cordova zl

5/27/2018 Cordova Zl

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

DISEO DE UNA PLANTA GEOTRMICA DE

GENERACIN ELCTRICA DE 50MWTESIS

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE:INGENIERO MECNICO ELECTRICISTA

LUIS FELIPE CRDOVA ZAPATA

PROMOCION 2005-I

LIMA-PERU

2007


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DEDICATORIA

El presente trabajo lo dedico a mi querida madre por haberme apoyado a lo largo

de todos mis estudios universitarios, y quien ha estado a mi lado en los buenos y

malos momentos.


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NDICE

N Pgina

Prlogo.. (1)

CAPTULO 1: INTRODUCCIN.... (3)

1.1. Antecedentes.. (4)

1.2. Justificacin... (6)

1.2.1. Justificacin Social... (6)

1.2.2. Justificacin Econmica... (7)

1.2.3. Justificacin Tcnica.... (7)

1.2.4. Justificacin Ambiental.... (8)

1.3. Objetivos.... (9)

CAPTULO 2: DESCRIPCIN DE UNA PLANTA GEOTRMICA.... (10)

2.1. Energa Geotrmica.. (10)

2.2. Clasificacin de los Recursos Geotrmicos.. (17)

2.3. Fluidos Hidrotrmicos ... (18)

2.4. Aplicaciones de la Energa Geotrmica y sus Antecedentes. (20)

2.4.1. Aplicaciones Directas de los Recursos Geotrmicos (22)

2.4.2. Aplicaciones Indirectas de los Recursos Geotrmicos.. (30)

2.5. Generacin de Energa Elctrica (32)

2.5.1. Generalidades (32)

2.5.2. Sistemas de Generacin Elctrica.. (38)

2.6. Desarrollo Mundial de la Generacin Geotrmica de Electricidad (44)

2.7. Potencial Geotrmico Nacional.. (53)


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II

CAPTULO 3: FUNDAMENTO TERICO (61)

3.1. Descripcin tcnica de una Planta Geotrmica... (61)

3.1.1. Tipos de Plantas. (61)

3.1.2. Desempeo de las Plantas de Generacin.. (68)

3.2. Marco Legal Nacional (72)

CAPTULO 4: DISEO DE LA PLANTA... (74)

4.1. Consideraciones Preliminares. (75)

4.1.1. Consideraciones mecnicas.... (75)

4.1.2. Consideraciones fluido-termodinmicas (76)

4.1.3. Consideraciones ambientales. (76)

4.2. Clculos... (79)

4.3. Resultados... (88)

4.3.1. Ciclo termodinmico.. (88)

4.3.2. Seleccin de componentes (100)

CAPTULO 5: ESTUDIO ECONMICO-FINANCIERO (111)

5.1. Criterios para la Evaluacin Econmica (112)

5.2. Descripcin de Inversiones, Costos e Ingresos.. (113)

5.3. Evaluacin Econmica... (121)

5.4. Comentarios... (123)

5.5. Criterios para el Financiamiento (125)

5.6. Entes con capacidad de Inversin.. (128)

CONCLUSIONES (129)

BIBLIOGRAFA.. (131)

ANEXOS.. (135)


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III

NOMENCLATURA GENERAL

A continuacin se describe la nomenclatura usada en los clculos:

m = Flujo de masa, kg/s.

h = Entalpa, kJ/kg.

P = Presin, kPa.

s = Entropa, kJ/kgC.

= Volumen especfico, m3/kg.

T = Temperatura, C.

u = Enega interna, kJ/kg.

x = Calidad del fluido o fraccin del vapor en el fluido, sin unidades.

Rexv= Relacin de expansin en la vlvula de expansin, sin unidades.

at = Eficiencia adiabtica de la turbina, sin unidades.

Rexb= Relacin de expansin en la bomba de condensado, sin unidades.

ab = Eficiencia adiabtica de la bomba de condensado, sin unidades.

pP = Prdida de presin en el precalentador, kPa.

hpq

= Calor transferido del fluido geotrmico al precalentador, kW.

cpq = Calor transferido del precalentador al isopentano, kW.

vP = Prdida de presin en el vaporizador, kPa.

hvq = Calor transferido del fluido geotrmico al vaporizador, kW.

cvq = Calor transferido del vaporizador al isopentano, kW.

CP = Prdida de presin en el condensador, kPa.


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IV

bW = Potencia de la bomba, kW.

b = Eficiencia de la bomba de condensado, sin unidades.

tW = Potencia de la turbina, kW.

t = Eficiencia de la turbina, sin unidades.

m = Eficiencia mecnica, sin unidades.

g = Eficiencia del generador, sin unidades.

eW = Potencia elctrica, kW.


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PRLOGO

El presente trabajo tiene como objetivo principal disear una planta geotrmica

elctrica de ciclo combinado, con una turbina de dos etapas y a potencia instalada de

50 MW.

El alcance del diseo es el estudio del ciclo termodinmico y la seleccin de los

componentes de la planta geotrmica de generacin elctrica. El enfoque del trabajo

es mixto, predominantemente se desarrolla una investigacin de la energa

geotrmica y se realizan los clculos respectivos para la seleccin de equipos.

El punto de partida del presente proyecto es el estudio preliminar de los recursos

geotrmicos en nuestro pas que realiz el Ministerio de Energa y Minas a travs de

la Direccin General de Electricidad y, en coordinacin con la Comisin Econmica

para Amrica Latina y El Caribe (CEPAL).

En el primer captulo se realiza una introduccin, la cual se basa en los

antecedentes, la justificacin y se explica el objetivo del presente proyecto.

En el segundo captulo se instruye al lector con conceptos bsicos sobre energa

geotrmica, clasificacin de los recursos geotrmicos, fluidos hidrotrmicos, las

aplicaciones de la energa geotrmica y sus antecedentes, la generacin de energa

elctrica, el desarrollo mundial y el potencial geotrmico nacional.


8/145

2

En el tercer captulo se explica el fundamento terico del diseo de la planta, el

cual contiene la descripcin tcnica de una planta geotrmica y el marco legal

nacional.

En el cuarto captulo se describe el diseo de la planta, teniendo en cuenta unas

consideraciones preliminares, para luego realizar los clculos y presentar los

resultados.

Y en el quinto captulo, se realiza un estudio econmico-financiero, para lo cual se

explican los criterios para la evaluacin econmica, se describen las inversiones, los

costos e ingresos para luego realizar la evaluacin econmica, tambin se mencionan

los criterios para el financiamiento y los entes con capacidad de inversin para

concluir demostrando la viabilidad de la generacin de energa elctrica utilizando

recursos geotrmicos de nuestro pas.

El presente documento es de valiosa utilidad en varios aspectos. Desde el punto de

vista acadmico, es una obra de consulta para estudiantes y profesionales de

ingeniera que deseen iniciarse en el interesante mundo de la generacin elctrica con

el uso de recursos geotrmicos. A nivel industrial, los recursos geotrmicos se

pueden emplear en diferentes actividades industriales, las cuales se detallan en el

presente proyecto.

Un especial agradecimiento al Centro Cultural Pablo Boner (CCPB) y al Centro de

Investigacin y Desarrollo de Ingeniera Mecnica Elctrica (CEDIME), por el

apoyo brindado durante la realizacin del presente proyecto y por su colaboracin a

mis compaeros Maikol Alexandr Aira Falcn y Diego Marco Antonio Trinidad

Yupa.


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3

CAPTULO 1

INTRODUCCIN

Mediante el presente trabajo denominado Diseo de una Planta Geotrmica de

Generacin Elctrica de 50 MW se espera demostrar la viabilidad de la generacin

de energa elctrica utilizando recursos geotrmicos de nuestro pas en el campo

geotrmico de Borateras (provincia de Tarata, departamento de Tacna).

Tiene la siguiente presentacin capitular:

CAPTULO 1: INTRODUCCIN, es la presentacin del proyecto, donde se

indica el propsito de la tesis, lo que se espera demostrar.

CAPTULO 2: DESCRIPCIN DE UNA PLANTA GEOTRMICA, describe

algunos conceptos sobre la energa geotrmica que el lector debe conocer

previamente, para la comprensin del contenido de la obra.

CAPTULO 3: FUNDAMENTO TERICO, contiene la estructura terica en

que se basa el diseo de la planta geotrmica de generacin elctrica.

CAPTULO 4: DISEO DE LA PLANTA, describe en forma detallada los

criterios de seleccin de cada uno de los componentes de la planta geotrmica.

CAPTULO 5: ESTUDIO ECONMICO-FINANCIERO, se realiza una

evaluacin econmico-financiera para demostrar que es viable el proyecto.


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4

1.1. Antecedentes

La produccin elctrica en el pas ha dado un crecimiento a partir de la dcada de

1970, hasta antes de la cual nuestra potencia de generacin instalada era de tan solo

863 MW. Desde ese entonces la produccin elctrica ha ido en aumento hasta llegar

a nuestro parque energtico actual, el cual alcanza los 6200 MW de potencia

instalada. En la Figura 1.1 se muestra la evolucin de la potencia instalada en el pas

desde la dcada de 1970.

Evolucin de la potencia instalada

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

Ao

MW

Figura 1.1EVOLUCIN DE LA POTENCIA INSTALADA EN EL PAS

Elaboracin propia a partir del Anuario estadstico electricidad 2005 [1]

Actualmente nuestra potencia instalada bordea los 6200 MW esta potencia es

asumida de distinta manera por las diversas centrales existentes en el pas y la

produccin de energa elctrica de 25414 GW.h

En la Figura 1.2 se muestra la distribucin de la potencia instalada y de la

produccin de energa elctrica en funcin al tipo de central elctrica.


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5

Figura 1.2POTENCIA INSTALADA Y PRODUCCIN DE ENERGA

ELCTRICA EN FUNCIN DEL TIPO DE CENTRAL ELCTRICA

Situacin de la Geotermia en el Per [26]

La energa trmica almacenada en el interior del planeta tiene un potencial

energtico enorme, clculos cientficos indican que apenas el 1% del calor contenido

en 10 Km2 de la tierra equivale a 500 veces la energa contenida por el petrleo

existente en el mundo1, a su vez es un recurso benigno y considerado bajo ciertas

condiciones como renovable, que va de acuerdo con el control del medio ambiente y

que asegura una buena conservacin del mismo por las bajas emisiones de CO2.

El aprovechamiento de los recursos geotrmicos de nuestro pas permitir tener una

fuente ms de energa que favorecer al desarrollo de diversas regiones de extrema

pobreza, brindando muchas oportunidades desde diferentes aspectos, como tambin

mejorar las condiciones de vida.

1Fuente: Fundamento del proyecto de la Ley N 28546 16/06/05 Ley de Promocin y Utilizacin deRecursos Renovables No Convencionales en zonas rurales, aisladas y de frontera del pas.


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6

En el sur de nuestro pas existe un potencial geotrmico aprovechable, pero que

an no ha sido cuantificado con exactitud. La explotacin de los recursos

geotrmicos debe ser orientado principalmente a la generacin de energa elctrica,

debido a la lejana de las zonas potenciales que hace difcil aprovechar directamente

el calor para aplicacin directa, como calefaccin. El proyecto brinda un estudio y un

anlisis del aprovechamiento de estos recursos en la generacin de electricidad.

1.2. Justificacin

1.2.1. Justificacin Social

La justificacin social del presente proyecto se basa en los beneficios que

producira la construccin de una central geotrmica. Los beneficios sociales seran

los siguientes:

La energa geotrmica constituye una alternativa de diversificacin de la

matriz energtica en el pas, evitando la dependencia a sistemas basados en

energticos del tipo fsil.

En los ltimos aos el Per y los dems pases de Latinoamrica, estn

difundiendo el uso de energas renovables, los motivos son variados,

humanitarios, polticos, comerciales, etc., por iniciativa propia de los

gobiernos y por la cooperacin internacional. En fin todo esto nos permite

tomar conciencia del uso de las energas renovables, lo que est haciendo

fcil la introduccin de tecnologas que las aprovechen . Todo este panorama

est preparando el terreno para que la energa geotrmica se difunda a nivel

nacional.


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1.2.2. Justificacin Econmica

La justificacin econmica de una central geotrmica se debe a la evaluacin

de su costo marginal, ya que las centrales en nuestro pas despachan energa

de menor a mayor costo marginal. El costo marginal de una central elctrica

es prcticamente el costo del combustible empleado para producir energa

elctrica; como en una central geotrmica el combustible utilizado proviene

de la naturaleza, entonces su costo marginal es muy bajo, por lo que

desplazara a otras tecnologas empleadas para la generacin elctrica.

El estado peruano a travs del Ministerio de Energa y Minas promueve y

fomenta el desarrollo de recursos renovables y/o no convencionales pudiendo

dar inclusive la oportunidad de despachar en base para recibir mayores pagos

por energa.

A nivel mundial y tambin en nuestro pas existe la iniciativa de resolver la

dependencia de los combustibles fsiles ya que estos en los ltimos aos se

han vuelto cada vez ms escasos incrementando su precio por lo que bajo

proyecciones puede llegar a concluir en un dficit energtico. Es por lo

anteriormente mencionado que se busca utilizar tecnologas no

convencionales para la generacin de energa incrementando as la matriz

energtica.

1.2.3. Justificacin Tcnica

La estructura y composicin de una planta geotrmica es muy similar a la de

una planta termoelctrica de vapor, teniendo como diferencias la fuente de


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8

calor y separadores de fase principalmente, por lo que se puede asegurar su

repotenciacin dependiendo tan solo de la disponibilidad de recursos.

Los flujos residuales de la planta geotrmica pueden ser empleados en

diversas aplicaciones en donde se aproveche la composicin qumica de los

fluidos as como el calor remanente.

Las centrales geotrmicas no presentan aspectos crticos en su operacin al

contrastarlas con centrales trmicas convencionales y de ciclo combinado.

1.2.4. Justificacin Ambiental

El uso de tecnologa geotrmica es un medio eficiente para minimizar la

contaminacin en la produccin de energa. Una planta de este tipo produce

1/6 de las emisiones de CO2 de una central trmica a gas natural por kWh

producido, por lo que generalmente cumple con los lmites de emisin

establecidos. Este tipo de yacimientos utiliza vapor cuya composicin incluye

gases no condensables, tales como CO2, H2S, NH3, CH4, N2y H2en valores

entre 2.5 y 47 g/kg (gramos de contaminante por kg de vapor). Adems, este

tipo de centrales no contamina (NOx) ni (SOx). En este contexto, el problema

de contaminacin del aire no aparece como crtico en los proyectos

geotrmicos, anticipndose que debieran cumplir con los lmites de emisiones

existentes en la normativa.

Para un proyecto de esta envergadura se debe realizar un estudio de impacto

ambiental, para mostrar que los factores de contaminacin son casi nulos,

como lo son las emisiones de CO2, las emisiones de H2S, emisiones de NOx.


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9

El Estudio de Impacto Ambiental es una evaluacin que analiza la interaccin

presente o futura de la central geotrmica con el medio ambiente.

Se tendr en cuenta un plan de gestin ambiental el cual se har cargo del

manejo ambiental del proyecto el cual contiene diversos componentes,

incluyendo medidas de mitigacin de impactos ambientales durante la

construccin y operacin del proyecto, control de calidad, salud y seguridad

ocupacional, planes de contingencia, programas sociales y desactivacin de la

planta.

1.3. Objetivos

Los objetivos de este trabajo son:

Disear una planta geotrmica elctrica de ciclo combinado, con una turbina

de dos etapas y a potencia instalada de 50 MW.

Demostrar la viabilidad de la generacin de energa elctrica utilizando

recursos geotrmicos de nuestro pas en el campo geotrmico de Borateras

(provincia de Tarata, departamento de Tacna).


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CAPTULO 2

DESCRIPCIN DE UNA PLANTA GEOTMICA

2.1. Energa Geotrmica

El calor es una forma de energa y la energa geotrmica es el calor contenido en el

interior de la Tierra que genera fenmenos geolgicos a escala planetaria; el trmino

energa geotrmica es a menudo utilizado para indicar aquella porcin del calor de la

Tierra que puede o podra ser recuperado y explotado por el hombre; en este sentido

utilizaremos dicho trmino.

La tierra se define como un sistema de fluidos en mutua interaccin. La Tierra

tiene distintas formas de energa intrnseca. Entre ellas, las de mayor inters son la

cintica, elstica y trmica, entre las cuales adems existe un intercambio

permanente. La geotermia corresponde a la energa trmica interna de la Tierra. La

tecnologa actual permite diversas formas de aprovechamiento de esta energa con el

fin de convertirla en energa til (calor, electricidad).

La evidencia visual del calor interno de la Tierra la proporcionan fenmenos

naturales como los volcanes, giseres, fumarolas, manantiales de agua caliente y las

pozas de lodo hirviente (Figura 2.1)


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11

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figura 2.1EVIDENCIA VISUAL DEL CALOR INTERNO DE LA TIERRA

(a) VOLCN, (b) GISER, (c) FUMAROLA, (d) MANANTIAL DE AGUA

CALIENTE, (e) POZA DE LODO HIRVIENTEIntroduction to Geothermal Energy Slide Show [14]


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12

Este calor proviene del ncleo de la Tierra, ubicado aproximadamente a 6000

kilmetros de profundidad que posee una temperatura aproximada de 5000 C

(Figura 2.2) y que est constituido por un ncleo externo de materia fluida y otro

ncleo interno de hierro slido.

Figura 2.2 DISTRIBUCIN APROXIMADA DE TEMPERATURAS EN EL

INTERIOR DE LA TIERRA (C / KILOMETRO).Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]

Figura 2.3 CAPAS DE LAS QUE ESTA COMPUESTA LA SUPERFICIE Y EL

INTERIOR DE LA TIERRAWhat is Geothermal Energy? [35]


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13

Se puede afirmar que el origen del calor terrestre est relacionado con la formacin

de la Tierra. La corteza terrestre acta como una especie de aislante de las capas

interiores, primero el manto y luego el ncleo (Figura 2.3).

Segn estudios cientficos el calor interno de la Tierra se debe principalmente a los

elementos radiactivos, como potasio, uranio y torio; como tambin al calor residual

de la formacin de la Tierra y a los impactos de meteoritos.

A partir del calor que produce nuestro planeta, la teora llamada tectnica de placas

explica los fenmenos geofsicos que se presentan en la superficie, tales como sismos

y volcanes, mediante este mecanismo se lleva el calor del interior a la superficie. La

corteza de nuestro planeta est constituida de grandes placas de roca que se deslizan

unas sobre otras (Figura 2.4).

Figura 2.4 ESTRUCTURA INTERNA DE LA TIERRA Y LOS FENMENOS

QUE SE PRODUCEN POR EL MOVIMIENTO DE LAS PLACAS TECTNICAS.

What is Geothermal Energy? [35]


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14

La corteza terrestre tiene un grosor de unos 5 km bajo los ocanos y de entre 30 a

40 km bajo los continentes. El manto se encuentra debajo de la corteza y tiene un

grosor de 2900 km. Entre la corteza y el manto existe una discontinuidad ssmica

notable, debido probablemente al cambio de composicin. En los ltimos estudios de

la geologa se ha desarrollado un nuevo concepto para el volumen desde la parte ms

externa de la Tierra hasta una profundidad del orden de centenas de km (Modelo del

planeta formado por tectnica de placas). (Figura 2.5)

Figura 2.5 MODELO DE UN SISTEMA GEOTRMICO.


Es a lo largo de los lmites de separacin y convergencia de las placas donde ocurre

el flujo de calor terrestre anormal. La transferencia de grandes cantidades de calor

mediante magmas generados en el manto lleva energa a niveles superiores de la

corteza. A partir de estas fuentes de calor se desarrollan los sistemas geotrmicos.


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15

Generalmente una placa ocenica se mete abajo de una continental, provocando

fracturas en las rocas por donde pueden escapar gases y vapores de magma, slice

(Si02) y minerales con hierro y magnesio, formndose burbujas magmticas que

llegan a las proximidades de la superficie. Mayormente los restos del magma, pero a

veces toda, asciende a la superficie terrestre, denominndosele lava.

El agua que se ha filtrado por las fisuras de la corteza, a lo largo de aos, y que se

encuentra cerca de una cmara magmtica se calienta progresivamente, y que

muchas veces viajar a la superficie de la Tierra formando giseres o resortes

calientes. Este recaudo natural de las rocas de agua caliente se denomina depsitos

geotrmicos (Figura 2.6), o tambin acuferos de agua caliente. Estos depsitos

pueden usarse para producir energa geotrmica.

Figura 2.6 ESQUEMA GRFICO APROXIMADO DE UN DEPSITO

GEOTRMICOLa Geotermia: Tetera Natural [17]


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16

Por tanto la energa geotrmica es el calor de la Tierra que es liberado por

conduccin a un flujo promedio mundial de 82 mW/m2, el cual corresponde a un

flujo de 99 mW/m2en los fondos ocenicos y a 57 mW/m2en los continentes. Este

calor natural se manifiesta normalmente en el aumento de la temperatura con la

profundidad, siendo el gradiente promedio a nivel mundial del orden de 30 C/km,

Sin embargo, las variaciones de la temperatura no son las mismas en todos los

lugares de la Tierra. De esta forma, a profundidades que oscilan entre 0 y 10 km se

puede encontrar un acufero, en el cual potencialmente puede haber agua caliente,

vapor de agua o ambos (Figura 2.7).

Figura 2.7 APROXIMACIN MATEMTICA DEL INCREMENTO DE

TEMPERATURA (C) CON EL INCREMENTO DE PROFUNDIDAD (km)

La Energa Interna de la tierra [16]


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17

2.2. Clasificacin de los Recursos Geotrmicos

De acuerdo a los estudios hasta hoy realizados hay cuatro clases de recursos

geotrmicos que estn disponibles para ser usados como fuentes de energa, y son:

a) Los fluidos hidrotrmicos.

b) La roca seca caliente (HDR).

c) Los fluidos geopresurizados.

d) El magma.

a) Los fluidos hidrotrmicos

Estos recursos se forman cuando agua caliente y/o vapor se alberga en la roca

fracturada o porosa bajo las profundidades de la corteza terrestre, de 100 m a 4.5 km,

como el resultado de la intrusin en la corteza terrestre del magma y la circulacin de

agua a esas profundidades o cercanas a las mismas en una falla o fractura, con

temperaturas desde 18C hasta los 400C. Los recursos de alto grado se usan

comnmente para la generacin de electricidad, y los recursos de bajo grado se usan

en aplicaciones de calefaccin directa.

b) La roca seca caliente (HDR)

La roca seca caliente es una formacin geolgica caliente formada del mismo

modo como los fluidos hidrotrmicos, pero sin ningn contenido de agua. Este

recurso es tericamente ilimitado y es ms accesible que los recursos hidrotrmicos.

El concepto para utilizar la energa geotrmica en rocas secas calientes est en

crear un depsito geotrmico artificial perforando pozos mellizos profundos en la

roca. El agua de la superficie se hace circular a inyeccin en el depsito creado (el

que calienta el agua). Hay mucha potencialidad en esta tecnologa, pero an no s ha

desarrollado adecuadamente para su uso comercial.


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18

c) Fluidos presurizados (Geopressured)

Estos recursos geotrmicos estn compuestos de salmuera caliente con metano,

encontrados entre grandes capas conductoras de aguas freticas profundas. El agua y

el metano se atrapan en formaciones sedimentarias a una profundidad de 3km a 6km.

La temperatura del agua est entre 90C y 200C. Tres formas de energa pueden

obtenerse de los fluidos geopresurizados:

La energa trmica (alta temperatura).

La energa hidrulica (alta presin).

La energa qumica (combustin del metano)

d) El magma

Es el recurso geotrmico de mayor potencial. Es la roca fundida encontrada a

profundidades de 3 km a 10 km, y mayores profundidades, por lo que no es

accesible. Tiene una temperatura que oscila desde 700 a 1200 C. A la fecha no se ha

desarrollado la tecnologa necesaria para explotar estos recursos, siendo estas

limitaciones las mayores causales que no permiten su aprovechamiento.

2.3. Fluidos Hidrotrmicos

Los antecedentes aportados por las investigaciones geolgicas, geofsicas y

geoqumicas de una gran cantidad de sistemas geotrmicos permiten construir un

modelo bsico de la estructura de estos sistemas (Figura 2.8). An cuando cada

sistema difiera en cierta medida de los otros, su ocurrencia est condicionada por los

siguientes factores bsicos:


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a) Fuente de Calor:Corresponde generalmente a materia magmtica a unos 600-

900 C ubicado a menos de 10 Km de profundidad, desde el cual se trasmite el

calor a las rocas circundantes.

b) Recarga de agua: El agua meterica o superficial debe tener la posibilidad de

infiltrarse en el subsuelo, a travs de fracturas o rocas permeables, hasta

alcanzar la profundidad necesaria para ser calentada.

c) Reservorio: Es el volumen de rocas permeables a una profundidad accesible

mediante perforaciones, donde se almacena el agua caliente o el vapor, a travs

de los cuales se aprovecha el calor.

d) Cubierta impermeable: Impiden el escape de los fluidos hacia el exterior del

sistema, usualmente corresponde a rocas arcillosas o a la precipitacin de sales

de las mismas fuentes termales.

Figura 2.8 FACTORES NECESARIOS PARA LA FORMACIN DE CAMPOS O

SISTEMAS GEOTERMALESLa Energa Geotrmica: Posibilidades de Desarrollo en Chile [15]


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20

Los fluidos hidrotrmicos que conforman los campos geotrmicos se clasifican en:

a) Reservorios geotrmicos de alta temperatura (150-400 C): Son tambin

conocidos como campos hipertrmicos, utilizados ampliamente en la

generacin de energa elctrica. Estos se pueden clasificar tambin en campos

hmedos o de lquido dominante y los campos secos o de vapor dominante.

b) Reservorios geotrmicos de media temperatura (70-150 C): Son tambin

conocidos como campos semitrmicos, son tambin utilizados en la generacin

elctrica utilizando un fluido de trabajo ms voltil que el agua.

c) Reservorios geotrmicos de baja temperatura (20-70 C): Son tambin

conocidos como acuferos de bajo grado, y son utilizados generalmente en usos

directos.

De acuerdo a cada una de estas clases de fluidos hidrotermales se emplea el

respectivo tipo de tecnologa para su uso directo e indirecto.

2.4. Aplicaciones de la Energa Geotrmica y sus Antecedentes

La generacin de electricidad es la forma de utilizacin ms importante de los

recursos geotrmicos de alta temperatura (> 150C). Los recursos de temperatura

media a baja (< 150C), son apropiados para muchos tipos diferentes de utilizacin.

El diagrama clsico de (Lindal, 1973; Figura 2.9), que muestra los posibles usos de

los fluidos geotermales de diferentes temperaturas, an se mantiene vlido, pero la

generacin de electricidad mediante plantas de ciclo binario puede actualmente

permitir la utilizacin de fluidos sobre 85C.


27/145

21

Figura 2.9 APLICACIONES DE LA ENERGA GEOTRMICA, DIAGRAMA DE

LINDAL, 1973


El lmite inferior de 20C esta solamente sobrepasado en condiciones muy

particulares, especialmente mediante el uso de bombas de calor. El diagrama de

Lindal enfatiza dos aspectos importantes de la utilizacin de los recursos geotrmicos

(Gudmundsson, 1988): (a) con usos combinados y en lnea es posible mejorar la

factibilidad de un proyecto geotrmico y (b) la temperatura del recurso puede limitar

los posibles usos. Los diseos existentes para procesos termales pueden sin embargo,

modificarse para la utilizacin de los fluidos geotermales en ciertos casos, ampliando

as su campo de aplicaciones.

Podemos clasificar didcticamente las aplicaciones de los recursos geotrmicos en

aplicaciones directas e indirectas.


28/145

22

2.4.1. Aplicaciones Directas de los Recursos Geotrmicos

Son aplicaciones directas aquellas en donde en principio se utiliza el calor de los

recursos geotrmicos, como tambin la utilizacin de las sustancias que liberan estas

fuentes. Por lo que tenemos a las siguientes:

a) Balneologa

Si bien los antiguos que habitaban en las regiones termales del mundo tenan temor

a las manifestaciones ms violentas del calor terrestre, como los volcanes y, por lo

tanto tendan a evitarlas, no tardaron mucho para explotar los fenmenos termales

ms benignos, en su beneficio, como los manantiales de agua caliente, que los han

utilizado los etruscos durante siglos para el aseo, as como romanos, griegos, turcos,

mexicanos, japoneses, maores y sin duda otros pueblos. As naci la industria de la

balneologa, la aplicacin ms antigua del calor de la Tierra. (Figura 2.10).

Figura 2.10 BALNEOLOGA

Geothermal Energy [10]

b) Servicio domstico

Los maores adaptaron los fenmenos geotrmicos a sus necesidades domsticasdesde que se establecieron en Nueva Zelanda en el siglo XIV.


29/145

23

Y su forma de vida rural tradicional en las reas termales puede atestiguarse en la

actualidad, las simples tareas domsticas se efecta con fluidos naturales a las

temperaturas apropiadas.

c)Cultivos agrcolas y acuicultura

Otra aplicacin floreciente del calor terrestre fue practicada por primera vez en

Islandia, utilizando aguas calientes naturales para calentar invernaderos en los que se

cultivaban vegetales, fruta, hongos y flores en un pas en el que tales productos no

podan cultivarse debido al clima inhspito prevaleciente (Figura 2.11).

(a) (b)

(c)

Figura 2.11 (a) EXTERIOR DE LOS INVERNADEROS, (b) INTERIOR DE LOS

CULTIVOS EN UN INVERNADERO, (c) PESCADOS CRIADOS EN

ESTANQUES ACONDICIONADOS CON FUENTES GEOTERMALES.Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]


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24

Los EE. UU., Italia, Japn y Nueva Zelanda han desarrollado esta clase de cultivos

hasta cierto grado en aos ms recientes, y la aplicacin del calor de la tierra a la

agricultura se ha extendido a la cra de animales, el calentamiento del suelo, la cra

de peces, la produccin de leche, la incubacin de huevos, la cra de gallinas y la

biodegradacin de los desechos del campo.

d) Extraccin de minerales

Otra aplicacin muy temprana de la actividad trmica natural fue para la obtencin

de minerales. Los etruscos extraan cido brico de los manantiales hirvientes,

conocidos ms adelante como lagoni, se recupera azufre elemental de fumarolas en

Japn y Taiwan, se extraen cido sulfrico y sales de amonio de fluidos termales en

Japn e Italia; se han producido sal comn y cloruro de calcio de salmueras calientes

recuperadas de abajo de la arena del Mar Salton en el sur de California presentes en

los fluidos geotermales.

e) Industria

La palabra 'industria' abarca por supuesto una gama muy amplia de actividades,

muchas industrias son grandes consumidoras de calor, requiriendo algunas calor de

alto grado, pero muchas ms slo de bajo grado, se ha producido una expansin

continua. La primera aplicacin industrial de gran escala del calor geotrmico fue

iniciada en los aos cincuenta en Kawerau, Isla del Norte, Nueva Zelanda, en donde

los Molinos Tasman de Pulpa y Papel han venido produciendo papel durante muchos

aos, particularmente papel para peridico.

f) Calefaccin urbana o domiciliaria y circuitos de agua caliente

Ms o menos simultneamente al desarrollo importante del campo Larderello en

Italia para generacin de potencia, Islandia inici una explotacin en gran escala de


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25

su calor terrestre para calefaccin distrital y suministro domstico de agua caliente,

no en la escala pequea que ya se haba practicado por siglos en diversas partes del

mundo, sino como un sistema de suministro pblico en gran escala similar a las redes

de distribucin de electricidad y gas de las grandes ciudades (Figura 2.12).

Figura 2.12 SISTEMA DE CALEFACCIN DISTRITAL CON FUENTES

GEOTERMALES.

Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]

La calefaccin ambiental y distrital ha tenido un gran desarrollo en Islandia, donde

la capacidad total de los sistemas de calefaccin distrital ha aumentado a unos 1200

MWt a fines de 1999 (Figura 2.13), Esta forma de calefaccin est ampliamente

distribuida en los pases de Europa Oriental, como tambin en Estados Unidos,

China, Japn, Francia, etc.


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26

Figura 2.13 SISTEMA GEOTERMAL DE CALEFACCIN DISTRITAL DE

REYKYAVIK.


En los comienzos del siglo XX, se estableci un esquema distrital piloto de

calefaccin hacia 1930 en la ciudad capital de Reikiavik para alimentar alrededor de

70 casas, dos albercas pblicas, una escuela y un hospital. En 1943 no menos de

2300 casas reciban tal suministro. Luego se perforaron nuevas reas, algunas dentro

de los linderos de la ciudad, y gradualmente creci el sistema hasta que hacia 1975,

el 99% de los edificios de Reikiavik estaban alimentados con calor para el servicio

domstico, comodidad de la que ahora disfrutan alrededor de 100000 personas.

En los Estados Unidos tambin ha habido pequeos sistemas de calefaccin

pblica que utilizan el calor de la Tierra. En Bois, Idaho, el rea residencial de

Warm Springs tena calefaccin domstica (Figura 2.14) gracias a medios

geotrmicos en 1890, mientras que en las Cataratas Klamath, en Oregn, se tiene

calefaccin domstica de origen geotrmico desde el inicio del siglo y est ahora enproceso de expansin rpida.


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27

Figura 2.14 SISTEMA SENCILLO DE CALEFACCIN DOMICILIARIA.


g) Refrigeracin y aire acondicionado

La refrigeracin es una opcin factible de utilizar geotermia mediante la adaptacin

de equipos de absorcin. La tecnologa de estos equipos es bien conocida y se

encuentra a disposicin en el mercado. El ciclo de absorcin es un proceso que

utiliza calor como fuente de energa en vez de electricidad. El efecto de refrigeracin

se logra mediante la utilizacin de 2 fluidos: un refrigerante, que circula, se evapora

y condensa, y un segundo fluido o absorbente. Para aplicaciones sobre 0C

(principalmente en refrigeracin y procesos de aire acondicionado), el ciclo utiliza

bromuro de litio como absorbente y agua como refrigerante. Para aplicaciones bajo

0C se emplea un ciclo de amonaco/agua, con amoniaco como refrigerante y agua

como absorbente, los fluidos geotermales proporcionan la energa geotrmica que

alimenta estos equipos, a pesar que su eficiencia disminuye con temperaturas

menores que 105C.


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28

El aire acondicionado geotermal (calefaccin y enfriamiento) ha tenido una

considerable expansin desde los aos 1980, conjuntamente con la introduccin y

generalizacin del uso de bombas de calor . Los diferentes sistemas de bombas de

calor disponibles permiten extraer y utilizar econmicamente el calor contenido en

cuerpos de baja temperatura, tales como suelos, acuferos someros, lagunas etc.

(Figura 2.15).

Figura 2.15 APLICACIN TPICA DE SISTEMA DE BOMBA DE CALOR.


Las bombas de calor son mquinas que mueven el calor en una direccin opuesta a

la direccin que tendera naturalmente, esto es, desde un espacio o cuerpo fro a uno

ms temperado. Una bomba de calor efectivamente no es ms que una unidad de

refrigeracin. Cualquier artefacto de refrigeracin transmite el calor desde un espacio

(para mantenerlo fro) y descarga este calor a espacios de mayores temperaturas. La


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29

nica diferencia entre una bomba de calor y una unidad de refrigeracin es el efecto

deseado, enfriamiento para la unidad de refrigeracin y calefaccin para la bomba de

calor. Un segundo factor distintivo de muchas bombas de calor es que son reversibles

y pueden proporcionar ya sea calor o fro al espacio. Las bombas de calor, por

supuesto, necesitan energa para operar pero en condiciones climticas apropiadas y

con un buen diseo, el balance energtico sera positivo (Figura 2.16).

Figura 2.16 ESQUEMA DE UNA BOMBA DE CALOR EN CALEFACCIN.


Los sistemas de bombas de calor del tipo acoplado al suelo y acoplado al agua han

sido instalados en gran nmero, en 27 pases y totalizan una capacidad termal de

6875 MWt (ao 2000). La mayora de estas instalaciones estn en USA (4800 MWt),

Suiza (500 MWt), Suecia (377 MWt), Canad (360 MWt), Alemania (344 MWt) y

Austria (228 MWt). En estos sistemas se utilizan acuferos y suelos con temperaturas

en un rango de 5 a 30C.


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30

2.4.2. Aplicaciones Indirectas de los Recursos Geotrmicos

Son aplicaciones indirectas en donde los recursos geotrmicos, con sus

propiedades, son transformados en otro tipo de energa, es decir generacin de

energa elctrica. Tuvo su primera manifestacin con el invento del Prncipe Piero

Ginori Conti en Larderello (Italia) en 1904. Primero se hicieron intentos de utilizar

mquinas de vapor reciprocantes alimentadas con vapor de agua natural, pero

tuvieron corta vida debido al intenso ataque qumico. Despus, se utilizaron como

paso inicial intercambiadores de calor y ms adelante se mejor la calidad de los

materiales usados en la manufactura de las unidades impulsoras primarias de manera

que pudiera usarse el vapor de agua natural directamente sin incurrir en las prdidas

inherentes al uso de los intercambiadores de calor y as fueron superndose

gradualmente los problemas qumicos de la planta geotrmica de generacin elctrica

(Figura 2.17).

Figura 2.17 VISTA DE UNA PLANTA GEOTRMICA DE GENERACIN

ELCTRICA.



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31

En 1913 se puso en servicio una estacin de fuerza de 250 kW, y de all en adelante

tuvo lugar una expansin continua en cuanto al tamao y nmero de unidades

generadoras hasta que en los primeros aos de la dcada de 1940 unos 130 MW en

plantas de potencia geotrmica en Toscana alimentaban el sistema italiano de

ferrocarriles elctricos. En la actualidad hay un complejo de varias plantas

geotrmicas con una capacidad instalada total que sobrepasa los 400 MW, que

alimenta energa a la red integrada de la organizacin del estado italiano Ente

Nazionale per l'Energia Elettrica, conocida comnmente como 'ENEL'.

El gobierno de Nueva Zelanda inici una exploracin seria en el rea de Wairakei

en la Isla del Norte alrededor de 1950 y, en 1955, decidi en conjunto con el

gobierno del Reino Unido emprender un proyecto de doble propsito qumico y de

generacin de energa, que habra de producir agua pesada y 47 MW de energa

elctrica. Las operaciones de perforacin comprobaron con xito mucho ms vapor

de agua, por lo que el proyecto se construy por etapas hasta una capacidad instalada

total de 192 MW.

California era la siguiente regin que habra de producir energa geotrmica.

Despus de un inicio muy modesto, 12 MW en 1960 y un incremento de 14 MW en

1963, el desarrollo se aceler rpidamente al comprobarse la existencia de ms y ms

vapor. Para 1980 la capacidad total instalada de planta para generacin de energa

geotrmica en el campo Giser ya haba alcanzado la cifra de 943 MW (bruta).

El gran xito econmico que haba demostrado claramente la energa geotrmica

en Italia, Nueva Zelanda y California siguieron una multitud de desarrollos similares

desde la mitad de la dcada de 1960. Hacia fines de 1980 se haban instalado un total

de 2586 MWe (brutos) de plantas de energa geotrmica en 13 pases.


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32

2.5. Generacin de Energa Elctrica

2.5.1. Generalidades

Tanto para esta aplicacin como para las anteriores es muy importante saber que

para llegar a explotar el potencial de un recurso geotrmico es necesaria una

exploracin para reconocer las zonas potenciales con este recurso y sus distintas

condiciones, su composicin y caractersticas (Figura 2.18).

(a) (b)

Figura 2.18 (a) REGIONES DE GRAN POTENCIAL GEOTERMAL, (b) ZONAS

VOLCNICAS DEL MUNDO (MANIFESTACIONES VISUALES DEL

POTENCIAL GEOTRMICO).


La exploracin de yacimientos geotrmicos permite localizar aquellos lugares en

los que es posible encontrar agua o vapor a temperaturas elevadas y a profundidades

cercanas a la superficie. Como la perforacin de un pozo geotrmico potencial es

muy costosa, se utilizan mtodos indirectos que permiten aproximarse poco a poco al

posible lugar en cuestin (Figura 2.19).


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33

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figura 2.19 (a) IMGENES SATELITALES Y FOTOGRAFAS AREAS, (b)

MAPA GEOLGICO, (c) PERFORACIN PARA PRUEBAS Y MEDICIN DEL

GRADIENTE DE TEMPERATURA, (d) DESARROLLO DE UN MODELO

GEOLGICO DEL YACIMIENTO, (e) MEDICIN DE DATOS ELCTRICOS,

MAGNTICOS, QUMICOS Y SSMICOS.Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]


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34

Entre los mtodos indirectos podemos mencionar:

a) La obtencin de imgenes infrarrojas del lugar desde satlites y despus

desde aviones, es decir, utilizando la tcnica denominada percepcin remota.

b) El anlisis geoqumico de muestras de roca, se examinan las piedras y se hace

un mapa geolgico con el tipo de piedra y sus edades con colores diferentes.

c) La medicin directa de la temperatura con termmetros enterrados en el

suelo.

d) La creacin de un modelo geolgico tridimensional del yacimiento.

e) Las mediciones de la resistividad elctrica del suelo y la densidad relativa de

las rocas, gravimetra, y la reflexin y refraccin de las ondas ssmicas, a

partir de mediciones naturales o artificiales, con explosivos.

Una vez que se han agotado los mtodos indirectos se procede a la perforacin del

pozo, que es similar a la de un pozo petrolero (Figura 2.20).

Figura 2.20 SISTEMA GENERAL GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA

CON RECURSOS GEOTRMICOS.Geothermal Energy [11]


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35

Los pozos geotrmicos pueden ser de tres tipos:

De vapor.

De lquido (agua caliente)

De una mezcla de vapor y lquido.

Los yacimientos geotrmicos que contienen lquido y vapor son los ms difciles de

explotar, dado que el agua contiene sales disueltas y forma una mezcla llamada

salmuera. sta ocasiona grandes problemas de corrosin en las instalaciones

geotrmicas, que deben resolver los ingenieros especializados en geotermia, si

quieren que una planta tenga un mayor tiempo de vida til.

Por ejemplo el funcionamiento de una central geotrmica, bajo un sistema Flash

Steam, es generalmente como sigue:

Se explotan varios pozos geotrmicos, de los que se obtiene agua caliente y

vapor, que llegan a un separador.

Posteriormente, mediante un proceso de centrifugacin se separa el vapor y el

agua.

El vapor de alta presin obtenido se enva a una turbina especialmente

diseada para trabajar con vapor geotrmico (si se quiere generar la misma

cantidad de electricidad las turbinas deben admitir un volumen mayor del que

se requiere en una central convencional).

La energa del vapor se transforma en energa cintica de rotacin en la

turbina, que gira a miles de revoluciones por segundo.

La turbina se une a travs de un eje, llamado rotor, a un generador capaz de

producir energa elctrica (Figura 2.21).


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36

(a) (b)Figura 2.21 (a) ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN

TURBOGENERADOR GEOTRMICO A VAPOR, (b) TURBOGENERADOR

EN LA PLANTA GEOTRMICA VALLE IMPERIAL EN CALIFORNIA.


Sin embargo, una vez que se ha utilizado el vapor, ste pasa a un

condensador, lo cual permite que la planta proporcione ms potencia, en

lugar de descargarlo a la atmsfera.

Del condensador se extraen los gases que no se pueden condensar y se

eliminan a la atmsfera (CO2 y SO2); el agua obtenida del condensador se

bombea para su utilizacin posterior.

A continuacin, el agua separada se conduce a otros separadores y

evaporadores de baja presin, lo cual posibilita producir energa elctrica

adicional.

El agua de los condensadores pasa a una torre de enfriamiento y el calor

obtenido en sta se aprovecha para que trabajen los evaporadores

(Figura 2.22).


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37

Figura 2.22 DIAGRAMA DE UNA CENTRAL GEOTRMICA.

La Geotermia Tetera Natural [17]

Por otro lado, el agua de desecho se enva a una laguna, llamada de

evaporacin, aunque tambin se puede tratar para obtener sustancias como

cido brico, gas carbnico, agua pesada, cloruro de calcio, bicarbonato,

sulfato de amonio y cloruro de potasio. Tambin se puede usar en la pesca,

dado que un depsito de agua caliente es adecuado para la crianza de peces.

Sin embargo, en algunas centrales geotrmicas el agua se reinyecta para

evitar la contaminacin de algunos subproductos geotrmicos.

La produccin mundial de electricidad a travs de centrales geotrmicas fue de

4 760 MW. USA ocupa el primer lugar, seguido de las Filipinas y Mxico ocupa el

tercer lugar en la produccin de electricidad a partir de energa geotrmica. Italia fue

el primer pas que instal una central geotrmica, la de Larderello construida por

Piero Ginori Conti, en 1904; luego Nueva Zelanda y despus en tercer lugar Mxico.


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38

2.5.2. Sistemas de Generacin Elctrica

Al sacar vapor o agua caliente desde depsitos geotrmicos se produce una fuerza

que hace girar el generador de la turbina y producir electricidad. El agua geotrmica

no usada se devuelve al depsito, mediante inyeccin, para ser recalentada y para

mantener la presin necesaria. Hay tres tipos bsicos de plantas geotrmicas: Dry

Steam, Flash Steam y Binary Cycle.

a) Sistema Dry Steam

La Planta usa un depsito de vapor con muy poca agua. El vapor se enva a travs

de tubos directamente a las turbinas, que manejan un generador elctrico. Un

ejemplo de este tipo de planta es The Geysers en California del Norte.

En este sistema el vapor geotrmico no es mezclado con el agua. Los pozos de

produccin se perforan abajo de la capa conductora del agua fretica, presurizado el

vapor (180 C - 350 C) es trado a la superficie a alta velocidad, y pasado mediante

una turbina de vapor para generar electricidad; usualmente, el vapor se pasa mediante

un condensador para convertirla en agua (Figura 2.23).

(a) (b)

Figura 2.23 (a) ESQUEMA BSICO DE UN SISTEMA DRY STEAM, (b)

ESQUEMA DE PRINCIPIO DE UN SISTEMA DRY STEAM.Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]


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39

El calor que se pierde se ventila mediante torres de enfriamiento, las eficiencias de

conversin de energa son ms bajas, alrededor 30%. La eficiencia y la economa de

las plantas secas de vapor son afectadas por la presencia de gases no condensables tal

como hidrgeno, dixido de carbn y cido sulfrico. La presin de estos gases

reduce la eficiencia de las turbinas, y adems, la remocin de los gases sobre terrenos

ambientales agrega al costo de operacin.

El prncipe Piero Ginori Conti invent la primera planta de potencia geotrmica en

el campo de vapor seco de Larderello en Italia. Las primeras plantas de potencia

geotrmica en los EE.UU. fueron construidas en 1962 en el campo de vapor seco The

Geysers, en California del Norte; ste es el ms grande campo de produccin

geotrmica del mundo (Figura 2.24).

(a) (b)

Figura 2.24 (a) PRIMERA PLANTA DE POTENCIA GEOTRMICA, 1904,

LARDERELLO, ITALIA, (b) CAMPO DE VAPOR SECO THE GEYSERS, EN

CALIFORNIA DEL NORTE.



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40

b)Sistema Flash Steam

Usa un depsito geotrmico constituido de agua a una temperatura entre 300 y

700 F. En este tipo de sistema, el fluido se roca en un tanque a presin baja,

ocasionando que el fluido rpidamente se evapore. El vapor se usa entonces para

mover la turbina. Hay comnmente algn lquido que permanece en el tanque

despus de que el fluido se roca para evaporarse. Si el lquido es lo suficientemente

caliente, puede rociarse nuevamente en un segundo tanque para extraer aun ms

energa.

Este sistema se usa donde el recurso hidrotrmico est en una forma lquida. El

fluido se roca en un tanque de destello, que tiene una presin inferior que la del

fluido, ocasionando (o destello) rpidamente la evaporacin (Figura 2.25).

(a) (b)

Figura 2.25 (a) ESQUEMA BSICO DE UN SISTEMA FLASH STEAM, (b)

ESQUEMA DE PRINCIPIO DE UN SISTEMA FLASH STEAM.



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41

La tecnologa Flash Steam se invent en Nueva Zelanda. Las plantas Flash Steam

son las ms comunes, ya que la mayora de los recursos geotermales son de agua

dominante. La mayora del fluido geotrmico no destella, y este fluido se reinyecta

en el depsito. Alternativamente, si el fluido que permanece en el tanque tiene una

temperatura suficientemente alta, puede pasarse en un segundo tanque, donde una

reduccin de presin induce un destellado adicional para evaporar. Este vapor, junto

con la descarga desde la turbina principal, se usa para manejar una segunda turbina o

la segunda etapa de la turbina principal para generar electricidad adicional; con lo

cual se logra aumentar el rendimiento en un 2025%, con un 5% de aumento en los

costos de planta. Un ejemplo de este tipo de plantas es la del Valle Imperial en

California. Grandes volmenes de minerales se encuentran en los depsitos

geotrmicos de California del sur que proporcionan subproductos vendibles como

slice y zinc (Figura 2.26).

(a) (b)

Figura 2.26(a) PLANTA FLASH STEAM UBICADA EN LA COLINA

ORIENTAL, CALIFORNIA, (b) PLANTA DE POTENCIA GEOTRMICA

FLASH STEAM DEL VALLE IMPERIAL, CALIFORNIA.Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]


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c) Sistema Binary Cycle.

Se utiliza un depsito de agua con temperaturas entre 250 y 360F. En este tipo de

sistema, el agua geotrmica se pasa mediante un intercambiador de calor, donde su

calor se transfiere en un segundo lquido, que tiene un punto de ebullicin inferior al

del agua (isobutano o isopentano) (Figura 2.27).

(a) (b)

(c)

Figura 2.27(a) ESQUEMA BSICO DE UN SISTEMA BINAY CYCLE,

(b) ESQUEMA DE PRINCIPIO DE UN SISTEMA BINARY CYCLE,

(c) INTERCAMBIADOR DE CALOR DE UN SISTEMA BINARY CYCLE.



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Las plantas binarias tienen varias ventajas:

1) El fluido de trabajo (comnmente isobutano o isopentano) hierve y se convierte

en vapor a una temperatura inferior que la del agua.

2) El sistema binario usa el agua del pozo ms eficientemente, debido a que el agua

caliente viaja mediante un sistema ms corto.

3) Las plantas con sistema Binary Cycle prcticamente no tienen emisiones.

Este tipo de planta geotrmica se encuentra en Soda Lake, Nevada. En Hawai

existe una planta geotrmica, la cual es un hbrido del Ciclo Binario y del Flash

Steam. Un ejemplo con potencia pequea est en Colmillo, Tailandia (Figura 2.28).

(a) (b)

(c)

Figura 2.28(a) PLANTA DE SISTEMA BINARY CYCLE EN SODA LAKE,

NEVADA, (b) PLANTA DE POTENCIA GEOTRMICA EN LA GRAN ISLA DE

HAWAI, (c) PLANTA GEOTRMICA EN COLMILLO, TAILANDIA.Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]


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2.6. Desarrollo Mundial de la Generacin Geotrmica de Electricidad

Despus de la Segunda Guerra Mundial muchos pases fueron atrados por la

energa geotrmica, considerndola econmicamente competitiva respecto de otras

fuentes energticas. Esta no requiere ser importada y, en algunos casos, es la nica

fuente de energa localmente.

(a) (b)

Tabla 2.1 (a) POTENCIAL GEOTRMICO-ELCTRICO: 1995, 2000 Y EST.

2005, (b) DESPACHOS DE ENERGA GENERADA EN EL 2000

Geothermal Energy [11]

Los pases que utilizan la energa geotrmica para generar electricidad aparecen en

la Tabla 2.1, la cual incluye la capacidad elctrica instalada en 1995 (6833 MWe), en

el 2000 (7974 MWe). La misma Tabla tambin reporta la capacidad total instalada

estimada para el 2005 (11398 MWe). La capacidad instalada en pases en va de

desarrollo en 1995 y 2000 representa un 38 y un 47% del total mundial

respectivamente.


51/145

45

La utilizacin de la energa geotrmica en pases en va de desarrollo muestra una

interesante tendencia a travs de los aos (Figura 2.29). En los 5 aos comprendidos

entre 1975 y 1979 la capacidad geotermoelctrica instalada en tales pases aument

de 75 a 462 MWe; a fines del siguiente perodo de 5 aos (1984) se haban alcanzado

los 1495 MWe , mostrando una tasa de incremento durante estos 2 perodos de 500%

y 223% respectivamente. En los siguientes diez y seis aos, de 1984 al 2000, hubo

un incremento de casi 150%. La geotermoelectricidad juega un rol bastante

significativo en el balance energtico de algunas reas; por ejemplo, en 2001 la

energa elctrica producida mediante recursos geotrmicos represent el 27% de la

electricidad total generada en Filipinas, el 12,4% en Kenya, el 11,4% en Costa Rica y

el 4,3% en el Salvador.

0

1000

2000

3000

40005000

6000

7000

8000

9000

MW

1990 1995 2000 2005 Ao

EVOLUCIN DE LA GENERACIN GEOTRMICAELCTRICA EN EL MUNDO

Figura 2.29EVOLUCIN DE LA ENERGA GEOTRMICA ELCTRICA EN

EL MUNDO.Elaboracin propia a partir de What is Geotermal Energy [35]


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46

Tabla 2.2 USOS NO ELCTRICOS DE LA ENERGA GEOTRMICA EN EL

MUNDO: AO 2000What is Geotermal Energy [35]


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47

En cuanto a los usos no elctricos de la energa geotrmica, la Tabla 2.2 muestra la

capacidad instalada (15145 MWt) y la energa utilizada (190699 TJ/ao) en el

mundo durante el ao 2000. Ese mismo ao, 58 pases informaron acerca de usos

directos, en comparacin con los 24 pases que informaron en 1985, y los 28 pases

en 1995. El uso no elctrico mas comn en el mundo corresponden a bombas de

calor (34,80%), seguido de baos (26,20%), calefaccin (21,62%), invernaderos

(8,22%), acuicultura (3,93%) y procesos industriales (3,13%).

a) Desarrollo en USA

En Estados Unidos de Norteamrica (USA) se ubican 18 puntos de extraccin. La

mayor planta de generacin geotrmica est ubicada en la parte norte de California,

USA. Esta planta alcanz su mximo de potencia instalada en 1989 con 1967 MWe.

En USA, los estados con mayor cantidad de instalaciones de plantas geotrmicas

son California (7.3% de la demanda), Nevada y UTA (Figura 2.30); con gran

potencial en los estados de Idaho, New Mxico, Arizona, Oregon y Wyoming. Se

espera que se desarrollen proyectos por 15000 MWe en USA.

Figura 2.30POTENCIAL GEOTRMICO EN USA.Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]


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48

b)Desarrollo en Italia

La explotacin elctrica de la geotrmica comenz a finales del siglo XIX en Italia.

En la actualidad hay un complejo de varias plantas geotrmicas con una capacidad

instalada total que sobrepasa los 400 MW (Figura 2.31), que alimenta energa a la

red integrada de la organizacin del estado italiano Ente Nazionale per l'Energia

Elettrica, conocida comnmente como 'ENEL'.

Figura 2.31 PLANTA GEOTRMICA LARDERELLO (487 MW) ITALIA


c) Desarrollo en IslandiaPases como Islandia han presentado tasas de crecimiento de 16.7% pasando de

283 GWh a 1323 GWh en igual periodo.

Cabe sealar que en otros mbitos, el uso de la geotermia se ha masificado en este

pas. A modo de ejemplo, el 86% de los hogares en Islandia es calefactado a travs

de 200 redes de distribucin de calor de fuentes geotrmicas. Este pas presenta las

mayores tasas de crecimiento en el desarrollo de la geotermia.


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49

d) Desarrollo en Filipinas

Filipinas se ha convertido en el segundo pas productor de energa elctrica

generada geotermalmente. En el ao 2000, Filipinas tena una capacidad instalada de

1909 MWe. En el futuro inmediato, los geotrmicos filipinos planean desarrollar o

expandir los campos de explotacin y construir nuevas plantas en colaboracin con

la industria privada, mejorar el manejo de las reservas existentes e instalar ciclos que

aprovechen el calor desperdiciado durante el proceso (Figura 2.32).

Figura 2.32PLANTA GEOTRMICA MAHANAGDONG (180 MW). FILIPINAS


e) Desarrollo en Nueva Zelanda

Desde 1990 no ha habido un alto crecimiento en la capacidad de generacin de

energa geotrmica, en el ao 2000 tena una potencia instalada de 437 MWe. El

campo ms grande sigue siendo Wairakei (Figura 2.33), con 156 MWe de

produccin y se planea producir 24 MWe ms. La planta de Ohaaki es la segunda

con 108 MWe producidos.


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50

Figura 2.33 PLANTA GEOTRMICA WAIRAKEI(156 MW) NUEVA ZELANDA


f) Desarrollo en Amrica Central

El potencial para algunos campos geotrmicos en la Amrica Central se estima en

cerca de 3000-5000 MW. Existe informacin relativa a diversos esfuerzos de

prospeccin de recursos a nivel de geologa as como de prospeccin de campo en

diversos pases. Mxico produce un 11.7% (5681 GWh) de la energa geotrmica

elctrica del mundo en el 2000 (Figura 2.34).

(a) (b)Figura 2.34 (a) FUENTES ENERGTICAS EN MXICO, (b) POTENCIA

INSTALADA DE LAS PLANTAS GEOTRMICAS EN MXICO

Estrategias de Comisin Federal de Electricidad para reducir emisiones de gases de

efecto invernadero [6]

Nuclear3.80%

Elica0.01%

Hidroelctrica26.17%

Geotrmica2.38% Dual

5.85%Diesel

0.32%

Gas Natural15.07%

Carbn7.24%

Combustleo39.19%

Nuclear3.80%

Elica0.01%

Hidroelctrica26.17%

Geotrmica2.38% Dual

5.85%Diesel

0.32%

Gas Natural15.07%

Carbn7.24%

Combustleo39.19%

Nuclear3.80%

Elica0.01%

Hidroelctrica26.17%

Geotrmica2.38% Dual

5.85%Diesel

0.32%

Gas Natural15.07%

Carbn7.24%

Combustleo39.19%


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51

La experiencia de Nicaragua es de inters. Los primeros estudios para aprovechar

la energa geotrmica se iniciaron en Nicaragua a finales de los aos 60, para tomar

un gran impulso a partir del ao 1973, cuando la crisis del petrleo impact

negativamente en la balanza comercial del pas. La explotacin comercial de este

recurso comenz en el ao 1983, con la puesta en operacin de la planta geotrmica

de Momotombo, la cual tiene actualmente una capacidad de 70 MW. Los recursos

geotrmicos en este pas se calculan en 3000 MWe.

g) Desarrollo en Chile

Las exploraciones geotrmicas en Chile se iniciaron en 1968, se cre el Comit

para el Aprovechamiento de la Energa Geotrmica. Como una primera etapa de los

estudios, las exploraciones se restringieron a las Regiones de Tarapac y Antofagasta

por ser stas las ms deficitarias en recursos energticos e hdricos del pas.

A partir de diciembre de 1999 se ha iniciado un proyecto de tres aos, denominado

Caracterizacin y Evaluacin de los Recursos Geotrmicos de la Zona Central-Sur

de Chile: Posibilidades de Uso en Generacin Elctrica y Aplicaciones Directas.

Este proyecto es llevado a cabo por el Departamento de Geologa de la Universidad

de Chile en colaboracin con la Empresa Nacional del Petrleo y con el apoyo del

Instituto Internacional de Investigaciones Geotrmicas de Italia, del Instituto de

Geologa General y Aplicada de la Universidad de Munich (Alemania) y del Instituto

Geotermal de la Universidad de Auckland (Nueva Zelanda).

Segn estudios de la Universidad de Chile, el potencial geotrmico en Chile es de

16000 MWe (Figura 2.35). A modo de comparacin, el potencial geotrmico en USA

est calculado en 40000 MWe.


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52

Figura 2.35POTENCIAL GEOTRMICO EN CHILELa Energa Geotrmica: Posibilidades de Desarrollo en Chile [15]

El desarrollo en Argentina es muy bajo, limitndose a plantas experimentales. En

Ecuador, existe 1 proyecto geotrmico de algunos MWe para los prximos 10 aos.

Actualmente, la generacin geotrmica representa alrededor del 0.26% de la

capacidad de generacin elctrica instalada a nivel mundial.


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53

2.7. Potencial Geotrmico Nacional

La energa geotrmica es un recurso benigno y renovable, que va de acuerdo con el

control del medio ambiente y que asegura una buena conservacin del mismo. El

aprovechamiento de este recurso permitir tener una fuente ms de generacin de

energa que favorecer al desarrollo de diversas regiones de extrema pobreza.

La energa geotrmica se puede aplicar en la industria, comercio y el sector

domiciliario, para la generacin de electricidad o el calentamiento de agua y

calefaccin de ambientes.

Se han realizado los siguientes avances hasta la fecha:

En 1975, la empresa estatal MINERO PERU efectu estudios de exploracin

preliminar de las manifestaciones geotermales de Calacoa y Salinas en

Moquegua.

En 1976, Geothermal Energy Research del Japn, efectu trabajos de

exploraciones preliminares en la cuenca del Vilcanota en Cusco

En 1977, el INIE efectu el primer censo de manifestaciones geotermales

En 1978, el INGEMMET elabor un inventario y agrupacin geogrfica de

afloramientos geotermales, se identificaron las siguientes regiones

geotrmicas (Figura 2.36):

I) Cajamarca

II) Huaraz

III) Churn

IV) Central

V) Cadena de conos volcnicos

VI) Puno Cusco


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54

Figura 2.36 REGIONES CON POTENCIAL GEOTRMICO A NIVEL

NACIONAL.

Potencial disponible de Energa Geotrmica [18]


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Con la iniciativa del Ministerio de Energa y Minas y el apoyo de la

Cooperacin Tcnica Italiana (CTI) en la dcada de los ochenta se contrat a

la empresa consultora CENERGIA para estudios preliminares de los recursos

geotrmicos en nuestro pas (Tabla 2.3).

Tabla 2.3 LOTES GEOTRMICOS IDENTIFICADOS PARA LA

EXPLOTACIN DE LA ENERGA GEOTRMICA.

Generacin Elctrica a partir de Fuentes Nuevas: Energa Geotrmica [8]

En 1979-1980, INGEMMET y AQUATER de Italia efectuaron estudios de

reconocimiento geotrmico de la Regin V, identificando las reas de inters

Tutupaca, Calacoa, Challapalca, Salinas, Chachani y Chivay.

En 1980, Geothermal Energy System Ltd. hizo estudios de reconocimiento

geotrmico de las zonas de Calacoa, Tutupaca y las Salinas en Moquegua.


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56

En el ao 1986, ELECTROPER con asistencia tcnica de la Organizacin

Internacional de Energa Atmica (OIEA) y las Naciones Unidas realizaron

investigaciones geoqumicas en la Regin V, entre Tacna y Moquegua.

En 1997, CENERGA con el apoyo del IIE de Mxico efectu la evaluacin

de la informacin, estudios disponibles, realizados por INGEMMET,

ELECTROPERU, CENERGA, Proyecto Especial Tacna, IPEN y la

Cooperacin Internacional.

El Per tiene 186 zonas geotrmicas identificadas (39% en Sudamrica)2. El

territorio peruano forma parte del denominado Crculo de Fuego del Pacfico,

caracterizado por la ocurrencia de movimientos ssmicos, fenmenos tectnicos y

elevada concentracin de flujo tectnico. En el pas se han reconocido ms de

doscientas vertientes de agua caliente, as como fumarolas y algunos geysers.

Segn los estudio realizados, de acuerdo a la temperatura, las mejores perspectivas

de aprovechamiento geotrmico para generacin elctrica se ubican por el momento

en la Regin V (Conos Volcnicos) y la Regin II (Callejn de Huaylas).

Caractersticas

a) Regin V

- Calacoa (Moquegua)

Manantiales de agua termales 54C - 87C y presencia de geyser y fumarolas.

Tipo de aguas : Cloruradas sdicas.

Geotermometra: SiO2: 110C-160C, Na/K : 180C-190C

Presencia de domos, volcn Ticsani (apagado) 190000 aos.

2Fuente: Megadiversidad del Per, Per ecolgico. Pgina web:http://www.peruecologico.com.pe/megadiversidad.htm


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57

- Tutupaca (Tacna-Moquegua)

Manantiales de agua termales 40C - 87C y presencia de geysers.

Tipo de aguas: Sulfato sdicas y clcicas.

Geotermometra: SiO2: 180C, Na/K : 240C.

Presencia de domos dacticos y fumarolas lo relacionan con una actividad freato-

magmtica. Ubicado entre volcanes Tutupaca y Yuramane (apagado).

- Challapalca (Tacna-Puno)

Manantiales de agua termales 50C - 87C

Tipo de aguas: Clorurada sdicas y bricas.

Geotermometra: SiO2: 192C, Na/K : 182C-232C, Na/K/Ca: 184C-212C,

Na/K/Ca/Mg: 44C-179C, Na/Li: 204C-240C, K/Mg: 87C-183C.

Presencia de domos (domos Purupurini), ponen en evidencia una fuente geotermal

poco profunda. Se estima que la actividad volcnica ces hace100000 aos.

- Laguna Salinas-Chivay

Manantiales de agua termales 45C a 50C en Calera y de 60Ca 70 C en Chivay,

adems presencia de geysers.

Tipo de aguas: Sulfato, clorurada alcalina.

Geotermometra: En Chivay SiO2: 170C, en Salinas Na/K : 190C.

Presencia de domos apagados indican presencia de cmaras magmticas poco

profundas. La actividad volcnica lvica se estima ces hace 100 000 aos.

b) Regin II

- La Gramma

Tipode aguas: Clorurada sdicasy bicarbonato clcico.

Geotermometra: SiO2: 210C, Na/K : 200C, Na/K/Ca: 180C.


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- Callejn de Huaylas

Tipode aguas: Clorurada sdicasy bicarbona clcico.

Geotermometra: SiO2: 190C, Na/K : 200C, Na/K/Ca; 180C

En la Macro regin sur (Tacna, Moquegua, Arequipa), se han identificado varios

campos geotermales (Figura 2.37 y 2.38), siendo los principales los siguientes:

- Campo Geotermal Andahua (Arequipa)

- Campo Geotermal Salinas (Arequipa)

- Campo Geotermal Calacoa (Moquegua)

- Campo Geotermal Aguas Calientes Candarave (Tacna)

- Campo Geotermal Borateras-Casiri, Chungara (Tacna)

Figura 2.37 IDENTIFICACIN DE LOS CAMPOS GEOTERMALES EN LA

ZONA SUR DEL PER.Energa Geotrmica en la Regin Tacna [5]


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59

Figura 2.38 PRINCIPALES CAMPOS GEOTRMICOS EN LA ZONA SUR DEL

PER.

Energa Geotrmica en la Regin Tacna [5]


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En la Regin Tacna, se tienen varios campos geotrmicos siendo uno de los ms

importantes el de Borateras, donde se han realizado estudios preliminares con la

cooperacin del Organismo Internacional de Energa Atmica OIEA (Tabla 2.4)

Tabla 2.4 RED DE CONTROL GEOTERMAL EN LA REGIN TACNA

Energa Geotrmica en la Regin Tacna [5]

En la fase de ejecucin del estudio se realizaron los siguientes trabajos:

a) Geomorfologa

b) Estratigrafa

c) Hidrologa

d) Hidrogeoqumica

e) Geofsicaf) Vulcanologa


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CAPTULO 3

FUNDAMENTO TERICO

3.1. Descripcin tcnica de una Planta Geotrmica

3.1.1. Tipos de Plantas

a) Plantas tipo Vapor Directo (Direct Steam)

Las plantas de este tipo usan reservas de vapor seco, el cual puede ser saturado o

sobrecalentado, el cual lleva cierta cantidad de gases no condensables de

composicin y concentracin variable.

El vapor es llevado de varios pozos a travs de una tubera a la casa de mquinas

donde es usado directamente en turbinas tipo impulso/reaccin. Entre la boca del

yacimiento y la planta existen separadores centrfugos situados cerca del yacimiento

para remover partculas tales como polvo y slidos tales como pedazos de piedras; alo largo de la tubera se instalan puntos de drenaje para remover la condensacin de

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

la casa de mquinas (Figura 3.1).


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Figura 3.1 DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE UNA PLANTA TIPO VAPOR

DIRECTO.

Formulacin de un Programa Bsico de Normalizacin para Aplicacin de Energas

Alternativas y Difusin [7]

La Figura 3.1 muestra un diagrama simplificado de las plantas tipo Direct-Steam.

En el vapor geotrmico se encuentran gases no condensables (NCG), usualmente

entre 2 al 10%, lo cual hace que sea necesario un sistema de extraccin de gas,

(componente crtico de la planta). Usualmente, se utilizan eyectores de dos etapas,

con condensadores tanto dentro como al final de los mismos., sin embargo en

algunos casos es necesario colocar bombas de vaco o turbo compresores.

Como se observa en la Figura 3.1 el sistema incluye un condensador de

refrigeracin. El vapor condensado no recircula a la caldera, tal como en una planta

de generacin convencional, este se utiliza para alimentar la torre de enfriamiento, el

exceso de condensado tpicamente de 10-20% de peso del vapor, es usualmente

reinyectado al yacimiento. Las torres de enfriamiento de tiro mecnico, ya sea de

flujo continuo o cruzado son las ms usadas para sistemas de enfriamiento tipo

hmedo, sin embargo, en algunas plantas se utilizan las torres de tiro natural.


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63

En la actualidad las plantas tienen unos rangos de 20 a 60 MW por unidad, dichas

unidades tienen un diseo modular para rpida instalacin, el diseo flexible permite

adaptarse a un amplio rango de condiciones de vapor.

b) Plantas tipo Flash- Steam

Los yacimientos de vapor seco, son poco frecuentes. Los ms conocidos son

aquellos donde predomina la fase lquida. En pozos artesianos, el fluido producido es

una mezcla de las dos fases, lquido y vapor. La calidad de la mezcla es funcin de

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

la cabeza del pozo , la cual se controla mediante una vlvula o por medio de una

placa de orificio.

A pesar de que algunas mquinas experimentales han generado energa impulsadas

por un fluido que cuenta con las dos fases (lquido y vapor), convencionalmente se

separan las fases y solo se usa el vapor para impulsar la turbina, debido a que la

presin en la cabeza del pozo es baja, tpicamente entre 0.5-1 MPa, permiten una

separacin efectiva por la accin centrfuga. Los separadores centrfugos producen

vapor con calidades superiores al 99.99%.

El lquido proveniente del separador puede ser reinyectado, usado para producir

energa trmica por medio de intercambiadores de calor para gran variedad de

aplicaciones directas. Las plantas en las que se utiliza vapor a alta presin para

generar energa son las llamadas Single Flash y las que usan tanto el vapor a alta y a

baja presin son denominadas Double Flash.

b.1) Plantas Tipo Single Flash

Un diagrama simplificado de una planta de este tipo se muestra en la Figura 3.2


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64

Figura 3.2 DIAGRAMA DE PLANTA TIPO SINGLE FLASH.



El fluido con las dos fases proveniente del pozo es dirigido horizontal y

tangencialmente en el separador ciclnico. El lquido tiende a fluir en forma circular

por las paredes, mientras que el vapor sube y es removido por un tubo vertical. El

diseo es muy simple ya que no tiene partes mviles y es conocido como separador

de salida en el fondo. En ocasiones se utilizan bafles para mejorar la segregacin de

las dos fases, una vlvula de bola provee seguridad ante la presencia de impurezas

del lquido que pueda entrar en la lnea de vapor. Las lneas de transmisin de vapor

son esencialmente las mismas que las usadas en las plantas tipo Dry Steam .

El balance de la planta es prcticamente idntico a las plantas tipo Direct Steam, la

principal diferencia es la cantidad de lquido que debe ser manejado. Comparando

plantas de 55MW, una planta tpica Single Flash produce cerca de 630 kg/s de

lquido sobrante, mientras que una planta Direct Steam produce 20 kg/s, una relacin


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65

de 30 a 1, si todo este lquido es reinyectado la planta Single Flash podr retornar al

yacimiento cerca del 85% de la masa producida, en comparacin del 15 % de la

planta tipo Direct- Steam.

b.2) Plantas Tipo Double Flash

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

adicional a partir del mismo fluido geotrmico. El vapor de baja presin producido al

estrangular el lquido a baja presin es enviado a una turbina de baja presin o a una

etapa adecuada de la turbina principal (en el caso de una turbina de admisin dual).

Los principios de operacin de este tipo de planta es similar a la planta tipo Single

Flash, sin embargo es mucho ms costosa debido a que requiere mayor

equipamiento.

La Figura 3.3 muestra un diagrama simplificado de este tipo de plantas.

Figura 3.3 DIAGRAMA DE PLANTA TIPO DOUBLE FLASH.

Formulacin de un Programa Bsico de Normalizacin para Aplicacin de EnergasAlternativas y Difusin [7]


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c) Plantas Tipo Binario (Binary Plants)

En una planta tipo Binario la energa trmica del geofluido se transfiere por medio

de un intercambiador de calor a un fluido de trabajo secundario para uso en un ciclo

convencional. El geofluido no est en contacto con las partes mviles de la planta,

as mismo minimiza y en muchos casos elimina los efectos de la erosin, las plantas

binarias tienen ventajas puesto que pueden manejar geofluidos de baja temperatura

(menos de 150 C), de alto contenido de gases disueltos y corrosivos (Figura 3.4).

Figura 3.4 DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE PLANTA TIPO BINARIO


Un diagrama de este tipo de planta se presenta en la Figura 3.4, el ciclo consiste en

un precalentador, un evaporador, vlvulas de control, el conjunto turbina generador,

un condensador y una bomba de alimentacin. Hidrocarburos tales como el

isobutano, isopentano y propano son buenos candidatos para ser usados como fluidosde trabajo al igual que ciertos refrigerantes.


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La Tabla 3.1 muestra los equipos ms importantes que conforman los tipos de

plantas geotrmicas.

Tabla 3.1 EQUIPOS PRINCIPALES EN PLANTAS GEOTRMICAS.



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68

d) Plantas Combinadas o Hbridas

Como se ha mencionado los fluidos geotrmicos tienen un amplio rango de

propiedades fsicas tales como temperatura, presin, presencia de gases no

condensables, slidos disueltos, pH, potencial de corrosin, por tal razn una gran

variedad de sistemas de conversin de energa han sido desarrollados para adaptarse

a estas condiciones particulares. Los sistemas descritos anteriormente pueden ser

combinados para lograr sistemas mucho ms efectivos, en consecuencia se pueden

disear los siguientes tipos de plantas hbridas:

Plantas direct-steam/ Binary

Plantas single flash/ Binary

Planta integrada Single y Doble Flash

Sistema hbrido geotermia y fsil

3.1.2. Desempeo de las Plantas de Generacin

Para medir el funcionamiento de los sistemas de energa se utiliza la segunda ley de

la termodinmica como la base para dicha estimacin. El concepto de trabajo o

energa disponible es usado generalmente para este propsito, ya que las plantas

geotrmicas no operan en un solo ciclo sino en una serie de procesos, la eficiencia

del ciclo trmico (th) para plantas convencionales no se aplica.

La eficiencia del ciclo trmico (th) puede ser aplicada de forma significativa, a las

plantas geotrmicas, en el caso de las plantas binarias. Sin embargo, la eficiencia

trmica aun en este caso debe ser calculada solamente para evaluar el ciclo cerrado

incluyendo el fluido de trabajo y no la operacin global en la cual se tenga en cuentael geofluido, desde los pozos productores hasta la salida de la planta


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69

La eficiencia de utilizacin (u), la cual mide la conversin de trabajo disponible,

del recurso en trabajo til. Para plantas geotrmicas se tiene que:

E.m

Wu

=

u = Eficiencia de utilizacin de la planta geotrmica, sin unidades.

W = Potencia elctrica entregada a la red, W.

m = Caudal msico total del fluido geotrmico, kg/s.

E = Energa especfica del geofluido bajo condiciones en el yacimiento, J/kg.

)ss(ThhE )T,P()T,P(0)T,P()T,P( 00110011 =

)T,P( 11h = Entalpa especfica en el llamado estado estacionario, J/kg.

)T,P( 00h = Entalpa especfica en las condiciones del lugar de la planta, J/kg.

T0 = Temperatura de diseo en grados absolutos, K

)T,P( 11s = Entropa especfica en el llamado estado estacionario, J/kg-K.

)T,P( 00s = Entropa especfica en las condiciones del lugar de la planta, J/kg-K.

Las especificaciones principales y desempeos de plantas de generacin del tipo

Direct-Steam, Single y Double Flash estn dados en la Tabla 3.2 y se presentan datos

similares para pequeas plantas binarias en la Tabla 3.3. El consumo especfico de

geofluido (SGC), es una medida del desempeo. Se observa un dramtico incremento

en este parmetro, cuando compara plantas binarias con las tipo steam,

particularmente las de tipo directo (direct steam). Se puede observar que las plantas

tipo directo operan a unas altas eficiencias, tpicamente entre 50-70%.


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Tabla 3.2 ESPECIFICACIONES DE PLANTAS GEOTRMICAS



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Tabla 2.7 ESPECIFIFICACIONES DE PLANTAS GEOTRMICAS BINARIAS




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3.2. Marco Legal Nacional

El mercado elctrico peruano se rige con las siguientes leyes:

D.L. N 28544 Ley de Concesiones Elctricas

D.S. N 009-93 Reglamento de la Ley de Concesiones Elctricas

Ley N 26734 Ley de Creacin del Osinerg

Ley N 26876 Ley Antimonopolio y Antioligopolio.

D.S. N 020-97-EM Norma Tcnica de Calidad de los Servicios Elctricos.

Las leyes que contemplan el reconocimiento, exploracin y explotacin de los

recursos geotrmicos son:

a) La Ley Orgnica de Recursos Geotrmicos.

b) Reglamento de la Ley Orgnica de Recursos Geotrmicos.

a) Ley Orgnica de Recursos Geotrmicos

La Ley Orgnica de Recursos Geotrmicos, Ley N 26848, fue promulgada el 29

de febrero de 1997 y norma lo relativo al aprovechamiento de los recursos

geotrmicos del suelo y del subsuelo del territorio nacional. El marco legal favorece

a la inversin privada, teniendo en cuenta que nuestro pas posee alrededor de 300

manifestaciones de aguas termales entre 49C y 89C, situadas a lo largo de la

Cordillera Occidental y en menos proporcin en los valles interandinos y la zona

oriental.

A travs de esta ley el Estado promueve el racional desarrollo de los recursos

geotrmicos con la finalidad de asegurar el abastecimiento de energa necesaria para

el crecimiento econmico, el bienestar de la poblacin y la eficiente diversificacin

de las fuentes de energa del pas y cautela el desarrollo de las referidas actividades,

su acceso y libre competencia, de acuerdo a ley.


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73

El Ministerio de Energa y Minas, en representacin del Estado, es el encargado de

elaborar, proponer y aplicar la poltica del sub-sector, as como dictar las dems

normas pertinentes.

El Organismo Supervisor de Inversin en Energa (OSINERG) es el encargado de

velar por el cumplimiento de la presente Ley.

El aprovechamiento de los recursos se otorga a travs de derechos geotrmicos,

bajo las modalidades de autorizacin y concesin, cuyo otorgamiento obliga a su

trabajo, que consiste primordialmente es el cumplimiento de programas de trabajo y

de compromisos de inversin. La concesin de recursos geotrmicos es un bien

inmueble y otorga a su titular un derecho real sujeto a la presente ley.

En esta ley se contemplan como actividades geotrmicas las de reconocimiento,

exploracin y explotacin de recursos geotrmicos.

b) Reglamento de la Ley Orgnica de Recursos Geotrmicos

El Ministerio de Energa y Minas reglamenta la ley arriba mencionada a travs del

Decreto Supremo N 072-2006-EM, que entr en vigencia a partir del 24 de

diciembre del 2006, en el cual se regula el rgimen tributario a aplicar dentro del

marco de garantas de promocin a la inversin.

El reglamento consta de 8 ttulos, los cuales tratan sobre las actividades

geotrmicas, derechos geotrmicos, derechos y obligaciones de los titulares,

extincin de los derechos geotrmicos, jurisdiccin administrativa, procedimientos,

proteccin ambiental y las garantas de la promocin a la inversin.


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CAPTULO 4

DISEO DE LA PLANTA

El diseo consiste en el clculo del ciclo termodinmico para luego realizar la

seleccin de los componentes de la planta geotrmica de generacin elctrica con

ciclo combinado. Este tipo de planta se eligi para lograr un uso ms efectivo de los

recursos geotrmicos debido a que los fluidos tienen un amplio rango de propiedades

fsicas tales como temperatura, presin, presencia de gases no condensables, slidos

disueltos, pH, potencial de corrosin. Este sistema de conversin de energa se puede

adaptar a estas condiciones particulares.

La planta con ciclo combinado (Single Flash / Binary) utiliza el vapor del fluido

geotrmico obtenido del separador para usarlo en la primera etapa de la turbina,

luego se aprovecha el lquido geotrmico sobrante calentndolo en intercambiadores

de calor para emplear el vapor generado en la segunda etapa de la turbina y obtener

energa elctrica en el generador. La tabla 4.1 muestra una descripcin de la planta.


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SISTEMA SUBSISTEMAS COMPONENTES

Condensador, bomba decondensado, torre de enfriamentotipo hmedo, bomba de agua de

refrigeracin, tuberas y unionesBomba de inyeccin, compresor degases no condensables, eyectoresde vapor, vlvula de inyeccin,tuberas y uniones

Vlvula de cabeza de pozo,

silenciador, tuberas y unionesSeparador ciclnico, vlvula decheque tipo bola, tubera de vapor,removedor de humedadPrecalentador, evaporador, tuberade aguaTurbina de dos etapas, generadorelctrico, vlvula de control yparada

Condensacin y torre deenfriamiento

Reinyeccin del FluidoGeotrmico

PLANTA GEOTRMICA DECICLO COMBINADO

Produccin del Fluido

Geotrmico

Extraccin de vapor

Calentamiento del lquidosaturado

Generacin Elctrica

Tabla 4.1DESCRIPCIN DE LA PLANTA GEOTRMICA

4.1. Consideraciones Preliminares

Para el diseo de la planta geotrmica se debe tener en cuenta los siguientes

aspectos:

4.1.1. Consideraciones Mecnicas

- Tuberas aisladas trmicamente de alta resistencia de material anticorrosivo con

un revestimiento de cromo.

- Vlvulas reguladoras, de expansin, de derivacin, de seguridad y otras.

- Silenciadores para la purga de fluidos residuales y evitar los ruidos estridentes.

- Presencia de gases no condensables y slidos disueltos.

- Potencial de corrosin.

- Esfuerzos mecnicos.


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4.1.2. Consideraciones Fluido-termodinmicas

- El fluido geotrmico producido es una mezcla de las dos fases, lquido y va

cordova zl

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