² de las diferentes fuentes de energía:
[12] Inconvenientes:
• El principal inconveniente de este sistema es su todavía elevado coste de instalación.
• Posible contaminación de aguas próximas con sustancias como arsénico, amoniaco, mercurio, etc.
• requiere espacios grandes para su producción
• Si los yacimientos no son bien administrados pueden ser agotados en pocas décadas.
Se necesita gente experta en el tema por lo cual se debe traer personas internacionales preparadas.
[9],[7]
Figura 9: Campo geotérmico de alta temperatura (México). [8]
2.6 Energía geotérmica en el mundo
Como ya se dijo anteriormente el primer intento para producir energía eléctrica se llevó a cabo en Larderello (Italia) en 1904, donde muchos años después se instaló una central geotérmica de 250 KW de potencia.. Después de 1950, otros países como Nueva Zelanda, EEUU, México, Japón, URSS, Islandia, El Salvador, Filipinas, Nicaragua, Indonesia, Kenya, han avanzado en la tecnología y han procedido también a la instalación de sistemas que producen electricidad mediante el empleo de esta fuente energética. La Figura 10 permite ver la capacidad eléctrica instalada con la energía geotérmica en un importante número de países, hoy en la actualidad se ha ido avanzando en este campo de energía. [2]
Figura 10: Valores mundiales de la energía geotérmica para producción de electricidad. [8]
Conclusiones
Del presente trabajo de investigación se puede decir que la geo-termoeléctrica es el aprovechamiento del calor interno de la tierra para generar electricidad mediante una serie de procesos, los cuales se deben hacer con mucho cuidado cumpliendo normas de manera que se trate de no perjudicar al planeta.
Además se puede decir que este tipo de energía renovable nos brinda mejores beneficios que las demás usadas convencionalmente. Puede que esta energía requiera una importante inversión económica pero los bajos costes de mantenimiento, ahorro eléctrico, energía confiable, compensan dicha inversión.
Referencias
[1]Energía eléctrica a partir de recursos geotérmicos, César Chamorro Camazón. Disponible en: http://www.revistadyna.com/Documentos/pdfs%5C200901feb%5C2222DYNAINDEX.pdf
[2]Energía geotérmica. Disponible en:
http://energia3.mecon.gov.ar/contenidos/archivos/publicaciones/libro_energia_geotermica.pdf
[3] Manual de Geotermia. IDAE – IGME. Disponible en:
http://www.igme.es/Geotermia/Ficheros%20PDF/Manual_Geotermia_2,5.pdf
[4]Emprendimiento de energía geotérmica en Colombia. Natacha C. Marzolf. Disponible en: https://publications.iadb.org/bitstream/handle/11319/6558/Energia%20Geotermica%20Colombia%207-1-14finalweb.pdf?sequence=1
[5]Evaluación de potencial de energía geotérmica. TECNOLOGÍA Y RECURSOS DE LA TIERRA, S.A.: José Sanchez Guzmán, Laura Sanz López, Luis Ocaña Robles. Disponible en: http://www.idae.es/uploads/documentos/documentos_11227_e9_geotermia_A_db72b0ac.pdf
[6] Plan de energías renovables 2011-2020. Disponible en:
http://www.idae.es/index.php/mod.documentos/mem.descarga?file=/documentos_11227_per_2011-2020_def_93c624ab.pdf
[7]Estudio de las aplicaciones de la energía geotérmica en España. Sergio Benítez Martín. Disponible en: http://e-archivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/12417/PFC_Sergio_Benitez_Martin.pdf?sequence=1
[8]Energía geotérmica. Disponible en: http://www.url.edu.gt/PortalURL/Archivos/44/Archivos/CGA_GEOTERMIA.pdf
[9]Geotermia de alta entalpía. Alejandro Pavez V. Disponible en:http://www.sustentabit.cl/sustentabit/Uploads/15/2122115308136049720210-17.pdf
[10]http://energy.gov/eere/geothermal/enhanced-geothermal-systems-0
[11]Tecnologías de generación de energía eléctrica. Gilberto Enríquez. Disponible en:
https://books.google.com.ec/books?id=BUINAgAAQBAJ&pg=PA149&dq=geotermoelectrica&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwislI2Lu4rKAhUCjJAKHTL_AIgQ6AEIIDAC#v=onepage&q=geotermoelectrica&f=false
[12]Sistemas de energías renovables. Jorge Pablo Díaz Velilla. Disponible en: https://books.google.com.ec/books?id=sKR9CAAAQBAJ&pg=PA256&dq=geotermoelectrica&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwislI2Lu4rKAhUCjJAKHTL_AIgQ6AEIMjAG#v=onepage&q=geotermoelectrica&f=false
[13]Energías Alternativas (3a.ed). Domínguez Gómez, José Antonio. Editorial: Equipo Sirius
[14] Energía y medioambiente: manual básico de innovaciones tecnológicas para su mejor aprovechamiento. Takeuchi, Noburo. Editorial Miguel Ángel Porrúa
[15] Energías renovables. González Velasco, Jaime. Editorial Editorial Revert
[16]Cartilla para la enseñanza de las energías renovables.
Arias Ávila, Nelson, Tricio Gómez, Verónica. Editorial
Universidad de Burgos
[17]Energías renovables. Elías Castells, Xavier. Editorial Ediciones Díaz de Santos
Autor:
John Armando Lima León
Christian Xavier Sangurima,
Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca