Energía geotérmica, estudio de caso

La energía geotérmica está siendo desarrollada de manera progresiva en diferentes países, algunos con mayor tecnología y eficiencia a comparación de otros países que aún están en fase de exploración o la desarrollan de forma piloto. Estudiaremos un caso de aprovechamiento de la energía geotérmica en México, en la segunda planta de energía geotérmica del mundo ubicada en baja california.

2016.

Introducción

¿Qué es la energía geotérmica? El término geotermia se refiere al calor del interior de la tierra, y significa una fuente de energía alterna a los combustibles fósiles, ambientalmente "inocua" y económicamente competitiva para emplearse en la generación de electricidad y en otros aprovechamientos directos.

Los yacimientos geotérmicos se encuentran en determinadas partes del subsuelo. Su energía puede extraerse por medio de pozos profundos, a través de los cuales ascienden los fluidos, compuestos generalmente por una mezcla de agua con sales disueltas, o salmuera, y vapor de agua. Ya en la superficie, el vapor puede ser separado de esa mezcla y transportado hacia las centrales de generación, donde mueve los álabes de las turbinas para generar electricidad. La salmuera se conduce hacia lagunas de evaporación o directamente hacia pozos inyectores, a través de los cuales se regresa al yacimiento con el doble propósito de recargarlo y de prevenir cualquier contaminación a los acuíferos someros. En algunos casos, los yacimientos están compuestos únicamente de vapor de agua.

Un yacimiento geotérmico típico se compone de una fuente de calor, un acuífero y la llamada capa sello. La fuente de calor es una cámara magmática en proceso de enfriamiento con temperaturas todavía elevadas, de unos 500º C o más. El acuífero es cualquier formación litológica con la permeabilidad primaria o secundaria suficiente para alojar agua meteórica percolada desde la superficie o desde acuíferos menos profundos. La capa sello es otra formación rocosa, o parte de ella, con una permeabilidad menor que la del acuífero, y cuya función es impedir que los fluidos geotérmicos se disipen totalmente en la superficie. Si se tiene el cuidado de extraer una masa de fluidos equivalente a la que se recarga en el yacimiento, sea por medios naturales o artificiales, el recurso es renovable para todo efecto práctico, ya que, aunque la cámara magmática terminará por enfriarse, el proceso le tomará probablemente algunos miles de años.

El elemento clave del yacimiento es la fuente de calor, cuya existencia, a miles de metros de profundidad, sólo puede deducirse a partir de evidencias indirectas que se aprecian en la superficie. Una de tales evidencias es la presencia de volcanes geológicamente jóvenes (menores de un millón de años), puesto que algunos de ellos, particularmente los de composición ácida, suelen estar asociados a cámaras magmáticas no demasiado profundas, capaces de actuar como fuentes de calor.

Objetivos

El objetivo de este trabajo es explicar a grandes rasgos las características más importantes de la geotermia y su aprovechamiento actual en el campo geotérmico de Cerro Prieto – México, y realizar una comparación con el potencial geotérmico en el Sur del Perú, principalmente para la generación electricidad.

Resumen

Se presenta el siguiente estudio con el fin de evaluar a la energía geotérmica desde el punto de vista energético, y desarrollar un pequeño análisis del potencial geotérmico en el Perú.

Ya que no es posible encontrar información sobre proyectos, ya en funcionamiento en el Perú sobre la producción de energía eléctrica a partir de fuentes geotérmicas hemos tomado como caso estudio la central geotérmica de cerro prieto México, con el objetivo de temer una idea más clara sobre el funcionamiento de una central eléctrica a partir del calor producido por una fuente geotérmica.

Si bien el sur del Perú (Salinas, Andagua, Calaco, Aguas Calientes, Borateros, Tutupaca, y Challapalca) y todas las zonas que se encuentran dentro del cinturón de fuego tiene un potencial geotérmico muy grande, su desarrollo recién se encuentra en etapa explorativa.

Según el avance del Plan Maestro de Geotermia, existe un potencial cercano a los 3000 MW. Se sabe que el potencial de generación de energía hidroeléctrica es muy alto, sin embargo, la posibilidad de escasez de agua en el futuro no puede ser eliminada debido a los efectos del cambio climático. Bajo estas circunstancias, la ley para la promoción de la generación de electricidad con energías renovables fue promulgada en 2008. El objetivo de esta ley es lograr que el 5% de la generación total de electricidad sea hecha utilizando fuentes de energía renovables (solar, eólica, biomasa, geotérmica, pequeña hidroeléctrica (< 20 MW)). De acuerdo con esta ley, el gobierno deberá elaborar y revisar el plan nacional de desarrollo y aprovechamiento de energías renovables cada dos años. En cuanto a cerro prieto: El proyecto, que tiene una capacidad instalada de 720MW y planes para expandirla a 820MW, es el mayor parque geotérmico de América Latina y está ubicado en el estado mexicano de Baja California. Promovido por la eléctrica federal Mexicana CFE, el proyecto se compone de 5 centrales geotérmicas, 4 de ellas en operación. La central Cerro Prieto I tiene una capacidad total instalada de 180MW, generada por 4 unidades de 30,5MW y una de 30MW. Esta central entró en funcionamiento en 1981. La central Cerro Prieto II tiene una capacidad total instalada de 220MW a partir de 2 unidades de 110MW. Esta central funciona desde 1982. Cerro Prieto III también tiene una capacidad total instalada de 220MW generada por 2 unidades de 110MW cada una, y fue puesta en servicio en 1983. Por su parte, Cerro Prieto IV está compuesta por 4 turbinas, cada una con una capacidad de 25MW, y fue puesta en servicio en julio del 2000. Por último, Cerro Prieto V, propuesta en julio del 2009, añadiría otros 100MW al complejo a través de dos unidades de 50MW. Las firmas Mitsubishi y Toshiba han sido los proveedores de las turbinas usadas en el complejo.

CAPITULO I

Energía geotérmica en el Perú

El Perú forma parte del Círculo de Fuego del Pacífico, zona caracterizada por la ocurrencia de movimientos sísmicos, fenómenos tectónicos y elevada concentración de flujo tectónico. Por ello existen en el país numerosas fuentes termales con temperaturas entre 40° a 90° C, ubicadas principalmente en la Cordillera Occidental de los Andes y en el Altiplano Sur. Según OLADE, el Perú tendría 156 zonas geotérmicas identificadas; se han reconocido además más de 200 vertientes de agua caliente, así como fumarolas y algunos geysers con temperaturas cercanas a los 100° C (Aguinaga, 2006; Coviello, 2006; Battocletti, 1999). El mayor potencial geotérmico del Perú se encuentra en 6 regiones denominadas geotérmicas (MEM, 2002):

El Perú tiene abundantes recursos geotérmicos. Según el avance del Plan Maestro de Geotermia, existe un potencial cercano a los 3000 MW, pero esa información aún no ha sido actualizada por el cual se predice que esas cifras aumenten. Las regiones con abundancia de recursos geotérmicos están mayoritariamente localizadas en el la parte Sur del Perú.

Fuente: Plan maestro de energías renovables

• Dificultades a ser solucionadas para la Promoción del Desarrollo de la Generación Eléctrica Geotérmica.

• Aunque el Gobierno ha fijado un objetivo tal que en 2019 el 5% de la demanda de energía será suministrada por las energías renovables, incluida la energía geotérmica, la proporción de la contribución de cada fuente de energía renovable ni planes concretos para su desarrollo han sido formulados.

• El riesgo de encontrar los recursos y el elevado costo inicial elevado propio de desarrollo geotérmico, posiblemente puedan prevenir el avance del desarrollo del sector privado. Por lo tanto, es necesario considerar otras opciones tales como la mejora del marco legal de trabajo de electricidad actual o, llevar adelante la participación gubernamental en Proyectos de generación de energía geotérmica

• El sistema no ha sido calificado como medida eficaz para la promoción del desarrollo geotérmico por el sector privado ya que el precio de compra (el precio base en la oferta) no se ha examinado todavía.

• En el Perú no hay una base sólida de recursos humanos con capacidad de desarrollar la energía geotérmica para la generación de energía ni los usos múltiples del calor geotérmico

• Plan de Desarrollo Geotérmico

El plan integrado para el desarrollo de energía geotérmica en el Perú tiene como objetivo desarrollar 1.000 MW de energía eléctrica para el año 2030 y se elaboró de conformidad con los objetivos establecidos en las recomendaciones además de tener en cuenta el orden de importancia de campos geotérmicos. Los hitos en la "Hoja de Ruta" están establecidos de la siguiente manera: 570 MW en el año 2020, 820 MW en el año 2025, y 1.000 MW en 2030. Para la realización de estos objetivos, se debe realizar el manejo adecuado y dar las instrucciones adecuadas las actividades de exploración practicada por parte de empresas privadas. Por otra parte, es deseable que el Gobierno del Perú apoye o participe estudios y en las actividades de exploración si estos no funcionan con eficacia. Además, de ser necesario, la Hoja de Ruta debe ser revisada y actualizada, de acuerdo a los avances de la actividad de exploración y desarrollo.

CAPITULO II

Aplicaciones y tipos de la energía geotermica

La aplicación que se le puede dar aun fluido geotermal dependen de su contenido de calor, a lo que es lo mismo, de su entalpia.

Entalpia es la cantidad de energía térmica de un fluido, o un objeto, puede intercambiar con su entorno.

Como no existen aparatos que determinen directamente la entalpia de un fluido en el subsuelo, pero si existen sondas térmicas que miden la temperatura, y como la entalpia y la temperatura pueden considerarse, más o menos, proporcionales, la práctica habitual ha generalizado el empleo de las temperaturas delos fluidos geotermales en lugar de sus contenidos de calor, pues, al fin y al cabo, son las temperaturas las que determinan su futura aplicación industrial.

En la tabla se muestran las aplicaciones más importantes de la energía geotérmica con los rangos de temperatura de utilización, y en su parte inferior se establece una agrupación de la energía geotérmica entre diferentes intervalos de temperatura, en cuatro grandes tipos: muy baja, baja, media, alta temperatura.

• LA ENERGÍA GEOTÉRMICA Y DESARROLLO SOSTENIBLE

Dentro del grupo de las energías renovables, la energía geotérmica es muchas veces ignorada. Sin embargo, ya existía antes de que la expresión fuese inventada y mucho antes de que se hablara de desarrollo sostenibles, de gases de efecto invernadero o de lucha contra el cambio climático. A pesar de su antigüedad, o tal vez a causa de ella, no se beneficia de todo el interés que se merece.

El calor terrestre una fuente de energía duradera para la producción calor y de electricidad, que no depende de las condiciones climatológicas, de la estación anual, del momento del día ni del viento. La diversidad de s recursos geotérmicos permite un gran número de posibilidades de utilización.

La energía geotérmica representa una respuesta local, ecológica y eficiente para reducir costes energéticos.

• ENERGIA RENOVABLE

A la escala planeta la energía geotérmica es el recurso energético más grande que existe. aunque la tierra se enfría, pues evacua más calor que lo que produce, el ritmo de ese enfriamiento es de 130 °C cada mil millones de años. A causa del mecanismo de difusión térmica, la tierra está perdiendo hoy en superficie el calor que ella misma produjo en el pasado.

El calor de la tierra es ilimitado escala humana y estará disponible muchos años en sus yacimientos para las generaciones futuras, siempre que los recursos geotérmicos se hagan de forma racional, todo lo contrario que las energías fósiles que se agotan a medida que se extraen.

• ENERGIA LIMPIA

Ninguna instalación que emplee energía geotérmica precisa quemar combustible, por consiguiente, no contribuye a la emisión de gases de efecto invernadero.

Pero de alguna manera las emisiones atmosféricas producidas por las plantas son mínimas, cantidades pequeñas de CO2, y muy pequeñas cantidades de SO2, y no emiten óxidos de nitrógeno. La cantidad media de CO2 emitida por las centrales geo termoeléctrica en el mundo es de 55 g/kwh, mientras que una central de gas natural emite 10 veces más.

• ENERGIA ECONÓMICA

Un sistema de bomba de calor geotérmica para una casa individual supone un coste de inversión elevado, por regla general del doble de la instalación clásica de calefacción y refrigeración. Sin embargo, los costes de explotación son muchos más bajos que los de otros equipos, pues los costes de mantenimiento son generalmente muy reducidos y, fundamentalmente, por su rendimiento energético elevado reduce el consumo de la energía de pago.

Si bien la inversión inicial es elevada, el cote de explotación es bajo y cada vez será más competitivo con la explotación de las energías fósiles, donde los precios irán creciendo con el agotamiento delos recursos y las restricciones ambientales.

• ENERGIA CONTINUA

Contrariamente a la energía del solar o eólica, la energía geotérmica no depende del clima, de la radiación solar ni del viento. Está disponible las 24 horas del día, 365dias del año.

La energía geotérmica depende de las características intrínsecas del subsuelo (gradiente geotérmico, permeabilidad delas rocas, etc.), constantes para cada caso concreto, lo cual asegura una gran regularidad en su utilización. Los coeficientes de disponibilidad de las centrales geotérmicas eléctricas son del 90% de media, y en redes de calefacción se puede alcanzar al 100%

• ENERGÍA LOCAL

Por su propia naturaleza la energía geotérmica es una energía local, para consumir sobre el propio terreno. Esta es la respuesta más próxima para satisfacer las necesidades energéticas de calefacción, refrigeración y producción de agua caliente sanitaria.

Reduce la dependencia de importaciones energéticas y asegura la regularidad de abastecimiento, disminuye las perdidas energéticas derivadas del transporte de electricidad y la contaminación que provoca el transporte de combustible por la carretera.

La energía geotérmica ofrece oportunidades económicas para la implantación de nuevas industrias y favorecer el desarrollo local.

CAPITULO III

Producción de energia eléctrica

(Caso CERRO PRIETO – MEXICO) 5. Ubicación del proyecto La Planta de energía geotérmica Cerro Prieto es la 2ª mayor central de energía geotérmica en el mundo, con una capacidad instalada de 720 MW, con planes de expansión hasta 820 MW en 2012. La instalación, que utiliza turbinas de vapor, inició su construcción en 1958 y fue puesta en servicio en 1973. Está ubicada a aproximadamente 30 km. de distancia al sur-sureste de la mancha urbana de la ciudad de Mexicali, B. C, en el Valle de Mexicali, Baja California, muy cerca del volcán de Cerro Prieto, de donde esta central toma su nombre y está construida en cinco unidades individuales: CP1, CP2, CP3, CP4 y CP5.

5.1. Descripción del funcionamiento de la Central Cerro Prieto V

La generación de energía eléctrica en un proceso geotérmico, que se aprovecha el calor del subsuelo contenido en las rocas de origen volcánico que han calentado el agua al estar en contacto durante miles de años con esas rocas calientes, incrementando considerablemente su temperatura, el contenido de especies químicas disueltas y gases in-condensables como el bióxido de carbono y el ácido sulfhídrico. Con el tiempo, el agua tiende a alcanzar el equilibrio químico, isotópico y termodinámico. Parte del agua caliente presurizada pasa a la fase de vapor cuando asciende lentamente a la superficie en forma natural por convección, o muy rápidamente en forma artificial por las tuberías de los pozos geotérmicos; de tal forma, el fluido geotérmico que se extrae de un pozo profundo, está constituido por una mezcla de vapor, gases in-condensables y agua. La mezcla de agua y vapor que fluye en cada pozo se envía a un equipo que separa el agua del vapor de tipo ciclónico, instalado en la plataforma del pozo o en una plataforma de separación. La mezcla entra en este separador de manera helicoidal con respecto al cuerpo del equipo, induciéndole una fuerza centrífuga que separa las dos fases. El agua por tener mayor densidad adquiere mayor inercia que la del vapor, se pega a la pared del separador y por la acción de la gravedad cae a la parte inferior del equipo. El vapor separado fluye por la parte superior a través de un tubo central, para enviarse a la turbina por medio de un vaporducto diseñado y construido de acero al carbón y aislado térmicamente. Antes de ingresar a la turbina, el vapor se pasa a un equipo secador para eliminar la humedad residual que aún pudiera contener como producto de la condensación que se produce en los ductos durante el trayecto desde los pozos. La eficiencia de separación que se logra en estos equipos secadores es superior al 99%. El vapor seco resultante pasa a la turbina en donde, debido al salto entálpico que se produce por las diferentes condiciones de presión a la entrada y a la salida de la misma, se convierte en energía mecánica que hace girar al generador eléctrico acoplado a la turbina, el cual por fenómenos electromagnéticos produce la energía eléctrica. El vapor utilizado y descargado por la turbina, es enviado hacia el condensador para formar parte del agua de circulación del sistema de enfriamiento. El agua de circulación (agua caliente) que sale del condensador, es bombeada hacia la torre de enfriamiento para reducir su temperatura (agua fría) y poder utilizarla para condensar el vapor descargado de la turbina, estableciéndose así el ciclo de enfriamiento. La mayor parte de esta agua fría o de enfriamiento que se toma de la pileta de la torre, se utiliza para condensar el vapor proveniente de la turbina y de los eyectores del sistema de extracción de gases; la otra parte se utiliza para el enfriamiento de los sistemas auxiliares y de servicio que conforman la central (sistema de aceite de lubricación, enfriador del generador y sistema de vacío). Por la parte superior del condensador se extraen por medio de eyectores, los gases incondensables que fluyen mezclados con el vapor geotérmico desde el subsuelo hasta este punto. El sistema utiliza para su operación, parte del vapor seco que se envía a la turbina. Los gases extraídos se conducen a la torre de enfriamiento en donde se aprovecha el tiro inducido que producen los ventiladores para emitirlos a la atmósfera y favorecer así una buena dispersión; alternativamente, los gases se pueden descargar a través de tubos de venteo instalados en la central. Cuando la unidad se saca de servicio por falla o mantenimiento, el fluido geotérmico se desvía hacia un separador atmosférico (silenciador), en donde se reduce la presión del sonido a niveles permisibles y se separa la mezcla agua-vapor; el vapor se desfoga a la atmósfera por la chimenea del silenciador y el agua que sale por el fondo del equipo se conduce hacia la laguna de evaporación para posteriormente ser reinyectada al yacimiento geotérmico. Las turbinas cuentan con un sistema de aceite de lubricación y control. La función principal de este sistema es asegurar por una parte, la lubricación y enfriamiento de los rodamientos del turbogenerador, y por otra parte, proporcionar el aceite para el control electrohidráulico de cada unidad. El sistema de aceite de lubricación y control está compuesto de: un depósito de acero de capacidad determinada por el fabricante del turbogenerador, bombas de aceite principal, bombas de emergencia, un purificador de aceite portátil tipo centrífugo que alarga la vida útil del aceite de lubricación.

5.3. Características

• Cerro Prieto es el campo geotérmico más antiguo y más grande de México (1973).

• Se ubica en un graben provocado por dos fallas activas de movimiento lateral (Cerro Prieto y Falla Imperial) pertenecientes al sistema San Andrés.

• Los fluidos geotérmicos están contenidos en roca de tipo sedimentaria (Areniscas lenticulaes con arcillas intercaladas).

• Las unidades generadoras produjeron 4547 GWh durante el 2011con un factor de planta de 72%.

Figura Nº1: Central Geotérmica Cerro Prieto

Figura Nº2: Planta Geotérmica

5.4. Emisiones y control de residuos.

5.4.1. Emisiones de gases in-condensables a la atmósfera Para reducir las emisiones de H2S se utilizan condensadores de contacto directo y torre de enfriamiento, que mediante el contacto con el agua y las características químicas del condensado, parte del H2S es atrapado y oxidado a sulfato en un elevado porcentaje (alrededor del 50% del H2S es transformado a sulfato). Adicionalmente, se utilizará la red de monitoreo continuo que se encuentra operando en el campo geotérmico.

5.4.2. Emisiones de ruido Utilización de silenciadores para reducirlo a niveles permisibles.

5.4.3. Aguas residuales de proceso Se conducen a laguna de evaporación la totalidad de las aguas residuales geotérmicas por medio del sistema de canales de conducción y, de ahí, se regresan al yacimiento mediante pozos re-inyectores.

5.4.4. Aguas residuales sanitarias Se envían a una de las plantas de tratamiento de lodos activados (aireación extendida) ya existentes en el campo geotérmico.

5.5. Pozos inyectores Actualmente la reinyección en el campo de Cerro Prieto se realiza por gravedad (sin bombeo) y en frío. La salmuera separada de los pozos productores se envía por drenes o tuberías a la Laguna de Evaporación Solar-ubicada al occidente del campo, donde su temperatura se reduce y se depositan parte de los compuestos que lleva en solución, particularmente sílice. Después se toma la salmuera directamente de la laguna y se conduce hacia los pozos inyectores, utilizándose bombas cuando el pozo está alejado.

5.6. Capacidad anual de producción Como capacidad de producción, Cerro Prieto tiene 6307.2 GWh por año, operando las unidades al 100% de su capacidad durante las 24 horas del total de días en el año. La generación eléctrica de Cerro Prieto se entrega al sistema aislado del noroeste, que incluye las ciudades principales que a continuación se mencionan:

• San Luis R.C. Sonora

• Mexicali, B.C.

• Tijuana, B.C.

• Tecate, B.C.

• Ensenada B.C.

Conclusiones

• La geotermia es una fuente de energía que se emplea desde principios del siglo pasado en diversas aplicaciones turísticas, domésticas y agroindustriales y de manera directa para generar energía eléctrica. En México, la CFE la utiliza desde hace casi 35 años para satisfacer parte de la demanda nacional de electricidad de manera confiable, económicamente competitiva y sustentable.

• Los estudios de evaluación del comportamiento de los yacimientos geotérmicos de cada campo geotérmico en explotación, y su proyección a largo plazo, permiten definir el potencial adicional que es posible instalar en cada uno de ellos. Con base en esos estudios, la CFE ha programado la construcción de dos proyectos geo termoeléctricos adicionales en el campo.

Bibliografía

• http://www.osinergmin.gob.pe/newweb/uploads/Publico/II%20FORO%20REGIONAL%20ELECTRICIDAD%20TACNA%202011/VICTOR%20VARGAS-Energia%20Geotermica.pdf

• http://www.minem.gob.pe/minem/archivos/file/institucional/publicaciones/InformePlanEnerg%C3%ADa2025-%20281114.pdf

• http://wikimapia.org/15309105/es/Planta-de-Energ%C3%ADa-Geot%C3%A9rmica-Cerro-Prieto

• http://jornadabc.mx/tijuana/18-11-2015/relacionan-contaminacion-por-geotermica-con-cancer-y-asma

• http://www2.osinerg.gob.pe/EnergiasRenovables/contenido/IntroduccionEnergiasRenovables.html

Docente:

Dr. Sanchez Calle, Marco.

Autor:

Cruz Vega, Susy Beatriz.

Alberco Yacsavilca, Joel.